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GEOTECNOLOGIA EM APLICAÇÕES AMBIENTAIS/ CAPÍTULO 10 POR NIEVINSKI & MONICO

Nievinski e Monico

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III. GPS COMO UM SENSOR REMOTO

O Sistema de Posicionamento Global (GPS) foi originalmente projetado para a

determinação da posição de antenas receptoras dos sinais transmitidos pelos satélites GPS. É possível,

porém, utilizar o mesmo sistema para determinar propriedades do meio de propagação existente entre

tais transmissores e receptores. Um desses meios é a atmosfera terrestre; outros são as superfícies da

Terra, como o chão e a água. Assim, com o GPS pode-se estimar as condições ambientais à distância,

o que denominamos de sensoriamento remoto (SR) com GPS, ou GPS-SR. Abaixo exploramos

algumas configurações de SR-GPS.

III. 1. Fundamentação

É importante rever brevemente alguns fundamentos. Há

cerca de 30 satélites GPS (Figura 1), inseridos em órbitas com

raio igual a ~ 4⅓ o raio terrestre. Cada um deles mantém a sua

antena transmissora apontada para o centro da Terra e a utiliza

para emanar continuamente uma onda de rádio que ilumina a

face inteira do planeta. Do ponto de vista de um receptor em

solo, entre 4 e 10 satélites são visíveis ao mesmo tempo, apesar

que cada satélite permanece visível por apenas algumas horas –

análogo aos astros, os satélites GPS nascem e se põem no

horizonte. Um receptor GPS mede, momento a momento, a

duração da propagação de cada onda captada; esses valor

(em segundos), quando multiplicado pela velocidade da luz, ,

resulta em uma pseudodistância (em metros), assim

chamada pois inclue não só a distância entre satélite e

receptor mas também outros termos, , como p.ex. a

falta de sincronia entre transmissores e receptores. Além da

pseudodistância, o receptor mede potência e fase de cada onda

portadora do sinal. O GPS utiliza mais de uma portadora, com

comprimentos de onda da ordem de alguns decímetros

( ).

III. 2. Métodos Integrativos

III. 2.1. Ionosfera

Historicamente, talvez o primeiro alvo que foi sensoreado remotamente com GPS foi a

porção ionizada da atmosfera, conhecida como ionosfera (Figura 2). Ao contrário do que ocorre na

atmosfera eletricamente neutra, as ondas portadoras utilizadas em GPS se dispersam com velocidades

diferentes entre si durante sua propagação na ionosfera. O atraso ionosférico pode ser relacionado em

termos do comprimento de onda de cada portadora:

(1)

onde é uma constante de proporcionalidade. O parâmetro é em comum a todas as portadoras; é

chamado de conteúdo total de elétrons (no inglês, TEC) e representa a densidade areal do número de

elétrons interceptados pela onda GPS no seu caminho desde transmissão até recepção. Os

comprimentos de onda das portadoras utilizadas no GPS são bem conhecidos, portanto o TEC pode ser

obtido pela conversão de medições da quantidade . Esse atraso ionosférico é um dos termos presentes

na pseudo-distância, . Assim, com duas medições independentes em portadoras

Figura 1: Constelação de satélites

GPS (pontos), distribuídos em seis

planos (círculos em azul) em torno da

Terra (esfera colorida). Dado um

receptor (ponto azul sobre a Terra),

os satélites visíveis e obstruídos estão

indicados por pontos vermelhos e

pretos, respectivamente. As linhas de

visada receptor-satélite são indicadas

por linhas tracejadas verdes. Crédito:

Wikipédia.


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diferentes é possível cancelar os termos

aditivos iguais e isolar a incógnita

multiplicativa, fazendo isso a cada época e para

cada satélite:

(2)

A densidade volumétrica de

elétrons não é uniforme ao longo da altitude; a

maior concentração encontra-se a cerca de 300

km do solo. Assim se quisermos atribuir TEC a

um ponto, ele seria o chamado ponto

ionosférico (Figura 4), encontrado na

intersecção da linha de visada receptor-satélite

com uma superfície ou concha esférica

imaginária que envolve a Terra àquela altitude.

Esses pontos rodeiam uma estação receptora até

um raio horizontal de centenas de quilômetros,

se dispersando e concentrando à medida que os

satélites nascem e se põem.

Não é difícil de imaginar que o TEC

medido nessa nuvem de pontos espalhados seja

interpolado para formar uma grade uniforme. É

preciso, porém, dar conta das diferenças na

obliquidade da incidência, desde vertical para uma

estação exatamente abaixo do ponto, até incidência

rasante para o caso de uma onda tangente à Terra.

Utilizando a chamada função de mapeamento, ,

obtemos um TEC vertical, , convertendo cada

atraso inclinado, ; veja a Figura 3.

A obtenção de TEC possibilita o

monitoramento do tempo e clima espaciais, o qual

tem ciclos diários, sazonais, e de 11 anos,

conforme as variações na iluminação solar. Mapas

de TEC são usados para corrigir o efeito

ionosférico em receptores GPS que rastreiam uma

única onda portadora e que são, portanto,

incapazes de formar a combinação de observações

que cancelaria o atraso ionosférico. Esse é o caso

de receptores usados na aviação, os quais

dispensam a utilização da segunda portadora GPS

pois sua frequência está localizada em uma banda

desprotegida. Mais recentemente, como parte da

modernização do GPS, a sua constelação vem

sendo reposta com satélites que transmitem uma

terceira onda portadora, essa sim em banda

regulamentada pela União Internacional de

Telecomunicações para serviços de rádio-

navegação aérea que requerem garantias para

salvaguarda da vida humana.

Figura 2: Ionosfera terrestre observada por satélite GPS e

receptor terrestre. As superfícies em azul correspondem

aproximadamente a parte superior e inferior da camada

ionosférica. Os perfis em vermelho representam a

distribuição vertical da densidade de elétrons. Na altura

aonde a densidade é máxima é traçada uma casca

ionosférica de espessura infinitesimal (em amarelo). O

furo ionosférico encontra-se na intersecção dessa casca

com a linha de visada receptor-satélite. Crédito:

KOMJATHY; LANGLEY (1996).

Figura 3: Mapa de TEC sobre o Brasil. Crédito:

INPE/EMBRACE.

Figura 4: Distribuição de pontos ionosféricos

observados no período de 24 h no entorno de uma

única estação receptora. Crédito: VANI (com. pessoal).


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III. 2.2. Troposfera

A atmosfera neutra, muitas vezes

chamada simplesmente de troposfera, causa um

atraso de propagação do sinal que também está

presente na pseudodistância, Como a troposfera é um meio não-dispersivo

eletromagneticamente, não é possível isolar

com as pseudodistâncias em múltiplas portadoras,

e por isso a determinação de não é feita

isoladamente para cada satélite e época, como no

caso de . Ao invés disso, observações coletadas

ao longo do tempo são combinadas para

extrair um fator em comum por trás de todos os

atrasos troposféricos,

Aqui o fator é outra função de

mapeamento ou fator de obliquidade, que varia

para cada par satélite-receptor; seu valor obtido

de fontes externas ao GPS. Já , chamado de

atraso zenital, é um parâmetro em comum entre

todos os satélites observados a partir do mesmo

receptor; assim ele pode ser estimado como uma

incógnita a partir das observações de pseudo-

distância e fase da portadora, de forma similar às

coordenadas da posição da estação receptora.

O atraso troposférico zenital

(Figura 6) tem semelhanças com o atraso ionosférico ou TEC vertical , porém com uma distinção

importante: enquanto que é atribuido a pontos ionosféricos na vizinhança da antena e à altitude da

casca ionosférica, depende predominantemente das condições atmosféricas na própria estação de

recepção, próxima ao solo. Portanto, uma mesma rede de estações de rastreio terrestre resulta na

interpolação de um mapa ionosférico com maior resolução espacial (i.e., conseguem resolver detalhes

menores), comparado com mapas troposféricos (os quais aparecem mais suavizados).

O atraso troposférico resulta da

integração das condições atmosféricas ao

longo do caminho de propagação da onda

rádio. Portanto a obtenção de pode ajudar

na previsão do tempo e no monitoramento do

clima terrestre, contribuindo com informação

principalmente a respeito da umidade do ar, e

secundariamente de pressão e temperatura

atmosféricas (Figura 5).

III. 3. Métodos Ocultativos

Até agora supomos que os receptores estão instalados próximos ao solo. Na verdade, eles

podem estar a qualquer altitude, até mesmo serem aéreos ou orbitais (Figura 7). Nesses casos, o atraso

recuperado com um receptor mais alto corresponderia apenas a uma fração daquele que seria

recuperado por um mais abaixo. De fato, abordo de um avião o atraso troposférico zenital sofre pouca

influência da umidade do ar, uma vez que o vapor d’água está presente predominantemente próximo

ao solo; mais ainda, para um receptor no espaço exterior, o atraso troposférico se torna desprezível

para a maioria dos satélites. Em contraste, o atraso ionosférico permanece inalterado desde o solo até

em aviões, e começa a diminuir apenas na altitude orbital em que a ionosfera tem início. Isso tudo

considerando satélites visíveis acima do horizonte.

Figura 5: Localização dos receptores GPS utilizados

para estimação da umidade do ar (pontos em

vermelho). Fundo: mapa do vapor d’água integrado por

satélites NOAA (imagem em azul). Crédito: SAPUCCI

et al. (2008).

Figura 6: Atraso troposférico em uma única localidade ao

longo dos anos. Crédito: LEANDRO; SANTOS;

LANGLEY (2006).


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Figura 8: Distribuição dos eventos de ocultação durante o período de um 6 h, com base na constelação

receptora COSMIC/FORMOSAT de seis satélites, mais três outros independentes. Crédito: HAND (2012).

Figura 7: (a) Progressão do ponto de aproximação durante uma ocultação: receptor orbital, pontos de

aproximação em branco (crédito: COSMIC/UCAR); (b): receptor aéreo, pontos de aproximação em vermelho

(crédito: HAASE et al., [s.d.]).

(b)

(a)


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Porém a partir de plataformas muito elevadas – como em montanhas, balões, aviões, e

satélites receptores –, é possível rastrear satélites localizados abaixo do plano horizontal (indicado pelo

instante na Figura 7b). Claro que eventualmente o satélite transmissor GPS desaparece quando se

põe atrás da Terra; devido a curvatura da mesma, o horizonte (instante na Figura 7b) localiza-se

abaixo do plano horizontal a partir desse ponto de vista elevado. Esse tipo de ocorrência é chamada de

uma radio-ocultação do GPS pela Terra (GPS-RO). A geometria de propagação é excepcional: ao

longo do tempo, a onda ou raio intercepta a atmosfera de forma que o seu ponto de aproximação

máxima com relação à Terra – o chamado perigeu do raio –, descende verticalmente cada vez mais

fundo (além de deslizar horizontalmente). Isso permite recuperar as condições em cada um desses

pontos, amostrando dessa forma um perfil atmosférico (inclinado). Medições de ocultação, por

resolverem a distribuição vertical de temperatura ou umidade, fornecem muito mais informação do

que as medições integrativas que vimos anteriormente. Em contraste, a recuperação de estruturas

verticais a partir de medidas integrativas, através de técnicas tomográficas, em geral é mal

determinada. A aplicação da ocultação por GPS teve muito sucesso a partir da constelação américo-

taiwanesa COSMIC/FORMOSAT. Com a distribuição planetária dos seis micro-satélites de recepção,

regiões esparsas ou sem estações meteorológicas, como os oceanos, puderam receber uma cobertura de

observações mais adequada, veja Figura 8 (HOLZSCHUH; SAPUCCI; MONICO, 2010).

Figura 9: Ocorrência de reflexões do sinal GPS na superfície terrestre e registradas por um receptor em órbita

baixa, o qual também recebe o sinal diretamente pela linha de visada aos satélites GPS. Crédito: JIN; FENG;

GLEASON (2011).

Figura 10: Várias configurações e cenários possíveis em reflectometria por GPS. Triângulos pretos, brancos, e

cinzas representam antenas para recepção do sinal direto, refletido, e combinado, respectivamente. Crédito: próprio.

soil

snow

near-

surface

water

cliffairborne

tower

vegetation

spaceborne

up-looking

down-looking

single

antenna


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III. 4. Métodos Reflectométricos

Nos métodos de ocultação, às

vezes acontece do raio penetrar tão

profundamente na atmosfera que ele toca na

superfície terrestre, com a possibilidade de

ocorrência de uma reflexão do GPS (Figura

10). Sinais refletidos como esse são

observáveis provenientes abaixo do plano

horizontal, não apenas próximo do horizonte,

mas também em outras direções, até o nadir.

Obviamente isso requer uma antena com

recepção para baixo, ao contrário de recepção

apenas para cima, como no caso dos métodos

integrativos, ou para o lado, como nos

ocultativos. A plataforma de recepção pode

estar a qualquer altitude (Figura 11).

A exploração do sinal refletido de

GPS para fins de sensoriamento remoto leva o

nome de reflectometria (GPS-R). Uma forma

de categorização de GPS-R é conforme a

propriedade do alvo a ser medido.

Reflectometria altimétrica mede a altura do

alvo (como p.ex. nível dos mares ou altura da

neve). Reflectometria por espalhamento mede

a rugosidade da superfície (p.ex.,

desenvolvimento das ondas do mar – entre

calmo a revolto; ou p.ex. solo exposto versus

coberto com vegetação). Um terceiro modo

explora a composição material do alvo (p.ex., a

umidade do solo ou a densidade da neve). Um

aspecto chave em todas as técnicas é a

comparação do sinal refletido com o direto,

para isolar o papel do alvo nas medições

(Figura 12). Outra forma de categorizar GPS-

R é com base no regime de espalhamento do

sinal eletromagnético. Observações ditas

coerentes mantém uma relação estável na fase

da portadora, comparando o sinal recebido

diretamente através da linha de visada ao

satélite com aquele rebatido pelo alvo. Em

contraste, observações incoerentes têm fase

aleatória. Na realidade, esses dois regimes

puros são extremos de um contínuo de

situações em que ambos estão presentes,

porém em proporções variáveis. De fato, a

coerência da reflexão em p.ex. um lago

degrada à medida que turbulência se

desenvolve na lâmina d’água; ou que o

receptor acelera a varredura sobre superfície;

ou que a direção de incidência oblíqua se

aproxima da normal. As teorias que preveem

as observações em termos das propriedades do

Figura 11: Reflexões do sinal GPS no oceano coletadas a

partir de um avião, o qual transporta duas antenas, uma

apontada para cima e outra para baixo; o sinal origina no

oceano na vizinhança do chamado ponto especular. Crédito:

CARDELLACH et al., (2011).

Figura 12: Exemplo de resultado do rastreio do GPS; o pico à

esquerda corresponde a recepção direta pela linha de visada; a

curva à direita corresponde a reflexão. O eixo horizontal

corresponde ao tempo de propagação do sinal refletido, com

relação ao direto; esse atraso de propagação permite estimar a

altura do avião até o mar. A rugosidade da água (indicativo das

ondas) pode ser inferida pelo decaimento da cauda presente no

sinal refletido. Crédito: GLEASON; LOWE; ZAVOROTNY

(2009).


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alvo são muito diferentes para os

dois regimes, portanto a

interpretação é facilitada quando

um deles predomina. P.ex., uma

antena montada em um tripé a

poucos metros da neve observa

predominantemente de forma

coerente. Já para um avião voando

sobre o mar, a mistura dos dois

regimes pode ser purificada –

aumentando a contribuição

incoerente e anulando a

componente coerente –, através de

uma randomização das condições

de reflexão; no caso do avião, isso

pode ser alcançado calculando a

média de observações coletadas

em vários momentos.

Uma terceira forma

de categorizar GPS-R é em

termos dos equipamentos

utilizados. Comumente empregam-se duas antenas, uma apontada para cima e outra para baixo ou para

o horizonte, para rastrear separadamente os sinais direto e refletido. Essa configuração funciona bem

quando há boa separação da direção de chegada dos sinais, como p.ex. para um satélite próximo ao

zênite, cuja reflexão é proveniente de nadir na superfície. É possível também utilizar uma única antena

para receber ambos os sinais (Figura 13); internamente ao receptor, os dois podem ser rastreados

individualmente, se houver uma boa separação em termos de tempo de propagação, como p.ex. para

uma instalação no alto de uma torre. Alternativamente, os dois sinais podem ser rastreados como um

só; nesse caso a potência registrada é composta das duas potências contribuintes – direta e

refletida –, acrescidas de um termo trigonométrico ditado pela diferença de fase entre as duas, :

(3)

À medida que sinais direto e refletido entram e

saem de fase, a potência registra interferências

construtivas e destrutivas (Figura 14). Esse

fenômeno é idêntico às franjas coloridas

observadas com p.ex. mancha de óleo sobre

lâmina d’água. Tal modalidade é chamada de

reflectometria por multicaminho (GPS-MR), e

tem a vantagem de não exigir equipamento

especializado, além de poder compartilhar a

antena instalada para outros propósitos, como

p.ex. levantamentos, meteorologia, etc.

III. 5. Conclusão

Vimos que há vários modos de

medir as condições ambientais à distância

usando GPS. Em termos dos tipos de alvos

sensoreados remotamente com GPS, há os

gasosos ou atmosféricos (neutros assim como

ionizados, i.e., troposfera e ionosfera); há

também os alvos terrestres, tanto líquidos

(mares, oceanos, e corpos d’água) quanto

sólidos (solo, neve, vegetação). A plataforma

Figura 14: Configuração reflectométrica para medição da altura da neve.

Crédito: NIEVINSKI; LARSON ([s.d.])

Figura 13: Potência registrada composta da interferência

construtiva e destrutiva entre sinais coerentes (direto e

refletido). O número de oscilações está associado com a

altura da antena receptora. Observações medidas,

modeladas, e residuais são apresentadas em azul,

vermelho, e verde, respectivamente. Crédito:

NIEVINSKI; LARSON ([s.d.])


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de observação pode estar localizada próxima ao

solo, ser aérea, ou até orbital. Para cada altitude

da antena receptora, o sinal do alvo pode ser

proveniente de cima, de baixo, ou de lado com

relação à antena receptora. Essas opções

formam nove combinações possíveis, conforme

a Figura 15. Dentre tais combinações estão os

métodos integrativos, os de ocultação, e os

reflectométricos. O GPS como sensor remoto é

uma inovação no monitoramento ambiental que

deve se consolidar, dado o compromisso

americano com o sustento do GPS e o

oferecimento de sistemas GNSS similares por

outras nações.

III. 6. Referências e Bibliografia

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Figura 15: Diagrama de combinações possíveis em

sensoriamento remoto com GPS. Crédito: próprio.

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