Global Navigation
Satellite Systems
- uma introdução
“ Imagine, accurate positioning dropping right out of the sky at the touch of a button!”
Jeff Hurn for Trimble Navigation, 1993
Sistemas Globais de
O uso de referências exteriores à
Terra sempre se prefigurou como
abordagem natural ao problema da
determinação de posição. Os
satélites artificiais, sendo o sistema
GPS o de uso mais alargado,
situam-se nessa linha de evolução
e trouxeram a possibilidade de
determinação de coordenadas de
um modo simples e com
equipamento de baixo custo.
A utilização para fins topográficos
ou geodésicos é distinta da
utilização para navegação,
reque-rendo diferente metodologia e
diferente equipamento.
Obs. de Uraniborg M cDona ld Obs. – Te xa s Un iv .Spatial
positioning
Posicionamento astronómico
Radar e Distanciómetro – II Guerra Mundial TRANSIT
Sistema para navegação (baixa precisão)
Processamento Doppler permite precisão
submétrica
1970
VLBI Very Long Baseline Interferometry SLR Sattelite Laser Ranging
VERY LONG BASELINE INTERFEROMETRY
Observações de um emissor (objeto) que são feitas em simultâneo por um conjunto de recetores (telescópios) cuja combinação emula um grande recetor
Goddard Geophysical and Astronomical Observatory. LAGEOS
SATELLITE LASER RANGING
LUNAR LASER RANGING
Laser Ranging Station no McDonald Observatory Satélites com retrorrefletores; medição de precisão milimétrica útil em estudos de geodinâmica
1978 – 1.º satélite do bloco I 1989 – 1.º satélite bloco II 1985 – 10 satélites bloco I 1994 – Operacionalidade 2000 – GPS S/A desativado (selective availability)
permitindo aos utilizadores a receção de sinal não degradado
1973 Navigation System with Timing and Ranging Global Positioning System
(Directiva do DoD para a sua criação)
OBJETIVO
Determinar posição, tempo e velocidade
PRINCÍPIO BÁSICO
Medição de pseudo-distâncias
satélite-recetor
APLICAÇÕES
Navegação (mar, terra, ar)
Geodesia e geodinâmica
Topografia e cartografia
SIG
Segmento espacial
Segmento de controlo
Segmento do utilizador
COMPONENTES
GPS
GLONASS
BeiDou
GALILEO
BeiDou-2
IRNSS
EXEMPLOS
GPS – Global Positioning System
(o mais usado dos GNNS)
Constelação de 24
satélites:
8 por plano orbital
Altitude: 20200 km
Período: 11h58m
Período da constelação: 23h56m
Inclinação: 50
o(desvio relativo ao equador)
GPS – SEGMENTO ESPACIAL
GPS – SEGMENTO DE CONTROLO
4 Estações de Monitorização (Havai e Kwajalein, no
Pacifico; Diego Garcia, no Índico e Ascensão, no
Atlântico) para obtenção de informações acerca do
comportamento de cada
satélite e envio das correções calculadas em Colorado
Springs
1 Estação de Controlo (Schriever Air Force Base - Colorado
Springs) para cálculo de correções às efemérides e aos parâmetros de relógio
GPS – SEGMENTO DO UTILIZADOR
“CIVIL” : SPS (~10m de precisão posicional)
“MILITARY – USA”: PPS (~1m)
SA - SELECTIVE AVAILABILITY
(desativado desde maio de 2000) – degradação intencional
AS – “Anti Spoofing”
Novos satélites (Bloco IIR-M, IIF)
Mudança do sinal: L1 e L2 (mais potência de
sinal)
Adição de novo sinal (L5)
Ciração de novos códigos
- L2C (Civilian L2)
- M (Militar)
Próxima geração - GPS III:
NASA pediu que os satélitesdo bloco III tivessem retrorrefletores laser: permite o
acompanhamento da órbita dos satélites independente dos sinais de rádio, o que possibilita os erros de relógio dos satélites serem analisados separadamente dos erros das efemérides.
GLONASS – Global
Orbiting Navigation
Satellite System
Ministério da Defesa da Federação Russa
Segmento espacial: 21 satélites em 3 planos orbitais, + 3 suplentes; órbita 19100 km, período 11h15m, perído constelação 8 dias
Constelação completa em 1995
Enviam sinal de precisão standard (SP) e sinal de alta precisão codificado (HP)
GPS e GLONASS usam sistemas de coordenadas diferentes
Em 2008, a disponibilidade do GLONASS era: Rússia 66.2% toda a Terra 56.0%
SEGMENTO ESPACIAL
30 satélites (órbita 24 000 km, ~ 4 000km mais que o GPS) em 3 planos orbitais,
inclinação 56º. 9+1 satélites por plano orbital.
SEGMENTO DE CONTROLO
2 centros principais na Europa Central
GALILEO – European Satellite Navigation
System
Comissão Europeia e ESA
Em 2007 os 27 ministros os
transportes da EU anunciaram a
operacionalidade em 2013, adiada
para 2019
Quatro futuros serviços de navegação distintos:
•Open Service (OS), acesso livre. Precisão <4 m (horiz.); <8 m
(vert.) em uso simultâneo de ambas as bandas OS; Banda única
<15 m (h.) / <35 m (v.)
•Commercial Service (CS), encriptado, disponível mediante
subscrição paga. Precisão < 1 m. Quando complementado com
estações terrestres: <10 cm.
•Public Regulated Service (PRS) e Safety of Life Service (SoL),
ambos encriptados, precisão semelhante ao OS. Robustez contra
jamming e deteção de problemas em 10 segundos. Uso exclusivo
por forças policiais e militares, e utilizadores críticos (controlo
aéreo, aterragem automática, etc.), respetivamente.
GALILEO – European Satellite Navigation
System
6 seconds
4 seconds
A
B
6 seconds
4 seconds
5 seconds
(wrong time)
7 seconds
(wrong time)
A
B
6 seconds
4 seconds
8 seconds
A
B
C
5 seconds (wrong time) 7 seconds (wrong time) 9 seconds (wrong time)
B
A
C
OPERAÇÃO
A base operativa de um GNSS é a triangulação a partir da
posição dos satélites: para triangular, um recetor GNSS
estima a distância usando o intervalo entre emissão e
receção dos sinais de rádio
Para se poder estimar esse intervalo, um GNSS precisa de
registar com elevada precisão o tempo
Tal como a distância, a posição dos satélites tem de ser
conhecida. A geometria das órbidas e o controlo constante
destas são elementos críticos
A correção de atrasos sofridos pelo sinal ao longo da
atmosfera deve ser tida em conta
Fo=10,23 MHz
L1= 154xFo = 1575.42 MHz (19,0cm compr. onda)*
L2= 120xFo = 1227.60 MHz (24,4cm)
C/A (Coarse/Acquisition) 1.023 MHz
P (Precise) 10.23 MHz
EXEMPLO: SINAL GPS
(oscilação de referência
da onda portadora)
Código
* this makes the carrier signal act as a much more accurate reference than the pseudo random code by itself
BLOQUEIO DO SINAL POR
r
r
r
r
1 2 3 4t
ot
1r
4=
v ( - )
t
1t
oPSEUDODISTÂNCIA
(Pseudo-Range)
.
)
(
)
(
)
(
,
)
(
)
(
)
(
,
)
(
)
(
)
(
,
)
(
)
(
)
(
2 4 2 4 2 4 4 2 3 2 3 2 3 3 2 2 2 2 2 2 2 2 1 2 1 2 1 1 k k k k k k k k k k k k k k k k k k k kcdt
Z
Z
Y
Y
X
X
cdt
Z
Z
Y
Y
X
X
cdt
Z
Z
Y
Y
X
X
cdt
Z
Z
Y
Y
X
X
(X
i,Y
i,Z
i) – Posição do satélite i
(X
k,Y
k,Z
k) – Posição do recetor
dt
k– Estado do relógio do recetor
Determinação de coordenadas
em função da pseudodistância
D
t
USO DE CÓDIGO
Sinal gerado no recetor
Número completo e inteiro de ciclos desde o
momento da emissão até à receção da fase da
onda portadora
É necessário determinar a ambiguidade da
fase da onda portadora para que se possa
usar a sua informação como medição de
distâncias ao longo do tempo
Época (0) Ambiguidade Época (i) Ambiguidade Nº de ciclos já contados Fase medida Fase medida
TÉCNICAS PARA FIXAÇÃO DE
AMBIGUIDADES
POSICIONAMENTO ABSOLUTO
E POSICIONAMENTO DIFERENCIAL
Exemplo de situação de posicionamento GPS Precisão posicional aprox. Absoluto 5m a 15m WADGPS (com auxílio de estaçõesterrestres – correção diferencial regional)
~4m
DGPS (diferencial, com código apenas, base < 40 km, 3 a 5 minutos de estacionamento)
~0,5m
DGPS (diferencial, com código apenas, base < 300 km, 3 a 5 minutos de estacionamento)
POSICIONAMENTO DIFERENCIAL
Exemplo de situação de posicionamento GPS Precisão posicional aprox.Estático convencional, monofre-quência (C/A, L1), base < 20km, c. 20 minutos de estacionamento
0,01m
Estático-rápido, frequência dupla (C/A, L1+L2), base < 20km, c. 20 minutos de estacionamento
0,005m
Estático-rápido, frequência dupla (C/A, L1+L2), base < 20km, c. 10 minutos de estacionamento
0,01m
Cinemático diferencial, frequência dupla (C/A, L1+L2), base < 20km
Emissão da correção
diferencial
Estações Costeiras (Beacon Stations)
Satélites Geoestacionários (Racal/OmniStar)
Antenas Retransmissoras de Telemóvel (GSM)
Outro Recetor (via Rádio)
RTCM=Radio Technical Commission for Maritime Services
(Standard para transmissão de correções diferenciais)
EGNOS- European Geostationary Navigation
Overlay Service
(perspetivas: melhorar a precisão posicional de 20m para 2m)
•SEGMENTO ESPACIAL
•Três satélites geostacionários (uma órbita geoestacionária (GEO) é uma órbita geossíncrona diretamente sobre a linha equatorial da Terra)
•Inmarsat III Atlantic Ocean region – East (15.5ºW) •ESA ARTEMIS (21.5ºE)
•Inmarsat III F5 (25ºE)
Ainda:
Informação precisa da posição de cada satélite GPS;
Informação sobre os relógios a bordo;
SEGMENTO DE CONTROLO
34 estações terrestres Estações de controlo principais
WAAS – Wide Area Augmentation System
Desenvolvido por: Federal Aviation Administration (FAA) e Department of transportation (DOT)
OPERAÇÃO:
25 estações terrestres localizadas nos EUA; 2 estações de controlo
Recebem a informação GPS,
determinam e enviam as correcções a aplicar aos dados GPS ( derivas orbitais, erros do relógio, atrasos ionosféricos e troposféricos)
USO:
América do Norte e Europa OcidentalOperacional
Set. 2002 : precisão posicional horizontal 1-2 m e vertical 2-3 mÁreas geográficas com cobertura WAAS,
EGNOS e MSAS
Recetores para posicionamento absoluto
Muitos recetores futuros processarão sinais GPS C/A e Galileo OS para máxima cobertura.
sistemas para navegação de veículos
sistemas para
Demarcação da fronteira Timor-Leste / Indonésia
Trimble Geo-Explorer 2005
O posicionamento
diferencial pode ser em tempo real ou
pós-processado
Levantamento de gravuras paleolíticas, Vale do Côa
DGPS receivers
DEPOIS DA CORREÇÃO DGPS ANTES DA CORREÇÃO DGPS
B A
POSICIONAMENTO
RELATIVO
Estático
Convencional
Rápido-estático
Cinemático
Real Time Kinematic (RTK)
Pós-processado
RENEP
REDE NACIONAL DE ESTAÇÕES PERMANENTES (INSTITUTO GEOGRÁFICO PORTUGUÊS)
Cascais
Para bases longas (>20Km), onde é exigida a maior precisão possível
Técnica indicada para implementação de redes geodésicas
Técnica ideal para grandes áreas
Para bases com comprimento até 20Km Curtos períodos de ocupação
O mais utilizado para grande produtividade de trabalho
Modo estático
Modo rápido-estático
Utilizado para caracterização da
trajectória de um objecto em
movimento (medições contínuas)
Útil para levantamento de eixos de
via e completagem cartográfica,
entre outras aplicações
Não é necessário o Pós-Processamento
Resultados disponíveis no momento da
observação
Aplicações em navegação
Recetores de Mono Frequência
Medição da base com precisão de 2 cm + 1 ppm (rms)
Utilizam a onda portadora L1
Utilizados essencialmente em aplicações topográficas
com comprimentos de bases não superiores a 15 Km
Solução menos dispendiosa mas de maior dificuldade
para obter as precisões mencionadas
Medição da base com precisão de 3 mm +
0.5 ppm (rms)
Utilização em Geodesia e Topografia :
Redes Geodésicas, Geodinâmica,
Densificações de Rede, Controlo
Fotogramétrico, Detalhe Topográfico
Multitrajeto
Fontes do erro
Atraso ionosférico
Fontes do erro
Rec ei v er noi s e M ul ti -path S ate l. c loc k s T roposp here Ephe m eris Ionos phere 0 10 20 30 40 m
Propagação do erro
PDOP – Position Dilution of
Precision
HDOP – Horizontal Dilution of Precision
VDOP – Vertical Dilution of Precision
Questões de revisão
1. Defina ângulo de mascara e indique a importância da sua definição na recolha dos dados com um recetor GPS.
2. Com recurso ao Sistema de Posicionamento Global (GPS), descreva, justificando, situações em que seja conveniente a utilização dos seguintes tipos de posicionamento:
i) Modo Absoluto, recolha dos dados em modo cinemático, observação de código;
ii) Modo Diferencial Pós-Processado, recolha dos dados em modo estático, observação de código e fase;
iii) Modo Diferencial em Tempo Real, recolha dos dados em modo estático, observação de código e fase;
iv) Modo Diferencial Pós-Processado, recolha dos dados em modo cinemático, observação de código e fase.
