CALIBRAÇÃO DE ANTENAS GPS: CONCEITOS, MÉTODOS E IMPORTÂNCIA PARA APLICAÇÕES GEODÉSICAS

CALIBRAÇÃO DE ANTENAS GPS: CONCEITOS, MÉTODOS E IMPORTÂNCIA PARA APLICAÇÕES GEODÉSICAS Diuliana Leandro Rodrigo Mikosz Gonçalves John Alejandro Fierro Sanhueza Elmo Leonardo Xavier Tanajura Suelen Movio Huinca Universidade Federal do Paraná - UFPR Curso de Pós-Graduação em Ciências Geodésicas - CPGCG { diuliana.leandro, rodrigo.mikosz, john.fierro, elmotanajura, suelen.huinca }@gmail.com RESUMO As antenas GPS se apresentam no primeiro lugar na cadeia de recepção dos levantamentos, o conhecimento de suas características se torna essencial ao melhoramento das metodologias para aplicações geodésicas acuradas. Cada antena possui uma característica de recepção diferente, estas também apresentam diferenças estruturais, no entanto, todas são desenvolvidas utilizando os mesmo princípios matemáticos e físicos da teoria eletromagnética. Este artigo visa tratar de uma maneira geral dos princípios fundamentais das ondas eletromagnéticas, dos tipos de estruturas e características das antenas dos receptores GPS, além de definir os motivos pelos quais essas devem ser calibradas. Quando se realizam levantamentos GPS todos os dados são referenciados a um ponto físico da antena geralmente ao ARP (Antenna Reference Point), porém a recepção dos sinais GPS ocorre no centro de fase eletrônico da antena e este varia de equipamento para equipamento. Essas variações (± 2cm) e a qualidade dos levantamentos estão diretamente ligadas, já que são a partir delas que são feitos os offsets de conexão com os monumentos físicos. Além disso, o artigo retrata uma visão geral de como os parâmetros e informações são fornecidos pelo IGS (International GNSS Service). Os métodos de calibração existentes assim como suas características e conceitos são apresentados, entre eles encontram-se os métodos de calibração absoluto e relativo. No método de calibração absoluto são realizados dois dias siderais de observações, sendo que no segundo dia é necessário que a antena seja submetida a rotações e inclinações. Os dados obtidos no primeiro dia são comparados aos do segundo dia, permitindo que seja possível separar os erros contidos nas observações GPS, como por exemplo: variações no centro de fase e erros de multicaminho. No método de calibração relativa são utilizadas duas antenas, uma considerada como base, da qual se possui as coordenadas precisas e a segunda antena locada em um ponto também conhecido, a alguns metros distante da primeira. Os desvios do centro de fase da antena a ser calibrada são obtidos com a determinação das diferenças entre as coordenadas precisas e as obtidas pela antena em questão. Por fim é apresentado o que vem sendo desenvolvido no Brasil, a respeito de calibração de antenas, e a situação da primeira base de calibração GNSS (1ªBCALB) que se encontra localizada na UFPR. Palavras chaves: Calibração, antenas GPS, desvio de centro de fase. ABSTRACT The GPS antennas are in the first place in the chain of receptions surveys, the knowledge of the characteristics are essential to development the methodologies and accurate geodesic applications. Each antenna has your own characteristic of reception, and also some structural differences, whatever, all of them are developed using the same math principle and also the electromagnetic physic theory. This paper approaches the general fundamental principles of the electromagnetic waves, the characteristics of the structures and GPS antennas, besides the reasons for antenna calibration. When GPS surveys are done all the data refers to a physic point of antenna usually the ARP (Antenna Reference Point), but the reception of GPS signal and this point are in the electronic center of phase of the antenna and this one are dependent of the equipment used. Those variations (± 2cm) and the quality of surveys are direct linked, because the offsets of connection with the physics monuments are done using those informations. Another goal of this paper are the general vision showing how the informations and parameters are given by the IGS (International GNSS Service). The current methods of calibration and also the characteristics and concepts of them are showed, between there are the relative and absolute calibration methods. In the absolute method of calibration the observations are done 214

by two sidereal days, in the second day it is necessary to change the position of the antenna doing some rotations and inclinations. The data from the first day are compared, allowed the data to separate the erros in the GPS observations, for example: variations in the center of phase and multipath. In the relative calibration method are used two antennas, one considered as a base with precise coordinates and the second in another point a feel meter of distance. The deviations of center of phase are obtained by the determination of the differences between the precise coordinates and the one gotten by the antenna. Conclusions of what has been done in Brazil related with antenna calibration and the situation of the first base of calibration GNSS (1ªBCALB) located at UFPR are showed. Keywords: GPS, absolute positioning, precision. 1 INTRODUÇÃO As antenas existentes hoje se devem aos esforços de Heinrich Hertz, em 1886, em desenvolver objetos, que auxiliassem no estudo e na tentativa de provar a teoria eletromagnética, proposta pelo matemático e físico James C. Maxwell. Desde está época até a atualidade, os princípios físicos que regem o projeto e desenvolvimento das antenas foram sendo melhorados, foram feitas descobertas, novas tecnologias surgiram a fim de receber e transmitir os sinais eletromagnéticos. Chegando a estruturas com características individuais únicas, que regem basicamente todas as atividades tecnológicas humanas. Dentre estas estruturas, se enquadram às antenas GPS, essenciais ao desenvolvimento de atividades como os levantamentos geodésicos para uma série de finalidades. 2 CARACTERÍSTICAS DO SINAL O sinal GPS é uma onda eletromagnética polarizada, composta por um campo elétrico e um campo magnético, sempre situados em planos ortogonais e variando em fase (0 graus). Estes campos se propagam em qualquer material isolante com uma velocidade de propagação, cujo vetor está a 90 graus dos vetores campo elétrico e magnético como pode ser observado na Figura 1. No vácuo, esta velocidade é a da luz. Figura 1 Onda Linearmente Polarizada. Fonte: Adaptado de SZILÁGYI E HIRANO, 2007. O sinal GPS resulta da soma vetorial de ondas polarizadas linearmente, polarização vertical e horizontal, ou seja, o sinal é circularmente polarizado à direita (RHCP - Right Hand Circularly Polarized) (Figura 2). Figura 2 Polarização Circular. Fonte: Adaptado de GONÇALVES e WATER, 2005. As antenas GPS são projetadas para receber apenas os sinais circularmente polarizados à direita, sendo que os sinais circularmente polarizados a esquerda ou as componentes opostas são rejeitadas, porém o fator de rejeição é dependente da tecnologia usada para a sua implementação. 3 ANTENAS GPS As antenas GPS são dispositivos que tem como função transformar energia eletromagnética irradiada dos satélites em energia eletromagnética guiada, ou seja, ela funciona como um sensor que traduz sinal do satélite em informações de amplitude e fase, convertendo a energia de onda em corrente elétrica, amplificando a força do sinal e disponibilizando ao processador do receptor. Por sua natureza, deduz-se que a antena ocupa sempre o último lugar na cadeia de transmissão e o primeiro lugar na cadeia de recepção. No estudo e projeto de antenas, pode-se dizer que não importa em que freqüência do espectro eletromagnético seja aplicada, sempre serão usados os mesmos princípios matemáticos, físicos e práticos da teoria eletromagnética, ela é constante, imutável e invariável (LEITHOLD, 1987). 215

4 DIAGRAMA DE IRRADIAÇÃO Cada tipo de antena possui características de radiação diferentes, que usualmente são representadas graficamente através de um diagrama de radiação, e no caso das antenas GPS dos receptores, esse diagrama mostra as direções angulares em que a antena melhor recebe as irradiações eletromagnéticas, ou seja, qual o local em que as radiações incidem com maior intensidade. Esse mapeamento da distribuição de energia irradiada pode ser bidimensional (Figura 3) ou tridimensional (Figura 4), este segundo permite visualizar a distribuição espacial de toda a potência envolvida. o diagrama de uma antena apresentar lóbulos desiguais, o maior é dito lóbulo principal e os demais são ditos lóbulos secundários (KRAUS e MARHEFKA, 2002, apud FREIBERGER, 2007). Figura 5 Diagrama de radiação. Fonte- FREIBERGER, 2007. 5 TIPOS DE ANTENAS GPS Figura 3 Diagrama bidimensional de radiação de uma antena dipolo. Fonte: FERRANDO e VALERO, 2007. As antenas dos receptores GPS são estruturas metálicas dispostas em variadas configurações, formando por um conjunto de condutores, segundo SEEBER (1993), os tipos de antenas que estão disponíveis são: Monopolo, Dipolo, Helicoidal (hilex), Helicoidal-espiral (spiral hilex), Microstrip ou Patch, e Choke Ring (Figura 6). Figura 4 - Diagrama tridimensional de radiação de uma antena dipolo. Fonte: FERRANDO e VALERO, 2007. Pode-se obter o diagrama de radiação através da rotação da antena que se está medindo em torno do seu eixo, enviando os sinais ao receptor GPS, e discriminando as freqüências e potências recebidas. Os valores proporcionais às intensidades medidas são marcados sobre linhas radiais, correspondentes às direções consideradas. Observa-se como exemplo a Figura 5, que no sentido indicado por 4 (180º) existe um máximo, enquanto que em 0 e 8 (0º ou 360º) os valores são nulos. A parte do diagrama compreendida entre dois nulos de irradiação é denominada lóbulo. Se Figura 6 Tipos de antenas GPS. Fonte: Adaptado de BERNARDI e LANDIM, 2002. A antena helicoidal é muito utilizada em receptores GPS, por apresentar uma abertura compatível com o ângulo do sinal incidente dos satélites e por apresentar uma polarização circular, não sendo necessário ajuste de polarização. Sua estrutura interna e externa podem ser observadas na Figura 7. 216

Figura 7 Estrutura interna de uma antena helicoidal. Fonte: FRANZ, 2007. Antenas do tipo Microstrip ou Patch (Figura 8) são confeccionadas em placas de circuito impresso montadas sobre bases quadradas, isolados por um dielétrico, uma camada de ar ou no caso das antenas mais aprimoradas por uma porcelana. Estas antenas, segundo FREIBERGER (2007), podem ser de construção simples, compacta, de baixo custo de fabricação e ser empregadas em receptores GPS portáteis (receptores de navegação), em especial quando a antena é integrada ao corpo do receptor. Figura 8 Estrutura interna de uma antena Patch. Fonte: FRANZ, 2007. Nos levantamentos geodésicos as antenas utilizadas devem permitir a recepção de duas ondas portadoras (L1 e L2), apresentando alta estabilidade entre o centro de fase e o centro geométrico, assim como ter a capacidade de minimizar o efeito de multicaminho. Dentre os tipos existentes atualmente, a antena que melhor se adapta a essa finalidade é a Choke Ring. As antenas Choke Ring (Figura 9) possuem um plano de terra que contém uma série de círculos concêntricos com depressões de um quarto de onda. Segundo BERNARDI e LANDIM (2002), estas depressões atuam como linhas de transmissão curtas junto ao final e seus topos apresentam uma alta impedância (quociente entre a amplitude de uma tensão alternada e a amplitude da corrente que ela provoca em um circuito) na freqüência do sinal GPS. Então, ondas de superfície não têm forma, assim à antena ganha uma importância na proteção de reflexões do solo e de sinais de multicaminho que chegam de direções aproximadamente horizontais. Figura 9 Antena tipo Choke Ring. Fonte: NGS, 2007. Porém, a antena Choke Ring possui algumas desvantagens: o tamanho avantajado, o peso e o custo. 6 CARACTERÍSTICAS CONSTRUTIVAS DAS ANTENAS GPS As antenas dos receptores GPS detectam ondas eletromagnéticas, emitidas pelos satélites, polarizadas circularmente à direita (RHCP- Rigth- Hand Circularly Polarised). A antena ainda converte essa energia da onda em corrente elétrica enviando ao receptor. Assim as características estruturais da antena, como TGP, ARP e PCO são importantes para se entender como os sinais são recebidos. Superfície Superior do Disco - TGP TGP (Top of Ground Plane) é a superfície superior do disco de proteção contra o efeito multicaminho. Ponto de Referência da Antena - ARP O IGS define ARP (Antenna Reference Point) como um ponto físico na antena localizada na parte inferior, materializado pela interseção do centro da rosca de centragem com o eixo de simetria do instrumento. Segundo FREIBERGER (2007), o ARP é definido como a origem de todas as operações de centragem externa da antena, e.g., da medição de altura do instrumento em relação a um marco. Deste modo o ARP é definido como sendo a origem do sistema de coordenadas da antena, dado por um sistema topocêntrico local com a antena orientada ao norte. Desvio do Centro de Fase - PCO O centro de fase ou centro de fase eletrônico da antena GPS não é um ponto físico, nem estável, e sim um ponto observado na antena durante a recepção do sinal vindo do satélite. Esse conceito é essencial, já que nas aplicações geodésicas quando se determina uma linha de base, o vetor formado entre as duas antenas está relacionado não com o centro mecânico e sim com o centro de fase eletrônico, essa não coincidência de ambos se deve as diferenças construtivas de cada instrumento. Tais variações podem atingir alguns centímetros para alguns tipos de antenas. Nas aplicações de alta precisão, as posições do centro de fase de todas as antenas envolvidas em um projeto devem ser conhecidas e referenciadas a um ponto físico da antena, normalmente ao ARP. (FREIBERGER, 2004). Segundo MADER (2004) para toda a antena GPS, o centro da fase mudará em função do sentido de mudança do sinal de um satélite. E em grande parte 217

essa variação depende da elevação e do azimute do satélite. Essas variações do centro de fase da antena acabam afetando os offsets da antena, que são a conexão das medidas GPS com os monumentos físicos. O fato de ignorar as variações do centro de fase pode conduzir a erros verticais sérios de até 10 cm. Devido aos efeitos causados pela variação do centro de fase o NGS (National Geodetic Survey) calibra as antenas e disponibiliza estas informações em <http://www.ngs.noaa.gov/antcal/>, da forma como apresentada na Figura 9. PVC L2 PVC L1 CF L1 CF L2 Centro ARP Mecânico Eixo de Simetria Vertical Figura 31 Desenho esquemático da antena Z GPS. Fonte- Autores, 2007. 7 CALIBRAÇÃO Figura 9 Arquivo com parâmetros de calibração de uma antena. Fonte: NGS, 2007. Neste mesmo endereço, informações adicionais também são fornecidas sobre as antenas (Figura 10) como: fotografias, os desenhos de engenharia para facilitar a identificação dos offsets corretos, os pontos de referencia da antena consultada. Atualmente um dos temas mais tratados internacionalmente na área de geodésia espacial é a calibração de antenas. Devido principalmente a necessidade cada vez maior de melhor a qualidade de posicionamentos precisos. No entanto, no Brasil esse é um tema ainda muito pouco estudado. Sendo que o maior expoente em calibração se dá na Universidade Federal do Paraná, no qual devido aos esforços e dedicação de dois pesquisadores: Jaime Freiberger e Claudia Pereira Krueger está estabelecendo a primeira estação de calibração de antenas GNSS no país. A estação foi instalada no prédio anexo ao observatório astronômico Camil Gemael localizado no Centro Politécnico, e é denominada de 1ªBCALBR (Figura 12). Figura 10 Informações adicionais da antena fornecidas pelo NGS. Fonte: NGS, 2007. Na Figura 11 pode se observar as principais características estruturais das antenas dos receptores GPS, como: PVCL1 Centro de Variação de Fase da onda portadora L1 (Phase Center Variation L1); PVCL2 Centro de Variação de Fase da onda portadora L2 (Phase Center Variation L2); CFL1 Centro de Fase da onda portadora L1; CFL2 Centro de Fase da onda portadora L2; Eixo de Simetria Vertical; Centro Mecânico; e ARP - Ponto de Referência da Antena. Figura 12 Observatório astronômico Camil Gemael e 1ªBCALBR. Fonte- FREIBERGER, 2007. Mesmo havendo a inexistência de serviços de calibração no Brasil, desde a concepção dos levantamentos geodésicos utilizando o posicionamento GPS têm se desenvolvido a nível mundial técnicas para a calibração de antenas. Durante a década de 90 houveram grandes evoluções. Atualmente a definição dos parâmetros da antena pode ser obtidos segundo MENGE (2003) apud FREIBERGER (2007) pelos métodos: determinação do PCO; calibração absoluta em ambientes controlados, e.g., câmaras anecóicas; calibração absoluta em campo; calibração relativa em campo; A determinação das componentes horizontais e verticais do PCO são deduzidas através de 218

combinações de dados vetoriais que são determinados por uma linha de base conhecida, através do intercâmbio de antenas ou então pela rotação horizontal da antena. Informações detalhadas sobre as técnicas podem ser encontradas em FREIBERGER (2007). A calibração utilizando câmaras anecóicas consiste no teste de uma antena em um ambiente que minimiza a quantidade de reflexão ou reverberação de ondas de diferentes tipos, incluindo freqüências de rádio e microondas. No qual, a antena recebe sinais GPS simulados, com freqüências discretas, podendo ser rotacionada e inclinada. Esse processo consiste em associar os dados de amplitude e resposta de fase à padrões de diretividade e eficiência contidos em um modelo que considera as propriedades mecânicas do suporte da antena, a variação da freqüência e os efeitos gerados pelos movimentos aplicados na antena (SCHUPLER E KLARK, 2001 apud FREIBERGER 2007). Desta maneira consegue-se caracterizar a resposta eletrônica da antena para cada freqüência. No método de calibração absoluta em campo conforme FREIBERGER (2007) se determina e separa os erros contidos nas observações GPS, as variações do centro de fase e a influência do efeito de multicaminho, da seguinte maneira: Realizando medições empregando uma antena de referência e a antena a ser calibrada, posicionadas em uma linha de base curta. Para minimizar as influências atmosféricas e erros orbitais, é determinada a dupla-diferença de fase das observações através da qual são suprimidos os erros de relógio e também as PCV (a serem determinadas). São realizadas observações da constelação GPS em dois dias siderais médios consecutivos. Em um dos dois dias de rastreio (normalmente, no segundo dia), a antena a ser calibrada é submetida a movimentos de rotação e inclinação em torno de um ponto conhecido, de forma que as PCV podem ser recuperadas como observáveis quando se compara os dois conjuntos de dados. Considera-se as condições invariáveis no entorno da antena. No método de calibração relativa em campo se observa uma linha de base curta por longo período de tempo, tendo duas estações de referência conhecidas. Assim, é possível considerar que influências dos erros orbitais, da ionosfera e da troposfera sejam praticamente nulos. Os erros do centro de fase são considerados as diferenças entre as coordenadas obtidas na calibração com as coordenas precisas dessa linha de base. 8 CONCLUSÃO É imprescindível o conhecimento dos principais tipos de antenas dos receptores GPS e as características construtivas dessas, pois somente assim pode-se definir melhor qual o tipo de antena a ser escolhida para um determinado levantamento geodésico dependendo da finalidade ao qual será aplicado. Um ponto de suma importância tratado nesse artigo é a calibração de antenas. Porque atualmente os posicionamentos GPS exigem maior precisão e confiabilidade o que se torna improvável de se obter sem que haja a calibração de antenas. Sendo também importante ressaltar que serviços de calibração de antenas não existem na maior parte dos países da América Latina, inclusive no Brasil, porém o primeiro passo para o desenvolvimento desse já foi dado com a criação da 1ªBCALBR. Espera-se que esse tenha sido somente o impulso que faltava para o estudo e desenvolvimento de métodos de calibração no país. 9 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS BERNARDI, J.V.E. & LANDIM, P.M.B. Aplicação do Sistema de posicionamento Global (GPS) na coleta de dados. DGA,IGCE,UNESP/Rio Claro, Lab. Geomatemática,Texto Didático 10, 31 pp. 2002. Disponível em <http://www.rc.unesp.br/igce/aplicada/textodi.html>. Acesso em: 1 de junho de 2007. FERRANDO, M.; VALERO A. Antenas. Departamiento de Comunicaciones. UPV - Universidad Politécnica De Valencia. Notas de Aula. Disponível em http://www.upv.es/antenas/. Acessado em 8 de junho de 2007. FRANZ, L. V. Antenas, Cabos e Rádio-Enlace. Notas de aula. Universidade Santa Cecília, Santos SP. Disponível em <http://professores.unisanta.br/santana/downloads%5c Telecom%5CSistemas_Telecom%5CRadio%5CCurso %20de%20Antenas.pdf>. Acessado em: 30 de maio de 2007. FREIBERGER, J J. Investigações Da Calibração Relativa De Antenas GNSS. Tese. Curso de Pós- Graduação em Ciências Geodésicas, Setor de Ciências da Terra, Departamento de Geomática, Universidade Federal do Paraná, 2007. (No Prelo) FREIBERGER, J J. Antenas de Receptores GPS: Características Gerais. Material teórico de apoio ao Curso de Extensão Error Sources in Highly Precise GPS Positioning. Setor de Ciências da Terra. Departamento de Geomática. Curso de Pós-Graduação em Ciências Geodésicas, 2004. GONÇALVES, A. S.; WALTER, F.. Análise da Reflexão Especular do Sinal do Multicaminho. Artigo. Divisão de Engenharia Eletrônica - Instituto Tecnológico de Aeronáutica ITA. São José dos Campos, SP Brasil,2005. LEITHOLD, Â. A., 1987. Disponível em <http://br.geocities.com/angeloleithold/teoriaantena.ht ml>. Acessado em 8/05/2007. MADER, G. L. GPS Antenna Calibration at the National Geodetic Survey. National Geodetic Survey, NOS, NOAA. Silver Spring, MD. 2004. Disponível em 219

< http://www.ngs.noaa.gov/antcal/images/summary.h tml>. Acessado em: 28 de maio de 2007. NGS - National Geodetic Survey. Disponível em < http://www.ngs.noaa.gov/antcal/>. Acessado em 8 de junho de 2007. SZILÁGYI; HIRANO. Polarização de Ondas Eletromagnéticas. Disponível em <http://paginas.terra.com.br/lazer/py4zbz/antenas/polar izacao.htm>. Acessado 10 de abril de 2007. SEEBER, G. (1993). Satellite Geodesy. Berlin: de Gruyter. 220