TECNOLOGIA DA GEOGRAFIA
Comparação de instrumental técnico para levantamento elementar de pontos
Antonio Aurélio Silva
INTRODUÇÃO
O GPS (Global Positioning System), ou NAVSTAR-GPS (NAVigation Sattellite WithTime And Ranging) é um sistema de radionavegação desenvolvido pelo Departamento de Defesa dos Estados Unidos da América DOD (Department of Defense), com o intuito de ser o principal sistema de navegação das forças armadas americanas. Ele resultou da fusão de dois programas financiados pelo governo norte-americano para desenvolver um sistema de navegação de abrangência global: Timation e System 621B, sob responsabilidade da Marinha e da Força Aérea, respectivamente. Em razão da alta acurácia proporcionada pelo sistema e do grande desenvolvimento da tecnologia envolvida nos receptores GPS, uma grande comunidade usuária emergiu dos mais variados segmentos da comunidade civil (navegação, posicionamento geodésico, agricultura, controle de frotas etc.) (MONICO, 2000).
A maior fonte de erro no posicionamento por ponto com o GPS era devida à técnica SA (Selective Availability), desativada às 04 horas TU de 02 de maio de 2000. Essa técnica consistia da manipulação das efemérides transmitidas e desestabilização sistemática do oscilador do satélite, deteriorando as coordenadas e os relógios dos satélites para usuários que utilizavam o código C/A para obter medidas da pseudodistâncias. Nestas condições, o posicionamento instantâneo de um ponto apresentava precisão horizontal, vertical e de tempo, de 100 m, 156 m e 340 ns, respectivamente, com nível de confiança de 95%. Atualmente, com a desativação da SA melhorou-se cerca de 10 vezes a precisão do posicionamento GPS (MONICO, 2000).
Os sinais GPS, no seu caminho entre o satélite e a antena da estação de rastreio, propagam-se na atmosfera dinâmica, atravessando camadas de diferentes naturezas e estados variáveis. Assim sendo, sofrem diferentes tipos de influências, que podem provocar variações na direção e velocidade de propagação, na polarização e na potência do sinal (SEEBER, 1993). Esse meio de propagação compreende, basicamente a troposfera (até 50 km) e a ionosfera (50 - 1000 km), com características bem diferentes. A troposfera, para freqüências abaixo de 30 GHz, comporta-se como um meio não dispersivo, ou seja, a refração é independente da freqüência do sinal transmitido, dependendo apenas das propriedades termodinâmicas do ar. A ionosfera, como um meio dispersivo, afeta a modulação e a fase da portadora, fazendo com que sofram, respectivamente, um retardo e um avanço (Leick, 1995).
O objetivo desta monografia é mostrar o uso de um GPS de navegação modelo garmin em comparação a um modelo L1 e a realização do pós-processamento dos dados obtidos. As coordenadas obtidas foram comparadas com as coordenadas verdadeiras para avaliação da acurácia obtida.
A maior fonte de erro no posicionamento por ponto com o GPS era devida à técnica SA (Selective Availability), desativada às 04 horas TU de 02 de maio de 2000. Essa técnica consistia da manipulação das efemérides transmitidas e desestabilização sistemática do oscilador do satélite, deteriorando as coordenadas e os relógios dos satélites para usuários que utilizavam o código C/A para obter medidas da pseudodistâncias. Nestas condições, o posicionamento instantâneo de um ponto apresentava precisão horizontal, vertical e de tempo, de 100 m, 156 m e 340 ns, respectivamente, com nível de confiança de 95%. Atualmente, com a desativação da SA melhorou-se cerca de 10 vezes a precisão do posicionamento GPS (MONICO, 2000).
Os sinais GPS, no seu caminho entre o satélite e a antena da estação de rastreio, propagam-se na atmosfera dinâmica, atravessando camadas de diferentes naturezas e estados variáveis. Assim sendo, sofrem diferentes tipos de influências, que podem provocar variações na direção e velocidade de propagação, na polarização e na potência do sinal (SEEBER, 1993). Esse meio de propagação compreende, basicamente a troposfera (até 50 km) e a ionosfera (50 - 1000 km), com características bem diferentes. A troposfera, para freqüências abaixo de 30 GHz, comporta-se como um meio não dispersivo, ou seja, a refração é independente da freqüência do sinal transmitido, dependendo apenas das propriedades termodinâmicas do ar. A ionosfera, como um meio dispersivo, afeta a modulação e a fase da portadora, fazendo com que sofram, respectivamente, um retardo e um avanço (Leick, 1995).
O objetivo desta monografia é mostrar o uso de um GPS de navegação modelo garmin em comparação a um modelo L1 e a realização do pós-processamento dos dados obtidos. As coordenadas obtidas foram comparadas com as coordenadas verdadeiras para avaliação da acurácia obtida.
FUNDAMENTAÇÃO CONCEITUAL
Limiares
O conceito de limiar na visão de Dolfuss significa que os fenômenos que ocorrem na natureza e na vida humana, surgem sob certas circunstâncias, e os efeitos são limitados a área de ocorrência, surgindo e desaparecendo no próprio local onde ocorreu, entretanto, é necessário que tenhamos conhecimento dos fatores que interferem nos limiares do espaço e do tempo, embora sua determinação seja constituída de algumas variáveis, é possível em cada limiar, estudarmos seu funcionamento, evolução, continuidade e sua extensão espacial. Em todo sistema, uma característica comum, é a existência de um fator para a descontinuidade do fato, causado por uma alteração no processo limiar, o que nos força a investigarmos as forças que causaram ou contribuíram para essas mudanças.
Diferenças
A categoria ‘Diferenças’ na tecnologia da geografia, aliada à categoria da ‘Distribuição’ são os elos entre o real e a representação do real na questão dos limites e limiares, posto que diferenças entre entes permitem um delineamento regional quando são levantados em sua distribuição espacial.
MATERIAL E MÉTODOS
O campo experimental deste trabalho foi no Campus-I da Universidade Federal da Paraíba, no dia 14/10/2006. O planejamento do trabalho foi realizado no dia anterior utilizando-se o software Trimble Planning Software ©.
Verificou-se o horário com PDOP´s mais adequado para o rastreamento dos satélites. O horário de início foi as 09:45 e o término foi as 10:25. Foram utilizados os equipamentos Garmin GPS 60CSx e um par de GPS Ashtech modelo Promark2.
A experiência foi elaborada da seguinte maneira:
Iniciou-se a missão acoplando os GPS Ashtech Promark2 nas respectivas antenas para um servir como ponto base coletando os dados para posterior correção e o outro foi usado juntamente com o Garmin GPS 60 CSx no modo de coleta manual, onde em cada ponto de coleta de dados foi registrado por 30 Segundos os dados informado pelos Satélites no Ashtech Promark2 e posteriormente o registro com o GPS Garmin naquele instante. Foi utilizado o Software freeware GPS trackmaker para captura dos dados do Garmin.
Denominou-se Col 1 a coleta dos pontos numa primeira fase e de Col 2 a coleta numa segunda fase, cujo intervalo de tempo foi de aproximadamente de 02 minutos.
Este marco foi utilizado como base e nas coletas foi denominado de BASE.
Verificou-se o horário com PDOP´s mais adequado para o rastreamento dos satélites. O horário de início foi as 09:45 e o término foi as 10:25. Foram utilizados os equipamentos Garmin GPS 60CSx e um par de GPS Ashtech modelo Promark2.
A experiência foi elaborada da seguinte maneira:
Iniciou-se a missão acoplando os GPS Ashtech Promark2 nas respectivas antenas para um servir como ponto base coletando os dados para posterior correção e o outro foi usado juntamente com o Garmin GPS 60 CSx no modo de coleta manual, onde em cada ponto de coleta de dados foi registrado por 30 Segundos os dados informado pelos Satélites no Ashtech Promark2 e posteriormente o registro com o GPS Garmin naquele instante. Foi utilizado o Software freeware GPS trackmaker para captura dos dados do Garmin.
Denominou-se Col 1 a coleta dos pontos numa primeira fase e de Col 2 a coleta numa segunda fase, cujo intervalo de tempo foi de aproximadamente de 02 minutos.
Este marco foi utilizado como base e nas coletas foi denominado de BASE.
Figura 01: Adaptação para facilitar a coleta dos dados com a menor diferença no tempo possível.
Figura 02: Bastão do GPS base sob o marco da Estação MR-66.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
O levantamento de pontos com Garmin e com Ashtech demonstram diferenças que se conhece antes mesmo da efetuação das coletas, estas estão ligadas aos tipos de freqüência em que operam, níveis de ruído no sinal dentre outros como situação atmosférica e posicionamento dos satélites, por exemplo. Entretanto, adquirir um equipamento L1, como no caso do Ashtech, é oneroso diante do preço e facilidade de aquisição de um equipamento como o Garmin.
Imbuídos dessa premissa efetuou-se comparações para saber o comportamento dos resultados dos dois aparelhos em levantamentos elementares.
O primeiro resultado obtido, por ordem hierárquica de confiança, foi o da comparação das medidas do próprio ponto principal, já conhecido previamente, o qual denominou-se de BASE. Esse ponto é uma RN (Referência de Nível) da PMJP (Prefeitura Municipal de João Pessoa).
No processamento foi utilizado o valor do RN como referência e um ponto de controle de visada foi utilizado (Figura 02) para que comparações entre o ajuste pudessem ser feitas. Tanto com ajuste como sem ajuste os resultados flutuaram em torno de 1m. As comparações não foram feitas comparações no eixo altimétrico.
Não foram efetuadas comparações utilizando o Garmin 60CSx em relação à BASE, posto que esse ponto serve apenas de referência para o processamento dos dados da L1. Para o início das comparações entre os dois aparelhos o ponto de referência utilizado foi o ‘COLETA’ (col 1 e 2).
Os valores resultantes das coletas com L1 passaram a ser a referência para se comparar os resultados do levantamento com o aparelho Garmin 60CSx.
No dia da coleta o PDOP se encontrava em torno de 2.7 resultando num erro médio na coleta do aparelho Garmin entre 5 e 7 metros. Este erro permite que o valor apresentado esteja inserido num raio aproximado dentro desse erro.
Para melhor compreender essa situação, na Figura 3 observa-se a dispersão dos valores entre os aparelhos. Os dados da L1 se mantêm coesos, ou seja, a diferença entre uma coleta e outra não afeta veemente o resultado, enquanto que o Garmin se torna mais suscetível às flutuações apresentando dados mais dispersos, ou seja, com grandes diferenças entre uma tomada e outra.
Imbuídos dessa premissa efetuou-se comparações para saber o comportamento dos resultados dos dois aparelhos em levantamentos elementares.
O primeiro resultado obtido, por ordem hierárquica de confiança, foi o da comparação das medidas do próprio ponto principal, já conhecido previamente, o qual denominou-se de BASE. Esse ponto é uma RN (Referência de Nível) da PMJP (Prefeitura Municipal de João Pessoa).
No processamento foi utilizado o valor do RN como referência e um ponto de controle de visada foi utilizado (Figura 02) para que comparações entre o ajuste pudessem ser feitas. Tanto com ajuste como sem ajuste os resultados flutuaram em torno de 1m. As comparações não foram feitas comparações no eixo altimétrico.
Não foram efetuadas comparações utilizando o Garmin 60CSx em relação à BASE, posto que esse ponto serve apenas de referência para o processamento dos dados da L1. Para o início das comparações entre os dois aparelhos o ponto de referência utilizado foi o ‘COLETA’ (col 1 e 2).
Os valores resultantes das coletas com L1 passaram a ser a referência para se comparar os resultados do levantamento com o aparelho Garmin 60CSx.
No dia da coleta o PDOP se encontrava em torno de 2.7 resultando num erro médio na coleta do aparelho Garmin entre 5 e 7 metros. Este erro permite que o valor apresentado esteja inserido num raio aproximado dentro desse erro.
Para melhor compreender essa situação, na Figura 3 observa-se a dispersão dos valores entre os aparelhos. Os dados da L1 se mantêm coesos, ou seja, a diferença entre uma coleta e outra não afeta veemente o resultado, enquanto que o Garmin se torna mais suscetível às flutuações apresentando dados mais dispersos, ou seja, com grandes diferenças entre uma tomada e outra.
Figura 03: Dispersão entre dados resultantes da L1 e do Garmin 60CSx sob a diferença entre coleta 1 e coleta 2.
No Quadro 1, podem ser vistas as principais diferenças observadas comparando-se os resultados obtidos com o Garmin 60CSx em relação a L1, tanto na coleta 1 como na coleta 2.
Quadro 1: Diferenças entre L1 e Garmin 60Csx.
Os erros maiores, onde por erros computamos a diferença entre a referência que é o valor da L1 em cada ponto, se encontram em X, isto é, na longitude. No ponto Col1 a diferença entre a posição de X é de 32,821 m em relação ao coletado pela L1, enquanto que em Y o valor é 0,749 m. Já na segunda coleta tais valores aumentam, em X tem-se 40,171 e em Y o valor sobe para 5,726.
Como a subida e descida de tais valores não se mantêm fixas nas coletas com o Garmin, ou melhor, crescentes do levantamento 1 para o 2, haja vista no levantamento dois, por exemplo, ter sido observado a diminuição do erro no ponto BP07, valor 25,544 em X donde na coleta 1 foi de 35,249, fica difícil explicar uma causa para tal ocorrência, entretanto a tendência crescente dos erros entre a coleta 1 e 2 parecem ter aumentado na segunda coleta que foi efetuada poucos minutos após a coleta 1, podemos inferir elementarmente que o sol encaminhando-se para o zênite pode ser um fator para diminuição da qualidade do sinal captada no Garmin 60Csx. Mas seriam necessárias maiores coletas em condições similares para afirmar com mais rigor se essa hipótese é ou não procedente. Podemos dizer que esta observação se mostra mais proeminente no Garmin CSx do que na coleta com a L1 a partir dos resultados vistos na Figura 8, pois se vê que a diferença do erro médio, tendo como referência a coleta 1 de cada aparelho, mantêm-se pequena nos dados da L1 enquanto que no Garmin 60CSx os valores são de 8 vezes e 6 vezes superiores em X e Y respectivamente, vide Figura 4 em que são mostradas as dispersões de um equipamento e do outro.
Como a subida e descida de tais valores não se mantêm fixas nas coletas com o Garmin, ou melhor, crescentes do levantamento 1 para o 2, haja vista no levantamento dois, por exemplo, ter sido observado a diminuição do erro no ponto BP07, valor 25,544 em X donde na coleta 1 foi de 35,249, fica difícil explicar uma causa para tal ocorrência, entretanto a tendência crescente dos erros entre a coleta 1 e 2 parecem ter aumentado na segunda coleta que foi efetuada poucos minutos após a coleta 1, podemos inferir elementarmente que o sol encaminhando-se para o zênite pode ser um fator para diminuição da qualidade do sinal captada no Garmin 60Csx. Mas seriam necessárias maiores coletas em condições similares para afirmar com mais rigor se essa hipótese é ou não procedente. Podemos dizer que esta observação se mostra mais proeminente no Garmin CSx do que na coleta com a L1 a partir dos resultados vistos na Figura 8, pois se vê que a diferença do erro médio, tendo como referência a coleta 1 de cada aparelho, mantêm-se pequena nos dados da L1 enquanto que no Garmin 60CSx os valores são de 8 vezes e 6 vezes superiores em X e Y respectivamente, vide Figura 4 em que são mostradas as dispersões de um equipamento e do outro.
Figura 04: Comparação do erro médio entre levantamentos do Garmin dentre o levantamento 1 e 2 e da L1dentre o levantamento 1 e 2.
A Figura 05 expressa o erro médio, onde se percebe que as diferenças mais proeminentes entre os dados obtidos pelo Garmin 60Csx em relação a L1 se encontram na projeção longitudinal. Já nas latitudes as diferenças são menores, mas mesmo assim estão acima das expectativas de erro que o equipamento apresenta na hora da coleta (5 e 7 metros).
Figura 05: Comparação do erro médio entre os dados obtidos pelo Garmin em relação aos dados obtidos pela L1 dos pontos coletados no levantamento 1.
CONSIDERAÇÕES FINAIS
1. Levantamentos expedidos com equipamentos da categoria do Garmin podem ser executados independente da escala final, pois a precisão obtida com ele permite uma boa identificação dos limiares das feições geográficas;
2. Entretanto o uso de equipamentos da categoria do Garmin para levantamento de áreas cuja escala do produto final gire em torno de 1:2000 e que sejam feições geográficas com limites precisos, já mostra desvios significativos, principalmente de pontos. Escala esta usada em folhas cadastrais, utilizadas para representar maiores detalhamentos.
3. Para escalas maiores o uso da L1 é recomendado; pois com estes receptores usando a freqüência emitida em 1575,42 Mhz poderemos realizar acuradamente levantamentos topográficos precisos.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
DOLFUSS, Olivier. A análise geográfica. Trad. Heloysa de Lima Dantas. São Paulo: DIFEL, 1973. Col. Saber Atual.
LEICK, A.. GPS satellite surveying. 2º.ed. New York: John Wiley & Sons, 1995. 560p.
MONICO, João Francisco Galera. Posicionamento pelo NAVSTAR-GPS: descrição, fundamentos e aplicações. São Paulo: Editora UNESP, 2000.
SEEBER,G .:Satellite Geodesy:Foundations,Metods and Applications.Berlin -New York,2003.
Ashtech Corporation www.ashtec.com Manual Reference of Promark2.
Garmin Corporation www.garmin.com Owners Manual Reference of GPS60CSx;
Trimble Corporation www.trimble.com Manual Operation Software Planning.
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