SISTEMAS PARA LEVANTAMENTOS TERRESTRES.. SISTEMA GPS Paulo Cesar Gurgel de Albuquerque Cláudia Cristina dos Santos

Transcrição

1 SISTEMAS PARA LEVANTAMENTOS TERRESTRES.. SISTEMA GPS Paulo Cesar Gurgel de Albuquerque Cláudia Cristina dos Santos

2 Origem Sistema TRANSIT, disponível em Sistema NAVSTAR/GPS, em operação desde Gerenciado e desenvolvido pelo Departamento de Defesa Norte Americano- DoD.

3 O QUE É O GPS SISTEMA DE POSICIONAMENTO GLOBAL SISTEMA DE RADIONAVEGAÇÃO, DESENVOLVIDO PELO DEPARTAMENTO DE DEFESA DOS USA, VISANDO A NAVEGAÇÃO E DETERMINAÇÃO DA POSIÇÃO DE ALVOS PARA FORÇAS ARMADAS AMERICANAS. ELE É RESULTADO DA FUSÃO DOS PROGRAMAS TIMMATION E SYSTEM 621, DE RESPONSABILIDADE DA MARINHA E FORÇA AÉREA DESSE PAÍS.

4 PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO CONHECENDO-SE AS COORDENADAS DE PONTOS ( SATÉLITES ) EM UM DETERMINADO SISTEMA DE REFERÊNCIA É POSSÍVEL, A PARTIR DESSES PONTOS DETERMINAR AS COORDENADAS DE UM NOVO PONTO ( RECEPTOR GPS ), NO MESMO SISTEMA DE REFERÊNCIA.

5 MODELO CONHECENDO A DISTÂNCIA QUE SEPARA O RECEPTOR DE TRÊS PONTOS DE REFERÊNCIA, PODE-SE DETERMINAR A POSIÇÃO RELATIVA DO RECEPTOR ATRAVÉS DA INTERSEÇÃO DE TRÊS CIRCUNFERÊNCIAS CUJOS RAIOS SÃO AS DISTÂNCIAS MEDIDAS ENTRE O RECEPTOR E OS SATÉLITES.

6 MODELO GEOMÉTRICO ADQUIRINDO O DADO d3 d2 d1 d = t x Vp d4 COORDENADAS DOS SATÉLITE SÃO CONHECIDAS

7 EQUAÇÃO DA CIRCUNFERÊNCIA R 2 = ( X X O ) 2 + ( Y Y O ) 2 + ( H H O ) 2 SENDO: X, Y e H ABCISSA, ORDENADA E ALTURA DO PONTO QUE O RAIO INTERCEPTA X O, Y O e H O COORDENADAS ORIGEM DO RAIO PARA DETERMINAÇÃO BIDIMENSIONAL É NECESSÁRIO MÍNIMO DE 3 SATÉLITES; PARA DETERMINAÇÃO TRIDIMENSIONAL 4 OU MAIS SATÉLITES

8 IDENTIFICANDO AS VARIÁVEIS R, DISTÂNCIA ENTRE O SATÉLITE E O RECEPTOR, É DETERMINADA A PARTIR DO INTERVALO DE TEMPO DETERMINADO ENTRE A TRANSMISSÃO E A RECEPÇÃO DO DADO PELO RECEPTOR. R =dtxv V-VELOCIDADE DE PROPAGAÇÃO DA ONDA CONHECENDO-SE ASSIM, O COMPRIMENTO DO RAIO E AS COORDENADAS DO CENTRO DE CADA CIRCUNFERÊNCIA (COORDENADAS DOS SATÉLITES) RESOLVE-SE O SISTEMA CALCULANDO-SE AS INCÓGNITAS X; Y E H, COORDENADAS DO PONTO ONDE ENCONTRA-SE O RECEPTOR GPS.

9 COMPOSIÇÃO OU SEGMENTOS DO SISTEMA

10 ESPECIFICAÇÕES DO SISTEMA - 1 O SISTEMA GPS É COMPOSTO DE 3 SEGMENTOS, ASSIM ESPECIFICADOS: ESPACIAL: CONJUNTO DE 24 SATÉLITES ORBITANDO A UMA ALTITUDE DE km COM INCLINAÇÃO DE 55 O, DISTRIBUÍDOS EM 6 PLANOS ORBITAIS DE FORMA QUE PELO MENOS 4 SATÉLITES POSSAM SER OBSERVADOS A QUALQUER TEMPO EM QUALQUER POSIÇÃO DO PLANETA. ILUSTRAÇÃO DA CONSTELAÇÃO DOS SATÉLITES DO SISTEMA GPS.

11 GPS SEGMENTO DO ESPAÇO

12 ESPECIFICAÇÕES DO SISTEMA - 2 TERRESTRE: CONJUNTO DE ESTAÇÕES TERRESTRES DISTRIBUÍDAS NA SUPERFÍCIE DA TERRA QUE TEM COMO OBJETIVO O CONTROLE DA POSIÇÃO DAS ORBITAS DE CADA SATÉLITE DO SISTEMA USUÁRIO: COMPÕE-SE DO CONJUNTO DE RECEPTORES QUE O SISTEMA DISPONIBILIZA PARA DETERMINAÇÃO DE POSIÇÕES, ESTÁTICAS OU CINEMÁTICAS, DE ALVOS DE DIFERENTES NATUREZAS. O uso civil é caracterizado pela não obtenção de coordenadas precisas, em tempo real, por um único receptor.

13 TRANSMITINDO DADOS AO USUÁRIO O QUE É TRANSMITIDO PELOS SATÉLITES GPS? I-DUAS ONDAS PORTADORAS DE E MHZ, CONHECIDAS COMO L1 E L2 II-CÓDIGO P Freq. 10,23 Mhz; λ 30 m MEDIDAS MAIS PRECISAS III-CÓDIGO C/A ( CIVILIAN ACCESS ) MEDIDAS MENOS PRECISAS IV-CÓDIGO D - EFEMERIDES DOS SATÉLITES FREQUENCIA BÁSICA DE 10,23 MHZ

14 TERMOS TÉCNICOS ENCONTRADOS A PSEUDODISTANCIA É O RESULTADO DO PRODUTO ENTRE A VELOCIDADE DA LUZ E O TEMPO DE DESLOCAMENTO DA ONDA, GERADO NO RECEPTOR A PARTIR DO SINAL PROCEDENTE DO SATÉLITE. OBSERVÁVEIS SÃO AS PSEUDODISTÂNCIAS E OU FASES DA PORTADORA L1, ARMAZENADOS PELOS RECEPTORES E UTILIZADOS NO PÓS PROCESSAMENTO. EFEMÉRIDES SÃO OS DADOS REFERENTES A LOCALIZAÇÃO DE CADA SATÉLITE NO INSTANTE DA OBSERVAÇÃO.

15 OBJETIVOS DO SISTEMA GPS DETERMINAÇÃO DA POSIÇÃO BI OU TRIDIMENSIONAL DE OBJETOS OU FEIÇÕES DA SUPERFÍCIE DA TERRA. O QUE O SISTEMA GPS FORNECE? PRODUTOS PRIMÁRIOS LONGITUDE; LATITUDE E ALTITUDE PRODUTOS DECORRENTES VELOCIDADE; DISTANCIAS E DIREÇÕES ENTRE PONTOS; ÁREAS

16 APLICAÇÕES CIVIS ENTRETENIMENTO NAVEGAÇÃO LEVANTAMENTOS GEODÉSICOS LEVANTAMENTOS TOPOGRÁFICOS MILITARES

17 SERVIÇOS DISPONÍVEIS SPS SERVIÇO DE POSICIONAMENTO PADRÃO ATENDE TODOS OS USUÁRIOS DO SISTEMA (QUALQUER USUÁRIO) PPS SERVIÇO DE POSICIONAMENTO PRECISO É DE USO DAS FORÇAS ARMADAS DOS USA E USUÁRIOS AUTORIZADOS

18 TIPOS DE OPERAÇÃO LEVANTAMENTOS ESTÁTICOS O RECEPTOR É ESTACIONADO SOBRE O PONTO E PERMANECE DURANTE UM TEMPO T ATÉ CONCLUIR A AQUISIÇÃO. LEVANTAMENTOS (CINEMÁTICOS) DINÂMICOS O RECEPTOR NÃO FICA ESTACIONADO, DESLOCA-SE SOBRE O TERRENO DURANTE UM DETERMINADO TEMPO, DETERMINANDO POSIÇÕES AO LONGO DO CAMINHO PERCORRIDO.

19 TIPOS DE POSICIONAMENTO-1 ABSOLUTO TEMPO REAL OU PÓS PROCESADO: USA SÓ UM RECEPTOR; PRECISÃO INFERIOR AO POSICIONAMENTO REALIZADO COM O MÉTODO DIFERENCIAL E RELATIVO. PRECISÃO SEM SA > 10 M PRECISÃO COM SA 100M

20 TIPOS DE POSICIONAMENTO-2 DIFERENCIAL TEMPO REAL SE USADO LINK DE RÁDIO ENTRE OS RECEPTORES; PÓS-PROCESSADO E USO NORMAL UTILIZA DOIS OU MAIS RECEPTORES, SENDO UM DELES ESTACIONADO EM UM PONTO DE COORDENADAS CONHECIDAS CHAMADO DE BASE; PROCESSAMENTO DO CÓDIGO C/A. PRECISÃO: > 5m

21 TIPOS DE POSICIONAMENTO-3 RELATIVO PÓS-PROCESSADO; UTILIZA 2 OU MAIS RECEPTORES; ALCANCE PARA L1, IDEAL ATÉ 50 Km; ALCANCE PARA L1/L2, até 1000 Km; PRECISÃO: mm PROCESSAMENTO DA FASE DAS PORTADORAS L1 OU L1/L2, PARA CÁLCULO DAS POSIÇÕES. OS MÉTODOS RELATIVO E DIFERENCIAL NÃO SÃO IGUAIS MAS TEM MUITAS SEMELHANÇAS.

22 TIPOS DE POSICIONAMENTO-4 ESTÁTICO UMA RECEPTOR BASE UM RECEPTOR MÓVEL, PERMANENCIA > 01:00 h RELATIVO CINEMÁTICO CONTÍNUO UM RECEPTOR BASE UM RECEPTOR MÓVEL, PERMANENCIA TAXA DE GRAVAÇÃO > 01 seg RELATIVO SEMI-CINEMÁTICO UM RECEPTOR BASE UM RECEPTOR MÓVEL, PERMANENCIA > 02 seg TAXA DE GRAVAÇÃO > 01 seg

23 RESUMINDO. ESTÁTICOS ABSOLUTO TEMPO REAL CINEMÁTICOS CINEMÁTICO CONTÍNUO SEMI-CINEMÁTICO RELATIVO PÓS PROCESSADO

24 TIPOS DE RECEPTORES QUANTO AO USO QUANTO AO DADO OBTIDO ENTRETENIMENTO CÓDIGO C/A NAVEGAÇÃO CODIGO C/A + L1 SISTEMA DE INFORMAÇÃO CODIGO C/A + L1 e L2 GEOGRÁFICA SIG CODIGO C/A + P + L1 e L 2 TOPOGRAFIA L1 ou L1 E L2 GEODÉSIA

25 RECEPTORES GPS - GARMIN ETREX 2-MAP176C 3-12;12xl;45X 4-II; III; Plus XL 5 6

26 RECEPTORES GPS - GARMIN ETREX 2-MAP176C 3-12;12xl;45X 4-II; III; Plus XL 5 6

27 RECEPTORES GPS - Trimble Ag GPS 132 Ag GPS160 Computador Portatil DSM 12/212 MS 860 MS 750

28 OPERANDO O GPS?

29 SISTEMA DE REFERÊNCIA O SISTEMA GPS ADOTA COMO SISTEMA GEODÉSICO DE DE REFERÊNCIA, PARA DETERMINAR AS COORDENADAS DE PONTOS NO TERRENO, O SISTEMA WGS-84. O SISTEMA GEODÉSICO DE REFERÊNCIA DOTADO NO BRASIL É O SAD-69 QUE ATUALMENTE ESTÁ SENDO SUBSTITUÍDO PELO SIRGAS OS RECEPTORES GPS ORIGINALMENTE DETERMINAM AS COORDENADAS DOS PONTOS EM WGS QUE, SE COMPARADAS COM AS COORDENADAS EXTRAÍDAS DAS CARTAS BRASILEIRAS APRESENTAM DESLOCAMENTOS

30 GPS DATUM GLOBAL WORLD GEODETIC SYSTEM - WGS 84

31 MODELOS DE REPRESENTAÇÃO DA SUPERFÍCIE DA TERRA-1 SUPERFÍCIE FÍSICA REAL MODELO FÍSICO MODELO MATEMÁTICO b a Difícil representação Não serve como referência Geóide NMM Sujeita a alterações Fácil representação Modelo rígido

32 MODELOS DE REPRESENTAÇÃO DA SUPERFÍCIE DA TERRA-2 SUPERFÍCIE DOS MARES ELIPSÓIDE GEOIDE SUPERFÍCIE DA TERRA

33 VEJA AS DIFERENÇAS: QUANDO É FEITA UMA DETERMINAÇÃO ASTRONÔMICA USA-SE UMA TERRA ESFÉRICA E O EQUIPAMENTO ORIENTADO À VERTICAL DO LUGAR (SUPERFÍCIE FÍSICA) QUANDO A DETERMINAÇÃO É FEITA UTILIZANDO-SE O SISTEMA GPS USA-SE TAMBÉM A VERTICAL DO LUGAR PARA VERTICALIZAÇÃO DA ANTENA, MAS OS CÁLCULOS SE PASSAM NA TERRA ELIPSOIDAL.OU SEJA, HÁ DIFERENÇA ENTRE ESTAS COORDENADAS.

34 VEJA O QUE ESTÁ ACONTECENDO NORMAL REFERÊNCIA ELIPSÓIDE SUPERFÍCIE FÍSICA FIO DE PRUMO - LINHA VERTICAL REFERÊNCIA GEÓIDE GEÓIDE ELIPSÓIDE

35

36 SISTEMAS DE REFERÊNCIA AS COORDENADAS OBTIDAS PELO GPS ESTÃO REFERIDAS A UM SISTEMA GEODÉSICO QUE TEM COMO PADRÃO O ELIPSÓIDE, WGS-84. NO BRASIL O SISTEMA GEODÉSICO USAVA O SISTEMA SAD-69, COMO REFERÊNCIA. A PARTIR DE MARÇO DE 2005 O SISTEMA ADOTADO NO BRASIL É O SIRGAS GPS COORDENADAS TRANSFORMAÇÃ0 Coordenadas Geodésicas WGS-84 DATUM-2 DATUM N.. 1-TEMPO REAL 2-PÓS PROCESSADO Coordenadas Geodésicas SAD-69 DATUM-2 DATUM N.. Datum padrão

37 ATENÇÃO ANTES DE INICIAR A OPERAÇÃO CONFIGURE O SISTEMA DE REFERENCIA. A PRINCÍPIO OS RECEPTORES GPS TRAZEM UMA LISTA DE SISTEMAS DE REFERÊNCIA ESCOLHA O SISTEMA DESEJADO. E ESCOLHA UM FORMATO PARA APRESENTAR AS COORDENADAS DOS PONTOS FORMATO MÉTRICO ( UTM ) GRAUS, MINUTOS E SEGUNDOS GRAUS E MINUTOS E FRAÇÃO GRAUS E FRAÇÃO

38 CONSTELAÇÃO DE SATÉLITES SEJAM N SATÉLITES DISTRIBUÍDOS NO ESPAÇO OBSERVADO PELA ANTENA DO RECPTOR. ESTA DISTRIBUIÇÃO ASSUME FORMAS DIFERENTES A CADA INSTANTE EM FUNÇÃO DO DESLOCAMENTO DOS SATÉLITES A DISTRIBUIÇÃO PODE SER BOA OU RUIM RUIM BOA

39 DOP DILUTION OF PRECISION PARAMETRO PARA PLANEJAR DATA E HORA DA OBSERVAÇÃO AUXILIANDO NA DETERMINAÇÃO DA PRECISÃO DOS RESULTADOS O DOP É FUNÇÃO DE DOIS FATORES: DA PRECISÃO DA OBSERVAÇÃO DE PSEUDODISTÂNCIA DA RELAÇÃO ENTRE σ E O DESVIO PADRÃO RELATIVO AO POSICIONAMENTO. SENDO: σ H OU HDOP = PARA O POSICIONAMENTO HORIZONTAL σ V OU VDOP = PARA O POSICIONAMENTO VERTCAL σ P OU PDOP = PARA O POSICIONAMENTO TRIDIMENSIONAL σ T OU TDOP = PARA O POSICIONAMENTO EM TEMPO

40 CONSTELAÇÃO E O PDOP INTERPRETA-SE PDOP COMO O INVERSO DO VOLUME DE UMA PIRMAMIDE, QUE TEM COMO BASE A FIGURA FORMADA PELOS SATÉLITES E O VÉRTICE A POSIÇÃO DO RECEPTOR. QUANTO MENOR FOR O VALOR DOS DIFERENTES DOPs, MELHOR SERÁ A CONSTELAÇÃO DOS SATÉLITES.

41 DISTRIBUIÇÃO GEOMÉTRICA DOS SATÉLITES- GDOP Distribuição Boa-GDOP baixo Distribuição Ruim-GDOP alto

42 INDICADORES DA PRECISÃO DOP - DILUTION OF PRECISION GDOP GEOMETRIC DILUTION FO PRECISION HDOP = POSICIONAMENTO HORIZONTAL VDOP = POSICIONAMENTO VERTICAL TDOP = DETERMINAÇÃO DO TEMPO PDOP = POSICIONAMENTO TRIDIMENSIONAL = 1/ V ONDE V É O VOLUME DO TETRAEDRO FORMADO PELAS POSIÇÕES DO USUÁRIO E DOS SATÉLITES GDOP = GEOMETRIA + TEMPO

43 FONTE DE ERROS -1 SATÉLITE ORIGEM E CAUSAS DOS ERROS ÓRBITA - f(coordenadas dos satélites) RELÓGIO - f(estabilidade dos relógios) RELATIVIDADE - f(variação da frequencia dos relógios devido a meio que estão localizados, campo gravitacional, e deslocamento com velocidades diferentes) HARDWARE f(diferença entre os caminhos que a portadora percorre no hardware do GPS)

44 PROPAGAÇÃO DO SINAL FONTE DE ERROS -2 REFRAÇÃO IONOSFÉRICA E TROPOSFÉRICA - F(VARIAÇÃO DE DENSIDADE NOS MEIOS QUE A ONDA PROPAGA-SE E DO ÂNGULO DE ELEVAÇÃO DO SATÉLITE) PERDA DE CICLOS F(QUANDO OCORRE A INTERRUPÇÃO DA CONTAGEM DO NÚMERO DE CICLOS DURANTE O PERÍDO DE OBSERVAÇÃO) MULTICAMINHAMENTO F(REFLEXÃO DOS SINAIS EM SUPERFÍCIES VIZINHAS ONDE ENCONTRA-SE O RECEPTOR OU GERADO NO PRÓPRIO SATÉLITE) ROTAÇÃO F(DEVIDO AO MOVIMENTO DE ROTAÇÃO DA TERRA )

45 ATRASO NA IONOSFERA E TROPOSFERA

46 EFEITO DO MULTICAMINHAMENTO

47 FONTE DE ERROS -3 RECEPTOR RELÓGIO F( ESTABILIDADE DO OSCILADOR DOS RELÓGIOS ) CANAIS F( TEMPO PERCORRIDO, NO RECEPTOR, PELO SINAL DE CADA SATÉLITE EM CADA CANAL CORRESPONDENTE ). ANTENA F( DIFERENÇA ENTRE O CENTRO GEOMÉTRICO DA ANTENA E O CENTRO DE FASE ELETRÔNICO; FABRICANTE E MODELOS DE ANTENAS )

48 FONTE DE ERROS -4 ESTAÇÃO COORDENADAS MULTICAMINHAMENTO MARÉS TERRESTRES MOVIMENTO DO POLO CARGA DOS OCEANOS PRESSÃO ATMOSFÉRICA OPERADOR

49 ERROS FONTES DE ERRO (TÍPICO) ERRO MÉDIO GERADO 1- ERRO DO RELÓGIO DO SATÉLITE 60 CM 2- ERRO DE EFEMÉRIDES 60 CM 3- ERROS DOS RECEPTORES 120 CM 4- ATMOSFÉRICO/IONOSFÉRICO 360 CM TOTAL (RAIZ QUADRADA DA SOMA DOS QUADRADOS) 390 CM PARA CALCULAR A PRECISÃO DO SISTEMA, MULTIPLICA-SE O RESULTADO ACIMA PELO VALOR DOP MOSTRADO NO RECEPTOR GPS. EM BOAS CONDIÇÕES, O DOP VARIA DE 3 A 7. DE 3 X CM A 7 X CM OU SEJA, DE 10 A 30 METROS APROXIMADAMENTE.

50 ERROS NA COLETA DOS DADOS GPS

51 COMPARANDO

52 ERROS DEVIDO A DIFERENÇA DE DATUM

53 O QUE É O SA? SA- SELECTIVE AVAILABILITY DEGRADAÇÃO INTENCIONAL DO SINAL MANIPULAÇÃO DAS EFEMÉRIDES DESISTABILIZAÇÃO DO RELÓGIO ALTERANDO O RÍTIMO DE FREQUENCIA ESTE CÓDIGO FOI DESLIGADO EM PARA LEVANTAMENTOS COM PRECISÃO SUPERIOR A 10M ESTE CÓDIGO NÃO INTERFERE.

54 SEGURANDO O GPS ANTENA

55 BASTÕES PARA FIXAÇÃO DA ANTENA MÉTODO CINEMÁTICO ANTENA EXTERNA COM CABO 1 2 BASTÕES COM 1 A 2.5M

56 FIXAÇÕES BIPÉS TRIPÉS

57 OUTRAS POSSIBILIDADES 1- USO DO BONÉ COM ANTENA EXTERNA

58 POSICIONANDO A ANTENA DO GPS - POSIÇÃO NORMAL h h h h h h h

59 POSICIONANDO A ANTENA DO GPS POSIÇÃO INCLINADA h h h h h h h

60 SISTEMA WAAS NÃO DISPONÍVEL NO PAÍS. SISTEMA WAAS

61 SISTEMAS PARA O POSICIONAMENTO PRECISO COM GPS -1 WAAS: WIDE ÁREA ARGUMENTATION SYSTEM CONSISTE APROXIMAMENTE DE 25 ESTAÇÕES DE REFERÊNCIA IMPLANTADAS NO TERRITORIO AMERICANO QUE MONITORAM OS DADOS ENVIADOS PELOS SATELITES DO SISTEMA GPS. DUAS ESTAÇÕES MASTER LOCALIZADAS NA COSTA ATLÂNTICA E PACÍFICA, COLETAM OS DADOS DAS ESTAÇÕES DE REFERÊNCIA E CALCULAM AS CORREÇÕES PARA SEREM ENVIADAS AOS RECEPTORES. ESTAS CORREÇÕES SÃO TRANSMITIDAS ATRAVÉS DE SATÉLITES GEOESTACIONÁRIOS PARA OS SATELITES GPS AOS RECEPTORES DOS USUÁRIOS CORRECTION MESSAGE.

62 SISTEMAS PARA POSICIONAMENTO PRECISO COM GPS -2 WADGPS: SISTEMA CONSTITUÍDO DE ESTAÇÕES DE REFERÊNCIA ESPAÇADAS DE 200 KM E PELO MENOS ESTAÇÃO DE MONITORAMENTO. CADA ESTAÇÃO DE REFERENCIA ENVIA OS DADOS PARA A ESTAÇÃO DE MONITORAMENTO QUE OS ANALISA E TRANSMITE PARA OS USUÁRIOS AS CORREÇÕES. O WADGPS PROPORCIONA UM VETOR DE CORREÇÕES TRIDIMENSIONAIS COMPOSTO DOS ERROS DAS EFEMÉRIDES, DO RELÓGIO DE CADA SATÉLITE E DOA PARAMETROS INERENTES A REFRAÇÃO ATMOSFÉRICA E TROPOSFÉRICA NO BRASIL EXISTEM DISPONÍVEIS OS SERVIÇOS OMNISTAR E LANDSTAR. O USUÁRIO PAGA UMA TAXA PARA UTILIZAÇÃO DO SERVIÇO (MONICO 2000)