O Galileo é o sistema europeu de navegação global por satélites que nasceu da iniciativa comum entre a União Européia e a Agência Espacial Européia (ESA) com o propósito de ser o primeiro sistema de navegação Mundial para fins civis, aberto à cooperação internacional e à exploração em regime comercial. O sistema Galileo foi projetado para possuir em seu segmento espacial 30 satélites, divididos em três planos orbitais, com uma altitude de 23222 km e uma inclinação de 56 em relação ao equador. Os satélites serão distribuídos de maneira uniforme, tendo um satélite de stand by em cada plano caso haja alguma falha em algum satélite em operação, o período orbital será de 14 horas. Com estas características, os engenheiros e pesquisadores da ESA acreditam que a probabilidade de rastrear pelo menos 4 satélites e fazer posicionamento em qualquer lugar do mundo é maior que 90%. Outra configuração importante do Galileo é a inclinação das órbitas que foram planejadas de uma forma a assegurar uma boa cobertura, inclusive em latitudes polares que são mal servidas pelo sistema GPS americano (NAVSTAR-GPS).

 

GIOVE-A (Fonte: ESA 2012)

Os dois primeiros satélites do sistema Galileo, GIOVE-A e GIOVE-B, foram lançados, respectivamente, em 28 de Dezembro de 2005 e 27 de abril de 2008, sendo que o primeiro teve como tarefa vital proteger as frequências de rádio, provisoriamente, reservadas pela União Internacional de telecomunicações ao Galileo e o segundo utilizado em experimentos de validação de relógio e na calibração do sistema.

Ambos os satélites GIOVE serão realocados no espaço após cumprirem suas missões de validação, ou seja, eles serão movidos a uma “órbita cemitério” com o objetivo de abrir caminho para os novos Satélites IOV que serão utilizados nos primeiros testes de posicionamento utilizando apenas o sistema Galileo.

Em 21 de outubro de 2011 foram lançados, em órbita, os dois primeiros satélites IOV e os outros dois mencionados no dia 12 de outubro de 2012, completando o ciclo através da plataforma de lançamento do centro Europeu localizado na Guiana Francesa.

 

Este é considerado um marco significativo para o programa Galileo, porque quatro é o número mínimo exigido para correções de navegação, ou seja, para realizar o posicionamento utilizando-se apenas dados do segmento espacial Galileo, o que, juntamente com parte do segmento de controle (Terra) e simuladores avançado, será possível validar o sistema Galileo como um todo.

 

Esta fase de validação será seguida pela implantação de mais satélites e componentes do segmento de controle (Terra) para alcançar a “plena capacidade operacional”. Depois disto, os usuários no terreno podem explorar os serviços.
O Galileo proporcionará aos usuários: maior precisão, maior disponibilidade e maior cobertura.

  • Precisão: o Uso combinado GPS-Galileo (em comparação com GPS por si só) proporcionará o maior número de satélites disponíveis para o usuário, bem como maior precisão. Da maioria das localidades, 6-8 satélites Galileo serão visíveis o que em combinação com os sinais de GPS, vai permitir as posições serem determinadas até dentro de poucos centímetros.
  • Disponibilidade: O elevado número de satélites também vai melhorar a disponibilidade dos sinais em cidades altamente edificadas, nas quais os edifícios podem obstruir sinais de satélites baixos no horizonte.
  • Cobertura o Galileo também irá fornecerá uma melhor cobertura em latitudes elevadas do que o GPS, graças à localização e inclinação dos satélites. Isto será, particularmente, interessante para o Norte da Europa.

Em outubro de 2010 durante a Conferência de Navegação Europeia, a ESA informou sua intenção que de declarar o sistema operacional tão logo a constelação espacial atingirá o número de 18 satélites que está programado para ocorrer entre 2014 e 2015.

 


Receptor GNSS SF3040 – Com Tecnologia Starfire, é o equipamento com o maior número de possibilidades do calculo do método relativo no mercado.

Alezi Teodolini, representante da NAVCOM no Brasil, anuncia um novo recurso para seus receptores GNSS, o STARFIRE Over IP. Esta opção permite aos usuários acessarem as correções StarFire através da Internet, dando-lhes acesso a um posicionamento confiável e preciso ao nível de 5 centímetros, sem a necessidade de uma Estação de Referência.
O sinal de correção StarFire da NavCom oferece cinco centímetros de precisão horizontal em todo o mundo usando o método de posicionamento absoluto preciso. O serviço esta disponível em tempo integral através do envio da correção STARFIRE, por sete satélites da IMARSAT, estando agora disponível também via internet. O sistema possui 40 Estações de Referência terrestres ao redor do mundo, as quais permitem corrigir as efemérides transmitidas e o erro do relógio dos satélites.

Atualmente o receptor GNSS SF3040 é disponibilizado ao mercado mundial com o sinal “STARFIRE LIFETIME”, ou seja, a correção mundial de 5 cm é gratuita por tempo indeterminado. Após 1 ano de comercialização do produto e diversos testes de campo a equipe técnica da Alezi Teodolini concluiu que para atingir a precisão de 5 cm em campo, utilizando-se o receptor GNSS SF3040, necessita-se efetuar uma inicialização de 40 min, quando a área a ser levantada não possui nenhum ponto conhecido. Nos casos em que houver um ponto conhecido, basta realizar a inicialização (Quick Start) neste ponto por um período de 50 segundos, obtendo-se a precisão de forma rápida e eficiente. Nas situações de bloqueio do sinal de correção dos satélites IMARSAT é necessário realizar novamente o procedimento de incialização, podendo-se utilizar o último ponto registrado no modo Quick Start.

Além do posicionamento absoluto preciso, o receptor GNSS SF3040 permite a coleta nos métodos relativos utilizando-se as técnicas pós-processado e em tempo real (RTK/UHF, RTK/GSM e RTK em REDE), simultaneamente ao recebimento das correções STARFIRE por satélite ou IP. Como todos estes recursos, o receptor SF3040 é o equipamento com o maior número de possibilidades para realizar um posicionamento GNSS no mercado.

 

Em testes realizados no Brasil nas áreas urbanas, o receptor SF3040 apresentou perdas constantes de recepção da correção STARFIRE, devido à obstrução dos sinais dos satélites. Nestas condições, foi desenvolvido a capacidade de receber a correção STARFIRE por um IP, permitindo-se assim, mesmo em locais urbanos, o acesso às correções STARFIRE por meio de uma conexão GSM(Global System Mobile).

A capacidade de acessar correções StarFire através da internet proporciona aos nossos clientes uma maior confiabilidade em sua utilização. Além da disponibilidade das correções StarFire 24h via satélite, os usuários passam a ter acesso às correções StarFire em situações nas quais há obstruções que impedem a recepção, tais como profundos cânions urbanos ou locais de latitude muito altas, desde que se tenha acesso à telefonia móvel via conexão.


A utilização de receptores GNSS no método relativo na técnica pós-processado, vem sendo utilizado em levantamentos topográficos e no georreferenciamento de imóveis rurais há alguns anos no Brasil. Pode-se dizer que é uma técnica de posicionamento consagrada e que os profissionais de agrimensura e cartografia já a utilizam com grande experiência, sendo de seu conhecimento todas as vantagens, desvantagens e problemas que podem ser encontrados em campo.

As principais dificuldades são: utilizar os receptores GNSS em locais fechados, o desligamento aleatório e consequentemente perda dos dados das observáveis na estação de referência e principalmente, a não obtenção de solução fixa após o processamento dos dados no escritório, mesmo após avaliação de resíduos e eliminação de dados de alguns satélites. Como consequência surge a necessidade de reocupação do ponto em campo.

Com a implantação das 28 estações de referências ativas do CEGAT e com a utilização do software GNSMART da GEO++, desenvolveu-se o serviço de cálculo de arquivos virtuais RINEX (VRS). Este serviço permite o cálculo de um arquivo virtual RINEX, ou seja, a partir da representação do estado do espaço criado pelo software GNSMART possibilita a recriação do arquivo bruto GNSS na coordenada definida pelo usuário dentro da área de cobertura do CEGAT, possibilitando assim ser utilizado como referência para o cálculo dos vértices de perímetro, obtendo-se assim, precisões centimétricas.

Para explicar este nova técnica de geração de arquivos brutos, iremos inicialmente demonstrar o método tradicional de levantamento topográfico utilizando receptores GNSS.

Considerando a área abaixo a ser levantada:

receptor gnss

A primeira etapa para a realização do levantamento é o transporte de coordenadas, ou seja, a determinação das coordenadas da estação base através do método estático e utilização de estações de referência ativas ou passivas do IBGE, as quais estão referenciadas ao SGB (Sistema Geodésico Brasileiro).

A próxima etapa será o levantamento radial de todas as os pontos que delimitam a área através do método rápido estático(media de 5 min. de ocupação por ponto), usando como referência os dados brutos armazenados no mesmo instante na estação base, com correção relativa às coordenadas calculadas no transporte inicial.

O novo serviço de arquivos virtuais RINEX do CEGAT, permite ao usuário inserir a coordenada geodésica conhecida no software GNWEB (calculada anteriormente por meio do transporte de coordenadas). O acesso ao serviço está disponível ao usuário habilitado, através do site www.cegat.com.br, permitindo-se assim o cálculo e disponibilização dos dados brutos GNSS no dia e período determinado.

Após a confirmação das coordenadas geodésicas do ponto para o qual será criado o arquivo virtual RINEX, deve-se determinar o dia e período desejado. Na sequencia, o sistema realizará o cálculo de um arquivo RINEX único com taxa de gravação de 1 segundo, o qual  poderá ser baixado e utilizado pelo usuário.

O arquivo bruto GNSS ou RINEX Virtual, pode agora ser importado para qualquer software de pós-processamento GNSS, com todas as observáveis GNSS necessárias.

 

Utilizando-se de um arquivo virtual RINEX para o ponto de apoio básico, o profissional de agrimensura e cartografia pode realizar os levantamento de campo com apenas 1 receptor GNSS, recriar o arquivo da estação base necessário e trabalhar com linhas de base(distância entre o receptor GNSS base e móvel) curtas.

Assim, realiza-se o transporte de coordenadas pelo método tradicional (estático) de forma a materializar o ponto de apoio básico. Caso já exista as coordenadas conhecidas para um vértice materializado em campo, esta etapa não precisa ser realizada e bastará apenas criar o arquivo virtual RINEX GNSS no CEGAT.

O novo levantamento radial poderá ser executado sem se preocupar em instalar um receptor GNSS no ponto de coordenada conhecida, possibilitando que o usuário preocupe-se apenas com o levantamento dos pontos que determinam a área. Para os usuários que já possuem 2 receptores GNSS poderão utilizá-los como 2 receptores GNSS móveis simultâneos aumentando-se assim a produtividade em campo.

Com a criação do arquivo bruto GNSS ou RINEX Virtual, este procedimento pode ser realizado com qualquer receptor GNSS independente da marca.

Os profissionais de agrimensura e cartografia poderão reduzir custos diretos em campo sem a necessidade de contratar auxiliares devido a não utilização da estação base.

As linhas de base não precisarão estar no limite de 20 km, podendo facilmente criar novos arquivos brutos GNSS próximos aos pontos a serem levantados.


Com o surgimento de novas constelações de satélites tais como Galileo, SBAS (Satellite Based Augmentation Systems), Beidou (sistema de navegação regional chinês, também em desenvolvimento), e LAAS (Local Area Augmentation System) e também com os novos avanços nas tecnologias relacionadas ao posicionamento global, observa-se atualmente vigorosas alterações no sistema de posicionamento americano GPS (Global Positioning System) que melhorarão a capacidade de posicionamento para uso civil e militar. Tais alterações caracterizam o conceito de Modernização GPS, que incluem basicamente três mudanças:

• Integração do GPS com sistemas de aumento, permitindo assim melhor desempenho e aumento de precisão no posicionamento em tempo real visando aplicações em situações críticas de segurança, como por exemplo a aviação. Cita-se os sistemas de aumento LAAS (Local Area Augmentation System) também denominado como GBAS (Ground Based Augmentation System), por se tratar de um sistema de aumento baseado em terra com link transmissão de correções via VHF e o sistema WAAS (Wide Area Augmentation System) sendo um sistema baseado no espaço, por utilizar satélites geoestacionários em órbita para transmissão das correções.

• Sinais de navegação (Inercial e Rádio) que serão usados para proteger os usuários GPS contra interferências de rádio frequência (RFI) acidentais ou propositais, melhorando o posicionamento principalmente nos centros urbanos;

• Diversidades de frequências: Uma nova frequência L5 se juntará às atuais frequências L1 e L2, melhorando de maneira significativa a qualidade de rastreio e aquisição, alçando-se melhores níveis de precisão.

 

Assim como os sinais L1 e L2, o novo sinal L5 será transmitido a partir da frequência fundamental f0 = 10,23 MHz. Com isso, tem-se um resumo das frequências e respectivos comprimentos de onda para os diferentes sinais GPS:

 

O primeiro satélite a transmitir o sinal L5 foi lançado em 24/03/2009, o PRN01 (Bloco IIR-M), o qual foi desativado em 06/05/2011 devido a problemas em sua órbita. A nova geração de satélites do bloco IIF (incluindo um total de 12 satélites SVN62 a SVN73) permitiu tornar o sinal L5 operacional a partir do lançamento do primeiro satélite deste bloco em 28/05/2010. Atualmente já foram lançados 3 satélites deste bloco, os quais estão sendo fabricados pela BOEING:

O novo sinal L5 transmitirá duas variedades de códigos PRN: o código XI (em fase) e o código XQ (em quadratura), ambos transmitidos a uma taxa de 10,23 MChips/s, sendo portanto 10 vezes mais rápido que o código PRN C/A. Normalmente os satélites transmitem sinais CDMA (Code Division Multiple Access) e os receptores GPS realizam o processamento. Como o sistema CDMA é baseado na técnica de espalhamento espectral, observa-se que a densidade espectral da potência do sinal l5 é maior que no sinal L1.

No código I a duração do código de 1ms é estendida para 10 ms e no código Q é estendida para 20ms. Um aumento de 10 vezes no número de linhas no espectro faz com que a energia por linha seja diminuída em 10 dB para o código I e em 13 dB para o código Q (Holmes & Raghavan, 2004).
Este aumento do espalhamento espectral permite reduzir o efeito das interferências causadas pelos sinais dos outros satélites, os quais causam ruídos no sinal.

Como a taxa do sinal L5 é dez vezes mais rápida que no sinal L1 (código C/A), há uma redução no erro do rastreamento, garantindo-se assim uma maior exatidão nas medições realizadas com um receptor capaz de rastrear L5, além de reduzir as interferências (RFI) e suavizando também os efeitos do multicaminhamento. Assim, será observado uma melhora considerável nos levantamentos realizados sob condições adversas (áreas com maior cobertura vegetal ou obstruções que potencializam os erros de multicaminhamento).


CEGAT- RTK em Rede e Receptores GNSS ASHTECH  – O Futuro

O conhecimento das coordenadas terrestres sempre foi um desafio e uma necessidade para a humanidade. O advento das tecnologias GNSS tem revolucionado as técnicas e os métodos de levantamento de pontos e feições contidos na superfície terrestre. Hoje, as coordenadas terrestres podem ser conhecidas com grande precisão. O desafio, agora, é a obtenção das informações de forma instantânea, precisa e com baixo custo de execução.

Há algumas limitações no uso do rádio UHF que se devem, principalmente, ao relevo, ao alcance e a alguns efeitos atmosféricos. Maiores serão as barreiras, com conseqüente depreciação do levantamento, à medida que o móvel se afasta da estação de referência GNSS .

Devido às restrições mencionadas e ao crescente uso da telefonia móvel, desenvolveu-se uma nova forma de comunicação e transmissão de dados RTK baseada no uso do GSM. Portanto, a fim de resolver os problemas relacionados com a atmosfera (Ionosfera e Troposfera), erros de relógio, órbitas de satélites e outros obstáculos do método de posicionamento citado, surge a técnica denominada RTK em REDE que vai ao encontro de todas as expectativas.

A utilização do RTK em Rede já é uma realidade em muitos países do mundo e está associada ao aumento da demanda por informações espaciais de alta qualidade e em tempo real (Barbosa, 2010). O uso de redes para disponibilizar o posicionamento em outros países como, por exemplo, na Alemanha , já existe desde 1996 com a rede SAPOS.

Com intuito de sempre prover os melhores equipamentos e as tecnologias mais avançadas na área de posicionamento, de forma ágil, precisa e confiável, o CEGAT – Centro de Estudos Geodésicos da Alezi Teodolini, lança, em caráter pioneiro na América Latina, o serviço RTK em REDE no Brasil.

No Brasil, a técnica RTK em REDE permite que usuário utilize apenas um receptor GNSS móvel em campo e na área de cobertura deste serviço, sem a necessidade de se ter um receptor base, módulos de rádios, cabos, bateria e outro tipos de acessórios em campo. Diminuindo, portanto, o custo com pessoal e eliminando procedimentos em campo, como por exemplo, transporte de coordenadas em áreas cobertas pelo serviço.

 

RTK em Rede –Introdução

O RTK em REDE é compatível com o conceito de VRS (Estação Virtual de Referencia), o qual se baseia numa rede de estações GNSS permanentes e conectadas através de outra de infraestrutura de comunicações com um Centro de Controle equipado com software apropriado para receber dados de todas as estações de referência. Os dados são memorizados, as ondas portadoras L1 e L2 analisadas sobre erros da ionosfera e troposfera, erros das efemérides e sobre as ambiguidades. O software usa as informações para diminuir a influência dos erros sistemáticos que limitam a precisão do posicionamento GPS e para gerar as correções necessárias utilizadas na área de abrangência da rede.

Esta técnica de posicionamento já é consagrada na Europa e nos Estados Unidos e atende às necessidades de posicionamento rápido e preciso, entregando ao usuário em campo parâmetros de correção que permitirão ao seu receptor GNSS o posicionamento com precisões de até 1 cm em tempo real.

Um dos principais exemplos é o serviço da LEICA na Europa, (www.smartnet-eu.com), que cobre toda a Europa e permite que os usuários utilizem apenas 1 receptor GNSS móvel em campo. Veja um breve exemplo da cobertura:

 

Estas correções RTK podem ser geradas por 4 métodos:  MAC : correções Master-Auxiliary, i-MAX: Individualized MAX, PRS ou VRS: Virtual Reference Station e FKP: Flächen-Korrektur-Parameter. Mais informações sobre estes métodos estarão disponíveis em novas publicações.  Nota: O CEGAT disponibiliza todos estes formatos aos usuários.

As características básicas do RTK em REDE são: maior número de estações utilizadas como referência (podendo variar de três a dezenas ou centenas estações); possibilidade de realizar o controle de qualidade; aumento das distâncias entre as estações de referência (TRIMBLE,2010), aumento substancial da área de atuação (ALVES, 2008; ALVES e MONICO, 2010).

Mas antes de ir adiante e se aprofundar no assunto, é importante dar uma visão geral do que realmente é a técnica RTK em Rede.

A maneira mais fácil de explicar é comparar a técnica RTK e a técnica RTK em REDE.

Técnica RTK (Single Base – Base única)

Os receptores GNSS RTK móveis, tradicionalmente, recebem correções RTK de uma Estação de Referência, utilizando link de comunicação por tanto rádio ou modem GSM. A estação GNSS Base pode ser implantada em um ponto e permanecer fixa (ex. sobre o telhado de um escritório) ou pode ser itinerante, ou seja, sempre transportar ou ocupar um ponto homologado como Base para a área onde será realizado o projeto. Em ambos os casos, o princípio é o mesmo.

O Princípio

O princípio da técnica RTK começa com a implantação da estação de referência base, que é definido primeiramente:

1-      – Através da ocupação de um ponto conhecido (homologado) e/ou transportado;

2-      – da Configuração da estação Base com a referida coordenada precisa do ponto usado (Homologado/transportado);

3-      – da Configuração do módulo de rádio base com a frequência e os protocolos a transmitir.

Após estes procedimentos, a estação Base envia as correções para o móvel via um link de comunicação (normalmente um modem de rádio de único caminho ou conexão GSM) (Fig.4).

Há três importantes pontos a serem observados na relação entre a estação de referência e o móvel:

4-      Ambos estão observando um conjunto de satélites (mínimo 5 satélites em comuns).

5-      A referência envia todos os deltas, observações de fase, pseudodistância e dados dos satélites para o móvel.

6-      O móvel combina estas observações de fase da estação de referência com suas próprias observações para computar a posição RTK.

Desvantagens

A desvantagem do uso da Estação de Referência simples é:

7-      O custo para comprar a estação de referência;

8-      Alta quantidade de acessórios e cabos para levar ao campo;

9-      Salário do ajudante para tomar conta da estação de referência;

10-   Tempo despendido para a instalação da Estação de Referência;

11-    À medida que a distância aumenta entre a referência e o móvel, a precisão computada diminui;

 

Esta queda na precisão é devida aos erros dependentes da distância – principalmente erros atmosféricos. Essencialmente, como a distância entre o móvel e a estação de referência aumenta, as condições atmosféricas do móvel e da estação de referência se tornarão cada vez mais diferentes. Isto diminui a precisão e dificulta para o móvel fixar as ambiguidades.

Técnica RTK em Rede

A técnica RTK em Rede requer um mínimo recomendado de três estações de referência (não há máximo) com um espaçamento inter-estacional de até 100km, dependendo da configuração da rede estabelecida.  Estas estações são implementadas sobre pilares fixos, com horizonte aberto, ou seja, sem a incidência de feições que possam ocasionar multicaminhamento, e com coordenadas precisas (homologadas ou transportadas)  formando, assim, o RTK em Rede.

O Princípio

O princípio da técnica RTK em Rede começa com todas as estações de referência que compõem a Rede, transmitindo continuamente observações de satélite para um servidor central, executando um software de gerenciamento destas estações de referência como, por exemplo, o GNSMART da empresa GEO++ da Alemanha, que vai modelar e gerar as correções de RTK em Rede.

 

O objetivo do RTK em Rede é minimizar a influência dos erros dependentes da distância sobre a posição computada dos móveis dentro dos limites da área de trabalho. O software do serviço RTK em rede  segue o seguinte processo:

  1. Fixa as ambiguidades dos satélites (sendo observado pelas estações de referência) dentro da área de trabalho; e
  2. Usa os dados de todas (ou um subconjunto de) as estações de referência para gerar correções que serão enviadas para o móvel (Fig.6).

O Receptor Móvel, através de uma ligação GSM/GPRS, envia sua posição aproximada para o Centro de Controle (software Gerenciador das estações) através de mensagem NMEA (The National Marine Electronics Association) com formato GGA (Registro NMEA – Global Position System Fix Data).

Logo, o software de controle das estações de referência  gerará uma estação não física simulando uma estação base próxima do usuário, então, o usuário pode usar os dados desta como se ela fosse uma estação de referência real.  Para o caso do software GNSMART, ele utiliza a representação de estado do espaço para criar uma correção específica para aquela posição geográfica. Uma vez que o móvel receba os dados RTK, ele computa sua posição usando o algoritmo apropriado.

Qual algoritmo o receptor GNSS móvel usa e como os erros dependentes da distância são minimizados dependem muito da técnica RTK em Rede que está sendo utilizada, veremos mais detalhes em outras publicações.

 

Anteriormente, mencionamos MAX, FKP e VRS como exemplos de técnicas de RTK em Rede disponíveis no mercado – cada um destes métodos minimiza (ou modela) os erros em diferentes modos. Dependendo do método, esta modelagem é realizada no servidor do RTK em Rede ou no móvel. Entretanto, a relação entre o RTK em Rede e o móvel é diferente de cada método – podendo haver diferenças em desempenho, precisão, confiabilidade e rastreabilidade para o móvel.

Vantagens do RTK em Rede

As vantagens do RTK em Rede são:

– Não é necessário possuir uma estação de referência física;

– As precisões das posições móvel computadas são mais homogêneas;

– A precisão é mantida ao longo de distâncias entre as estações de referência e o móvel;

– A mesma área pode ser coberta com menos estações de referência (ex. se comparada ao número de estações de referência requeridas usando-se Estação de Referência Direta);

– Maior confiabilidade e disponibilidade de correções RTK devido ao conjunto de estações de referência que compõe o sistema.