INTRODUÇÃO AOS SISTEMAS DE GEO-LOCALIZAÇÃO E NAVEGAÇÃO BASEADOS EM SATÉLITES

INTRODUÇÃO AOS SISTEMAS

DE GEO-LOCALIZAÇÃO E

NAVEGAÇÃO

BASEADOS EM SATÉLITES

Ewaldo Luiz de Mattos Mehl

Universidade Federal do Paraná

Departamento de Engenharia Elétrica

Agenda

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Noções de Cartografia

•

Introdução ao NAVSTAR-GPS

•

Outros Sistema de Geo-Localização baseado em

satélites: Glonass – Galileo - Beibou

•

Apresentação de ferramentas de software para

geo-localização

•

Prática com equipamento GPS portátil

A s f o t o s a nt e r i o r e s e a b ai x o m o st r a m o s u b m a r i n o n o r t e a m e r i c a no U S S H aw k b i l l ( S S N 6 6 6 ) ap ó s e me r g i r a p o u c o s m e t r o s d o P o l o N o r t e , n o d ia 3 d e a b r i l d e 1 9 9 9 . E s t a f o i a ú l t i m a v i ag e m d e s t e s u b m ar i n o a t ô m i c o , a p ó s 2 8 a n o s d e s e r v i ç o . Polo Norte

•NAVigation System with Time And Ranging - Global Positioning System

•Sistema de rádio-navegação por satélites que fornece, a usuários que possuam equipamento apropriado, coordenadas precisas de posicionamento tridimensional e informação sobre a navegação e o tempo.

• Mantido e operado pelo governo dos EUA, através do

Departamento de Defesa (DoD).

• Não existem custos para usar o sistema NAVSTAR-GPS, exceto o de aquisição do equipamento receptor.

• Anteriormente ao NAVSTAR, a Marinha dos EUA já tinha um sistema de localização baseado em satélites denominado TRANSIT, iniciado em 1960.

• No sistema TRANSIT, havia 6 satélites em órbita polar. • O sistema TRANSIT permitia a localização de navios e submarinos com precisão de 200 metros. No entanto, era necessário esperar cerca de uma hora para se ter a posição! • O sistema TRANSIT foi colocado fora de operação a partir de 1996, com o desenvolvimento do sistema NAVSTAR – GPS.

• Roger L. Easton (1921-) • Bradford Parkinson (1935-)

• Ivan Alexander Getting (1912-2003)

• Cada satélite emite um sinal que contém o horário exato da sua emissão.

• Todos os usuários que estiverem num círculo sobre a superfície terrestre receberão o sinal com um determinado atraso.

• Segmento de Controle: cinco estações terrestres, sendo duas de monitoramento e três de monitoramento euplinkcom os satélites em órbita. • Segmento Espacial: Constelação de satélites em órbita

terrestre (24 satélites ativos + reservas).

• Segmento dos Usuários: unidades receptoras dos sinais de rádio GPS, geralmente incorporadas com circuitos microprocessados destinados ao cálculo da localização em coordenadas geográficas e auxílio aos deslocamentos por terra, mar ou ar.

Cinco estações terrestres de monitoramento e

controle dos satélites

50th Space Wing Schriever Air Force Base Colorado Springs, CO, EUA Master Control Monitor Station

Hawaii Monitor Station

Ascension Island Monitor Station & Uplink

Diego Garcia Monitor Station & Uplink

Kwajalein Monitor Station

& Uplink

NAVSTAR-GPS Master Control Monitor Station

Schriever Air Force Base Colorado Springs, CO, EUA

• Monitoram a passagem dos satélites, medindo as distâncias precisas entre a estação e cada um dos satélites através de efeito Doppler dos sinais de rádio

• Adquirem continuamente dados metereológicos e da ionosfera, enviando esses dados à estação central de controle (MCS) em Colorado Springs (EUA). Verificam também dados sobre a operação dos vários sistemas eletrônicos dos satélites.

• A estação de controle central analisa os dados ionosféricos e metereológicos, verificando se a distância medida entre cada estação e cada satélite corresponde às predições de órbitas.

• Caso sejam verificadas mudanças orbitais significativas, a estação central determina que o satélite atualize os dados de efeméride que transmite. Pode também determinar a substituição de um satélite defeituoso por um dos 5 de reserva já em órbita.

• As informações de retorno aos satélites são transmitidas ao espaço pelas estações da Ilha da Ascensão, Diego Garcia e Kwajalein.

• freqüências específicas do sistema GPS: L1 = 1575,42 MHz L2 = 1227,60 MHz L5=1176.45 MHz

SV =

Space Vehicles

(Satélites)

SV = Space Vehicles

(Satélites)

Fabricante: Rockwell International

11 SVs Lançados ao espaço entre 1978 e 1985

Objetivo: Desenvolvimento e testes do sistema NAVSTAR

SV = Space Vehicles

(Satélites)

Fabricante: Rockwell International

28 SVs Lançados ao espaço entre 1990 e 1997 Objetivo: Substituição de satélites do Bloco I

Os primeiros receptores GPS eram bastante volumosos em comparação com os que se tem atualmente...

SV = Space Vehicles

(Satélites)

Fabricante: Lockheed Martin (comprada pela Boeing) Lançados ao espaço entre 2000 e 2004

Uso do Veículo Lançador Delta II para lançamento dos satélites GPS do Bloco IIR Uso do Veículo Lançador Delta II para lançamento dos satélites GPS do Bloco IIR Uso do Veículo Lançador Delta II para lançamento dos satélites GPS do Bloco IIR

Uso do Veículo Lançador Delta II para lançamento dos satélites GPS do Bloco IIR

SV = Space Vehicles

(Satélites)

Fabricante: Boeing

• Substituição dos SVs do Bloco IIR • Satélites comunicam-se entre si • Maior potência de transmissão

• Autonomia do Controle Central de 6 meses

• Satélites conseguem corrigir automaticamente suas órbitas • Inclusão do canal L5 para uso civil

SV = Space Vehicles

(Satélites)

Iguais aos IIR, porém fabricados pela Boeing Bloco IIF

Boeing 800 kg (aprox.) 2,44 kW • Melhoria na precisão

• Inclusão do canal L5 para uso em aviação civil • Inclusão do sinal militar "M-code“ • Anti-jamming

• Reprogramável em orbita 2005-2009

1978-2004

Summary of satellites[21]

Block Launch Period

Satellite launches Currently in orbit and healthy Suc-cess Fail-ure In prep-aration Plan-ned I 1978–₁₉₈₅ 10 1 0 0 0 II 1989–₁₉₉₀ 9 0 0 0 0 IIA 1990–₁₉₉₇ 19 0 0 0 10 of the 19 launched IIR 1997–₂₀₀₄ 12 1 0 0 12 of the 13 launched IIR-M 2005–₂₀₀₉ 8 0 0 0 7 of the 8 _launched

IIF 2010–₂₀₁₁ 1 0 11 0 1 of the 1 _launched IIIA 2014–? 0 0 0 12 0

IIIB 0 0 0 8 0

IIIC 0 0 0 16 0

Total 59 2 11 36 30 (Last update: 24 May 2010)

SV = Space Vehicles

(Satélites)

http://www.youtube.com/watch?v=e1_VfLkzI9g

Disponibilidade Seletiva (SA –

Selective Availability)

• Degradação intencional dos sinais dos satélites GPS, imposta pelo Departamento de Defesa Norte-Americano.

• Objetivo: impedir o uso indevido do GPS

• O governo norte americano retirou o SA em maio de 2000, o que melhorou significativamente a precisão dos receptores de GPS de uso civil (mas a SA pode voltar a ser usada sem aviso...).

GPS – Segmento dos

Usuários:

Equipamentos receptores

Equipamento militar norte-americano usado no Iraque

Equipamento usado no rali do Saara - 2006

GPS – Segmento dos

Usuários:

Equipamentos receptores

GPS – Segmento dos

Usuários:

Equipamentos receptores

Receptores GPS

GPS – Segmento dos Usuários

Características Gerais dos Receptores Portáteis

• Alimentação por pilhas ou baterias recarregáveis • Antena (removível ou fixa, interna ou externa) • Display de LCD com backlight

• Teclas de operação das diversas funções

Características Especiais dos Receptores Portáteis

• Conector para alimentação de energia externa • Conector para antena externa

• Display colorido com capacidade gráfica • Conector para ligação com microcomputador

• Dispositivo de conexão com cartões tipo flash memory • Rádio-comunicador incorporado

Problemas comuns nos Receptores Portáteis

• Baixa sensibilidade das antenas • Antenas “direcionais”

•Shadowing:áreas de “sombra” devido a vegetação, edifícios, objetos metálicos etc.

•Multipath:Reflexão em edificações e/ou objetos metálicos

Uso de Receptores Portáteis

Uso de Receptores Portáteis

Velocidade máxima Elevação Velocidade média Odômetro Escala do Mapa

Uso de Receptores Portáteis

Localização atual Mapa gravado na memória interna Indicação do Norte Verdadeiro

WAAS –Wide Area Augmentation System

• Sistema de auxílio à navegação aérea operado nos EUA pela Federal Aviation Administration(FAA).

• 25 estações terrestres nos EUA e Alasca comparam continuamente sua posição (conhecida) com a posição obtida por sinais GPS.

• Dados de correção são enviados a dois satélites

geo-estacionários, um sobre a costa do Atlântico e outro sobre a costa do Pacífico dos EUA.

WAAS –Wide Area Augmentation System

• O sistema WAAS corrige principalmente o atraso

ionosférico, principal fonte de erro nos sinais GPS.

• Receptores de GPS + WAAS chegam a precisão de 2m no território continental dos EUA e no Alasca.

• WAAS não deve ser usado fora do território norte-americano!

Estação WAAS no Alasca Estação WAAS na Califórnia (uplink)

WAAS –Wide Area Augmentation System

Sistemas Semelhantes ao WAAS: Na Europa:EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay Service)

3 satélites em órbita geo-estacionária

Precisão de 2 m na maioria dos países europeus

No Japão: Multi-Functional Satellite Augmentation System(MSAS) 2 satélites geo-estacionários: sistema utilizado no Japão e na Austrália.

IBGE

RBMC

Localização de Frotas

Geralmente implementadas com um receptor GPS (localiza a posição do veículo) e um circuito de telefone celular GSM ou CDMA (envia periodicamente a localização do veículo para uma empresa de segurança e/ou o proprietário do veículo).

Satélites GPS

Veículo equipado Rede de Telefonia Celular Programa de

Rede por Pacotes IP

Negócios baseados em GPS

• AVL (Automatic Vehicle Location):Localização de Frotas

Negócios baseados em GPS

• AVL (Automatic Vehicle Location):Localização de Frotas

Integração GPS com Google Earth –GeoWeb

Coleta de Dados

Arquivo .gpx

GPS eXchange Format