SISTEMA DE POSICIONAMENTO ESPACIAL - GPS - GLONASS - GALILEO - BEIDOU COMPASS - OBSERVÁVEIS GNSS

Transcrição

1 SISTEMA DE POSICIONAMENTO ESPACIAL - GPS - GLONASS - GALILEO - BEIDOU COMPASS - OBSERVÁVEIS GNSS Prof. Dra. Daniele Barroca Marra Alves

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3 STATUS GNSS

4 FUNCIONAMENTO

5 PRINCÍPIO Conhecendo as distância entre um receptor e pelo menos 4 satélites, conhecendo também as coordenadas desses satélites, é possível calcular as coordenadas da antena do receptor no mesmo sistema de referência dos satélites. Porque 4 satélites ao invés de 3? São necessários pelo menos 4 satélites devido ao não sincronismo dos relógios do satélite e receptor comparece a incógnita relativa ao tempo.

6 GPS

7 GPS GPS Global Positioning System - Sistema de Posicionamento Global Através de uma constelação de satélites artificiais é possível obter a localização, tempo e velocidade de um receptor GPS. Foi desenvolvido e é mantido e operado pelo Departamento de Defesa dos Estados Unidos Objetivo de ser o principal sistema de navegação das forças armadas americanas Devido a alta acurácia proporcionada, surgiram diversos usuários civis, em inúmeras aplicações

8 GPS

9 GPS O GPS foi declarado operacional em 1995, com 24 satélites em órbita, mas desde 1993 já estava sendo utilizado no posicionamento geodésico. Satélite do bloco II/IIA

10 GPS O sistema proporciona dois tipos de serviços: SPS (Standard Positioning Service); Serviço de posicionamento e tempo padrão disponível para todos os usuários do globo, sem cobrança de qualquer taxa. Até o dia 1 0 de Maio de 2000 o nível de acurácia era limitado pela SA (Selective Availability - Disponibilidade Seletiva); Para grande surpresa da comunidade usuária, essa técnica de deterioração da acurácia foi abolida do sistema às 0 h TU do dia 2 de Maio de 2000, melhorando a acurácia em torno de 10 vezes. PPS (Precise Positioning Service). Restrito para uso dos militares e usuários autorizados. O GPS é composto por 3 segmentos: espacial, de controle e de usuários.

11 GPS SEGMENTO ESPACIAL Bloco IIF

12 GPS SEGMENTO ESPACIAL O segmento espacial consiste de: Mínimo 24 satélites; Nos últimos anos a constelação está sendo mantida com 31 satélites; Seis planos orbitais igualmente espaçados; Altitude aproximada de km. Planos orbitais inclinados 55 0 em relação ao equador; Sistema de referência WGS84; Período orbital de aproximadamente 12 horas siderais; A posição dos satélites se repete, a cada dia, aproximadamente quatro minutos antes que a do dia anterior; Garantia de, no mínimo, 4 satélites GPS visíveis em qualquer local da superfície terrestre, a qualquer hora, independente das condições Climáticas. Todos os satélites transmitem na mesma frequência, mas podem ser identificados pelo código exclusivo de cada satélite. Trata-se da técnica denominada CDMA (code division multiple access) Concepção original: 4 tipos de satélites fizeram - satélites do

13 GPS SEGMENTO ESPACIAL

14 GPS SEGMENTO ESPACIAL Bloco 1 protótipos - 11 satélites - o último satélite foi desativado no final de Blocos II e IIA ( A Advanced) - compostos por 28 satélites, primeira e segunda geração de satélites GPS. 9 do blocoii; Lançados de 1989 a 1990; 19 do bloco IIA; Lançados de 1990 a 1997; Setembro de satélites do bloco IIA permanecem na constelação GPS, alguns com mais de 20 anos. Setembro de satélites do bloco IIA. Novembro de 2016 nenhum satélite. Agora satélite O primeiro satélite pesava mais de 1500 kg, com custo estimado em 50 milhões de dólares americanos.

15 GPS SEGMENTO ESPACIAL Bloco IIR ( R Replenishment) - terceira geração objetivo de substituir os satélites do bloco II/IIA 13 satélites; Lançamentos de 1997 a 2004; Setembro de 2014/2015/2016/ satélites em operação; Outubro de satélites. Bloco IIR(M) ( M Modernized) Novos sinais civis e militares 8 satélites; Lançamentos de 2005 a 2009; Em Setembro de 2014/2015/2016/2017/ satélites em operação; Em 09/2005 foi lançado o primeiro satélite modernizado com código civil na portadora L2 (L2C).

16 GPS SEGMENTO ESPACIAL Bloco IIF ( F Follow-on) - Existência da terceira portadora L5 12 satélites; Primeiro lançamento em Maio de 2010; Setembro de satélites em operação. Novembro de satélites em operação. Bloco III Em desenvolvimento, será o novo bloco de satélites GPS Melhorias na Confiabilidade, Acurácia e Integridade. GPS III - construção Lançamento Dezembro

17 GPS SEGMENTO ESPACIAL

18 GPS SEGMENTO ESPACIAL constelação GPS

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20 RESUMO Parâmetro Bloco I Bloco II/IIA Bloco IIR/IIRM Bloco IIF GPS III Lançamento a a a Vida útil (anos) 5 7,5 7, Peso (kg) 450 > Sinais L1, L2 L1, L2 L1, L2 L1, L2,L5 L1, L2,L5 Quantidade Fabricada bloco II 19 bloco IIA bloco IIR 8 bloco IIR-M 12 Operacionais em -- 1 do bloco IIA 11 bloco IIR 12 Set/ bloco IIR-M Teunissen e Montenbruck, 2017

21 SINAIS GPS Cada satélite GPS emitia 2 ondas portadoras: L1 el2. Os satélites GPS do bloco IIF enviam também a portadora L5; São geradas a partir da frequência fundamental de 10,23 MHz. L1 = 154*10,23 = 1575,42 MHz e 19 cm L2 = 120*10,23 = 1227,60 MHz e 24 cm L5 = 115*10,23 = 1176,45 MHz e 25,5 cm Com L1 e L2 é possível corrigir os efeitos da refração ionosférica no posicionamento (observável Ion Free).

22 NOVOS SINAIS GPS L2C L5

23 NOVOS SINAIS GPS

24 SINAIS GPS MENSAGEM DE NAVEGAÇÃO Cada satélite transmite um conjunto de dados chamados Mensagem de Navegação. Coeficientes para correção do relógio do satélite; Número da semana GPS; Saúde do satélite; Parâmetros orbitais: para cálculo das posições dos satélites para fins de posicionamento; Almanaque dos satélites: para cálculo aproximado das posições dos satélites - para fins de planejamento de missão GPS; Modelos da ionosfera.

25 GPS SEGMENTO DE CONTROLE

26 GPS SEGMENTO DE CONTROLE Estação de controle principal (Master Control Station) localizada no Colorado. Comanda e controla a constelação GPS. Gera e atualiza as mensagens de navegação e assegura a saúde e acurácia dos satélites. Estações monitoras (Monitor Stations) 16 estações. Rastreia as observações dos satélites e envia para a estação principal; Coleta dados atmosféricos, medidas de fase e distância e sinais de navegação. Antenas (ground antennas) 11 antenas Usadas para se comunicar com os satélites GPS com propósito de comando e controle.

27 GPS SEGMENTO DO USUÁRIO Composto pelo conjunto dos receptores GPS, destinados aos diversos fins. Uso civil; Uso militar. Deve ser apropriado para a aplicação que se destina.

28 GPS SEGMENTO DO USUÁRIO Diferentes tipos de antenas e receptores. Podem permitir a recepção de sinal de uma ou duas ondas portadoras (L1 ou L1/L2). Mais recentemente da L5 também. Podem rastrear: GPS, GPS+GLONASS, GPS+GLONASS+GALILEO ou GPS+GLONASS+GALILEO+BEIDOU. Depende do modelo adquirido.

29 GPS SEGMENTO DO USUÁRIO

30 MODERNIZAÇÃO GPS

31 MODERNIZAÇÃO GPS Se encontra em plena operação e em fase de modernização. Em 09/2005 foi lançado o primeiro satélite modernizado, com código civil na portadora L2 (L2C).

32 GLONASS

33 GLONASS GLONASS: Global'naya Navigatsionnaya Sputnikovaya Sistema; Global Navigation Satellite System Gerações de satélites, GLONASS, GLONASS-M e GLONASS- K

34 GLONASS Similar ao GPS, o GLONASS foi concebido para proporcionar posicionamento 3-D e velocidade. Foi concebido no início dos anos 70. Inicialmente - antiga URSS pelo Soviet Union s Scientific Production Association of Applied Mechanics; Atualmente - desenvolvido e operado pela Russian Federation Space Forces O primeiro satélite GLONASS foi lançado A constelação estava completa com 24 satélites. Foi declarado operacional. Histórico Completo

35 GLONASS Não houve manutenção: Falta de lançamentos de novos satélites para substituir os mais antigos, ou aqueles que apresentassem problemas; O número de satélites decresceu consideravelmente. No final de 2005 a constelação contava com apenas 12 satélites. Em alguns períodos esse número foi até menor. Por exemplo, no final de 2006, apenas dez satélites estavam operacionais (MONICO, 2008).

36 Número de satélites GLONASS

37 GLONASS Após esse período novos lançamentos passaram a ser realizados.

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39 GLONASS

40 GLONASS

41 GLONASS SEGMENTO ESPACIAL Constelação de 24 satélites ativos e três de reserva. Distribuídos em três planos orbitais 8 satélites cada; Inclinação de 64,8º; Órbitas aproximadamente circulares. Altitude de km; Período orbital de 11 horas e 15 minutos.

42 GLONASS SEGMENTO ESPACIAL Da mesma forma que o GPS, o sistema GLONASS transmite sinais em duas bandas. L1 e L2; FDMA (Frequency Division Multiple Access); Cada satélite tem sua própria frequência, diferentemente do GPS. ( ) L1 = k L2 = k O valor de k representa o canal do satélite (MONICO, 2008). As portadoras L1 e L2 apresentam a seguinte relação: f L 1 / f L 2 9/ 7

43 GLONASS SEGMENTO ESPACIAL GLONASS-M (M para modificado) o primeiro lançado em 2003 ( Segunda Geração; Desenvolvido para substituir os satélites mais antigos. GLONASS-K1 foi lançado o primeiro em 2012 Terceira Geração: L1, L2 e L3 (CDMA). L3 para testes; Maior acurácia e vida útil maior; GPS World. rtid=cover1&widgetid=null&bookid=cf57f5e c0324a456e c7c04ce9#/38

44 GLONASS SEGMENTO ESPACIAL Futuro GLONASS-K2 ( Implementar os sinais nas frequências L1, L2 e L5 (CDMA) ION 2011:

45 GLONASS SEGMENTO ESPACIAL Ao contrário do plano inicial de lançar dois satélites GLONASS- K1 e iniciar a produção de satélites GLONASS-K2, serão produzidos mais 9 satélites K1. Devido a problemas burocráticos com a importação de componentes do complexo novo satélite.

46 GLONASS SEGMENTO ESPACIAL Parâmetro GLONASS GLONASS-M GLONASS-M+ GLONASS-K1 GLONASS- K1+ GLONASS-K2 Primeiro lançamento Vida útil (anos) >10 Massa (kg) Sinal FDMA L1, L2 L1, L2 L1, L2 L1, L2 L1, L2 L1, L2 Sinal CDMA - - L3 L3 L1,L2, L3 L1, L2, L3

47 GLONASS SEGMENTO ESPACIAL Detalhes dos Lançamentos: ns/g129_general.html

48 GLONASS SEGMENTO ESPACIAL

49 GLONASS SEGMENTO ESPACIAL

50 GLONASS SEGMENTO ESPACIAL

51 GLONASS 02/07/13

52 GLONASS SEGMENTO DE CONTROLE Da mesma forma que no GPS o segmento de controle é o responsável comandar e controlar a constelação GLONASS. O centro de controle terrestre é localizado em Moscou e as estações de monitoramento são distribuídas no território da antiga União Soviética. Referencial geodésico - As coordenadas das estações de controle e dos satélites são dadas no PZ-90 (Parametry Zemli 1990).

53 GLONASS SEGMENTO DE CONTROLE Fonte:

54 GLONASS SEGMENTO DE CONTROLE Com o projeto de modernização do sistema teve início a expansão das estações de controle. Inicialmente o GLONASS contava apenas com estações terrestres no território da antiga União Soviética. A primeira estação fora desse território foi a inaugurada no Brasil, em Brasília, em fevereiro de _23/russia-planeja-criar-rede-de- estacoes-terrestres-de-glonass-em-36- paises-8902/

55 GLONASS SEGMENTO DE CONTROLE _de_dados_do_glonass_sera_instalada_no_brasil_a_18625.html

56 GLONASS SEGMENTO DE CONTROLE brasil_a_partir_de_agosto_20119.html o_instaladas_em_cuba_e_na_nicaragua_26181.html

57 GLONASS SEGMENTO DE CONTROLE

58 GLONASS SEGMENTO DE CONTROLE

59 GLONASS SEGMENTO DE CONTROLE Projetos de colaboração com diversos países como México, China e Índia rtica_ganhara_novas_estacoes_do_glonass_ate_ 2020_30121.html

60 GLONASS SEGMENTO DO USUÁRIO Está diretamente associado aos receptores, tal como no GPS. O número de receptores GLONASS disponíveis é bastante reduzido, se comparado com o GPS. Em geral, o que se encontra no mercado são receptores que rastreiam simultaneamente os dois sistemas. Aplicações

61 GALILEO

62 GALILEO

63 GALILEO

64 GALILEO O governo americano não autoriza outras nações a participarem conjuntamente do controle de uma configuração básica do GPS. Levou a União Européia (UE) a desenvolver uma solução própria para o GNSS, quer seja em conjunto com outras nações, ou sozinha. Em fevereiro de 1999 a UE fez uma recomendação para que os Europeus desenvolvessem uma nova constelação de satélites para navegação.

65 POR QUE ESSE NOME?

66 GALILEO Em Junho de 1999, o Ministério dos Transportes Europeu concordou com a fase de definição desse sistema, denominado Galileo. Contribuição Europeia para o GNSS. Será um sistema aberto e global, com controle civil, que deverá ser completamente compatível com o GPS e GLONASS, mas independente.

67 GALILEO Cooperação entre diversos países, principalmente da Europa - UE; Na América Latina A EU iniciou conversações com os governos da América Latina para permitir que programas de promoção de cooperação nos dois continentes. Brasil: Em outubro de 2011, uma carta de intenção para um diálogo sobre políticas do espaço foi assinado entre o Sr. Aloizio Mercadante, Ministro da Ciência, Tecnologia e Inovação do Brasil, e Antonio Tajani, Vice-presidente da Comissão Europeia, com o objetivo de construir um sistema eficaz de parceria e cooperação entre o Brasil e a UE em atividades espaciais civis, dentro do qual GNSS está incluído.

68 GALILEO - SERVIÇOS

69 GALILEO - SERVIÇOS

70 GALILEO - SERVIÇOS O sistema Galileo oferecerá alguns serviços: OS (Open Service), que se utiliza da banda E1 e das sub-bandas E5a e E5b para posicionamento acessível ao público; PRS (Public Regulated Service) nas frequências E1 e E6 um serviço restrito a usuários autorizados pelo governo; CS (Commercial Service) também na frequência criptografada E6. Os satélites Galileo dão suporte ao Cospas-Sarsat, um serviço de busca e resgate internacional liderado pelos Estados Unidos, Rússia, Canadá e França, capazes de localizar sinais eletromagnéticos de emergência (FALCONE, HAHN e BURGER, 2017; GSA, 2016). Pode-se dizer que o Serviço Aberto (OAS) Galileo é equivalente ao serviço aberto GPS atual.

71 GALILEO SEGMENTO ESPACIAL

72 GALILEO SEGMENTO ESPACIAL

73 GALILEO SEGMENTO ESPACIAL GALILEO está progredindo, atualmente na transição entre a fase de desenvolvimento (IOV - In-Orbit Validation) e a implantação final. Resumindo: GIOVE-A (2005), GIOVE-B (2008): Missões em operação para validação preliminar em órbita discomissionados em 2012; FOC (Capacidade Operacional Completa - Capability) em curso; IOV Primeiros dois satélite IOV lançados em outubro 2011; Lançamento de mais dois satélites: 12/10/12. Full Operational Os primeiros satélites FOC lançados (2014) tiveram problemas: não atingiram a órbita pretendida devido a uma falha no veículo lançador.

74 GALILEO SEGMENTO ESPACIAL A órbita planejada para os dois satélites deveria ser circular, inclinada 56º em relação ao Equador, e em uma altitude de km. Os satélites instalaram-se em uma trajetória elíptica, com uma altitude máxima de km e mínima de km, com inclinação menor que a pretendida O quinto satélite, um dos dois lançados em 2014, sofreu uma série de manobras, que foram levando o satélite mais para cima no ponto mais baixo de sua órbita. Como resultado, ele subiu mais de 3500 km e sua órbita tornou-se mais circular. Deste modo, em 29/11/2014, o quinto satélite da constelação Galileo começou a transmissão de sinais. O sexto satélite atingiu sua órbita correta em abril de ( alileo_sav_flyer_j15_low-res.pdf).

75 GALILEO SEGMENTO ESPACIAL Atualmente, 26 satélites foram lançados. 5/10 17 em funcionamento

76 GALILEO SEGMENTO ESPACIAL PLANOS DE IMPLEMENTAÇÃO node/149?language=pt -br

77 GALILEO SEGMENTO ESPACIAL

78 GALILEO SEGMENTO ESPACIAL O segmento espacial será baseado em: 30 satélites 27 operacionais e mais 3 de reserva; Três órbitas circulares; Altitude de km (ESA); Inclinação de 56 graus em relação ao plano equatorial; Período orbital de aproximadamente 14 horas e 4 minutos; Galileo Terrestrial Reference Frame (GTRF);

79 GALILEO SEGMENTO ESPACIAL Os sinais serão transmitidos em três bandas de frequências: Portadora Fator (*f 0 ) Frequência (MHz) Comprimento de onda (cm) E E E5a E5b CDMA As portadoras L1 e L5 do GPS compartilham as mesmas frequências da E1 e E5A do Galileo. As portadoras E5B e E6, em contrapartida, diferem das L2 do GPS.

80 GALILEO SEGMENTO DE CONTROLE Satélites MEO (Medium Earth Orbit), centros LEOP (Launch and Early Orbit Phase), IOT (In-Orbit Testing), TTC (Telemetry, Trackingo, Command)

81 GALILEO SEGMENTO DE CONTROLE A estrutura disponível para o EGNOS está sendo aproveitada ao máximo, com o acréscimo de estações, em razão da abrangência global do mesmo.

82 GALILEO SEGMENTO DE CONTROLE Segment

83 GALILEO SEGMENTO DE CONTROLE

84 V

85 FUNCIONAMENTO

86 GALILEO SEGMENTO DO USUÁRIO Da mesma forma que nos demais sistemas, o segmento de usuários do Galileo envolverá os vários tipos de receptores. Já há receptores aptos para rastrear os sinais.

87 BEIDOU/COMPASS

88 BEIDOU/COMPASS

89 BEIDOU/COMPASS A China, que no passado revolucionou a navegação a partir do desenvolvimento da bússola, surpreendeu com o BEIDOU/COMPASS.

90 BEIDOU/COMPASS Material - Documento disponível no site status Sistema Chinês. A ideia do Beidou começou com um serviço regional; Mais tarde expandiu para um serviço global. Projeto de 3 Fases: Fase 1 Demonstração do sistema Beidou 2000; Fase 2 Beidou (regional) prover serviços para área da China e redondezas 2012; Fase 3 Estabelecer o sistema Beidou completamente e prover serviço global 2020.

91 BEIDOU/COMPASS 3 tipos de satélites: GEO (Geostationary Earth Orbit); IGSO (Inclined Geosynchronous Satellite Orbit); MEO (Medium Earth Orbit); Um satélite geosíncrono é um satélite cuja velocidade orbital é IGUAL a velocidade rotacional da terra. Se a dita órbita está sobre o equador, então é chamado de satélite geoestacionário.

92 CONSTELAÇÃO ATUAL s.com/node/5002

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94 CONSTELAÇÃO ATUAL 20 MEO em órbita 5 em funcionamento

95 NOVOS LANÇAMENTOS Lançamento de 32 satélites até

96 BEIDOU/COMPASS O sistema Beidou adota o CGCS2000 (China Geodetic Coordinate System 2000 ); CDMA; Sinal( B1-1561,098 MHz; B2 1307,14 MHz; B3-1268,52 MHz; Órbita circular de de altura; Inclinação de 55 graus; 3 planos orbitais; Teunissen e Montenbruck, compass-beidou2.aspx

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98 SEGMENTO DE CONTROLE - tipo A - usadas para monitoramento de órbitas e atraso ionosférico - tipo B - responsáveis pelo serviço de aumento BDS e integridade Teunissen e Montenbruck, 2017

99 FUTURO DO GNSS Uso dos 4 sistemas integrados; Alta Acurácia Inúmeras aplicações!!!

100 RESUMO Parâmetro GPS GLONASS Galileo BDS Desenvolvido União EUA Rússia por Europeia China Constelação nominal MEO Planos orbitais Inclinação 55 64, Altitude (km) E1: 1575,42 L1: 1575,42 L1: 1602,00 * E5a: 1176,45 B1: 1561,098 Frequências L2: 1227,60 L2: 1246,00 E5b: 1207,14 B2: 1207,14 (MHz) L5: 1176,45 L3: 1202,025 E5: 1191,795 B3: 1268,52 E6: 1278,75 Identificação dos satélites CDMA FDMA/CDMA CDMA CDMA Efemérides Elementos Elementos Elementos P,V,T keplerianos keplerianos keplerianos Modelo Ionosférico Klobuchar - NeQuick - Sistema de referência WGS84 PZ-90 GTRF CGCS2000

101 O QUE É MEDIDO? Observações/observáveis GNSS: fase de batimento da onda portadora; pseudodistância; SNR (signal to noise ratio); Doppler. A acurácia obtida com a medida da fase (poucos mm) é muito melhor que a da pseudodistância (m?). Mas a fase é ambígua: Não se sabe, a priori, o numero inteiro de ciclos entre as antenas do receptor e do satélite incógnita a solucionar.

102 MEDIDA DE FASE DAONDAPORTADORA

103 PSEUDODISTÂNCIA PD s s s s r,j (t) = ρ r t + ξ r,j t + c d r,j d j em que: s s + T r t + e PD t, r,j + c dt r t dt s t + δt rel s (t) + I r,j t (1) s PD r,j observação de pseudodistância (m); j representa j-ésima frequência; s ρ r distância geométrica entre o satélite e o receptor (m); s ξ r,j correção devido a variação do centro de fase das antenas; c velocidade da luz no vácuo (m/s); d r,j atraso instrumental do receptor; s d j atraso instrumental do satélite; dt r erro de relógio do receptor (s); dt s erro de relógio do satélite (s); δt rel correção aos efeitos relativísticos, dado por δt rel = δt stc δt clk s I r,j atraso ionosférico (m); s T r atraso troposférico (m); s outros erros aleatórios na medida da pseudodistância. e PD r,j rel ; δ rel stc é o atraso que afeta a trajetória do sinal devido a campo gravitacional terrestre stc - space time curvature) δt rel clk é o efeito relativístico do relógio.

104 FASE s φ r,j t = f ρ r s s s s t I r,j t + T r t + ζ r,j t j c + f j dt r t dt s t + δt rel s (t) + N r,j + f j δ r,j δ j s + ω s r (t) + ε s φ (t) r,j (1) s φ r,j fase da onda portadora (ciclos); f j j-ésima frequência; s ζ r,j correção devido a variação do centro de fase da antena (diferente para cada observável); δ r,j atraso instrumental do receptor; δ s j atraso instrumental do satélite; s ω r correção a fase wind-up; s ε φ demais erros não modelados da fase. r