Sistema de Posicionamento Global

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1 GP Global Positioning ystem O istema de Posicionamento Global (NAVTAR GP NAVigation ystem with Time And Ranging Global Positioning ystem) foi criado e desenvolvido pelo Departamento de Defesa dos Estados Unidos (DoD). Qual o Objectivo? Garantir tempo e navegação de precisão (posição, velocidade e direcção) continua e global, em tempo real e sob quaisquer condições atmosféricas. Quando apareceu? 1960 F.A.E.U.A. e a NAA desenvolvem o sistema TRANIT; 1967 Inicia-se a 1ª aplicação do sistema no campo da geodesia; 1974 DoD melhora o sistema e avança com o actual sistema GP; 1978 Foi lançado o primeiro satélite do GP; 1983 É feita a primeira aplicação no campo da geodesia; 1995 O sistema fica completamente operacional (com 24 satélites). 1/21 istema de Posicionamento Global TÉCNICA DE POICIONAMENTO ABOLUTO POICIONAMENTO RELATIVO ITEMA DE REFERÊNCIA 2/21

2 Constituição do istema Componente Espacial Componente utilitária Componente de Controlo 3/21 Componente Espacial 24 satélites dos blocos II, IIA e IIR distribuídos por 6 órbitas; órbitas aproximadamente circulares com raio de cerca km, separadas entre si de 60º em longitude; 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; inclinação orbital próxima dos 55º, relativamente ao plano equatorial terrestre. 4/21

3 Componente Espacial 5/21 Componente Espacial érie VNs Nº satélites activos Datas de lançamento Tempo de vida (anos) Bloco I 1-11 desactivados Fev 78 e Out 85 5 Bloco II Fev 89 e Out 90 (5 sat élites desactivados VNs 14, 16, 18-20) 7.3 Bloco IIA Nov 90 a Nov 97 (1 satélite desactivado VN 28) 7.3 Bloco IIR Jan 97 (lançamento do VN 42 mal sucedido, último lançamento do VN 54 em Jan 01) 7.8 Bloco IIF? - a partir de 2001 (satélites de quarta geração) /21

4 Componente de Controlo É composto por: 1 estação principal de controlo (Colorado prings); 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 Funções: Verificar o funcionamento dos satélites; Calcular as órbitas dos satélites para uma dada época; incronizar os relógios dos satélites com o tempo GP; Determinar parâmetros inonosféricos; Controlar as manobras de substituição e de correcção das órbitas; Actualizar a mensagem de navegação; Enviar os dados necessários aos satélites. Os dados recolhidos nas estações de monitorização 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. 8/21

5 Componente Utilitária A componente do utilizador é constituído pelos receptores GP 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 Utilitária Principais componentes de um receptor Antena e pré amplificador Processador de sinal Memória Code tracking loop Carrier tracking loop Micro-processador Oscilador de precisão Unidade de comando e display Unidade de registo de dados Baterias 10/21

6 Escala de Tempo GP Tempo atómico utilizado para a sincronização dos relógios do sistema; Gerado por 2 relógios atómicos na Estação Principal de Controlo; Difundido pelos satélites GP que estão munidos de relógios atómicos UTC actual de 1.5 ns (época comum: 0h de 1 Jan 1980) TU Escalas de Tempo 1 seg 0.7 seg TUC TGP TAI t 11/21 istema de Referência Geodésico WG84 WG84 World Geodetic ystem de 1984, é o sistema de referência geodésico associado ao sistema GP. Datum Global: e 2 = a = (±2m) origem = C.M. da Terra orientação: W 1 = 0, W 2 = 0, W 3 = 0 Coordenadas cartesianas (X,Y,Z) coordenadas geodésicas (ϕ, λ, H) Qualquer receptor processa os dados sempre em WG84, assim como, certos programas comerciais de processamento de dados, podendo proceder à posteriori à transformação de coordenadas para outro sistema de maior conveniência. 12/21

7 Estrutura do inal O sinal GP é constituído pelos seguintes elementos, formados a partir de uma frequência fundamental f o = 10.23Mhz: Ondas portadoras - L1 (Link 1) de frequência f L1 =150 f o = MHz (λ=19.05 cm); - L2 (Link 2) de frequência f L2 =120 f o = MHz (λ=24.45 cm); Códigos - C/A (Coarse Aquisition ou Clear Access) código PRN de 1023 dígitos binários; - P (Precise ou Protected) código PRN de 2.34x10 14 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 binários. 13/21 Códigos PRN Os sinais GP resultam da modulação de um código binário PRN (Pseudo Random Noise ou Ruído Pseudo-Aleatório). frequência modulado em comp. de onda P (Precise) f o = MHz L1* e L2 30 m C/A (Coarse Aquisition) f o /10 = MHz L1 300 m D (Navigation Message) 50 Hz L1 e L2 6 km * 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 GP, correcção aos relógios dos satélites e outras informações. 14/21

8 Formação do inal Frequência básica f 0 Portadora L1 f f 0 Df = 90º Código C/A C(t) 0.1 f 0 Mens. Navegação D(t) 50 bps Código P P(t) f 0 Portadora L2 f f 0 Adição módulo 2 Combinação de sinal Modulação 15/21 Modelação do inal Onda portadora Código PRN Modulação no atélite Desmodulação no Receptor Onda Modulada 16/21

9 erviço de Posicionamento GP O DoD dos EUA proporciona aos utilizadores 2 tipos de servi ços de posicionamento: ervi ço de posicionamento padrão (P tandard Positioning ervice) opera apenas em L1 e é usado na aquisição inicial dos sinais do satélite, através da sintonia do código C/A; este serviço era condicionado até há bem pouco tempo pelo acesso selectivo (A elective Availability). ervi ço de posicionamento preciso (PP Precise Positioning ervice) opera em ambas as frequências e usa o código P, permitindo uma maior precisão no posicionamento, sendo essencialmente utilizado para fins militares; o acesso a este serviço é controlado através da técnica criptográfica denominada anti-sabotagem (A Anti poofing). 17/21 erviço de Posicionamento GP Acesso electivo (A elective Availability) O DoD implementou esta técnica para reduzir a precisão da informação GP (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 A foi entretanto removido em 1 Maio de 2000, pelo que actualm ente o P disponibiliza uma precisão muito semelhante à dada pelo PP. Anti-abotagem (A Anti poofing) A técnica A impede que os receptores GP sejam enganados por sinais falsos e que utilizadores não autorizados façam medições directas em L2. Em condições de A, o código P é substituído pelo código Y ao qual apenas podem aceder utilizadores autorizados usando uma chave criptográfica. Esta técnica 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. 18/21

10 Efemérides 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 WG 84. Permitem uma precisão de 10 a 20m. Z Elementos Keplerianos: Ω, ascensão recta do nodo ascendente; ω, argumento do perigeu; inclinação, i semi-eixo maior, a; excentricidade, e; anomalia verdadeira, f. X W w f apoge u i Y nodo ascendente 19/21 Efemérides de Precisão As efemérides de precisão ou pós-processadas são calculadas à posterióri a partir das observações GP 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 GP ervice (IG), disponibilizando a informação gratuitamente à comunidade científica - Estas órbitas são apresentadas na forma de vector posição (r ) e vector velocidade (v), a partir do qual é calculada a posição (X, Y, Z) do satélite por integração numérica. 20/21

11 Vantagens & Desvantagens Funciona em quaisquer condições Não necessita de intervisibilidade entre os pontos Alcance ilimitado Funciona a qualquer hora do dia Necessita de perfeita intervisibilidade com os satélites acima do horizonte (sem ocultações) 3 satélites no mínimo Interferências com o sinal Dificuldades de funcionamento em zonas muito arborizadas e edificadas 21/21