ANALISE DA VIABILIDADE DO USO DE RPA EM INSPEC ...ANALISE DA VIABILIDADE DO USO DE RPA EM INSPEC˘AO...

Dissertacao apresentada a Pro-Reitoria de Pos-Graduacao do Instituto

Tecnologico de Aeronautica, como parte dos requisitos para obtencao

do tıtulo de Mestre em Ciencias no Programa de Pos-Graduacao em

Engenharia Eletronica e Computacao, Area de Dispositivos e Sistemas

Eletronicos.

Diogo de Oliveira Costa

ANALISE DA VIABILIDADE DO USO DE RPA

EM INSPECAO EM VOO DO VOR

Dissertacao aprovada em sua versao final pelos abaixo assinados:

Profa. Dra. Neusa Maria Franco de Oliveira

Orientadora

Prof. Dr. Pedro Teixeira Lacava

Pro-Reitor de Pos-Graduacao

Campo MontenegroSao Jose dos Campos, SP - Brasil

2018

Dados Internacionais de Catalogacao-na-Publicacao (CIP)Divisao de Informacao e Documentacao

Costa, Diogo de OliveiraAnalise da viabilidade do uso de RPA em inspecao em voo do VOR / Diogo de Oliveira Costa.

Sao Jose dos Campos, 2018.93f.

Dissertacao de Mestrado – Curso de Engenharia Eletronica e Computacao. Area de Dispositivose Sistemas Eletronicos – Instituto Tecnologico de Aeronautica, 2018. Orientadora: Profa. Dra.Neusa Maria Franco de Oliveira.

1. VOR. 2. Hardware In the Loop. 3. RPA. 4. Inspecao em Voo. 5. Piloto Automatico. I.Instituto Tecnologico de Aeronautica. II. Tıtulo.

REFERENCIA BIBLIOGRAFICA

COSTA, Diogo de Oliveira. Analise da viabilidade do uso de RPA em inspecaoem voo do VOR. 2018. 93f. Dissertacao de Mestrado – Instituto Tecnologico deAeronautica, Sao Jose dos Campos.

CESSAO DE DIREITOS

NOME DO AUTOR: Diogo de Oliveira CostaTITULO DO TRABALHO: Analise da viabilidade do uso de RPA em inspecao em voo doVOR.TIPO DO TRABALHO/ANO: Dissertacao / 2018

E concedida ao Instituto Tecnologico de Aeronautica permissao para reproduzir copiasdesta dissertacao e para emprestar ou vender copias somente para propositos academicose cientıficos. O autor reserva outros direitos de publicacao e nenhuma parte destadissertacao pode ser reproduzida sem a autorizacao do autor.

Diogo de Oliveira CostaQno 05 conjunto O casa 12. Ceilandia72251-015 – Brasılia–DF

ANALISE DA VIABILIDADE DO USO DE RPA

EM INSPECAO EM VOO DO VOR


Composicao da Banca Examinadora:

Prof. Dr. Roberto d’Amore Presidente - ITAProfa. Dra. Neusa Maria Franco de Oliveira Orientadora - ITAProf. Dr. Alison de Oliveira Moraes Membro Interno - ITAProf. Dr. Elcio Hideiti Shiguemori Membro Externo - IEAV

ITA

Dedico este trabalho a minha famılia e

aos meus amigos por sempre estarem ao

meu lado me dando apoio sempre que

preciso. E a memoria de todos que ja

passaram por esta vida e que de alguma

forma contribuıram em minha vida e que

de algum lugar ainda vigiam meus pas-

sos.

Agradecimentos

O poeta Joao Sergio Batista Correa escreveu uma frase que sintetiza este momento...

“E o que foi virou prefacio do que somos e e real o que pra nos era um sonho.” desta

forma inicio meus agradecimentos. Primeiramente, agradeco a Deus. Pois sem Ele nada

disso seria possıvel ou teria sentido. Sempre nas dificuldades e Ele que me da forcas para

poder me reerguer e enxergar uma luz no fim do tunel. E a cada dia, eu sinto que nao

vim ao mundo pra ser apenas mais um, e sim para fazer a diferenca. Quero agradecer

a minha famılia, a minha Mae, ao meu Pai e aos meus dois irmaos, que me ajudaram a

formar o terceiro Engenheiro de tres filhos, vindos de escolas publicas e de um lar com

muitas dificuldades, inclusive financeiras. Hoje sou mestre e e gracas a ajuda deles que

isso foi possıvel. Ao Gabriel, meu sobrinho recem chegado, que mesmo so por fotos me

ajuda a ter forcas pra continuar.

Aos meus amigos, que junto a minha famılia, foram ancoras nas horas difıceis. Agra-

deco a todos eles que aguentam meus defeitos, e me fazem ser uma pessoa melhor a cada

dia; Amaral, Alexandre, Jota Ka, Percy, Pierobon, Ribas, Julio, Valdenir e Victor Hugo.

Nao sao somente estes, gracas a Deus, amigos verdadeiros ao meu redor nao faltam e

todos sempre estao na minha lembranca. A todos da Radio Nova Alianca, em especial

a Priscila, a Bel e ao Pe. Manzotti, que me faziam companhia e me faziam me sentir

em casa, mesmo muito distante. Aos companheiros de servico; Bebeto, Danilo, Davi,

Henrique, Jackson, Micael e Vanderlan. E a Universidade de Brasılia por me conceder a

licenca capacitacao que possibilitou eu realizar este trabalho. Ha uma pessoa que nesses

ultimos meses vem sendo muito especial na minha vida, minha namorada Mayumi, que

tem me trazido um amparo tao sublime que nao e possıvel ser descrito em palavras.

Aos meus mestres, pois sem alguns deles nada disso teria sido possıvel. Primeiramente

a professora Suelia, minha eterna orientadora, que ha tantos anos me “suporta” e quem

tenho como uma segunda mae. A professora Neusa pelo suporte nesta empreitada. Ao

professor d’Amore, um exemplo de professor. Aos demais membros da banca pelo tempo

e pelas melhorias em meu trabalho. Aos demais que nao tiveram os nomes citados aqui,

saibam que um abraco, um sorriso, uma mao... pequenos gestos sao pra mim as maiores

provas de verdadeiras amizades.

“Eu vou procurar, sei que vou encontrar, eu vou procurar,Eu vou procurar, voce nao bota uma fe, mas eu vou atras

(Eu vou procurar e sei que vou encontrar)Da minha Formula Magica Da Paz.”

— Racionais MC’s

Resumo

A realizacao deste trabalho teve como motivacao a reducao do alto custo de missoes de

inspecao em voo do VHF Omnidirectional Range (VOR), que e uma ferramenta de auxılio

a navegacao. Estas missoes sao realizadas em territorio nacional pelo Grupo Especial de

Inspecao em Voo (GEIV) com o uso de uma aeronave de medio porte, fazendo com que

haja uma logıstica complexa e de custo elevado. Visando a reducao do custo de inspecao de

VOR, foi conduzido o estudo inicial da possibilidade de uso de Remotely-Piloted Aircraft

(RPA) nesta inspecao. Na missao de verificacao de alinhamento de uma estacao VOR e

procedida uma trajetoria circular em torno desta estacao, realizando a leitura dos sinais

emitidos por esta. Com o uso de um RPA e possıvel minimizar este raio devido ao

seu envelope de voo. O uso de um RPA tambem permite a utilizacao de um Piloto

Automatico (PA), para realizar a missao de forma padronizada, por meio de WayPoint

(WP). A fim de garantir os requisitos da norma, devem ser realizados testes no Sistema de

Posicionamento do Piloto Automatico (SPPA). A norma exige que as leituras recebidas

pelo VOR e o posicionamento da aeronave sejam gravados em voo, a norma tambem preve

a acuracia das leituras do sistema. Estes testes devem determinar a grandeza dos erros

e desvios-padrao das leituras de posicao. Os testes tambem servem para determinar o

distanciamento entre as leituras de posicao, que sao dependentes da velocidade do veıculo

e da taxa de aquisicao das amostras. Foi criado um compensador para minimizar os erros

para as leituras de posicao. Este compensador e responsavel e responsavel por receber os

dados de posicionamento do receptor do Global Positioning System (GPS), processa-los

e enviar ao SPPA. Apos a validacao dos componentes do SPPA do RPA, foi construıda

uma plataforma de testes Hardware In the Loop (HIL). O laco de controle e fechado entre

o simulador de voo X-Plane e o PA. O uso do HIL aumenta a velocidade na obtencao

de resultados e permite a validacao do conceito sem a necessidade de executar voos reais.

Foram conduzidos varios testes, incluindo os varios erros que podem influenciar um VOR.

Os testes conduzidos na HIL indicam que a inspecao VOR com RPA e possıvel e resulta

em respostas corretas quanto a aprovacao ou nao do VOR inspecionado.

Abstract

This work was motivated by reduction of the high cost of VHF Omnidirectional Range

(VOR) in-flight inspection missions which is a navigation aid tool. These missions are

carried out in national territory by the Grupo Especial de Inspecao em Voo (GEIV) with

a medium-sized aircraft use, making logistics complex and costly. In order to reduce of

VOR inspection cost, the initial study of possible use of Remotely-Piloted Aircraft (RPA)

in this inspection was conducted. In the mission of verifying a VOR station alignment,

a circular path is made around this station reading signals emitted by it. By application

of a RPA, it was possible to minimize this ray due to its flight envelope. The use of an

Auto Pilot (AP) is allowed by an RPA application, to carry out the mission in a standard

way, by waypoint (WP). In order to guarantee standard requirements, tests must be

performed on the Automatic Pilot Positioning System (APPS). The standard requires

readings received by VOR and by positioning of the aircraft (they are recorded in flight),

also it must provide the system readings accuracy. These tests shall determine the errors

magnitude and standard deviations of position readings. The tests also serve to determine

the distance between position readings that are dependent on vehicle speed and sample

acquisition rate. A compensator has been created to minimize errors for position readings

and it is responsible for receiving positioning data of the Global Positioning System (GPS)

receiver, processing it and sending it to the SPPA. After validation of the RPA SPPA

components, a hardware in the loop (HIL) test platform was constructed. The control

loop is closed between the flight simulator X-Plane and AP. The use of HIL increases

speed in achieving results and allows concept validation without to perform actual flights.

Several tests have been conducted, including the various errors that may influence a VOR.

Tests conducted at HIL indicate that VOR inspection with RPA is possible and results

in correct responses as to whether or not the inspected VOR is approved.

Lista de Figuras

FIGURA 1.1 – Exemplo de radiais de uma estacao VOR e a diferenca entre a radial

e o rumo da aeronave. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

FIGURA 2.1 – Plataforma HIL generica para testes em uma controladora de piloto

automatico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

FIGURA 2.2 – Fluxo de dados do HIL, do simulador ao PA e o processamento da

missao. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

FIGURA 3.1 – Formato da rotina automatica de inspecao, com as etapas de deco-

lagem, aproximacao da trajetoria de inspecao e trajetoria de inspecao. 35

FIGURA 3.2 – Apresentacao das entradas (latvor, lonvor, lataeronave, lonaeronave) e

da saıda (θ) da Equacao 3.5. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

FIGURA 3.3 – Construcao da trajetoria com pequena variacao do raio de forma a

atingir a trajetoria desejada. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

FIGURA 3.4 – Construcao da trajetoria para sjc, com as rotinas de decolagem,

aproximacao e orbita de inspecao. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

FIGURA 3.5 – Construcao da trajetoria para cpn, com as rotinas de decolagem,

aproximacao e orbita de inspecao. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

FIGURA 3.6 – Visao aerea da trajetoria construıda para inspecao do VOR de SJC

(GOOGLE, 2018a). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

FIGURA 3.7 – Visao aerea da trajetoria construıda para inspecao do VOR de CPN

(GOOGLE, 2018b). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

FIGURA 4.1 – Visao aerea do aeroporto de SJC (GOOGLE, 2018c) com a localizacao

dos dois pontos geodesicos usados como referencia. . . . . . . . . . . 45

FIGURA 4.2 – Nuvem de pontos, em azul, e referencia marcada no centro do cırculo

com 1m de raio. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

LISTA DE FIGURAS x

FIGURA 4.3 – Nuvem de pontos, em azul, e referencia marcada no centro do cırculo

com 1m de raio. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

FIGURA 4.4 – Disposicao dos pontos para teste de referencia. . . . . . . . . . . . . 47

FIGURA 4.5 – Quatro nuvens de pontos referente as quatro pontos do experimento. 48

FIGURA 4.6 – Visao aerea (GOOGLE, 2018d) da posicao central dos quatro intervalos. 50

FIGURA 4.7 – Intervalo 1.1, retirado da trajetoria 1, mostrando em vermelho (−o−)

a aquisicao do SPPA e em preto (−x−) a do DGPS. . . . . . . . . . 51





FIGURA 4.10 –Intervalo 2.2, retirado da trajetoria 2, mostrando em vermelho (−o−)


FIGURA 4.11 –Projecao dos valores de distancia entre as amostras para a velocidade

de 10.5m/s com o uso do SPPA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

FIGURA 4.12 –Projecao dos valores de distancia entre as amostras para a velocidade

de 10.5m/s com o uso do DGPS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

FIGURA 4.13 –Grafico da distancia entre as amostras em funcao da velocidade. . . 55

FIGURA 5.1 – Fluxograma do sistema completo, onde se pode ver onde e inserido

o compensador. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

FIGURA 5.2 – Fluxograma do codigo de leitura e correcao das leituras do GPS. . . 62

FIGURA 5.3 – Tomada de dados 1, onde a aquisicao foi realizada a 20m de distancia

do ponto 2 da Tabela 4.1, marcado com + no centro do cırculo. . . . 65

FIGURA 5.4 – Tomada de dados 2, onde a aquisicao foi realizada a 25m de distancia

do ponto 2 da Tabela 4.1, marcado com + no centro do cırculo. . . . 65

FIGURA 6.1 – Regioes de interesse da analise do VOR, largura, centro, limite da

radial e regiao de decisao. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

FIGURA 6.2 – Maior erro em funcao do raio da trajetoria. Notasse um decresci-

mento do valor do erro ate o raio mınimo calculado e uma baixa

variacao apos este valor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

FIGURA 6.3 – Erro medio em funcao do raio da trajetoria. Notasse uma baixa

variacao apos o raio mınimo calculado. . . . . . . . . . . . . . . . . 73

LISTA DE FIGURAS xi

FIGURA 6.4 – Erro maximo em funcao no numero de voltas. Pode-se notar o de-

crescimento ate a terceira volta e uma pouca variacao apos ela, por

isso para o melhor custo-benefıcio esse sera o numero de voltas es-

colhido. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

FIGURA 6.5 – Erro medio em funcao no numero de voltas. De forma semelhante ao

erro maximo, o melhor custo-benefıcio esta proximo a quarta volta,

corroborando a escolha dela. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

FIGURA 6.6 – Fluxograma do codigo de processamento da missao. Este bloco esta

contido no HIL mostrado na Fig. 2.2 . . . . . . . . . . . . . . . . . 76

FIGURA 6.7 – Exemplos de erros de modulacao, que mostram o formato dos erros

inseridos nas leituras do VOR, para uma radial especıfica. . . . . . . 77

FIGURA 6.8 – Exemplo de sobreposicao dos erros de modulacao, onde e visto a

extrapolacao do erro maximo, mesmo sendo os dois erros conformes

a norma. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78

FIGURA 6.9 – Erros de modulacao inseridos em torno da radial 90. E possıvel

ver a linearidade das leituras fora da regiao onde foi inserido os

erros, Figura (a). Na Figura (b) e visualizada apenas a regiao onde

foi inserido os erros de modulacao, e possıvel ver as alteracoes nos

valores lidos, que causariam embaralhamento no sinal. . . . . . . . . 79

FIGURA 6.10 –Trajetoria completa sem a insercao de erros no sistema de posicio-

namento e nas leituras de VOR. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

FIGURA 6.11 –Regiao onde se encontra a radial de maior erro, para a trajetoria de

referencia. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

FIGURA 6.12 –Radial de maior erro onde e possıvel ver o agrupamento dos pontos

aquisitados. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

FIGURA 6.13 –Radial de maior erro onde e possıvel ver o espalhamento dos pontos

aquisitados, causado pela insercao de um erro aleatorio no sistema

de posicionamento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82

FIGURA 6.14 –Regiao da radial de maior erro e radiais vizinhas, com os pontos

amostrados relativos a cada radial, utilizando o erro de posiciona-

mento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82

FIGURA 6.15 –Radial de maior erro, utilizando os erros de posicionamento e de

desalinhamento da estacao VOR. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

LISTA DE FIGURAS xii

FIGURA 6.16 –Trajetoria com insercao de erros de posicionamento e de modulacao

na estacao VOR. E possıvel ver que, devido ao erro de modulacao, o

sinal referente a radial 104 e recebido em regioes diferentes, fazendo

com que a media seja deslocada da referencia. . . . . . . . . . . . . 84

FIGURA 6.17 –Trajetoria com insercao de erros no sistema de posicionamento, de

modulacao e de desalinhamento na estacao VOR. E possıvel ver que,

devido ao erro de modulacao, o sinal referente a radial 104 e recebido

em regioes diferentes, fazendo com que a media seja deslocada da

referencia. Tambem e possıvel notar o desalinhamento, 4◦, inserido. 85

Lista de Tabelas

TABELA 3.1 – Formatacao dos parametros para compor o WP para enviar ao Ar-

dupilot pelo protocolo MavLink . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

TABELA 3.2 – Exemplo insercao de WP. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

TABELA 4.1 – Coordenadas geodesicas dos dois pontos de referencia utilizados nos

testes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

TABELA 4.2 – Valor dos erros e desvios-padrao dos dois pontos em (m). . . . . . . 45

TABELA 4.3 – Distancias entre os pontos medios e o centro cırculo, com seus desvios-

padrao. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

TABELA 4.4 – Comparacao entre os equipamentos de DGPS e de GPS. . . . . . . . 49

TABELA 4.5 – Distancia entre as amostras para a velocidade atual e projecao para

a velocidade de cruzeiro de 10.5m/s utilizando o SPPA. . . . . . . . 53

TABELA 4.6 – Distancia entre as amostras para a velocidade atual e projecao para

a velocidade de cruzeiro de 10.5m/s utilizando o DGPS. . . . . . . . 54

TABELA 4.7 – Erros, medio e maximo para a latitude e longitude medidos em graus

(◦). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

TABELA 4.8 – Comparacao entre os valores de tendencia medio obtidos com uso

dos dois tipos de referencia, marcos geodesicos ou DGPS . . . . . . 57

TABELA 4.9 – Comparacao do erro de tendencia entre os dois modos de correcoes

propostos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

TABELA 5.1 – Formato do pacote de dados enviados pelo GPS . . . . . . . . . . . 63

TABELA 5.2 – Valor dos erros e desvios-padrao da media, para latitude e longitude,

das duas tomadas de dados em (◦). . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

TABELA 5.3 – Valor dos erros e desvios-padrao das duas tomadas de dados em (m). 66

LISTA DE TABELAS xiv

TABELA 6.1 – Erro de desalinhamento do VOR em funcao do raio da trajetoria . . 72

TABELA 6.2 – Erro de desalinhamento do VOR em funcao do numero de voltas

para o raio de 926m (0.5NM) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

TABELA 6.3 – Apresentacao dos erros inseridos no sistema para cada um dos testes. 76

TABELA 6.4 – Saıda do codigo com os valores para a radial com o maior erro. Em

cada teste foi inserido um modelo de erro no sistema, como mostrado

na Tabela 6.3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

TABELA 6.5 – Saıda do codigo indicando para possıveis erros de modulacao detec-

tados. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86

Lista de Abreviaturas e Siglas

AL Aeronave-laboratorio

AP ArduPilot

CPN Campinas - SP

DGPS Differential Global Positioning System

FAA Federal Aviation Administration

GEIV Grupo Especial de Inspecao em Voo

GPS Global Positioning System

HIL Hardware In the Loop

ICAO International Civil Aviation Organization

INS Inertial Navigation System

IPEV Instituto de pesquisas e Ensaios em Voo

PA Piloto Automatico

PC Personal Computer

RC Radio Controle

RPA Remotely-Piloted Aircraft

SJC Sao Jose dos Campos - SP

SP Sao Paulo

SPPA Sistema de Posicionamento do Piloto Automatico

VOR VHF Omnidirectional Range

WP WayPoints

Lista de Sımbolos

R Raio da trajetoria

V el Velocidade de cruzeiro da aeronave

taxa Taxa de aquisicao do GPS

∆ r Acuracia esperada

∆S Distancia para o proximo WP

ϕ Angulo entre os WP

δmag Declinacao magnetica local

∆h Diferenca de altitude entre os WP

numeroWP Numero de WP’s do procedimento

∆Saprox Distancia entre os WP na rotina de aproximacao

∆SV OR Distancia entre a aeronave e s estacao VOR

θ Angulo azimutal

latvor Latitude da estacao VOR

lonvor Longitude da estacao VOR

lataeronave Latitude da aeronave

lonaeronave Longitude da aeronave

∆r Variacao no raio da trajetoria

σ Desvio-padrao

σm Desvio-padrao da media

δx Distancia entre amostras de posicao

V Velocidade

Vm Velocidade media

δxatual Distancia entre amostras de posicao atual

δxfuturo Distancia entre amostras de posicao atual futura

Vatual Velocidade atual

Vfuturo Velocidade futura

w Largura da radial

π Constante PI

rgn Regiao de decisao

θmodelado Valor referencia da leitura do VOR em funcao da posicao do receptor

LISTA DE SIMBOLOS xvii

θlido Valor VOR recebido pela aeronave

εmax Erro maximo

εmedio Erro medio

Sumario

1 Introducao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

1.1 Objetivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

1.2 Proposta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

1.2.1 Automatizacao da missao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

1.2.2 Sistema de Posicionamento do Piloto Automatico (SPPA) . . . . . . . 24

1.2.3 Compensador de Erros de Posicionamento . . . . . . . . . . . . . . . 24

1.2.4 Hardware In the Loop (HIL) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

1.3 Organizacao do trabalho . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

2 Inspecao em voo de VOR e HIL . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

2.1 Inspecao convencional de VOR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

2.2 Inspecao de VOR com RPA - Plataforma HIL . . . . . . . . . . . . 28

2.2.1 Hardware In the Loop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

2.2.2 Hardware In the Loop implementado . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

2.2.3 Simulador de Voo - X-plane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

3 Automatizacao da missao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

3.1 Aerotronica para inspecao de VOR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

3.2 Trajetorias para inspecao de VOR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

3.2.1 Definicao das trajetorias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

3.2.2 Criacao das trajetorias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

4 Sistema de posicionamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

4.1 Ensaios para o sistema de posicionamento . . . . . . . . . . . . . . . 44

SUMARIO xix

4.1.1 Ensaios estaticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

4.1.2 Ensaio dinamico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

4.1.3 Resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

5 Correcao do GPS - Tereza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

5.1 Sistema completo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

5.2 Compensador - Tereza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

5.3 Resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

6 VOR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

6.1 Normatizacao e conceito do estudo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

6.1.1 Calculos dos erros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

6.2 Erros em funcao da missao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

6.2.1 Erro de desalinhamento do VOR em funcao do raio . . . . . . . . . . 72

6.2.2 Erro em funcao do numero de voltas . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

6.3 Verificacao VOR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

6.3.1 Erro de modulacao no sinal do VOR . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77

6.3.2 Teste 1 - Missao de referencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78

6.3.3 Teste 2 - Missao com insercao de erro no sistema de posicionamento . 78

6.3.4 Teste 3 - Missao com insercao de erro no sistema de posicionamento

e desalinhamento da estacao VOR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

6.3.5 Teste 4 - Missao com insercao de erros no sistema de posicionamento

e erro de modulacao no sinal do VOR . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

6.3.6 Teste 5 - Missao com insercao de erros no sistema de posicionamento,

desalinhamento da estacao VOR e erro de modulacao no sinal do VOR 83

6.3.7 Resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

7 Conclusao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

7.1 Trabalhos futuros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

Referencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90

1 Introducao

O sistema de transportes aereos possui alguns equipamentos de radio, facilitadores

que possibilitam a navegacao em baixas condicoes visuais, como chuva e voos noturnos

(BARRADO et al., 2013). Estes auxılios a navegacao (do ingles Navigation Aid(NavAid)),

estes equipamentos sao capazes de fornecer aos pilotos condicoes mınimas necessarias para

o auxılio na pilotagem da aeronave.

Os NavAid’s devem passar por inspecoes periodicas para garantir a sua calibracao

e a seguranca do sistema aereo. A International Civil Aviation Organization (ICAO)

especifica o tempo entre as inspecoes, acuracia, como devem ser realizadas essas inspecoes,

entre outros fatores inerentes as inspecoes (ICAO, 2000).

A verificacao dos NavAid’s deve ser realizada com frequencia, sendo que alguns do

NavAid’s devem ser inspecionados duas vezes ao ano (ICAO, 2000). A necessidade de

frequente repeticao dos ensaios faz com que o custo da verificacao seja elevado, desper-

tando assim o interesse de buscar novas possibilidades da realizacao dessas missoes, que

tenham desempenho conforme as normas vigentes. O alto custo tambem esta ligado a

uma complexa estrutura envolvida na missao, como equipe tecnica e equipamentos, que

torna o custo de cada verificacao muito alto (NOVAK; KEVICKY, 2010). Outro dificultador

para as inspecoes em voo e o fato de ser utilizado uma aeronave que deve estar no espaco

aereo segregado, isso faz com que a aeronave entre na fila de prioridades de voo do aero-

dromo, fazendo com que em aerodromos de grande movimentacao, o tempo da inspecao

seja aumentado, aumentando assim tambem os custos da operacao.

Buscando diminuir a quantidade de humanos envolvidos na missao e a diminuicao dos

custos, a automacao da missao se torna uma possibilidade real (PARASURAMAN; RILEY,

1997). Desta forma, tambem possibilita a descentralizacao das inspecoes em subequipes

espalhadas pelo territorio nacional, levando em consideracao o menor custo de operacao.

A melhoria dos recursos tecnologicos e a popularizacao das aeronaves remotamente

pilotadas (do ingles Remotely-Piloted Aircraft (RPA)) possibilita a realizacao de missoes

com certo nıvel de complexidade. As melhorias nos sistemas de Piloto Automatico (PA)

comerciais possibilitou a criacao de trajetorias mais complexas com pontos de passagem

(do ingles WayPoints (WP)), diferentemente dos sistemas mais antigos que necessitavam

CAPITULO 1. INTRODUCAO 21

de outros tipos de abordagem (SANTAMARIA et al., 2009).

O uso de rotinas automaticas, por diminuir a influencia humana, faz com que as missoes

executadas por elas mantenham um padrao. Devido a isto, o uso de RPA (AERONAUTICA,

2016) com sistema de PA se torna uma boa possibilidade para executar este tipo de tarefa

(BARRADO et al., 2013). Isto faz com que o uso de RPA’s, executando missoes criadas de

forma automatica, seja um bom candidato para auxiliar nas inspecoes em voo, diminuindo

o numero de pessoas envolvidas, assim diminuindo os riscos associados a eles (WEDE,

2006).

Dentre os diversos NavAid’s, o VHF Omnidirectional Range (VOR), com frequencia

de operacao entre 108.0 ate 117.5 MHz (YOUNG; WELLS, 2014), e aquele capaz de for-

necer a referencia ao norte que a aeronave esta em relacao a uma estacao sintonizada

(NAVIGATION. . . , 2016). Essa referencia e dada por raias formadas pelos angulos em sen-

tido horario comecando a partir do Norte. A Figura 1.1 mostra duas aeronaves e uma

estacao VOR. A aeronave 1 esta situada na radial 315 e a aeronave 2 na radial 90, ambas

em relacao a estacao VOR. A Figura 1.1 tambem mostra que o rumo da aeronave nao

necessariamente coincide sobre a radial, a aeronave 1 esta com um rumo de 45 ◦ enquanto

esta sobre a radial 315, ja no caso a aeronave 2 coincide o seu rumo com a radial.

Estas raias funcionam como vias para as aeronaves, que quanto mais proximas da

estacao mais veraz sera a sua informacao de rumo. Quando ha o distanciamento da

estacao ha uma degeneracao devido ao aumento da distancia entre duas raias, portanto

apos uma certa distancia o piloto deve trocar a estacao VOR sintonizada para proceder

para o rumo correto. Esta distancia varia dependendo da topologia implementada em

cada estacao VOR(YOUNG; WELLS, 2014).


Norte magnético(N)

N

N

Radial atravessada pela aeronave(90)

Radial atravessada pela aeronave(315)

Ângulo da radial

Rumo da aeronave(45)

Rumo da aeronave(90)

VOR

Aeronave 1

Aeronave 2

Ângulo da radial

FIGURA 1.1 – Exemplo de radiais de uma estacao VOR e a diferenca entre a radial e orumo da aeronave.

Para este trabalho foi escolhida uma aeronave de asa fixa, com modelo semelhante a

aeronave na qual o sistema sera embarcado. O uso de um RPA para ensaios em voo do

VOR deve levar em consideracao a problematica da autonomia de voo da aeronave. Este

requisito e necessario para garantir a execucao e seguranca da missao. Em nosso estudo,

a questao da autonomia do RPA nao foi considerada.

1.1 Objetivo

O objetivo deste trabalho e verificar a viabilidade da realizacao de inspecoes de estacoes

VOR com o auxılio de um RPA de asa fixa. Para isto, neste trabalho, sao empregadas

ferramentas de testes em bancada do tipo Hardware In the Loop (HIL), a fim de determinar

se os requisitos previstos em norma podem ser satisfeitos.

Para a realizacao deste objetivo, o trabalho sera desenvolvido em algumas etapas:

• Automatizacao da missao: A automatizacao parte da criacao da trajetoria a partir

de um codigo computacional que seja capaz de gerar os WP que devem ser seguidos

pelo RPA;

• Escolha do piloto automatico: O Piloto Automatico (PA) embarcado no RPA deve

ser capaz de seguir os WP, desta forma o Sistema de Posicionamento do Piloto

Automatico (SPPA) deve ser preciso o suficiente para tal. O SPPA tambem sera

responsavel por fornecer ao sistema de armazenamento a localizacao do RPA durante


a missao, a fim de comparar os valores recebidos do analisador de sinal do VOR com

os valores de referencia. O PA escolhido e um dispositivo de prateleira, de rapida

adaptacao;

• Testes em campo do Sistema de posicionamento: Serao executados testes de preci-

sao e acuracia do SPPA. Isto e feito para se ter seguranca de que as informacoes

fornecidas por este podem ser utilizadas para a verificacao do atendimento as nor-

mas;

• Testes em bancada: A criacao de ferramentas capazes de simular os resultados de

da inspecao em voo;

• Tratamento dos dados: A criacao de um codigo a fim de interpretar os valores

armazenados pelo simulador de voo, de forma a verificar o alinhamento do VOR

simulado;

• Validacao do sistema: Apos estas etapas serao apresentados os valores obtidos em

simulacao e comparados com o que esta descrito em norma.

1.2 Proposta

Na atualidade, em territorio brasileiro, e utilizada uma aeronave executiva de medio

porte, onde e embarcado o sistema de radio-analise (FAB, 2017). A proposta e verificar a

viabilidade de realizar a inspecao em voo de uma estacao VOR com o auxılio de um RPA,

que tem o custo de operacao muito inferior a aeronave usada na atualidade (QVIST, 2016)

(ALCANTARA et al., 2008) (SANTAMARIA et al., 2009).

Como primeira alteracao na trajetoria executada para a missao de inspecao em voo,

devido ao uso de um RPA, temos a mudanca do raio da trajetoria da aeronave, uma vez

que a dinamica da aeronave permite curvas mais acentuadas. Assim, e possıvel realizar

uma missao com um raio significativamente menor (ALCANTARA et al., 2008). Diminuir

o raio da trajetoria tambem viabiliza executar mais de uma volta em torno do VOR, na

mesma inspecao. Deste modo, desse modo e possıvel determinar um modelo estatıstico

para atingir a acuracia prevista na norma. O uso de RPA possibilita a automatizacao da

missao, visando a padronizacao na execucao das inspecoes em voo. O uso de um RPA

possui a vantagem de viabilizar o voo a baixo dos 400 pes de altitude, aproximadamente

120 m, regiao conhecida como espaco aereo nao segregado onde, para RPA’s abaixo dos

25 Kg, as exigencias quanto a autorizacao de voo sao menores (AERONAUTICA, 2016).


1.2.1 Automatizacao da missao

Para automatizar a missao sera desenvolvido um codigo capaz de gerar os WP a partir

de pontos referentes ao local de decolagem, local do VOR e rumo da decolagem. O codigo

e capaz de adequar a missao de acordo com os parametros inseridos, desta forma ele

proporcionara um ganho de custos devido ao tempo envolvido nessa etapa.

A criacao automatica da missao proporciona tambem a execucao padronizada entre

as diversas estacoes VOR existentes. Esta automatizacao auxilia a criacao de trajetorias

em aerodromos diferentes, fazendo com que, independentemente do local da inspecao, a

missao seja executada seguindo o mesmo padrao. Desta forma e possıvel, mesmo com

pessoas com diferentes nıveis de treinamento, executar a missao de forma padronizada.

1.2.2 Sistema de Posicionamento do Piloto Automatico (SPPA)

O sistema de posicionamento deve ser capaz de fornecer ao controlador do PA a posicao

da aeronave, com precisao e taxa de amostragem suficientes para alcancar os WP e manter

a trajetoria.

Alem de fornecer a posicao da aeronave, de acordo com a norma (ICAO, 2000), para

a inspecao do VOR o sistema de armazenamento de dados, utilizado na missao, deve

ser capaz de gravar em arquivo o posicionamento em conjunto com o sinal recebido do

VOR. Tambem segundo a norma, a aquisicao do sinal do VOR deve ter uma acuracia de

0.6 ◦. Esta acuracia esta ligada diretamente ao sistema de recebimento do sinal VOR,

mas tambem ao sistema de posicionamento pois, ele deve fornecer a posicao com acuracia

suficiente para que a observancia da norma seja comprovada.

Para isso, serao executados testes de validacao do sistema de posicionamento, a fim de

garantir a adequacao a norma. Serao executados testes estaticos para quantizacao de erros

de tendencia, esperados em sistemas de Global Positioning System (GPS) (DEAR; MIT-

CHELL, 2006), e experimentos dinamicos com auxılio de equipamentos capazes de fornecer

referencia para comparacao. Apos isso e possıvel gerar o modelo do erro instrumental do

sistema de posicionamento para posterior tratamento.

1.2.3 Compensador de Erros de Posicionamento

Como proposta para a correcao do erro de tendencia, sera criado um sistema de pre-

processamento para tratar o sinal vindo do GPS e retirar esse erro medio de tendencia,

esse compensador e batizado como Tereza. Para isto, foi criado no codigo embarcado duas

etapas, uma de inicializacao e uma de execucao:


• Inicializacao: Na rotina de inicializacao o sistema sera colocado em um local com

as coordenadas geodesicas conhecidas e deixado por um determinado tempo, pre

determinado em 5min, desta forma sera determinado o erro medio tanto para a

latitude quanto para a longitude;

• Execucao: Apos o sistema determinar os erros medios, ele entrara em um laco

infinito de execucao, este laco recebe o valor de posicao do GPS e corrige o valor a

partir dos dados obtidos na etapa anterior.

Apos essa correcao ainda existira na saıda processado do GPS um erro aleatorio, ligado

a fatores externos e e esperado ainda um erro de tendencia de ordem inferior ao inicial.

1.2.4 Hardware In the Loop (HIL)

Para execucao de testes preliminares foi construıdo um ferramental de HIL. Esse ferra-

mental e capaz de realizar a troca de dados com o simulador de voo a fim de verificar todas

as etapas do projeto, desde a controle da aeronave, execucao dos WP, ate o recebimento

dos valores do VOR.

Apos a execucao da missao e realizada uma etapa de tratamento de dados. Nesta

etapa os valores armazenados pelo simulador sao levados a um codigo onde e realizada a

analise do alinhamento das radiais do VOR simulado. Para isso, sao inseridos os mesmos

erros aleatorios quantificados nas etapas de testes do sistema de posicionamento, tendo

em vista que o simulador possui um GPS ideal, sem erros. Esta adicao de erros faz com

que o sistema tenha comportamento mais aproximado as situacoes reais.

Estes testes em bancada tambem servem para a validacao do sistema, sem a neces-

sidade, preliminar, de realizar testes em campo, que possuem um custo elevado, envolve

diversas pessoas e depende da paralisacao, mesmo que por pouco tempo, do espaco aereo

sobre o aerodromo (LU; GENG, 2011) (BITTAR et al., 2014) (SANTAMARIA et al., 2009).

1.3 Organizacao do trabalho

• Capıtulo 1: Apresenta a parte introdutoria, com a apresentacao da problematica,

objetivo e a proposta do trabalho.

• Capıtulo 2: Apresenta o estado da arte e a implementacao do Hardware In the Loop.

• Capıtulo 3: Apresenta o RPA, com o sistema de posicionamento e a definicoes e

automatizacao da missao.


• Capıtulo 4: Apresenta o sistema de posicionamento e os testes realizados para veri-

ficar a adequacao do sistema quanto a norma.

• Capıtulo 5: Apresenta o sistema criado para corrigir os erros de posicionamento do

SPPA.

• Capıtulo 6: Apresenta como e realizado a verificacao do alinhamento do VOR, a

determinacao dos parametros da missao e os testes para validacao do sistema.

• Capıtulo 7: Apresenta as conclusoes do trabalho e as propostas para trabalhos

futuros.

2 Inspecao em voo de VOR e HIL

Para a realizacao da inspecao em voo, na atualidade, e utilizada uma aeronave de

medio porte, que exige uma complexa operacao (FAB, 2017). Esta operacao necessita de

uma equipe que envolve varias pessoas, contando com a equipe de pilotos, tecnicos espe-

cializados na inspecao e outras varias pessoas envolvidas para a manutencao da aeronave

e do espaco aereo.

Devido a toda esta estrutura envolvida, o custo destas missoes e elevado. Desta forma

o desenvolvimento de estudos que possibilitem diminuir estes custos e a quantidade de

pessoas envolvidas sao muito importantes (LU; GENG, 2011) (BITTAR et al., 2014).

Para desenvolver um projeto de novas formas de realizacao de missoes, diversas etapas

devem ser seguidas, a fim de validar os resultados obtidos e adequa-los as normas. Para a

validacao da missao sao realizados testes laboratoriais, testes nos componentes do sistema

e por fim o sistema e embarcado na aeronave para a realizacao de testes em voo.

2.1 Inspecao convencional de VOR

A inspecao em territorio brasileiro e realizada pelo Grupo Especial de Inspecao em

Voo (GEIV). A inspecao do VOR feita pelo GEIV e realizada com o uso da Aeronave-

laboratorio (AL) IU-50. Esta AL e um Embraer Legacy 500 onde esta embarcado um sis-

tema de posicionamento de alta precisao, juntamente com equipamentos de radio-analise,

entre outros aparelhos que permitem realizar os ensaios (FAB, 2017).

A inspecao de uma estacao VOR possui duas etapas descritas na norma, uma em

terra e uma em voo. A etapa de solo basicamente e responsavel por verificar a geracao da

modulacao, e por estudar os parametros de portadora, fase, desvio de banda, entre outros

parametros (MCKEEL; CRAYMER, 1965). A inspecao em voo verifica o alinhamento entre

o sinal recebido do VOR e referencia calculada a partir da posicao geodesica do receptor

e oscilacoes nos sinais recebidos. Estas oscilacoes sao os erros de curvatura, rugosidade e,

falha de sinal (do ingles bend, roughness e, scalloping), e ocorrem devido a agentes geo-

graficos, construcoes e interferencias eletromagneticas (GREVING; SPOHNHEIMER, 2010).

CAPITULO 2. INSPECAO EM VOO DE VOR E HIL 28

Neste estudo sera abordado somente o erro de desalinhamento. O erro de alinhamento da

estacao, para estar dentro dos padroes da norma, nao deve exceder 2◦ (AERONAUTICA,

2017).

A inspecao em voo, para verificar o alinhamento, deve ser realizada orbitando a es-

tacao a ser analisada, com procedimentos, raio da orbita e altitude descritos em norma

(AERONAUTICA, 2017). Desta forma, a orbita, deve ser realizada, preferencialmente, em

sentido anti-horario com a distancia fixa, com valor definido entre 5NM (9260m) e 20NM

(37040m). A altitude da trajetoria deve ser calculada a partir do raio escolhido e o angulo

(α) acima da estacao, conforme a Equacao 2.1, e este α deve estar entre 4◦ e 6◦.

altitude = raio · tan(α) (2.1)

Para a realizacao da missao devem ser levados em consideracao os parametros da

aeronave. Parametros como a velocidade da aeronave e o raio de curvatura mınimo in-

fluenciam na escolha do sistema de posicionamento. O sistema de posicionamento deve

levar em consideracao a taxa de amostras necessaria, para garantir a acuracia prevista em

norma (ICAO, 2000).

2.2 Inspecao de VOR com RPA - Plataforma HIL

Considerando-se as normas estabelecidas e a possibilidade de se reduzir custos com o

uso de RPA’s para inspecao de VOR, o estudo das caracterısticas e parametros do sistema

a ser implementado foram desenvolvidos. Desta forma, o uso de um RPA, que possibilita

voos mais lentos do que uma aeronave de medio porte, possibilita a diminuicao do raio da

missao e a utilizacao de um sistema de geo-posicionamento com uma taxa de amostragem

menor, de modo a viabilizar o uso de um sistema de baixo custo. Para a determinacao da

taxa mınima deve-se considerar o raio da trajetoria da missao e a velocidade da aeronave.

Por exemplo, considere o uso de um sistema de posicionamento com a taxa de aquisi-

cao de 1Hz na AL, com velocidade de cruzeiro de 0.8mach (≈ 270m/s) (DECEA, 2016), e

em um RPA, com velocidade de cruzeiro de 10m/s. Com esta mesma taxa de aquisicao,

a AL faz a aquisicao de posicao a cada 270m, ja no caso do RPA faz com que a aquisicao

sera realizada a cada 10m. Estes valores mostram que, com o mesmo sistema de posicio-

namento, o caso onde foi realizado pelo RPA pode ter uma acuracia maior devido a sua

velocidade.

A modificacao da aeronave utilizada para a inspecao do VOR, permite que sejam

criados subgrupos, aumentando a autonomia dos aerodromos e otimizando os custos de

operacao. Isto ocorre pela automatizacao da operacao do RPA, fazendo com que haja a


diminuicao do nıvel de especializacao dos operadores. Desta forma, o GEIV podera ser

somente requisitado para a validacao final da inspecao, para dar o aval final da inspecao.

Para este trabalho foi escolhida uma aeronave com dimensoes proximas as da aeronave

onde serao realizados os testes em voo. Foi escolhida uma aeronave nativa do pacote do X-

plane 10. Dados como a autonomia de voo da aeronave devem ser levados em consideracao,

a fim de garantir que a aeronave e capaz de proceder na missao completa e com seguranca.

2.2.1 Hardware In the Loop

Para realizar voos de teste sobre a inspecao do VOR surge a demanda de uma pa-

ralisacao, mesmo que durante um curto intervalo de tempo, do espaco aereo sobre um

aerodromo (SANTAMARIA et al., 2009). Este fato faz com que testes preliminares, feitos

em laboratorio, sejam amplamente buscados de forma a diminuir o impacto no espaco

aereo segregado. O HIL e uma ferramenta utilizada para realizar testes laboratoriais, em

experimentos muitas vezes caros e que demandam uma grande quantidade, de materiais

e pessoas envolvidas (LU; GENG, 2011) (BITTAR et al., 2014).

Uma plataforma HIL consiste em unir o hardware em teste com outro aparato, de modo

a emular condicoes proximas de um caso real. Para criacao de um HIL para testes de

um piloto automatico de uma aeronave, devem ser fornecidas a controladora dados como

posicao, atitude da aeronave, entre outros. Para fechar o laco de controle, a controladora

por sua vez deve fornecer os valores referentes as superfıcies de deflexao. Desta forma, o

sistema que simula a aeronave calcula os novos dados a serem enviados a controladora. A

Fig. 2.1 mostra o fluxo de dados entre um simulador generico e uma controladora de piloto

automatico. No mercado ha diversos modelos de controladoras de piloto automatico, onde

o projetista deve procurar a que melhor se adeque a sua necessidade (KUROSWISKI, 2017).

Controladora (PA)

Simulador de voo

Leituras dos sensores e posição

Superfícies de deflexão

FIGURA 2.1 – Plataforma HIL generica para testes em uma controladora de piloto auto-matico.

2.2.2 Hardware In the Loop implementado

Para realizar voos de teste sobre a inspecao do VOR surge a demanda de uma pa-

ralisacao, mesmo que durante um curto intervalo de tempo, do espaco aereo sobre um


aerodromo (SANTAMARIA et al., 2009). Este fato faz com que testes preliminares, feitos

em laboratorio, sejam amplamente buscados de forma a diminuir o impacto no espaco

aereo segregado. O HIL e uma ferramenta utilizada para realizar testes laboratoriais, em

experimentos muitas vezes caros e que demandam uma grande quantidade, de materiais

e pessoas envolvidas (LU; GENG, 2011) (BITTAR et al., 2014).

A plataforma utilizada para embarcar o PA e uma plataforma comercial de codigo

aberto conhecida como ArduPilot(AP). O AP possui codigos, em sua base de dados, para

alguns diferentes tipos de veıculos como asa-fixa e asas-rotativas. Estes codigos possuem

as predefinicoes tıpicas para cada veıculo, bastando realizar o refinamento dos parametros

de configuracao para o veıculo embarcado. Esta plataforma possui os sensores para o voo

como barometro, acelerometros, girometros, entre outros. Nela toda a lei de controle e

embarcada e vem com predefinicoes que facilitam realizar os ajustes finos para atingir a

estabilidade pretendida. Esta plataforma tambem permite o uso do modo PA que e capaz

de seguir WP’s, que podem ser inseridos por um software livre como o Mission Planner.

Neste planejador de missao e possıvel fechar o laco de controle com simuladores de voo

como o X-plane 10 e o Flight Gear, ou seja, e possıvel controlar uma aeronave simulada

a partir do AP.

O HIL implementado, integrando o AP, hardware do PA comercial, e o simulador de

voo, possibilita tanto o controle feito por Radio Controle(RC) quanto pelo PA embarcado.

Nesta configuracao, todos os sensores sao ignorados e as informacoes referentes a eles sao

enviadas pelo simulador para fechar o laco de controle. Desta forma, os valores recebidos

pelo AP sao ideais, o que torna o sistema ideal para realizar testes de conceito.

Na Figura 2.2 e visto o fluxo de informacoes do HIL, com o subsistema executado

em um computador (do ingles Personal Computer (PC)) e o subsistema do AP. No PC

esta sendo executado o X-Plane, simulador de voo que fornece a atitude e a posicao da

aeronave para o Mission Planner. Este, basicamente, converte os dados entre o simulador

e o AP. No AP esta sendo executado o PA, onde estao registrados os WP’s, e, utilizando as

informacoes de posicao e atitude recebidas do X-Plane, sao feitos os calculos das deflexoes

das superfıcies e enviadas de volta para o simulador por meio do Mission Planner fechando

o HIL. O data logger armazena os dados de posicionamento e leituras do VOR, fornecidas

pelo simulador de voo, adquiridos durante a execucao da missao para analise posterior.


Mission

PlannerX-plane

Data Logger

Ardupilot

(Lat, Long, Alt, VOR)

PC

Processamento(Lat, Long, Alt, VOR)

(Lat, Long, Alt, �,�,�)

(Ail, Rudd, Ele, Thr)UDP

(Lat, Long, Alt, �,�,�)

(Ail, Rudd, Ele, Thr)USB

TelaErros

FIGURA 2.2 – Fluxo de dados do HIL, do simulador ao PA e o processamento da missao.

2.2.3 Simulador de Voo - X-plane

O X-Plane e um simulador de voo desenvolvido pela empresa Laminar, certificavel

pela Federal Aviation Administration (FAA), que e o orgao responsavel pelo sistema aereo

estadunidense, para treinamento de pilotos, devido a veracidade dos diversos modelos de

aeronaves nativas em seu pacote (LU; GENG, 2011) (BITTAR et al., 2015). Alem de modelos

de aeronaves de pequeno, medio e grande porte, o X-Plane possui o modelo de alguns

RPA’s.

O simulador de voo X-Plane possui um modulo de entrada e saıda. Este modulo possi-

bilita a troca de informacoes entre o simulador e outros softwares ou hardwares(RESARCH,

2011) (CETIN; KUTAY, 2016).

O modulo de entrada possibilita a insercao de valores a fim de controlar a aeronave

simulada. E possıvel inserir valores de deflexao para as superfıcies de controle e assim

pilotar a aeronave. Da mesma forma, e possıvel ajustar os controles presentes na cabine

da aeronave. Com isto e possıvel configurar e ajustar os avionicos, como a sintonia da

estacao VOR.

O modulo de saıda e responsavel por enviar para fora do simulador os dados simulados,

como sinais de sensores, avionicos, estados da aeronave, entre outros. Com o uso dessa

ferramenta, e possıvel adquirir os valores de posicao da aeronave e os valores emitidos pela

estacao VOR sintonizada, que sao de suma importancia nesse trabalho. Desta forma, e

possıvel verificar a calibracao de uma estacao VOR do simulador, no formato exigido pela

norma (ICAO, 2000). E possıvel tambem, modificar posicao e alinhamento das estacoes,

simulando assim erros, a fim de descrever o seu comportamento.

Portanto, este software e capaz de fornecer as informacoes do voo simulado e receber

comandos de controle. Desta forma, o laco de controle pode ser fechado em HIL e compor

uma ferramenta para testes em bancada para todas as etapas do projeto. Com o uso do

HIL e possıvel executar testes desde a composicao da missao ate a execucao completa com

o AP, ja a ponto de ser embarcado em uma aeronave real.

3 Automatizacao da missao

A criacao de uma rotina automatica permite que a missao seja executada de forma

padronizada. Desta forma, a execucao da missao com uso de um RPA tera pouca depen-

dencia humana. A automatizacao tambem garante que as missoes obedecam as normas

em vigor, tanto sobre a inspecao quanto sobre o espaco aereo, levadas em consideracao

neste trabalho.

Para a automatizacao da missao e necessaria a definicao de alguns itens:

• Aerotronica para inspecao de VOR - Velocidade de cruzeiro e sistema de posiciona-

mento.

• Parametros das trajetorias - Raio da trajetoria, por ser uma trajetoria circular.

Procedimento de decolagem e de aproximacao para proceder na missao circular.

• Criacao das trajetorias – Definir modelo para construcao automatica, a partir da

insercao de dados da missao e geracao dos WP. Geracao dos WP’s a partir dos dados

de posicionamento da decolagem e do VOR.

3.1 Aerotronica para inspecao de VOR

Para realizar a verificacao do VOR e necessario gerar um arquivo de registro da missao.

Este arquivo deve conter as informacoes de Sistema de Posicionamento do Piloto Auto-

matico (SPPA), em conjunto com as informacoes recebidas da estacao VOR em analise.

O SPPA consiste na combinacao do GPS e o sistema de navegacao inercial (do ingles

Inertial Navigation System (INS)) (BARRADO et al., 2013). O SPPA deve ser capaz de

mapear a localizacao de cada amostra do VOR, garantindo a acuracia de 0.6◦, para a

verificacao de alinhamento do VOR (ICAO, 2000). A escolha do SPPA necessario, depende

da largura da radial e da velocidade do RPA durante o voo.

Considere o seguinte exemplo: uma aeronave se deslocando com velocidade de cruzeiro

de 11m/s, em uma regiao com largura da radial VOR 33m. Utilizando um sistema

com a taxa de aquisicao de 1Hz, a posicao seria amostrada a cada 11m, resultando

CAPITULO 3. AUTOMATIZACAO DA MISSAO 33

num erro instrumental 0.3◦. Utilizando um outro sistema, com a taxa de 7Hz, o erro

instrumental diminui para 0:048, sendo suficiente para realizar medicoes com acuracia

de 0.1◦. Desta forma, e possıvel descrever o modelo matematico para determinar o raio

mınimo da trajetoria em funcao da acuracia e dos componentes do RPA.

A Equacao 3.1 traz o calculo do valor do raio mınimo da trajetoria em funcao das

variaveis do problema.

R =( veltaxa

)360◦

2π · ∆r(3.1)

V el – Velocidade de cruzeiro da aeronave (ms

)

taxa – Taxa de aquisicao do GPS (Hz)

∆ r – Acuracia esperada (◦)

R – Raio da trajetoria (m)

Assim, fixando a velocidade de cruzeiro da aeronave em 10.5m/s, a taxa de amostra-

gem do SPPA em 7Hz e definindo a acuracia do experimento fixada em 0.1◦, e possıvel

determinar o raio mınimo que obedece aos requisitos do projeto em 0.4641NM (859.51m).

Na Secao 6.2.1, sera mostrado um experimento que modela o erro em funcao do raio da

trajetoria. Serao utilizados valores proximos a este resultado.

3.2 Trajetorias para inspecao de VOR

Para realizacao da inspecao periodica do VOR, a aeronave deve proceder em uma

trajetoria circular, a fim de cruzar todas as radiais ao menos uma vez. A proposta da

troca da aeronave de medio porte por um RPA, permite minimizar o raio da trajetoria e

utilizar um sistema de posicionamento com menor precisao. Desta forma, realizando mais

de uma aquisicao para cada radial e procedendo em mais de uma volta, e possıvel realizar

o modelamento estatıstico do erro para cada radial e para o sistema completo.

As trajetorias foram criadas com valores multiplos ou submultiplos de 1NM , que e

a grandeza usada pela norma internacional (ICAO, 2000). Foi proposta uma variacao na

dimensao do raio (Secao 6.2.1), para verificar a influencia dele no erro das leituras.

Os WP’s podem ser inseridos no software de planejamento de missao por meio de

um arquivo de texto. Neste aquivo, os WP’s sao inseridos com a posicao geodesica,

altitude e algumas outras entradas de configuracao. Este arquivo e importante para a

automatizacao da missao, uma vez que, sendo construıdo o codigo capaz de gerar os

WP’s, e possıvel alterar qualquer parametro facilmente. Isto facilita a realizacao assim a


realizacao de testes, e apos o refinamento dos resultados, facilitara a criacao de missoes

de forma padronizada.

3.2.1 Definicao das trajetorias

A verificacao do VOR realizada com uma aeronave de medio porte, e procedida com

um raio de alguns quilometros. O uso do RPA permite a diminuicao desse raio e a nao

entrada no espaco aereo segregado. A autonomia de voo do RPA limita a escolha do raio

da trajetoria. A escolha do raio deve ser feita buscando maximizar a autonomia de voo e

obedecer aos requisitos da norma. A autonomia varia de acordo com a aeronave utilizada,

fazendo com que seja um limitador do projeto.

A criacao da janela de aquisicao, para cada radial, permite a leitura e armazenamento

de diversas amostras a cada passagem pela radial. Ao realizar varias voltas em torno da

estacao, em conjunto com a janela de aquisicao, e possibilitado a determinacao das medias

e desvios-padrao, para cada radial. Desta forma, e possıvel determinar os erros para cada

radial e para a estacao como um todo.

Foram definidas algumas trajetorias preliminares para realizar as simulacoes, com raios

variando entre 0.25NM (463m) e 1.5NM (2778m) de forma a verificar o comportamento

do erro nessa regiao, todas as trajetorias foram tracadas com altitude de 90m. Esta regiao

foi escolhida de modo a determinar o menor raio possıvel para realizacao da missao, para

minimizar o tempo de voo. As trajetorias, para as simulacoes, foram construıdas para a

verificacao da estacao VOR de Sao Jose dos Campos – SP, podendo ser construıdas em

outras estacoes VOR.

3.2.2 Criacao das trajetorias

Para automatizar a criacao das trajetorias, foi desenvolvido nao somente a trajetoria

em torno da estacao VOR, mas tambem numa rotina que compreende a decolagem, apro-

ximacao da trajetoria de inspecao e trajetoria de inspecao, como mostra a Figura 3.1. A

rotina de decolagem foi criada para proceder sobre a pista do aerodromo, que pode ser

modificada para lancamentos forcados. E a rotina de aproximacao deve levar em consi-

deracao o local do final da rotina de decolagem e a posicao do VOR. Esta aproximacao

deve ser feita de forma a entrar na trajetoria de forma suave, proxima a tangencia da

circunferencia da inspecao. Para a etapa de inspecao sao criados WP’s dispostos sobre a

circunferencia que tem sua origem na posicao do VOR a ser inspecionado, com o raio esco-

lhido pelo projetista. Ao alcancar o ultimo WP, o RPA retorna para o local de decolagem

e permanece circulando neste ponto.

Para a criacao da trajetoria completa foi criado um codigo Matlabr que gera os WP’s


VOR

Decolagem

sobre a pista.

Aproximação da

trajetória de inspeção.

Trajetória de

inspeção.

FIGURA 3.1 – Formato da rotina automatica de inspecao, com as etapas de decolagem,aproximacao da trajetoria de inspecao e trajetoria de inspecao.

a partir dos dados de entrada: Local da decolagem; Proa da pista; Local da estacao VOR.

A rotina de criacao dos WP deve seguir um padrao aceito pelo gerenciador da missao. Os

WP devem estar em um arquivo de texto do tipo .TXT e cada um em uma linha seguindo o

formato da Tabela 3.1, obedecendo o padrao MavLink. Para a criacao de WP’s sem outra

funcao, apenas ponto de passagem, o Comando recebe o valor 16 e os parametros(Param1,

Param2, Param3 e Param4) devem receber o valor 0. Estes parametros sao utilizados caso

o RPA deva proceder em alguma funcao especial ao chegar ao WP, por exemplo chavear

para outro WP fora de sequencia.

TABELA 3.1 – Formatacao dos parametros para compor o WP para enviar ao Ardupilotpelo protocolo MavLink

N◦ WP 03 Comando Param1 Param2 Param3 Param4 Lat Lon Alt 1

Desta forma, utilizando esses comandos e possıvel construir a trajetoria da forma que

o projetista escolher. A partir, basicamente, da informacao de comando e da posicao

dos WP, a missao e construıda como se queira. Por exemplo, para construir um WP

com latitude −23.632755◦, longitude −46.661719◦ e altitude 90.0m a linha a ser inserida


mostrada na Tab. 3.2.

TABELA 3.2 – Exemplo insercao de WP.

1 0 3 16 0 0 0 0 -23.632755 -46.661719 90.00 1

Foi criada uma funcao, radial ponto, para calcular os valores de latitude e longitude de

um WP. Esta funcao, mostrada na Equacao 3.2, tem como entradas a latitude e longitude

atuais, a distancia para o proximo WP (∆S), o angulo entre os WP (ϕ) e a declinacao

magnetica local (δmag). A partir desta funcao, sao criados os WP’s de forma automatica.

O primeiro WP inserido e a posicao de decolagem, dando inıcio ao laco de calculo dos

WP’s da missao.

[latWP , lonWP ] = radial ponto(latatual, lonatual,∆S, ϕθ, δmag) (3.2)

Para a decolagem, foi proposto que o RPA procedesse sobre a pista ate atingir a

altitude dos testes, a fim de garantir uma regiao segura, sem edificacoes. Para isto, foram

criados seis WP’s em linha reta, com o angulo entre eles de valor igual a proa da pista.

Para a modificacao da altitude foi criado um valor ∆h, de forma a decolagem ser procedida

em passos igualmente espacados, onde a cada WP gerado e acumulando ∆h no valor da

altitude, ate atingir a altitude pretendida. A Equacao 3.3 mostra como e feito o calculo

deste valor, onde e levado em consideracao a altitude final (altitude) e o numero de WP’s

do procedimento (numeroWP ).

∆h =altitude

numeroWP

(3.3)

Apos o termino da rotina de decolagem, e dado inıcio a rotina de aproximacao. A

rotina de aproximacao leva em consideracao o ponto do termino da rotina de decolagem e

o ponto do VOR. Esta etapa sera composta por 30 WP’s. A Equacao 3.4 mostra a forma

de calculo de ∆Saprox. Este valor e responsavel pela aproximacao da aeronave a trajetoria

da inspecao. Esta equacao leva em consideracao a distancia para o VOR (∆SV OR), o raio

da trajetoria de inspecao (R) e o numero de WP’s da rotina de aproximacao (numeroWP ).

∆Saprox = − ∆SV OR −R

numeroWP − 1(3.4)

Apos a preparacao dos WP’s da rotina de aproximacao, e necessario determinar o

angulo em que o WP esta em relacao ao VOR. O Matlabr possui uma funcao para

realizar esse calculo que retorna o angulo θ entre o norte do primeiro ponto geodesico e a

reta formada entre o primeiro e o segundo ponto geodesico. A funcao azimuth, Equacao


3.5, tem como entrada os valores de latitude e longitude para os dois pontos em analise,

onde latvor e lonvor, pontos da estacao VOR e, lataeronave e lonaeronave pontos do receptor,

a Figura 3.2 mostra as entradas e a saıda desta funcao. Desta forma, para o estudo em

questao, e feita a correcao da declinacao magnetica local (δmag) na Equacao 3.5, como

mostra a Equacao 3.6.

θ = azimuth(latvor, lonvor, lataeronave, lonaeronave) (3.5)

θ = azimuth(latvor, lonvor, lataeronave, lonaeronave) − δmag (3.6)

Norte magnético(N)

VOR

θ

Longitude(°)

Latitude(°)

lonvor lonaeronave

lat vor

lat a

eronave

FIGURA 3.2 – Apresentacao das entradas (latvor, lonvor, lataeronave, lonaeronave) e da saıda(θ) da Equacao 3.5.

No inıcio da rotina de aproximacao sao calculados os valores de ∆S e θ para o ultimo

WP da rotina de decolagem. A cada uma das interacoes, o valor de ∆S acumula o valor

de ∆Saprox. Ja o valor de θ acumula o valor de 3◦, este valor foi escolhido para seguir a

mesma cadencia da trajetoria da missao, que possui esta variacao angular. Este valor foi

determinado apos uma serie de tentativas de geracao automatica da missao.

A trajetoria circular, para a execucao dos testes, foi criada como uma sequencia de

WP que formam uma circunferencia, com sua origem sendo a posicao da estacao VOR. Os


WP’s sao gerados utilizando-se o comprimento de arco DeltaS calculado em funcao do raio

da trajetoria definido pelo projeto e com variacao de 3◦ no valor do angulo, procedendo a

volta completa pois serao criados 120 WP’s. Porem, o raio utilizado para o calculo do WP

nao e exatamente o definido em projeto. Cada WP e calculado usando Rprojeto+Deltar ou

Rprojeto −Deltar, ver Figura 3.3. Isso faz com que o RPA realize uma trajetoria parecida

com o Slalom. Esta proposta foi feita para que o RPA tenda a executar uma trajetoria

proxima a projetada. Isto ocorre, pois, a tendencia do movimento, faz com que o RPA

passe por um WP a direita da origem do WP e outro a esquerda, fazendo o movimento

tender ao projetado.

Trajetória desejada

WP

WP

Origem do WP

WP

∆r∆r

∆r

FIGURA 3.3 – Construcao da trajetoria com pequena variacao do raio de forma a atingira trajetoria desejada.

3.2.2.1 Trajetorias resultantes

A construcao da trajetoria tem como entrada as variaveis de localizacao da estacao

VOR, o local da decolagem, a declinacao magnetica e a proa da pista. Desta maneira, o

algoritmo determina a melhor forma de aproximacao para a orbita da missao.

Por exemplo, no aeroporto de Sao Jose dos Campos - SP (SJC) a estacao VOR fica

em rota de aproximacao da proa 33 da pista. Nesse rumo, ao aproximar-se do aeroporto,

a aeronave encontra a estacao antes da pista. Ja no caso do aeroporto de Campinas - SP

(CPN), em rota de aproximacao nas duas proas possıveis da pista a aeronave encontra

primeiro a cabeceira da pista, ou seja, a estacao fica entre as duas cabeceiras de pista.

Na Figura 3.4, e possıvel ver o resultado da trajetoria, para o caso do aeroporto de SJC,

com decolagem procedendo a proa 33, com marcador (o) em azul. A rotina de decolagem

e realizada ate atingir a altitude de 90m. Em seguida, indicado com marcador (∗) em

vermelho, a aeronave procede em uma curva a esquerda comecando a aproximacao a orbita

de inspecao. Apos atingir a distancia para o VOR igual ao raio pretendido, de 0.5NM

(926m), a aeronave entra em orbita, com marcador (+) em amarelo, permanecendo ate

atingir o numero de voltas estipuladas.


-45.87 -45.865 -45.86 -45.855 -45.85 -45.845-23.255

-23.25

-23.245

-23.24

-23.235

-23.23Local de partida

Decolagem

Aproximação

Órbita de inspeção

FIGURA 3.4 – Construcao da trajetoria para sjc, com as rotinas de decolagem, aproxi-macao e orbita de inspecao.

Na Figura 3.5 e possıvel ver o resultado da trajetoria para o caso do aeroporto de

CPN, com decolagem procedendo a proa 33. A trajetoria foi construıda com os mesmos

parametros de raio e altitude, porem como a posicao de estacao esta dentro da orbita, a

aproximacao tem o comportamento diferente, porem de forma a obter o raio de 0.5NM

(926m) e proceder com a orbita da missao.

Nas Figuras 3.6 e 3.7, e possıvel ver a rotina de decolagem sobre a pista, para os

aeroportos de SJC e CPN, respectivamente. E possıvel ver tambem a diferenca entre os

dois casos devido ao posicionamento do VOR. No caso de SJC, onde a trajetoria se afasta

da pista para proceder na trajetoria circular e em CPN e mantida a tendencia apenas

procedendo na aproximacao.


-47.14 -47.135 -47.13 -47.125 -47.12-23.018

-23.016

-23.014

-23.012

-23.01

-23.008

-23.006

-23.004

-23.002

-23Local de partida

Decolagem

Aproximação

Órbita de inspeção

FIGURA 3.5 – Construcao da trajetoria para cpn, com as rotinas de decolagem, aproxi-macao e orbita de inspecao.


FIGURA 3.6 – Visao aerea da trajetoria construıda para inspecao do VOR de SJC (GO-

OGLE, 2018a).


FIGURA 3.7 – Visao aerea da trajetoria construıda para inspecao do VOR de CPN(GOOGLE, 2018b).

4 Sistema de posicionamento

Na atualidade existem diversas pesquisas onde o objetivo e o uso ou o estudo de

aplicacoes de RPA (DEUS et al., 2017) (SILVA et al., ). Estas pesquisas envolvem o sistema

como um todo, seus diversos subsistemas e a integracao entre eles (FELIZARDO, 2016).

Um braco dessas pesquisas envolve o sistema de posicionamento, que corresponde a fusao

entre o INS e GPS, de forma a possibilitar ao sistema de posicionamento leituras com boa

acuracia e em tempo real (KAMARUDIN; TAHAR, 2015) (DU et al., 2009).

O SPPA e o sistema utilizado pelo PA para realizar a navegacao usando coordenadas

geograficas. O uso do GPS em conjunto com o INS no SPPA possibilita a insercao de WP

usando posicionamento global, desta forma se torna viavel a criacao de missoes, pousos

e decolagens automaticas que podem necessitar de dados geograficos (IZADI et al., 2015)

(SKULSTAD et al., 2015). O SPPA tambem possibilita a criacao do registro de dados da

missao para posterior analise.

O uso do GPS para a navegacao deve levar em consideracao alguns fatores limitantes

como taxa de amostragem, acuracia e precisao das amostras de posicao. A taxa de

amostragem e uma variavel com valor maximo definido pelo fabricante do receptor do

GPS. A acuracia e a precisao da posicao estimada sao afetadas diretamente pela distancia

em que o receptor se encontra da origem do sinal (PANICE et al., 2017). A passagem por

zonas como a Ionosfera tambem pode causar interferencia no sinal recebido (KAPLAN;

HEGARTY, 2006). E diferencas entre o sistema de temporizacao do transmissor e do

receptor interferem na acuracia da estimativa (KAPLAN; HEGARTY, 2006). Por ser afetado

por essas interferencias, a posicao estimada pelo GPS sofre uma degeneracao, criando um

raio de incerteza para esta estimativa. Essa incerteza na posicao tem natureza de uma

distribuicao normal, tendo uma media e um desvio-padrao (ROHRER, 2017).

Neste capıtulo sao apresentados experimentos realizados a fim de verificar se o SPPA

possui a taxa de amostragem, precisao e acuracia das amostras de posicao necessarios

para a verificacao do VOR.

CAPITULO 4. SISTEMA DE POSICIONAMENTO 44

4.1 Ensaios para o sistema de posicionamento

A fim de estudar as informacoes fornecidas pelo SPPA em uso, esta secao apresenta um

experimento estatico e um dinamico, realizados de forma a verificar a taxa de aquisicao e

os erros de leitura de posicao. O estudo desses erros e de suma importancia para o correto

entendimento dos dados que forem obtidos pelo sistema. O ensaio estatico foi concebido

para verificar os erros de tendencia para a latitude e longitude. E o ensaio dinamico foi

criado de modo a verificar a distancia entre as amostras de posicao e a forma que esta

distancia esta relacionada com a taxa de amostragem do SPPA e a velocidade do veıculo

em que o PA esta embarcado.

E valido atentar que os dados de erro obtidos foram decorrentes de um numero limitado

de experimentos, especificamente, foram realizados quatro experimentos. Assim, e possıvel

que, em outros experimentos, realizados em dias ou horarios diferentes, os resultados

resultem em variacoes nestes valores de erros.

4.1.1 Ensaios estaticos

Essa etapa do experimento tem por objetivo dimensionar o erro devido a dispersao

tanto de tendencia como do raio de incerteza de posicao. Isso serve para validar o SPPA

do AP para execucao da missao de verificacao de alinhamento de uma estacao VOR.

Para a verificacao e quantizacao do desvio devido a tendencia e desvio padrao do

sistema de posicionamento do AP, foi proposto um experimento onde, em um ponto

geodesico conhecido, o sistema foi deixado por um determinado tempo. Esse experimento

busca a distribuicao durante o tempo de aquisicao. De posse do valor medio, e feita a

comparacao com o valor do ponto conhecido e tambem e determinado o desvio padrao da

amostra.

Foi concedido, pela Forca Aerea Brasileira, o acesso a dois pontos geodesicos no patio

do Aeroporto de SJC. Estes pontos tem sua localizacao conhecida e com altıssima precisao.

Ambos os pontos ficam a ceu aberto, o que possibilita o uso de um sistema GPS. A Figura

4.1 mostra a imagem por satelite, onde pode-se visualizar a posicao dos dois pontos com

a latitude e longitude de cada um.

O experimento foi feito da mesma forma nos dois pontos, foi deixado o aparato sobre

cada ponto por aproximadamente 40min de maneira estatica. A Tabela 4.1 mostra a

localizacao geodesica para os dois pontos de referencia onde o sistema foi colocado. A

Tabela 4.2 traz o erro de tendencia, maior erro e desvio-padrao da media, ambos em

metros, para as aquisicoes realizadas.

No primeiro caso, verifica-se um erro medio obtido pelas informacoes SPPA maiores


Ponto 2

-23.2225816361°

-45.8654871222°

Ponto 1

-23.2237288111°

-45.8642428055°

FIGURA 4.1 – Visao aerea do aeroporto de SJC (GOOGLE, 2018c) com a localizacao dosdois pontos geodesicos usados como referencia.

TABELA 4.1 – Coordenadas geodesicas dos dois pontos de referencia utilizados nos testes.

Ponto Latitude (◦) Longitude (◦)1 -23.2237288111 -45.86424280552 -23.2225816361 -45.8654871222

TABELA 4.2 – Valor dos erros e desvios-padrao dos dois pontos em (m).

Ponto εmedio (m) εmax (m) σ (m) σm (m)1 3.50 4.70 0.59 0.012 2.06 3.92 0.87 0.01

que no segundo caso. E possıvel ver, na Figura 4.2, a nuvem de pontos da aquisicao

referente ao primeiro ponto de referencia e tambem a localizacao desta nuvem em relacao

ao ponto de referencia no centro do cırculo de raio igual a 1m.

No segundo caso, onde as medidas foram feitas com o sistema SPPA localizado no

ponto 2, os dados obtidos estao apresentados na Figura 4.3. Neste experimento, verifica-

se que a nuvem de pontos obtidas pelo SPPA esta mais proxima da localizacao do ponto

geodesico utilizado como referencia, mostrando o menor erro apresentado na Tabela 4.2.


-45.864250 -45.864230

-23.223770

-23.223760

-23.223750

-23.223740

-23.223730

-23.223720Ponto de referência

SPPA

-1.62 0.27 2.16 4.04

-1.85

-0.38

1.09

2.57

FIGURA 4.2 – Nuvem de pontos, em azul, e referencia marcada no centro do cırculo com1m de raio.

4.1.1.1 Ensaio estatico sem coordenada geodesico

Para demostrar a acuracia verificada no experimento estatico, foi proposto um expe-

rimento fora dos pontos geodesicos conhecidos. Desta forma sera possıvel determinar se

a tendencia e alterada ao reiniciar o sistema e a dispersao dos pontos a partir de uma

distancia conhecida.

Neste experimento foi demarcado um ponto central, a partir desta referencia, foi de-

senhado um quadrado com a diagonal de 6m. Desta forma este quadrado esta inscrito

numa circunferencia com raio de 3m. As aquisicoes de dados serao realizadas nos quatro

vertices do quadrado. A Figura 4.4 mostra a disposicao dos cinco pontos a serem testa-

dos. O aparato e deixado por 5min em cada ponto, em seguida, e feita a mesma analise

estatıstica do primeiro experimento.

Apos fazer a analise dos dados do experimento, verificou-se que os pontos medios das

quatro nuvens em relacao a posicao central foram os descritos na Tabela 4.3. E possıvel

verificar que, levando em consideracao os desvios padrao, os quatro pontos estimados,

estao com distancia igual a distancia medida fisicamente. A Figura 4.5 mostra as quatro


-45.865495 -45.865485 -45.865475 -45.865465

-23.222610

-23.222605

-23.222600

-23.222595

-23.222590

-23.222585

-23.222580


SPPA

-0.20 1.12 2.43 3.75

-3.81

-2.40

-0.99

0.42

FIGURA 4.3 – Nuvem de pontos, em azul, e referencia marcada no centro do cırculo com1m de raio.

FIGURA 4.4 – Disposicao dos pontos para teste de referencia.

nuvens de pontos do experimento e um cırculo de referencia com o raio de 3m. E possıvel

ver que os pontos estao bem proximos ao cırculo de referencia.

Com esse segundo experimento e possıvel notar que o erro de tendencia se comportou

de maneira contınua.


TABELA 4.3 – Distancias entre os pontos medios e o centro cırculo, com seus desvios-padrao.

Distancia do centro (m) σm (m)1 2.77 0.642 2.31 0.893 2.72 0.624 2.27 0.78

-45.874480 -45.874460 -45.874440

-23.208440

-23.208430

-23.208420

-23.208410

-23.208400

-23.208390

Ponto de referência

SPPA

-0.78 1.35 3.47 5.60

-4.49

-2.43

-0.37

1.69

FIGURA 4.5 – Quatro nuvens de pontos referente as quatro pontos do experimento.

4.1.2 Ensaio dinamico

O ensaio dinamico foi concebido de forma a possibilitar a analise da distancia entre as

amostras de posicao (δx) fornecidas pelo SPPA e a analise do erro entre o valor de posicao

fornecido pelo SPPA e o valor de posicao fornecido por um GPS diferencial ( do ingles

Differential Global Positioning System(DGPS)), usado como o valor de referencia. Esta

analise da distancia entre as amostras de posicao e importante para entender a forma que

δx varia em funcao da velocidade do veıculo onde o PA esta embarcado. O distanciamento

tambem esta ligado a taxa de aquisicao da posicao para cada sistema.


4.1.2.1 Sistemas de posicionamento utilizados

As trajetorias do ensaio dinamico foram adquiridas com o uso do SPPA e de um DGPS.

O DGPS utilizado foi o DL-V3 do fabricante NovAtel cedido gentilmente pelo comando

do Instituto de pesquisas e Ensaios em Voo(IPEV) da Aeronautica Brasileira, sediado em

SJC.

O DGPS utilizado suporta a taxa de aquisicao de ate 20Hz, sendo que estava ajustado

para 10Hz. Este possui acuracia de posicao de 0.45m (NOVATEL, 2009). O GPS utilizado

pelo SPPA tem acuracia para a posicao inferior a 2.5m e taxa maxima em 10Hz (UBLOX,

2016).

O GPS utilizado pelo SPPA tem a taxa de aquisicao fixada em 5Hz. Para comple-

mentar as leituras, aumentando a taxa do sistema completo ou para a navegacao no caso

de perda do sinal do GPS, o AP faz uso do INS. Usando-se INS e GPS e possıvel tam-

bem aumentar a resolucao do sistema (LIM et al., 2014). Neste experimento, pretende-se

mostrar a precisao do SPPA com a taxa de 7Hz, valor proposto na Secao 3.1, para ser

embarcado em missao para verificacao de alinhamento de uma estacao VOR.

A Tabela 4.4 mostra as caracterısticas dos dois equipamentos, DGPS e GPS, onde

e possıvel ver a maior precisao do sistema DGPS, a partir da caracterıstica quanto a

acuracia, e a maior taxa de aquisicao. Utilizou-se o DGPS para gerar a referencia do

experimento a ser executado.

TABELA 4.4 – Comparacao entre os equipamentos de DGPS e de GPS.

Equipamento Acuracia(m) Precisao(m) Max. taxa(Hz) Taxa utilizada(Hz)DL-V3(DGPS) 0.45 <0.25 20 10

m8n(GPS) 2.5 – 10 5

4.1.2.2 Trajetorias

Foram feitos dois experimentos com velocidades medias diferentes, de forma a compa-

rar a influencia da velocidade na aquisicao dos dados. A trajetoria 1 foi executada com

velocidade media Vm ≈ 1m/s, e a trajetoria 2 com Vm ≈ 3m/s. As duas trajetorias foram

executadas em ambiente aberto, em uma tarde de ceu aberto, com poucas nuvens.

Foram retirados dois intervalos de cada uma das trajetorias, totalizando quatro in-

tervalos, para os quais as informacoes obtidas com o SPPA serao comparadas com as

informacoes obtidas do DGPS, que serao consideradas as informacoes de referencia. Os

intervalos 1.1 e 1.2 foram retirados da trajetoria 1 os intervalos 2.1 e 2.2 foram retirados

da trajetoria 2.


A Figura 4.6 mostra a visao por satelite mostrando a posicao media onde cada intervalo

se encontra.

1.2

2.2

2.1

1.1

FIGURA 4.6 – Visao aerea (GOOGLE, 2018d) da posicao central dos quatro intervalos.

As Figuras 4.7 e 4.8 mostram, respectivamente, os intervalos 1.1 e 1.2, retirados da

trajetoria 1 (Vm ≈ 1m/s). Nestas figuras, e possıvel notar o afastamento entre as posicoes

aquisitadas com o DGPS, com marcador −x− em preto, e as aquisitadas com o SPPA,

com marcador −o− em vermelho.


-45.864370 -45.864360 -45.864350 -45.864340 -45.864330 -45.864320

-23.223610

-23.223600

-23.223590

-23.223580

-23.223570

-23.223560

SPPA

DGPS

0.00 2.00 4.00 6.00

-6.85

-4.57

-2.28

0.00

Tempo inicial

Tempo final

FIGURA 4.7 – Intervalo 1.1, retirado da trajetoria 1, mostrando em vermelho (−o−) aaquisicao do SPPA e em preto (−x−) a do DGPS.

-45.865300 -45.865250 -45.865200 -45.865150 -45.865100

-23.222950

-23.222900

-23.222850

-23.222800

-23.222750

SPPA

DGPS

0.00 8.07 16.14 24.21

-26.87

-17.91

-8.96

0.00

Tempo final

Tempo inicial


As Figuras 4.9 e 4.10 mostram, respectivamente, os intervalos 2.1 e 2.2, retirados da

trajetoria 2 (Vm ≈ 3m/s). Nestas figuras, e possıvel notar o afastamento entre as posicoes

aquisitadas com o DGPS, com marcador −x− em preto, e as aquisitadas com o SPPA,


com marcador −o− em vermelho.

-45.864700-45.864650-45.864600-45.864550-45.864500-45.864450-45.864400

-23.223550

-23.223500

-23.223450

-23.223400

-23.223350

-23.223300

SPPA

DGPS

0.00 10.54 21.09 31.63

-38.36

-25.57

-12.78

0.01

Tempo inicial

Tempo final


-45.864820 -45.864780 -45.864740 -45.864700 -45.864660 -45.864620

-23.223340

-23.223320

-23.223300

-23.223280

-23.223260

-23.223240

-23.223220

-23.223200

-23.223180

-23.223160 SPPA

DGPS

0.00 6.65 13.29 19.94

-24.78

-16.52

-8.26

0.00

Tempo final

Tempo inicial


Na Figura 4.10 e possıvel notar algumas falhas na aquisicao do SPPA. Este problema

pode estar ligado a erros de temporizacao para a aquisicao e/ou armazenamento do posi-


cionamento. Isto mostra a necessidade de ser realizada mais de uma volta na verificacao

do VOR. Ao dar varias voltas este problema e minimizado quando forem realizados os

calculos de media e desvio-padrao da media.

4.1.2.3 Analise da distancia entre as amostras (δx)

A norma(ICAO, 2000) preve uma incerteza maxima de 0.6◦ para a calibracao do ali-

nhamento do VOR. Para a trajetoria proposta na Secao 3.2, com raio de 0.5NM (926m),

esta incerteza, quando convertida para metros, passa a ter o valor de 9.6m.

Assim o sistema de posicionamento, para ser adequado ao estipulado em norma, deve

ser capaz de fornecer dados sobre a posicao com δx inferior a 9.6m. Desta forma, ao

somar o desvio-padrao da media, calculado para o experimento estatico, com o δx do

experimento dinamico, o valor resultante deve ser menor ou igual a 9.6m.

As trajetorias dinamicas foram executadas com velocidades inferiores a velocidade

estipulada para a realizacao da missao. Esta velocidade foi fixada em 10.5m/s, ou seja,

e necessario realizar a extrapolacao dos resultados obtidos para estimar o δx para esta

velocidade.

Para esta extrapolacao foi feita uma regra de tres simples, desta forma a Equacao 4.1

mostra como sera estimado o valor da distancia entre as amostras para a velocidade que

sera realizada a missao, δxfuturo, a partir da distancia entre as amostras atual, δxatual, a

velocidade atual, Vatual, e a velocidade da missao final, Vfuturo.

δxfuturo =δxatual · Vfuturo

Vatual(4.1)

A Tabela 4.5 mostra os resultados desses quatro intervalos para a aquisicao do SPPA,

com os valores de distancia entre as amostras para a velocidade atual, a velocidade atual

e, a extrapolacao da distancia entre as amostras para a velocidade de 10.5m/s.

TABELA 4.5 – Distancia entre as amostras para a velocidade atual e projecao para avelocidade de cruzeiro de 10.5m/s utilizando o SPPA.

Intervalo δxatual (m) Vatual (m/s) δxfuturo (m) Vfuturo (m/s)1.1 0.15 1.15 1.37 10.51.2 0.16 1.10 1.53 10.52.1 0.33 2.76 1.26 10.52.2 0.44 3.52 1.31 10.5

A Figura 4.11 mostra o comportamento para o δxfuturo, estimado pela Equacao 4.1

para os quatro intervalos analisados das aquisicoes do SPPA. E possıvel verificar que o


valor tem um comportamento proximo de uma constante, ou seja, com pouca variacao em

torno de um valor medio. Desta forma o valor de δxfuturo e estimado em (1.37 ± 0.06)m.

1 2 3 4

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2

FIGURA 4.11 – Projecao dos valores de distancia entre as amostras para a velocidade de10.5m/s com o uso do SPPA.

Foi realizada a mesma analise para os dados aquisitados pelo DGPS, que foram reali-

zados para os dados do SPPA. A Tabela 4.6 mostra os resultados desses quatro intervalos

para a aquisicao do DGPS, com os valores de distancia entre as amostras para a veloci-

dade atual, a velocidade atual e, a extrapolacao da distancia entre as amostras para a

velocidade de 10.5m/s.

TABELA 4.6 – Distancia entre as amostras para a velocidade atual e projecao para avelocidade de cruzeiro de 10.5m/s utilizando o DGPS.

Intervalo δxatual (m) Vatual (m/s) δxfuturo (m) Vfuturo (m/s)1.1 0.12 1.15 1.10 10.51.2 0.11 1.10 1.05 10.52.1 0.28 2.76 1.07 10.52.2 0.35 3.52 1.04 10.5

A Figura 4.12 mostra o comportamento para o δxfuturo, estimado pela Equacao 4.1

para os quatro intervalos analisados das aquisicoes do DGPS. Da mesma maneira que

para o caso do SPPA, e possıvel verificar o comportamento constante do valor do δxfuturo.

Desta forma o valor de δxfuturo, para o DGPS, e estimado em (1.06 ± 0.01)m.

A diferenca entre os valores de δxfuturo, para o SPPA e o DGPS, estao ligadas as

diferentes taxa de aquisicao, 7Hz e 10Hz, respectivamente. Porem, mesmo com esta

diferenca e possıvel verificar o comportamento semelhante para os dois sistemas.


1 2 3 4

0.5

1

1.5

FIGURA 4.12 – Projecao dos valores de distancia entre as amostras para a velocidade de10.5m/s com o uso do DGPS.

A Figura 4.13 mostra o comportamento linear do δx em funcao da velocidade, para

as amostras conhecidas e para a extrapolacao. Desta forma foi realizada a interpolacao

linear, dos valores conhecidos, para estimar o valor de δxfuturo.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

FIGURA 4.13 – Grafico da distancia entre as amostras em funcao da velocidade.

Aplicando a ferramenta Curve Fitting do Matlabr nos dados de distancia entre as

amostras, δx, em funcao da velocidade, V , ambos da Tabela 4.5, foi determinado a Equa-

cao 4.2.

δx(V ) = 0.1161 · V + 0.02245 (4.2)


Desta forma, aplicando V = 10.5 na Equacao 4.2, o valor de δxfuturo calculado foi

1.24m, proximo ao valor, 1.37m, estimado pelo outro metodo. Desta forma, foi mostrado

a linearidade entre as duas analises.

Realizando a comparacao entre os valores estimados de δxfuturo com o maximo previsto

em norma, de 9.6m, estes valores maximos sao de apenas 14.3% e 11.0% do valor maximo

dado pela norma, para o SPPA e DGPS, respectivamente. A diferenca entre os dois

resultados esta ligada a taxa de amostragem dos dois sistemas, 7Hz para o SPPA e 10Hz

para o DGPS, porem o resultado foi semelhante nos dois casos. Desta forma, os dois

sistemas estao aptos a serem utilizados para a verificacao do VOR.

4.1.2.4 Analise do erro de tendencia

O erro de tendencia e o desvio entre o valor de referencia e o valor obtido, para este caso

de geo-posicionamento ha um desvio para latitude e um para longitude. No experimento

dinamico, onde foi utilizado o DGPS como referencia, foi possıvel notar que o modulo da

tendencia tem baixa variacao com o tempo ou com a velocidade.

A Tabela 4.7 mostra os valores numericos para os erros de tendencia para os quatro

intervalos. Esses erros foram obtidos pela diferenca entre o valor obtido pelo SPPA e pelo

DGPS.

TABELA 4.7 – Erros, medio e maximo para a latitude e longitude medidos em graus (◦).

Ponto Latitude Longitudeεmedio (◦) εmax (◦) εmedio (◦) εmax (◦)

1.1 -2.04e-05 -2.04e-05 1.68e-05 1.68e-051.2 -2.68e-05 -2.68e-05 1.30e-05 1.30e-052.1 -2.74e-05 -2.74e-05 2.19e-05 2.19e-052.2 -3.09e-05 -3.09e-05 2.43e-05 2.43e-05

A partir dos valores de tendencia media, e possıvel calcular o valor medio para a

latitude e a longitude. Este procedimento tem um resultado semelhante ao resultado do

experimento estatico, porem sendo utilizado o DGPS como referencia.

A Tabela 4.8 mostra os valores medios para a tendencia de latitude e longitude. E

possıvel verificar que ambos os metodos atingiram resultados numericos semelhantes.

4.1.3 Resultados

Apos a realizacao dos dois experimentos, estatico e dinamico, e possıvel comparar os

resultados obtidos com os valores estipulados pela norma (ICAO, 2000).


TABELA 4.8 – Comparacao entre os valores de tendencia medio obtidos com uso dos doistipos de referencia, marcos geodesicos ou DGPS

Referencia Tend. Latitude(◦) Tend. Longitude(◦)Marco Geodesico 2.728e-05 -1.62e-05

DGPS 2.638e-05 -1.90e-05

Para a composicao do erro de posicao do SPPA e preciso somar o erro devido a taxa

de amostragem, δx, com o erro de tendencia. Desta forma e possıvel determinar o erro

instrumental para as leituras de posicionamento. O δx utilizado para a composicao do

erro instrumental sera o δxfuturo, pois deve ser levado em consideracao a velocidade na

qual a aeronave executara a missao. A Equacao 4.3 mostra como e feito o calculo do erro

instrumental para o caso do SPPA.

erro = tendencia+δxfuturo

2(4.3)

O valor da tendencia corresponde a um erro de calibracao do instrumento. Ja o valor

de δxfuturo tem uma parcela semelhante ao desvio-padrao, pois ele gera uma regiao de

incerteza da posicao correta da leitura, por este motivo o valor e dividido por 2.

Desta forma, ao substituir o valor de tendencia pelo maior valor da Tabela 4.2, 3.50m,

e valor de δxfuturo pelo maior valor da Tabela 4.5, 1.53m, o valor do erro instrumental e

igual a 4.27m. Este valor corresponde a um erro para a leitura do VOR, em uma trajetoria

de 0.5NM , de 0.26◦ e este valor e inferior ao erro maximo descrito na norma (ICAO, 2000),

que e 0.3◦ para erros de estrutura da radial e 0.6◦ para erros de desalinhamento. Desta

forma, mesmo considerando os valores obtidos sem calibracao do SPPA, os resultados

demostraram-se dentro dos padroes da norma.

Foi feita a correcao do erro de tendencia medio para os mesmos quatro intervalos,

buscando a minimizacao do erro da posicao. Esta correcao vem com a proposta de realizar

a calibracao do SPPA antes do inıcio da missao.

A Tabela 4.9 mostra os erros medios da tendencia para os tres casos: tendencia sem

correcao; correcao pelo resultado obtido no experimento estatico, utilizando um ponto

geodesico como referencia; correcao pelo resultado obtido pelo experimento dinamico,

utilizando um DGPS como referencia.

Foi feito, no pos-processamento, a adicao de um fator de correcao. Para o caso dos

pontos geodesicos, o valor do fator de correcao do erro de tendencia foi calculado a partir

da media dos dois resultados. Para o caso do uso do DGPS como referencia, a media foi

calculada utilizando os quatro intervalos analisados.

E possıvel verificar na Tabela 4.9 que a correcao do erro de tendencia mostrou-se eficaz,


TABELA 4.9 – Comparacao do erro de tendencia entre os dois modos de correcoes pro-postos.

Correcao CorrecaoIntervalo Tendencia (m) Ponto geodesico (m) DGPS (m)

1.1 2.45 0.53 0.541.2 2.53 0.67 0.362.1 3.23 0.33 0.632.2 3.61 0.69 0.95

ao minimizar o valor em 81.2% e 79.1%, respectivamente, usando ponto geodesico como

referencia e usando o DGPS como referencia.

Utilizando os valores corrigidos do erro de tendencia para recalcular o erro instru-

mental, utilizando o maior valor obtido pela correcao do experimento dinamico, o erro

instrumental tem seu novo valor igual a 1.72m. E para o caso da verificacao do VOR,

com a trajetoria com raio de 0.5NM o erro corresponde a 0.11◦, aproximadamente um

terco do mınimo necessario para a realizacao da verificacao do VOR, justificando assim o

desenvolvimento de uma forma de realizar a calibracao do SPPA.

Estes resultados foram obtidos com um numero limitado de ensaios, desta forma e

possıvel que os resultados variem de acordo com o numero de satelites visıveis durante os

ensaios e fatores climaticos. Assim, caso haja um maior numero de ensaios podem ocorrer

variacoes nos resultados.

5 Correcao do GPS - Tereza

Apos determinar os erros para a leitura de posicionamento do SPPA no Capıtulo 4

e apresentar a possibilidade de correcao do erro de tendencia do sistema na Secao 4.1.3,

foi feita a proposta de desenvolvimento de um compensador que seja capaz de corrigir de

forma dinamica as leituras do GPS.

Assim, foi criado um sistema utilizando a plataforma de desenvolvimento Arduino Due

que possui um microcontrolador da famılia ATSAM3X8E, fabricado pela Microchipr.

Este microcontrolador possui uma frequencia de operacao de 84MHz, quatro portas seri-

ais, das quais serao utilizadas duas. Com essas caracterısticas e possıvel realizar a leitura

dos dados, o calculo e a escrita dos valores corrigidos.

Apesar de haver equipamentos DGPS capazes de serem embarcados na aeronave, foram

feitos estes ensaios para determinar se seria possıvel corrigir os erros de tendencia no

sistema GPS nativo da aeronave.

5.1 Sistema completo

O sistema completo e composto pelo GPS, pelo compensador e pelo AP. O GPS

recebera os valores de posicao, o compensador calculara o erro de tendencia das leituras

e enviara os valores corrigidos ao AP. O compensador foi construıdo de forma que o AP

nao percebera que existe algo entre ele e o receptor do GPS. O AP recebera um sinal

semelhante ao esperado da transmissao do GPS sem modificacoes. Desta forma nao ha

necessidade de se alterar o codigo original do AP, isso e um facilitador para o compensador

ser inserido em outros controladores.

O GPS envia para o Ardupilot cinco conjuntos de dados para cada leitura, Navigation

Solution, Navigation Status, Geodetic Position, Dilution of Precision e Velocity in WGS

84 (UBLOX, 2016). Cada um desses conjuntos possui uma finalidade distinta, por exemplo

a Dilution of Precision mostra ao sistema a medida dos erros aleatorios referentes a aquela

leitura.

O conjunto Geodetic Position, que possui os dados de horario, longitude, latitude,

CAPITULO 5. CORRECAO DO GPS - TEREZA 60

altitude sobre o elipsoide - WGS 84(aproximacao matematica para o formato da terra

(KUMAR, 1988)), altitude sobre o nıvel do mar, acuracia horizontal e acuracia vertical.

Para a correcao do erro de posicionamento serao alterados os valores de latitude e longitude

deste conjunto de dados.

A Figura 5.1 mostra o sistema completo, com o compensador intermediando os dados

enviados pelo GPS para o AP, onde todos os dados passam pelo compensador, porem

somente os dados de posicionamento sao corrigidos utilizando as informacoes de erro de

tendencia calculado. E feita a separacao dos dados recebidos e verificado a qual conjunto

ele pertence. Caso seja o conjunto Geodetic Position e feito ou o armazenamento para

o calculo das medias ou a correcao das medidas, utilizando o fator de correcao de erro

calculado. Esta decisao precisa ser feita pois o calculo das medias e feito somente durante

a inicializacao do sistema, onde sao gerados os dois valores para a correcao da latitude e

longitude. Apos a inicializacao, durante a efetiva missao em voo, os fatores de correcao,

calculados na inicializacao, sao utilizados para a correcao dos dados de latitude e lon-

gitude do conjunto Geodetic Position. Para os demais conjuntos os dados sao enviados

diretamente para a porta de saıda.

Microcontrolador(Tereza)

GPS Ardupilot

Configurações

FIGURA 5.1 – Fluxograma do sistema completo, onde se pode ver onde e inserido ocompensador.

Sao feitas mudancas somente nos dados referentes a latitude e longitude. Desta forma

os dados de horario, altitude (sobre o elipsoide e sobre o nıvel do mar) e, acuracia (horizon-

tal e vertical), assim como os conjuntos Navigation Solution, Navigation Status, Dilution

of Precision e Velocity in WGS 84, nao serao afetados pelo compensador.

5.2 Compensador - Tereza

O compensador Tereza tem seu princıpio baseado em uma tomada de dados inicial,

onde sao calculadas as medias para a latitude e longitude em um determinado intervalo

de tempo. A partir dessa media, sabendo-se a posicao onde o sistema foi deixado durante

a inicializacao, e calculado o erro medio para a latitude e longitude e feito armazenamento

do valor, de forma a minimiza-lo ou ate cancela-lo nas amostras seguintes.


A Figura 5.2 mostra o fluxograma completo do sistema. O sistema deve ser deixado

por um tempo (inicialmente configurado em 5min) sobre um ponto conhecido com boa

precisao. Desta forma, ao iniciar a rotina sao tomadas as medias para a latitude e longitude

e, calculado o desvio medio entre estes os dados do ponto de referencia. Este valor

resultante e o desvio de tendencia que, apos o tempo determinado o Tereza passa a

corrigir automaticamente esse erro para todas as leituras posteriores.


Lê GPS

contador amostras > 150contador amostras++

contador amostras = 0

Geodetic Position

Envia dado

N

flag média = 0(Latitude, Longitude) -= correção N

médias(contador média) += (Latitude, Longitude)*1e-2

contador média++

contador média >= 10

N

i < contador média

médias(contador média) += médias(i)

i++

correção = médias(contador média) / contador média

flag média = 1

N

N

Microprocessador(Tereza)

médias(contador média) =(((médias(contador média) *1e2)/contador amostras) – ponto geodésico)

Cálculo do checksum

contador amostras = 0

flag média = 0

contador média = 0

i = 0

FIGURA 5.2 – Fluxograma do codigo de leitura e correcao das leituras do GPS.


A Tabela 5.1 mostra o formato do pacote de enviados pelo GPS. A partir do conheci-

mento do formato e possıvel desenvolver o compensador das leituras.

TABELA 5.1 – Formato do pacote de dados enviados pelo GPS

sinc 1 sinc 2 classe ID dados (little endian) CK A CK B

Cada conjunto de dados recebido possui um identificador para realizar a separacao

dos pacotes. A informacao e iniciada com dois bytes (0xB5 0x62), sinc 1 e sinc 2 res-

pectivamente. Com isso o Tereza e capaz de identificar que esta sendo recebido um novo

conjunto de dados. Ha um terceiro byte que identifica a classe, (0x01) para estes casos.

O quarto byte e o identificador, ID, de cada um dos conjuntos, Navigation Solution

(0x06), Navigation Status (0x03), Geodetic Position (0x02), Dilution of Precision (0x04)

e Velocity in WGS 84 (0x12).

Apos esta sequencia que delimita qual informacao esta sendo recebida, o GPS envia a

sequencia de dados referentes a leitura em si, construıdos sequencialmente do byte menos

significativo para o mais significativo, formato que e conhecido como little endian. A

sequencia recebida do GPS e dependente da informacao, desta forma os dados podem

variar de tamanho e de tipo. Por exemplo a latitude e um valor de quatro byte’s com

sinal e utiliza complemento de dois.

Os dados referentes a latitude e longitude tem um fator de escala de 1e-07 e tem

o valor dado em graus (◦), os demais valores nao possuem fator de escala. Por esse

motivo os valores de latitude e longitude sao numeros inteiros de ate dez algarismos. Por

serem numeros grandes, o calculo dos valores medios foi subdividido em media de medias.

E realizado o calculo da media entre 150 valores, armazenado este valor e apos isto e

calculada a media entre dez destas medias. Isto e feito para que o valor armazenado nao

ultrapasse o limite da memoria do processador.

Os dois ultimos bytes, CK A e, CK B, sao o checksum. Estes bytes sao calculados

como mostra o Algoritmo 1. Para realizar este calculo, sao utilizados os valores que serao

enviados, desde o byte referente a classe, ate o ultimo dado da sequencia. Sem o correto

valor para os bytes do checksum, o conjunto de dados nao e validado.

Para o calculo do CK A, basicamente se soma todos os valores desde a classe ate o final

dos dados. Ja o CK B e feito o acumulo dos valores do CK A e, apos o final das somas,

ambos sao passados por uma mascara de dois bytes para finalizar o processo, conforme

descrito no Algoritmo 1. O calculo do checksum so e necessario para o caso do geodetic

position pois, e o unico conjunto que sera modificado.


Algoritmo 1: Calculo do checksum

Entrada: classe, ID, dadosSaıda: CK A, CK B

1 inıcio2 CK A = 03 CK B = 04 para i de 0 ate tamanho(dados) + 2 faca5 se i = 0 entao6 CK A = CK A + classe7 fim se8 senao se i = 1 entao9 CK A = CK A + ID

10 fim se11 senao12 CK A = CK A + dados[i - 2]13 fim se14 CK B = CK B + CK A

15 fim para

16 fim17 CK A = CK A & 0xFF18 CK B = CK B & 0xFF19 retorna CK A, CK B

5.3 Resultados

Para executar testes de funcionamento do Tereza foram realizadas duas tomadas de

dados em local proximo ao ponto 2 da Tabela 4.1. Foram realizados dois experimentos

com erros de posicionamento forcados. Em ambos os experimentos, o sistema foi deixado,

de forma estatica, em um ponto distante do ponto de referencia. A tomada de dados 1

com distancia de 20m e a tomada 2 com distancia de 25m. Desta forma, durante 5min o

Tereza calcula o erro entre a posicao estimada e o ponto de referencia. Apos ser executado

o calculo dos erros de latitude e longitude, o Tereza armazena estes valores para corrigir os

valores posteriores. Na segunda etapa do experimento, durante 10min, o Tereza aquisita

a estimativa da posicao e corrige o erro forcado, fazendo com que a posicao estimada seja

transportada para o ponto de referencia.

A Figura 5.3 mostra o resultado da tomada de dados 1, onde e possıvel verificar a

proximidade do ponto de referencia com os limites da probabilidade da tomada de dados.

Isso e resultado da baixa tendencia para a posicao media.


-45.865495 -45.865490 -45.865485 -45.865480 -45.865475

-23.222590

-23.222588

-23.222586

-23.222584

-23.222582

-23.222580

-23.222578

-23.222576


SPPA

Círculo de referência (1 m)

-0.83 -0.16 0.52 1.19

-1.24

-0.44

0.35

1.14

FIGURA 5.3 – Tomada de dados 1, onde a aquisicao foi realizada a 20m de distancia doponto 2 da Tabela 4.1, marcado com + no centro do cırculo.

A Figura 5.4 mostra o resultado para a tomada de dados 2, onde e possıvel verificar

que o ponto de referencia esta dentro dos limites da estatıstica da tomada de dados. Os

resultados mostrados na Figura 5.3 e 5.4 demonstram o pequeno erro de posicao para as

duas tomadas de dados.

-45.865495 -45.865490 -45.865485 -45.865480 -45.865475-23.222595

-23.222590

-23.222585

-23.222580

-23.222575

Ponto de referência

SPPA

Círculo de referência (1 m)

-0.72 0.07 0.87 1.66

-0.58

0.26

1.10

1.94

FIGURA 5.4 – Tomada de dados 2, onde a aquisicao foi realizada a 25m de distancia doponto 2 da Tabela 4.1, marcado com + no centro do cırculo.


Foram feitos os calculos das estatısticas para as duas tomadas de dados e sao mostradas

na Tabela 5.2 os dados para latitude e longitude. Foi verificado uma diminuicao nos erros

de tendencia, 91.1% para a latitude e, 61.8% para a longitude, ambos para a tomada 1, que

foi o pior caso. Houve tambem uma variacao nos valores dos desvios-padrao, porem esse

valor pode ter seu valor alterado por razoes climaticas, nao necessariamente em funcao

do Tereza.

TABELA 5.2 – Valor dos erros e desvios-padrao da media, para latitude e longitude, dasduas tomadas de dados em (◦).

Tomada Latitude Longitudeεmedio (◦) σm (◦) εmedio (◦) σm (◦)

1 1.65e-06 5.75e-08 -5.08e-06 5.51e-082 3.53e-06 6.00e-08 -7.48e-08 8.20e-08

Na Tabela 5.3 sao mostrados os valores dos erros em metros para as duas tomadas de

dados.

TABELA 5.3 – Valor dos erros e desvios-padrao das duas tomadas de dados em (m).

Tomada εmedio (m) εmax (m) σ (m) σm (m)1 0.58 1.53 0.50 0.012 0.27 1.70 0.66 0.01

Comparando o pior caso da Tabela 5.3 com os valores para o ponto 2 da Tabela 4.2,

foi verificado uma diminuicao relativa de 71.8% do valor da tendencia e o erro maximo

diminuiu 73.0%. Desta forma foi verificado a diminuicao do erro de tendencia com a

insercao do Tereza no ciclo das leituras.

Aplicando o maior valor de tendencia da Tabela 5.3, 0.58m, em conjunto com valor

de δrfuturo da Tabela 4.5, 1.53m, na Equacao 4.3 o valor do erro instrumental e igual a

1.35m. Este valor corresponde a um erro para a leitura do VOR, em uma trajetoria de

0.5NM , de 0.09◦.

Este valor e semelhante que o valor corrigido, utilizando pos-processamento da Se-

cao 4.1.3, que foi de 1.72m e 0.11◦. Isto mostra que o compensador proposto teve seu

comportamento conforme o esperado, minimizando o erro de tendencia do SPPA.

6 VOR

O VOR e um facilitador de voo, capaz de fornecer a referencia ao norte de uma

estacao VOR sintonizada (NAVIGATION. . . , 2016). Esta referencia, tambem conhecida

como azimute, e o angulo (θ) entre a estacao e a aeronave. Ao se tomar os valores inteiros

de θ, sao formadas radiais que funcionam como vias, sendo delimitadas pelo angulo inteiro

em relacao ao norte, ou seja, sao 360 vias tendo o valor crescendo em sentido horario a

partir do Norte.

Periodicamente as estacoes de VOR devem passar por inspecao, para garantir que

as aeronaves nela sintonizadas tenham a referencia com fidelidade(ICAO, 2000). Para

realizar a inspecao, na atualidade, e utilizada em territorio brasileiro uma aeronave de

medio porte(FAB, 2017), que envolve uma operacao complexa, desde pessoal com alto

grau de especialidade, ate a necessidade de entrada no espaco aereo-segregado.

Devido a esta alta complexidade, esta sendo conduzido o estudo da viabilidade de

uso de RPA’s para inspecao em voo. Aqui, trabalhamos com a proposta do uso de um

RPA, com PA comercial, executando uma trajetoria pre-determinada, em torno da estacao

VOR a fim de realizar a inspecao. Para demostrar a viabilidade dessa substituicao, foram

realizados testes em HIL, a fim de determinar o raio e a quantidade de voltas em torno

da estacao para minimizar os erros de leitura.

6.1 Normatizacao e conceito do estudo

Para a verificacao de uma estacao VOR, devem ser levados em consideracao quatro

tipos de erros, alinhamento e os erros de modulacao, bend, roughness e scalloping (ICAO,

2000). Estes erros tem valores de tolerancia ao erro diferentes (AERONAUTICA, 2017):

Alinhamento – Erro com valor invariante no tempo. Este erro tem tolerancia de

±2.0◦ (AERONAUTICA, 2017).

Bend – Erro periodico de frequencia baixa. A tolerancia a este erro e de ±3.5◦

(AERONAUTICA, 2017).

CAPITULO 6. VOR 68

Roughness – Erro brusco, nao cadenciado, como uma via esburacada. A tolerancia

a este erro e de ±3.0◦ (AERONAUTICA, 2017).

Scalloping – Erro periodico de frequencia elevada, a tolerancia a este erro e de ±3.0◦

(AERONAUTICA, 2017).

Os erros de bend, roughness e, scalloping ocorrem devido a fatores geograficos como,

topologia da regiao, torres de celular e edificacoes. Estes tres erros afetam a qualidade

da via aerea e, dependendo de sua dimensao, podem tornar a radial, ou um conjunto de

radiais, nao navegaveis. Estes fatores fazem com que o modelamento destes erros seja

complexo. Tendo em vista isto, quando os ensaios forem executados estes erros devem

ser levados em consideracao (GREVING et al., 2014). Deste modo, apesar deste trabalho

ter como objeto de maior interesse a determinacao do erro de alinhamento nas estacoes

VOR, tambem foi feita a insercao de erros de modulacao, como modelo arbitrario, mas

representativo dos erros em questao.

Para determinar o erro de desalinhamento foi desenvolvido um procedimento para a

aquisicao e analise dos dados. Segundo a norma (ICAO, 2000), o erro de desalinhamento e

a media aritmetica dos erros absolutos das 360 radiais. A Figura 6.1 mostra as regioes de

interesse desse trabalho. A delimitacao dessas regioes e muito importante pois, e baseado

no entendimento delas todo o algoritmo desenvolvido.

Centro da radial

Limite da radialLargura da radialRegião de decisão

Raio

FIGURA 6.1 – Regioes de interesse da analise do VOR, largura, centro, limite da radiale regiao de decisao.

CAPITULO 6. VOR 69

Raio(R) - Distancia entre o VOR e a aeronave. As outras quatro componentes mos-

tradas na Figura 6.1, largura, centro, limite e regiao de decisao, sao variaveis em funcao

do raio. Desta forma, ao se determinar o valor do raio da trajetoria todos os outros

parametros sao determinados por consequencia.

Largura(w) - A largura da radial e dada em funcao do raio da trajetoria. A Equacao

6.1 mostra essa dependencia. Tendo o comprimento da circunferencia sendo descrito em

funcao do raio, e feita a divisao pelas 360 radias para encontrar a largura da radial.

w =2.π.R

360◦ (6.1)

Centro - O centro da radial e definido como a linha que parte da origem e vai ate o raio

de alcance da estacao e tem o azimute como o valor intermediario entre as duas radiais

adjacentes.

Limite - O limite da radial e a linha que, partindo da origem, possui o valor de azimute

inteiro.

Regiao de decisao (rgn) - Esta regiao e onde ocorre a aquisicao dos dados do algoritmo.

Ela ocorre em torno da linha limite com um delta para cada lado como na Equacao 6.2,

onde ∆r e o valor que esta ligado a acuracia do sistema.

rgn = limite± ∆r (6.2)

Para determinar o valor medio da radial foi criado, no codigo, uma rotina que e

responsavel por tomar a decisao dos pontos a serem armazenados. Sao armazenados

os pontos proximos aos limites de cada radial, desta forma, em torno da radial inteira, e

gerada uma regiao de decisao de ±0.2◦. Essa regiao foi descrita para levar em consideracao

a taxa de aquisicao do SPPA. Apos essa rotina, sao calculados a media e o desvio padrao

para cada um dos 360 conjuntos de dados adquiridos para a comparacao com os valores

de referencia.

6.1.1 Calculos dos erros

Para dar inıcio a analise dos erros, primeiramente, sera definido a forma de calculo

dos erros, desvios-padrao e as ferramentas criadas para isso.

Tendo uma grandeza modelada matematicamente, um valor assumido como verda-

deiro, esse valor pode ser utilizado como referencia para o estudo dos erros (CRUZ et al.,

2005). O erro pode ser definido como a diferenca entre o valor modelado e o valor lido,

CAPITULO 6. VOR 70

como mostra a Equacao 6.3 (JUNIOR et al., 2013).

ε = valorlido − valormodelado (6.3)

Ao executar a leitura de uma grandeza, e possıvel que esse valor nao seja exatamente

o mesmo da medicao anterior, essa diferenca pode estar ligada a diversos fatores, como

ambiente, oscilacao na fonte de energia, entre outros diversos fatores. Dessa forma e

necessario realizar diversas leituras para ter um bom modelo estatıstico do erro (CRUZ et

al., 2005).

Para realizar o estudo desses erros, sao utilizados os valores de media (x) e desvio-

padrao da media (σm), como nas Equacoes 6.4 e 6.5, respectivamente, calculados em

funcao do numero N de medidas realizadas para a populacao de medidas x. Por simplifi-

cacao, pode-se assumir que o erro aleatorio tem seu valor igual ao desvio-padrao da media

(CRUZ et al., 2005).

x =1

N

N∑i=1

xi (6.4)

σm =

√√√√ N∑i=1

(xi − x)2

N(N − 1)(6.5)

Desta forma, e necessario definir o modelamento indireto do valor do VOR, que e

dependente da posicao onde o receptor esta em relacao a estacao VOR. O valor do VOR

e dado pelo angulo formado entre o ponto geodesico da estacao VOR e o ponto geodesico

do receptor.

6.1.1.1 Geracao da referencia

Para a utilizacao da funcao azimuth para o modelamento da leitura do VOR, deve-

se realizar uma alteracao na Equacao 3.6, onde e inserida uma constante de valor 360◦.

Esta alteracao e necessaria para a adequacao da saıda da funcao azimuth com as leituras

do VOR. Equacao 6.6 mostra como e o modelo para a determinacao do valor de VOR

modelado (θmodelado), em funcao da posicao do receptor e da estacao VOR.

θmodelado = 360◦ − azimuth(latvor, lonvor, latrecp, lonrecp) − δmag (6.6)

Apos a determinacao do valor, e realizado o condicionamento do resultado. Esta

correcao deve ser realizada devido as radiais 0 e 359, que estao em uma regiao onde ha uma

CAPITULO 6. VOR 71

descontinuidade. Desta forma, os valores maiores ou iguais a 359.5◦ devem ser tratados,

para possibilitar a leitura da regiao de decisao da radial 0. Neste caso, para o valor final

de θmodelado e necessario subtrair 360◦ do valor θmodelado, calculado anteriormente. Assim,

o valor deve ser de tal forma que −0.5◦ < θmodelado ≤ 359.5◦. Desta forma, quando o

θmodelado for comparado com um valor proximo aos limites de 0◦ e 360◦, o resultado nao

tera uma interpretacao erronea. Apos este procedimento, o valor θmodelado esta definido e

podera ser utilizado para comparacao com o valor do θlido.

6.1.1.2 Decisao de leitura

Considere a regiao de decisao, indicada na Figura 6.1. Para a leitura do sinal do VOR

foi criada uma regiao de leitura, tao estreita quanto se queira. Foi fixado o valor de ±0.2◦

para essa regiao. Este valor deve ser menor que 0.5◦, para nao ultrapassar o limite do

centro da radial. Esta janela ira garantir que diversas amostras sejam colhidas a cada

passagem pela radial.

A rotina de decisao le todos os valores recebidos pelo VOR. Porem, somente sao

armazenados os dados no interior da regiao de decisao. Nesta regiao sao armazenados os

valores de latitude e longitude do receptor e o sinal lido pelo VOR. O conjunto de dados

armazenados sera utilizado para a comparacao com os valores de referencia e, assim, gerar

a estatıstica de cada radial.

6.1.1.3 Determinacao dos erros

A cada volta dada em torno do VOR, quando a aeronave passa em cada uma das 360

regioes de decisao, sao armazenados os dados referentes ao posicionamento da aeronave,

dados em latitude e longitude, e as leituras de VOR recebidas.

Tendo a posicao da aeronave e possıvel determinar o valor de referencia para aquela

medicao. Assim, substituindo na Equacao 6.3 o valor recebido do VOR, valorlido, e o valor

de referencia, valormodelado, e possıvel determinar o erro de cada radial. Para determinacao

do desalinhamento do VOR e feito o calculo da media dos erros das 360 radiais.

6.2 Erros em funcao da missao

Alguns fatores devem ser levados em consideracao para a determinacao da melhor

forma de execucao da missao, como o raio e a quantidade de voltas, a fim de maximizar o

custo-benefıcio do projeto. A execucao de missoes aereas tem limitacoes quanto a tempo

de voo, que esta ligado diretamente a quantidade de combustıvel, ou bateria, disponıvel,

a velocidade e a carga de voo.

CAPITULO 6. VOR 72

Tendo em vista essas restricoes, foram propostos dois ensaios, um para a determinacao

do raio e outro para a determinacao do numero de voltas. Estes ensaios possibilitam rea-

lizar determinacao do ponto onde o erro de desalinhamento do VOR permanece contınuo

ou tem pouca variacao. Estes resultados serao utilizados para a definicao dos parametros

da missao de verificacao do alinhamento do VOR.

6.2.1 Erro de desalinhamento do VOR em funcao do raio

Devido a taxa de aquisicao do sistema de posicionamento e a largura da regiao de

decisao, o numero de amostras para cada radial varia em funcao do raio da trajetoria.

Desta forma, e razoavel supor que o erro tambem varie em funcao do raio.

Para se estudar como se comportam os erros, em funcao do raio de trajetoria execu-

tado pela aeronave, foram construıdas seis trajetorias, com raios variando entre 0.25NM

(463m) e 1.5NM (2778m). O numero de WP foi deixado fixo em 120 para todos os casos,

e todas as missoes foram desenvolvidas procedendo em duas voltas em torno da estacao

VOR.

Apos executar as seis trajetorias propostas, foram obtidos os erros de desalinhamento

conforme mostrados na Tabela 6.1. Assim, foi determinado o comportamento do erro em

funcao do raio da trajetoria, para a determinacao do menor raio onde o erro e minimizado.

O valor de εmax corresponde ao maior erro entre as 360 radiais e o valor εmedio corresponde

ao valor do erro de desalinhamento da estacao, calculado pela media dos erros das 360

radiais.

TABELA 6.1 – Erro de desalinhamento do VOR em funcao do raio da trajetoria

Raio (NM) Raio (m) εmax (◦) εmedio (◦)0.25 463 0.072 ±0.12 0.02 ±0.000.50 926 0.033 ±0.09 0.01 ±0.000.75 1389 0.030 ±0.07 0.01 ±0.001.00 1852 0.028 ±0.06 0.01 ±0.001.25 2315 0.032 ±0.05 0.01 ±0.001.50 2778 0.030 ±0.05 0.01 ±0.00

As Figuras 6.2 e 6.3 mostram, respectivamente, o erro maximo e o erro medio da

medida do alinhamento do VOR em funcao do raio da trajetoria.

Desta forma, pode-se determinar o valor do raio da trajetoria como sendo o valor

calculado na Secao 3.1. Sendo determinado o valor do raio mınimo em 859.51m (0.46NM)

e verificando a pouca variacao no valor dos erros com o aumento do raio, sera utilizado

o valor de 926m (0.50NM) para os ensaios seguintes. Desta forma sao obedecidos os

requisitos apresentados na Secao 3.1.

CAPITULO 6. VOR 73

0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0.07

0.08

FIGURA 6.2 – Maior erro em funcao do raio da trajetoria. Notasse um decrescimento dovalor do erro ate o raio mınimo calculado e uma baixa variacao apos este valor.

0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6

0.01

0.015

0.02

0.025

FIGURA 6.3 – Erro medio em funcao do raio da trajetoria. Notasse uma baixa variacaoapos o raio mınimo calculado.

6.2.2 Erro em funcao do numero de voltas

Foi feito tambem um ensaio para determinar a quantidade de voltas necessarias para

realizar a verificacao do VOR. Foi fixado o raio da trajetoria em 926m (0.50NM) e foram

executadas seis voltas em torno da estacao VOR. Desta forma foi feito o modelamento

dos erros em funcao do numero de voltas dadas, como descrito na Tabela 6.2. O valor de

εmax corresponde ao maior erro entre as 360 radiais e o valor εmedio corresponde ao valor

CAPITULO 6. VOR 74

do erro de desalinhamento da estacao, calculado pela media dos erros das 360 radiais.

TABELA 6.2 – Erro de desalinhamento do VOR em funcao do numero de voltas para oraio de 926m (0.5NM)

Voltas εmax (◦) εmedio (◦)1 0.07 ± 0.03 0.02 ± 0.002 0.06 ± 0.02 0.02 ± 0.003 0.05 ±0.02 0.01 ±0.004 0.04 ±0.01 0.01 ±0.005 0.04 ±0.01 0.01 ±0.006 0.04 ±0.01 0.01 ±0.00

As Figuras 6.4 e 6.5 mostram o comportamento dos erros maximo e erros medios,

respectivamente, em funcao do numero de voltas. Porem deve ser levado em consideracao

que, cada volta demora aproximadamente 9min fazendo com que a autonomia de voo do

RPA fique comprometida com o maior numero de voltas.

1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6

0.03

0.032

0.034

0.036

0.038

0.04

0.042

0.044

FIGURA 6.4 – Erro maximo em funcao no numero de voltas. Pode-se notar o decresci-mento ate a terceira volta e uma pouca variacao apos ela, por isso para o melhor custo-benefıcio esse sera o numero de voltas escolhido.

E possıvel verificar a diminuicao do erro conforme aumenta o numero de voltas. Apos

a segunda volta, o erro tem pouca variacao. Devido a isso e visando a autonomia de voo,

sera fixado este valor para o numero de voltas da missao.

CAPITULO 6. VOR 75

1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6

0.0112

0.0114

0.0116

0.0118

0.012

0.0122

0.0124

FIGURA 6.5 – Erro medio em funcao no numero de voltas. De forma semelhante ao erromaximo, o melhor custo-benefıcio esta proximo a quarta volta, corroborando a escolhadela.

6.3 Verificacao VOR

Para realizar a simulacao HIL de uma estacao VOR serao utilizados todos os conceitos

abordados neste trabalho. Foram definidos os parametros da trajetoria da inspecao com

raio de 0.5NM (926m), e tres o numero de voltas a serem realizadas. A altitude esta-

belecida em 90m corresponde a um angulo de elevacao de 5.5◦, para o raio determinado,

estando dentro dos limites, entre 4◦ e 6◦, estabelecidos pela norma (AERONAUTICA, 2017).

A Figura 6.6 mostra o fluxo do processamento das informacoes no codigo implementado,

onde e possıvel ver onde sao inseridos os erros de posicionamento de leituras do VOR.

Este bloco faz parte da plataforma HIL mostrada na Fig. 2.2.

Para os erros de posicionamento foram inseridos dois tipos de valores, um valor fixo

(ε tend) simulando um erro de tendencia e um valor aleatorio (ε ale) simulando um erro

de dispersao das leituras. Estes erros aditivos foram mesclados em um fator de erro para a

Latitude, ε Lat= ε tendLat+ε aleLat, e um para a Longitude, ε Lon= ε tendLon+ε aleLon.

Para as leituras da estacao VOR, foram inseridos dois tipos de erros. Um erro cor-

responde ao desalinhamento da estacao, este erro tem o valor constante para todas as

leituras. Outro erro inserido foi o erro que simula erros de modulacao, ou dispersao do

sinal, este erro simula erros causados pela geografia da regiao. Estes dois erros foram

mesclados em um fator ε VOR.

Para a determinacao dos erros das radiais, ε radiais, o sistema calcula a diferenca

entre o valor de referencia e a media das leituras durante a missao. Isto gera um valor de

CAPITULO 6. VOR 76

Data Logger

Processamento .

(Lat, Long, Alt, VOR) Erros

Inserção de erros

posicionamento

Inserção de erros

no sinal do VOR

Cálculo da

referência

Cálculo dos erros

das radiais

Cálculo do erro de

desalinhamento do

VOR

(Lat, Long)

(VOR)

(Lat + ε_Lat , Long + ε_Long)

(VOR + ε_VOR)

(Referência)

(ε_radiais)

Tela

FIGURA 6.6 – Fluxograma do codigo de processamento da missao. Este bloco esta contidono HIL mostrado na Fig. 2.2

erro para cada radial e e calculada a media destes 360 valores para determinar o erro da

estacao. Para os testes, foram determinados o maior erro entre as radiais e a radial onde

ele se encontra, e o erro de desalinhamento da estacao.

Para isso foram realizados um teste sem erros, utilizado como referencia, e outros qua-

tro com a insercao de erros, a fim de tornar os experimentos mais proximos da realidade.

Para adequacao destes dados ao sistema de posicionamento utilizado nos testes, foram

inseridos os erros de tendencia e desvio-padrao verificados na Secao 5.3. No sinal da es-

tacao VOR foram inseridos dois tipos de erro, um erro de desalinhamento e um erro de

modulacao. Apesar de o erro de modulacao nao estar no escopo deste trabalho, a insercao

deste erro serve para demonstrar o comportamento do sistema, quando for executado fora

do HIL (GREVING et al., 2014). A Tabela 6.3 mostra como foram distribuıdos os erros nos

testes realizados.

TABELA 6.3 – Apresentacao dos erros inseridos no sistema para cada um dos testes.

Erros inseridosε Lat e ε Lon ε VOR

Teste Posicionamento (SPPA) Alinhamento (VOR) Modulacao (VOR)1 - - -2 x - -3 x x -4 x - x5 x x x

CAPITULO 6. VOR 77

6.3.1 Erro de modulacao no sinal do VOR

Apesar de nao estar no escopo deste trabalho, a analise do comportamento do sistema

com erros de modulacao e de suma importancia, pois estes erros podem influenciar na

execucao da rotina (GREVING et al., 2014). O modelo destes erros nao e conhecido porem, a

norma (AERONAUTICA, 2017) informa algumas caracterısticas destes erros de modulacao,

como periodicidade e velocidade das mudancas dos valores dos erros.

Foi criado um erro senoidal em funcao da radial, semelhante ao erro de curvatura, bend,

e um erro aleatorio, semelhante ao erro de rugosidade, roughness, ambos limitados a uma

faixa de radiais. Apesar de nao se estar usando modelos de tais erros, considera-se que o

sinal gerado e uma boa aproximacao neste estudo de viabilidade. A Figura 6.7 mostra o

formato dos erros de modulacao inseridos nas leituras do VOR, juntamente com os limites

estabelecidos pela norma (ICAO, 2000). Apesar de os dois erros mostrados estarem em

conformidade com a norma, como os erros podem se sobrepor, podera haver um erro a

cima do erro bend, que tem a maior tolerancia ao erro, como mostra a Figura 6.8.

0.000

0.003

0.006

0.008

0.011

0.014

0.017

0.019

0.022

0.025

0.028

-3.5

0

3.5

0.000

0.003

0.006

0.008

0.011

0.014

0.017

0.019

0.022

0.025

0.028

-3

0

3

FIGURA 6.7 – Exemplos de erros de modulacao, que mostram o formato dos erros inse-ridos nas leituras do VOR, para uma radial especıfica.

Foi gerado um sinal de VOR com os erros de modulacao, limitados a regiao da radial

90. A Figura 6.9 mostra as leituras deste sinal. E possıvel verificar a oscilacao nas leituras

na zona de erro. Neste caso as leituras com erro se misturariam com outras, tornando a

regiao nao confiavel para o uso do VOR.

CAPITULO 6. VOR 78

0.000

0.003

0.006

0.008

0.011

0.014

0.017

0.019

0.022

0.025

0.028

-3.5

0

3.5

FIGURA 6.8 – Exemplo de sobreposicao dos erros de modulacao, onde e visto a extrapo-lacao do erro maximo, mesmo sendo os dois erros conformes a norma.

6.3.2 Teste 1 - Missao de referencia

A Figura 6.10 mostra a trajetoria completa da missao executada. E possıvel visualizar

o formato circular da trajetoria.

Foi verificado nos resultados do teste 1, usado como referencia, que, para este experi-

mento especıfico, a radial 18 possui erro. Porem, ao considerar o desvio-padrao da media,

calculado em ±0.07◦, e possıvel inferir que este valor esta ligado ao erro instrumental.

A Figura 6.11 mostra a regiao onde ocorre a radial de maior erro. E possıvel verificar

o distanciamento da trajetoria executada da trajetoria de referencia, porem isto nao tem

influencia sobre o calculo de erro pois, este valor e dependente somente do angulo entre

o ponto e a estacao VOR. Ao visualizar a radial de maior erro, Figura 6.12, e possıvel

notar o agrupamento e alinhamento dos pontos, isto e devido a nao existencia de erros no

sistema de posicionamento.

6.3.3 Teste 2 - Missao com insercao de erro no sistema de posi-

cionamento

Neste teste foi inserido os erros no sistema de posicionamento, a fim de verificar a

influencia destes erros no calculo dos erros das radiais. A Figura 6.13 mostra a regiao

onde se encontra a radial de maior erro. E possıvel verificar o aumento da dispersao dos

pontos aquisitados devido ao erro aleatorio inserido no sistema. E possıvel notar que

houve a mudanca da radial de maior erro, a mudanca ocorreu da radial 18, teste1, para a

CAPITULO 6. VOR 79

0 50 100 150 200 250 300 350

0

100

200

300

(a)

75 80 85 90 95 100 105 110 115

70

75

80

85

90

95

100

105

110

115

(b)

FIGURA 6.9 – Erros de modulacao inseridos em torno da radial 90. E possıvel ver alinearidade das leituras fora da regiao onde foi inserido os erros, Figura (a). Na Figura(b) e visualizada apenas a regiao onde foi inserido os erros de modulacao, e possıvel veras alteracoes nos valores lidos, que causariam embaralhamento no sinal.

radial 215. Na Figura 6.14 e mostrada a radial de maior erro. E possıvel verificar que o

ponto utilizado como referencia esta dentro da nuvem de pontos.

CAPITULO 6. VOR 80

-1000 -500 0 500 1000

-1000

-500

0

500

1000 Pontos amostrados

FIGURA 6.10 – Trajetoria completa sem a insercao de erros no sistema de posicionamentoe nas leituras de VOR.

6.3.4 Teste 3 - Missao com insercao de erro no sistema de posi-

cionamento e desalinhamento da estacao VOR

Neste teste foi inserido o erro de desalinhamento na estacao. Este erro e gerado

adicionando um valor constante em todas as leituras de VOR. Para este teste, foi inserido

um desalinhamento de 4◦.

A Figura 6.15 mostra a regiao de maior erro para o teste 3. E possıvel verificar que

as leituras da radial continuam espalhadas em uma nuvem de amostras, como no teste

2. Porem, estao deslocadas de quatro radias, o que torna a estacao desalinhada por estar

com desalinhamento acima de 2◦, valor de tolerancia descrito pela norma (ICAO, 2000).

6.3.5 Teste 4 - Missao com insercao de erros no sistema de po-

sicionamento e erro de modulacao no sinal do VOR

Neste teste foram inseridos os erros de posicionamento e de modulacao, simulando

um erro de modulacao em torno da radial 90. Foram inseridos erros de modulacao que

CAPITULO 6. VOR 81

-130 -120 -110 -100 -90

913

914

915

916

917

918

Ponto médio da Radial de

maior erro (Radial 18)

Referência da Radial de


Pontos amostrados da Radial de


Pontos amostrados

Centro de radial

Limite de radial

FIGURA 6.11 – Regiao onde se encontra a radial de maior erro, para a trajetoria dereferencia.

-115 -110 -105

915

915.5

916

916.5

917 Ponto médio da Radial de






Pontos amostrados

Centro de radial

Limite de radial

FIGURA 6.12 – Radial de maior erro onde e possıvel ver o agrupamento dos pontosaquisitados.

CAPITULO 6. VOR 82

-190 -180 -170 -160 -150 -140

-912

-911

-910

-909

-908

-907

-906

-905

-904

-903Ponto médio da Radial de






Pontos amostrados

Centro de radial

Limite de radial

FIGURA 6.13 – Radial de maior erro onde e possıvel ver o espalhamento dos pontosaquisitados, causado pela insercao de um erro aleatorio no sistema de posicionamento.

-175 -170 -165 -160 -155

-909.5

-909

-908.5

-908

-907.5

-907

-906.5







Pontos amostrados

Centro de radial

Limite de radial

FIGURA 6.14 – Regiao da radial de maior erro e radiais vizinhas, com os pontos amos-trados relativos a cada radial, utilizando o erro de posicionamento.

CAPITULO 6. VOR 83

570 580 590 600 610 620

680

690

700

710

720







Pontos amostrados

Centro de radial

Limite de radial

FIGURA 6.15 – Radial de maior erro, utilizando os erros de posicionamento e de desali-nhamento da estacao VOR.

extrapolam o erro de 3.5◦, a fim de simular um erro acima do valor tolerado. O formato

destes erros inseridos foram mostrados na Figura 6.7. A Figura 6.16 mostra o resultado

para o teste 4. Pode-se notar que houve o espalhamento dos pontos aquisitados para a

radial 104. Houve uma nuvem de pontos localizados dentro da radial 104 e outra nuvem

dentro da radial 116, isto levou a media da radial 104 para a radial 111.

6.3.6 Teste 5 - Missao com insercao de erros no sistema de po-

sicionamento, desalinhamento da estacao VOR e erro de

modulacao no sinal do VOR

Para este teste foram inseridos os mesmos erros do teste 4 e um erro de desalinhamento,

simulando uma estacao VOR com todos os erros descritos neste trabalho. A Figura 6.17

mostra o resultado do teste 5, onde alem do erro de modulacao foi inserido um erro de

desalinhamento de 4◦, e possıvel ver um resultado semelhante ao resultado do teste 4,

apenas rotacionado em 4◦.

CAPITULO 6. VOR 84

840 860 880 900 920

180

200

220

240

260

280

300

320

340







Pontos amostrados

Centro de radial

Limite de radial

Espalhamento da nuvem de

pontos da radial 104, causado

pelo erro de modulação.

FIGURA 6.16 – Trajetoria com insercao de erros de posicionamento e de modulacao naestacao VOR. E possıvel ver que, devido ao erro de modulacao, o sinal referente a radial104 e recebido em regioes diferentes, fazendo com que a media seja deslocada da referencia.

6.3.7 Resultados

A Tabela 6.4 mostra as saıdas do codigo criado para analisar os ensaios de HIL.

Utilizando o resultado do teste 1, onde nenhum erro foi inserido, como referencia, e possıvel

afirmar que nos testes 2 e 4 a estacao VOR esta alinhada, mesmo com a insercao do erro

de modulacao no teste 4. Nos testes 3 e 5, onde foi inserido o erro de desalinhamento, o

codigo criado foi capaz de detectar a existencia do erro de 4◦.

TABELA 6.4 – Saıda do codigo com os valores para a radial com o maior erro. Em cadateste foi inserido um modelo de erro no sistema, como mostrado na Tabela 6.3.

Radial de maior erro VORTeste Radial Media radial (◦) Erro (m) Desalinhamento (◦) Resultado

1 18 18.04 ±0.07 0.49 ±1.06 0.01 ±0.00 Alinhada2 215 215.06 ±0.07 0.99 ±1.11 0.02 ±0.00 Alinhada3 67 71.06 ±0.07 65.54 ±1.20 3.99 ±0.00 Desalinhada4 104 111.10 ±1.10 114.77 ±17.77 0.17 ±0.04 Alinhada5 104 114.66 ±1.08 172.33 ±17.43 4.02 ±0.03 Desalinhada

CAPITULO 6. VOR 85

800 820 840 860 880 900 920

200

250

300

350

400







Pontos amostrados

Centro de radial

Limite de radial

Espalhamento da nuvem de

pontos da radial 104, causado

pelo erro de modulação.

Afastamento da

referência causado pelo

erro de alinhamento.

FIGURA 6.17 – Trajetoria com insercao de erros no sistema de posicionamento, de mo-dulacao e de desalinhamento na estacao VOR. E possıvel ver que, devido ao erro demodulacao, o sinal referente a radial 104 e recebido em regioes diferentes, fazendo comque a media seja deslocada da referencia. Tambem e possıvel notar o desalinhamento, 4◦,inserido.

Estes resultados servem para mostrar que o SPPA e capaz de fornecer o posicionamento

para a inspecao em voo do VOR. Verifica-se que, mesmo com a insercao de erros de

modulacao em uma faixa de radiais, o sistema foi capaz de verificar o alinhamento. A

saıda do codigo tambem mostra as radiais onde possivelmente houve erro de modulacao.

A Tabela 6.5 apresenta a saıda do codigo para um teste especıfico realizado. O operador,

entao e alertado que as radias especificadas podem conter erro de modulacao. Desta

forma, o experimentador tera amparo para a decisao de proceder em uma nova inspecao.

Esta inspecao e realizada de forma especıfica, a fim de confirmar a existencia de erros de

modulacao.

CAPITULO 6. VOR 86

TABELA 6.5 – Saıda do codigo indicando para possıveis erros de modulacao detectados.

Radial Erro(◦)78 9.29 ±0.7179 8.61 ±0.8680 7.981 ±0.7881 7.12 ±0.5782 6.29 ±0.5683 5.61 ±0.5184 4.69 ±0.4485 3.87 ±0.4393 5.18 ±1.3594 4.95 ±1.2495 5.36 ±0.5496 6.10 ±0.5897 6.95 ±0.5398 7.88 ±0.7499 8.67 ±0.74100 9.52 ±0.84101 10.38 ±0.97102 11.18 ±1.12103 11.84 ±1.13104 12.43 ±1.08

7 Conclusao

O foco deste trabalho foi o estudo da viabilidade de realizar missoes de inspecao em

voo de uma estacao VOR com uso de RPA. Para isto foram realizadas diversas etapas a

fim de desenvolver o sistema e realizar testes de conformidade.

O PA utilizado e um equipamento de prateleira, de baixo custo e rapida adaptacao ao

RPA. O uso deste PA possibilita a realizacao de missoes com o uso de WP e, utilizando-

se esta caracterıstica, foi desenvolvida a automatizacao da criacao das missoes. Esta

automatizacao diminui a influencia humana na realizacao das missoes, minimizando erros

e padronizando os resultados. O codigo de automatizacao desenvolvido tambem permite

a criacao das trajetorias para qualquer estacao VOR, pois tem como entrada o ponto

geodesico da VOR, o local de decolagem e a declinacao magnetica local. Esta portabilidade

facilita para pessoas com pouco treinamento realizem o desenvolvimento das missoes de

forma padronizada.

Para verificar se o SPPA, que utiliza um GPS simples e de baixo custo, e capaz

de se adequar a norma, foram desenvolvidos alguns testes estaticos e dinamicos. Estes

testes serviram para determinar erros de tendencia, de dispersao das leituras de posicao

e de distanciamento entre as amostras. A realizacao destes testes so foi possıvel gracas a

disponibilizacao do acesso a dois marcos geodesicos, que se localizam no patio do aeroporto

de Sao Jose dos Campos – SP. Caso nao fosse permitido o acesso a estes pontos nao seria

possıvel, ou seria dificultada, a determinacao do erro de tendencia do sistema. Para os

testes dinamicos, outra vez, foi necessario o auxılio do pessoal da Forca Aerea Brasileira,

onde foi disponibilizado o uso de um DGPS, utilizado em missoes de inspecao, para realizar

a comparacao dos resultados obtidos pelo SPPA. Outro fator que dificultou a obtencao

de melhores resultados, foi a proximidade de um dos pontos aos hangares do aeroporto,

onde foi verificada a diferenca entre os resultados dos dois marcos geodesicos.

Apos ter determinado a existencia e o valor do erro de tendencia para o posiciona-

mento, foi desenvolvido um sistema de correcao, batizado como Tereza, para corrigir este

erro. A ideia do sistema e a interceptacao das leituras do GPS, o tratamento e o envio

para o PA. O envio das informacoes deve ser realizado de tal forma que o PA receba

pacotes de dados da mesma forma que o GPS enviaria, isto faz com que o sistema possa

CAPITULO 7. CONCLUSAO 88

ser utilizado em outras plataformas. Durante a inicializacao do sistema, o dispositivo

deve ser deixado sobre um ponto conhecido, desta forma ele calcula o erro entre o valor

armazenado e a media dos pontos aquisitados. Esta inicializacao em um ponto conhecido

nao e um problema pois, as missoes serao realizadas em aerodromos, onde existem marcos

geodesicos. Apos a inicializacao, todas as leituras sao corrigidas e enviadas para o PA,

com isso o posicionamento tem o erro de tendencia minimizado. Este sistema pode ser

definido como um sistema de DGPS primitivo. O sistema desenvolvido corrige os erros

determinados durante a inicializacao, ja o DGPS corrige tambem erros instantaneos, que

estao ligados a dispersao das estimativas de posicionamento.

De posse dos valores dos erros do SPPA, e possıvel inseri-los nos dados aquisitados

pelo simulador X-Plane, de modo as simulacoes serem ainda mais proximas da realidade.

Foi fechado o laco de controle usando HIL, entre o X-Plane e o PA. Assim o PA controla a

aeronave simulada e o simulador armazena os dados de posicionamento e dados recebidos

pelo VOR simulado, que tambem nao tem erros. Com os dados armazenados e possıvel

realizar diversas analises, inserindo erros da forma que for necessario. Assim foi possıvel

verificar, para o caso sem a insercao de nenhum erro, que o codigo de processamento foi

capaz de determinar que o VOR nao estava desalinhado. Apos isto, foram inseridos erros

de desalinhamento, erros constantes em todas as leituras e erros de modulacao, erros

instantaneos que nao sao o foco do trabalho, mas foram levados em consideracao. Foi

verificado que o sistema e capaz de verificar erros de desalinhamento, mesmo com o uso

de GPS e com o aparecimento de anomalias na recepcao do sinal do VOR.

Os testes realizados para a determinacao dos erros do SPPA foram realizados com

numero limitado de experimentos, quatro no total, para aumentar a precisao desses re-

sultados devem ser realizados mais experimentos, realizando testes em dias e horarios

diferentes. Porem com o uso do compensador de erro Tereza, os erros sao minimizados a

ponto de adequar o sistema a norma (ICAO, 2000).

Apos realizar estes diversos testes na plataforma proposta e possıvel afirmar que e

possıvel realizar a inspecao em voo do VOR com o uso do um RPA, mesmo utilizando um

sistema de baixo custo. Resultados melhores sao esperados no caso do uso de sistemas

mais precisos, como o uso de um DGPS para fornecer a estimativa de posicionamento da

aeronave. O tempo de execucao de uma missao, conforme proposto neste estudo, e de

15 minutos para cada volta em torno do VOR. Assim, em relacao a autonomia para a

execucao da missao, deve-se escolher entre RPA com motor eletrico ou a combustao ou,

ainda, realizar a missao por segmentos.

CAPITULO 7. CONCLUSAO 89

7.1 Trabalhos futuros

O desenvolvimento deste trabalho abriu algumas possibilidades de trabalhos futuros.

O primeiro trabalho futuro e a realizacao destes estudos com uma aeronave real, onde a

pesquisa seria completada e seriam corroboradas as descobertas.

Outro trabalho futuro e a complementacao do sistema Tereza, a fim de completar o

desenvolvimento de um sistema de DGPS de baixo custo. O sistema Tereza e capaz de

corrigir o erro de posicionamento, bias, a partir do valor calculado durante a rotina de

inicializacao. O DGPS e capaz de corrigir de forma dinamica, corrigindo nao somente

o erro de posicionamento inicial, mas tambem erros oriundos as interferencias no sinal

do GPS. O sistema completo seria composto de dois conjuntos, um fixo em um ponto

geodesico conhecido e outro a ser embarcado na aeronave. O conjunto fixo deve ser capaz

de calcular o erro para o ponto conhecido e enviar a correcao, via radio, para o conjunto

movel. Desta forma, a estimativa de posicionamento da aeronave tem o erro minimizado

da mesma forma que os sistemas DGPS comerciais.

Outra possibilidade aberta e utilizar o conhecimento adquirido no desenvolvimento do

sistema Tereza, para se propor uma nova facilidade/operacionalidade para a ferramenta

HIL. Esta nova funcionalidade seria a insercao de dados GPS simulados que foram gerados

a partir de uma modificacao do sistema Tereza, esses dados seriam enviados ao PA da

plataforma HIL. Desta forma e possıvel verificar o comportamento do sistema em testes

com valores de GPS conhecidos.

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FOLHA DE REGISTRO DO DOCUMENTO

1. CLASSIFICAO/TIPO 2. DATA 3. DOCUMENTO N 4. N DE PGINAS

DM 27 de Setembro de 2018 DCTA/ITA/DM-082/2018 93

5. TTULO E SUBTTULO:

Analise da viabilidade do uso de RPA em inspecao em voo do VOR

6. AUTOR(ES):


7. INSTITUIO(ES)/RGO(S) INTERNO(S)/DIVISO(ES):

Instituto Tecnologico de Aeronautica – ITA

8. PALAVRAS-CHAVE SUGERIDAS PELO AUTOR:

VOR; Hardware In the Loop; RPA; Inspecao em Voo; Piloto Automatico

9. PALAVRAS-CHAVE RESULTANTES DE INDEXAO:

Aeronave nao-tripulada; Simulacao em hardware in-the-loop; Pilotos automaticos; Sistemas de posicionamentoglobal; Analise de viabilidade; Engenharia aeronautica.10. APRESENTAO: (X) Nacional ( ) Internacional

ITA, Sao Jose dos Campos. Curso de Mestrado. Programa de Pos-Graduacao em Engenharia Eletronica eComputacao. Area de Dispositivos e Sistemas Eletronicos. Orientador: Profa. Dra. Neusa Maria Franco deOliveira. Defesa em 24/09/2018. Publicada em 2018.11. RESUMO:

A realizacao deste trabalho teve como motivacao a reducao do alto custo de missoes de inspecao em voo do VHFOmnidirectional Range (VOR), que e uma ferramenta de auxılio a navegacao. Estas missoes sao realizadas emterritorio nacional pelo Grupo Especial de Inspecao em Voo (GEIV) com o uso de uma aeronave de medio porte,fazendo com que haja uma logıstica complexa e de custo elevado. Visando a reducao do custo de inspecao deVOR, foi conduzido o estudo inicial da possibilidade de uso de Remotely-Piloted Aircraft (RPA) nesta inspecao.Na missao de verificacao de alinhamento de uma estacao VOR e procedida uma trajetoria circular em torno destaestacao, realizando a leitura dos sinais emitidos por esta. Com o uso de um RPA e possıvel minimizar este raiodevido ao seu envelope de voo. O uso de um RPA tambem permite a utilizacao de um Piloto Automatico (PA),para realizar a missao de forma padronizada, por meio de WayPoint (WP). A fim de garantir os requisitos danorma, devem ser realizados testes no Sistema de Posicionamento do Piloto Automatico (SPPA). A norma exigeque as leituras recebidas pelo VOR e o posicionamento da aeronave sejam gravados em voo, a norma tambempreve a acuracia das leituras do sistema. Estes testes devem determinar a grandeza dos erros e desvios-padraodas leituras de posicao. Os testes tambem servem para determinar o distanciamento entre as leituras de posicao,que sao dependentes da velocidade do veıculo e da taxa de aquisicao das amostras. Foi criado um compensadorpara minimizar os erros para as leituras de posicao. Este compensador e responsavel e responsavel por receberos dados de posicionamento do receptor do Global Positioning System (GPS), processa-los e enviar ao SPPA.Apos a validacao dos componentes do SPPA do RPA, foi construıda uma plataforma de testes Hardware In theLoop (HIL). O laco de controle e fechado entre o simulador de voo X-Plane e o PA. O uso do HIL aumenta avelocidade na obtencao de resultados e permite a validacao do conceito sem a necessidade de executar voos reais.Foram conduzidos varios testes, incluindo os varios erros que podem influenciar um VOR. Os testes conduzidosna HIL indicam que a inspecao VOR com RPA e possıvel e resulta em respostas corretas quanto a aprovacao ounao do VOR inspecionado.

12. GRAU DE SIGILO:

(X) OSTENSIVO ( ) RESERVADO ( ) SECRETO

ANALISE DA VIABILIDADE DO USO DE RPA EM INSPEC ...ANALISE DA VIABILIDADE DO USO DE RPA EM INSPEC˘AO...

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