ANÁLISE DO PROCESSAMENTO COMBINADO GPS/GLONASS NO POSICIONAMENTO POR PONTO E RELATIVO COM DIFERENTES INTERVALOS DE TEMPO

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1 ANÁLISE DO PROCESSAMENTO COMBINADO GPS/GLONASS NO POSICIONAMENTO POR PONTO E RELATIVO COM DIFERENTES INTERVALOS DE TEMPO ANALYSIS OF GPS/GLONASS COMBINED PROCESSING IN RELATIVE AND POINT POSITIONING USING DIFFERENT TIME INTERVALS Gabriel Oliveira Jerez 1 Daniele Barroca Marra Alves 2 Jessica Saldanha Souza 3 Paulo de Tarso Setti Junior 4 Universidade Estadual Paulista Faculdade de Ciências e Tecnologia Departamento de Cartografia 1 gabrielojerez@gmail.com 2 danibarroca@fct.unesp.br 3 jessicasaldanha.souza@gmail.com 4 paulosetti@gmail.com RESUMO Atualmente o GLONASS, Global NavigationSatellite System, e o GPS, Global Positioning System, são os principais sistemas de navegação global por satélite disponíveis. Inicialmente desenvolvidos para fins militares na década de setenta, esses sistemas tiveram, posteriormente, sua finalidade expandida para uso civil. A utilização combinada de dados GPS e GLONASS teve uma grande queda no final da década de noventa devido à rápida degradação do sistema GLONASS, que chegou a contar com apenas seis satélites disponíveis. Porém, a modernização do sistema russo a partir da última década trouxe novamente o interesse pela utilização dos dados dos dois sistemas em conjunto. A partir de 2011 o sistema voltou a contar com constelação completa de 24 satélites, proporcionando cobertura global. Apesar de similares, os dois sistemas apresentam algumas diferenças significativas, uma delas em relação às frequências dos satélites. Diferentemente do GPS que transmite sinal CDMA (Code Division Multiple Access), o GLONASS utiliza-se da técnica FDMA (Frequency Division Multiple Access), em que cada satélite transmite em uma frequência, permitindo a identificação do mesmo através da frequência, porém, ao aplicar as equações de duplas diferenças, por exemplo, os erros dos relógios dos receptores não são eliminados. Vale ressaltar que os novos satélites GLONASS em desenvolvimento, geração de satélites GLONASS-K, possuem uma nova onda portadora, L3, com sinal CDMA. Além disso, gerações mais novas dos satélites também terão esses sinais em outras portadoras, porém, os dados disponíveis atualmente ainda são de satélites GLONASS-M com a antiga técnica. Vale lembrar que mesmo com a inclusão de sinais CDMA, os sinais FDMA continuarão sendo transmitidos. Além dessa característica, outras particularidades devem ser levadas em consideração, como os parâmetros para conversão dos sistemas de referência adotados, uma vez que o GLONASS utiliza o sistema de referência PZ-90 (Parametry Zemli 1990) enquanto o GPS utiliza o WGS-84 (World Geodetic System). Há diferenças ainda quanto ao número de órbitas e inclinação das mesmas, influenciando os pontos no globo que possuem maior cobertura por um ou outro sistema, entre outras. No presente trabalho busca-se analisar as melhorias apresentadas no processamento de dados GPS e GLONASS no posicionamento por ponto e posicionamento relativo em diferentes intervalos de coleta. Primeiramente é apresentada uma revisão das características dos dois sistemas e em seguida são realizados testes de processamento de dados, de forma independente e combinada. Para os testes são utilizados dados de estações da Rede Brasileira de Monitoramento Contínuo. Para o posicionamento relativo é utilizado o software comercial TBC e para o posicionamento por ponto é utilizado o produto MagicGNSS da GMV AerospaceandDefence, na Espanha. A partir deste estudo, é realizada a avaliação da acurácia das soluções e a o uso combinado ou independente dos sistemas para as metodologias apresentadas. Palavras chaves: Posicionamento Relativo, PPP, GNSS, GPS, GLONASS. 1

2 ABSTRACT Currently GLONASS, Global Navigation Satellite System, and GPS, Global Positioning System, are the main global navigation satellite systems available. Initially developed for military purposes in the seventies, these systems, subsequently, have expanded their purpose for civilian use. The combined use of GPS and GLONASS data had a great fall in the late nineties because of the fast degradation of GLONNAS system, which had only six available satellites for some time. However, the modernization of the Russian system since last decade increased the interest of using both systems together. Since 2011 GLONASS have full constellation with 24 satellites, providing global coverage. Although similar, both systems have significant differences, one of them is related to frequencies. Differently from GPS, that transmits CDMA signal (Code Division Multiple Access), GLONASS uses FDMA (Frequency Division Multiple Access) technique, where every satellite transmits in a different frequency, allowing the identification of the satellite by the frequency; however, using the double difference equation, for example, the clock receiver error cannot be eliminated. But new GLONASS satellites in development, GLONASS-K satellites generation, have a new carrier wave, L3, with CDMA signal. Furthermore, advanced generations of satellites will have CDMA signal in others carrier waves. However, currently, the available data are still from GLONASS-M satellites using FDMA technique. Even with CDMA signal inclusion, FDMA signal will continue to be transmitted. Besides, other particularities must be considered, for example, the conversion parameters of reference systems, since GLONASS uses PZ-90 (Parametry Zemli 1990) while GPS uses WGS-84 (World Geodetic System). There are also differences about the amount and inclination of orbits, what influences coverage from one or other system, and other differences. In this paper it is intended to analyze the improvement obtained processing GPS and GLONASS data in point positioning and relative positioning using different time intervals. First of all is presented a review from both systems particularities and then realized data processing tests, in independent and combined modes. For the tests will be used data from RBMC (Rede Brasileira de Monitoramento Contínuo)Stations. Concerning relative positioning the comercial TBC (Trimble Business Centre) software is used. In point positioning is employed the product MagicGNSS from GMV Aerospace and Defence, in Spain. In these tests are evaluated the accuracy of the solutions and the use of independent or combined data for the presented methodologies. Keywords: Relative Positioning, PPP, GNSS, GPS, GLONASS. 1. INTRODUÇÃO Os sistemas GPS (Global Positioning System) e GLONASS (Global Navigation Satellite System) foram desenvolvidos simultaneamente a partir da década de setenta. A utilização de dados combinados despertou interesse devido ao número de satélites disponíveis dos dois sistemas. Porém, devido à degradação sofrida pelo GLONASS, sua utilização ficou em segundo plano. Atualmente, o GLONASS foi modernizado e possui constelação completa. Assim, surge a importância da verificação das melhorias no posicionamento que o uso combinado dos dados GLONASS e GPS podem proporcionar. No presente trabalho é apresentado um breve resumo dos dois sistemas, posteriormente são apresentados os resultados dos experimentos realizados com o objetivo de avaliar a relevância do uso dos dados GLONASS no posicionamento por ponto e no posicionamento relativo e, por fim, são realizadas algumas considerações. 2. SISTEMAS DE POSICIONAMENTO POR SATÉLITE Os Sistemas de Navegação Global por Satélite, os GNSS (Global Navigation Satellite System), foram uma revolução no posicionamento. O GPS e o GLONASS, atualmente os sistemas globais com constelações completas, foram desenvolvidos simultaneamente durante a Guerra Fria. Com características semelhantes, ambos os sistemas foram concebidos com finalidades militares, porém tiveram suas aplicações ampliadas para o uso civil. A seguir são apresentadas as principais características dos sistemas. 2.1 GPS O GPS é o sistema de navegação por satélite desenvolvido pelos Estados Unidos. É mais conhecido que o concorrente russo, entre outros motivos, por não ter sofrido períodos de degradação e ter tido seu uso mais difundido, conseguindo se estabilizar no mercado. O GPS consiste em uma constelação de no mínimo 24 satélites, distribuídos em seis planos orbitais inclinados 55º em relação ao equador, Fig. 1. A altitude média é de km e o período orbital é de aproximadamente 12 horas siderais (MONICO, 2008). 2

3 Fig. 1 Constelação GPS. Fonte: Em relação às frequências, é utilizada a técnica CDMA (Code Division Multiple Access), em que todos os satélites transmitem na mesma frequência, mas podem ser identificados por um código único atribuído a cada satélite. O sistema de referência utilizado é o WGS-84 (World Geodetic System). Atualmente o GPS conta com uma constelação de 32 satélites, dos quais 31 estão em operação, conforme Fig. 2. Fig. 2 Status da Constelação GPS no dia 17/06/14. Fonte: GLONASS O GLONASS é o sistema que foi desenvolvido pela antiga União Soviética, em contrapartida ao GPS americano, e, atualmente, é mantido pela Rússia. Similar ao seu concorrente, foi desenvolvido para fornecer coordenadas 3-D, velocidade e informações de tempo, independente da posição no globo e das condições climáticas. Inicialmente com finalidade militar, também teve sua utilização expandida para uso civil, conforme diversas declarações posteriores do governo russo (MONICO, 2008). O GLONASS é constituído de 24 satélites operacionais e 03 de reserva, distribuídos em três planos orbitais inclinados 64,8º em relação ao equador, Fig. 3. A altitude média é de km e o período orbital é de 11h15min. Fig. 3 Constelação GLONASS. Fonte: 2

4 Em relação às frequências, a tecnologia utilizada é a FDMA (Frequency Division Multiple Access), na qual cada satélite transmite em uma frequência, sendo o satélite identificado de acordo com a mesma. O sistema de referência utilizado é o PZ-90 (Parametry Zemli). Em 1995 o GLONASS foi declarado operacional, com 24 satélites (MONICO, 2008). Porém, passou por um grande período de degradação, chegando a contar com menos de dez satélites operacionais. A partir de 2001, com o governo de Vladmir Putin, teve início um programa de metas para restabelecer a cobertura global e modernização do sistema. Com isso novas gerações de satélites foram desenvolvidas, sendo a primeira delas a dos satélites GLONASS- M, com melhorias na acurácia do posicionamento e vida útil estendida para sete anos, os primeiros tinham vida útil de quatro anos. Posteriormente, foi desenvolvida a geração de satélites GLONASS-K, que transmite além dos sinais FDMA, uma nova portadora com sinal CDMA. É importante ressaltar que apesar da nova portadora com CDMA, a idéia inicial é manter a transmissão do sinal com tecnologia FDMA (URLICHICH ET AL, 2011). O primeiro satélite GLONASS-K foi lançado em 2011 e encontra-se em fase de testes. A Fig. 4 mostra, da esquerda para a direita, os primeiros satélites GLONASS, em seguida GLONASS-M e, por último, a mais recente geração GLONASS-K ( Fig. 4 Gerações de satélites, GLONASS, GLONASS-M e GLONASS-K. Fonte: Com o intuito de melhorar a qualidade do posicionamento, novas estações terrestres de controle estão sendo implantadas. Inicialmente existiam estações apenas no território da antiga União Soviética. A primeira estação fora dessa região foi a implantada no Brasil, em Brasília, em fevereiro de Atualmente o GLONASS, conta com 30 satélites em órbita, garantindo cobertura global com 24 satélites operacionais, conforme Fig. 5. Fig. 5 Status da Constelação GLONASS no dia 17/06/14. Fonte: 3. EXPERIMENTOS REALIZADOS Para o presente trabalho foram realizados dois experimentos, um para Posicionamento por Ponto Preciso e outro para Posicionamento Relativo. Em ambos os casos foram utilizados dados com os mesmos tempos de coleta, 20 minutos (os primeiros vinte minutos de coleta da estação) e 24 horas. Além disso, foram utilizados dados do mesmo período, cinco dias do mês de março e cinco dias do mês de junho de 2014, respectivamente, ou seja, cinco dos dias com maior e menor efeito ionosférico. A estação escolhida para a determinação das coordenadas com PPP foi a PPTE, localizada em Presidente Prudente e pertencente à Rede Brasileira de Monitoramento Contínuo (RBMC). Como coordenadas verdadeiras foram consideradas as coordenadas oficiais da estação, época 2000,4, atualizadas para a época do levantamento. Para o experimento envolvendo o PPP foi utilizada a ferramenta online MagicGNSS da GMV Aerospace and Defence, na Espanha. Com este produto foi possível a obtenção das coordenadas para o processamento com dados GPS, GLONASS e GPS/GLONASS. Para o experimento com Posicionamento Relativo a estação a ter coordenadas determinadas também foi a 3

5 PPTE. Como estação de referência base foi utilizada a estação PRU2, pertencente à FCT-UNESP. Para o processamento foi utilizado o software TBC (Trimble Business Centre) que possibilitou a obtenção de coordenadas a partir de dados GPS e GPS/GLONASS. 4. RESULTADOS 4.1 Posicionamento por Ponto Preciso Primeiramente foi realizado o processamento com apenas 20 minutos de dados. As discrepâncias das coordenadas obtidas com o PPP e as consideradas verdadeiras são apresentadas na TABELA 3. Existem ocasiões em que o software não processou os dados, estes casos são representados na tabela com um traço. No dia 62, por exemplo, apenas o processamento combinado foi possível, devido a falhas no processamento somente com dados GPS ou GLONASS. TABELA 1 DISCREPÂNCIAS 3D COM 20 MINUTOS DE COLETA. DIAS GPS GLONASS COMBINADO 60 2,4290 4,1683 0, ,1598-0, , , ,1545 2, , ,1481 1, ,0823 0,9011 0, ,7670 0,7458 0, ,5572 3,6744 0, ,3285 1,7990 0, ,4319 0,2673 0,5849 Para uma melhor visualização, a Fig. 6 apresenta os resultados obtidos com GPS e GPS+GLONASS. Não são apresentados na figura os resultados obtidos somente com dados GLONASS devido a algumas discrepâncias muito grandes, como no dia 63 (veja TABELA 1). Fig. 6 Discrepâncias 3D, com tempo de coleta de 20 minutos. Analisando a TABELA 1 e a Fig. 6 é possivel perceber melhoria nos resultados de quatro dos nove dias analisados utilizando-se dados combinados. Considerando o tempo de coleta de 24 horas os valores obtidos são apresentados na TABELA 2 e Fig. 7. TABELA 2 - DISCREPÂNCIAS 3D COM 24 HORAS DE COLETA. DIAS GPS GLONASS COMBINADO 60 0,0231 0,0338 0, ,0290 0,0329 0, ,0313 0,0516 0,0322 4

6 63 0,0272 0,0330 0, ,0214 0,0694 0, ,0230 0,0177 0, ,0381 0,0424 0, ,0289 0,0415 0, ,0350 0,0569 0, ,0554 0,1309 0,0894 Fig. 7 Discrepâncias 3D, com tempo de coleta de 24 horas. Analisando a TABELA 2 e a Fig. 7, nota-se que no posicionamento com dados de 24 horas de coleta não houve variação significativa com o uso de dados combinados. Além disso, na maior parte dos casos, o uso de dados combinados não trouxe melhorias. 4.2 Posicionamento Relativo As discrepâncias das coordenadas obtidas com Posicionamento Relativo com tempo de coleta de 20 minutos são apresentadas na TABELA 3 DISCREPÂNCIAS 3D COM 20 MINUTOS DE COLETA.TABELA 3 e Fig. 8. Não foi possível o processamento do dia 153 com este tempo de coleta devido à falha de coleta de dados da estação usada como base no dia em questão. TABELA 3 DISCREPÂNCIAS 3D COM 20 MINUTOS DE COLETA. DIAS GPS COMBINADO 60 0,4880 0, ,0813 0, ,9932 0, ,0374 0, ,0879 0, ,0431 0, ,0470 0, ,0431 0, ,0507 0,0517 5

7 Fig. 8 - Discrepâncias 3D, com tempo de coleta de 20 minutos. A partir desses dados pode-se perceber que houve melhoria nos resultados de quatro dos nove dias analisados utilizando-se dados combinados. Nos dias 60 e 62 a solução do processamento somente com dados GPS ficou flutuante, enquanto usando dados combinados GPS/GLONASS a solução foi fixa. Em relação aos processamentos com tempo de coleta de 24 horas, as discrepâncias obtidas são apresentadas na TABELA 4 e Fig. 9. TABELA 4 DISCREPÂNCIAS 3D COM 24 MINUTOS DE COLETA. DIAS GPS COMBINADO 60 0,0425 0, ,0389 0, ,0417 0, ,0425 0, ,0434 0, ,0431 0, ,0407 0, ,0409 0, ,0427 0, ,0420 0,0422 Fig. 9 - Discrepâncias 3D, com tempo de coleta de 24 horas. Para a coleta de 24 horas o uso de dados combinados não trouxe mudança significativa nas coordenadas. Em 6

8 quatro dos dez dias analisados os valores obtidos foram os mesmos utilizando-se dados combinados ou apenas dados GPS. Nos demais casos os resultados tiveram diferença milimétricas ou menores. 5. CONSIDERAÇÕES FINAIS Os resultados obtidos para o Posicionamento por Ponto Preciso não tiveram melhoria com o uso de dados combinados GPS/GLONASS para a maior parte dos dias, sendo necessária a análise de mais dias de processamento para avaliar a relevância do uso de dados GLONASS para pequenos intervalos de tempo. Para coletas de 24 horas não houve mudança significativa nos resultados, na maior parte dos dias as diferenças foram milimétricas. Com o Posicionamento Relativo em cinco dos nove dias analisados o uso somente de dados GPS teve resultados melhores, porém, nos dois únicos casos em que a solução do processamento ficou flutuante apenas com dados GPS, a utilização de dados combinados GPS/GLONASS teve solução fixa. O processamento de dados de 24 horas com dados combinados também não trouxe mudanças significativas. Esses resultados mostram que a análise da combinação de dados para diferentes intervalos de tempo é válida. O caso estudado utilizou apenas dois intervalos de tempo de coleta e para o posicionamento relativo foi utilizada linha de base curta. A análise da influência do uso dos dois sistemas pode avaliar ainda outros intervalos de coleta para ambos os tipos de posicionamento e diferentes linhas de base para o relativo, algo que será realizado em trabalhos futuros. AGRADECIMENTOS Ao CNPq pelo financiamento da bolsa do primeiro autor (processo /2012-3) e pelo projeto Regular da segunda autora (processo 2012/ ). Ao CNPq pela bolsa de produtividade em pesquisa para a segunda autora e ao projeto Universal (processo /2012-3). REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS MONICO, J. F. G. Posicionamento pelo GNSS: descrições, fundamentos e aplicações. São Paulo, National Navigation Services Provider. Disponível em: < URLICHICH, Yuri; SUBBOTIN, Valeriy; STUPAK, Grigory; DVORKIN, Vyacheslav; POVALYAEV, Alexander; KARUTIN, Sergey. GLONASS: Developing Strategies for Future. GPS Wolrd, V.22, N. 4, p , April