ANÁLISE DA QUALIDADE DO POSICIONAMENTO COM O RECEPTOR HSGPS NOKIA N95 NO INTERIOR DE UMA EDIFICAÇÃO. DIULIANA LEANDRO 1 DANIEL PEROZZO DOS SANTOS 1 SUELEN CRISTINA MOVIO HUINCA 2 RICARDO VILAR NEVES 1 NIARKIOS LUIZ SANTOS DE SALLES GRAÇA 1 1,2,3,4 Curso de Pós-Graduação em Ciências Geodésicas Setor de Ciências da Terra Caixa Postal 19.001 Curitiba, Paraná, Brasil. 1 diuliana_l; danielperozzo; ricvilar@yahoo.com.br; niarkiosnl@hotmail.com 2 suelenhuinca@ufpr.br RESUMO O propósito deste artigo é descrever uma análise da qualidade de posicionamento utilizando a tecnologia HSGPS (High Sensitivity GPS). Para esse fim comparou-se coordenadas geodésicas precisas com coordenadas obtidas com o posicionamento absoluto estático utilizando a tecnologia HSGPS. As coordenadas geodésicas precisas foram obtidas por métodos clássicos de posicionamento geodésico, através de posicionamento GPS relativo estático e transporte de coordenadas. Para descrever essa análise iniciou-se o artigo fazendo uma revisão de literatura sobre a nova tecnologia HSGPS. As observações foram coletadas em dois ambientes distintos: a céu aberto e em um ambiente interno, com um receptor de navegação Garmin e com um receptor de HSGPS acoplado a um telefone móvel. Os resultados obtidos no experimento se mostram muito promissores, estando dentro da precisão esperada. Palavras Chaves: GPS DE SENSIBILIDADE ELEVADA, HSGPS, GPS, LBS. ABSTRACT The purpose of this paper is to describe an analysis of the quality of positioning using the technology HSGPS (High Sensitivity GPS). To that end compared to geodetic coordinates with precise coordinates obtained from the static absolute positioning using the technology HSGPS. The precise geodetic coordinates were obtained by traditional methods of geodetic positioning through GPS positioning on static and transport of coordinates. To describe this analysis of an initial paper with a literature review of the technology HSGPS. The comments were collected in two different environments: the open and in an internal environment, with a receiver and Garmin navigation with a receiver HSGPS coupled to a mobile phone. The results obtained in the experiment have shown great promise is within the expected precision. Words Keys: High Sensitivity GPS, HSGPS, GPS, LBS. 1 INTRODUÇÃO Atualmente os Serviços Baseados em Posição LBS são foco das empresas de receptores GPS. A maior preocupação dos LBS é a disponibilidade do serviço de posicionamento e não a precisão da posição. O desenvolvimento de pesquisas na área tem sido vasto, objetivando principalmente a busca por opções de barateamento dos receptores HSGPS e aumento da qualidade do posicionamento fornecido. Hoje os receptores acoplados em celulares são responsáveis por aproximadamente 85% do mercado de tecnologia GPS. E esse é um mercado em expansão exponencial. Essa indústria tem sido muito incentivada pela United Stated Federal Communications Commission FCC (Comissão Federal de Comunicação dos Estados Unidos) para o desenvolvimento e melhoramento de tecnologias para posicionamento indoor: paredões urbanos e ambientes internos. Os receptores convencionais são desenvolvidos para realizar o posicionamento em locais abertos, a antena desses receptores deve captar sinais emitidos de pelo menos quatro satélites, para que se possa determinar a coordenada do ponto. Já em ambientes indoor os
receptores sofrem com a degradação e perda do sinal, que estão num determinado raio de proximidade do impossibilitam a determinação da posição. anunciante. Os serviços de Entretenimento são os jogos baseados em localização e os serviços de aproximação de pessoas, por exemplo, existem serviços que comunicam se algum amigo entra dentro de um determinado raio de proximidade caso este esteja cadastrado no mesmo serviço. E os serviços de LBS visam atender usuários que em sua grande maioria se encontram em ambientes indoor. Essa condição vem gerando o desenvolvimento de tecnologias como: HSGPS - Receptores de Sensibilidade Elevada e AGPS - Assistente GPS. Essas tecnologias visam permitir o posicionamento em ambientes que anteriormente eram improváveis. 3 RECEPTORES COM SENSIBILIDADE ELEVADA - HSGP 2 SERVIÇOS BASEADOS EM POSIÇÃO Os LBS surgiram em 1996, quando a FCC determinou que as operadoras de telefonia móvel dos Estados Unidos seriam obrigadas a fornecer a localização das chamadas realizadas para o serviço de emergência. Essas chamadas deveriam ser localizadas com uma exatidão da posição de 100m para 67% das chamadas e de 300m para 100%. Devido a essa cobrança da FCC e ao desenvolvimento de tecnologias que atendessem tal exigência produziram-se algumas mudanças revolucionárias nas formas de comércio. Surgiram métodos de comércio que oferecem a oportunidade do consumidor ter acesso rápido a ofertas de produtos e serviços no local onde ele se encontra, os chamados serviços baseados em posição. Esses serviços são baseados em selecionar a informação e disponibilizá-la ao assinante, levando em consideração somente o conteúdo relevante para o usuário em dado momento. Os serviços LBS existentes hoje são: LBS de informação, Location-sensitive Billing, Emergência, Rastreamento, M-Commerce, Entretenimento. LBS de Informação são os serviços tipo "Páginas Amarelas", e indicam tipos específicos de serviços que se encontram próximos ao usuário, por exemplo, o banco mais próximo de onde o usuário se localiza. Nesta categoria podemos incluir também os serviços que informam as condições do trânsito local. Location-sensitive Billing são os serviços que alteram o plano de tarifação da telefonia móvel em função do local de onde a chamada está sendo originada. Os serviços de Emergência são serviços similares ao E-911 americano, ou o 190 no Brasil, nos quais um assinante enfrentando uma situação de emergência disca para esse número. A sua localização deverá ser dada automaticamente e a ajuda será enviada adequadamente. Outro exemplo pode ser um dispositivo antifurto se detecta que o veículo ou carga está se movendo quando não deveria, e alerta o dono e/ou uma central de emergência. Os serviços de rastreamento são os que fornecem a posição contínua de veículos particulares, frotas de caminhões, cargas isoladas, pessoas e até animais de estimação. M-Commerce são serviços de anúncios de ofertas e promoções que são enviados apenas as pessoas que Os receptores com sensibilidade elevada, High Sensitivity GPS, possuem um poder de processamento maior que os receptores convencionais, pois utilizam uma micro plaqueta com um banco de correlações, esta plaqueta permite que a execução do processo da correlação e integração em tempo real gerem reparos muito rápidos do sinal GPS em situações normais de recepção de sinal. E quando os sinais GPS são mais fracos, o receptor possui um poder de processamento maior para a determinação da posição e a solução da sincronização. O desenvolvimento de receptores de alta sensibilidade tem sido de grande valia para atividades de navegação e posicionamento, pois segundo Schwieger (2007) esses receptores são capazes de receber sinais até 1000 vezes mais fracos que os receptores convencionais. Tipicamente os receptores convencionais possuem capacidade de adquirir sinais em torno de -160 dbw. Na maioria das vezes os sinais GPS que chegam as antenas localizadas ao ar livre estão em torno de -155dBW. Porém, esses sinais quando deparam com árvores e edificações são ainda atenuados, por exemplo, dentro de edifícios a atenuação é de aproximadamente 20 db. Os HSGP têm sensibilidade capaz de adquirir sinais de até -30 db, o que é suficiente para que o receptor seja capaz de seguir os sinais GPS mesmo que a antena se encontre em locais totalmente vedados por até três camadas de tijolo ou 20 cm de concreto reforçado com aço. Segundo Dao (2005), as medidas de HSGPS podem ser corrompidas devido a um elevado nível de ruído e devido ao efeito do multicaminho, podendo gerar variação da posição em alguns casos de quilômetros. Um dos grandes problemas encontrados pela técnica HSGPS se deve ao pequeno número de satélites observados e a geometria pobre gerada pelos mesmos, fazendo com que acabe não havendo uma redundância de observações, resultando em redução da confiabilidade. Para uma melhora das soluções de posicionamento fornecidas pela técnica HSGPS, está tem sido utilizada em conjunto com Assistente GPS-AGPS, Sistemas de navegação inercial INS, Barômetros MEMS.
3 ANÁLISE DA QUALIDADE DAS INFORMAÇÕES OBTIDAS COM HSGPS O presente estudo que analisa a qualidade das informações fornecidas por um receptor HSGPS, foi realizado dentro do Centro Politécnico da Universidade Federal do Paraná, em Curitiba. Foram comparadas dados oriundos de um receptor HSGPS obtidos a céu aberto e em ambiente indoor, com dados coletados por um receptor de navegação convencional e coordenadas precisas de marcos. 3.1 Materiais e Métodos Para a aquisição dos dados foram utilizados os seguintes materiais: 1. Receptor geodésico de dupla freqüência Leica GPS1200 (Figura 1). 2. Antena Leica AT504 Choke Ring (Figura 2). 3. Receptor de navegação Garmin (Figura 3). 4. Aparelho celular GSM Nokia N95 (Figura 4). 5. Estação Total Elta S20. Figura 2 Antena Leica AT504 Choke Ring Fonte: Leica Geosystems, 2008 Figura 3 Receptor de navegação Garmin etrex Figura 1 Receptor Leica GPS1200 Fonte: Leica Geosystems, 2008 Figura 4 - Aparelho celular GSM Nokia N95 O receptor Nokia N95 tem implementado a tecnologia HSGPS assim como a tecnologia AGPS, porém nos testes realizados utilizou-se somente o
HSGPS, pois na região de Curitiba as operadoras de o tripé onde se localizava o prisma. E o tripé que celulares ainda não permitem a utilização de AGPS. inicialmente localizava-se na ré deve ser deslocado para o próximo ponto. Nova seqüência de leituras, idênticas a Para a realização deste trabalho foi necessário a anterior foram efetuadas. Todo o procedimento foi determinação das coordenadas de dois marcos, repetido até o alcance do ponto localizado no interior do denominados RN 02 e RN 121, pelo Método de Laboratório de Instrumentação Geodésica - LAIG (Figura Posicionamento GPS Relativo Estático. 7). Os marcos foram rastreados com o receptor de dupla freqüência LEICA GPS1200, pelo período de aproximadamente 3 horas, com um intervalo de gravação de dados de 1s. Essas observações foram processadas com a estação UFPR da RBMC, localizada a menos de um quilometro dos marcos. As coordenadas resultantes desse processamento foram adotadas como padrão para as comparações do trabalho. Essas coordenadas padrão também foram utilizadas como referência para o transporte de coordenadas pelo método dos três tripés que foi realizado para definir as coordenadas precisas de um ponto locado no interior de um prédio. O procedimento para o transporte de coordenadas utilizando o método dos três tripés, consiste na fixação de um tripé na estação de coordenadas conhecidas (Ré) com um alvo sobre ele. Um segundo tripé deve ser colocado sobre um segundo ponto também com coordenadas conhecidas e sobre ele colocado a estação total (Figura 6). Num terceiro tripé um ponto intermediário qualquer (Vante) deve ser colocado um prisma. Figura 7 Ponto localizado no interior do laboratório LAIG Figura 6 RN 121 ocupada para transporte das coordenadas Em cada um dos pontos em que a estação total foi locada realizou-se leituras de pressão atmosférica e temperatura seca e úmida, para a correção dos efeitos ambientais nas medidas das distâncias. Os cálculos do transporte de coordenadas foram efetuados utilizando-se o formulário de Puissant (problema direto), utilizando as distâncias já corrigidas dos efeito ambientais. O azimute inicial foi obtido a partir de dois pontos com coordenadas (latitude e longitude) conhecidas, aplicando-se o problema inverso. O procedimento adotado para o receptor Garmin e o Nokia foi a ocupação dos pontos de interesse utilizando o Método Absoluto Estático por um período aproximado de 5 minutos (Figura 8). Com a estação total foi efetuada uma visada na estação ré e logo após na estação vante. Efetuando-se leituras das distâncias e dos ângulos, em três séries de PD e PI. Após esse procedimento, deslocou-se o alvo para o tripé onde anteriomente se localizava a estação total para
Tabela 2 Comparação entre coordenadas padrão e receptores Garmin e HSGPS na RN02. RN02 Δφ (m) Δλ (m) Δh (m) Padrão X Garmin 1,073 3,381 1,054 Padrão X HSGPS 5,687 1,689 3,054 HSGPS X Garmin 6,761 1,692 2,000 Figura 8 Ocupação da RN com receptor de navegação e HSGPS 3.2 Análises e Resultados O experimento foi dividido em duas etapas. Na primeira analisou-se a qualidade dos dados obtidos a céu aberto com os receptores Nokia e Garmin comparando-os entre si e com as coordenadas precisas dos marcos RN 02 e RN 121. Posteriormente se analisou a posição obtida com o receptor de navegação e o HSGPS de uma chapa locada em ambiente indoor com as coordenadas precisas desse ponto. O receptor HSGPS rastreou a céu aberto 5 satélites e o Garmin entre 5 a 7 satélites. Os resultados obtidos foram satisfatórios, pois o receptor HSGPS mesmo sendo de baixa qualidade, quando comparado a receptores específicos para navegação, mostrou resultados dentro da precisão esperada para o posicionamento estático absoluto. As comparações entre as coordenadas padrão e as obtidas com os receptores Garmin e HSGPS podem ser observadas na Tabela 1 e Tabela 2. Tabela 1 Comparação entre coordenadas padrão e receptores Garmin e HSGPS na RN121. RN121 Δφ (m) Δλ (m) Δh (m) Padrão X Garmin 3,787 2,582 2,310 Padrão X HSGPS 1,129 4,733 6,310 HSGPS X Garmin 4,917 7,334 4,000 A precisão do posicionamento realizado com o receptor HSGPS nas coordenadas foi inferior a 7m em latitude, longitude e altitude. E o receptor Garmin permitiu uma precisão das coordenadas inferior a 5m em latitude, longitude e altitude. Ambos os resultados ficaram dentro da precisão esperada, ou seja, inferiores a 25m. A segunda etapa de testes ocorreu em ambiente interno, na qual se coletou a posição de um ponto gravimétrico locado no interior do laboratório LAIG. O receptor HSGPS precisou ser inicializado a céu aberto de forma estática pelo período de 30 minutos. Após esse período adentrou-se ao prédio no qual se localiza o laboratório. Neste foi coletada a posição do ponto com ambos os receptores Garmin e Nokia N95. O receptor Garmin logo ao entrar no prédio começou a indicar que o sinal GPS estava fraco, perdendo-o por completo alguns segundos depois, como pode ser observado na figura 9. O receptor Garmin não permitiu a determinação do ponto no interior do prédio (Tabela 3). O receptor Nokia N95 não apresentou perda de sinal ao entrar no prédio, porém, dentro do laboratório o sinal era perdido momentaneamente, retornando alguns segundos depois (Figura 9). A posição apresentada no display era acrescida da informação de acurácia da posição, a qual se manteve entre 50 e 250 metros quando o receptor ficou locado no interior do prédio. Figura 9 Receptores Garmin e Nokia N95 no interior do laboratório LAIG Comparando as coordenadas obtidas com o receptor Nokia N95 com a coordenadas padrão obteve-se uma diferença em latitude de aproximadamente 14 metros, uma diferença em longitude em torno de 9 metros e uma diferença em altitude foi -6,337 metros, como pode ser observada na Tabela 3.
Tabela 3 Comparação entre coordenadas padrão e receptores Garmin e HSGPS no interior do LAIG. LAIG Δφ (m) Δλ (m) Δh (m) Padrão X Garmin Padrão X HSGPS 14,294 8,780 6,337 4 CONCLUSÕES O desenvolvimento de tecnologias para posicionamento em ambientes internos têm evoluído muito nos últimos anos. No entanto, os receptores HSGPG ainda não permitem um posicionamento com uma precisão horizontal inferior a 10 metros, como era o desejo da FCC. Porém, a evolução do GPS, a entrada de novos sinais, o sistema Galileu, essa precisão tende a melhorar nos próximos anos. Outro ponto de grande importância é a melhora da posição devido à junção de tecnologias HSGPS com AGPS. De uma forma geral os receptores acoplados a celulares tem oferecido as duas tecnologias no mesmo aparelho, porém no Brasil o sistemas de AGPS ainda está restrito a um pequeno número de cidades, dentre as quais Curitiba não faz parte. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem ao professor Prof. Dr. Luiz Danilo Damasceno Ferreira pelas sugestões e correções e aos Laboratório de Geodésia Espacial LAGE e Laboratório de Instrumentação Geodésica LAIG pelo uso das instalações e por todo o apoio técnico. REFERÊNCIAS DAO, T. H. D.; LACHAPELLE, G. GPS Performance for Various Applications. Paper. CD-ROM Proceedings, 26th Asian Remote Sensing conference, Hanoi, Vietman, 7-11 November. 6 pages. Disponível em < a-a-rs.org/acrs/proceeding/acrs2005/papers/nas-5.pdf>. Acessado em 5 de outubro de 2007. LEICA GEOSYSTEMS. Disponível em <http://www.leica-geosystems.com>. Acesso 23 de junho de 2008. SCHWIEGER, V. High-Sensitivity GPS - the Low Cost Future of GNSS?! Strategic Integration of Surveying Services. FIG Working Week 2007. Hong Kong SAR, China. May 2007.