CONTROLE DE QUALIDADE DOS DADOS GPS DA RBMC
JARDEL APARECIDO FAZAN1JOÃO FRANCISCO GALERA MONICO PAULO DE OLIVEIRA CAMARGO Universidade Estadual Paulista - Unesp Faculdade de Ciências e Tecnologia - FCT Departamento de Cartografia, Presidente Prudente - SP 1
Bolsista IC – FAPESP – Curso de Engenharia Cartográfica {fazan, galera, paulo}@prudente.unesp.br
RESUMO - Em 1996 o Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística (IBGE) começou a estabelecer a
rede de referência ativa RBMC (Rede Brasileira de Monitoramento Contínuo do GPS (Global Positioning System)). Os dados coletados nas estações da RBMC permitem aos seus usuários realizar diversas atividades, como por exemplo posicionamento, estudos sobre atmosfera, etc. Tendo em vista o grande número de aplicações dos dados da RBMC é importante que os mesmos passem por um controle de qualidade. Através do controle de qualidade são gerados indicadores da qualidade dos dados, que permitem analisar as possibilidades de uso dos mesmos. Este controle de qualidade está sendo realizado com o emprego do aplicativo TEQC (Translate/Edit/Quality Check). O TEQC gera vários indicadores de qualidade, que são armazenados em arquivos. Dentre eles estão sendo analisados os valores de multicaminho nas ondas portadoras L1 e L2, respectivos MP1 e MP2, a deriva do relógio do receptor (DRIFT), entre outros. Como por exemplo, para o ano de 2001 a estação UEPP, localizada na FCT/UNESP, apresentou valores médios de MP1, MP2 e DRIFT iguais a 0,268 m, 0,793 m, 174,5 ms, respectivamente. Os resultados e análises estão disponíveis na homepage
www.prudente.unesp.br/dcartog/labs/lge/projetos.
ABSTRACT – In 1996 the Brazilian Institute of Geography and Statistics (IBGE) started to set up an
active reference GPS network. The data collected by RBMC stations provide ways of realize positioning, research about the atmosphere, etc. With such great number of applications it is important to apply a quality control to these data. The quality control indicators allows to analyze the possibilities in of data use. The quality control has been realized with the use of TEQC software (Translate/Edit/Quality Check). TEQC generates many quality indicators that are stored in files. Amongst them the multipath value in the carrier phase L1 and L2, respectively MP1 and MP2 are being analyzed, as well as the drift of receiver clock (DRIFT), and others. For examples, in 2001 the UEPP station, located in FCT/Unesp, shows mean values of MP1, MP2 and DRIFT equal to 0.268 m, 0.793 m, 174.5 ms, respectively. The results and analyses are available in the homepage www.prudente.unesp.br/dcartog/labs/lge/projetos.
1 INTRODUÇÃO
Atualmente, quando se requer precisão e rapidez em posicionamento, logo se pensa em utilizar o GPS (Global Positioning System). Dentre os sistemas de posicionamento global pode-se citar o NAVSTAR-GPS (NAVgation Satellite with Time And Ranging - Global Positioning System), GLONASS (GLObal NAvigation Satellite System) e o Galileo (Sistema de Posicionamento por satélite Europeu), esse último em fase de implementação. Sendo que, o mais utilizado e conhecido é o NAVSTAR-GPS.
Devido à alta tecnologia envolvida nos receptores NAVSTAR-GPS, e a alta exatidão que ela proporciona, uma grande comunidade usuária passou a utilizá-la para as mais diversas aplicações civis, tais como: navegação, posicionamento geodésico e topográfico, agricultura de
precisão, controle de frotas, Meteorologia, pesquisas de deformação da crosta, estudos de estabilidade e deformação de obras de engenharia (CHAVES, 2001), etc.
O NAVSTAR-GPS tem revolucionado as atividades que requerem posicionamento de feições sobre a superfície terrestre. Utilizando o GPS em conjunto com sistemas de comunicação, pesquisadores têm criado novos conceitos de posicionamento. Um desses conceitos diz respeito às redes ativas, também denominadas de Sistemas de Controle Ativo (SCA). Neste caso, os usuários interessados em realizar levantamentos GPS relativos não necessitam ocupar as estações de referência, apenas estações a determinar (FORTES, 1997). Isso permite que um usuário necessite apenas de um receptor para realizar posicionamento relativo. No caso, de
usuários que disponham de dois ou mais receptores, a sua produtividade será aumentada.
O primeiro SCA implantado foi o Canadian Active Control System (CACS, http://www.geod.emr.ca), que se encontra em plena operação (MONICO, 2000). Atualmente, o CACS está incorporado à rede do IGS (International GPS Service, http://igscb.jpl.nasa.gov), de âmbito mundial. Outros exemplos, de redes ativas, podem ser encontrados na bacia de Los Angeles (SCIGN - The Southern California Integrate GPS Network,
http://www.scign.org), no Japão (GEONET - GPS Earth Observation NETwork, http://mekira.gsi.go.jp), entres outras (MONICO, 2000).
Em 1996 o Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística (IBGE) começou a estabelecer a rede de referência ativa RBMC (Rede Brasileira de Monitoramento Contínuo do GPS). Ela utiliza receptores NAVSTAR-GPS, sendo a mesma a rede de referência ativa mais importante do país. Suas estações coletam continuamente as observáveis GPS, sendo a mesma, o principal elo de ligação com redes internacionais e com os sistemas de referência adotados globalmente (COSTA e FORTES, 2000).
No Brasil, além da RBMC, os usuários têm a sua disposição dados de outras redes ativas, como é o caso da RIBaC (Rede INCRA de Bases Comunitárias do GPS,
http://ribac.incra.gov.br). Outros exemplos de redes ativas são as redes de empresas privadas como é o caso da rede GPS da Santiago e Cintra (Hyper CBS,
www.santiagoecintra.com.br), a rede SightGPS (http://sightgps.com.br). Existe ainda a Rede de Rádio Faróis da Marinha que disponibiliza correções em tempo real, em freqüência pré-estabelecida, porém não armazena os dados (PEREIRA, 2001, p. 57).
Devido o crescente avanço e popularização do GPS, a cada dia mais usuários utilizam-se desta tecnologia, e conseqüentemente utilizam dados de redes ativas.
Tendo em vista o grande número de aplicações dos dados de estações ativas é de extrema importância que tais dados passem por um controle de qualidade e os resultados divulgados. Assim, os usuários terão a sua disposição informações sobre a qualidade dos mesmos.
O controle de qualidade é um assunto amplo e complexo, cujo objetivo é de estabelecer, melhorar e assegurar a qualidade de um produto ou serviço, para certas condições de consumo ou utilização (CAMARGO, 1992).
No controle de qualidade dos dados coletados na RBMC será utilizado o software TEQC (Translate/Edit/Quality Check, www.unavco.ucar.edu), que possibilita a realização de diversos aspectos de controle de qualidade.
Dentre os aspectos envolvidos no controle de qualidade, informações sobre as condições da Ionosfera, que é a camada da atmosfera que se estende, aproximadamente, entre 50 Km e 1000 Km, são de extrema importância no posicionamento por satélite. Isso devido à influência que a mesma causa na propagação de sinais.
Disponibilizar essas condições para usuários, pode contribuir com várias análises que os mesmos deverão realizar no dia-a-dia de trabalho.
Sendo assim, o principal objetivo desta pesquisa consistiu, na realização do controle de qualidade dos dados GPS da RBMC e na divulgação dos resultados, juntamente com informações sobre as condições da ionosfera, no que diz respeito sua interferência sobre os sinais GPS. A divulgação será realizada através da homepage do LGE (Laboratório de Geodésia Espacial,
www.prudente.unesp.br/dcartog/labs/lge/lge.htm).
2 CONCEITOS ENVOLVIDOS
2.1 Sistema de posicionamento global (GPS)
O GPS ou NAVSTAR-GPS é um sistema de radio-navegação desenvolvido pelo Departamento de Defesa dos Estados Unidos da América, através da fusão de projetos da Marinha e da Força Aérea, com o objetivo de ser o principal sistema de navegação das forças armadas americanas. Devido à alta tecnologia envolvida nos receptores GPS, e a alta exatidão que ela proporciona, uma grande comunidade usuária passou a utilizá-la para as mais diversas aplicações civis, como navegação, posicionamento geodésico e topográfico, etc.
O conceito de serviço do GPS, se baseia no fato de que um usuário, em qualquer local da superfície terrestre, tenha a sua disposição, no mínimo quatro satélites a serem rastreados, em tempo real. Uma das grandes vantagens oferecidas pela tecnologia GPS, a usuários que a utilizam para levantamentos, é o fato de não ser necessária a intervisibilidade entre as estações, sob quaisquer condições climáticas (MONICO, 2000).
O princípio básico da navegação consiste nas medidas das chamadas pseudodistâncias, no qual conhecendo-se as coordenadas dos satélites num sistema de referência apropriado é possível calcular as coordenadas da antena do usuário, no mesmo sistema de referência dos satélites. O modelo utilizado no cálculo das pseudodistâncias é apresentado: s r PD s r PD s r i s r i r s s r s r i cdt dt I T M i i PD =ρ + ( − )+ + + +ε (1) onde: s r i
PD : pseudodistância entre o satélite s e o receptor r;
i: índice que significa que a pseudodistância pode ser a
que foi obtida do código C/A, sobre a portadora L1, e ou do código P, sobre as portadoras L1 e L2;
s r
ρ : distância geométrica; c : velocidade da luz no vácuo;
s
dt : o erro do relógio do satélite em relação ao tempo GPS no instante t ; e s
r
dt : é o erro do relógio do receptor em relação ao tempo GPS no instante t . r
s r i
s r i
T : erro decorrente dos efeitos da troposfera; e s r PDi M : multicaminho na pseudodistância; e s r PDi
ε : erro da medida de pseudodistância;
Nos casos onde os levantamentos são de alta precisão, se utiliza a fase de batimento onda da portadora (LEICK, 1995), considerada como a observável básica para a maioria das atividades geodésicas. A expressão da fase da onda portadora (Φisr(t)), é dada como (MONICO, 2000): s r i s r i r i s i s r s i s r i s r i s r s r i N t t dt dt f c T I f t Φ Φ + + Φ − Φ + + − + − + + = Φ ε ρ )) ( ) ( ( ) ( M ) ( r (2) onde:
t: instante de recepção do sinal na estação; f: freqüência da onda portadora;
) (t
s i
Φ : a fase gerada no satélite e recebida na estação no instante de recepção;
) (t
r i
Φ : a fase gerada no receptor no instante de recepção;
s i r
MΦ : multicaminho na fase da onda portadora;
s r i
N : ambigüidade da fase (número inteiro de ciclos entre o satélite e o receptor);
s r i Φ
ε : erro na medida da fase da onda portadora; e
i: índice igual L1 ou L2.
As observáveis GPS podem estar sujeitas à diversos tipos de erros, podendo ser eles de caráter aleatório, sistemático e grosseiro. Estes erros podem ser causados por efeitos decorrentes dos satélites, propagação do sinal, receptor/antena e estação (MONICO, 2000).
Como pode ser observado nas equações (1) e (2) alguns dos erros que influenciam as observáveis GPS são o multicaminho, erro do relógio do receptor e efeitos da ionosfera.
Os sinais recebidos pela antena de um receptor GPS podem ser divididos em dois grupos: os sinais recebidos diretamente dos satélites e os sinais enviados pelos satélites que atingiram um corpo qualquer, e sofrendo uma reflexão (desvio) atingiram a antena do receptor. Esses sinais refletidos, comumente são chamados de multicaminho (multipath) ou multicaminhamento. A Figura 1 é apresentada com o intuito de ilustrar a ocorrência de multicaminho.
Figura 1 – Ilustração de multicaminho.
Como pode ser visto na Figura 1 o efeito de multicaminho causa a observação de uma distância falsa entre o satélite e o receptor.
Outro erro que influencia nas observáveis GPS é o erro do relógio do receptor. Normalmente os receptores GPS possuem um oscilador de quartzo com estabilidade um pouco melhor do que os utilizados em relógios de pulso. Devido o relógio do receptor não oferecer um padrão atômico é necessário estimar o erro do relógio, pois por exemplo o erro de 1 ms (1 milesegundo = 1x10 -3
s) provoca um erro na medida da distância entre o satélite e o receptor de ~ 299,7925 m. Esse é o principal motivo da necessidade de observação de no mínimo 4 satélites, simultaneamente. Isso possibilita a determinação do erro do relógio do receptor, e assim relacionar os padrões de tempo do satélite e do receptor com o padrão de tempo GPS. Vale lembrar que no posicionamento relativo, os erros dos relógios são eliminados, não sendo necessário padrões de tempo altamente estáveis para a maioria das aplicações (MONICO, 2000).
Ainda no percurso de propagação entre o satélite e o receptor, os sinais do GPS sofrem influências da ionosfera (refração).
A ionosfera se caracteriza por ser um meio dispersivo que afeta a fase da onda portadora e o código modulado sobre ela, e o índice de refração depende da freqüência do sinal e é proporcional ao TEC (Conteúdo Total de Elétrons). O principal problema nesse caso é que o TEC varia no tempo e espaço, em função do fluxo de ionização solar, atividade magnética, ciclo de manchas solares, estação do ano, localização do usuário e direção do raio vetor do satélite (LEICK, 1995).
As expressões da refração ionosférica para a fase da onda portadora (Isfr) e para os sinais modulados pelo
TEC f , Isfr 2 3 40 − = (3) TEC f , Igsr 2 3 40 = (4) Para maiores detalhes sobre esse assunto recomenda-se consultar CAMARGO (1999) e MONICO (2000).
De acordo com as equações (3) e (4), percebe-se que a refração ionosférica, seja ela atribuída para a fase da portadora ou para os sinais modulados pelo código, é inversamente proporcional ao quadrado da freqüência e diretamente proporcional ao TEC. As freqüências mais altas são menos afetadas pela ionosfera.
Ainda durante a propagação dos sinais podem ocorrer obstruções ou outros fatores que fazem o receptor perder o contato com o satélite e interromper a contagem do número de ciclos. Esse acontecimento é conhecido como perdas de ciclo. Quando ocorre perda de ciclos, a contagem do número inteiro de ciclos sofre um salto, permanecendo correta somente a sua parte fracional. A Figura 2 foi elaborada com a finalidade de exemplificar graficamente a ocorrência de perdas de ciclo, porém tem apenas caráter ilustrativo.
5000 8000 11000 14000 17000 0 5 10 15 20 Épocas em segundos Número de ciclos
Figura 2 – Ilustração de perdas de ciclos.
A ocorrência de perdas de ciclos prejudica a solução da ambigüidade. Existem diversas técnicas desenvolvidas com o intuito de solucionar esse problema, uma delas é a opção de introduzir uma nova ambigüidade como incógnita no modelo de ajustamento (MONICO, 2000). Outras técnicas são apresentadas por HOFMANN-WELLENHOF et al. (1997) e LEICK (1995).
2.2 Rede Brasileira de Monitoramento Contínuo do GPS
Como já mencionado anteriormente, a RBMC é uma rede geodésica ativa que utiliza parte do conceito de um SCA. Isso quer dizer que usuários interessados em realizar levantamentos com o GPS, utilizando o método relativo, não necessitam ocupar as estações de referência, apenas as estações a determinar (FORTES, 1997). Seus dados podem ser utilizados por qualquer usuário do SGB (Sistema Geodésico Brasileiro). Os dados podem ser
acessados via Internet, ftp, ou através do uso de tecnologias de armazenamento de dados (disquetes, ZIP-DRIVE, CD, etc).
Essa rede pode ser utilizada por usuários que realizam posicionamento com bases curtas, médias ou longas. Uma seção de observação com período de 1 a 5 horas para medir uma base de aproximadamente 500 km pode ser considerada econômica, ainda mais se um outro receptor, como o de simples freqüência, puder ser usado simultaneamente para levantar os demais pontos de interesse na área, usando neste caso, as técnicas de posicionamento rápido (SILVA, 1999).
A operação da RBMC é realizada através de tarefas sistemáticas. Nas estações da RBMC os dados são coletados em sessões que se iniciam às 0h 01 min (TU) e são finalizadas às 24 horas (TU), tendo assim duração de 23h 59 min. Os procedimentos, necessários à disponibilização dos dados, aos usuários, são executados no dia seguinte ao da observação, nas próprias estações e na sede do Departamento de Geodésia do IBGE no Rio de Janeiro - RJ. Apenas o controle remoto das estações não é realizado de maneira sistemática. Esse procedimento é realizado por um operador, que pode acessar o receptor da estação desejada, para realizar diversas tarefas, tais como verificação do status do rastreio, modificação dos parâmetros de observação, etc.
A Tabela 1 apresenta informações referentes à localização, estabelecimento e status das estações da RBMC.
Tabela 1 – Informações da RBMC em junho de 2002,
(Adaptado de PEREIRA, 2001).
Estação Código Estado Estabele -cimento
Status Fortaleza (IGS) FORT Ceará 13/05/93 em operação
Brasília (IGS) BRAZ Dist. Federal 03/03/95 em operação Curitiba PARA Paraná 13/12/96 em operação Pres. Prudente UEPP São Paulo 18/12/96 em operação Bom J. da Lapa BOMJ Bahia 18/02/97 em operação Manaus MANA Amazonas 28/04/97 em operação Viçosa VICO Minas Gerais 22/05/97 em operação Cuiabá CUIB Mato Grosso 18/06/97 em operação Imperatriz IMPZ Maranhão 16/02/98 em operação Porto Alegre POAL Rio G. do Sul 28/10/98 em operação Salvador SALV Bahia 20/05/99 em operação Recife RECF Pernambuco 06/07/99 em operação Crato CRAT Ceará 09/04/00 em operação Rio de Janeiro RIOD Rio de Janeiro 21/07/01 em operação Santa Marta --- Rio G. do Sul 04/02 em fase de
testes As estações da RBMC são equipadas com receptores de dupla freqüência (TRIMBLE-4000SSI), operando com taxa de observação de 15 segundos e com máscara de elevação de 10 graus, exceto a estação Fortaleza, que utiliza um receptor ROGUE SRN-8000 e taxa de coleta das observáveis GPS de 30 segundos. A Figura 3 apresenta a distribuição das estações da RBMC. Cada estação tem raio de abrangência de ~ 500 km.
Figura 3 – Estações da RBMC, situação em junho de
2002 (Cortesia do IBGE).
Vale lembrar o grande potencial que a RBMC apresenta para o desenvolvimento de WADGPS (Wide Area Differential GPS), possibilitando assim a produção de efemérides em tempo real (órbitas em tempo real), com melhor qualidade que a oferecida pelas efemérides transmitidas (MONICO, 2000), possibilitando também o desenvolvimento de modelos regionais para a ionosfera, como é ocaso do modelo "Mod_Ion" elaborado por CAMARGO (1999), auxiliando assim, usuários que dispõe apenas de receptores de simples freqüência.
2.3 Controle de qualidade
Segundo FERREIRA (1999), controle significa "ato, efeito ou poder de controlar; fiscalização exercida sobre atividades de pessoas, órgãos, departamentos, ou sobre produtos, etc., para que tais atividades, ou produtos não se desviem de normas preestabelecidas". E qualidade significa "propriedade, atributo ou condição das coisas ou pessoas capaz de distinguí-las de outras e de lhes determinar a natureza; numa escala de valores, qualidade que permite avaliar e, conseqüentemente, aprovar, aceitar ou rejeitar, qualquer coisa".
Para JURAN (1991) a palavra qualidade tem vários significados, e o seu uso é denominado por dois desses significados:
1. A qualidade consiste nas características do produto que vão ao encontro das necessidades dos clientes e dessa forma proporcionam a satisfação em relação ao produto; e
2. A qualidade é a ausência de falhas, para uma determinada necessidade.
Controle de qualidade é o processo usado como auxílio para atingir os objetivos do processo e do produto, e ele consiste nas seguintes etapas (JURAN, 1991):
− avaliar o desempenho operacional real;
− comparar o desempenho real com os objetivos a serem alcançados; e
− agir com base na diferença.
Levando-se em consideração tudo o que já foi exposto sobre qualidade, pode-se dizer que a mesma é o grau de perfeição a atingir e a melhor forma de atender às necessidades do usuário, as quais dependem da finalidade do produto, bem como do preço de venda do mesmo. A qualidade de um produto ou serviço depende de vários fatores, como finalidade, equipamentos, materiais, métodos empregados, entre outros (FRANCISCO, 2001). Enquanto, controle pode ser definido como, a verificação da qualidade através de sua comparação com um padrão preestabelecido. No caso da qualidade não atender esse padrão, providências devem ser tomadas visando corrigir possíveis erros.
Como pode-se perceber, o controle de qualidade é um assunto amplo e complexo, cujo objetivo é de estabelecer, melhorar e assegurar a qualidade de um produto ou serviço, para certas condições de consumo ou utilização (CAMARGO, 1992). Os fatores considerados no controle de qualidade, aplicado em Ciências Cartográficas, são economia, precisão e confiabilidade.
No caso da RBMC a economia está relacionada com a capacidade de usuários utilizarem-se de sua estrutura para realização de posicionamento relativo. Isso faz com que os mesmos economizem tempo e necessitem apenas de um receptor GPS. A precisão a ser conseguida utilizando-se a RBMC, dependerá do tipo de receptor e métodos de posicionamento que serão utilizados. A confiabilidade está relacionada com a alta probabilidade da RBMC oferecer resultados satisfatórios, quando submetido a certas condições de erros.
2.4 Controle de qualidade aplicado a estações GPS pertencentes a um SCA
Na atualidade a maioria dos usuários demonstra preocupação sobre a qualidade dos dados GPS, mesmo aqueles que utilizam o GPS simplesmente para navegações e principalmente aqueles que realizam trabalhos geodésicos que requerem mais precisão. Modelos matemáticos sofisticados, procedimentos de campo cuidadosos, hardware e software para GPS de última geração são pré-requisitos básicos, para usuários do GPS que requerem obter precisões geodésicas. Porém, mesmo que se utilize tais ferramentas, outros cuidados devem ser tomados para garantir que a qualidade, desejada para os dados, seja alcançada. Logo, para se obter as informações sobre a qualidade dos dados coletados, os mesmos devem passar por um controle de qualidade. Aconselha-se que tais procedimentos sejam realizados tanto nos dados do receptor considerado como a base no posicionamento, quanto nos dados do receptor utilizado na determinação de novos pontos.
Com a realização do controle de qualidade dos dados coletados em um SCA, como é o caso da RBMC, busca-se, através da aplicação de uma série de práticas e procedimentos, maximizar as chances do produto ou
serviço satisfazer as exigências dos usuários. Podendo assim verificar o nível de qualidade alcançado. No caso do nível de qualidade alcançado não ser aceitável, se faz necessário a detecção da origem do problema e, se possível eliminá-la ou minimizá-la. E os usuários devem ser informados sobre isto.
Serão apresentadas a seguir algumas práticas e procedimentos que devem ser aplicados em estações GPS, para que seus resultados apresentem nível de confiança aceitável:
− seleção do hardware, onde se leva em consideração se o tipo do software GPS é compatível com o hardware.
− verificação dos resultados gerados por tais software, analisando se os mesmos estão corretos ou não;
− definição do local da estação: leva-se em conta as condições físicas e ambientais que cercarão a estação, pois essas podem causar multicaminhamento e problemas de interrupção dos sinais;
− instalação da parte instrumental: deve ser verificado se o marco possui uma boa estabilidade, a resistência dos cabos de comunicação e abastecimento dos aparelhos, a eficiência da potência de subsistemas, etc;
− checagem periódica dos indicadores de qualidade e do tipo de levantamento executado; e
− verificação periódica para detectar possíveis necessidades de manutenção de sistemas ou aparelhos da estação.
Para a obtenção de indicadores da qualidade dos dados GPS, de estações pertencentes a SCA, normalmente são utilizados software que gerem tais indicadores.
Um exemplo de software que pode ser empregado nos trabalhos diários de geração de tais indicadores de qualidade é o TEQC, que possibilita também outros aspectos de controle de qualidade, como é o caso da eliminação de observações com problemas.
E importante lembrar que o controle de qualidade para estações GPS pode ser realizado antes de sua instalação, durante seu funcionamento ou mesmo depois da coleta dos dados. Pode ser realizado antes da instalação para auxiliar na decisão do local mais apropriado para se instalar a estação. Durante seu funcionamento para detectar a ocorrência de alterações no funcionamento normal da estação. E após a coleta dos dados caso não tenha sido realizada anteriormente, para verificar qual a qualidade das observações.
2.5 O software TEQC
O TEQC é um software desenvolvido e constantemente atualizado pela UNAVCO (University NAVSTAR Consortium). Ele é o sucessor do software QC (Quality Check) e visa o controle de dados de GPS, coletados tanto na forma estática como cinemática durante um determinado intervalo de tempo. Este
software permite manipular tanto dados NAVSTAR-GPS, como GLONASS. O TEQC permite realizar várias funções com dados de GPS, como:
− (T) conversão de arquivos de dados GPS, que se encontram em formatos binários de diferentes fabricantes de receptores de GPS, em arquivos no formato RINEX;
− (E) edição de arquivos RINEX, como por exemplo a cópia de trechos específicos de dados;
− (QC) controle de qualidade, que é o assunto que será abordado neste trabalho.
O TEQC é um software simples e está disponível, no site da UNAVCO (http://www.unavco.ucar.edu), para vários sistemas operacionais.
2.5.1 Controle de qualidade com o software TEQC
Este software realiza o controle de qualidade de uma estação por vez. Os resultados são armazenados em arquivos, com as seguintes extensões:
− YYS: Sumário com um resumo do controle de qualidade, sendo YY o ano do qual foram feitas as coletas de dados;
− MP1: Efeito de multicaminhamento em L1 para observações dos códigos C/A ou P1;
− MP2: Efeito de multicaminhamento em L2 para observações do código P2;
− ION: Efeito da ionosfera na fase da portadora L1 e L2;
− IOD: A razão do atraso devido a ionosfera;
− ELE: Ângulo de elevação dos satélites;
− AZI: Azimute dos satélites;
− SN1: Razão Sinal Ruído na portadora L1 ;e
− SN2: Razão Sinal Ruído na portadora L2. As médias dos resultados do controle de qualidade são apresentadas na forma alfanumérica pelo arquivo sumário. Entre as informações resultantes estão o multicaminho na antena do receptor, ângulos de elevação dos satélites, deriva do relógio do receptor (DRIFT(ms)), informações sobre as observações, números de perdas de ciclos, entre outras.
Um dos indicadores gerados pelo TEQC é o O/SLPS, que relaciona o número total de observações coletadas com o número total de perdas de ciclo, pela equação (5): MP IOD OBS SLPS O t / / = (5) onde: t
OBS : número total de observações realizadas na seção; e MP
IOD / : número total de perdas de ciclo na seção de observação.
Com isso à medida que o número de perdas de ciclo diminui o indicador O/SLPS aumenta.
Os arquivos que apresentam as seguintes extensões MP1, MP2, ION, IOD, AZI, ELE, SN1 e SN2, são considerados arquivos gráficos, pois através da utilização dos software QCVIEW e QCV podem ser elaborados gráficos dos resultados contidos nesses arquivos.
2.5.2 Modelagem matemática utilizada no software TEQC
Os modelos utilizados pelo software TEQC, são obtidos das equações (1) de observação da pseudodistância e da equação (2) para a observação da fase da onda portadora. É possível realizar algumas combinações lineares utilizando as equações (1) e (2), que após algumas manipulações matemáticas chega-se ao termo MP1, dado por:
MP1 ≡ PD1 - − + 1 2 1 α Φ1 + −1 2 α Φ2 (6) onde: 2 2 2 1 f f = α
Esse termo representa o multicaminhamento na estação de interesse, na portadora L1. De maneira similar obtém-se para L2: MP2 ≡ PD2 - −1 2 αα Φ1 + − −1 1 2 α α Φ 2 (7)
Observando as equações (6) e (7) (equações de multicaminho), percebe-se que os valores de MP1 e MP2 somente podem ser calculadas com as observações L1 e L2 do código (pseudodistância PD1 e PD2) e da fase das portadoras (Φ1 e Φ2). Portanto, para calcular as equações (6) e (7) é necessário que se disponha de um receptor geodésico de dupla freqüência.
3 RESULTADOS
Neste trabalho realizou-se o controle de qualidade dos dados GPS da RBMC dos anos 2000 e 2001. A Tabela 2 indica as estações que tiveram os dados, destes anos, submetidos ao controle de qualidade.
Tabela 2 – Estações que tiveram os dados de 2000 e 2001
submetidos ao controle de qualidade.
ESTAÇÃO ANO: 2000 ANO: 2001 BOMJ BRAZ CRAT CUIB FORT IMPZ MANA PARA POAL RECF RIOD SALV UEPP VICO
Dados submetidos ao controle de qualidade
Para realizar tal controle de qualidade foi utilizado o software TEQC, o qual possibilita realizar vários aspectos do controle de qualidade de dados GPS. Analisou-se os resultados com relação aos seguintes indicadores:
− efeitos de multicaminho nas ondas portadoras L1 e L2, respectivamente MP1 e MP2;
− porcentagem de observações aproveitadas do total possível, na seção de observação (OBS(%));
− os valores da deriva do relógio do receptor (DRIFT);
− o número total de perdas de ciclo de cada seção de observação o (IOD/MP - número de perdas de ciclos devido às obstruções e ou multicaminhos); e
− valores do indicador O/SLPS.
Essas informações encontram-se no arquivo de extensão YYS de cada dia processado. Considerando que os receptores foram instalados em locais não sujeitos a fortes efeitos de multicaminho e outros erros, os valores de MP1, MP2, OBS(%), DRIFT(ms), O/SLPS e IOD/MP são bons indicadores da qualidade dos receptores, bem como das observáveis.
Analisando-se tais indicadores, pode-se ter uma noção da qualidade dos dados coletados nas estações em questão.
Todos os dados disponíveis passaram pelo controle de qualidade. No entanto, devido à problemas individuais de cada estação, algumas delas não dispõem do período total de dados.
3.1 Análise dos resultados
Devido ao fato da quantidade de dados processados e, conseqüentemente o grande número de resultados obtidos, serão apresentados apenas os valores médios dos indicadores para cada estação, como mostra a Tabela 3. Porém todos os resultados do controle de qualidade estão disponíveis aos usuários interessados, na homepage do LGE, na área de projetos (www.prudente.unesp.br/dcartog/labs/lge/projetos).
Tabela 3 – Valores médios dos indicadores de qualidade para o ano de 2000 e 2001. Ano 2000 ESTAÇÃO MP1 (m) MP2 (m) DRIFT (ms) OBS (%) O/ SLPS IOD/ MP BOMJ 0,266 0,803 68,9 94,7 488 144 BRAZ 0,279 0,861 125,5 94,6 472 172 CUIB 0,244 0,823 171,7 95,2 547 112 IMPZ 0,336 0,880 97,7 92,5 466 109 MANA 0,281 0,959 91,2 93,5 593 77 PARA 0,232 0,808 -24,3 94,9 835 92 POAL 0,238 0,764 86,3 96,3 1181 40 RECF 0,274 0,799 141,1 94,2 447 153 SALV 0,227 0,906 95,2 90,2 346 189 UEPP 0,267 0,778 171,7 93,7 563 144 VICO 0,399 1,217 104,3 94,2 660 123 Ano 2001 BOMJ 0,284 0,933 60,1 90 187 401 BRAZ 0,292 0,898 128,8 95 542 170 CRAT 0,270 0,766 13,7 90 608 479 CUIB 0,242 0,805 169,7 95 713 115 FORT 0,335 0,974 0,0 47 308 41 IMPZ 0,402 0,885 104,9 93 653 105 MANA 0,254 0,813 97,9 94 421 124 PARA 0,234 0,849 -22,2 95 1182 95 POAL 0,247 0,821 86,9 92 1474 146 RECF 0,269 0,793 149,7 93 522 186 RIOD 0,242 0,918 45,0 92 650 113 SALV 0,225 0,867 110,8 91 471 187 UEPP 0,268 0,793 174,5 93 757 148 VICO 0,491 1,152 104,2 94 845 127
Observando-se os valores de MP1 e MP2 de todas as estações, nota-se que os valores de MP1 são sempre melhores que os de MP2. Isso é devido inserção do código P criptografado (código Y) na L2. Assim, a recuperação da portadora L2 não oferece um resultado com a qualidade daquele de L1. Outro fator que contribui para que os valores de MP2 sejam maiores é o fato da portadora L2 possuir freqüência menor que a L1. Isso implica que a portadora L2 sofre maior influência da ionosfera, como pode ser verificado pelas equações (3) e (4).
Durante a análise verificou-se que os indicadores de qualidade, apresentados aqui, demonstravam comportamentos (características) parecidos, para todas as estações durante o ano (www.prudente.unesp.br/dcartog/ labs/lge/projetos/), com algumas exceções decorrentes de fatores, como por exemplo, posição geográfica da estação, local (meio) onde está instalada a antena, entre outros.
Por isso, para ilustrar o comportamento dos resultados obtidos pelo controle de qualidade, no período de um ano, foram elaborados gráficos, para algumas estações, que serão apresentados nas Figuras 4, 5 e 6.
Figura 4 – Indicadores de qualidade da estação BRAZ,
para o ano de 2001.
Figura 5 – Indicadores de qualidade da estação PARA,
Figura 6 – Indicadores de qualidade da estação RECF
para o ano de 2001.
Foram escolhidas as estações BRAZ, PARA e RECF, para elaborar os gráficos devido às mesmas estarem em latitudes (φ) diferentes. Como será visto, a seguir, esse fator afeta os resultados de alguns indicadores de qualidade.
Analisando as Figuras 4, 5 e 6 verifica-se que as estações apresentam valores de MP1 e MP2 bem próximos (parecidos) entre si. Observa-se ainda, que aproximadamente entre os dias 90 e 260 os valores de MP2 sofrem uma aparente melhora, justamente entre os meses de abril e agosto, quando a influência da ionosfera é menor. Isso porque nesse período ocorre menor incidência de radiação solar na ionosfera, provocando menores perturbações na mesma.
Os valores de MP1 e MP2 estão, em sua maioria, relacionados com o meio que cerca o receptor. Como já exposto anteriormente, locais com muitas construções, ou até mesmo com presença de árvores, fazem com que aumente a incidência de multicaminho. Mas os resultados de MP1 e MP2 também apresentam correlação com as perdas de ciclos e a quantidade de observações utilizadas na estimação dos seus valores.
Observando os resultados das porcentagens de observações verifica-se que quase todas as estações apresentam bom aproveitamento das observações, em suas seções de observação, na maioria dos dias, e que os resultados para as estações são bem próximos entre si. Somente a estação FORT apresentou baixo aproveitamento de observações. Porém as estações
BOMJ, CRAT, MANA e RIOD não apresentaram dados em vários dias. Segundo informações do IBGE, nestes dias não houve coleta de dados por diversos motivos.
Quanto ao DRIFT, ao se analisar os resultados, ficou claro que o receptor com relógio mais estável é o da estação FORT (com valores nulos), em seguida comparecem os das estações CRAT e PARA (com valores negativos). Os relógios que apresentam maiores variações (maiores derivas) são os dos receptores das estações CUIB e UEPP.
Observando os resultados dos indicadores IOD/MP e O/SLPS nota-se que nos períodos de 1 a 90 (Janeiro a Março) e 261 a 366 (Setembro a Dezembro), a ocorrência de perdas de ciclo foi maior que no período compreendido entre os dias 91 e 260 (Abril a Agosto). O principal motivo desta ocorrência, normalmente, se deve ao fato das perturbações da ionosfera serem maiores entre os meses de Setembro e Março, para a região do Brasil.
Como já era esperado, à medida que o número de perdas de ciclo diminui, o indicador O/SLPS aumenta (equação (5)). Como pode ser observado, os melhores resultados foram apresentados pelas estações PARA e POAL, mais distantes do Equador. Para as estações mais próximas do Equador, os resultados vão se deteriorando. Isso pode ser verificado nos gráficos das Figuras 4, 5 e 6.
4 CONCLUSÕES
Neste trabalho foi apresentada a análise da qualidade de dados GPS dos anos de 2000 e 2001 das estações pertencentes à RBMC. Observando-se os resultados de MP1, MP2, OBS(%) e o número de perdas de ciclo, percebe-se que a maior parte dos piores resultados está compreendida entre os meses de Janeiro a Março e de Setembro a Dezembro. Como já exposto, isso é devido a maior influência da ionosfera, nesses períodos. Apenas os valores do DRIFT não estão relacionados com a ionosfera, mas sim com o relógio do receptor, a influência sofrida por ele devido às oscilações de energia e a quantidade de observações utilizadas na sua estimação.
Essas conclusões foram tiradas, principalmente, levando-se em conta os valores médios dos resultados, tendo em vista que estes representam melhor o comportamento dos resultados de cada estação em questão.
Vale lembrar que tais resultados podem servir de referência na análise dos resultados advindos de processamentos de dados futuros. As conclusões estão baseadas nos resultados obtidos pelo controle de qualidade realizado pelo software TEQC, proporcionando assim, uma visão geral da qualidade dos dados.
Nesse projeto procura-se verificar o comportamento e fazer possíveis análises dos resultados obtidos do controle de qualidade. Porém, para que futuramente se possa fazer análises mais refinadas serão necessárias mais informações coletadas nas respectivas estações, tais como:
− registros de manutenções realizadas nos receptores, antenas ou qualquer outro
equipamento da estação, que causem interrupção temporária na coleta de observações;
− movimentações de máquinas ou pessoas próximas das estações;
− possível construção de novos prédios próximos à estação;
− relatórios especificando a localização da estação juntamente com a descrição do ambiente que a cerca; e
− qualquer outra alteração do funcionamento normal da estação.
AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem à Fapesp, que concedeu bolsa ao primeiro autor, processo 01/03145-2, à Msc. Kátia Duarte Pereira, pelas informações e material fornecidos e à UNAVCO que disponibiliza o TEQC. Destaca-se também a participação significativa do IBGE, que disponibilizou os dados GPS.
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