Sistema de Posicionamento Global

(1)

Topografia – GPS C. Antunes - FCUL

GPS

–

Global

Positioning

System

ü Qual o Objectivo?

Garantir tempo e navegação de precisão (posição, velocidade e direcção) continua e global, em tempo real e sob quaisquer condições atmosféricas.

O Sistema de Posicionamento Global (NAVSTAR GPS – NAVigation System with Time And Ranging Global Positioning System) foi criado e desenvolvido pelo Departamento de Defesa dos Estados Unidos (DoD).

ü Quando apareceu?

1960 – F.A.E.U.A. e a NASA desenvolvem o sistema TRANSIT; 1967 – Inicia-se a 1ª aplicação do sistema no campo da geodesia; 1974 – DoD melhora o sistema e avança com o actual sistema GPS; 1978 – Foi lançado o primeiro satélite do GPS;

1983 – É feita a primeira aplicação no campo da geodesia;

1995 – O sistema fica completamente operacional (com 24 satélites).

1/21

Sistema de Posicionamento Global

POSICIONAMENTO

TÉCNICA DE POSICIONAMENTO SISTEMA DE REFERÊNCIA ABSOLUTO RELATIVO

(2)

Constitui

ç

ão do Sistema

Componente Espacial Componente utilitária Componente de Controlo 3/21

Componente Espacial

ü 24 satélites dos blocos II, IIA e IIR

distribuídos por 6 órbitas;

ü órbitas aproximadamente circulares com raio de cerca 26 600 km, separadas entre si de 60º em longitude; ü período orbital de 12 horas siderais

(≈11h 58min 26s UTC), que faz com que o nascimento dos satélites se dê cerca de 4 min mais cedo em cada dia; ü inclinação orbital próxima dos 55º,

relativamente ao plano equatorial terrestre.

(3)

Componente Espacial

5/21

Componente Espacial

12.7 7.8 7.3 7.3 5 Tempo de vida (anos) -6 18 4 desactivados Nº satélites activos Datas de lançamento SVNs Série

a partir de 2001 (satélites de quarta geração)

? Bloco IIF

Jan 97 (lançamento do SVN 42 mal sucedido, último lançamento do SVN 54 em Jan 01)

41 - 62 Bloco IIR

Nov 90 a Nov 97 (1 satélite desactivado SVN 28) 22 - 40

Bloco IIA

Fev 89 e Out 90 (5 sat élites desactivados SVNs 14, 16, 18-20) 13 - 21 Bloco II Fev 78 e Out 85 1 - 11 Bloco I

(4)

Componente de Controlo

É composto por:

ü

1 estação principal de controlo (Colorado Springs);

ü

5 estações de monitorização ou rastreio de satélites, 3 das quais são também estações transmissoras (Ascension, Diego Garcia e Kwajalein).

7/21

Componente de Controlo

Funç ões:

ü

Verificar o funcionamento dos satélites;

ü

Calcular as órbitas dos satélites para uma dada época;

ü

Sincronizar os relógios dos satélites com o tempo GPS;

ü

Determinar parâmetros inonosféricos;

ü

Controlar as manobras de substituição e de correcção das órbitas;

ü

Actualizar a mensagem de navegação;

ü

Enviar os dados necess ários aos satélites.

Os dados recolhidos nas estações de monitorizaç ão são enviados para a estação principal onde são efectuados os cálculos necessários à actualização da mensagem de navegação. Os dados actualizados são enviados periodicamente para as estações de transmissão que posteriormente os enviam para os satélites.

(5)

Componente Utilit

á

ria

A componente do utilizador é constituído pelos receptores GPS que recebem, descodificam e processam os sinais emitidos pelos satélites

a partir dos quais se faz o cálculo da posição, velocidade e tempo do utilizador.

9/21

Componente Utilit

á

ria

Principais componentes de um receptor

Code tracking loop

Carrier tracking

loop Oscilador de_precisão Micro-processador Mem ória Processador de sinal Unidade de comando e display Unidade de registo de dados Baterias Antena e pré amplificador

(6)

Escala de Tempo GPS

üTempo atómico utilizado para a sincronização dos relógios do sistema; ü Gerado por 2 relógios atómicos na Estação Principal de Controlo; ü Difundido pelos satélites GPS que estão munidos de relógios atómicos ü≠UTC actual de ≈1.5 ns (época comum: 0h de 1 Jan 1980)

t Escalas de Tempo TAI TU TUC ≈TGPS 11/21 1 seg 0.7 seg

Sistema de Referência Geod

é

sico WGS84

ü WGS84 – World Geodetic System de 1984, é o sistema de referência geodésico associado ao sistema GPS.

ü Datum Global: e2_{= 0.00669437999013} a = 6378137 (±2m) origem = C.M. da Terra

orientação: ∆W1= 0, ∆W2 = 0, ∆W3 = 0

ü Coordenadas cartesianas (X,Y,Z) ↔coordenadas geodésicas (ϕ, λ, H) ü Qualquer receptor processa os dados sempre em WGS84, assim como,

certos programas comerciais de processamento de dados, podendo proceder à posteriori à transformação de coordenadas para outro sistema de maior conveniência.

(7)

Estrutura do Sinal

O sinal GPS é constituí do pelos seguintes elementos, formados a partir de uma frequência fundamental fo= 10.23Mhz:

ü

Códigos

- C/A (Coarse Aquisition ou Clear Access) código PRN de 1023 dígitos binários;

- P (Precise ou Protected) código PRN de 2.34x1014 _dígitos

binários, sequência de período de 267 dias de duração, divididos em 7 dias, com reinicialização às 0h de domingo;

- D (Navigation Message) código PRN de 1500 dígitos bin ários.

ü

Ondas portadoras - L1 (Link 1) de frequência f_L1=150 f_o= 1575.42 MHz (λ=19.05 cm); - L2 (Link 2) de frequência f_L2=120 f_o= 1227.60 MHz (λ=24.45 cm); 13/21

C

ó

digos PRN

Os sinais GPS resultam da modulação de um código binário PRN (Pseudo Random Noise ou Ruído Pseudo-Aleatório).

comp . de onda modulado em frequência 6 km L1 e L2 50 Hz D (Navigation Message) 300 m L1 fo/10 = 1.023 MHz C/A (Coarse Aquisition)

30 m L1* e L2

fo= 10.23 MHz

P (Precise)

* modulado em quadratura de fase com o código CA, i.e., separados de 90º em fase

A Mensagem de Navega ção (código D) contém efemérides, tempo UTC, nº da semana GPS, correcção aos relógios dos satélites e outras informações.

(8)

Forma

ç

ão do Sinal

Σ Adição m ódulo 2 Modulaç ão Combinação de sinal Portadora L1 f₁ 154 f₀ Código C/A C(t) 0.1 f₀ Mens. Navegação D(t) 50 bps Código P P(t) f₀ Portadora L2 f₂ 120 f₀ Frequência básica f₀ Σ Σ ∆φ = 90º 15/21

Modela

ç

ão do Sinal

16/21 1 0 1 0 Onda portadora Código PRN Onda Modulada Modula ç ão no Sat é lite Desmodula ç ão no Receptor

(9)

Servi

ç

o de Posicionamento GPS

O DoD dos EUA proporciona aos utilizadores 2 tipos de servi ç os de posicionamento:

Servi ço de posicionamento preciso (PPS – Precise Positioning Service)

üopera em ambas as frequências e usa o código P, permitindo uma maior precisão no posicionamento, sendo essencialmente utilizado para fins militares;

üo acesso a este serviço é controlado através da técnica criptográfica denominada anti-sabotagem (AS – Anti Spoofing).

Servi ço de posicionamento padrão (SPS – Standard Positioning Service)

üopera apenas em L1 e é usado na aquisição inicial dos sinais do satélite, através da sintonia do código C/A;

üeste serviço era condicionado até há bem pouco tempo pelo acesso selectivo (SA – Selective Availability).

17/21

Servi

ç

o de Posicionamento GPS

Acesso Selectivo (SA – Selective Availability)

O DoD implementou esta técnica para reduzir a precisão da informação GPS (posição, velocidade e tempo), através da introdução de erros pseudo-aleatórios no relógio do satélite (processo d) e da degradação das efemérides radiodifundidas (processo e).

O SA foi entretanto removido em 1 Maio de 2000, pelo que actualm ente o SPS disponibiliza uma precisão muito semelhante à dada pelo PPS.

Anti-Sabotagem (AS – Anti Spoofing)

A técnica AS impede que os receptores GPS sejam enganados por sinais falsos e que utilizadores não autorizados façam medições directas em L2. Em condições de AS, o código P é substituído pelo código Y ao qual apenas podem aceder utilizadores autorizados usando uma chave criptográfica.

Esta t écnica foi activada às 0h UT do dia 31 de Janeiro de 1994 e permanece em operação contínua desde essa data, afectando todos os sat élites do Bloco II.

(10)

Efem

é

rides Radiodifundidas

As efemérides radiodifundidas são constituídos pelos elementos de órbita kepleriana e suas perturbações, são determinadas pela estação principal de controlo, com base nos dados de rastreio das estações monitoras. É a partir destes dados difundidos na mensagem de navegação que são calculadas as posições geocêntricas dos satélites no sistema WGS 84. Permitem uma precisão de 10 a 20m. f i ω apoge u Z Y X Ω _nodo ascendente S S S Elementos Keplerianos:

•Ω, ascensão recta do nodo ascendente; •ω, argumento do perigeu; • inclinação, i • semi-eixo maior, a; • excentricidade, e; • anomalia verdadeira, f. 19/21

Efem

é

rides de Precisão

As efemérides de precisão ou pós-processadas são calculadas à posterióri a partir das observações GPS de estações permanentes espalhadas pelo mundo e consideradas como fixas, com o objectivo de se obter órbitas com uma precisão σ< 1 m.

Uma das instituições que faz regularmente a determinação de órbitas de alta precisão é o International GPS Service (IGS), disponibilizando a informação gratuitamente à comunidade científica - http://igscb.jpl.nasa.gov.

Estas órbitas são apresentadas na forma de vector posição (ρ ) e vector velocidade (v), a partir do qual é calculada a posição (X, Y, Z) do satélite por integração numérica.

(11)

Vantagens & Desvantagens

21/21

ü Funciona em quaisquer condições

ü Não necessita de intervisibilidade entre os pontos ü Alcance ilimitado

ü Funciona a qualquer hora do dia

ü Necessita de perfeita intervisibilidade com os satélites acima do horizonte (sem ocultações)

ü 3 satélites no mínimo ü Interferências com o sinal

ü Dificuldades de funcionamento em zonas muito arborizadas e edificadas