terça-feira, 26 de março de 2013

DIVULGADO ESTUDO DE VIABILIDADE PARA MICROSSATÉLITES METEOROLÓGICOS


Brasília, 25 de março de 2013 – Eventos hidrológicos extremos, como cheias e estiagens, e seus impactos são apenas alguns dos motivos que fizeram com que a Agência Nacional de Águas (ANA) procurasse a Agência Espacial Brasileira (AEB) para desenvolver, em parceria, um sistema de satélites com a missão de coletar dados hidrometeorológicos.
Recentemente, as duas instituições assinaram memorando de entendimento e formaram um Grupo de Trabalho (GT), com representantes da AEB, do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE) e da ANA.
Como resultado, o GT publicou o “Estudo de análise de viabilidade e alternativas de configuração de microssatélites para contribuir na missão ANA em sua coleta de dados hidrometeorológicos”. O documento expressa as alternativas de configuração para a missão que atendam a realidade atual e busquem a otimização da infraestrutura já instalada no Brasil e gerenciada pela ANA, também visando a economicidade dos recursos públicos. A ideia é que as instituições possam desenvolver uma constelação de pequenos satélites para aperfeiçoar o sistema brasileiro de monitoramento de águas.
“O uso de sistemas espaciais é imprescindível para coletar dados em áreas geográficas em que se têm dificuldades ou restrições de acesso. Com o uso de satélites, pode-se avaliar, com rapidez e razoável precisão, eventos dependentes das mudanças meteorológicas relativas à variação do tempo, especificando-se com precisão sua localização geográfica”, explica o presidente da AEB, José Raimundo Coelho.
Conclusões – O Grupo de Trabalho concluiu que os satélites para o novo sistema devem ser um aperfeiçoamento do SCD-1 e SCD-2, satélites atualmente utilizados. Além de modernizados, deverão contar com novos subsistemas para possibilitar correções de atitude e órbita.
De fato, os novos satélites para coleta de dados devem possuir um subsistema de propulsão, de forma a garantir manobras de mudança de fase nas órbitas, conforme requerido pelas alternativas de solução. Também deverão contar com um subsistema de controle de atitude em três eixos, necessário para o correto apontamento dos satélites. No mais, os satélites contarão com subsistemas semelhantes aos presentes no SCD-2, capazes de atender às funções básicas de sobrevivência e aos requisitos da missão.
Ao contrário do que tem sido a regra para os satélites desenvolvidos até o momento pelo Brasil, por tratar-se de uma possível constelação de vários satélites, seu desenvolvimento e produção permitirão ganhos de escala industrial, com o consequente barateamento do valor unitário de cada satélite.
O novo sistema também fará pleno uso da infraestrutura de solo já existente para controle, recepção e armazenamento de dados, mas imporá aos técnicos e organizações envolvidas um novo desafio, que será o de gerir uma constelação de satélites, o que nunca foi feito antes no Brasil.Este documento resume o estudo de análise de viabilidade e alternativas de configuração de microssatélites para contribuir na missão da Agência Nacional de Águas (ANA) em sua coleta de dados hidrometeorológicos, com a cooperação gerencial e técnica da Agência Espacial Brasileira (AEB) e do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE).
A ANA é a maior usuária do Sistema Brasileiro de Coleta de Dados Ambientais (SBCDA) operado pelo INPE. Nesse sistema, foram instaladas aproximadamente mil Plataformas de Coleta de Dados incluindo outras aplicações em meteorologia, qualidade de água, entre outras, atendendo a cerca de uma centena de organizações usuárias. Entretanto, o segmento espacial constituído pelos satélites SCD-1 e SCD-2 não atende às demandas atuais da Rede Hidrometeorológica Nacional. Nessa rede, os dados devem ser adquiridos em intervalos menores que uma hora, e em qualquer localidade do território brasileiro. Soma-se a isso que os referidos satélites já ultrapassaram a vida nominal para eles estimada, e hoje operam de forma degradada.
Para concretizar esse estudo de viabilidade foi constituído um Grupo de Trabalho (GT) com membros da ANA, AEB e INPE, para estudar e propor alternativas de configuração para missão de coleta de dados hidrometeorológicos que atendam a realidade atual e busquem a otimização da infraestrutura já instalada no país e a economicidade dos recursos públicos.
O Grupo de Trabalho iniciou suas atividades com a caracterização e detalhamento das demandas da Rede Hidrometeorológica Nacional, constituída por 2.699 estações pluviométricas e 1.830 estações fluviométricas, das quais 795 utilizam transmissão via satélite ou celular para sua recepção. Atualmente, 202 plataformas operam no Sistema Brasileiro de Coleta de Dados Ambientais, com potencial de aquisição de novas plataformas ou por conversão do meio de transmissão de mais 1550 plataformas nos próximos cinco anos. Com o setor elétrico incluído na rede de plataformas, o total demandado para o Sistema Brasileiro de Coleta de Dados Ambientais é de cerca de 3 mil plataformas adicionais.
Paralelamente, o Grupo de Trabalho levantou o estado atual do Sistema Brasileiro de Coleta de Dados Ambientais e avaliou o grau de atendimento das demandas atuais.
Considerando o estado atual do sistema e as demandas da Rede Hidrometeorológica Nacional, o estudo de análise de missão gerou soluções alternativas de configuração orbital dos satélites que são descritas a seguir.


A Situação atual do Sistema de Coleta de Dados


O Sistema Brasileiro de Coleta de Dados Ambientais é constituído pela constelação de satélites SCD-1 e SCD-2 (lançados, respectivamente, em 1993 e 1998), pelas diversas redes de plataformas de coleta de dados espalhadas pelo território nacional, pelas Estações de Recepção de Cuiabá (MT) e de Alcântara (MA), pelo Centro de Missão Coleta de Dados (SINDA) em Natal (RN), e pelo Laboratório de Instrumentação Meteorológica (CPTEC/LIM). Os satélites SCD-1 e SCD-2 foram colocados em dois planos orbitais diferentes, com aproximadamente 750 km de altitude e 25 graus de inclinação em relação ao plano do Equador, o que permite uma cobertura adequada de todo o território nacional. Cada satélite completa 14 órbitas por dia, das quais oito são visíveis à estação receptora principal, localizada em Cuiabá.
A meta inicial de desempenho desse sistema, que considerava apenas um satélite, era receber corretamente pelo menos uma mensagem por dia de cada plataforma, independente de sua localização. Atualmente, essa meta não é aceitável para a maioria das aplicações que utilizam o sistema, que impõe a recepção de pelo menos cinco mensagens distribuídas ao longo do dia. Isso só é satisfeito considerando a operação simultânea dos dois satélites.
Para o conhecimento da situação atual do Sistema Brasileiro de Coleta de Dados Ambientais, realizou-se uma análise de cobertura baseada em dados reais do sistema em operação. Foi utilizado o conjunto de satélites SCD-1 e SCD-2, porém, com o SCD-1 operando apenas quando iluminado, desconsiderando passagens curtas (menores que três minutos), e com a restrição de recepção pelas estações de Cuiabá e de Alcântara.
A Tabela 1 apresenta os tempos de revisita do sistema atual para um conjunto de dez plataformas espalhadas no território nacional, suas latitudes e longitudes, bem como a duração das passagens, o intervalo entre as passagens (gaps) e a porcentagem de revisitas que cumprem o tempo melhor ou igual a uma e duas horas.

Tabela 1 – Tempos de revisita para o sistema SBCDA.
Plataforma de   coleta de dados
Lat (grau)
Long (grau)
Duração Pass.   Max. (min)
Duração Pass.   Média (min)
GapMax.   (h)
Gap   Médio (h)
% Revisita ≤ 2   h
% Revisita ≤ 1   h
Amapá (AP)
2,05
-50,79
25,16
13,16
5,22
1,58
85,50
17,45
Atalaia (AL)
-9,52
-36,03
24,17
12,19
1,65
1,46
100
8,63
Colatina (ES)
-19,53
-40,63
16,14
11,97
1,85
1,47
100
7,37
Cucui  (AM)
1,18
-66,83
21,93
09,85
3,48
1,46
92,38
21,82
Faz. Angical (TO)
-12,28
-48,30
26,36
14,52
1,61
1,42
100
8,63
Fortaleza (PA)
-6,04
-57,64
26,24
14,19
1,60
1,41
100
10,67
MET Cruz. Sul (AC)
-7,6
-72,77
17,79
09,73
1,69
1,42
100
16,94
Quarai (RS)
-30,38
-56,46
15,30
12,58
3,65
1,65
95,88
0
S. Pedro S. Paulo (PE)
0,917
-29,34
21,45
10,42
5,24
1,71
83,77
20,24
Trindade (ES)
-20,5
-29,30
15,05
09,23
1,81
1,53
100
6,94

Por meio do estudo do desempenho atual do sistema brasileiro, observa-se que o tempo de revisita ou gap máximo para esse conjunto de plataformas fica entre 1,60 a 5,24 horas; os gaps médios são entre 1,41 a 1,71 horas, e a duração média das passagens está entre 9,23 a 14,52 minutos. Além disso, o tempo de revisita satisfatória menor do que uma hora cumpre esse requisito em menos de 22% dos casos, e entre 83% e 100% dos casos o critério de duas horas.
A análise de revisita permite avaliar quando a comunicação via satélite entre uma plataforma de coleta de dados e uma estação de recepção em solo pode ocorrer. Para avaliar o desempenho de funcionamento ou a qualidade dos dados recebidos, deve-se considerar também o grau de degradação ocorrida nos satélites SCD-1 e SCD-2 em função do tempo de operação em órbita, principalmente o SCD-1, com mais de 20 anos para uma vida útil inicial de um ano.

Alternativas para a Continuidade do Sistema de Coleta de Dados

A demanda da ANA requer a continuidade do programa de satélites brasileiros para evitar a interrupção do sistema de telemetria para as plataformas hidrometeorológicas existentes, e para atender a ampliação prevista para rede de plataformas da ANA e de outros usuários.
A ANA considera que os requisitos mínimos para o sistema de satélites de comunicação, tendo em vista a demanda sinalizada e as condições atuais de monitoramento, são: transmissão e recepção de dados em intervalo máximo de uma hora, palavra de transmissão de pelo menos 32 bytes (compatível com o atual sistema SBCDA), cobertura em todo o território nacional e disponibilidade de transmissores a custos reduzidos. Além disso, seria desejável que o sistema de satélites brasileiros pudesse oferecer transmissão intra-horária de dados, a cada 15 minutos, por exemplo, com capacidade de interrogação e de atender aproximadamente 3 mil plataformas de coleta de dados. Essas funcionalidades são importantes para o acompanhamento de sistemas de alerta em bacias hidrográficas com baixo tempo de concentração, e para a realização de manutenção e atualização remota das plataformas.
Para o atendimento dessas demandas, as soluções para o segmento espacial baseiam-se em constelações de satélites de órbita baixa (LEO), com planos orbitais entre 25 a 30 graus. A restrição de revisita melhor que uma hora e em qualquer localidade do território nacional implica em pelo menos seis satélites distribuídos em três planos orbitais, notando que essa configuração reflete a demanda das comunidades usuárias do sistema, que por sua vez se alinham às necessidades nacionais mais recentes. Caso essas restrições possam ser abrandadas, pode-se reduzir o número de satélites.
Observa-se, ainda, que órbitas de inclinação igual a 0o (equatorial) cobrem bem a região amazônica, porém, para cobertura de todo o território nacional, a inclinação da órbita deve ficar em torno de 30º. Outro critério a ser observado é o tempo de passagem do satélite sobre a plataforma.
As Tabelas 2 e 3 sumarizam os resultados com diferentes configurações de satélites, para as localizações das plataformas em Oiapoque, Cuiabá e Chuí, mostrando a porcentagem de revisita satisfatória de até 60 e 15 minutos, respectivamente.
Tabela 2 – Estudo do tempo de revisita satisfatória de até 1 h.
Configuração de órbita dos satélites
Porcentagem de revisita menor que 1h em   função da Localização da plataforma
No   de Planos Orbitais
No   de Satélites por Plano
Total   de Satélites
Inclinação   da Órbita
Oiapoque
Cuiabá
Chuí
1
2
2
0o
100%
100%
__ (*)*
1
4
4
100%
100%
__ (*)*
2
2
4
30o
100%
100%
92,80%
2
3
6
100%
100%
96,93%
2
4
8
100%
100%
100%
3
1
3
100%
93,38%
56,21%
3
2
6
100%
100%
100%
3
4
12
100%
100%
100%
6
1
6
100%
100%
100%

De acordo com a Tabela 2, para o sistema de dois planos orbitais e dois satélites por plano orbital, as plataformas instaladas em Cuiabá e Oiapoque seriam atendidas dentro do critério desejado, porém, no Chuí o tempo de revisita máximo é de 1,4 horas, não atendendo as necessidades. O acréscimo de mais satélites nos planos orbitais (dois planos e três satélites por plano) melhora para a plataforma instalada no Chuí, porém ainda não atende ao critério desejado. Com os resultados da solução de oito satélites colocados em dois planos orbitais, nota-se atendimento para as três localidades de referência, e melhora para revisitas de 15 minutos. Os resultados com a solução de três planos orbitais, com apenas um satélite para cada plano orbital, atende apenas aos critérios de revisita de até uma hora no Oiapoque.
A solução com menor número de satélites é a de três planos orbitais e dois satélites por plano orbital, totalizando seis satélites. Esse sistema passa a atender aos requisitos de revisita de uma hora. A Figura 1 mostra os resultados da análise. Cada traço no formato de um “H” representa uma passagem sobre a plataforma. O “H” mais estreito significa uma passagem mais curta enquanto que o “H” mais largo representa uma passagem mais longa sobre a localidade.
Figura 1 – 3 Planos/6 Satélites (30º) – Distribuição das passagens dos satélites
 (01 dia) e visualização 3D da constelação.
Tabela 3 – Estudo do tempo de revisita satisfatória de até 15 minutos.
Configuração orbital para revisita de até 15   min
Porcentagem do atendimento para revisita   menor que 15 min em função da localização da plataforma
No   de Planos Orbitais
No   de Satélites por Plano
Total   de Satélites
Inclinação   da Órbita
Oiapoque
Cuiabá
Chuí
1
2
2
0o
0%
0%
__ (*)*
1
4
4
100%
100%
__ (*)*
2
2
4
30o
51,82%
20,23%
0%
2
3
6
43,89%
23,02%
0%
2
4
8
52,92%
100%
78,28%
3
1
3
0%
0%
0%
3
2
6
72,81%
45,78%
6,71%
3
4
12
100%
100%
100%
6
1
6
0%
0%
0%

Uma solução para atender ao requisito de tempo de revisita de 15 minutos seria uma constelação com três planos orbitais e quatro satélites por plano orbital. Nessa solução, qualquer plataforma de referência poderia ter acesso ao sistema a cada 15 minutos e os gaps seriam menores 11,4 minutos para Chuí, 13,2 minutos para Cuiabá e 6,6 minutos para Oiapoque.
Os resultados da análise considerando um plano orbital a 0˚ de inclinação com dois satélites distribuídos nesse plano atendem ao requisito de revisita para uma hora para a região Amazônica. Nesse caso, o gap médio coincide com o gap máximo (37,99 min. para Oiapoque e 40,64 min. para Cuiabá). Considerando o mesmo plano orbital com quatro satélites, o tempo de revisita será reduzido para cerca de 15 minutos, com gap de 11,17 minutos para Oiapoque e 13,83 minutos para Cuiabá. É importante ressaltar que essas soluções com plano orbital de 0° de inclinação atendem somente a região acima de 26° de latitude Sul. A região sul do Brasil não seria atendida por essa solução, pois as plataformas não teriam visibilidade e/ou acesso aos satélites.
O Grupo de Trabalho discutiu, ainda, que de forma preliminar os custos associados e os prazos de desenvolvimento para cada uma das alternativas de solução, considerando os seguintes itens:
a)      Custos máximo e mínimo do satélite em função de participação da indústria nacional;
b)      Primeiro satélite, considerando a necessidade de desenvolvimento e os demais satélites com custo recorrente;
c)      Lançador capaz de injetar mais de um satélite por plano orbital;
d)     Satélites com capacidade de propulsão a bordo para definição e manutenção das constelações; e
e)      Prazo estimado de desenvolvimento com os itens anteriores entre 24 a 48 meses.

Comentários Finais

As análises e estudos realizados mostram que as demandas da Agência Nacional de Águas podem ser atendidas como extensão ou continuação do Sistema Brasileiro de Coleta de Dados, hoje em operação com os satélites SCD-1 e SCD-2.
Como existem outros grandes potenciais usuários do sistema de coleta de dados, os estudos devem ser ampliados e mesmo refinados para dimensionamento detalhado do sistema, principalmente com relação ao desempenho total do mesmo considerando as colisões de mensagens e a necessidade de faixa de frequência para a transmissão das plataformas de coleta de dados.
É urgente que o sistema seja atualizado, garantindo a continuidade da prestação de serviços do SBCDA. Os satélites SCD-1 e SCD-2 já expiraram em muito seu prazo de vida útil, mesmo que ainda em operação. Assim, não é possível prever quando esses satélites pararão de funcionar, descontinuando o sistema.
Foram identificadas as seguintes soluções para o requisito de revisita de uma hora (em 100% dos casos ou parcialmente):
a)    Constelação de três planos orbitais de 30º e dois satélites por plano, totalizando seis satélites;
b)   Constelação de dois planos orbitais de 30º e dois satélites por plano, totalizando quatro satélites;
c)    Substituição do SCD-1 em seu plano orbital; e
d)   Constelação de um plano orbital equatorial (com inclinação próxima a 0˚) e dois satélites.

Foram identificadas as seguintes soluções para o requisito de revisita de 15 minutos (em 100% dos casos ou parcialmente):
a)    Constelação de três planos orbitais e quatro satélites por plano, totalizando 12 satélites;
b)   Constelação de um plano orbital equatorial composto de quatro satélites.

Dentre os desafios do novo sistema, cabe enumerar: a necessidade de subsistema de propulsão no satélite para inserção na posição orbital adequada e sua manutenção ao longo do tempo; a necessidade de sistema de estabilização em três eixos; o lançamento de múltiplos satélites para redução de custos de lançamento; o gerenciamento da constelação; e a necessidade de um plano para reposição regular dos satélites com vistas a manter sua operacionalidade.
Observa-se a grande importância na continuidade do SBCDA, que pode ser realizada de diversas maneiras. Entretanto, deve ser selecionada a estratégia que melhor atenda as necessidades dos usuários, com envolvimento da indústria nacional, e em função da disponibilidade de recursos financeiros.


* Wilson Yamaguti é engenheiro eletrônico e mestre em Engenharia. Atua como coordenador da Engenharia e Tecnologia Espacial (ETE) e chefe da Divisão de Sistemas Espaciais (DSE) do INPE.
* Aurea Aparecida da Silva é doutora em Engenharia e Tecnologia Espaciais e mestre em Física. Atualmente faz parte do Programa de Capacitação Institucional no INPE.

Wilson Yamaguti
* Aurea Aparecida da Silva
AEB......SNB


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