Saiba o que está sendo desenvolvido para que, cada vez mais, mais gente possa usar melhor o posicionamento por satélite.
Ao se falar em posicionamento por satélite, inevitavelmente vem à mente o GPS, não obstante existir outras possibilidades, dentre elas o SLR (Satellite Laser Range), DORIS (Doppler Orbitography and Radiolocation Integrated by Satellite), GLONASS (Global Navigation Satellite System). Isso se deve ao fato de que, até o momento, nenhum outro sistema tornou-se tão eficiente na execução das atividades de posicionamento quanto o GPS. Pode-se dizer que esse sistema revolucionou todas as atividades que necessitam de posicionamento, fazendo com que algumas concepções antigas pudessem ser colocadas em prática. Um exemplo claro disto é o que vem ocorrendo com o desenvolvimento da agricultura de precisão, um conceito estabelecido por volta de 1929, que só recentemente está sendo colocado em prática, graças à integração de Geotecnologias, dentre elas o GPS.
Não obstante sua alta performance, o GPS apresenta certas limitações, impedindo sua utilização em algumas atividades, especialmente aquelas que exigem, em tempo real, alto grau de confiabilidade, acuracidade, integridade e disponibilidade. Um exemplo é a aviação civil. Para sistemas de navegação, com aplicações de uso civil, essas limitações estão associadas ao SA (Selective Availability), ou AS (Anti-Spoofing) – lembramos que o SA foi desativado à meia-noite de 1º de maio, melhorando a precisão do receptor GPS em dez vezes. Aguarde mais informações nas próximas edições – e à falta de informações sobre a integridade e disponibilidade do sistema. Os termos AS e SA já são familiares para os usuários do GPS. Integridade diz respeito à capacidade do sistema alertar os usuários, dentro de intervalo de tempo preestabelecido, de quando o sistema não deve ser usado. Disponibilidade diz respeito à porcentagem de tempo que o serviço é disponível. No caso da aviação civil, deve-se atingir quase 100%. Uma outra limitação diz respeito às questões de responsabilidade em caso de acidente. A Tabela 1 mostra as prescrições, em termo de acuracidade, para os procedimentos de aproximação e pouso na aviação civil.
Tabela 1 – Requisitos em termos de acuracidade para a realização de pousos na aviação civil.
Para as aplicações críticas, requerendo posição em tempo real, mesmo a integração GPS/GLONASS não atende aos requisitos de acuracidade da Tabela 1. Face ao exposto, a ampliação do GPS e GLONASS, bem como a modernização do GPS passaram a se assunto de constante discussão. E vale ressaltar que o GLONASS encontra-se numa situação crítica, pois somente 10 satélites, de um total de 24, encontram-se operacionais. A maioria dos satélites já excedeu seu período de operacionalidade. Sem novos lançamentos, o GLONASS ficará não operacional. Por outro lado, a modernização do GPS esbarra na aprovação de recursos financeiros por parte do Congresso americano. Ao mesmo tempo, a Agencia Espacial Européia, composta por 14 nações, propõe um sistema global de navegação por satélite, denominado Galileo, o qual está programado para entrar em operação em 2008. As soluções citadas acima se inserem dentro do conceito de GNSS (Global Navigation Satellite System).
GNSS
O desenvolvimento do GNSS abrange duas gerações distintas:
a primeira geração, denominada GNSS-1, que consiste da ampliação do GPS e GLONASS;
a segunda geração, denominada GNSS-2, que deverá ao final desenvolver-se em um sistema completamente novo, com controle civil internacional, atendendo a todos os requisitos necessários ao uso civil.
GNSS-1
A primeira geração de GNSS abrange duas componentes principais: os SBASs (Satellite Based Augmentation System) e os GBASs (Ground Based Augmentation System).
SBASs. Os SBASs são sistemas regionais ampliados com respeito ao GPS, composto de satélites geoestacionários (GEOs), para cobrir a área operacional, e do segmento de controle, para dar suporte à aviação durante todas as fases de vôo, incluindo Categoria I. Três tipos de serviços são oferecidos:
medidas de distâncias para os satélites GEOs, o que melhora a disponibilidade e continuidade do serviço;
determinação e transmissão de informações sobre a integridade dos satélites GPS (e mesmo GLONASS) e GEOs e
determinação e transmissão de correções WAD (Wide Area Differential) para os satélites GPS (e GLONASS) e GEOs, o que melhora a acuracidade do serviço.
Os sinais transmitidos pelos satélites GEOs são iguais aos que compõe o GPS na portadora L1. Isso permite realizar medidas de distâncias similares às do GPS. As informações de integridade e correções diferenciais são moduladas nessa portadora dos satélites GEOs. Atualmente, três SBASs estão sendo desenvolvidos: o WAAS nos Estados Unidos da América, o EGNOS na Europa e o MSAS (Japonese Multi-function Trasnportation Satellite Augmentation System). Já se encontra no mercado receptores compatíveis com o WAAS e EGNOS.
GBASs. Os GBASs referem-se à segunda componente do GNSS-1, mas também farão parte do GNSS-2. Eles serão instalados próximos aos aeroportos, visando dar suporte aos processos de pouso e decolagem, incluindo a Categoria III. Um GBAS será composto de pelo menos uma estação de referência, uma ou mais estações monitoras, e vários transmissores que são denominados de pseudo-satélites (pseudolites), os quais transmitem sinais iguais aos do GPS. Para alcançar as demandas da Categoria III (ver Tabela 1), técnicas de posicionamento relativo utilizando a fase da onda portadora deverão ser adotadas.
A FAA (Federal Aviation Administration) está implementando o LAAS (Local Area Augmentation System), que se trata de uma outra denominação para o GBASs, o qual deverá estar disponível por volta de 2003. Planeja-se adquirir 143 sistemas para os maiores aeroportos americanos. Em termos militares, nos Estados Unidos da América tem-se o JPALS (Joint Precision Approach Landing System), também similar ao LAAS/GBASs. Planeja-se instalar o sistema em aproximadamente 15000 aviões, sendo que a produção deve iniciar em 2004, com 10 anos para implementação. A empresa Raytheon System foi contratada para desenvolver o sistema a um custo inicial de U$ 5.8 milhões.
GNSS-2
O GNSS-2 é similar ao GNSS-1 e deverá ser constituído por vários componentes. Abrange, essencialmente, a modernização do GPS e o futuro sistema europeu, o Galileo. A modernização do GPS deve ocorrer no Segmento de Controle e Segmento Espacial, em especial na Estrutura do Sinal.
Segmento de controle. As seguintes melhorias ocorreram ou deverão ocorrer neste segmento:
Eliminação da S/A por volta de 2006 e inserção da S/D (Selective Denial);
O controle do GPS passará a ter também a componente civil; via DoT (Department of Transport);
Foi anunciada a AII (Accuracy Improvement Initiative), que integrará até 14 estações monitoras do NIMA (US National Imagery Mapping Agency), o que resultará em melhorias na qualidade da órbita e correções dos relógios dos satélites;
Navegação Autônoma (AutoNav) para os satélites dos Blocos IIR e IIF.
No que concerne a S/D, ainda não está claro como isso será posto em prática, mas investigações já estão sendo realizadas. Com o AutoNav em funcionamento, a constelação GPS terá capacidade de funcionar sem intervenção do Segmento de Controle por mais de 60 dias, com acuracidade na posição dos satélites da ordem de 16m. Esta capacidade será realizada através dos Cross links que permitirão a transferência de dados entre satélites.
Segmento espacial. No futuro, o Segmento Espacial do GPS será composto por satélites dos Blocos IIR e IIF, o que aumentará em muito a capacidade do GPS, face a nova estrutura do sinal. O primeiro satélite do Bloco IIF deverá entrar em operação por volta de 2003, e o sétimo deverá ser lançado por volta de 2005. Porém, a maioria dos satélites GPS têm ultrapassado o valor esperado de vida útil, e os satélites têm sido lançado somente sob demanda. Isso deverá atrasar a modernização do GPS. Essa nova capacidade deverá estar disponível para os usuários somente em 2020.
No entanto, a velocidade de desenvolvimento do Galileo, associada ao que virá a ocorrer com o GLONASS, deverá nortear a velocidade da modernização do GPS. O DoD poderá adiantar o esquema de lançamento e, consequentemente, a própria modernização. A princípio, os satélites do Bloco IIR poderão passar por uma atualização antes de serem lançados. No entanto, essa atualização deverá ter um custo elevado, fato que será decisivo para a tomada de decisão sobre o assunto em questão.
Estrutura do sinal. Dois novos sinais civis farão parte do GPS no futuro. O primeiro será realizado pela modulação do Código C/A sobre a já existente portadora L2, que atualmente tem disponível apenas o código P. O segundo será baseado sobre uma nova portadora, denominada L5. Esta nova portadora, com freqüência de 1176,45 MHz será posicionada dentro do domínio espectral do ARNSs (Aeronautical Radio Navigation Services). O código civil que será modulado na portadora L5 terá uma freqüência 10 vezes maior que o atual código C/A. Este novo sinal terá duas componentes em quadratura de fase; um canal para os dados de navegação e outro para a portadora. Essa concepção proporciona rastreamento mais acurado da portadora e medidas de fase de batimento da portadora mais precisas. Um sumário do que será a nova estrutura dos sinais GPS para uso civil pode ser visto na Figura 1.
Figura 1 – Estrutura dos sinais GPS civis após a modernização.
GALILEO
A decisão do governo americano, em não autorizar que outras nações participem conjuntamente do controle de uma configuração básica do GPS, levou a União Européia a desenvolver uma solução própria para o GNSS-2, quer seja em conjunto com outras nações, ou sozinha. Em fevereiro de 1999, a União Européia fez uma recomendação para que os europeus desenvolvam uma nova constelação de satélites para navegação.
Em junho de 1999, o Ministério dos Transportes Europeu concordou com a fase de definição do Galileo, que se trata da contribuição européia para o GNSS-2. Será um sistema aberto e global, com controle civil, completamente compatível com o GPS, mas independente. As possibilidades de cooperação entre nações encontram-se abertas. A fase de definição deverá ser finalizada por volta de 2000. Trata-se de uma fase crucial, pois depende dela a continuidade ou não do sistema. Em caso positivo, será iniciada a fase de desenvolvimento do Galileo, onde a infra-estrutura é desenvolvida e validada. Uma constelação de 3 a 5 satélites será introduzida por volta de 2003. O início da implementação do sistema deve ocorrer por volta de 2005. A fase operacional, na qual os serviços são oferecidos e a manutenção do sistema é iniciada, deve estar completa em 2008.
O financiamento do sistema deverá ser garantido pelo orçamento da União Européia, notavelmente através da ESA (European Space Agency) e da rede de transporte européia (Trans-European Networks), além de fundos adicionais resultantes do envolvimento de outras agências ou instituições da União Européia, e da cooperação internacional com outras nações, tais como Russia, Canadá e Japão. Além disso, está prevista a adoção de uma parceria pública/privada para obter financiamento complementar.
A arquitetura global do Galileo visa atrair outras nações para participar do projeto. Trata-se de uma estratégia diferente da adotada com o GNSS-1, onde os objetivos do EGNOS atendiam apenas aos países Europeus. Apresenta-se a seguir o que se conhece sobre o sistema até o momento. Modificações poderão ocorrer, pois o sistema encontra-se ainda em fase de definição.
Segmento de controle. A estrutura já montada para o EGNOS será aproveitada ao máximo, mas algumas estações terrestres terão que ser acrescentadas para que se tenha abrangência global. Ao todo, 12 estações darão suporte à determinação de órbitas e sincronização do tempo. Além disso, esse segmento será inter-conectado por uma rede de comunicação, com duas cadeias independentes, com operação quase autônoma. Isso garantirá controle da integridade interna e operações de alta qualidade.
Segmento espacial. Encontram-se em discussão duas opções para o segmento espacial do Galileo, baseado em satélites de órbita média (MEOs Medium Earth Orbits) tal como o GPS e GLONASS, ou geo – síncrono inclinada (IGSOs Inclined Geosynchronous). São elas:
21 satélites MEOs e 3 GEOs (GEO – estacionários) ou IGSOs, em 3 planos orbitais com inclinação de 65o e altura de 19100 Km, a um custo aproximado de U$ 2.3 bilhões;
36 satélites MEOs e 9 GEOs ou IGSOs, com 4 planos orbitais de inclinação de 65o e altura de 19100 Km, a um custo estimado de U$ 2.9 bilhões.
Para garantir a performance requerida, a primeira opção requer integração com o GPS, ao passo que na Segunda opção tal integração não é necessária. Com respeito a aplicações que requerem alto nível de segurança, ambas opções requerem a implantação de GBASs. Em termos financeiros, a primeira opção é a preferível. Ela é muito próxima da arquitetura do GLONASS.
Estrutura do sinal. A estrutura do sinal do Galileo será baseada em até quatro portadoras da banda L. Dependendo de acordos internacionais, duas freqüências poderão ser idênticas às do GLONASS e as outras duas iguais às do GPS ou a duas outras atribuídas à União Européia (EU). Usuários com exigências críticas em segurança necessitarão de informações adicionais sobre a integridade do sistema, o que poderá ser proporcionado pelos SBASs. Nesse caso, a integridade é determinada pelo segmento de controle e transmitida para os usuários via os satélites GEOs/IGSOs.
Serviços e performance do galileo. Três diferentes tipos de serviços serão oferecidos pelo Galileo:
Serviço de Acesso Aberto (OAS Open Access Service), que será o serviço básico ao público, sem custos diretos, pelo menos até que o Serviço de Posicionamento Padrão (SPS Standard Positioning Service) do GPS também o seja;
Serviço de Acesso Controlado (CAS1 Controlled Access Service) para usuários que exijam um serviço garantido e com contrato de responsabilidade. Sobre este serviço será cobrada uma taxa dos usuários que vierem a utilizá-lo;
Serviço de Acesso Controlado (CAS2) para uso militar e aplicações críticas em segurança.
No que concerne à performance, o Galileo deverá proporcionar pelo menos a mesma performance a ser alcançada com a modernização do GPS (futuros satélites do Bloco IIIF). Alguns parâmetros previstos para a performance de usuários autônomos, isto é, realizando posicionamento por ponto em tempo real utilizando apenas observáveis resultantes do código (pseudodistâncias), constam da Tabela 2. Esses parâmetros referem-se principalmente a aplicações terrestres, mas algumas exceções podem ocorrer em regiões oceânicas.
Tabela 1 – Requisitos em termos de acuracidade para a realização de pousos na aviação civil
Benefícios para usuários e aplicações do GNSS
Há bem pouco tempo, face ao grande sucesso do GPS, poucos acreditavam que uma outra nação pudesse iniciar o desenvolvimento de um sistema similar, com exceção do GLONASS, que teve sua implementação independente e paralela. Quando o GLONASS foi declarado operacional em 1996, fato inesperado para muitos, parecia que surgia um rival em potencial para o GPS. Mas não foi o caso, pois o sistema não teve a devida manutenção, estando atualmente com poucos satélites apropriados para uso. Mesmo assim, vários trabalhos têm sido desenvolvidos no sentido de desenvolver metodologias para a integração dos dois sistemas, fato positivo para o domínio da tecnologia de integração de sistemas.
O desenvolvimento do Galileo, em conjunto com a proposição de modernização do GPS, traz novas perspectivas para os usuários que dependem de posicionamento em suas atividades. Por um lado, os dois sistemas competem entre si, no que se refere à agenda estabelecida para o desenvolvimento e modernização, respectivamente. Por outro, o Galileo será compatível e factível de integração com o GPS, trazendo grandes benefícios para os Estados Unidos e para a Europa. Dessa forma, eles podem ser utilizados alternadamente ou em combinação, melhorando a performance global.
Da forma como previsto o sistema espacial na modernização do GPS, grandes benefícios serão repassados para os usuários. O mesmo se diz a respeito da implementação do Galileo. No caso do GPS, a combinação das portadoras L1 e L5 propiciará uma melhor redução dos efeitos ionosféricos. Situação similar deverá ocorrer com o Galileo, pois as portadoras deverão ser similares a do GPS. No que concerne à solução da ambigüidade, considerando o caso da modernização do GPS (consideração similar pode ser realizada para o Galileo), os usuários serão beneficiados com a nova estrutura de sinal. Além das bem conhecidas combinações lineares de observáveis denominadas Wide Lane (WL) e Narrow Lane, será possível formar a Extra Wide Lane (EWL) e a Medium Wide Lane. Essas combinações, em conjunto com as observáveis das pseudo-distâncias nas portadoras L1 (código C/A) e L5 (código L5), auxiliará na solução instantânea da ambigüidade.
No que se refere às aplicações, fica evidente que todas aquelas até então beneficiando-se do uso do GPS e GLONASS também serão atendidas dentro do conceito de GNSS, com resultados provavelmente melhores e mais confiáveis. Pode-se destacar as aplicações relacionadas à determinação do vapor dágua na troposfera, tomografia da ionosfera, posicionamento geodésico, etc. Em termos de novas aplicações, destacam-se aquelas não contempladas com o GPS e GLONASS, devido à necessidade de informações de integridade, além de garantia de disponibilidade. Tratam-se de aplicações requerendo alto grau de segurança, como a aviação civil.
Sistemas como GPS cada vez mais fazem parte da vida das pessoas.
Considerando atualmente a grande utilidade dos sistemas de navegação, quer seja em termos de melhoria de qualidade nas atividades em que são utilizados, quer seja em termos de recursos financeiros que trazem para a nação detentora do sistema, há uma alta probabilidade que GPS e Galileo venham a competir entre si. Como os Estados Unidos da América mantém quase que um monopólio nesse campo, a entrada dos europeus com o Galileo deverá trazer benefícios para todos os usuários. Os benefícios não serão apenas na melhoria da qualidade, mas também em termos de redução de custos dos equipamentos e serviços. Mas temos que esperar para comprovar!
Glossário de termos em inglês
AII (Accuracy Improvement Initiative) – Iniciativa para Melhoria da Acuracidade
ARNSs (Aeronautical Radio Navigation Services) – Serviços de Rádio Navegação da Aeronáutica
AS (Anti-Spoofing) – Anti-fraude
Bloco IIF – 4ª geração de satélites GPS
Bloco IIR – 3ª geração de satélites GPS
Cross links – Dispositivo que permite comunicação entre os satélites
DoD – Departamento de Defesa
DORIS (Doppler Orbitography and Radiolocation Integrated by Satellite) – Sistema de Satélite Francês para determinação de órbitas de satélites e posicionamento, utilizando o efeito Doppler.
DoT (Department of Transport) – Departamento de Transporte
ESA (European Space Agency) – Agência Espacial Européia
Extra Wide Lane (EWL) – Combinação linear das portadoras com comprimento de onda extra longo (aproximadamente 5,8 cm)
FAA (Federal Aviation Administration) – Administração Federal da Aviação Americana
GLONASS (Global Navigation Satellite System) – Sistema russo similar ao GPS
GNSS (Global Navigation Satellite System) – Sistema de Satélites para Navegação Global
GBASs (Ground Based Augmentation System) – Sistema Ampliado Baseado no Terreno
JPALS (Joint Precision Approach Landing System) – Sistema Integrado para Pousos de Precisão
LAAS (Local Area Augmentation System) – Sistema Ampliado de Abrangência Local
Medium Wide Lane – Combinação linear das portadoras com médio comprimento de onda (aproximadamente 0,75 cm)
MSAS (Japonese Multi-function Trasnportation Satellite Augmentation System) – WAAS japonês
Narrow Lane – Combinação linear das portadoras com curto comprimento de onda (aproximadamente 11,4 cm)
NIMA (US National Imagery Mapping Agency) – Agência Nacional Americana de Imagens e Mapeamento
SA (Selective Availability) – Disponibilidade Seletiva
SBASs (Satellite Based Augmentation System) – Sistema Ampliado Baseado em Satélite
S/D (Selective Denial) – Proibição Seletiva
SLR (Satellite Laser Range) – Satélites equipados com refletores à laser
WAAS (Wide Area Augmentation System) – Sistema Ampliado de Grande Abrangência
WAD (Wide Area Differential) – Diferencial Ampliado
Wide Lane (WL) – Combinação linear das portadoras com longo comprimento de onda (aproximadamente 86,4 cm)
João Francisco Galera Monico é Mestre em Ciências Geodésicas e Doutor em Engenharia de Levantamentos e Geodésia Espacial pela Universidade de Nottingham (Inglaterra). É professor do Departamento de Cartografia da UNESP/Presidente Prudente. E-mail: galera@prudente.unesp.br . * Este artigo é uma remodelagem feita pelo autor de texto submetido ao Boletim de Ciências Geodésicas, escrito antes do fim da degradação do sinal do GPS