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

Posicionamento por Satélite

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

McD

onald

Obs.

–Texas U

niv

.

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)

1981 – 1.º recetor código/fase

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)

Satélite do Bloco II

Constelação de 24 satélites: 8 por plano orbital

Altitude: 20200 km

Período: 11h58m

Período da constelação: 23h56m

Inclinação: 50o (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” (encriptado, para evitar acesso público ao código P)

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 satélites

do 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.

GPS – EVOLUÇÃO DO SISTEMA

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

AB

Num mundo perfeito

6 seconds4 seconds

5 seconds(wrong time)

7 seconds(wrong time)

AB

atraso hipotético de 1s nos relógios dos recetores

6 seconds4 seconds

8 seconds

AB

C

de novo num mundo perfeito

5 seconds(wrong time)

7 seconds(wrong time)

9 seconds(wrong time)

BA

C

atraso hipotético de 1s nos relógios dos recetores

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 VEGETAÇÃO DENSA E CONSTRUÇÕES

r r

r

r

1

2 3

4 t o

t 1 r 4 = t 1 t o v ( - )

PSEUDODISTÂNCIA (Pseudo-Range)

.)()()(

,)()()(

,)()()(

,)()()(

2424244

2323233

2222222

2121211

kkkkk

kkkkk

kkkkk

kkkkk

cdtZZYYXX

cdtZZYYXX

cdtZZYYXX

cdtZZYYXX

(Xi,Yi,Zi) – Posição do satélite i (Xk,Yk,Zk) – Posição do recetor dtk – Estado do relógio do recetor

Determinação de coordenadas em função da pseudodistância

D t

USO DE CÓDIGO

Sinal gerado no recetor

Sinal recebido do satélite

Número completo e inteiro de ciclos desde o momento da emissão até à receção da fase da onda portadora

UTILIZAÇÃO 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

MODOS DE OPERAÇÃO

POSICIONAMENTO ABSOLUTO E POSICIONAMENTO DIFERENCIAL

Exemplo de situação de

posicionamento GPS

Precisão

posicional

aprox.

Absoluto 5m a 15m

WADGPS (com auxílio de estações

terrestres – 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)

~2m

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

0,1m

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;

Parâmetros ionosféricos

SEGMENTO DE CONTROLO

34 estações terrestres Estações de controlo principais

SEGMENTO DO UTILIZADOR

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 Ocidental

Operacional Set. 2002 : precisão posicional horizontal 1-2 m

e vertical 2-3 m

Áreas 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 navegação de recreio

Demarcação da fronteira Timor-Leste / Indonésia

Trimble Geo-Explorer 2005

O posicionamento

diferencial pode ser em

tempo real ou pós-

processado

Recetores para posicionamento diferencial

Levantamento de gravuras paleolíticas, Vale do Côa

DGPS receivers (real time or post-processing)

DEPOIS DA CORREÇÃO DGPS

ANTES DA CORREÇÃO DGPS

EXEMPLO NO IST

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

Ponta Delgada

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

TEMPO DE ESTACIONAMENTO

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

POSICIONAMENTO CINEMÁTICO

Não é necessário o Pós-Processamento Resultados disponíveis no momento da observação Aplicações em navegação

RTK – Cinemático em Tempo Real

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

Recetores de Dupla Frequência

Multitrajeto

Fontes do erro

Atraso ionosférico

Fontes do erro

Receiv

er

nois

e

Multi-

pa

th

Sate

l. c

locks

Tro

posp

here

Ephe

meris

Ionosphere

0

10

20

30

40

m

Importância relativa do erro

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.