Quais são os instrumentos de navegação utilizados nos dias atuais?

No período compreendido entre os séculos XV e XVII houve grande exploração das rotas marítimas, principalmente por portugueses e espanhóis, com a finalidade de descobrir novas terras e explorar suas riquezas. Esse fato ficou conhecido como “Era das Grandes Navegações”, onde houve grande busca pelo conhecimento de novas técnicas e instrumentos para minimizar os riscos sofridos em navegações de longa duração e bem afastadas da costa. A partir desta necessidade, foram desenvolvidos vários instrumentos náuticos para auxiliar a navegação, os quais são destacados a seguir.

O astrolábio e o quadrante

O astrolábio e o quadrante são equipamentos que foram concebidos a partir de teorias matemáticas desenvolvidas pelos gregos, estudado por Ptolomeu e desenvolvido pela escola islâmica, no século IX, porém eles só foram adaptados para a navegação a partir do século XV pelos portugueses, período no qual utilizou-se muito destes dispositivos.

Apesar de serem equipamentos distintos, eles eram muito utilizados para medir a altura dos astros acima do horizonte, podendo assim, determinar a latitude de uma embarcação no mar, a partir de sua altitude e inclinação com relação aos astros.

Segundo Oliveira (2017), o astrolábio era um instrumento completo pois, por meio dele, tinham-se diversas informações astronômicas relevantes, como determinar a hora do dia ou da noite, discernir estações, e outros, além de determinar a sua posição em relação a um astro.   

O astrolábio constituía-se basicamente por uma “roda graduada”, sendo o corpo do instrumento em formato circular; pela “medeclina”, a qual era o ponteiro, sendo fixada por um pino no centro da roda; pelas “pínulas” as quais eram duas placas pequenas quadradas encaixadas ortogonalmente na medeclina tendo um orifício em seus centros para direcionamento ao astro; e, por fim, pela “argola de sustentação”, sendo um anel de sustentação por onde o observador deveria segurar o instrumento.

Figura 1: Representação de como utilizar o astrolábio

Fonte: https://www.univates.br/ppgece/media/pdf/2016/construcao_do_astrolabio.pdf

O quadrante era constituído por um quarto de um círculo, graduado de 0° a 90°, geralmente feito em madeira, onde um dos seus lados possuía duas pínulas próximas às extremidades, tendo um orifício em seus centros por onde o observador mirava o alvo. Do vértice saía um fio de prumo que tinha um peso na ponta que sempre o fazia apontar a linha vertical e, assim, indicar no arco graduado o ângulo entre o lado da mira e a linha horizontal (OLIVEIRA, 2017). 

Figura 2: Representação de um quadrante náutico

Fonte: https://br.pinterest.com/pin/453878468672508896/

Bússola

A bússola é um dos principais e mais antigos equipamentos utilizados para a localização geográfica que, com alguns melhoramentos, é utilizada até hoje. 

Embarcações para se dirigirem de um ponto a outro da superfície da Terra, têm que seguir uma determinada direção, a que chamamos de rumos, que são definidos como o ângulo horizontal entre uma direção de referência e a direção para a qual aponta a proa do navio. Os rumos são obtidos através do uso de Agulhas Náuticas. 

Existem dois tipos de agulhas náuticas: agulhas magnéticas e agulhas giroscópicas. A agulha magnética ou bússola é um antigo instrumento de navegação que é usada até hoje em dia pelos navegantes qualquer que seja o tipo ou porte do navio ou embarcação. Embora atualmente nos navios a agulha giroscópica seja o instrumento normalmente utilizado como fonte primária para obtenção de rumos e marcações, as agulhas magnéticas continuam a bordo, como backup, para atender às emergências, como por exemplo a de uma falha na agulha giroscópica, provocada pela falta de energia elétrica.

Ao instalar uma bússola na embarcação, a linha de fé da bússola deve ficar no sentido longitudinal da embarcação, alinhada com a proa e visível a quem pilota. Assim quando guinar a embarcação na linha de fé vamos ter a leitura do ângulo referente ao norte magnético (azimute) que será o rumo magnético da embarcação. Parece que é a bússola que gira, mas é a embarcação. A bússola estará sempre indicando o norte magnético.

A dotação e certificação de uma bússola magnética depende da classificação da embarcação. Assim sendo, por exemplo:

a)   SOLAS-74/IMO (Convenção Internacional para Salvaguarda da Vida Humana no Mar), artigo 2.1, da Regra 19, do Capítulo V, cita que: Todos os navios, independente do seu porte, deverão ter: 1. Uma agulha magnética adequadamente compensada, ou outro meio, que seja independente de qualquer suprimento de energia, para determinar a proa do navio e apresentar a indicação no rumo do local em que se encontra o sistema de governo principal;

b)   NORMAM-01/DPC (Norma da Autoridade Marítima para Embarcações Empregadas na Navegação de Mar Aberto) ratifica a convenção SOLAS ao citar, no item b) do artigo, ao listar a dotação para as demais embarcações, cita no item 1) Agulha magnética de governo onde determina que todas as embarcações tripuladas deverão estar equipadas com uma agulha magnética de governo, que deverá estar devidamente compensada (certificado válido por 01 ano) e sua tabela ou curva de desvios disponível a bordo;

c)   NORMAM-02/DPC (Norma da Autoridade Marítima para Embarcações Empregadas na Navegação Interior), no artigo 0402, no item 1) cita que as embarcações empregadas na navegação interior com AB maior ou igual a 500 deverão dispor a bordo Agulha Giroscópica ou Agulha Magnética, com certificado de compensação;

d)   NORMAM-03/DPC (Norma da Autoridade Marítima para Embarcações de Esporte e/ou Recreio), no artigo 0419, na alínea a) item 1), que todas as embarcações devem empregar na dotação mínima de equipamentos de navegação, independentemente da área onde estiver navegando uma agulha magnética de governo. No entanto, esta exigência é para “todas as embarcações, exceto as miúdas”, e ainda estabelece que “as embarcações com comprimento igual ou maior que 24 metros deverão possuir, também, certificado de compensação ou curva de desvio, atualizados a cada 2 anos”; e

e)   NORMAM-28/DHN (Norma da Autoridade Marítima para navegação e cartas náuticas) no capítulo 2, sobre a dotação de equipamentos, sistemas e publicações de navegação, logo na seção I da publicação, ao estabelecer a “dotação de equipamentos e sistemas de navegação” recomenda, por classificação das embarcações, o material necessário à segurança da navegação. Por exemplo, no subitem 0201.1, referente a todas as embarcações [SOLAS] que independente de seu porte, deverão dotar uma agulha magnética adequadamente compensada, ou outro meio, que seja independente de qualquer suprimento de energia, para determinar a proa do navio e apresentar a indicação do rumo no local em que se encontra o sistema de governo principal. No subitem 0201.2, sobre as embarcações com AB igual ou superior a 150 e todas as embarcações de passageiros, deverão dotar: a) uma agulha magnética de reserva. No item 0202, referente as embarcações não SOLAS, autopropulsadas, com fim comercial, empregadas em mar aberto, no subitem 0202.1, prescreve que todas as embarcações [não SOLAS] empregadas em mar aberto, deverão dotar-se de: agulha magnética de governo, devidamente compensada (certificado válido por 01 ano) acompanhada de sua tabela ou curva de desvios disponível a bordo.

Segundo Miguens (2019), a bússola tradicional consiste em uma “rosa circular” graduada de 0° a 360°, apoiada no seu centro, livre para girar em torno de um eixo vertical, flutuando em uma cuba cheia de um líquido que pode ser uma mistura de água e álcool ou um destilado fino de petróleo. Além disso, um conjunto de imãs é situado no lado inferior da rosa, alinhado com seu eixo norte-sul. Na bússola há uma região chamada de cuba, a qual é feita de  material não magnético e nela está gravada a linha de referência para rumos, que deve ser alinhada com a linha proa-popa.

Figura 3: Representação de uma bússola

Os imãs da bússola tendem a se alinhar com as linhas de forças do campo magnético da terra, as quais são denominadas de “meridianos magnéticos” e indicam a direção do norte magnético. Dessa forma, o ângulo indicado na rosa da bússola situado entre a linha de referência para rumos e a linha norte-sul da agulha será igual ao ângulo entre a proa do navio e o norte magnético. 

Fonte: https://www.palaciodaarte.com.br/

As bússolas possuem vantagens e desvantagens, sendo possível destacar as seguintes vantagens: baixo custo, instrumento simples que opera independente de qualquer fonte de energia elétrica, requer pouca manutenção, etc.; e nas suas desvantagens, têm-se: agulha magnética busca o norte magnético em vez de o norte verdadeiro; é afetada por material magnético ou equipamentos elétricos; não é tão precisa e fácil de usar como uma agulha giroscópica; dentre outras.

A segurança da navegação moderna conta com o auxílio de uma série de equipamentos eletrônicos, que necessitam estar sempre em dia com suas verificações periódicas, a fim de diminuir a possibilidade de possíveis falhas e erros a que todos esses equipamentos estão sujeitos. 

Agulhas giroscópicas, são equipamentos responsáveis por fornecer o rumo da embarcação, bem como marcações verdadeiras. Para utilizá-la corretamente basta efetuar a leitura no equipamento, no caso do rumo, ou, caso queira-se realizar uma marcação, posicionar a alidade até o alvo desejado e realizar a leitura diretamente na agulha.

As agulhas giroscópicas exigem uma fonte constante de energia, provenientes do motor auxiliar, mas também podem ser alimentadas pelo gerador de emergência. Possuem repetidoras convenientemente instaladas a bordo, geralmente dentro do passadiço e nas asas. Quanto às vantagens do equipamento, quando comparada com a agulha magnética, pode-se citar:

a)   Apontam na direção do meridiano verdadeiro, em vez do magnético, sendo, portanto, independente do magnetismo terrestre e mais simples na sua utilização;

b)   São estáveis e permitem maior precisão de governo e observação de marcações;

c)   Podem ser usadas em latitudes mais altas; 

d)   Não são afetadas pela presença de material magnético ou equipamentos elétricos; e

e)   Para obtenção de marcações, pode ser conectada a uma alidade, livre para girar em torno da rosa graduada.

Vale ressaltar que as agulhas giroscópicas, assim como todos os equipamentos eletrônicos instalados a bordo, possuem erros que, dependendo de suas magnitudes, podem afetar de forma expressiva a navegação. Ela é um dos principais equipamentos de bordo, sendo utilizada como backup do giro, para atender a situações de emergência. Em comparação com as agulhas giroscópicas, as agulhas magnéticas apresentam as seguintes vantagens:

a)   Operam independente de qualquer fonte de energia;

b)   Requerem pouca manutenção;

c)   É um instrumento robusto, não vindo a sofrer avarias com facilidade; e

d)   Seu custo é relativamente baixo.

Outro equipamento de navegação de grande importância é o radar, que consiste em um equipamento que utiliza pulsos de energia de rádio frequência para determinar a distância de um determinado alvo, como um outro navio ou até mesmo um ponto de terra, sendo, portanto, um auxílio à navegação muito valioso, principalmente quando a navegação visual está comprometida, pelo período noturno, ou em caso de baixa visibilidade por cerração ou chuva intensa..

Os radares também são passíveis de erros. Sendo assim, é fundamental que saiba comparar qualquer informação oriunda do radar com outras informações existentes. Para tal, no caso do radar, existem diversas formas de fazer tais comparações, e uma maneira bem simples de efetuar comparações seria fazer uma distância radar de um ponto de terra conhecido na carta e compará-la com a distância da posição obtida através de marcações verdadeiras realizadas na alidade da giro. 

SISTEMA GLOBAL DE NAVEGAÇÃO POR SATÉLITE (GNSS)

A partir da década de 70, sentiu-se a necessidade de um sistema de posicionamento de alta precisão, podendo ser vista em qualquer lugar do mundo e em quaisquer condições meteorológicas. Posterior a isso, começou-se uma organização com diversos países a fim de desenvolver tal sistema e os EUA saíram na frente implementando seu sistema operacional desde a década de 80, o qual ficou conhecido como GPS.

Atualmente outros sistemas foram implementados ou estão em fase final, como o GLONASS (Rússia), já em operação, o BEIDOU (China), com toda a constelação satélite já lançada e em fase final de operacionalização e o GALILEO (UE), um pouco mais atrasado. Os dispositivos que utilizam o sistema GNSS estão cada mais presentes em nosso cotidiano das mais diversas formas. Podemos exemplificar desde os smartphones, aeronaves, navios, automóveis de passeio e até os sistemas bancários mundiais que usam o sincronismo do horário GPS nas transações financeiras internacionais.

 De acordo com Miguens (1996), o GPS é constituído por três componentes principais: o segmento espacial (satélites), o segmento terrestre (monitoramento e controle) e o segmento do usuário (receptores GPS), onde as três partes trabalham em constante integração, proporcionando, de forma simultânea, dados de posicionamento tridimensional, rumo, velocidade e tempo, com alta precisão.

Figura 4: Representação de um sistema de GPS

Fonte: http://www.borestenautica.com.br/arquivos/GPS.pdf

Quanto ao princípio de funcionamento do sistema, como outros sistemas de rádio navegação, todos os satélites enviam seus sinais de rádio exatamente ao mesmo tempo, permitindo ao receptor avaliar o lapso entre emissão/recepção. A hora-padrão GPS é passada para o receptor do usuário. O GPS emite sinais de rádio especialmente codificados os quais quando processados pelo receptor GPS permitem o cálculo de sua posição, velocidade e tempo. Desta forma, o que o receptor faz, em essência, é medir a distância entre ele mesmo e três satélites no espaço. Usando tais distâncias como raios de três esferas, cada uma delas tendo um satélite como centro, a posição do receptor será o ponto comum de interseção das três esferas.

De acordo com os dados que se quer coletar, deve ser utilizado um número de satélites específico para cada função. A imagem a seguir mostra a quantidade de satélites que devem ser utilizadas para a coleta de diversas informações:

Figura 5: Número de satélites GPS para posicionamento

Fonte: http://www.borestenautica.com.br/arquivos/GPS.pdf

Para obter-se uma posição de uma embarcação com muita precisão, é necessário que os satélites estejam posicionados em posições distintas, fazendo com que cada um deles tenha uma posição específica para a embarcação e fazendo a integração das informações coletadas por esses satélites pode-se afirmar a localização dela com mais exatidão. Hoje a maioria dos receptores capta os sinais das duas constelações operacionais (GPS e GLONASS), conseguindo o “tracking” de muitos satélites, o que melhora em muito a acurácia da posição; no início do funcionamento do sistema era raro se conseguir 5 satélites no horizonte do usuário, hoje facilmente se consegue 12 ao mesmo tempo.

As principais limitações do GNSS são quanto as condições de propagação ionosféricas e atmosféricas, assim como os erros de sincronização dos relógios e as irregularidades nas órbitas dos satélites e a degradação intencional.

Com intuito de elevar a precisão e corrigir algumas influências involuntárias do sistema GNSS, o mesmo passou por aperfeiçoamentos que geraram o DGNSS, conforme exposto no item a seguir.

GNSS DIFERENCIAL (DGNSS)

O DGNSS foi desenvolvido para corrigir as limitações do GPS quanto a degradação intencional e as influências incontroláveis. Esta técnica torna a precisão de posicionamento do GNSS submétrica. 

Segundo Miguens (1996), a navegação DGPS em tempo real requer três componentes principais: estação de referência DGPS, “link” de comunicações (para correção DGPS) e receptor DGPS a bordo da embarcação. 

Figura 6: Navegação DGPS em tempo real

Fonte: http://www.borestenautica.com.br/arquivos/GPS.pdf

As observações simultâneas dos mesmos satélites por meio da estação e do navio proporcionam a minimização de erros sistemáticos que atingem as duas estações. A estação de referência DGNSS é situada em um local com precisão geográfica de coordenadas conhecidas, o qual geralmente é um radiofarol para navegações marítimas. Essa estação recebe os dados do satélite e verifica a sua distância real, podendo fazer correções na medida da distância para cada satélite, as quais são transmitidas pelo “link” HF de radiocomunicações para os receptores DGNSS instalados a bordo da embarcação. A precisão do DGNSS depende da distância entre o navio e a estação DGNSS.

A imagem a seguir mostra uma estação de referência DGPS recendo sinais de um conjunto de satélite, fazendo as correções e enviando as informações reais para os receptores DGPS instalados em um navio:

Figura 7: GPS Diferencial (correções DGPS)

Fonte: http://www.borestenautica.com.br/arquivos/GPS.pdf

No Brasil há dez estações DGPS para as correções de posicionamento de embarcações, as quais estão localizadas na costa brasileira. Elas operam de forma definitiva no país desde 1993, onde a primeira foi instalada no estado do Maranhão, para assegurar a segurança da navegação no difícil canal de acesso ao terminal da Ponta da Madeira e ao porto de Itaqui.

Há também técnicas de transmissão desse sinal diferencial de correção, a partir de uma estação estabelecida pelo próprio usuário, com um equipamento chamado RTK (Real Time Kinematic) onde existem duas estações, uma posicionada sobre um ponto de coordenadas precisas conhecidas e a outra a bordo da embarcação que se deseja posicionar. O princípio de funcionamento é o mesmo do DGPS, só que usando radiocomunicação UHF ou link WIFI, com horizonte de alcance bem menor.

Por fim existe também a técnica diferencial com correções transmitidas via satélite, o SBAS (Satellite Based Augmentation System), cujos satélites recebem as correções diferenciais de diversas estações em terra e as transmitem para o receptor do usuário em qualquer lugar da superfície terrestre.

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Espero que tenham gostado do conteúdo, iremos prosseguir com as publicações semanais, sempre objetivando elucidar alguns pontos críticas da engenharia naval, portuária e da navegação.

Bons ventos. Avante sempre!

Algumas das bibliografias utilizadas

Oliveira, David. As grandes navegações: aspectos matemáticos de alguns instrumentos náuticos. Dissertação para o Mestrado Profissional em matemática, 2017.

Fernandes, Telma; Longhini, Marcos. A construção de um antigo instrumento para navegação marítima e seu emprego em aulas de astronomia e matemática. I Simpósio Nacional de Educação em Astronomia, 2011. 

Moura, Pedro; Schuck, Rogério; Strohschoen, Andreia. Construção do Astrolábio. Programa de Pós Graduação em Ensino de Ciências Exatas, 2018.

MIGUENS, Altineu. Navegação: A ciência e a arte. Volume I. Marinha do Brasil, 2019.

MIGUENS, Altineu. Navegação: A ciência e a arte. Volume III. Marinha do Brasil, 1996.

Quais são os instrumentos de navegação atuais?

Qual e o instrumento de navegação mais utilizado atualmente?

Quais são os instrumentos de navegação utilizados nos dias atuais no lugar do astrolábio e da luneta?

Como são as embarcações de hoje em dia?