A comunidade científica paulista usuária de Sistemas Globais de Navegação por Satélite (GNSS, na sigla em inglês) passou a dispor de melhor infraestrutura para utilização dessa tecnologia para fins de pesquisa em áreas como a Geodésia (determinação da forma, dimensões e campo de gravidade da Terra), cartografia, modelagem da ionosfera (camada que cobre a Terra, formada por íons e elétrons) e da troposfera (localizada entre a superfície da Terra e a ionosfera). Pesquisadores da Universidade Estadual Paulista (Unesp), campus de Presidente Prudente, em parceria com colegas da Escola Superior de Agricultura “Luiz de Queiroz” (Esalq), da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo (Poli/USP) e do Centro de Previsão de Tempo e Estudos Climáticos (CPTEC) do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (Inpe), implantaram a primeira rede de estações GNSS ativa do Estado de São Paulo.
Batizada de GNSS-SP, a rede foi construída no âmbito de um Projeto Temático, realizado com apoio da FAPESP.
“Agora dispomos de uma rede de receptores GNSS em São Paulo, funcionando em tempo real, criada para fins de pesquisa, mas que também deve contribuir para melhorar a aplicação de sistemas de navegação por satélite em setores como o de agricultura de precisão, posicionamento terrestre, aéreo e offshore e previsão de tempo, entre outros”, disse João Francisco Galera Monico, professor da Unesp de Presidente Prudente e coordenador do projeto, à Agência FAPESP.
Os pesquisadores participantes do projeto realizaram, no dia 20 de junho, em São Paulo, o terceiro workshop do Projeto Temático, durante a conferência MundoGEO#Connect LatinAmerica 2013, em que apresentaram alguns dos principais resultados alcançados.
De acordo com Monico, a rede GNSS-SP conta atualmente com 20 estações ativas, espalhadas por diferentes municípios paulistas.
Em cada uma dessas estações há um receptor GNSS conectado com a internet, que rastreia um conjunto de satélites GNSS em operação – como o GPS, dos Estados Unidos, e Glonass, da Rússia – e captam em tempo real os sinais eletromagnéticos que enviam para a Terra.
Os sinais dos satélites recebidos pelos receptores são remetidos para um centro de processamento e armazenamento de dados, localizado no campus da Unesp em Presidente Prudente, e disponibilizados em uma plataforma on-line para usuários cadastrados para utilização em pesquisa.
Dados de algumas estações também são enviados para o Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística (IBGE), que os disponibiliza para o público em geral por meio da Rede Brasileira de Monitoramento Contínuo (RBMC).
Mas, além disso, os dados de satélites fornecidos pelas estações GNSS também poderão ser usados a partir da própria estação como referência para realização de posicionamento relativo – em que um usuário com um receptor GNSS estático ou móvel, próximo a uma das estações, pode obter suas coordenadas com boa acurácia.
“A utilização de dados de redes GNSS ativas, como a GNSS-SP, para realização de posicionamento relativo é uma tendência que deverá aumentar cada vez mais”, estima Monico.
“Hoje os aparelhos celulares que possuem GPS fornecem posição com precisão da ordem de 12 metros. Mas, no futuro, quando passarem a receber correções de estações GNSS, fornecerão posição da ordem de meio metro”, exemplificou o pesquisador, explicando que, quanto menor a distância da posição fornecida pelo GNSS, melhor a acurácia das coordenadas do ponto de interesse.
Efeitos da ionosfera
Segundo o pesquisador, a rede também possibilitou monitorar melhor a ionosfera e ampliar o conhecimento em relação a seus efeitos sobre os sinais emitidos pelos satélites, que, ao passar pela atmosfera, sofrem interferências e chegam à Terra com variações que vão desde a atenuação da potência até alterações na direção de propagação e velocidade da onda eletromagnética.
Ao atravessar a ionosfera, por exemplo, os sinais dos satélites se chocam com elétrons, que alteram sua velocidade. Já ao seguir pela troposfera, são afetados pelo vapor d’água, que pode ser estimado e utilizado para melhorar os modelos de previsão de tempo, uma vez que algumas das estações da rede GNNS-SP são integradas com medidores de temperatura, pressão e umidade.
Os receptores das estações GNSS medem os sinais eletromagnéticos captados dos satélites e os decodificam em dados que podem ser observados pelos pesquisadores para avaliar as influências que sofreram durante a passagem pela atmosfera.
“Para nós, que trabalhamos com posicionamento geodésico [determinação de posição sobre a superfície terrestre por meio de sistema de coordenadas], essas interferências da atmosfera sobre os sinais dos satélites degradam a posição e são erros que queremos eliminar para melhorar a acurácia do posicionamento”, disse Paulo de Oliveira Camargo, professor da Unesp de Presidente Prudente, e um dos pesquisadores principais participantes do projeto.
“Mas para outras áreas, como a das ciências espaciais, esses erros são sinais importantes por meio dos quais é possível calcular o total de elétrons e gerar modelos da ionosfera, fazer inferências sobre suas irregularidades e detectar causas de distúrbios como a cintilação ionosférica”, comparou.
Caracterizado por uma alteração do campo magnético durante a passagem do sinal dos satélites pela ionosfera, o fenômeno ocorre com maior intensidade no intervalo das 18h às 2h, no horário local. Em função disso, prejudica a utilização de GNSS na agricultura de precisão, em que a tecnologia é usada para orientar a direção de máquinas colheitadeiras dotadas de receptores de GNSS para piloto automático tanto de dia como à noite.
Durante os períodos de cintilação ionosférica, os sinais dos satélites captados por estações base e enviados para um retransmissor móvel, que os retransmite para as máquinas agrícolas, são afetados. Como consequência, as máquinas podem ter a qualidade da posição deteriorada e não se localizar adequadamente na área de plantação onde realizam colheita à noite, por exemplo. “Esse é um problema para o qual nós estamos tentando encontrar uma solução”, disse Monico.
A fim de analisar os efeitos do fenômeno, aumentar a compreensão sobre suas causas e desenvolver novas técnicas de contramedidas a serem implementadas em receptores de GNSS, pesquisadores da Unesp, Petrobras e da Universidade de Nottingham, do Reino Unido, entre outros concluíram no início de 2012 o projeto “Concept for ionospheric scintillation mitigation for professional GNSS in Latin America” (Cigala, na sigla em inglês).
Financiado pela Comunidade Europeia, o projeto também deu origem a uma rede de estações GNSS situadas nas cidades de Manaus (AM), Palmas (TO), Macaé (RJ), Porto Alegre (RS) e Presidente Prudente e São José dos Campos, ambas em São Paulo.
Em continuação ao Cigala, em novembro de 2012 foi iniciado o projeto “Counterign GNSS high accuray applications limitations due to ionospheric disturbances in Brazil” (Calibra, na sigla em inglês).
Também financiado pela Comunidade Europeia e com a participação de pesquisadores de algumas das instituições que atuaram no Cigala, alguns dos objetivos do projeto, que deverá ser concluído no final de 2014, são melhorar e desenvolver novos algoritmos para mitigar os efeitos causados pelos distúrbios da ionosfera para posicionamento de GNSS de alta precisão.
O projeto também prevê a instalação de mais cinco estações de GNSS em diferentes estados brasileiros.
“Esses dois projetos, com o GNSS-SP, constituíram uma infraestrutura de monitoramento da ionosfera que está coletando dados desde 2011”, disse Bruno Vani, que realiza mestrado na Unesp de Presidente Prudente e participa dos três projetos.
Análise de dados
Segundo o pesquisador, até agora já foram coletados mais de 13 terabytes de dados e 7,5 bilhões de registros de monitoramento da ionosfera pelos três projetos.
A cada minuto, um receptor fornece mais de 60 parâmetros diferentes da ionosfera, gerados por um conjunto de satélites, como a variação do sinal nos últimos 60 segundos. Os dados das observações são apresentados em arquivos com colunas de informação que são disponibilizados em um portal na internet, em português e inglês.
Por meio de técnicas de visualização e relação de dados, utilizadas pela ferramenta, os usuários podem saber como está a situação da ionosfera em um determinado dia, por exemplo, e utilizá-la para realização de pesquisas em diversas áreas e para desenvolvimento de técnicas que possam mitigar os efeitos da ionosfera no posicionamento.
A base de dados permite aos pesquisadores avaliar os picos de cintilação ionosférica no intervalo de um dia ou de uma semana, por exemplo, e identificar qual o satélite mais afetado. Mas, apesar de estar em um estágio bastante avançado de desenvolvimento, ainda requer avanços.
“Como recebemos grandes volumes de dados, é importante que também tenhamos infraestrutura para analisá-los e para detectar comportamentos específicos da ionosfera”, ressaltou Vani.
“Nós temos dificuldades, por exemplo, de posicionar em períodos de disponibilidade de dados ameaçada, quando poucos satélites estão sendo rastreados e estão sobre forte incidência de cintilação. Pode ser que, nesse momento, não tenhamos capacidade de posicionamento”, disse.
Para solucionar esse problema, os pesquisadores participantes dos projetos Calibra e GNSS-SP estão desenvolvendo uma ferramenta de computação para exploração e análise de dados baseada em softwares livres.
O programa permitirá aos pesquisadores excluir um determinado satélite mais afetado pela cintilação ionosférica do rastreamento para possibilitar melhorar o posicionamento ou prever qual deles está mais suscetível aos distúrbios ionosféricos, por exemplo.
“A ionosfera é uma camada muito instável que sofre variações em diversas escalas do tempo – durante o dia, ao longo das estações do ano e dos ciclos solares, que ocorrem em períodos de 11 em 11 anos – e é difícil saber como estará daqui a um mês”, disse Marco Mendonça, outro mestrando participante do projeto. “O software para exploração e análise de dados vai nos ajudar a responder a essa questão”, afirmou.
Agência FAPESP
