PROGRAMAS PARA A DETERMINAÇÃO DAS ÁREAS DE SOMBRA

Quando da utilização da técnica do DGPS, com um sistema de comunicação via rádio, entre estação de referência e a estação móvel, pode acontecer que a estação móvel não consiga receber as correções diferenciais ou que elas sejam recebidas com perda de informação. Esta região é chamada de “área de sombra”.

A perda de informação pode ocorrer devido a uma série de fatores, tais como, local de instalação da antena do transmissor e/ou do receptor, tipo de antena do transmissor, tipo de antena do receptor, tipo de obstáculo entre as estações, distância, topografia do terreno, freqüência de transmissão, potência de transmissão, condições climáticas, multicaminho e proximidade com sistemas de transmissão de potência, dentre outros.

A determinação das áreas de sombra, poderia fornecer subsídios para a decisão sobre o tipo de antena e o meio de comunicação a ser utilizado (rádio, telefone, etc.), sobre o local de instalação da estação de referência, ou mesmo do abandono da técnica do DGPS, na região em análise.

Também pode ser feito um estudo que busque justificativas para situações onde haja perda de qualidade em resultados obtidos com o DGPS. Pode-se até citar uma situação descrita por FREIBERGER (2002, p. 121-122), onde ocorreu uma situação em que a mudança de posição de uma estação de referência, trouxe melhorias na fixação das ambigüidades. Ele também descreve outras situações onde deve ter ocorrido interferências, que foram sentidas nos resultados obtidos.

Neste trabalho está sendo interpretado que as áreas de sombra seriam os locais onde o sinal não chega, ou chega com ruído, ocasionando perda de informação.

Uma questão a ser levantada é, “qual a importância de efetuar o levantamento destas áreas?”

Se for feito um levantamento prévio, apoiado por um sistema de levantamento das áreas de sombra, que propicie observações rápidas e, melhor ainda se for feito em tempo real, pode-se avaliar a qualidade da recepção das mensagens diferenciais e tomar a decisão sobre a necessidade de mudar a posição da estação de referência, as antenas ou mesmo de usar um amplificador linear para o envio das correções. A constatação de sombra pode ser resolvida com o uso, por exemplo, de

estações repetidoras ou mesmo de repetidoras passivas, as quais são constituídas apenas por um par de antenas contrapostas, conforme pode ser visto em CHAVES (2002, p. 16-26). O uso de repetidoras passivas não implica em gastos significativos, pois corresponde a apenas um par de antenas direcionais e não necessita de fonte de energia para o seu funcionamento, podendo ser instalada em locais remotos, sem necessidade de manutenção constante.

A modelagem matemática que está sendo proposta, para ser operacionalizada, necessitará de vários meios de comunicação e o uso do rádio certamente seria um deles, o que faria com se estivesse sujeito a influência de áreas de sombra. É importante efetuar o levantamento prévio dessas áreas, para que seja usado algum meio alternativo, ao radiomodem, para o envio das correções diferenciais, quando da existência de sombras.

Foi desenvolvido um sistema que permite verificar a existência dessas sombras e também de quantifica-las. Este sistema é constituído por um transmissor que envia uma seqüência de caracteres ASCII, e um receptor que recebe esta seqüência. As seqüências são comparadas e é calculada a correlação entre as seqüências de caracteres transmitida e recebida, desta maneira, pode-se quantizar a qualidade das mensagens recebidas, e determinar as áreas de sombra.

Foram desenvolvidos dois programas computacionais, um deles que permite o envio das correções diferenciais, denominado por Transmissor e outro que recebe e processa as correções, denominado por Sombra. Na seqüência, esses programas são descritos.

4.3.1. Programa Transmissor (DELPHI)

Com o programa Transmissor, pode-se simular uma estação de referência, onde um computador é instalado no lugar do receptor GPS. Esta estação envia, repetidamente, uma única mensagem diferencial, em caracteres ASCII. Esta mensagem é proveniente de um arquivo de dados previamente gravado. A figura 4.18, mostra a simulação da estação de referência. O leitor deve comparar a figura 4.18, com a figura 2.6, na seção 2.5.1.

O arquivo a ser enviado é composto por uma seqüência de caracteres, dispostos em uma única linha. Como teste, foi gerado o arquivo Sombra -Referencia.txt, mostrado no quadro 4.2, e que também é visto na tela de abertura do programa, na figura 4.19.

Este arquivo foi montado com os 50 primeiros caracteres, da primeira linha, do arquivo Entrada.txt, visto na seção 2.5.2, já amplamente usado neste trabalho.

Estes 50 primeiros caracteres, permitem que se tenha uma discriminação de 2%, em virtude de ser feita uma comparação caracter a caracter.

FIGURA 4.18. SIMULAÇÃO DA ESTAÇÃO DE REFERÊNCIA

Radiomodem

Envio das correções diferenciais (ASCII) Correções diferenciais

(caracteres ASCII)

Computador com o Programa Transmissor

FIGURA 4.19. TELA DE ABERTURA DO PROGRAMA

fAb}NhkgBig}{Kz@\~_~@\x mUnDH]cC@xUh|W}y ]~dM [K`W fAb}NhkgBig}{Kz@\~_~@\x mUnDH]cC@xUh|W}y ]~dM [K`W QUADRO 4.2. ARQUIVO Sombra-Referencia.txt

Para o uso do programa Transmissor, inicialmente deve-se ler o arquivo com os dados a serem transmitidos, com o uso do botão “Abrir”. O arquivo lido é mostrado na tela. O botão “Limpar” permite apagar o arquivo e, um novo arquivo poderá ser lido.

São duas as opções de envio das mensagens, descritas a seguir:

- opção 1(manual) : Envia a seqüência de caracteres, somente quando é acionado o comando “Enviar”. Para esta opção é necessário que a opção

“Reenviar a cada”, não esteja selecionada. O procedimento de envio das mensagens pode ser repetido quantas vezes se desejar.

- opção 2 (automática) : Seleciona-se a opção “Reenviar a cada” e escolhe-se um intervalo de tempo para a repetição do envio das mensagens.

Pode-se escolher intervalos de 1 a 100 s. Ao se digitar o valor escolhido, no campo “Reenviar a cada”, deve-se observar que este valor é multiplicado por 0,1s, para definir o intervalo de repetição das transmissões. No exemplo mostrado na figura 4.19, verifica-se que foi escolhida a freqüência de transmissão a cada 1s (10 x 0,1s). As transmissões permanecem desde o acionamento do botão “Enviar”, até que o botão “Cancelar” seja acionado. Durante as transmissões permanece desabilitado o campo relativo à escolha do intervalo de tempo das transmissões. A cada transmissão efetuada, o led vermelho, indicado por “TX”, pisca, apresentando cor amarela.

A tela “Relatório”, figura 4.20, fornece a informação sobre os instantes de início, encerramento e duração das transmissões. Nos testes, que forneceram as imagens para as figuras deste exemplo, foram feitas transmissões a cada segundo e foram realizadas duas transmissões, a primeira durante 17 s e a segunda com duração de 22 s.

Se, na tela de abertura do programa, for acionada a tecla “CFG”, aparece a tela mostrada na figura 4.21, que corresponde à configuração da porta serial. Deve sempre haver uma concordância entre os “Baud rate¹” do computador e do radiomodem.

1 Taxa de transmissão dos dados pela porta de comunicação

FIGURA 4.21. CONFIGURAÇÃO DA PORTA DE COMUNICAÇÃO SERIAL

FIGURA 4.20. DURAÇÃO DAS TRANSMISSÕES

4.3.2. Programa Sombra (DELPHI)

O programa Transmissor, descrito na seção anterior, transmite, continuamente uma mesma mensagem diferencial. Esta mensagem é recebida, em uma estação móvel simulada, e é processada por um programa denominado por Sombra. O processamento consiste em comparar a mensagem recebida com uma mensagem previamente gravada e determinar a correlação entre elas.

A mensagem que foi previamente gravada, corresponde ao arquivo denominado Sombra - Referencia.txt, mostrado no quadro 4.2, na seção 4.3.1

O programa Sombra possibilita:

- quantizar a sombra (em termos percentuais);

- registrar as coordenadas do local da operação, extraídas das mensagens NMEA, geradas por um receptor GPS portátil.

A tabela 2.9, seção 2.6, mostra algumas mensagens NMEA, onde consta a mensagem $GPGGA, que foi a escolhida para ser usada no programa “Sombra”, para que dela fossem extraídas as coordenadas do local da operação. Esta mensagem é detalhada na tabela 2.10.

O uso do programa Sombra, será exemplificado por meio de um teste. Foi instalada uma estação de referência no LAGE/UFPR e uma outra, a móvel, em um veículo. Para este teste foi usado um receptor GPS Garmin 45 XL, dois radiomodens Pacific Crest, modelo RFM96W, e dois notebooks Toshiba.

Os computadores utilizados nos testes do programa Sombra, dispõem somente de uma porta serial. Na estação móvel, tanto o radiomodem como o receptor GPS são conectados ao computador por meio desta porta, por isso, foi desenvolvido um sistema que permite que a conexão seja feita ora com o radiomodem, ora com o receptor GPS. A figura 4.22 mostra as conexões desta chave e a montagem que foi realizada.

A instalação das estações foi feita segundo o mostrado na figura 4.23. Na estação de referência foi instalado o programa “Transmissor” e na móvel o programa

“Sombra”. Em ambas as estações, foi previamente gravado o arquivo “Sombra -Referencia.txt”.

O programa “Sombra” é explicado por meio das suas telas. A tela de abertura do programa é mostrada na figura 4.24. A primeira operação é a leitura do arquivo de referência. Com o comando “Abrir” foi lido o arquivo de dados “Sombra -Referencia.txt”, o qual é mostrado nesta tela.

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FIGURA 4.22. MONTAGEM PARA A COMUTAÇÃO DE EQUIPAMENTOS ( RADIOMODEM/GPS)

Computador Radiomodem

Receptor GPS

Chave para comutação(H-H)

FIGURA 4.23. LEVANTAMENTO DAS ÁREAS DE SOMBRA

Rádiomodem RFM96W

Na tela “Cadastro”, figura 4.25, e “Passo 1”, existem dois campos. No campo

“Número”, é escrito pelo operador, um número seqüencial de identificação do local e depois o endereço. Isso feito, aciona-se o botão “Local OK”.

Com o acionamento deste botão, aparece um aviso, mostrado na figura 4.26, para verificar se o botão da chave de comutação de equipamento está na posição que permitiria a recepção dos sinais do radiomodem.

FIGURA 4.24 – ABERTURA DO PROGRAMA Sombra

fAb}NhkgBig}{Kz@\~_~@\x mUnDH]cC@xUh|W}y ]~dM [K`W

FIGURA 4.25. TELA Cadastro – Passo 1

FIGURA 4.26. AVISO 1 ( RADIOMODEM)

Posiciona-se a chave de maneira a conectar o radiomodem e, aciona-se o botão “OK”. Surge então a tela mostrada na figura 4.27, relativa ao “Passo 2”.

Automaticamente, as mensagens diferenciais que forem recebidas, são mostradas na tela. A quantidade de mensagens que aparecerá, considerando a configuração do momento, é 10. O usuário pode configurar esta quantidade de mensagens escolhendo no campo “Mensagens”, um número de 1 a 20.

Se o botão “Voltar” for acionado retorna-se a tela anterior, podendo-se até corrigir, ou alterar, a identificação do local.

Após aparecerem as 10 mensagens, o programa informa ao operador que deve ser processada a troca de equipamento. O operador comuta, do radiomodem para o receptor GPS e, após este procedimento, são calculados os percentuais de acerto das mensagens recebidas e são registrados a data, o instante da operação e a posição da estação móvel, a qual é extraída da mensagem NMEA $GPGGA. As informações de Latitude e Longitude são registradas.

No dia 30 de março de 2004 foi feito um teste do programa. A estação de referência simulada foi montada no topo do edifício da administração, no Centro Politécnico da UFPR e a estação móvel percorreu alguns locais, dentro da cidade de Curitiba. O programa foi configurado para receber 20 mensagens diferenciais, uma por segundo, sendo os dados gravados no arquivo Sombra3.xml. As figuras 4.28, 4.29 e 4.30, mostram três partes deste arquivo.

FIGURA 4.27. TELA Cadastro – Passo 2

Na figura 4.28 pode-se ver que no local de número 4, Brig3479, que corresponde à rua Brigadeiro Franco, próximo ao n^o 3479, algumas mensagens foram recebidas corretamente (100%) e outras com erro (<100%), chegando, inclusive, ao percentual de 8%. No local 5, denominado por Brig3479b, o veículo foi deslocado um pouco mais para a frente e foi feita uma nova gravação, também mostrada na figura 4.28, onde a maioria das mensagens foram recebidas com 100%

de acerto.

Na figura 4.29, é mostrado que no local 8, CemAVerde (Cemitério da Água Verde). O veículo estava estacionado sob algumas árvores e próximo a edificações, o que ocasionou perda dos sinais no receptor GPS. Neste caso, nos campos LAT e LONG, o programa escreve o caracter “U” e deixa em branco os campos reservados para as coordenadas. Neste local, 15 dentre as 20 mensagens recebidas, provenientes da estação de referência, não atingiram 100%. Interpreta-se que a sombra que realmente aconteceu corresponde ao número total de mensagens recebidas com erros, em relação ao total de mensagens recebidas. Neste caso a sombra do local seria 0,25 ou 25%. Ao se afastar um pouco das edificações,

FIGURA 4.28. TELA “Tabela”, PARTE1, ARQUIVO Sombra3.xml

passou-se a receber mensagens com 100% de acerto, conforme pode-se ver nas duas últimas linhas da tela “Tabela”, e o receptor GPS pode teve condições de calcular coordenadas.

Na figura 4.30 é mostrada mais uma parte do arquivo Sombra3.xml, onde se verifica que no local 11, em frente a Sociedade Internacional Água Verde, na Avenida Iguaçu, teve-se uma perda de 4 mensagens em 20, o que corresponde a uma sombra efetiva de 20%.

FIGURA 4.29. TELA “Tabela”, PARTE 2, ARQUIVO Sombra3.xml

FIGURA 4.30. TELA “Tabela”, PARTE 3, ARQUIVO Sombra3.xml