Presidente Prudente - SP, 24-26 de julho de 2017 p. 463-469 DESENVOLVIMENTO DE EQUIPAMENTOS DESTINADOS A AFERIÇÃO DE ANTENAS/GPS APLICADAS NA PREVENÇÃO DE DESASTRES NATURAIS ANDERSON RENATO VISKI CLÁUDIA PEREIRA KRUEGER Universidade Federal do Paraná UFPR Programa de Pós-Graduação em Ciências Geodésicas anderviski@gmail.com, cpkrueger@ufpr.br RESUMO - Com o avanço da tecnologia GNSS o monitoramento massas de água por meio de sistemas de posicionamento por satélites, tem se tornado uma opção atraente ao país, visando o controle e conhecimento de ciclos hidrológicos que compõem o território nacional. Quanto ao uso diário de receptores GPS, apesar de serem equipamentos eletrônicos, os mesmos não possuem uma rotina de verificação de seu desempenho e consequentemente de seus resultados, sendo passíveis de erros sistemáticos que podem afetar as medições efetuadas. Desenvolveram-se para esta pesquisa diversos equipamentos destinados à aferição da precisão e acurácia de receptores GPS em diferentes métodos de posicionamento com o intuito de obter incertezas mínimas destas antenas em determinações Eulerianas empregadas no monitoramento de massas de água. Palavras chave: GPS, Protótipos, Desastres Naturais. ABSTRACT - With the advancement of GNSS technology, the monitoring of water masses through satellite positioning systems has become an attractive option for the country, aiming at the control and knowledge of hydrological cycles that make up the national territory. Regarding the daily use of GPS receivers, although they are electronic equipment, they do not have a routine to verify their performance and consequently their results, being susceptible to systematic errors that can affect the measurements made. In order to obtain minimum uncertainties of these antennas in Eulerian determinations used in the monitoring of water masses, several equipment to measure the accuracy and accuracy of GPS receivers in different positioning methods were developed for this research. Key words: GPS, Prototyping, Natural Disasters. 1 INTRODUÇÃO No Brasil os desastres naturais constituem um tema cada vez mais presente no cotidiano das pessoas. Independentemente de estas residirem ou não em áreas de riscos tais como deslizamentos, enchentes, subsidências e erosão, que podem ocorrer naturalmente com expressivos danos e perdas, de caráter social, econômico e ambiental. Os desastres naturais têm tido uma recorrência e gerado impactos cada vez maiores com expressivos registros de acidentes e mesmo de desastres associados, principalmente, a inundações, acarretando prejuízos e perdas significativas, inclusive de vidas humanas. Ainda que em um primeiro momento o termo desastres naturais nos leve a associá-lo com terremotos, tsunamis, erupções vulcânicas, ciclones e furacões, os desastres naturais contemplam, também, processos e fenômenos mais localizados tais como deslizamentos, enchentes, subsidências e erosão, que podem ocorrer naturalmente ou induzidos pelo homem. (TOMINAGA et al;2009). Quanto à necessidade de monitorar e prever desastres naturais provenientes de massas de água os sistemas globais de posicionamento por satélite (p.ex. GPS), podem oferecer subsídios de informações de condições físicas da superfície terrestre, através de seu uso contínuo e autônomo de curto ou longo prazo de observações em tempo real ou pós-processados. Para que se possa realizar um monitoramento específico, neste caso em massas de água, torna-se necessário o desenvolvimento ou adaptação de métodos, sistemas e equipamentos que possam auxiliar na obtenção de dados com qualidade e precisão nas medidas realizadas e nos resultados alcançados. De acordo com Machado (2010) existe uma deficiência a cerca de informações técnicas com relação ao desempenho de receptores GPS com relação aos Métodos de Posicionamento sendo necessário instituir normas com relação ao seu uso.
Instituindo métodos de aferição para antenas/receptores, torna possível mensurar a dimensão das observações, afetadas por erros sistemáticos nas medidas obtidas pela fase utilizadas no posicionamento GNSS. 2 METODOLOGIA Para a realização dos experimentos visando estudar deslocamentos e trajetórias de antenas/receptores GPS, instalados em plataformas Eulerianas de monitoramento de massas de água, foram desenvolvidos equipamentos de aferição das mesmas. (VISKI, 2012). Parte dos problemas encontrada no monitoramento de massas de água com GPS, diz respeito a acelerações horizontais ou verticais devido ao deslocamento da plataforma quando a mesma estiver coletando dados. Por conta disso, problemas podem ocorrer quanto à fixação das ambiguidades na trajetória percorrida. Entre os equipamentos desenvolvidos esta um sistema de aferição rotacional, que por meio do Método de Posicionamento Relativo Cinemático ou Diferencial é capaz de verificar a acurácia de antenas GPS quando a mesma desenvolve uma trajetória circular raio conhecido. Além de determinar uma figura geométrica circular visivelmente constante, o equipamento permite aplicar diferentes velocidades que afetam obtenção de observações GNSS pela fase da onda portadora, fator esse explicado por Seeber (2003). Destarte possibilita avaliar e comparar coordenadas obtidas pelo posicionamento por satélites. Este sistema denominado de ATC (Aferidor de Trajetórias Cinemáticas) Figura 01, foi desenvolvido no LAGEH, para aplicações Geodésicas e na Hidrografia. O protótipo desenvolvido é composto por uma haste metálica em alumínio (adaptada a partir de uma régua estadimétrica) medindo 1000 mm de comprimento total. denominadas de Antena I e Antena II. Duas linhas de base conhecidas, com 500 mm de cada lado do dispositivo, são então formadas. Como forma de comparar a altura das Antenas I, II e de referência, foram utilizados parafusos de fixação de antenas com mesma dimensão e comprimento na régua do ATC garantindo com isso o mesmo plano horizontal com relação ao ARP (Antenna Reference Point) de cada antena sobre o a régua do ATC. Para a realização de experimentos com este dispositivo foi empregada uma velocidade de rotação de 40 RPM, sendo esta a maior velocidade que o ATC pode atingir, visando à obtenção das observações cinemáticas. Quando há necessidade de obtenção de coordenadas geodésicas próximo a massas de água utilizando plataformas ou boias torna-se necessário o conhecimento da influência do multicaminho proveniente da reflexão do sinal GPS sobre o espelho d água. Entre os equipamentos desenvolvidos para o estudo de minimização do efeito do multicaminho destaca-se o DAM (FIGURA 02). Ele possibilita minimizar estes efeitos principalmente quando as antenas GPS são afetadas por este efeito proveniente da reflexão dos satélites com baixos ângulos de elevação (menores que 20 ). Fig 2 DAM. Fig 1 Aferidor de Trajetórias Cinemáticas (ATC). A haste deste dispositivo esta ligada a um sistema eletromecânico capaz de girar três antenas ao mesmo tempo. Uma é denominada ACR (Antena Central Relativa) que tem a finalidade de servir como base de referência relativa para os experimentos. As outras duas antenas são instaladas em cada extremidade do ATC Pelo fato do mesmo controlar a posição da antena com relação ao ângulo de incidência dos sinais, na parte da inferior da antena GPS, um dos movimentos efetuados pelo dispositivo denominado de DAM, consiste na inclinação da antena, sendo denominado de movimento de elevação. Ele permite elevar a antena de uma posição horizontal formando um arco de circunferência com a vertical possibilitando a coleta de dados de uma antena GPS inclinada entre -10º a 190º. O dispositivo automatizado também viabiliza o movimento horizontal da antena, denominado de movimento azimutal com variação de 0º a 360º. A possibilidade deste movimento do dispositivo permite ao usuário determinar uma direção qualquer para o início da coleta de dados. Com esse robô é possível realizar movimentos programados, posicionando a antena em ângulos e azimutes variados para simular alteração da geometria dos satélites.
Com isso, é possível adquirir observações homogêneas ao longo do horizonte da antena incluindo ângulos de elevação abaixo de 0 (BÖDER et al., 2001).Esse equipamento também pode ser utilizado para realizar análises do efeito do multicaminho em estações permanentes. Uma fonte de erro importante na determinação do PCV é o efeito do multicaminho, na calibração absoluta com o robô pode-se inclinar a antena em diferentes elevações, com essa mudança de inclinação. Para realizar o monitoramento da variação do nível d água por meio do GPS torna-se necessário o conhecimento e avaliação das altitudes elipsoidais. Pensando nisso foi desenvolvido um equipamento que por meio do código ou da fase em tempo real ou pósprocessados possibilita a verificação de coordenadas elipsoidais frente às variações graduais que o nível d água possa apresentar causando possíveis enchentes ou inundações. O equipamento desenvolvido pode ser observado na Figura 03 e denomina-se Aferidor de Nível Vertical. Ele realiza de forma controlada variações verticais de uma régua estadimétrica através de um motor de passo acionado pelo sistema de hardware livre Arduíno, com isso torna-se possível verificar a acurácia vertical de antenas e métodos de posicionamento. A altura de antenas GPS podem variar de forma centimétrica a velocidade de 2cm por segundo. sensores dependerá da qualidade dos testes efetuados; O aferidor deve ter a capacidade de suportar, no mínimo, o peso dos sensores e antenas GPS aqui com uma carga máxima estimada variando entre 1 kg e 2 kg. O maior problema em se obter uma medida com precisão do nível da água, em grandes extensões de espelho d água, consiste no fato de que ocorrem perturbações, ou seja, oscilações dessa superfície. Estas oscilações podem causar erro de milímetros até centímetros, sendo difícil determinar com precisão o nível, pois um pequeno erro de medida pode representar varias dezenas de litros. Os benefícios de se ter medidas com precisão do nível de represas se dá pelo fato de que em períodos de estiagem ou de alta precipitação pode-se ter um constante monitoramento em um curto espaço de tempo, tendo assim, por exemplo, quantos milímetros aumentaram ou diminuiu o nível da represa em apenas um minuto possibilitando realizar uma previsão de quanto será o desnível em uma hora ou mais. A vantagem desse equipamento frente ao uso do GNSS advém de um menor custo e tempo de processamento de dados para obtenção do nível em tempo real. As também desvantagens sendo elas altura limitada de 1 metro na obtenção da leitura do desnível. Visando atender a esta necessidade foi desenvolvido um equipamento denominado de LMN (Leitor Mínimo de Nível) apresentado na figura 04. Ele possibilita obter pequenas alterações no nível da água sem a interferência do meio físico e dá suporte a coleta e verificação de antenas GPS quanto sua capacidade real em monitorar variações de nível d água. Fig 3 Aferidor de Nível Vertical. Para a construção deste protótipo foram estabelecidos alguns pré-requisitos os quais se sintetizam por: O aferidor deve ser capaz de executar movimentação automática na componente vertical suficiente para reproduzir mudanças de nível de até 3 metros; O conjunto eletromecânico deve ser o mais preciso possível, visto que a qualidade da aferição dos Fig 4 Leitor Mínimo de Nível (LMN). Fonte: Viski (2012) Este nível tem capacidade de medida da ordem do décimo de milímetro e ele é um nível digital automatizado, que por meio de motor elétrico, tem um curso de ajuste vertical de 50 cm. Ele tem seu funcionamento baseado no princípio físico da hidrostática a qual movimenta internamente ao
equipamento uma régua com leitura ótica o qual permite determina pequenas variações do volume de água, fornecendo com isso informações do nível da represa em tempo real via visor LCD. As informações são transmitidas em tempo real por meio vídeo a qualquer computador. 2.1 Área de Estudo Os testes com relação aos equipamentos desenvolvidos e descritos anteriormente são realizados nas dependências do LAGEH (FIGURA 5), no Campus Centro Politécnico, da Universidade Federal do Paraná, Curitiba. Fig 5-Área De Estudo Fonte: HUINCA (2009) 2.2 Determinações das altitudes elipsoidais absolutas obtidas com o ATC utilizando o posicionamento em tempo real via NTRIP. Neste experimento foram coletadas coordenadas cinemáticas advindas de um posicionamento em tempo real via NTRIP. As correções diferenciais aplicadas no posicionamento foram geradas pela estação de referência UFPR (RBMC/IBGE), distante 35m dos experimentos. Utilizou-se o software Leica Geo Office 5.0 para o processamento de observações relativas com os equipamentos citados. Na figura 6, apresenta-se o ATC com as antenas devidamente instaladas, sendo que na posição da ACR e Antena II, foram instaladas duas antenas Leica apenas como forma de equilibrar e manter o peso do sistema. Na posição da Antena I, do ATC, foi instalada a antena do receptor Leica 1200RX responsável pela obtenção das coordenas em tempo real via NTRIP, com um intervalo de gravação de dados de 1 segundo. Fig 6-Determinação das Coordenadas em tempo real via NTRIP Segundo SEEBER 2003, a dinâmica da plataforma é um fator que interfere na qualidade final do posicionamento cinemático. Testes estão sendo realizados para a verificação da influência do efeito Fase Wind-up na obtenção das correções diferencias da fase da onda portadora. Neste experimento utilizou-se uma velocidade de aproximadamente 8 RPM (velocidade mínima do ATC). Verificou-se que para velocidade superior a 40 RPM não houve a determinação dos inteiros das ambiguidades. Houve dificuldade em se obter a correção via NTRIP, aqui explicado por questões de velocidade, logo se realizaram apenas 2 sessões com correspondência de dias consecutivos. 2.3 Experimentos com o DAM Os primeiros testes foram realizados entre os dias GPS 255 a 258 com e sem a utilização do DAM, a fim de analisar a influência do multicaminho com a mudança de inclinação de antenas GPS. Segundo Krueger (2007), uma forma de eliminar ou minimizar os erros presentes em observações originais consiste em empregar diferentes técnicas de diferenciação para a modelagem da fase das portadoras. Para o primeiro teste foi analisado o resíduo da dupla diferença do código C/A para o satélite G08 da constelação GPS, com ângulo de elevação entre 0º a 15º, nos dois dias de observação com uso do DAM (FIGURA 07). Fig 7 Antena inclinada pelo DAM
Desta forma foi possível a antena acompanhar a trajetória do satélite G08 com variação de 5 ⁰ em 5⁰ a cada 15 minutos. A orbita do satélite mencionado foi acompanhada, tendo o rastreamento iniciado com 0⁰. Um segundo experimento foi realizado em dois dias GPS sem a utilização do dispositivo. A antena foi mantida em sua posição normal propiciando que ela recebesse o efeito do multicaminho de forma direta. A modificação do ângulo da antena corrobora com ganhos na minimização dos resíduos. 2.4 Variações da altura com o uso de equipamento NTRIP Leica 1200 3 RESULTADOS 3.1 Análises das altitudes elipsoidais obtidas pelo posicionamento em tempo real via NTRIP. A figura 9 apresenta o comportamento da altitude elipsoidal do experimento com NTRIP, obtidas durante um intervalo de 8 minutos de rotação com o ATC com uma velocidade de 8 RPM. Esta etapa do trabalho consiste na análise das respostas obtidas a partir de variações controladas na altura de uma antena receptora GNSS (Global Navigation Satellite Systems), empregando-se o método de posicionamento diferencial em tempo real mediante o uso da técnica RTK via protocolo NTRIP. A partir desta análise pode-se verificar a utilização desta técnica em plataformas Eulerianas de baixo custo visando o monitoramento contínuo e em tempo real do nível de água. Os primeiros testes realizados com o aferidor de nível vertical foram efetuados com o equipamento GPS LEICA RX 1200 de forma a verificar modificações repedidas de 1 metro na altitude elipsoidal em intervalos de tempo de 1 minuto. 2. 5 Observações feitas com LMN As primeiras observações realizadas com o LMN foram efetuadas no reservatório Vossoroca o qual se situa no município de Tijucas do Sul (25º55 40 S e 49º11 56 W, Datum WGS-84), à 40 km de distância da capital do estado do Paraná, Curitiba, e tem acesso pela rodovia BR 376. Neste local foi instalado o aferidor de nível Figura 04 por um intervalo de tempo de 1h20 minutos sendo que neste período um GPS 900 Leica também coletou dados pelo Método de Posicionamento Relativo Cinemático, visando à comparação de resultados. Fig 9- Altitudes elipsoidais corrigidas via NTRIP Analisando-se as soluções obtidas via NTRIP da figura 9, verifica-se que para as altitudes elipsoidais 1 a 226, houve a determinação dos inteiros das ambiguidades, para um intervalo de confiança de 95%. Para a altitude elipsoidal com correções diferenciais pela fase da onda portadora, observações de 1 a 226 obteve-se uma altitude elipsoidal média igual a 927,507 metros com desvio padrão de 3cm. Visto que a altitude elipsoidal precisa foi determinada com o ATC por meio do Método de Posicionamento Relativo Estático para a antena central relativa (mesmo plano que as antenas I e II) é de 927,996 metros, obteve-se uma diferença entre essa altitude e aquela citada anteriormente de 0,489m. Para as observações 227 a 268, as correções aplicadas para o cálculo das altitudes foram realizadas por meio do código suavizado pela onda portadora através do algoritmo de Lachapele. Durante este período o desvio padrão das altitudes foi de aproximadamente 1,02 metros. Decorrido aproximadamente 5 minutos de rotação cinemática (observação 270), houve a perda das correções suavizadas pela fase da onda portadora recebendo apenas correção por meio do código, acarretando num desvio padrão superior a 3 metros, nas altitudes elipsoidais. Para o total de 440 observações realizadas que compõem a trajetória cinemática a média da altitude elipsoidal foi de aproximadamente 927,520m, com desvio padrão de 1,43m, desta forma obteve-se uma diferença de 0,475m com relação à altitude elipsoidal precisa do ponto. Fig 8 - Medidas feitas com o LMN e GPS 900 CS
3.2 Análise dos residuos com o uso do DAM É possível observar pela tabela 1 que os valores obtidos com a aplicação da dupla diferença de fase (DDF) para a fase da onda portadora, diminuíram com a presença do DAM. Tabela 1 s em metros. Fator variante Com o DAM Sem o DAM 255 256 257 258 0,023 0,057 - - - - 0,063 0,097 3.3 Análise de observações feitas com o Aferidor Vertical de Nível. Na tabela 2 estão contidos os valores obtidos com o equipamento LEICA RX 1200 quando à altura da antena foi variada a cada 1 metro. Por questões de incertezas mecânicas na construção do eixo cardam, responsável pela variação da altura das antenas em 100 cm, foi acrescido um desvio padrão de 1cm as medidas observadas. Tabela 2 Variação métrica obtida com o NTRIP. Coordenada Desnível elipsoidal obtido/desvio variada a cada padrão(m) 1 metro Sessão Desvio Padrão (m) Inicial 927.5m 1 928.5m 0,978/0 0,1 2 929.5m 1,031 0,1 3 930.5m 1,044 0,1 4 929,5m 0,985 0,1 Verifica-se que a maior discrepância encontrada foi de 4 cm com desvio padrão 1 cm. Visto que o método de posicionamento diferencial NTRIP tem precisão decimétrica, os valores obtidos estão dentro da precisão almejada. 3.4 Análise de observações feitas com LMN Com relação aos resultados alcançados com o LMN se comparado com o receptor dupla frequência LEICA 900 CS, verificou-se que o GPS durante o período que coletou dados obteve uma media de variação de 3 cm se comparado com o LMN que obteve uma media de 0,21mm de variação (FIGURA 10). Fig 10 - Medida obtida com o LMN Como forma de verificar o valor real da modificação entre os dois equipamentos foram instalados uma trena de observação visual, próximo ao experimento. Desta forma pode-se constatar que a mudança do nível foi menor que 1 cm, tendo de concordância com a medida apresentada pelo LMN. Com relação à medida obtida pelo GPS, as mesmas foram coletadas pelo Método de Posicionamento Relativo Cinemático que segundo (SEEBER; 2003) tem precisão estimada de 10cm. 4 CONCLUSÕES Até o momento os resultados alcançados com os protótipos desenvolvidos são promissores e estão corroborando com informações acerca da precisão e acurácia de receptores frente aos métodos de posicionamento GNSS. Com relação ao ATC verificou-se que o método diferencial via NTRIP quando faz uso do código ou código suavizado pela portadora pode ser utilizado em plataformas do tipo Euleriana. Para o segundo equipamento desenvolvido denominado de DAM estudos estão sendo realizados para quantificar a influência do multicaminho nas antenas utilizadas nas plataformas Eulerianas. No que tange ao protótipo aferido de nível vertical as variações controladas executadas por esse sistema estão fornecendo subsídios de acurácia para uma formação de classe de antenas capazes de detectar mudanças graduais em massas de água. Quanto ao protótipo LMN novas modificações estão sendo feitas neste equipamento para que as medidas coletas por ele sejam enviadas em tempo real ao órgão que faz o monitoramento de desastres naturais. AGRADECIMENTOS A Universidade Federal do Paraná e ao Programa de Pós-Graduação em Ciências Geodésicas e ao CNPq (Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico) pelo fomento.. REFERÊNCIAS BÖDER, V.; MENGE, F.; SEEBER, G.; WÜBBENA, G.; SCHMITZ, M. How To Deal With Station Dependent
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