RESULTADOS PRELIMINARES DAS VARIAÇÕES TEMPORAIS DAS COORDENADAS DA ESTAÇÃO GPS DE CANANÉIA
Mário Alexandre de Abreu1 e 2 – mario.abreu@ibge.gov.br
Edvaldo Simões da Fonseca Junior2 – edvaldoj@usp.br
Carlos Augusto de Sampaio França3 – cafranca@mar4.io.usp.br
Afrânio Rubens de Mesquita3 – ardmesqu@usp.br
RESUMO
O objetivo deste trabalho é apresentar os resultados obtidos no processamento de dados GPS oriundos da estação NEIA, pertencente à Rede Brasileira de Monitoramento Contínuo do Sistema GPS (RBMC), e analisar as variações sofridas por suas coordenadas ao longo do tempo, criando um histórico da estação. A estação está localizada na base “Dr. João Paiva de Carvalho” do Instituto Oceanográfico da Universidade de São Paulo (IO-USP), na cidade de Cananéia / SP e é mantida por um convênio entre o IO-USP e a EP-USP (Escola Politécnica da Universidade de São Paulo). Os dados utilizados foram coletados por receptor GPS geodésico de dupla freqüência e estão divididos em duas sessões de 12 horas de observação cada, com taxa de coleta de 15 segundos e estão no formato RINEX. A série analisada vai de janeiro de 2002 a abril de 2006, sendo utilizado para o processamento o programa Bernese V. 5.0. O método empregado para processar os dados foi o relativo, sendo utilizada como referência a estação PARA (Curitiba / PR), também pertencente à RBMC. Como as duas estações estão situadas na mesma placa litosférica, foi utilizado um arquivo de propagação de velocidades na estação de referência para detecção de movimentação na estação NEIA. Após o processamento, foi feita a diferença entre as coordenadas calculadas e as coordenadas fiduciais da estação NEIA, calculando-se a variação em latitude, longitude e altura geométrica da mesma. Através desta análise pode-se avaliar o deslocamento que a estação NEIA vem sofrendo ao longo do tempo em suas coordenadas devido à movimentação da Placa Sul-americana. Isso pode ser observado pelos resultados obtidos em latitude e longitude, que apresentaram, respectivamente, um deslocamento por volta de 1,25 cm / ano na direção Norte (N) e um deslocamento de 0,30 cm/ano na direção Oeste (O), sendo que o vetor resultante do deslocamento planimétrico da estação foi de 1,3 cm/ano na direção Noroeste (NO). Para a altura geométrica, o primeiro período apresentou média de 0,77 cm e desvio padrão de 0,90 cm e o segundo apresentou média e desvio padrão respectivamente de 0,87 cm e 0,98 cm. Não é possível afirmar pela série analisada se a estação vem sofrendo um acréscimo ou decréscimo em sua altura, sendo possível apenas detectar movimentação contrária entre os dois períodos analisados, podendo ter sido ocasionada por carga oceânica e/ou maré terrestre. Uma análise mais detalhada da componente vertical obtida por GPS, agregada a observações realizadas pelo marégrafo da estação, será de fundamental importância para o conhecimento da variação do nível do mar na região em estudo.
Palavras-chave: Análise temporal. Processamento de dados. GPS
ABSTRACT
The objective of this paper is present the results obtained in the data processing of NEIA GPS permanent station, which belongs to the Brazilian Network of Continuous Monitoring of GPS System (RBMC), and to analyze the variations suffered of a time series of the station coordinates. The station is located in the base “Dr. João Paiva de Carvalho” of the Oceanographical Institute of the University of São Paulo (IO-USP), in the city of Cananéia/State of São Paulo/Brazil, and is kept by an agreement between the IO-USP and the EP-USP (Polytechnical School of the University of São Paulo). The data, in RINEX format, was collected by a double frequency GPS (geodetic receiver), with 15 seconds rate of collection. The data was divided in two daily series of 12hs. The period analyzed was from January 2002 to April 2006. The data was processed with Bernese V.5.0 software, using differential method. In the processing was used the fiducial station PARA (Curitiba/Brazil), also belongs the RBMC. Because the two stations are in the same lithospherical plate was used a propagation model of planimetric speed to detect NEIA station coordinates variations. After the processing’s, it were made the difference between the calculated and the fiducial coordinates of NEIA station in the latitude, longitude and geodetic height. The displacement analysis at NEIA station, show variations of its coordinates caused, probably, by the South American Plate movement. This can be seen by the results obtained in latitude and longitude, respectively, by a displacement of 1.25 cm/year in the North (N) direction and a displacement of 0.30 cm/year in the West (W) direction, and the resulting vector from the planimetric displacement was of 1.3 cm/year in the Northwest (NW) direction. For the geometric height, the first period presented average of 0.77 cm and standard deviation of 0.90 cm, and the second period produced average and standard deviation respectively of 0.87 cm and 0.98 cm. It’s not possible to say through to the examined series if the station is suffering a increase or decrease in its height, and it is only possible to detect contrary movement between the two periods analyzed, and may have been caused by ocean load and/or tidal land. A more detailed analysis of the vertical component can be obtained if a comparison of GPS derived geodetic height and the sea level height from tide gauge station, could be done. This comparison will be fundamental for the knowledge of the variation of the sea level in the region of study.
Keywords: Temporal analisys. Data processing. GPS
1. INTRODUÇÃO
Nos tempos atuais (2007), quando se pensa em posicionamento com precisão, rapidez, simplicidade operacional e baixo custo, fala-se sempre em utilizar o sistema NAVSTAR-GPS (NAVSTAR – Global Positioning System). O termo NAVSTAR faz referência ao sistema como sendo a “estrela da navegação”.
O NAVSTAR GPS, ou simplesmente GPS, é um sistema de radionavegação concebido com a finalidade de ser o principal sistema de navegação das forças militares americanas. Em razão de sua alta exatidão e do grande desenvolvimento da tecnologia envolvida nos receptores GPS, surgiram usuários dos mais variados segmentos da comunidade civil: navegação, posicionamento geodésico, agricultura, etc, (MONICO, 2000).
O GPS permite que o usuário tenha à sua disposição, no mínimo, quatro satélites para serem observados, estando o observador localizado em qualquer ponto entre a superfície terrestre e a constelação de satélites do sistema (HOFMANN-WELLENHOF, 1997). Para os usuários da área de Geodésia, a tecnologia GPS traz um grande benefício em relação aos métodos de levantamento convencionais, ou seja, a não necessidade das estações serem intervisíveis, além de funcionar sob qualquer condição climática (GEMAEL, 2004).
O GPS tem agilizado todo o tipo de posicionamento sobre a superfície terrestre e, unindo seus dados com os de um marégrafo é possível realizar estudos sobre a influência de marés e carga oceânica, fator importante, principalmente em regiões costeiras.
1.1 Objetivos
O objetivo deste trabalho é apresentar os resultados obtidos no processamento de dados GPS oriundos da estação NEIA (Fig. 1 e 2), e analisar as variações sofridas por suas coordenadas ao longo do tempo, criando um histórico da mesma. Esta análise foi realizada com base nos resultados gerados pelo processamento dos dados GPS utilizando o programa científico Bernese V.5.0.
Figura 1: Foto do pilar da Estação GPS NEIA
Figura 2: Foto do receptor e do computador da Estação GPS NEIA
2. MATERIAIS E MÉTODOS
Os dados utilizados nesta pesquisa são da estação GPS ativa NEIA, integrante da RBMC, localizada na base “Dr. João Paiva de Carvalho” do Instituto Oceanográfico da USP, na cidade de Cananéia/SP.
A estação GPS NEIA é mantida por um convênio entre a Escola Politécnica da Universidade de São Paulo (EP-USP) e o Instituto Oceanográfico da Universidade de São Paulo (IO-USP) e tem seus dados disponibilizados através do sítio do IBGE (http://www.ibge.gov.br/), na área de Download, em Geociências, acessando a pasta RBMC/DADOS.
A estação está equipada com um receptor GPS da marca Trimble, modelo 4000SSi, que coleta observáveis das duas portadoras (L1 e L2) e possui uma antena Dorne Margolin equipada com Choke-Ring, modelo TRM29659.00.
Junto à estação existe um computador que é utilizado para o gerenciamento da mesma. Este computador utiliza o sistema operacional LINUX, e através de scripts adotados pela equipe do IO-USP, coleta os dados do receptor, gera os arquivos diários, armazena e também envia os referidos arquivos ao servidor principal.
Devido ao processamento dos dados desta pesquisa ser realizado no modo relativo (SEEBER, 2003), foi necessária a utilização de pelo menos uma estação de referência para o cálculo das coordenadas da estação NEIA. A referência escolhida para o processamento foi a estação PARA, situada em Curitiba/PR, devido à sua proximidade e integridade dos dados, além de pertencer à RBMC. Os dados utilizados da estação PARA, de 2002 a 2006, foram disponibilizados pela Coordenação de Geodésia do IBGE (CGED/IBGE).
Foram utilizados no processamento os dados coletados pela estação NEIA de janeiro de 2002 a abril de 2006. Os dados que originalmente continham 24 horas de observação foram divididos em duas sessões diárias de 12 horas de observação cada, sendo um arquivo de 0h UTC às 12:00hs UTC, e outro de 12:00hs UTC às 23:59hs UTC. A divisão dos arquivos foi realizada utilizando o programa TEQC - Translate, Edit, Quality Check (UNAVCO, 2006).
Todos os dados utilizados estão no formato RINEX (Receiver Independent Exchange Format) e possuem taxa de coleta de 15 segundos.
2.2) Programa de Processamento de Dados GPS Bernese V.5.0
O programa Bernese V.5.0, desenvolvido pelo Instituto Astronômico da Universidade de Bern na Suíça, é utilizado para processamento dos dados dos sistemas de navegação GPS e GLONASS, oferecendo resultados confiáveis. O programa consiste em vários módulos secundários para a realização do processamento.
O programa Bernese, em sua versão 5.0, utilizada nessa pesquisa, é apropriado para (HUGENTOBLER et al., 2006):
Processamento rápido de pequenos levantamentos GPS, tanto com a portadora L1 quanto com a portadora L2;
Processamento automático de redes de monitoramento contínuo;
Obtenção de soluções livres no ajustamento de redes (free network solutions);
Resolução de ambigüidades de linhas de base longas (2000 km ou maiores) utilizando órbitas precisas;
Modelagem da troposfera e da ionosfera;
Estimativa de erro dos relógios;
Combinação de diferentes tipos de receptores;
Processamento combinado de observáveis GPS e GLONASS;
Determinação de órbitas e estimação dos parâmetros de rotação da Terra.
Em contrapartida, deve-se dizer que, por haver uma grande quantidade de opções, este programa não é de fácil aprendizado.
As rotinas do Bernese são abertas, havendo a possibilidade de implementá-las conforme a necessidade do usuário.
Pode-se citar como usuários típicos desse programa (HUGENTOBLER et al., 2006):
Pesquisadores envolvidos com aplicações científicas (pesquisa e educação);
Agências de mapeamento responsáveis por levantamentos;
Agências responsáveis por redes GPS permanentes;
Empresas especializadas em aplicações complexas e que necessitem de confiabilidade e grande produtividade.
3. RESULTADOS E DISCUSSÃO
Após o processamento, foi feita a diferença entre as coordenadas calculadas e as coordenadas fiduciais da estação NEIA, calculando-se a variação em latitude, longitude e altura geométrica da mesma. As diferenças podem ser observadas nas figuras 3, 4 e 5 e, os deslocamentos anuais calculados, podem ser vistos no Quadro 1.
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Direção |
Tendência anual (cm) |
Diferenças entre os períodos (cm) |
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1o período |
2o período |
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Latitude |
1,26 ± 0,25 |
1,25 ± 0,26 |
0,01 |
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Longitude |
-0,28 ± 0,24 |
-0,28 ± 0,27 |
0,00 |
|
Altura Geométrica |
-0,03 ± 0,80 |
0,03 ± 0,73 |
-0,06 |
Quadro 1: Deslocamentos anuais calculados
Figura 3: Gráfico das diferenças diárias em latitude
Figura 4: Gráfico das diferenças diárias em longitude
Figura 5: Gráfico das diferenças diárias em altura geométrica
Através desta análise pode-se avaliar o deslocamento que a estação NEIA vem sofrendo ao longo do tempo em suas coordenadas devido à movimentação da Placa Sul-americana. Isso pode ser observado pelos resultados obtidos em latitude (Fig. 3) e longitude (Fig. 4), que apresentaram, respectivamente, um deslocamento por volta de 1,25 cm / ano na direção Norte (N) e um deslocamento de 0,28 cm/ano na direção Oeste (O), sendo que o vetor resultante do deslocamento planimétrico (Fig. 6) da estação foi de 1,3 cm/ano na direção Noroeste (NO).
Figura 6: Vetor resultante do deslocamento planimétrico.
Para a altura geométrica (Fig. 5), o primeiro período apresentou média de 0,77 cm e desvio padrão de 0,90 cm e o segundo apresentou média e desvio padrão respectivamente de 0,87 cm e 0,98 cm. Foi possível detectar movimentação contrária entre os dois períodos analisados (Fig. 5), podendo ter sido ocasionada por carga oceânica e / ou maré terrestre. Pode-se notar pela linha de tendência (em laranja, na figura 5), que apesar dela estar deslocada da origem em aproximadamente 0,8 cm, não é possível afirmar pela série analisada se a estação vem sofrendo um acréscimo ou decréscimo em sua altura.
4. CONCLUSÃO
Uma série mais longa demonstraria se a estação está sofrendo um acréscimo ou decréscimo em sua altura. Para afirmar-se com certeza os as causas dos movimentos detectados na fig 5, uma solução seria reduzir o tempo de processamento de 12hs para 3hs, pois ao invés de duas, seriam produzidas oito sessões diárias de processamento e, possivelmente, os movimentos apareceriam mais claramente. Outra solução seria utilizar os dados gerados pelo marégrafo, situado próximo ao receptor, e cruzar as informações de ambos.
5. AGRADECIMENTOS
A CAPES pela concessão de bolsa ao primeiro autor pelo período de 1 ano para o desenvolvimento desta pesquisa. À FAPESP (Proc. 03/0458-8) por fornecer recursos ao último autor para o financiamento deste projeto.
6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
GEMAEL, C.; ANDRADE, J. B., 2004. Geodésia celeste. Curitiba; UFPR (Ed), 389p.
HOFMANN-WELLENHOF, B.; LICHTENEGGER, H.; COLLINS, J., c1997. Global positioning system: theory and practice. Wien; New York: Springer-Verlag, 4th rev. ed., 389p.
HUGENTOBLER, U. (Ed.) et al., 2006. Bernese GPS software, version 5.0. University of Bern; Switzerland: Astronomical Institute, 548 p.
MONICO, J. F. G., c2000. Posicionamento pelo NAVSTAR-GPS: descrição, fundamentos e aplicações. São Paulo; UNESP (Ed), 287 p.
SEEBER, G., 2003. Satellite geodesy: foundations, methods and applications. Berlin; New York: Walter de Gruyter 2nd ed., 588 p.
UNAVCO. Disponível em: <http://facility.unavco.org/software/teqc/teqc.html>. Acesso em: 15 out. 2006.
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