Módulo 4 - Noções básicas de GPS VI

4.7 Erros relacionados ao satélite

4.7.1 Erros orbitais

Informações orbitais podem ser obtidas a partir das efemérides transmitidas pelos satélites ou das pós-processadas, denominadas efemérides precisas. As coordenadas dos satélites calculadas a partir das efemérides são, normalmente, consideradas como fixas durante o processo de ajustamento dos dados GPS. Assim sendo, qualquer erro nas coordenadas do satélite se propagará para a posição do usuário.

4.7.2 Erros no Relógio do Satélite
Embora altamente acurados, os relógios atômicos à bordo dos satélites não acompanham o sistema de tempo GPS. A diferença chega a ser, no máximo, de 1 milisegundo. Os relógios são monitorados pelo segmento de controle.

4.7.3 Relatividade
Os efeitos da relatividade no GPS não são restritos somente aos satélites (órbitas e relógios), mas também a propagação do sinal e aos relógios dos receptores. O relógio do satélite, além dos erros já mencionados, variam devido a relatividade geral e especial. Os relógios nas estações de monitoramento e de bordo estão situados em locais com potenciais gravitacionais diferentes, além de mover-se com velocidades diferentes. Isto provoca uma aparente alteração na freqüência dos relógios de bordo com relação aos terrestres.

4.7.4 Atraso de Grupo
Este erro é decorrente do retardo dos sinais quando passam através do hardware do satélite, afetando o tempo de propagação do sinal. No entanto, a calibração durante a fase de testes dos satélites permite determinar a magnitude do atraso e introduzi-la como parte dos coeficientes do polinômio do relógio.

4.8 Erros relacionados com a Propagação do Sinal

Os sinais provenientes dos satélites atravessam a atmosfera onde sofrem refração, resultando numa trajetória curva associada a um atraso na chegada do sinal. A trajetória curva se deve ao fato do sinal passar através de vários níveis de densidade variáveis. O retardo do sinal é uma conseqüência da diferença entre a velocidade do sinal na atmosfera e no vácuo.

4.8.1 Refração Troposférica
O meio onde ocorre a propagação consiste essencialmente da troposfera e da ionosfera. A troposfera se estende da superfície terrestre até aproximadamente 50 km e comporta-se como um meio não dispersivo, isto é, a refração é independente da freqüência do sinal.
O efeito da troposfera podem variar de poucos metros até aproximadamente 100m, dependendo da densidade da atmosfera e do ângulo de elevação do satélite. A refração troposférica é muito sensível à quantidade de vapor d'água presente, razão pela qual costuma-se dividi-la em duas componentes : uma seca e outra úmida.

4.8.2 Refração Ionosférica
A ionosfera, ao contrário da troposfera, é um meio dispersivo. Isto significa que a refração ionosférica depende da freqüência do sinal. A dependência da freqüência torna possível eliminar os efeitos de primeira ordem quando se coleta os dados com um receptor de dupla freqüência. Para receptores de freqüência simples, a ionosfera é a maior fonte de erro. No posicionamento relativo, sobre distâncias curtas (10 a 20 km), a maioria dos erros é eliminada. No entanto, receptores de freqüência simples são normalmente usados sobre linhas de bases maiores que as consideradas adequadas para eliminar grande parte dos efeitos da ionosfera.

4.8.3 Sinais refletidos
O receptor pode, em alguma circunstância, receber além do sinal que chega diretamente a antena, sinais refletidos em superfícies vizinhas à mesma. Tal circunstância depende da relatividade do meio onde se posiciona a antena, características da antena e de técnicas utilizadas para impedir sinais refletidos. As condições um tanto arbitrária envolvendo o levantamento torna a modelagem destes efeitos um tanto difícil, muito embora algumas combinações de observáveis permitam avaliar o nível de sinais refletidos. Estes efeitos são normalmente considerados como erros aleatórios, embora em alguns casos, pode-se comportar como efeitos sistemáticos. Desta forma, a recomendação mais efetiva é evitar levantamentos em locais propícios a estes efeitos.

4.8.4 Perdas de Ciclos
As medidas de fase são, normalmente, contínuas com respeito ao período de uma sessão de observação. Quando há uma não continuidade na medida da fase diz-se que ocorreu perda de ciclos. Isto pode ser devido a bloqueio do sinal, aceleração da antena, variações bruscas na atmosfera, interferências de outras fontes de rádio e problemas com o receptor e software. Quando ocorre perda de ciclos, é de se esperar que a parte fracional permanece correta; somente o número inteiros de ciclos sofre um salto. É necessário, e na maioria das vezes é possível, corrigir a fase da portadora do número inteiros de ciclos provocando a descontinuidade.

4.8.5 Rotação da Terra
Durante a propagação do sinal, o sistema de coordenadas rotaciona com relação ao satélite, alterando suas coordenadas. As coordenadas originais do satélite devem ser rotacionadas sobre o eixo Z de um ângulo θ, definido como o produto do tempo de propagação pela velocidade de rotação da Terra .

4.9 Erros Relacionados com o Receptor e Antena
Os erros relacionados com o receptor e antena são aqueles devido ao hardware do receptor e design da antena.

4.9.1 Erro do relógio
Os receptores GPS são normalmente equipados com osciladores de quartzo, os quais possuem boa estabilidade interna e são de custos relativamente baixo. Cada receptor possui a sua própria escala de tempo, definido pelo oscilador interno, a qual difere da escala de tempo GPS. Alguns receptores possuem osciladores altamente estáveis, podendo aceitar padrões de tempo externo. No entanto, são receptores de custo elevado, normalmente utilizados em redes de alta precisão.

4.9.2 Erros entre Canais
Quando um receptor possui mais que um canal de rastreio, pode ocorrer erro (sistemático) entre os canais. Atualmente, a maioria do receptores geodésicos possuem canais múltiplos, com cada um dos canais registrando os dados de um satélite particular, sujeito portanto ao tipo de erro aqui discutido. Para corrigi-lo, o receptor realiza uma calibração no início de cada levantamento. Para tal, cada canal rastreia simultaneamente um satélite em particular e determina os erros em relação a um canal tomado como padrão. Todos as medidas subseqüentes são corrigidas deste efeito.

4.9.3 Centro da Fase da Antena
O centro elétrico da antena é um ponto no qual as medidas dos sinais são referenciadas e geralmente não coincide com o centro físico da antena. A discrepância varia com a intensidade e direção dos sinais e é diferente para a portadora L1 e L2. Para levantamentos de alta precisão, todas as antenas envolvidas no projeto devem ser calibradas, visando corrigir as observações. Antenas de mesmo fabricante e modelos iguais não devem apresentar maiores problemas. No entanto, recomenda-se que a orientação de todas as antenas envolvidas num projeto esteja na mesma direção.

4.10 Erros Relacionados com a Estação
Além de erros nas coordenadas da estação, no caso de fixar as coordenadas da estação base, outros erros resultantes de fenômenos geofísicos podem causar variações nas coordenadas das estações envolvidas no levantamento durante o período de coleta das observações. Entre eles estão incluídos os efeitos de marés terrestres, carga dos oceanos e carga da atmosfera.

4.10.1 Coordenadas da Estação
Posicionamento GPS, no modo relativo, proporciona diferenças de coordenadas tridimensionais (X, Y e Z) de alta precisão. As diferenças de coordenadas não contém informações sobre o sistema de referência (datum), as quais são indispensáveis em qualquer tipo de levantamento. Para tal, pelo menos um ponto deve ser mantido fixo. Qualquer erro em suas coordenadas irá ser propagado para as coordenadas dos pontos determinados a partir dele. Um outro tipo de problema, que quase sempre passa despercebido, é que um erro na posição do ponto fixo, também afetará as componentes relativas, não especialmente as coordenadas cartesinas, mas sim a geodésicas. A obtenção de cada uma destas componentes é função das coordenadas supostas erradas. Têm sido mostrado que um erro de 5 m nas coordenadas de uma estação base pode produzir erros de 1,0, 0,9 e 0,8 ppm nas diferenças de coordenadas geodésicas. Isto mostra a importância de se ter coordenadas das estações bases compatíveis com a do WGS-84. Não é o que acontece no Brasil no momento, haja vista que os parâmetros de transformação entre o SAD-69 e WGS-84 foi estimado para a estação Chuá, origem do SAD-69, e são aplicados para todo o Brasil. Deformações da ordem de 20 m podem ser esperada, o que certamente deteriorará a alta acuracidade proporcionada pelo GPS.

4.10.2 Marés Terrestre
A deformação da Terra devido as forças das marés (sol e lua) é denominada marés terrestres. Próximo ao equador, a superfície desloca-se por volta de 40 cm durante um período de 6 horas. A variação é função da posição do sol e da lua, sendo que os períodos principais destas variações são às 12 e 24 horas. Tal variação é função do tempo, mas também depende da posição da estação. O efeito é similar para estações adjacentes e é provável que a maioria deles seja cancelado no processo diferencial. Para redes com linhas base longas, tais efeitos devem ser modelados.

4.10.3 Movimento do Polo
A variação das coordenadas das estações causadas pelo movimento do polo deve também ser considerada. Tal variação atinge até 25 mm (componente radial) e não se cancela sobre qualquer duração da sessão. No entanto, no posicionamento relativo é praticamente eliminada.

4.10.4 Carga dos Oceanos
O peso que o oceano exerce sobre a superfície terrestre produz cargas periódicas na superfície terrestre resultando em deslocamento A magnitude do deslocamento depende do alinhamento do sol, lua e posição do observador, podendo alcançar cerca de 10 cm na componente vertical em alguma parte do globo. Em regiões afastada da costa, este valor decresce, mas ainda podem alcançar cerca de 1 cm para distâncias (oceano-estação) de 1000 km. Considerando a precisão preconizada pelo GPS, tais efeitos devem ser levados em consideração quando se objetiva levantamento de alta precisão. Para a maioria das aplicações, tal efeito pode ser desprezado, tal como é, sem maiores problemas.

4.10.5 Carga da Atmosfera
A carga da atmosfera exerce força sobre a superfície terrestre. Variações da distribuição da massa atmosférica, a qual pode ser inferida a partir da medida de pressão da atmosfera, induz deformações sobre a crosta, principalmente na direção vertical. As maiores deformações estão associadas com tempestades na atmosfera, podendo alcançar 10 mm. A maioria dos programas para processamento de dados GPS ainda não apresenta modelos para correções desta natureza. Não se trata de um efeito com o qual o usuário deva se preocupar, mas vale a pena ter conhecimento sobre ele e saber que o GPS é sensível ao mesmo.