Sinais distorcidos do GPS ainda servem para alguma coisa


American Geophysical Union

Sinais distorcidos do GPS revelam velocidade dos ventos em um furacão

 IMAGEM: Um piloto da Força Aérea realiza inspeção pré-voo em uma aeronave dos Hurricane Hunters. Aeronaves similares vêm sendo usadas para medir os sinais do GPS refletidos nos oceanos para medir a velocidade do vento.

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WASHINGTON, DC — Os sistemas de GPS servem para muitas coisas, tais como traçar a rota mais curta para sua viagem de automóvel ou para guiar os aviões através dos oceanos. Agora descobriram mais um uso para os sinais distorcidos do GPS que são refletidos por uma tempestade: medir a velocidade dos ventos de um furacão.

Medições precisas das velocidades dos ventos auxiliam os meteorologistas a predizer a intensidade das tempestades e para onde elas estão se dirigindo, explica Stephen Katzberg, um Distinto Pesquisador Associado do Centro de Pesquisas Langley em Hampton, Virgínia, e um dos,líderes do desenvolvimento da nova técnica de GPS. Os experts esperam poder utilizar o novo método de medição em escala global para compreender melhor com se formam as tempestades e o que rege seu comportamento.

A nova técnica pode prover, de maneira econômica, uma visão muito mais extensa das velocidades dos ventos em uma tempestade do que atualmente é possível, afirmam seus desenvolvedores. Voos de teste nas aeronaves caçadoras de tempestades da Administração Nacional dos Oceanos e Atmosfera (National Oceanic and Atmospheric Administration = NOAA)  – apelidados Hurricane Hunters (=Caçadores de Furacões) – demonstram que o sistema fornece valiosas informações a um custo adicional pequeno, segundo Katzberg e seus colegas.

Um artigo que descreve os métodos e descobertas dos cientistas foi aceito para publicação na Radio Science, uma publicação da União Geofísica Americana (American Geophysical Union).

Ricochete do GPS

Pairando a milhares de quilômetros acima da Terra, os satélites do GPS emitem constantemente ondas de rádio para o solo que portam informações tanto acerca da posição do satélite, como do instante em que a mensagem foi enviada. Essas ondas de rádio podem ser refletidas por uma superfície, do mesmo modo que a luz visível é refletida por um espelho.

Quando uma onda de rádio de um satélite do GPS bate na superfície de um corpo d’água, tal como o oceano, cerca de 60% do sinal são refletidos de volta aos céus, explica Katzberg. Diferente de um espelho, entretanto, a superfície do oceano raramente fica calma e plana. O vento que sopra por sobre um corpo d’água levanta ondas.

“Imagine soprar sobre um prato de sopa quente”, explica ele. “Quanto mais forte for o sopro, maiores ‘ondas’ vão aparecer no prato”. Quando o sinal do GPS atinge uma onda, a superfície irregular distorce a reflexão, espalhando o sinal em várias direções.

“As ondas de rádio refletem nas ondas”, diz Katzberg. “Na medida em que a superfície fica mais irregular, as reflexões ficam mais perturbadas e é isto que medimos”.

O novo método para calcular a velocidade dos ventos é fruto de anos de sintonia fina feita pelos cienjtistas da NASA e da  NOAA, acrescenta Katzberg. Durante a operação, as medições são feitas por chips de recepção de GPS, similares aos que equipam os smartphones, instalados na aeronave. Um computador compara os sinais que vêm diretamente dos satélites acima, com os sinais recebidos do mar abaixo e calcula a velocidade aproximada do vento com um erro menor do que 5 m/seg. Em termos de comparação, a velocidade média dos ventos em um furacão de força 3, ou seja, de intensidade intermediária, é de cerca de 55 m/seg.

Sondas lançadas aos oceanos

O método padrão para medir a velocidade dos ventos é lançar das aeronaves tubos de 40 cm equipados com instrumentos científicos, chamados de sonda-de-queda (dropsonde). Essas sondas são dotadas de pequenos para-quedas e lançadas de aeronaves, coletando as informações durante sua descida. Cada dispositivo mede pressão, umidade e temperatura, além da velocidade do vento. Uma missão típica dos Hurricane Hunters emprega cerca de 20 sondas que custam, cada uma, uns US $ 750.

As sondas proporcionam medições da velocidade do vento 10 vezes mais precisas do que o novo sistema de GPS, pelo menos até agora. Sua precisão é de cerca de 0,5 m/seg.

Mas, uma vez que as sondas são tão caras, seus lançamentos são bem dispersados dentro e em torno da tempestade. Esse distanciamento significa que os meteorologistas precisam fazer algumas “contas de chegar” para preencher os intervalos. Segundo Katzberg, o sistema de captação do sinal refletido do GPS pode essencialmente operar sem parar, reunindo constantemente as informações sob os ventos abaixo. A meta principal não é substituir as sondas; trata-se muito mais de ampliar a visão das velocidades do ventos, além dos dados fornecidos pelas sondas.

“Os sistemas de GPS já vão estar mesmo a bordo, então, por que não obter informações adicionais acerca do ambiente em torno?”, pergunta Katzberg.

Já que o método necessita de grandes corpos d’água para funcionar, não pode ser usado sobre terra firme. Igualmente, nos casos onde a superfície do oceano fica áspera sem quaisquer ventos, como no caso do olho de uma tempestade, Katzberg concede que será necessário empregar outras ferramentas para obter uma medição precisa.

Comunicação por Satélite

Embora a nova técnica de medição esteja sendo testada em aeronaves, segundo Katzberg, ela pode ser implementada em satélites. A NASA planeja lançar em 2016 um sistema de pequenos satélites, chamado CYGNSS (acrônimo de Cyclone Global Navigation Satellite System, cuja pronúncia lembra “cygnis” = “cisne” em latim), para medir os sinais refletidos de GPS a partir da órbita terrestre baixa para monitorar as velocidades dos ventos a partir do espaço.

E, olhando um pouco mais longe no futuro, as reflexões dos poderosos satélites de comunicações comerciais (tipo DirecTV e Sirius XM Radio) podem ser usados em adição ao GPS.

“Esses sinais são extremamente poderosos e fáceis de detectar”, afirma Katzberg. “Esses satélites custam centenas de milhões, até bilhões de dólares, mas nosso sistema custa apenas algumas centenas. Nós tiramos vantagens de uma estrutura que já existe.”

 

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Título do artigo: The use of reflected gps signals to retrieve ocean surface wind speeds in tropical cyclones

Autores:

Stephen J. Katzberg: NASA Langley Research Center, Hampton, Virginia, USA;
Jason Dunion: University of Miami/CIMAS – NOAA/AOML/Hurricane Research Division, Miami, Florida, USA;
George G. Ganoe: NASA Langley Research Center, Hampton, Virginia, USA.

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