desenvolvimento de equipamentos destinados a...

IV Simpósio Brasileiro de Geomática – SBG2017

II Jornadas Lusófonas - Ciências e Tecnologias de Informação Geográfica - CTIG2017

Presidente Prudente - SP, 24-26 de julho de 2017

p. 463-469

A.R. Viski; C.P. Krueger ISSN 1981-6251

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

[email protected], [email protected]

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.

mailto:[email protected]




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.

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

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.

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 pós-

processados 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.

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

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 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 da DDF.

2.4 Variações da altura com o uso de equipamento

NTRIP Leica 1200

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 8 - Medidas feitas com o LMN e GPS 900 CS

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.

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.




3.2 Análise dos residuos da DDF 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 – Resíduos em metros da DDF.

Fator

variante

Resíduo

da DDF

dia GPS

255

Resíduo

da DDF

dia GPS

256

Resíduo

da DDF

dia GPS

257

Resíduo

da DDF

dia GPS

258

Com o

DAM 0,023 0,057 - -

Sem o

DAM - - 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.

Sessão

Coordenada

elipsoidal

variada a cada

1 metro

Desnível

obtido/desvio

padrão(m)

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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VISKI, A, R, Análise da Atenuação do Efeito de

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Dissertação (Mestrado em Ciências Geodésicas) Curso de

Pós-Graduação em Ciências Geodésicas, Setor de

Ciências da Terra, universidade federal do Paraná

Curitiba, 2012.

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