ANÁLISE DE MÉTODOS DE PROCESSAMENTOS DE DADOS GPS NA DETERMINAÇÃO DE COORDENADAS PLANIMÉTRICAS

Higo Tavares Barbosa Engenharia/UFCA higotb@hotmail.com Marcos José Timbó Lima Gomes Professor/UFCA timbo@det.ufc.br

1 Introdução

O Global Positioning System (GPS) é um Sistema de navegação, criado pelo Departamento de Defesa dos Estados Unidos (EUA), cujo objetivo inicial era atender as necessidades dos usuários civis e militares para determinação de posições, velocidades e tempo, em relação à um plano de referência, em qualquer ponto próximo à superfície terrestre (SEGANTINE, 2005). O sistema foi dimensionado para que em qualquer ponto da superfície terrestre exista, pelo menos, quatro satélites no plano do observador, de modo à garantir uma geometria adequada para navegação em tempo real (LOCH, 2007). É dividido em três segmentos: espacial, de controle e dos usuários. O segmento espacial é composto por uma constelação de 24 satélites que têm como função a transmissão de códigos, portadoras e mensagens de navegação (LOCH, 2007). Os satélites estão distribuídos em seis planos orbitais, com altitude aproximada de 20.200 km, inclinados 55° em relação ao Equador e um período orbital de 12 horas siderais (MONICO, 2008). O segmento de controle é composto por estações terrestre que têm como função o monitoramento da posição dos satélites, controle de manobras de modo à mantê-los em suas órbitas, do tempo GPS, da efemérides, dos relógios dos satélites e de suas mensagens de navegação (SEGANTINE, 2005). Existem cinco estações de controle distribuídas em torno da Linha do Equador, sendo uma delas de controle central, todas pertencentes à American Air Force (AAF) do Department of Defense (DoD) dos Estados Unidos. O segmento dos usuários compreende os usuários civis e militares que fazem uso de receptores que rastreiam códigos ou a fase das portadoras, além de mensagens transmitidas pelos satélites (LOCH, 2007). Segundo Mônico (2008) dentre as aplicações do GPS para a comunidade militar, incluem: navegação de aeronaves, navios, veículos, reconhecimento fotográfico, guiagem de mísseis, monitoramento de testes nucleares e posição e navegação de outros veículos no espaço. O sistema GPS foi desenvolvido, primordialmente, para atender às necessidades miliares, especificamente, do governo dos Estados Unidos, mas usuários civis, ao longo dos anos, têm utilizado o sistema para levantamentos de campo, elaboração de mapas e locação de obras (SEGANTINE, 2005). Apesar da disposição dos sinais para uso civil, este possuíam um erro proposital, imposto pelo Departamento de Defesa dos Estados Unidos que provocava uma degradação no sinal e, consequentemente, uma imprecisão na determinação de coordenadas (LOCH, 2007). Esta técnica é denominada de Anti Spoofing (AS), caracterizada pela decodificação do código preciso P, sobre as duas fases da portadora (L1 e L2). Segundo Segantine (2005), após um longo período de discussões à respeito da degradação de sinais emitidos pelos satélites do sistema GPS para o uso civil, o governo americano, no dia 02 de maio de 2000, desativou a técnica AS, havendo uma melhora na precisão dos posicionamentos com receptores GPS, principalmente no posicionamentos absolutos. Com a desativação do AS, os usos civis do GPS tornaram-se mais abrangentes, fazendo com que o mercado dos receptores GPS popularizasse seus equipamentos, tornando-os mais acessíveis para diversos segmentos da sociedade civil, tais como: agrimensura, agricultura, navegação, cartografia, dentre outros. Fato consequente do aumento da acurácia na determinação de posições, bem como de rotas. Entretanto, o uso dessa tecnologia requer conhecimentos específicos para adoção de critérios sobre o tipo de equipamento a ser utilizado, o tipo de levantamento (tempo de observação, comprimento da linha de base) e dos métodos de processamento dos dados obtidos. Portanto, o presente estudo têm como objetivo fazer uma análise, com utilização de diferentes tipos de receptores GPS, de diferentes métodos de posicionamento e de processamento de dados para obtenção de posições (coordenadas) mais precisas, verificando se suas precisões atendem ao exigido pela legislação vigente.

2 Fundamentação Teórica

O posicionamento de um objeto é uma tarefa de atribuição de coordenadas ao mesmo, em relação à um referencial (MONICO, 2000). O posicionamento através do GPS pode ser executado

Caderno de Experiências com o auxílio de diferentes técnicas de observação, as quais podem oferecem diferentes níveis de acurácia, podendo variar de algumas dezenas de metros até poucos milímetros (IBGE, 2008). Os métodos de posicionamento para levantamentos geodésicos são utilizados com o intuito de minimizar os erros que, por ventura, podem acontecer caso eles não sigam um determinado procedimento de levantamento, tendo em vista que a precisão do mesmo depende de como foi realizada a observação. Os métodos de posicionamento mais comuns são: absoluto e relativo. De acordo com Segantine (2005) o posicionamento absoluto pode ser do tipo instantâneo ou por ponto simples. O posicionamento absoluto instantâneo caracteriza-se por utilizar apenas um receptor para o levantamento, suas coordenadas são obtidas com o cálculo das pseudodistâncias através do uso dos códigos ou da fase das portadoras. Já o absoluto por ponto simples caracteriza-se pela coleta de informações do código e da fase da portadora para posterior processamento específico, considerando a opção “Single Point Positioning”. Em ambos, a precisão é função do tempo de observação, ou seja, quanto menor o tempo de observação, menor a precisão do posicionamento. Além dos métodos comumente citados pela literatura, o IBGE – Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística possui um método de processamento chamado de Posicionamento por Ponto Preciso (PPP) ou Posicionamento Absoluto Preciso. Tal método se baseia apenas nas órbitas e relógios dos satélites GPS, dispensando a necessidade de um outro receptor estar coletando informações simultaneamente. Entretanto, para que as coordenadas sejam determinadas é preciso que o ponto de observação esteja localizado na América do Sul (IBGE, 2013a). Assim como nos outros métodos, a precisão do PPP varia de acordo com o tempo de observação. Pequenos períodos de observação irão gerar coordenadas usando somente as observações da pseudo-distância. Já para longos períodos, é possível que as ambiguidades sejam resolvidas utilizando as observações da fase da portadora, o que elevará a precisão do posicionamento. Para determinação de posições com níveis de precisão elevados requerem posicionamentos do tipo relativo. O posicionamento relativo caracteriza-se pela utilização de dois ou mais receptores GPS para um mesmo levantamento. Pelo menos um deles é mantido fixo em um ponto de coordenadas conhecidas e os demais são utilizados para levantamento dos pontos de interesse, cujas coordenadas serão determinadas, através do código, fase do código suavizada pela portadora e da fase da portadora. Pode ser utilizado tanto no modo estático quanto no modo cinemático onde se obtém vetores, mais conhecidos com linhas de base, que ligam a estação fixa com as estações móveis dos pontos levantados (LOCH, 2007). Caso, para o levantamento do ponto, exista apenas um receptor, é possível a utilização de uma ou mais estações de referência da Rede Brasileira de Monitoramento Contínuo GPS (RBMC), pertencentes ao Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística (IBGE). Segundo IBGE (2013b), as estações da RBMC têm como função assumir o papel do ponto fixo de coordenadas conhecidas para o processamento relativo. Além disso, seus receptores são de alto desempenho e possuem observação contínua, com seus dados brutos, no formato RINEX, disponíveis no site do IBGE. De acordo com Maccormac (2007), após o levantamento, usuário deve processar as informações com o objetivo de determinar as diferenças X, Y e Z entre a estação de referência e os pontos levantados. As diferença entre as coordenadas conhecidas e as coordenadas geradas são entendidas como erro (SEGANTINE,2005). Segantine (2005) afirma que, para que haja uma boa precisão, repetibilidade e confiança nas obtenção das informações, é necessário que o tempo mínimo de observação de uma linha de base seja de uma hora e com uma taxa de armazenamento de, no máximo, 15 segundos.

3 Procedimentos Metodológicos

Foi escolhido um ponto da área do estacionamento da Universidade Federal do Cariri – Campus Juazeiro do Norte, Ceará (Figura 01). O levantamento foi realizado no dia 15/10/2014, no período de 07:30 às 08:35. Para tal, foram utilizados, simultaneamente, um receptor GNSS Trimble R4 de dupla frequência e um receptor GPS de Navegação Magellan Triton 500, utilizando-se dos métodos de levantamento estático-relativo e absoluto, respectivamente. Ambos os equipamentos foram configurados para o elipsoide WGS84 – Zona 24S. O tempo de observação do levantamento foi de 60 minutos. Foram obtidos os dados brutos, do mesmo dia do levantamento em estudo, de dois receptores GNSS da RBMC (Rede Brasileira de Monitoramento Contínuo), um localizado na cidade de Crato (linhabase curta) e o outro na cidade de Sobral (linhabase longa), ambas no estado no Ceará, através do site do IBGE (Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística).

Figura 01: Localização do ponto levantado na UFCA-Campus Juazeiro do Norte.

O processamento dos dados brutos foi realizado através do software Leica Geo Office (LGO - v5.0). Neste, consideraram-se os pontos da RBMC, citados anteriormente, como estações base e o ponto da área em estudo como estação móvel (rover), processados separadamente. Com o objetivo de se analisar a acurácia dos métodos de processamento dos dados brutos de GPS, foram processados no software LGO as estratégias de acordo com a Tabela 01. Tabela 01: Métodos de processamento do levantamento em estudo.

Método Estratégia Modo Observada

1 Absoluto

Gps de Navegação CA

2 Absoluto Ponto Simples (SPP) CA

3 Absoluto PPP (IBGE) -

4 Relativo 5 Relativo

6 Relativo

7 Relativo

Base Curta (RBMC - Crato) Base Curta (RBMC - Crato) Base Longa (RBMC Sobral) Base Longa (RBMC Sobral) L1+CA L1+L2

L1+CA

L3 Com o intuito de se obter o melhor processamento, dentre os pós-processados, foi calculado o fator Position Quality (Posn Qlty), através da Equação 01.

(Equação 01)

Onde, σLAT. = desvio padrão da latitude. σLONG. = desvio padrão da longitude. Obtido o melhor processamento, de acordo com a variável supracitada, este foi comparado com os demais processamentos e levantamentos através do cálculo do erro linear, de acordo com a Equação 02.

(Equação 02) Onde, ErroX = diferença, em metros, entre as coordenadas UTM do eixo x. ErroY = diferença, em metros, entre as coordenadas UTM do eixo y.

4 Resultados e discussão

A Tabela 02 apresenta os diferentes métodos de processamentos com suas respectivas coordenadas. Verificou-se que o método de processamento que apresentou o melhor Posn. Qlty. foi o método 5, caracterizado por um processamento de dupla frequência com uma linha de base curta (RBMC(Crato)-UFCA) com solução de ambiguidades. Entretanto, o método 4, processamento monofrequência (L1) de linha de base curta, apresentou um valor de Posn. Qlty. próximo ao do método 5, considerado o melhor. Os métodos 2 e 3 apresentaram os maiores valores de Posn. Qlty, o que já era de se esperar por se tratarem de métodos de processamento de dados brutos de levantamento GPS absolutos, os quais não consideram as diversas variáveis envolvidas para solução das ambiguidades aplicadas nos demais métodos (4, 5, 6 e 7). Os métodos de processamentos 6 e 7, além de apresentarem valores de Posn. Qlty. maiores do que os métodos 4 e 5, não obtiveram sucesso na resolução das ambiguidades. Tal resultado pode estar relacionado à um tipo de levantamento de linha de base longa (RBMC(Sobral-UFCA), que necessita de um tempo de observação maior do que o em estudo.

Método Modo Observada Solução da Ambigui dade UTM (X) UTM (Y) σ Lat

σ Long Posn. Qlty.

1

2

3 4 5 6 7 Navega ção Ponto Simple s (SPP) PPP (IBGE) Base Curta Base Curta Base Longa Base Longa CA

CA

L1+CA L1+L2 L1+CA L3 - 466331,0949 9197761,6407 - - -

- 466327,3190 9197764,6521 0,0460 0,0531 0,07025

-

466328,2444 9197764,2735 0,0240 0,0450 0,05100 Sim 466328,2355 9197764,2655 0,0005 0,0007 0,00086 Sim 466328,2367 9197764,2689 0,0004 0,0006 0,00072 Não 466327,7014 9197764,6579 0,0039 0,0084 0,00926 Não 466328,2297 9197764,2069 0,0009 0,0019 0,00210

Os métodos 1, 2, 3, 4 e 5, por se tratarem de métodos de obtenção de coordenadas absolutas e de coordenadas processadas com resolução de ambiguidades, foram comparados através de um gráfico de dispersão das suas respectivas coordenadas UTM, conforme a Figura 02.

Figura 02: Dispersão da coordenadas dos métodos 1, 2, 3, 4 e 5.

Verificou-se que o método 1 apresentou uma maior dispersão dentre os métodos apresentados no gráfico acima. Esse fato justifica-se por se tratar de um método absoluto, ou seja, não processado. Os métodos 3, 4 e 5 apresentaram proximidade na dispersão de suas respectivas coordenadas. Devido ao seu menor valor de Posn. Qlty., considerou-se como o melhor método de

Figura 3: Erro Linear dos Métodos Pesquisa em Foco processamento o método 5. A partir desta consideração, pôde-se calcular o erro linear dos demais métodos em relação a este, citado anteriormente, e comparar os valores com o limite máximo estabelecido pelo INCRA (0,5m), conforme apresentado na Figura 03.

De acordo com a Figura 03, os métodos 3, 4 e 7 atenderam às exigências da legislação vigente sobre georreferenciamento de imóveis rurais do INCRA.

Considerações Finais

O uso da tecnologia GPS possui diversos benefícios para levantamentos planimétricos em relação aos métodos tradicionais de topografia, tais como praticidade e agilidade na definição dos vértices do levantamento. Entretanto, para um levantamento preciso, se faz necessário discutir os métodos que melhores se adequam às condições específicas dos pontos levantados. No presente estudo, o método de processamento 05 se apresentou como mais preciso, caracterizado como linha de base curta (RBMC_Crato-UFCA) e dupla frequência (L1+L2), com solução de ambiguidades. O método 04, caracterizado por um levantamento de linha de base curta e monofrequência, apesar de possuir uma precisão menor do que o método 05, ele apresentou uma diferença milimétrica (3,6 mm) em relação a tal método, ou seja, um receptor GPS monofrequência, com um tempo de observação de 60 minutos e de linha de base curta, irá determinar uma coordenada planimétrica com erro milimétrico em relação à um levantamento utilizando dupla frequência. Além disso, o método 03, caracterizado por utilizar um software online do IBGE para o processamento, atendeu às exigências do INCRA (2013). Verificou-se também que nenhum dos métodos absolutos (métodos 2 e 3) atenderam ao máximo estabelecido pelo INCRA (2013), evidenciando que para determinação de coordenadas precisas, os métodos absolutos não são indicados, podendo apresentar erros na ordem métrica.

Referências

IBGE – Instituto Brasileiro de Geografia e

Estatística. Recomendações para Levantamentos Relativos Estáticos - GPS.

Brasília: Instituto Brasileiro de Geografia e

Estatística, 2008. 35 p.

Caderno de Experiências IBGE.a (2013) - Instituto Brasileiro de Geografia e

Estatística. Disponível em http://www.ibge.gov.br/home/geociencias/geod esia/rbmc/rbmc.shtm?c=7. Acesso em: 19 de setembro de 2014. INCRA - Instituto Nacional de Colonização e

Reforma Agrária. Norma Técnica para o Georreferenciamento de Imóveis Rurais. 3 ed. Brasília: Coordenação Geral de Cartografia, 2013. 4 p. LOCH, Carlos. Topografia contemporânea: planimetria. 3 ed. Florianópolis: Editora da Ufsc, 2007. 321 p. MCCORMAC, Jack. Topografia. 5 ed. Rio de

Janeiro: LTC, 2007. MONICO, João Francisco Galera. Posicionamento pelo NAVSTAR-GPS: descrição, fundamentos e aplicações, São Paulo:

Editora UNESP. 2000. 287p. MONICO, João Francisco Galera. Posicionamento pelo GNSS: Descrição, fundamentos e aplicações. 2 ed. São Paulo:

Editora Unesp, 2008. 480 p. SEGANTINE, Paulo Cesar Lima. GPS: Sistema de

Posicionamento Global. EESC/USP-São Carlos:

Edusp, 2005.