Sistema de Posicionamento por Satélite

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1 Implantação de Faixa de Dutos Sistema de Posicionamento por Satélite Resumo dos conhecimentos necessários para o entendimento e uso dos Sistemas de s e seus equipamentos.

2 1 Introdução Os sistemas de posicionamento por satélites se baseiam em uma constelação de satélites em órbita na Terra emitindo ondas de rádio, sendo captadas por receptores específicos utilizados pelos usuários na superfície terrestre. É necessário o mínimo de 4 satélites para se obter o posicionamento. O ponto de partida é o conhecimento preciso da distância entre o receptor e cada um dos satélites em órbita, obtida pelo tempo que o sinal gasta para viajar do satélite até o receptor. Conhecendo o momento exato que o sinal foi emitido pelo satélite e o momento que o receptor recebeu este sinal, tem-se o tempo de viagem do sinal e como o sinal viaja a velocidade da luz, pode-se calcular a distância do satélite até o receptor.

3 2 Sistemas Existentes e Projetados GPS Global Positioning System EUA (em operação) GLONASS Russia (parcialmente em operação) GALILEO Europa (em implementação) COMPASS (China) QZSS Quase Zenith Satellite System (Japão) GAGAN Aided Geo-Stationary Satellite Audment Navigation (Índia)

4 TRANSIT Primeiro sistema de rastreamento, implantado na década de NNSS - TRANSIT (Navy Navigation / Satellite System)

5 TRANSIT Predecessor imediato do GPS Geoposicionamento por ondas eletromagnéticas a partir de satélites artificiais. Inicialmente concebido para navegação, foi amplamente utilizado para aplicações geodésicas. Composto de 08 satélites, orbitas elípticas com altitude média de 1100 Km Possuía grandes problemas: - Desprovido de cobertura mundial. - Lapso de tempo considerável entre as passagens sucessivas de satélites para um mesmo ponto na terra. - Precisão: Desvio-Padrão de 1 à 10 metros, dependendo da técnica utilizada, (muito utilizado no AM, pelo IBGE). - Período de observação: 2 à 3 dias. - Desativado em 1996.

6 TRANSIT Aplicações Demarcação de fronteiras Impossibilidade de transporte convencional Rede geodésica preliminar Provou a viabilidade do GPS

7 TRANSIT x GPS Rastreamento de Satélites GPS 1973: estudos iniciais do sistema GPS O novo sistema deveria atender a correção dos problemas do sistema NNSS - TRANSIT

8 Os principais objetivos do GPS são: - auxílio à navegação em três dimensões. - navegação em tempo real. - alta imunidade a interferências. - cobertura global, 24 horas por dia. - rápida obtenção das informações transmitidas pelos satélites. 1978: lançamento dos primeiros satélites NAVSTAR, dando origem ao GPS como é conhecido hoje. 1995: foi declarado operacional ( 25 satélites ). O Sistema possui 3 componentes: Componente Espacial; Componente de Controle Terrestre; Componente de Usuário.

9 Componentes do Sistema Espacial 4 satélites sempre visíveis em qualquer parte do globo (15º acima do horizonte), 24h/dia, inclusive nos Pólos 24 satélites ativos Órbitas elípticas (quase circulares), com 55º de inclinação em relação ao Equador Intervalos longitudinais de 60º Cada órbita suporta 04 satélites, defasados de 90º Altitude média de Km Elipsóide próprio GRS80 associado ao Sistema de referência WGS - 84 World Geodetic System - 84

10 Características do Sinal do Satélite Os sinais GPS são gerados por osciladores atômicos de alta estabilidade e com a seguinte configuração:

11 Componentes de Controle Terrestre Constituída por 5 estações de rastreio distribuídas ao longo do globo e uma estação de controle principal; Esta estação de controle rastreia os satélites, atualiza as suas posições orbitais, calibra e sincroniza seus relógios, atualiza periodicamente as mensagens de navegação;

12 Componente do Usuário Inclui todos que se utilizam de receptor GPS para receber e converter o sinal GPS em posição, velocidade e tempo. Inclui ainda todos os elementos necessários neste processo como as antenas e software de processamento. Em termos gerais: SOMOS NÓS

13 Componentes do Sistema

14 Princípio de Funcionamento O monitoramento é baseado no raio de ação dos satélites. Transmissão de sinais GPS ( códigos, portadoras e mensagens de navegação ). Conhecimento preciso da órbita dos satélites. Posicionamento com pelo menos 4 satélites, podendo-se resolver as incógnitas X,Y,Z e T. Para navegação aérea e marítima geralmente 3 satélites para resolver X,Y e T.

15 Princípio de Funcionamento Trilateração de Satélites

16 Princípio de Funcionamento Trilateração de Satélites

17 Princípio de Funcionamento Trilateração de Satélites

18 Fontes de Erro Satélite: Erros Orbitais Erros relacionados com a posição dos satélites. As informações orbitais são transmitidas pelos satélites para os receptores, que podem ser pós-processadas (denominadas efemérides precisas).

19 Fontes de Erro Satélite: Erros nos Relógios dos Satélites Apesar da precisão do relógio atômico dos satélites, este está sujeito a variações que para o sistema são significativas. Estes erros relacionados com a manipulação da frequência do relógio do satélite resultam em erros da ordem de 80 nanosegundos, correspondendo a um erro da ordem de 24 metros. Estes efeitos podem ser eliminados através da técnica de posicionamento diferencial.

20 Fontes de Erro Satélite: Relatividade O relógio também varia em razão da relatividade geral e espacial. Os receptores estão situados em campos gravitacionais diferentes, além de se deslocarem em velocidades diferentes, provocando uma aparente alteração na frequência nominal dos relógios dos satélites em relação aos relógios dos receptores. Estes efeitos são compensados, antes do lançamento dos satélites, pela redução da frequência nominal dos relógios dos satélites e, 0,00455 Hz.

21 Fontes de Erro Propagação do Sinal: Refração Troposférica e Refração ionosférica As partículas carregadas eletricamente afetam a velocidade da luz e também a velocidade dos sinais de rádio do GPS. Essas variações podem fazer com que o receptor perca a sintonia com o satélite, pelo enfraquecimento do sinal.

22 Fontes de Erro Propagação do Sinal: Multicaminhamento Ocorre quando o sinal ricocheteia de um lado para outro antes de entrar no receptor. Os sinais podem se refletidos por superfícies inclinadas, verticais ou horizontais: ruas, árvores, lagos, veículos, etc. E assim percorrem caminhos mais longos, chegando atrasados quando comparados aos sinais diretos.

23 Fontes de Erro Propagação do Sinal: Perdas de Ciclos Quando um receptor é ligado a parte fracionária da fase de batimento da onda portadora, ou seja, a diferença entre a portadora recebida do satélite e sua réplica gerada no receptor, é observada, e um contador de ciclos inteiros é inicializado. No início do levantamento o número de ciclos inteiros entre o satélite e o receptor é desconhecido. Este número de ciclos inteiros é denominado ambígua e se não houver interrupção na contagem do número de ciclos durante a observação, este número permanece constante. Assim, para resolver a ambiguidade, ou seja, resolver a diferença de número de ciclos entre o satélite e o receptor, são necessários alguns minutos de observação.

24 Fontes de Erro Propagação do Sinal: Rotação da Terra Torna-se necessário a correção do movimento da rotação da Terra, uma vez que durante a propagação do sinal o sistema de coordenadas terrestres rotaciona em relação ao satélite. As coordenadas originais do satélite devem ser rotacionadas sobre o eixo Z em um ângulo alfa, definido como o produto do tempo de propagação do sinal pela velocidade de rotação da Terra.

25 Fontes de Erro Geometria dos Satélites GEOMETRIA NÃO FAVORÁVEL GEOMETRIA FAVORÁVEL

26 Classificação dos Receptores Navegação GPS de código C/A Precisão m

27 Classificação dos Receptores Receptor Topográfico GPS de código C/A Precisão de 30 cm a 5 cm dependendo da técnica utilizada.

28 Classificação dos Receptores Receptor Geodésico GPS de ondas L1, L2 e códigos C/A e P Precisão de 5 mm + 1 ppm Obs: 5 mm +1 ppm => 5 mm + 1 mm por km de distância; Logo em 10 km => 5 mm + 1 x 10 mm = 15 mm = 1,5 cm

29 Métodos de Posicionamento Introdução O posicionamento está relacionado à determinação das coordenadas X, Y, Z com relação a um referencial específico. Pode ser ABSOLUTO, quando associadas diretamente ao geocentro ou RELATIVO, quando relacionadas a uma referencial materializado por um ou mais vértices de coordenadas conhecidas. (São utilizados mais de um receptor). Também pode-se classificar o posicionamento como em tempo real ou pósprocessado. Outra classificação refere-se ao estado em que se encontra o objeto a ser observado: em repouso (estático) ou em movimento (cinemático).

30 Métodos de Posicionamento Posicionamento por Ponto ou Absoluto - Convencional Usado em navegação de baixa precisão. Uso de apenas um receptor. As coordendas são influenciadas pelos erros dos relógios e também dos erros de refração da ionosfera. Erro aproximado de 10 metros.

31 Métodos de Posicionamento Posicionamento por Ponto ou Absoluto - Preciso Usado com dados pós-processados. São corrigidos os dados espaciais dos satélites e corrigidos os erros dos relógios contidos na mensagem de navegação. Estas correções podem fornecer precisões abaixo do metro.

32 Métodos de Posicionamento Posicionamento por Ponto ou Absoluto Alta Precisão Usado com dados pós-processados. São corrigidos os dados espaciais dos satélites e corrigidos os erros dos relógios contidos na mensagem de navegação. São utilizados equipamentos de dupla frequência, permitindo precisão abaixo do decímetro.

33 Métodos de Posicionamento Posicionamento Relativo Necessidade de dois ou mais receptores. Caso seja utilizado os dados de uma rede de monitoramento contínuo o usuário pode usar apenas um dispositivo e associar aos dados disponíveis da rede. O conceito é de que os dois ou mais receptores envolvidos possam rastrear, ao mesmo tempo, dois ou mais satélites comuns.

34 Métodos de Posicionamento Posicionamento Relativo Estático Dois ou mais satélites rastreiam, ao mesmo tempo, os satélites visíveis por um período mínimo de tempo de dezenas de minutos (20 minutos mínimo), até horas. Trata-se de uma técnica muito utilizada em posicionamento geodésico, particulamente em software comerciais. Precisão de 1 a 5 mm + 1 PPM

35 Métodos de Posicionamento Posicionamento Relativo Estático Rápido Em linhas gerais segue os mesmos procedimentos do Estático. A principal diferença está no tempo de ocupação, que fica no máximo em 20 minutos. É utilizado em levantamentos em que se deseja alta produtividade. Adequado para levantamentos com linha de base de até 10 km. Precisão de 5 a 10 mm + 2 PPM

36 Métodos de Posicionamento Posicionamento Relativo Semicinemático Também conhecido como pseudo-estático ou Stop and Go. Baseia-se na solução do vetor de ambiguidades, presente numa linha de base a determinar, requer que a geometria entre as duas estações e os satélites se altere.. Este método requer que o receptor continue rastreando os mesmos satélites durante as ocupações das estações. As coletas são separadas por um período de tempo entre 20 e 30 minutos. Um receptor está fixo e o outro está móvel, é necessário o rastreamento contínuo, definir a ambiguidade no início e retornar à posição inicial.

37 Métodos de Posicionamento Posicionamento Relativo Cinemático ou Pós-processado Um receptor ocupa uma estação de coordenadas conhecidas enquanto o outro se desloca sobre as feições de interesse e as observações simultâneas dos dois receptores geram duplas diferenças, onde vários erros envolvidos são reduzidos. Baseia-se na solução do vetor de ambiguidades, presente numa linha de base a determinar, requer que a geometria entre as duas estações e os satélites se altere.. Este método requer que o receptor continue rastreando os mesmos satélites durante as ocupações das estações.

38 Métodos de Posicionamento Posicionamento DGPS GPS diferencial, sendo muito parecido com o RTK A precisão do levantamento é da ordem do metro, utilizando as pseudodistências para correção do posicionamento.

39 Métodos de Posicionamento

40 4 GLONASS É um Sistema de Posicionamento geográfico, similar ao GPS, o qual conta com uma constelação de 24 satélites divididos em três órbitas. Pertence à Federação Russa. O primeiro satélite foi lançado em outubro de Os planos tem inclinação de 64,8º, sendo maior que os planos orbitais do GPS (55º). Da mesma forma que o sistema GPS, cada satélite GLONASS transmite sinais em duas bandas denominadas de L1 e L2, com frequências diferentes. L1 = ,562n (MHz) L2 = ,4375n (MHz) Os satélites GLONASS orbitam a uma altitude de km mais baixo que o GPS ( km).

41 5 GALILEO É o Sistema de Posicionamento Geográfico europeu, de aplicação civil, ao contrário do GPS e GLONASS. Pretende proporcionar maiores precisões e segurança nos dados que os sistemas GPS e GLONASS (ainda a ser comprovado). O sistema será inter-operável com os outros dois sistemas existentes, permitindo uma maior cobertura de satélites. Previsão de operação em O sistema completa incluirá 30 satélites (colocados em órbita a km), dos quais três ficarão em reserva.

42 6 REDE DE MONITORAMENTO CONTÍNUO O IBGE mantém uma RBMC ( Rede Brasileira de Monitoramento Contínuo) de estações GPS permanentes compostas por 9 estações. Cada uma tem o alcance de 500 km de raio para correção do código C/A e de até 50 km para correção da Fase Portadora L1. Com a permanente coleta de observações ela permite o cálculo contínuo das coordenadas sobre a superfície terrestre, e seus resultados são disponibilizados na internet, nas frequências L1 e L2.

43 7 Referências Bibliográficas CHAVES, J. C. Notas de Aula Disciplina de Geodésia I. Curso de Graduação em Engenharia Cartográfica. Faculdade de Ciências e Tecnologia UNESP, Campus de Presidente Prudente Marcos A. Timbó Levantamentos Através do Sistema GPS Departamento de Cartografia UFMG. Edgar Nogueira Demarqui Topografia II Universidade do Estado do Mato Grosso

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