O GPS como sensor de atitude

O Sistema de Posicionamento Global (GPS) está revolucionando as operações espa­

ciais por viabilizar a navegação e o controle autônomo de satélites com órbitas baixas.

O receptor GPS é um equipamento capaz de diversas funções, muitas das quais tem sido realizadas por componentes de vôo completamente separados e não relacionados.

Aplicável à navegação, guiagem em malha fechada, controle de atitude e à transferência de tempo com precisão atômica, um receptor GPS a bordo de um satélite pode fazer o papel de um sensor deca-dimensional, fornecendo Posição (3 dimensões), Velocidade (3 dimensões), Tempo (1 dimensão) e Atitude (3 dimensões) (PVTA). Com o amadure­

cimento da tecnologia do GPS, o custo do receptor, tamanho, massa, e consumo de potência decrescem rapidamente.

A determinação de atitude usando GPS tem sido desenvolvida como uma nova alternativa aos sensores de atitude. Dois fatores tem contribuído para a viabilidade desta tecnologia:

13Adaptada de Hatcher, 1967Í15J

Figura 2*1 2: Possível geometria das antenas GPS.

1. a constelação GPS, de 24 satélites, está em operação e permite recepção contínua e independente das condições atmosféricas e da interferência da refração ionosférica,

2. a tecnologia do receptor avançou a ponto de as unidades de vôo serem dese­

javelmente pequenas (~ 1300ce), leves (~ 1.5kg) e consumirem baixa potência (~ 3.51P), permitindo sua instalação em quase todos os tipos de satélites (Cohen

& Parkinson, 1992)^.

Normalmente, a atitude e o posicionamento são resolvidos por sensores separados e requerem processamento em solo. Agora, com o uso do GPS, um único receptor poderá fornecer ambas as funções simultaneamente e de modo autônomo.

Um receptor TANS, construído pela Trimble Navigation Ltda., foi configurado para um satélite artificial e a versão com quatro antenas foi instalada no satélite RADCAL (RADar CALibration) lançado em junho de 1994, com estabilização em três eixos.

Esta missão é a primeira a testar em vôo a medida de atitude de satélites usando GPS.

Quando combinada com a determinação de posição e a medida de tempo, um receptor GPS possui capacidade para fornecer até 10 dimensões de informação (Lightsey et al., 1994) [211.

Basicamente o GPS permite calcular a distância em que o satélite usuário se encon­

tra de cada elemento da constelação. Um artifício usando múltiplas antenas permite observar a posição relativa entre antenas, determinando assim também a atitude. O próximo capítulo descreve com mais detalhes o funcionamento do GPS.

O sensor GPS mostra-se promissor pois possuí amplo campo de visão (~ 180° — 20°

de elevação para cada antena), não tem partes móveis, dispõe de 24 fontes constantes de sinais e independe de condições metereológicas. O ângulo de máscara mais usado é

15° para cada lado acima da linha de horizonte da antena.

A escolha dos sensores de atitude adequados a uma dada missão depende de várias considerações. Por exemplo, sensores solares estão relacionados com o apontamento do satélite em relação ao Sol e ficam inoperante nos trechos noturnos da órbita. Sensores de horizonte são mais adequados para satélites com apontamento para a Terra. Sensores de estrelas são mais adequados para satélites com estabilização inercial. Magnetômetros são indicados apenas para missões em órbitas baixas (até cerca de lOOOfcm) devido ao usuários, portadores de sensores GPS devem orbitar altitudes inferiores às das órbitas dos satélites GPS. No mesmo capítulo, apresenta-se o algoritmo para o cálculo do fator ADOP e suas considerações.

2.4.1 O sensor GPS em satélites estabilizados por rotação

O uso do GPS para determinação de atitude em satélites estabilizados em três eixos já tem sido testado. Tal uso requer alguns ajustes no hardware do receptor/antenas para combinar adequadamente os sinais das múltiplas antenas em um único receptor.

O processamento adequado dos sinais, nessa situação, também é necessário.

O caso de satélites estabilizados por rotação (estabilização em um eixo) requer, pre­

sumivelmente, outros arranjos adequados no hardware, próprios para a nova situação que é conceitualmente diferente, o mesmo se aplicando ao software. Essas diferenças possibilitam o estudo de novas técnicas, tais como, uma única antena ou mais de uma antena, uma única freqüência ou duas freqüências, de acordo com as peculiaridades do GPS.

Estudos sobre o hardware e software internos dos receptores GPS e sobre as modifi­

cações que se façam necessárias para determinação de atitude de satélites rotacionados

fogem ao escopo deste trabalho que, outrossim, se concentrará em soluções com duas antenas e uma única freqüência.

Não se têm notícias de testes realizados com o uso de sensor GPS em satélites esta­

bilizados por rotação. Porém, os resultados de experimentos em solo são promissores e já há perspectivas de testes a bordo de futuras missões nacionais.

Capítulo 3

N A V ST A R - GPS

O lançamento do SPUTNIK I (1957), foi o ponto de partida na utilização de sinais de rádio enviados por satélites artificiais em navegação. Cientistas da Universidade Jhons Hopkins perceberam o efeito doppler nas transmissões de rádio do satélite e descobriram que a medida da variação deste efeito compara-se à medida da variação da distância entre as fontes emissora e receptora dos sinais. Ocupando-se pontos de coordenadas conhecidas conseguiu-se determinar a órbita do satélite. Posteriormente, notou-se que a recíproca é verdadeira. A posição do receptor pode ser determinada à partir de observações da variação do efeito doppler se as órbitas dos satélites forem conhecidas.

Sistemas de rádionavegação como LORAN e DECCA são falhos especialmente em alto mar e por este motivo a Marinha Americana solicitou à Agência de Projetos de Pesquisas Avançadas um estudo sobre a técnica do efeito doppler, estudo este que culmi­

nou corn o programa TRANSIT (Marinha Americana e Laboratório de Física Aplicada da Universidade Johns Hopkins), que entrou em operação em 1964, foi colocado à dis­

posição para uso civil em 1967 e despertou interesse para aplicações geodésicas à partir de 1970 (Seeber, 1993[38I).