Refletometria GNSS para medição do nível da água : melhoria da resolução temporal com uma matriz vertical de sensores

Abstract

O Brasil é um país com grande vulnerabilidade à elevação do nível médio do mar e eventos extremos como ressacas . Essa situação é agravada pela pobre distribuição geográfica dos marégrafos com longos períodos de observação e com controle vertical via nivelamento. Os métodos de medição altimétrica via refletometria por GNSS ( Global Navigation Satellite System Reflectometry – GNSS - R ) surgiram como uma opção promissora para monitoramento do nível do mar . Em certas aplicações de GNSS - R, é possível emprega r receptores GNSS comerciais, utilizando a razão sinal - ruído ( signal - to - noise ratio – SNR ), que é uma observável proporcional à potência da recepção GNSS. Uma das maiores fraquezas da maregrafia via GNSS - R é a baixa resolução temporal e a necessidade de ob servações longas, em média levando em torno de 1 hora, para cada estimativa altimétrica. Com objetivo de melhorar a resolução temporal da medida altimétrica via GNSS - R de forma automatizada, este estudo propõe a adição de movimento vertical mecânico de fre quência na ordem de 1 Hz à antena. A nova função do SNR, alterada pelo movimento mecânico, pode ser ajustada em intervalos de tempo na ordem do período da oscilação da antena. Para realização de prova de conceito e avaliação da performance desta metodologia , f oram realizados dois experimentos de campo . No primeiro experimento foi possível recuperar alturas do solo em intervalo de observação de 5 minutos de duração, apresentando erro na ordem de 10 cm . Já no segundo experimento, com 6 horas de dura ção e nível d’água como alvo , foi possível recuperar altura instantânea e avaliar seu comportamento ao longo do tempo . Analisando os resultados, foi notado que a altura instantânea apresentou uma oscilação em volta de sua média. Embora este comportamento t enha degradado seu valor em curtos intervalos de tempo , a o extrair s ua média , em intervalos que continham ciclos completos desta oscilação , foi possível recuperar alturas confiáveis, apresentando erro na ordem de 7 cm . Também foram realizadas simulações com o objetivo de investigar as limitações fundamentais da técnica proposta e prever o comportamento esperado do dispositivo nas condições dos experimentos. Conclui - se que o método proposto possibilita o aumento da resolução temporal do monitora mento de altura de superfície d’água via GNSS - R. Com este aumento de resolução é possível acompanhar componentes de maré mais variáveis, como a maré meteorológica.

Brazil is a country with great vulnerability to sea level rise and extreme events such as storms . This situation is aggravated by the poor geographic distribution of the tide gauges with long observation periods and with vertical control via levelling. The sea level measurement me thods via Global Navigation Satellite System Reflectometry (GNSS - R) have emerged as a promising option for sea level monitoring . In certain GNSS - R applications, it is possible to employ commercial GNSS receivers, using the signal - to - noise ratio (SNR), whic h is an observable proportional to the power of GNSS reception. One of the biggest weaknesses of GNSS - R maregraphy is the low temporal resolution and the need for long observations, on average taking around 1 hour, for each altimetric estimate. In order to improve the temporal resolution of the altimetric measurement via GNSS - R in an automated way, this study proposes the addition of mechanical vertical movement of frequency in the order of 1 Hz to the antenna. The new SNR function, altered by mechanical mo vement, can be adjusted in time intervals in the order of the period of antenna oscillation. To carry out a proof of concept and performance evaluation of this methodology, two field experiments were carried out. In the first experiment, it was possible to recover ground height within an observation interval of 5 minutes, with an error of around 10 cm. In the second experiment, with 6 hours of duration and water level as the target, it was possible to recover instantaneous height and evaluate its behavior o ver time. By a nalyzing its results, it was noticed that the instantaneous height oscillated around its mean value . Although this behavior has degraded its value in short time intervals, when extracting its average, in intervals that contained complete cycl es of this oscillation, it was possible to obtain reliable height values , within 7 cm of error . After carrying out the experiments, it was concluded that the proposed method enables the increase in the temporal resolution of the monitoring of water surface height via GNSS - R. With this resolution increase it is possible to track more tidal components compared to GNSS - R with static sensor.