GNSS: CONCEITOS, MODELAGEM E PERSPECTIVAS FUTURAS DO POSICIONAMENTO POR SATÉLITE

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1 GNSS: CONCEITOS, MODELAGEM E PERSPECTIVAS FUTURAS DO POSICIONAMENTO POR SATÉLITE Prof. Dra. Daniele Barroca Marra Alves Departamento de Cartografia

2 SUMÁRIO Posicionamento Sistemas de Posicionamento GPS, GLONASS, GALILEO, BEIDOU Erros e Efeitos no Posicionamento Métodos de Posicionamento PP e PPP Relativo Redes DGPS e DGPS em rede Redes de Estações

3

4 POSICIONAMENTO Posicionar um objeto nada mais é do que determinar as suas coordenadas em relação a um referencial específico. Essas coordenadas devem ser determinadas utilizando algum tipo de informação. Satélites GNSS Através de uma constelação de satélites artificiais é possível obter a localização, tempo e velocidade de um receptor GPS

5 POSICIONAMENTO POR SATÉLITE 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.

6 SISTEMAS DE POSICIONAMENTO Atualmente (abr 2013): 2 sistemas com constelação completa : GPS (31 satélites) GLONASS (31 satélites 08/04/13) 2 sistemas em fase de implantação: GALILEO (4 satélites lançados) Compass/Beidou (5 satélites lançados) Previsão de constelação completa em 2020

7 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 Foi declarado operacional em 1995, com 24 satélites em órbita, mas desde 1993 já estava sendo utilizado no posicionamento geodésico. Atualmente: O GPS, assim como os outros sistemas, é composto por 3 segmentos: espacial, de controle e de usuários.

9 GPS SEGMENTO ESPACIAL Mínimo 24 satélites; Nos últimos anos a constelação está sendo mantida com 31 satélites; 6 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; Todos os satélites transmitem na mesma frequência CDMA. Garantia de, no mínimo, 4 satélites GPS visíveis em qualquer local da superfície terrestre, a qualquer hora, independente das condições Climáticas.

10 GPS SEGMENTO DE CONTROLE

11 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.

12 GPS SEGMENTO DO USUÁRIO

13 MODERNIZAÇÃO GPS

14 GLONASS Paralelamente e de forma independente, na antiga URSS (hoje pela Rússia), foi desenvolvido o GLONASS Sistema muito similar ao GPS Principal diferença: FDMA

15 GLONASS Não houve manutenção: O número de satélites decresceu consideravelmente; No final de 2005 a constelação contava com apenas 12 satélites. Hoje, constelação completa.

16 GALILEO No final da década de 90 a Agência Espacial Européia propôs o desenvolvimento do GALILEO O GALILEO está em desenvolvimento e teve seu primeiro satélite lançado em 2005 Hoje: 4 satélites (último lançamento em out/2012)

17 BEIDOU/COMPASS Na China encontra-se em desenvolvimento o BEIDOU/COMPASS Atualmente 5 satélites (Último Lançamento: 19/set/2012 )

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

19 O QUE É MEDIDO? Observações/observáveis GNSS: fase de batimento da onda portadora; pseudodistância SNR Doppler Acurácia que pode ser obtida: fase (poucos cm ou até mm) pseudodistância (m ou até dm) 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. Ambiguidade

20 FASE E PSEUDODISTÂNCIA Pseudodistância Fase de Batimento da Onda Portadora s PD r s r s r s r s r s r s r dm T I dt dt c PD ] [ s r s r r s t s r s r s r s r s r s r N t t dt dt f c dm T I f t 0 0

21 ERROS NO POSICIONAMENTO GNSS Diversos são os tipos de erros que afetam as observáveis GNSS. A maioria deles pode ser eliminada, minimizada ou até mesmo evitada. Devem ser empregados modelos matemáticos para tentar se aproximar da realidade. Os principais tipos de erros que afetam o posicionamento GNSS serão vistos a seguir.

22

23 IONOSFERA Definição: Região da atmosfera onde existem íons e elétrons em quantidade suficiente para afetar a propagação de ondas de rádio. Variações diurnas Variações sazonais

24 IONOSFERA Localização Geográfica Ciclos de longos períodos

25 IONOSFERA Explosões Solares Bolhas ionosféricas

26 IONOSFERA Anomalia Equatorial

27 IONOSFERA Cintilação ionosférica

28 ERROS NO POSICIONAMENTO A ionosfera é apenas um dos fatores que afeta o posicionamento GNSS Os efeitos ionosféricos devem ser modelados, minimizados ou eliminados para posicionamento de alta acurácia As demais fontes de erros também devem ser tratadas Indispensável uma modelagem adequada

29 MÉTODOS DE POSICIONAMENTO A acurácia da posição obtida depende: Método de posicionamento; Observável; Modelos matemáticos. Existem diferentes métodos: Um, dois ou vários receptores GNSS; Posicionamento: Estático ou Cinemático; Tempo Real ou Pós-processado.

30 POSICIONAMENTO POR PONTO

31 POSICIONAMENTO POR PONTO Denominação: Posicionamento por Ponto, Posicionamento por Ponto Simples, Posicionamento Absoluto ou Posicionamento Autônomo. Método: é utilizado apenas um receptor. Observável: pseudodistância; Efemérides: Transmitidas. Aplicação: método bastante utilizado na navegação de baixa precisão. Acurácia métrica (em torno de 10 m).

32 POSICIONAMENTO POR PONTO PRECISO Denominação: Posicionamento por Ponto Preciso PPP. Estado da arte no posicionamento por ponto PPP alta acurácia (dm ou até mesmo cm). Observável: Fase e/ou pseudodistância; Receptores de simples ou dupla frequência. Efemérides: precisas. Órbitas e relógios. Correção dos Erros: Alta precisão Todos os erros envolvidos nas observáveis GNSS devem ser modelados, corrigidos ou minimizados para obter alta acurácia. Existem serviços online, no Brasil o IBGE disponibiliza.

33 POSICIONAMENTO RELATIVO 2 ou mais receptores; 1 f c Simples diferenças ,2 dm f dtr dtr 1,2 t0 N 1,2 v SD 1,2 1,2 1 2 f s1 1,2 1,2 f c s1 Duplas diferenças f c s dm dm 1,2 1,2 s2 1,2 dt1 dt2 f dt1 dt2 N 1,2 v DD 1,2 1,2

34 POSICIONAMENTO RELATIVO Estado da arte RTK RTCM Link de Comunicação φ c λ c h c Estação Base Estação Móvel

35 RTK EM REDE São utilizados dados de 3 a dezenas de estações; A distância entre as estações pode variar de poucos km à dezenas de km. Os dados são enviados para uma estação central; São empregados algoritmos para estimar as correções para a rede. Acurácia centimétrica em tempo real para uma grande área de abrangência; As redes de estações são realidade em muitos países.

36 RTK EM REDE - VRS φ c λ c h c φ c λ c h c φ c λ c h c Estações Link bidirecional VRS RTCM- VRS NMEA Posicionamento Relativo φ c λ c h c φ c λ c h c φ c λ c h c

37 DGPS GPS DIFERENCIAL

38 DGPS Correções para as pseudodistâncias: c c c Z Y X p p p p Estação Base Estação Móvel p p p p Link de Comunicação

39 DGPS EM REDE B p n p p B p n p p B p n p p B p n p p Usuário p n p p 2 1 Computador Central Usuário p n p p 2 1 Usuário p n p p 2 1

40 REDES DE ESTAÇÕES DE REFERÊNCIA Redes globais Rede IGS Redes Nacionais Rede Alemanha

41 REDES DE ESTAÇÕES DE REFERÊNCIA Brasil RBMC/ RIBAC Rede GNSS/SP Estado de São Paulo

42 CONSIDERAÇÕES FINAIS O GNSS tem sido empregado em diversas áreas do conhecimento: Localização; Deformação da crosta ou de edificações; Meteorologia; Etc. Os sistemas envolvidos estão em expansão e se modernizando; A busca é em proporcionar alta acurácia ao usuário em tempo real; Necessidade de desenvolver modelos matemáticos apropriados.

43 OBRIGADA PELA ATENÇÃO!!!!

44 GEGE.FCT.UNESP.BR

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