Projeto: Sistema para Navegação Autônoma para Monitoramento Ambiental com Suporte de GNSS
Edital: CNPq-FNDCT-MCTI nº 14/2022
Início: 23/12/2022
Duração: 36 meses
Palavras-chave: Navegação Autônoma, Monitoramento Ambiental, Radiocomunicação para Aplicações Navais, Sistemas de Posicionamento Global

Resumo:
O presente projeto propõe o desenvolvimento de um sistema de navegação autônoma para aplicações de monitoramento ambiental. A navegação autônoma será viabilizada através do emprego de sistemas globais de navegação via satélite (do inglês, global navigation satellite system – GNSS) de elevadas precisão e confiabilidade. Estas características serão obtidas com o emprego de técnicas de apontamento dinâmico de feixe (do inglês, beamforming) e redes de antenas, com o intuito de compensar eletronicamente o movimento da embarcação típico do ambiente marítimo. Adicionalmente, um sistema para transmissão de dados meteorológicos e da telemetria da embarcação será projetado. Este sistema de comunicação deverá transferir os dados coletados por uma rede de sensores meteorológicos instalados na embarcação. Para cada sistema citado acima, uma rede de antenas será projetada e protótipos serão fabricados, para fins de prova de conceito. A validação experimental das antenas será realizada com o emprego da infraestrutura já disponível no Laboratório de Eletromagnetismo, Micro-Ondas e Antenas (LEMA) da Universidade Federal do Pampa (UNIPAMPA).

Objetivos:
Objetivo geral:
Desenvolver, construir e caracterizar experimentalmente antenas para receptores GNSS confiáveis e para um sistema de transmissão de dados e de telemetria para estações de controle na costa.
Objetivos específicos:
1. Estudar técnicas de beamforming e sua respectiva implantação com baixa complexidade para aplicação em redes de antenas;
2. Projetar antenas para GNSS e para telemetria;
3. Projetar circuitos receptores para sinais GNSS e transmissores para telemetria em UHF;
4. Projetar, construir e caracterizar experimentalmente protótipos para demonstração da tecnologia desenvolvida;
5. Formação de recursos humanos de alto nível através da orientação de dissertações de mestrado, de trabalhos de iniciação científica e de monografias de conclusão de curso de graduação.

Equipe:
Pesquisadores:
UNIPAMPA:
Marcos V. T. Heckler
Edson R. Schlosser
Lucas S. Pereira
ITA:
Felix D. Antreich
Lucas C. Severo
Escola Superior Politécnica do Chimborazo (Equador):
Alexis F. Tinoco Salazar

Alunos de pós-graduação:
Gabriel Pardinho Paulena
Juliano Rafael Andrade
Leonardo Carpes dos Santos
Pedro Henrique Alves Everling

Alunos de iniciação científica:
Abdou Halique Atanda Adechinan Bouari
Daniel Bomfim dos Santos
Herick Reinaldo da Silva Rodrigues
Linda Beatriz de Souza Moreira
Luan Escarrone Ramos

Etapas/Atividades:
1. Revisão bibliográfica:
A execução do projeto será iniciada com uma revisão bibliográfica sobre técnicas de conformação de feixe e de geometrias de antenas GNSS. Em função de vários avanços no desenvolvimento de novos materiais, as antenas impressas vêm recebendo a atenção da comunidade científica e, por isso, serão foco inicial da revisão bibliográfica.

2. Antenas GNSS:
As antenas GNSS serão desenvolvidas considerando-se a possibilidade de recepção de sinais dos diversos sistemas disponíveis, tais como o sistema americano GPS, o sistema russo GLONASS, o sistema europeu GALILEO e o chinês Beidou. Serão consideradas duas estratégias de projeto: antenas com característica faixa larga e antenas dupla-faixa. Será dada prioridade à última, uma vez que permite mitigar os efeitos de interferência fora das bandas dos diversos sistemas GNSS. Tanto a versão faixa larga quanto a dupla-faixa objetivam a recepção de sinais GNSS em diferentes bandas, de forma a viabilizar compensação de imprecisões devido a fenômenos ionosféricos, permitindo melhorar a precisão do posicionamento da embarcação. As antenas a serem desenvolvidas deverão apresentar polarização circular à direita (do inglês, right-hand circular polarization – RHCP).

3. Antenas para telemetria:
As antenas destinadas ao enlace de telemetria serão projetadas para uma faixa de UHF. Trabalhar-se-á com o projeto de antenas faixa simples e com polarização circular. Para viabilizar o teste de transmissão de dados e de telemetria, sensores de temperatura, pressão e de posicionamento deverão ser empregados. Os dados coletados deverão ser gerenciados por um dispositivo digital que permita a programação de um rádio definido por software (do inglês, software-defined radio – SDR). O canal de transmissão a ser conectado entre o SDR e a antena de telemetria também deverá ser projetado. A faixa de UHF foi escolhida em função de uma iniciativa já estar em andamento na UNIPAMPA para projeto de um retransmissor a ser embarcado em um balão estratosférico. Tal sistema será empregado para testes do sistema de telemetria a ser desenvolvido nesta etapa do projeto.

4. Projeto dos circuitos de RF:
Ambos os sistemas descritos acima necessitam de circuitaria de radiofrequência (do inglês, radio frequency – RF) para recepção de sinais GNSS e transmissão dos dados ambientais coletados. O projeto de canais de recepção de sinais GNSS (front-ends) será realizado com vistas a elevar o nível de potência do sinal recebido e, posteriormente, realizar a translação para frequência intermediária. Tal processo permitirá a digitalização e o processamento dos sinais recebidos. O circuito transmissor de dados e de telemetria também será desenvolvido nesta etapa do projeto.

5. Caracterização experimental:
Nesta etapa, as antenas e os circuitos de RF deverão ser construídos. Para a fabricação das antenas, laminados de baixas perdas deverão ser empregados. Os circuitos projetados na Etapa 4 deverão ser fabricados e medidos em bancada. Por fim, medidas de diagrama de irradiação de ambas as antenas GNSS e de telemetria serão conduzidas nas dependências do LEMA.

6. Documentação:
A etapa de documentação engloba todas as atividades de divulgação do projeto e dos resultados alcançados, além da elaboração do relatório final de atividades.

Protótipos:
1. Antena GNSS faixa simples
2. Antena GNSS dupla-faixa com patches anelares empilhados
3. Antena GNSS com duas faixas largas e patches quadrados empilhados
4. Filtros para telemetria em UHF

Artigos publicados:
[1] ANDRADE, J. R. ; Heckler, M.V.T. ; SCHLOSSER, E. R. . Two-Section Branch-Line Coupler with Optimal Performance for Dual-Band Applications. In: 20th SBMO/IEEE MTT-S International Microwave and Optoelectronics Conference – IMOC 2023, 2023, Castelldefels. Proceedings of the IMOC 2023, 2023.
[2] PAULENA, G. P. ; VIEIRA, J. M. ; SCHLOSSER, E. R. ; Heckler, M.V.T. . Synthesis of circularly polarized microstrip planar array with cross-polarization suppression. In: 18th European Conference on Antennas and Propagation – EuCAP 2024, 2024, Glasgow. Proceedings of the EuCAP 2024, 2024.
[3] PAULENA, G. P. ; Heckler, M.V. T. ; SCHLOSSER, E. R. . Synthesis of a planar antenna array composed of QCDRA using differential evolution method with sidelobe and cross-polarization control. In: XXI Simpósio Brasileiro de Micro-Ondas e Optoeletrônica 2024 – SBMO 2024, 2024, Bento Gonçalves – RS. Anais do XXI SBMO 2024, 2024.
[4] PEREIRA, L. S. ; Heckler, M.V. T. ; SCHLOSSER, E. R. ; ANTREICH, F. . Antena de microfita de baixo custo para recepção de sinais GNSS-R. In: XXI Simpósio Brasileiro de Micro-Ondas e Optoeletrônica 2024 – SBMO 2024, 2024, Bento Gonçalves – RS. Anais do XXI SBMO 2024, 2024.
[5] RODRIGUES, H. R. S. ; Heckler, M.V. T. ; SCHLOSSER, E. R. . Antena de microfita de baixo custo e elevada eficiência para aplicações em GPS. In: XXI Simpósio Brasileiro de Micro-Ondas e Optoeletrônica 2024 – SBMO 2024, 2024, Bento Gonçalves – RS. Anais do XXI SBMO 2024, 2024.
[6] PEREIRA, L. S. ; SCHLOSSER, E. R. ; BOUARI, A. H. A. A. ; Heckler, M.V. T. ; VIEIRA, J. M. ; ANTREICH, F. . L1/E1/B1 and L5/E5a/B2a Band Dual-Polarized Microstrip Antenna for GNSS-R. JOURNAL OF MICROWAVES, OPTOELECTRONICS AND ELECTROMAGNETIC APPLICATIONS, v. 23, p. 1-17, 2024.
[7] PAULENA, G. P. ; VIEIRA, J. M. ; BOUARI, A. H. A. A. ; SCHLOSSER, E. R. ; HECKLER, M. V. T. . Compact Top-Loaded Quarter-Cylinder Dielectric Resonator Antenna. JOURNAL OF MICROWAVES, OPTOELECTRONICS AND ELECTROMAGNETIC APPLICATIONS, v. 24, p. 1-11, 2025.