Na sequência na nossa Informação 2002-12-20, relativa ao lançamento da Rede DGPS no continente, anunciamos agora a conclusão do projecto com o arranque das estações de Porto Santo e da Horta.

No Grupo Quinzenal n.º 21/2004 de 08 de Outubro de 2004, foi emitido o seguinte Aviso à Navegação:

* 272/04(T) - ATLÂNTICO NORTE – PORTUGAL – ARQUIPÉLAGO DA MADEIRA – PORTO SANTO -

1 - Entrou em funcionamento a estação DGPS (Differential GPS) portuguesa do Porto Santo. Esta estação, que transmite correcções diferenciais aos sinais dos satélites GPS, possui as seguintes características:

2 – Esta estação DGPS funcionará em regime de testes até serem concluídos os testes de avaliação da sua exactidão e cobertura destinados a validar a informação por ela fornecida.

No Grupo Quinzenal n.º 24/2004 de 19 de Novembro de 2004, foi emitido o seguinte Aviso à Navegação:

* 315/04(T) -    ATLÂNTICO NORTE – PORTUGAL – ARQUIPÉLAGO DOS AÇORES – ILHA DO FAIAL 

1 - Entrou em funcionamento a estação DGPS (Differential GPS) portuguesa da Horta. Esta estação, que transmite correcções diferenciais aos sinais dos satélites GPS, possui as seguintes características:

2 – Esta estação DGPS funcionará em regime experimental até serem concluídos os testes de avaliação da sua exactidão e cobertura destinados a validar a informação por ela fornecida.

A cobertura da Rede DGPS em Portugal, foi assim significativamente aumentada com a entrada em funcionamento destas duas novas estações. O seguinte mapa, dá conta desta nova abrangência, em termos de cobertura.

O Sr. Cte Sardinha Monteiro, responsável pelo Projecto DGPS no Instituto Hidrográfico , para além deste mapa de coberturas, forneceu-nos também um texto com uma análise das vantagens e benefícios do Sistema de GPS Diferencial (DGPS), o qual, para conhecimento dos nossos associados e visitantes do Site, abaixo publicamos.

A Direcção da ANMPN expressa mais uma vez ao Sr. Cte Sardinha Monteiro, os agradecimentos pelo material gentilmente cedido, que contribui para o enriquecimento dos conteúdos do Site da nossa Associação.

Vantagens e benefícios do sistema Differential GPS (DGPS)

Introdução

O GPS revolucionou a navegação marítima (e não só…) ao permitir exactidões na ordem das poucas dezenas de metros em todo o globo. Numa primeira análise o GPS pode parecer um sistema quase perfeito e sem debilidades. No entanto, à semelhança de toda e qualquer realização humana, o GPS possui alguns pontos fracos, que abordarei neste artigo. É na compensação das vulnerabilidades do GPS que as estações Differential GPS (DGPS) assumem um papel fundamental, ao permitirem melhorar ainda mais a exactidão do GPS e, sobretudo, ao monitorizarem em permanência o funcionamento dos satélites GPS, avisando imediatamente os utilizadores da ocorrência de uma avaria em qualquer deles. O sucesso do conceito DGPS levou a maior parte dos países desenvolvidos a instalar estações DGPS nas suas costas, sendo Portugal o mais recente país fornecedor deste serviço aos navegantes, uma vez que as estações DGPS de Portugal já estão todas a transmitir.

Fraquezas do GPS

Relativamente às fraquezas do GPS, vou aprofundar apenas as duas mais significativas para quem anda no mar, deixando, no entanto, menção a que outras existem, nomeadamente a vulnerabilidade do sinal GPS a interferências e ao empastelamento deliberado.

- Exactidão insuficiente em aplicações mais exigentes

As autoridades americanas asseguram para o GPS uma exactidão compreendida entre 13 e 36 metros, mas esta estimativa não inclui os erros que o sinal sofre ao atravessar a ionosfera e a troposfera, bem como o erro inerente ao receptor GPS. Dessa forma, os erros “reais” do GPS excedem esses valores.

Além disso, esta exactidão pode ser difícil de atingir em determinados locais e em determinadas ocasiões, em que haja poucos satélites utilizáveis, nomeadamente:

• em águas portuárias, em que montanhas e edifícios ou estruturas de grandes dimensões podem obstruir o sinal de alguns satélites;
• caso algum(ns) satélite(s) seja(m) retirado(s) de serviço para efeitos de reposicionamento ou de manutenção, como acontece frequentemente por períodos de 8 ou mais horas;
• caso ocorram avarias ou falhas inopinadas nos satélites.

Todos estes factores podem fazer com que o número de satélites visíveis, numa dada área a um determinado momento, seja baixo, fazendo com que o erro de posicionamento exceda o esperado.

Embora, a exactidão proporcionada actualmente pelo GPS sirva a um grande número de utilizadores, ela é insuficiente em diversas aplicações marítimas, nomeadamente navegação em águas restritas (sobretudo dentro de barras e portos), dragagens, levantamentos hidrográficos e posicionamento de bóias. Para essas aplicações mais exigentes é fundamental que estejam disponíveis estações DGPS, cujo sinal permite obter exactidões de posicionamento melhores do que 3 metros.

- Fraca monitorização da performance do sistema

O sinal dos satélites GPS é recebido e monitorizado em permanência por 6 estações de monitorização terrestres espalhadas pelo globo. No entanto, essas 6 estações não garantem uma cobertura total da esfera celeste, seguindo cada satélite apenas em cerca de 93% do tempo. Isto significa que se o satélite falhar num período em que não está à vista de nenhuma das estações de monitorização, o GPS pode dar informações erradas durante períodos de algumas horas sem ter capacidade de avisar os utilizadores da disfunção.

O documento oficial que contém as políticas de radionavegação dos EUA adverte que “um satélite pode transmitir dados errados durante 2 a 6 horas, antes de ser detectado e corrigido ou antes que os utilizadores sejam avisados dessa situação”. No entanto, às vezes a realidade ultrapassa os piores cenários teóricos. Foi o que aconteceu no final de Maio /princípio de Junho deste ano, quando um erro num coeficiente transmitido pelos satélites só foi detectado ao fim de mais de 5 dias. Esse coeficiente errado só por si podia produzir um erro adicional de 16 metros.

Conceito e benefícios do DGPS

O Differential GPS (DGPS) baseia-se no princípio de que os erros do sistema GPS são mais ou menos os mesmos numa área geográfica relativamente grande. Dessa forma, se colocarmos um receptor GPS (designado por estação de referência), num local de coordenadas perfeitamente conhecidas, ele pode comparar as distâncias por si calculadas a cada satélite GPS com as distâncias exactas, obtidas a partir do conhecimento das coordenadas do local e das coordenadas dos satélites GPS (contidas no sinal por eles transmitido). Desta forma, determinam-se as correcções que devem ser aplicadas ao sinal recebido de cada satélite. Essas correcções são, depois, radiodifundidas para todos os utilizadores nas proximidades, para que eles possam melhorar a exactidão das suas soluções de posicionamento.

Refira-se que as correcções transmitidas são correcções às distâncias a cada um dos satélites e não correcções à latitude e à longitude, como acontecia nos primórdios do sistema DGPS. Com esse método antigo, podia acontecer a estação de referência calcular correcções em latitude e longitude, baseadas na recepção do sinal de um determinado conjunto de satélites, estando o utilizador a receber outros satélites, para os quais essas correcções em latitude e longitude não eram válidas. Actualmente, as estações DGPS calculam correcções a aplicar às distâncias a cada um dos satélites. Após receber essas correcções diferenciais, o receptor DGPS vai aplicar, apenas, correcções aos satélites que ele próprio está a receber, conseguindo-se assim uma melhoria de exactidão bem mais significativa. Com a técnica diferencial, consegue-se passar de um erro que pode ir até largas dezenas de metros (característico do GPS natural), para erros inferiores a 3 m, proporcionados pelo DGPS.

Além da melhoria de exactidão, o DGPS proporciona aos navegantes marítimos outro serviço de grande importância, que consiste na capacidade de detecção, quase em tempo real, de avarias ou falhas nos satélites GPS.

As estações DGPS monitorizam, 24 horas por dia, a qualidade dos sinais GPS visíveis e caso detectem alguma disfunção ou avaria num satélite deixam de calcular correcções diferenciais para ele e sinalizam o seu número numa mensagem apropriada. Tudo isto em menos de 10 segundos. Ou seja, enquanto o GPS pode dar informações erradas durante largos períodos de tempo, as estações DGPS avisam os utilizadores de qualquer falha em poucos segundos.

O caso que vou contar de seguida é um desses exemplos, sendo uma das situações que melhor ilustram a capacidade das estações DGPS em detectarem avarias nos satélites GPS. Às 2207Z de 28 de Julho de 2001 ocorreu uma avaria no satélite 22, que não estava a ser seguido por nenhuma das 6 estações de monitorização terrestres do GPS. Esta falha foi prontamente detectada pelas estações DGPS americanas, que avisaram o centro de controlo dos satélites GPS, o qual, após confirmar a avaria, enviou um comando ao satélite, retirando-o de serviço a partir das 2358Z. No entanto, mesmo com a “ajuda” das estações DGPS, a anomalia persistiu durante cerca de 2 horas. Nesse período, os utilizadores do GPS (ao usarem o satélite avariado) estiveram sujeitos a erros superiores ao normal, mas os utilizadores do DGPS não foram afectados, pois as respectivas estações já tinham sinalizado o número do satélite que estava com problemas.

Outro benefício importante do serviço DGPS consiste na possibilidade de incluir, juntamente com as correcções DGPS, informação sensível de segurança marítima (por exemplo: Avisos à Navegação). Isto pode efectuar-se usando uma mensagem de texto que foi criada originalmente para informar os navegantes sobre a operacionalidade de estações DGPS adjacentes, mas que pode incluir informação de segurança marítima e, até, informação meteorológica.

Relativamente ao DGPS, a sua maior vulnerabilidade consiste em só ser útil se o GPS estiver em funcionamento, o que é uma dependência relativamente a um sistema operado por um país que não o nosso. No entanto, numa era em que as inter-dependências são cada vez maiores, seria utópico pensar que Portugal poderia ser autónomo ao ponto de possuir um sistema de radionavegação inteiramente sob seu controlo. Assim, se os nossos navegantes já estão habituados a usar o GPS, resta tentar implementar um sistema que minore as suas vulnerabilidades, como fizeram, ou estão a fazer, quase todos os países desenvolvidos. Além disso, não é expectável que as autoridades americanas desactivem, mesmo que temporariamente, o sistema GPS, não só por haver demasiadas infra-estruturas críticas que dele dependem, como também porque as suas forças armadas já desenvolveram a capacidade de negar a utilização do GPS a um eventual inimigo, num teatro de operações, sem isso implicar a degradação da performance do sistema no resto do globo.

DGPS: um sistema extremamente popular

Na viragem de milénio, já todos os Estados europeus com costa atlântica, excepto Portugal, providenciavam um serviço de difusão de correcções DGPS. Em todo o mundo, são quase 40 os países que já dispõem de estações DGPS. Os seus benefícios têm sido tais que alguns países mais desenvolvidos estão agora a alargar as suas redes de estações DGPS marítimas para zonas do interior, a fim de permitirem a utilização do sinal diferencial em actividades tais como os serviços de emergência médica, a construção civil, a geodesia e, sobretudo, o controlo ferroviário. Nos EUA, além das 51 estações DGPS costeiras, destinadas principalmente à navegação marítima, estão a ser instaladas estações DGPS para cobrir todo o território do país. Esta rede tomou a designação de NDGPS (Nationwide Differential GPS) e, quando concluída, será constituída por 126 estações no interior, que se somarão à meia centena de estações costeiras. As autoridades americanas estimam para a rede NDGPS um benefício verdadeiramente fabuloso de 152 dólares por cada dólar investido! A maior parte desses benefícios decorrerão de um muito melhor controlo ferroviário, que incluirá o seguimento permanente dos comboios, a detecção de situações de excesso de velocidade, a antecipação de eventuais colisões e, até, a imobilização de um comboio, caso a sua tripulação fique incapacitada por algum motivo.

Após os eventos de 11 de Setembro de 2001, quando se esperava um reforço dos orçamentos dos vários programas relacionados com o GPS (visto tratar-se de um sistema militar de grande valor e para o qual não existe qualquer alternativa), verificou-se o contrário, uma vez que os fundos disponíveis foram todos canalizados para a luta directa contra o terrorismo e não para a proteccção e consolidação de infra-estruturas vitais, como o GPS. A excepção foi o programa relativo à rede DGPS marítima e à sua extensão ao interior (NDGPS), que, pela sua reconhecida importância, foi o único programa relacionado com o GPS a não sofrer cortes orçamentais.

Conclusão

Com a instalação das estações DGPS portuguesas está-se a contribuir para melhorar a segurança da navegação nas nossas águas, permitindo garantir uma exactidão no posicionamento bastante boa ao longo de toda a faixa costeira nacional, ao mesmo tempo que se assegura a capacidade de avisar os utilizadores, caso ocorra qualquer avaria nos satélites. Actualmente os utilizadores já não querem saber apenas qual o rigor da sua posição, exigem também saber qual o grau de confiança que podem atribuir a essa posição. É neste enquadramento que o DGPS assume um papel fundamental, dado efectuar uma verificação constante da performance do GPS, melhorando significativamente a confiança proporcionada aos navegantes.

CTEN Sardinha Monteiro (Instituto Hidrográfico)