AVALIAÇÃO DA ACURÁCIA POSICIONAL DO IBGE-PPP PARA DIFERENTES TEMPOS DE RASTREIO E SOLUÇÃO, Manuais, Projetos, Pesquisas de Geodésia e Cartografia

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ASSOCIAÇÃO UNIFICADA PIRASSUNUNGUENSE

DE ENSINO SUPERIOR

FACULDADE DE ENGENHARIA DE AGRIMENSURA DE

PIRASSUNUNGA

AVALIAÇÃO DA ACURÁCIA POSICIONAL DO IBGE-PPP PARA

DIFERENTES TEMPOS DE RASTREIO E SOLUÇÃO

CAROLINE MARIA DA FONSECA LIMA

PIRASSUNUNGA-SP

ASSOCIAÇÃO UNIFICADA PIRASSUNUNGUENSE

DE ENSINO SUPERIOR

FACULDADE DE ENGENHARIA DE AGRIMENSURA DE

PIRASSUNUNGA

AVALIAÇÃO DA ACURÁCIA POSICIONAL DO IBGE-PPP PARA

DIFERENTES TEMPOS DE RASTREIO E SOLUÇÃO

CAROLINE MARIA DA FONSECA LIMA

Monografia apresentada como exigência parcial para obtenção do título de especialista em Georreferenciamento de Imóveis Rurais, sob orientação do Prof. Dr. Antonio Luiz Ferrari e do Prof. Dr. Antônio Moacir Rodrigues Nogueira.

PIRASSUNUNGA-SP

ABSTRACT

Several services of GNSS data processing (Global Navigation Satellite System) are currently available online. Among them it is possible to highlight IBGE-PPP service, which processes data based on the method of Precise Point Positioning (PPP). The main goal in this work is to evaluate the obtained positional accuracy with the positioning online service IBGE-PPP with different screening time, comparing results from ultra-rapid, rapid and final solutions. In this work there are data from 5 stations (PPTE, ROSA, SPAR, SPBO and SPLI) of RBMC (Brazilian Network of Continuous Monitoring of GNSS Systems), since October 24th, 2017. The analyzed screening intervals were of 1, 2, 4, 6 and 8 hours, processed with IBGE-PPP with ultra-rapid, rapid and final solutions. Result analysis was done from a comparison of estimated coordinates with reference coordinates, both referred to SIRGAS 2000. In this way it was possible to calculate its precision, discrepancy and accuracy. According to the results obtained in planimetry, it was possible to notice that for 1 and 2 hours of screening the final solution was more accurate, for 4 hours of screening the amplitude between the accuracy of solutions diminishes, in this way, the most determinant factor to result accuracy improvement is believed to be the increase in screening time. By altimetry the final solution presented itself to be the most accurate in the most of times, but for screening intervals with more than 4 hours the amplitude between the accuracy of solutions decreases.

KEY-WORDS: GNSS, IGS, IBGE-PPP

LISTA DE FIGURAS

1 - INTRODUÇÃO

Quando se pensa em posicionamento com precisão, praticidade, rapidez, simplicidade e baixo custo operacional, remete-se aos Sistemas de Navegação Global por Satélites (GNSS). Atualmente, dois sistemas GNSS estão operacionais: o sistema americano denominado GPS ( Global Positioning System ) e o sistema russo GLONASS ( Global Orbiting Navigation Satellite System ). Ambos foram desenvolvidos para fins militares, mas suas funcionalidades foram parcialmente estendidas também para uso civil (VAZ; PISSARDINI; FONSECA JUNIOR, 2013). Também há outros sistemas GNSS em desenvolvimento, onde se incluem o sistema da Comunidade Europeia, denominado GALILEO, desenvolvido pela comunidade civil, e o sistema chinês BEIDOU, de uso civil e militar, ambos previstos para estarem operacionais até o ano de 2020 (ECONOMIST, 2012; EUROPEAN REPORT, 2012). A tecnologia GNSS traz um grande benefício em relação aos métodos convencionais de posicionamento topográfico, ou seja, a não necessidade das estações serem intervisíveis, além de funcionar sob qualquer condição climática. Dois métodos de posicionamento com GNSS se destacam: o posicionamento relativo e o posicionamento por ponto, também conhecido como posicionamento absoluto. O posicionamento relativo, consagrado e tradicionalmente o mais utilizado em levantamentos de precisão, permite o transporte de coordenadas a partir de uma ou mais bases com coordenadas conhecidas. Para realizar esse tipo de posicionamento, no mínimo dois receptores devem rastrear dados simultaneamente, possibilitando que as observações sejam combinadas, minimizando ou até mesmo eliminando erros. No posicionamento por ponto, a determinação da coordenada é feita de forma absoluta, ou seja, utilizando apenas as observáveis de um receptor. Monico (2000), subdivide o posicionamento por ponto quanto à precisão que pode ser obtida. O posicionamento por ponto convencional é aquele obtido usando apenas pseudodistância, é muito utilizado em navegação de baixa precisão. No

Posicionamento por Ponto Preciso (PPP), além da pseudodistância, são empregadas as observáveis da fase da onda portadora L1 ou L1/L2. Este tem como ponto central a não utilização das efemérides transmitidas, substituídas pelas efemérides e correções para o relógio dos satélites produzidas pelo IGS ( Internacional GNSS service). Além disso, modelos de correção de erros podem ser empregados. Para realizar o PPP, tem-se empregados os serviços de posicionamento online. Vários serviços online de processamento de dados GPS ( Global Positioning System ) têm sido desenvolvidos e disponibilizados gratuitamente por diferentes organizações (GHODDOUSI-FARD; DARE, 2006; OCALAN, ERGAN; TUNALIOGLU, 2013). Dentre esses serviços há os que permitem a realização do Posicionamento por Ponto Preciso (PPP). As ferramentas gratuitas mais utilizadas que permitem realizar o PPP são: CSRS-PPP ( Canadian Spatial Reference System

- Precise Point Positioning ), o IBGE-PPP (Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística – Posicionamento por Ponto Preciso), o GAPS ( GPS Analysis and Positioning Software ) e o APPS ( Automatic Precise Positioning Service ).

3 - JUSTIFICATIVA

Quando não existem bases próximas, até 100 km, do ponto cujas coordenadas se deseja determinar, ou se dispõe de apenas um receptor GNSS, o processamento pelo serviço de posicionamento online IBGE-PPP é uma alternativa para a obtenção das coordenadas. Esse serviço, desponta-se como uma importante ferramenta para a geodésia devido à praticidade e bons resultados apresentados. Nesse sentido, faz-se necessário pesquisar o desempenho em termos de precisão e acurácia do IBGE-PPP.

4 - REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

4.1-GNSS

A evolução da tecnologia na era espacial proporcionou o desenvolvimento de sistemas de posicionamento por satélites, conhecidos como GNSS. Esses sistemas têm como princípio de funcionamento a determinação da distância entre uma fonte transmissora e uma receptora. As distâncias são computadas a partir do tempo de propagação dos sinais GNSS. O termo GNSS surgiu pela primeira vez em 1991, durante a décima (10ª) Conferência de Navegação Aérea ( Air Navigation Conference ), quando a Organização Internacional de Aviação Civil (ICAO) reconheceu a importância de um sistema global de navegação para o século 21. Essa terminologia é utilizada para os sistemas GPS (americano) e o GLONASS (russo) que já estão em operação há vários anos, ou ainda para os sistemas GALILEO (europeu) e BEIDOU (chinês), que estão prestes a entrar em operação nos próximos anos. O GNSS tem sido dividido em duas fases (SEEBER, 2003). A primeira, intitulada GNSS-1, baseia-se nos sistemas GPS e GLONAS. Já a segunda fase, denominada GNSS-2, engloba a segunda geração dos sistemas de navegação por satélite, incluindo o bloco IIF do GPS e o sistema GALILEO.

4.2-Sistemas geodésicos de referência

Um Sistema Geodésico de Referência (SGR) é definido com base num conjunto de parâmetros e convenções, junto a um elipsóide ajustado às dimensões da Terra e devidamente orientado, constituindo um referencial adequado para a atribuição de coordenadas a pontos sobre a superfície física. Estes, por sua vez, estão associados a uma superfície que mais se aproxima da forma da Terra, e sobre

Segundo Monico (2007), o IGS produz três tipos de efemérides e correções para o relógio do satélite:  IGS ou final, que resulta das combinações das órbitas produzidas pelo centro de análises do IGS e fica disponível com a latência da ordem de 13 dias, apresentando acurácia melhor que 5 cm e posição e 0,1 ns para as correções dos relógios dos satélites;  IGR ou rápida, resultante da combinação das órbitas rápidas produzidas pelo centro de análises ficando disponível com uma latência de 17 horas, e com nível de qualidade similar ao das efemérides IGS; e  IGU ou ultrarrápida, composta de uma parte determinada com base em dados (observada) e outra predita. Enquanto a primeira apresenta latência de 3 horas, a segunda fica disponível em tempo real. A acurácia da primeira parte da ultrarrápida é da ordem de 5 cm em posição e 0,2 ns nas correções dos relógios. Já a parte predita tem acurácia imposição da ordem de 10 cm e de 5 ns nas correções dos relógios. O IBGE-PPP é um serviço online gratuito para o pós-processamento de dados GNSS (GPS e GLONASS) que faz uso do programa CSRS-PPP ( Canadian Spatial Reference System – Precise Point Positioning ), desenvolvido pelo Geodetic Survey Division of Natural Resources of Canada (NRCan). Ele permite que os usuários com receptores GPS e/ou GLONASS obtenham coordenadas de boa precisão no Sistema de Referência Geocêntrico para as Américas (SIRGAS 2000) e no International Terrestrial Reference Frame (ITRF) (IBGE, 2013). Salienta-se que atualmente o IBGE-PPP fornece as coordenadas referenciadas no IGS14 (ITRF, 2014), na época de coleta de dados. Para a utilização desde serviço, basta informar uma conta com e-mail. É possível processar dados que foram coletados por receptores de uma ou duas frequências no modo estático ou cinemático. Acessando o site http://www.ppp.ibge.gov.br/ppp.htm, o usuário deve informar o arquivo RINEX ( Receiver Independent Exchange Format) a ser processado, e um e-mail válido. Após o processamento, é disponibilizado um link para download dos resultados. Além das efemérides precisas e estimativas do erro do relógio do satélite, o IBGE- PPP também estima a ondulação geoidal por meio do modelo MAPGEO 2015, faz a

correção do centro de fase da antena, correção de cargas oceânicas, correção do erro de troposfera, ionosfera etc.

Figura 1 – Estações Selecionadas. Fonte: Autor.

Na edição dos arquivos no formato RINEX, foi utilizado o software livre TEQC ( Translate Edit Quality Check ) desenvolvido pela UNAVCO Consortium. O TEQC foi utilizado para fragmentação de arquivos em diferentes intervalos de rastreio. No processamento PPP, foi utilizado o aplicativo de processamento gratuito online IBGE-PPP, disponível no sitio do IBGE. O software Excel, do pacote Microsoft Office , foi utilizado para determinação das discrepâncias, acurácias e para geração dos gráficos que compõem os resultados.

5.2-Métodos

Os procedimentos metodológicos são ilustrados pela Figura 2.

Para obter os dados RINEX, realizou-se o download dos dados de rastreio dos receptores GNSS da RBMC. Foram utilizados os dados do dia 24 de outubro de 2017, das estações mostradas na Figura 1.

Estações RBMC: PPTE, ROSA, SPAR, SPBO, SPLI

Aquisição de dados GNSS Observações: Pseudodistância e fase da onda portadora L1 e L

Aquisição dos Relatório das estações

Cortes das observações no TEQC, 1h, 2h, 4h, 6h e 8h

Coordenadas de Referencia (ϕ, λ, h) em SIRGAS 2000

Processamento IBGE-PPP

Coordenadas IBGE PPP (ϕ, λ, h) em SIRGAS 2000

Cálculo das discrepâncias e precisão (sigma)

Acurácia planimétrica e Altimetria do IBGE- PPP Figura 2 - Fluxograma das atividades desenvolvidas. Fonte: Autor.

N = raio de curvatura da seção primeira vertical; e Dp = discrepância planimétrica

A precisão ou sigmas das coordenadas obtidas pelo IBGE-PPP foi fornecida nos relatórios de processamento, em metros. A precisão planimétrica foi calculada de acordo com a expressão 5:

σp(m)=√σφ(m)^2 +σλ(m)^2 (5)

Onde, σφ = precisão da latitude; σλ = precisão da longitude. Assim é possível calcular a acurácia planimétrica e altimétrica usando as expressões 6 e 7 (MIKHAIL & ACKERMAN, 1976):

ACP(m)=√Dp(m)^2 +σp(m)^2 (6)

ACAlt(m)=√∆h(m)^2 +σh(m)^2 (7)

Onde, ACp = acurácia planimétrica; ACAlt = acurácia altimétrica; σh = Precisão da altitude elipsoidal.

6 - RESULTADOS

Para cada estação, há dois gráficos – Acurácia Planimétrica e Acurácia Altimétrica. As discrepâncias da latitude, longitude e altimétricas, e os sigmas da latitude, da longitude e da altitude utilizados no cálculo da acurácia estão contidas no Apêndice 1 e Apêndice 2.

6.1-Estação PPTE

A seguir são apresentadas as figuras que mostram a acurácia planimétrica (Figura 3) e a acurácia altimétrica (Figura 4) da estação PPTE em diferentes tempos de rastreio e tipo de solução do IBGE-PPP.

Figura 3 – Acurácia Planimétrica – PPTE. Fonte: Autor.

Analisando a Figura 3 observa-se que para pequenos tempos de rastreio ( hora e 2 horas), a utilização da solução final proporcionou uma maior acurácia, a partir de 4 horas a utilização da solução final tende a perder importância, sendo que

01:00:00 02:00:00 04:00:00 06:00:00 08:00: Ultrarrápida 0.033 0.025 0.021 0.014 0. Rápida 0.031 0.021 0.022 0.019 0. Final 0.028 0.018 0.019 0.016 0.

Acurácia Planimétrica - PPTE