VÚGTK 49 741

[Posicionamento de bóias oceanográficas através de localização geográfica utilizando satélites]

Cristina Tobler de Sousa, Hélio Koiti Kuga. - In: Universidada Federal de Paraná : Curso de Pós-Graduação em Ciências Geodésicas : Novos Desenvolvimentos em Ciências Geodésicas / Universidada Federal de Paraná, Departamento de Geomática. - Curitiba : Universidada Federal de Paraná, 2003. - S.145-154 : 5 obr. - Res. portugal. a angl. - Lit.8. ISBN 85-88783-04-5

Přeložila M. Kulatá (zkráceno)
Zdiby: VÚGTK, 2005. - 4 s.

Práce představuje systém GEOLOC, vyvinutý v institutu INPE (Národní institut pro vesmírný výzkum), což je systém geografické lokalizace pomocí satelitu, a jeho využití při umístění oceánografických bójí k vědeckým účelům. Poprvé byl použit brazilský systém geografického umístění vysílačů a jako výsledný produkt byly získány geografické pozice bójí v téměř reálném čase. Vysílače mají poskytnout základní informace pro případnou záchranu bójí v případě, že by se uvolnily ze svých původních pozic. Přesnost umístění pro analyzované bóje byla uspokojivá, kolem 3,1 km pro analýzu 67% nejlepších výsledků.

Geografické umísťování má různé využití. Např. v biologii jsou na divoká zvířata umísťovány minivysílače pro monitorování jejich pohybu a zvyků. V oceánografii jsou ukotvovány bóje do oceánů, aby doprovázely jeho pohyb a monitorovaly mořské proudy. Dále je geografické umísťování využíváno např. pro lokalizaci a záchranu ohrožených letadel a lodí, pro lokalizaci skupin výzkumníků brazilského antarktického programu, pro sbírání meteorologických údajů atd.

Pro tento výzkum byly použity dva brazilské satelity (CBERS-1 a SCD-2), vyvinutý systém GEOLOC může využívat také satelity ze série NOAA (americké) nebo satelity s nimi slučitelné.

Geografickou lokalizaci pomocí vysílačů poskytuje také francouzský systém zvaný Argos, ten však používá pouze satelity ze série NOAA. GEOLOC nabízí oproti němu několik výhod: poskytuje lokalizaci bezprostředně a krátce nato jsou přelet satelitu i jeho efemeridy přístupné na internetu, Argos poskytuje lokalizaci až po třech hodinách a neexistuje přístup k jeho efemeridám. GEOLOC je soběstačným strategickým systémem, působí s čistě brazilskou technologií, má nízké operační náklady a nabízí uživateli možnost získat v téměř reálném čase umístění vysílačů nezávisle na jakémkoliv vnějším faktoru. Argos opatřuje také servis lokalizace pro uživatele, ale ne v téměř reálném čase, s dost vysokými náklady a uživatel zůstává závislý na vnější strategické technologii. Systém GEOLOC je proto objektem zájmu i pro mezinárodní použití.

Technika geografické lokalizace vysílačů pomocí satelitů vyžaduje metodu zpracování měření Dopplerova posuvu, získaných pomocí brazilského systému GEOLOC, společně s aplikací statistických technik nejmenších čtverců podílem (Wrtz, 1978) v téměř reálném čase. Satelity, které slouží jako druhostupňové vysílače signálu z plošin sbírání údajů (PCD) pro přijímací stanici, mohou přijímat zároveň signál ze všech plošin uvnitř pevného kuželu s dosahem viditelnosti 5 000 km pro minimální úhel zvýšení 5° (úhel mezi linií horizontu a linií plošiny – satelitu), jak ukazuje obrázek 3:

Obr.3 - Dosah viditelnosti satelitu.
Pramen: CLS (1989, s. 23)

V průběhu cesty satelitu vysílá vysílač frekvenční signály pro satelit, který je přeposílá na přijímací stanici. Bezprostředně po ukončení přeletu satelitu realizuje software systému GEOLOC zpracování měření a získá se tak pozice plošiny (vysílače) za méně než jednu minutu. Zpracování měření Dopplerova posuvu bylo provedeno použitím Householderovy ortogonalizace aplikací metody nejmenších čtverců (Bierman, 1977). Umístění vysílače (nebo PCD) může být určeno matematicky změřením a posouzením hodnot Dopplerova posuvu z frekvenčních signálů, přenesených na satelit (Sousa, 2000; Sousa et. al., 2003). Potom Dopplerův efekt, který závisí na pozici a rychlosti satelitu a na pozici vysílače (na povrchu země), dodává informace nutné pro získání pozice vysílače.

Rovnice Dopplerova efektu je dána následovně: (Resnick, 1968):

Kde:

Pokud dosah viditelnosti satelitu zahrnuje přijímací stanici a vysílač zároveň, jsou signály vysílačů přijímané satelity v reálném čase přeneseny na pozemní přijímací stanice, kde jsou posouzena Dopplerova měření. Systém GEOLOC se operačně nachází v Centru mise INPE v Cachoeira Paulista. Pro přístup uživatele k této službě, stačí dodat číslo ID svého vysílače a číslo svého konta FTP, aby získal své výsledky na internetu v reálném čase.

Posuzovány byly dvě meteorologické bóje s vysílači číslo 32338 a 32339, ukotvené v oceánu v uživatelem předem definovaných pozicích. Byly použity dva brazilské satelity a přijímací stanice nacházející se v Cuiabá, kde jsou údaje ze satelitů posouzeny a zaslány do Centra mise INPE v Cachoeira Paulista, kde algoritmus geografické lokalizace posoudí požadovaný výsledek.

Od ledna do března 2003 bylo získáno pro bóji číslo 32338 celkem 153 přeletů obou satelitů a pro bóji 32339 to bylo 128 přeletů.

Obrázky 4 a 5 ukazují výsledky rozložení. Osa x představuje západní délku ve stupních a osa y jižní šířku ve stupních. Černé body představují algoritmem lokalizace určené pozice. Šedý trojúhelník ukazuje přibližnou referenční pozici bóje ukotvené v oceánu, světlešedý kosočtverec udává průměrnou pozici všech vypočítaných pozic.

Na obrázku 4 je mrak pozic koncentrovaný okolo přibližné referenční pozice poskytnuté uživatelem a okolo středu všech pozic vypočítaných (světlešedý kosočtverec). Vzdálenost mezi těmito dvěma pozicemi jsou 2 km.

Obr.4 - Rozložení pozic bóje 32338

Byl proveden výpočet chyby lokalizace (srovnání pozic bójí s referenční pozicí) pro všechny přelety. Pokud by mrak lokalizací odpovídal Gaussově křivce, získá se při analýze 67% nejlepších lokalizací průměrná hodnota chyby lokalizace 3,1 km s modelovou odchylkou 1,7 km okolo tohoto průměru.

Na obrázku 5 je rozložení nalezených pozic podobné obr. 4. Referenční pozice (šedý trojúhelník) je téměř shodná se středem lokalizací (kosočtverec). Trojúhelník je prakticky překryt kosočtvercem.

V případě, že mrak výsledků lokalizace (153 lokalizací pro bóji 32338 a 128 pro 32339) sleduje Gaussovo rozložení, ukazuje analýza 67% nejlepších výsledků přesnost okolo 3,1 km. Tato přesnost byla shledána jako uspokojující pro zamýšlený záměr. Systém splňuje očekávání a uspokojuje uživatele (ačkoliv získává přesnost ve výsledcích menší než systém Argos (CLS, 1989)). Uživatel tak může ověřit, zda se bóje neuvolnila ze svého zakotvení, aby připravil její okamžitou záchranu.

Kromě toho může uživatel získat až dvanáct denních pozic svých bójí vzhledem k oběma satelitům, v závislosti na geometrických podmínkách zacílení satelitu na bóje a přijímací stanice.

Testy geografické lokalizace provedené s použitím několika pevných vysílačů za účelem ověřit přesnost a důvěryhodnost vyvinutého algoritmu jsou k nalezení u (Sousa, 2001 a Sousa, 2003). Také srovnání výsledků přesnosti systémů GEOLOC a Argos lze najít u (Sousa, 2003). Přijímací přenosná stanice, aplikace algoritmu lokalizace a brazilské satelity na oběžné dráze tvoří čistě brazilskou technologii bez závislosti uživatele na vnějších zdrojích.