ELE32 Sistemas de posicionamento global. ITA 2º. Semestre de 2016

Transcrição

1 ELE32 Sistemas de posicionamento global ITA 2º. Semestre de 2016

2 Objetivos desta apresentação Apresentar os princípios utilizados por sistemas de posicionamento global do ponto de vista de um sistema de comunicação Sinais transmitidos e recebidos Objetivos do receptor Determinação de posição e erros inerentes ao sistema Estrutura típica de um receptor

3 O que não será visto Definição de um sistema de coordenadas e os problemas relacionados Problemas de propagação Órbitas de satélites

4 Necessidade do conhecimento da posição O conhecimento da posição terrestre com uma boa precisão é útil em diversas situações A posição pode ser medida de várias formas. Uma delas é através da medição da distância entre o usuário (requerente da posição) e uma referência com posição conhecida. Uma forma de medir esta distância é o intervalo de tempo necessário para que um sinal transmitido pela referência chegue no usuário

5 Todo mundo sabe fazer isso

6 Medição de distâncias usando sinais É necessário saber quando o sinal foi transmitido e quanto do sinal foi recebido Raio/Trovão: instante de transmissão é aproximadamente o instante em que o raio é percebido. Sinal transmitido pode carregar informação do instante de transmissão

7 Medição de distâncias usando sinais Requisitos sobre o sinal Deve ter baixa dispersão para ter um longo alcance Deve estar disponível o tempo todo Não deve interferir nos sistemas já existentes Deve ter velocidade de propagação praticamente constante Boa escolha: sinal eletromagnético (rádio)

8 Muitas referências são necessárias Estar a uma distância d de uma referência nos posiciona em uma esfera em um espaço tridimensional Duas referências nos colocam em um círculo. Terceira referência nos dá a posição em duas dimensões Quatro referência nos dá a posição em três dimensões

9 Muitas referências são necessárias Ambiguidade R2 R1 R3

10 Referências: satélites Fonte: Wikipedia

11 Vários sistemas disponíveis Nome País control ador Núm. de Satélites Cobertura Precisão aberta Precisão encriptada GPS E.U.A. 31 Global 5m +-10cm GLONA SS Rússia 24 Global +-5m +-5m Galileo U.E. 12 Global 1m 1cm Beidou China 21 Global 10m 10cm IRNSS Índia 7 Region al 10m 10cm Fonte: Wikipedia

12 Estrutura do sistema O sistema é dividido em três segmentos: Segmento de controle (CS) Estações em terra dedicadas a monitorar e controlar o segmento espacial Segmento espacial (SS) Conjunto de satélites em órbita Segmento do usuário (US) Receptores GPS na atmosfera terrestre

13 Segmento de controle Composto de: Estação de controle principal e backup Antenas de uso exclusivo Estações de monitoramento espalhadas pela Terra Funções: Monitorar a órbita e o funcionamento dos satélites Envio de sinais de controle para satélites e gerenciamento do sistema (veremos mais detalhes) Ligar, desligar ou alterar os sinais GPS transmitidos pelos satélites para partes ou totalidade do globo Ativar/desativar satélites reserva

14 Segmento espacial: satélites (1/2) Divido em gerações Geração atual: IIF Fabricante: Boeing Peso: 1633kg Vida útil: 12 anos Potência: +-2kW Fonte: Boeing

15 Segmento espacial: satélites (2/2) Órbita de 20200km (MEO) 2 voltas por dia sideral km/s : relatividade faz com que o tempo passe 2.5ms mais devagar por ano

16 Requisitos sobre os sinais transmitidos Requisito 1: muitos satélites vão transmitir sinais para o mesmo receptor ao mesmo tempo e na mesma banda é necessário um método de acesso múltiplo Requisito 2: O sinal deve estar disponível para o receptor mesmo quando a distância entre transmissor e receptor é muito grande potência de transmissão é significativa (dezenas de Watts) Requisito 3: estes sinais estarão disponíveis o tempo todo no mundo todo vários satélites em órbita Requisito 4: os sinais devem carregar informação sobre o instante em que foram enviados e outras mensagens modulação BPSK Requisito 5: os sinais não devem interferir com nenhum dos sistemas em terra(como fazer??)

17 Método de acesso múltiplo: CDMA Permite que vários usuários transmitam ao mesmo tempo ocupando a mesma banda Causa espalhamento espectral, espalhando a alta potência e reduzindo a densidade espectral de potência a níveis menores do que a densidade espectral de potência do ruído Mesmo conceito pode ser utilizado em situações onde não se deseja que sinal seja detectado

18 Sinal transmitido Combinação de Portadoras Sequência de espalhamento Sequência de informação (BPSK) Potência de dezenas de Watts Sequência de informação XOR X Re Sinal GPS Gerador pseudo aleatório exp(j2πf c t)

19 Portadoras Duas frequências originais: L1: MHz L2: MHz Escolha das frequências: múltiplos inteiro (154x e 120x) da frequência de oscilação de um cristal muito estável que oscila com frequência de 10.23MHz Todos os satélites utilizam mesmas portadoras Efeito Doppler causa desvio da portadora na ordem de dezenas de khz Há outras portadoras (L2C, L1C, L5, M), com sinais com outras propriedades (e.g. uso militar, FEC.)

20 Sequência de espalhamento Há duas sequências de espalhamento: C/A Coarse/Aquisition Aberta Serve para que receptor consiga identificar a portadora e posteriormente para posicionamento Enviada via L1 P(Y) Precise: Restrita via criptografia Fornece melhor precisão no posicionamento Enviada via L1(em quadratura) e L2

21 Coarse/Aquisition(1/3) Sequências (Robert) Gold que tem a seguinte propriedade: Dado N, há 2 N -1 sequências com período 2 N -1 A autocorrelação de uma sequência vale 2 N -1 A correlação entre duas sequências Gold é limitada em 2 (N+2)/2 +1 ~ (2 N -1)/2 Metade destas sequências é balanceada, isto é, há, 2 N-1 1 s e 2 N s, o que aproxima a média desta sequência para zero.

22 Coarse/Aquisition(2/3) + Para GPS, N = 10 Logo, a sequência binária pseudoaleatória tem período de 1023 bits Esta sequência se repete a cada 1ms: taxa de 1.023Mbps (novamente múltiplo inteiro de 10.23MHz) Obtido utilizando a combinação da saída de dois geradores pseudoaleatórios Cada satélite utiliza gerador diferente ao escolher combinação diferente de memórias da segunda máquina (linhas vermelhas) Saída ID Taps ID Taps ID Taps ID Taps 1 2, 6 9 3, , , 7 2 3, , , , 8 3 4, , , , 9 4 5, , , , , , , , 6 6 2, , , , 7 7 1, , , , 8 8 2, , , , 9

23 Coarse/Aquisition(3/3) 200 Autocorrelacao C/A1 Correlacao cruzada C/A1 C/A2 000 X: 1023 Y:

24 P(Y) Taxa de 10.23Mbps Sequência pseudoaleatória com tamanho se repete uma vez por semana (+-720Gbytes) Muito difícil de determinar Permite estimar posição sem ambuiguidade em todo o sistema solar conhecido Cada satélite possui sua própria sequência obtida como uma parte de uma sequência maior de +-27Tbytes) Criptografada utilizando uma outra sequência

25 Sequência de informação (1/2) Modulação BPSK Taxa de 50 bits/segundo (bem baixo) Envia quadros com 1500 bits (demora 30 segundos) Cada quadro carrega informações referentes a: Instante de transmissão com data e hora: muda a cada pacote Ephemeris - Informação sobre órbita do próprio satélite, incluindo correções devido a desvios: atualizado algumas vezes por dia Almanac - informação sobre a situação dos outros satélites, incluíndo os vizinhos: atualizado algumas vezes por ano. Cada quadro carrega 600 dos bits do Almanac, demorando assim 12.5 minutos para a sua transmissão completa

26 Sequência de informação (2/2) Cada quadro é dividido em 5 subquadros, cada um com 300 bits Tamano de word = 30 bits Quadro Word TLM HOW Semana GPS e hora da semana, status do satélite, informações do relógio atômico 2 TLM HOW ½ Ephemeris 3 TLM HOW ½ Ephemeris 4 TLM HOW Almanac 5 TLM HOW Almanac TLM = Telemtria, marca inicio do quadro; HOW = Handover Semana contada com 10 bits = 1024 semanas ~ 19.6 anos Hora é transmitida com precisão de 1.5 segundos = Resolução de pontos em uma semana, representado com 19 bits Semana zero, hora zero = 6/janeiro/1980, 00:00 (domingo)

27 dbm / Hz PSD do sinal BPSK Antes do espalhamento espectral RBW: mhz, NFFT: 1537, Span: 400 Hz, CF: 0 Hz Frequency (Hz)

28 PSD do sinal transmitido Após espalhamento espectral: redução na densidade espectral de potência NA recepção, valor é inferior a valores típicos da PSD do ruído térmico RBW: 7.99 khz, NFFT: 1537, Span: 8.18 MHz, CF: 0 Hz Frequency (MHz) 6

29 Entre o transmissor e receptor: Link Budget A 5º do horizonte, satélite encontra-se a 25496km de distância. Percurso atenua a potência transmitida em mais de 190 db Relação sinal ruído na ordem de poucas dezenas de db

30 Segmento de usuário Qualquer receptor GPS

31 Funções de um receptor Deve, nesta ordem: Localizar portadora sincronismo de portadora Desfazer espalhamento espectral sincronismo de código Processar bits Estimar posição

32 Localização da portadora Possível implementação: Costas Loop u(t)cos(2πf c t) X u(t)[sin(2πf + t)+ sin(2πf - t)]/2 FPB u(t)sin(2πf - t)/2 saída f - =f c -f f + =f c +f sin(2πf t) 90 o VCO e(t) f - FPB e ganho u 2 (t)sin(4πf - t)/4 X cos(2πf t) X u(t)[cos(2πf + t)+ cos(2πf - t)]/2 FPB u(t)cos(2πf - t)/2 VCO acelera se e(t)>0 e desacelera se e(t)<0 Insensível para pequenos desvios Doppler (definido pelos filtros) Havendo vários sinais na entrada, sinal mais forte será detectado

33 X: 1023 Y: 1023 Autocorrelacao C/A1 Correlacao cruzada C/A1 C/A2 Desespalhamento espectral Deve-se saber quando a sequência pseudoaleatória inicia Estrutura teoricamente correta: Gerador local... XOR bit a bit AND NOR OR Lock Entrada A princípio não sabemos qual das 32 sequências utilizar: devemos testar todas. Cada teste demora pelo menos 1ms... Na prática utiliza-se outra estrutura que realiza o cálculo de forma mais eficiente Após aquisição, saída é obtida adicionando novamente (XOR) a sequência

34 Sincronismo de quadro Cada subquadro é identificado pela repetição das palavras TLM e HOW Semana GPS é o único valor que se repete (exceto uma vez por semana) a cada 5 quadros Identificação da repetição fornece sincronismo de quadro É necessário aguardar no máximo 30 segundos para obter informações sobre 1º satélite

35 Estimação de distância (1/2) Informações disponíveis no receptor: Posição de cada satélite e instante de transmissão do pacote Fase da sequência C/A Relógio local, que pode estar errado Instante de recepção, que pode estar errado Com estas informações temos a pseudodistância entre o satélite e o receptor

36 Estimação de distância (2/2) Medidas: Pseudo distância: R i = T l T i c Sistema de equações R i = (x x i ) 2 +(y y i ) 2 +(z z i ) 2 Há quatro variáveis: x,y,z (posição do satélite) e diferença entre relógio local e relógio real Logo,quatro equações permitem obter uma solução E a ambuiguidade? O tempo resolve todos os males Velocidade e direção podem ser obtidos calculando diferenças entre posições

37 Fontes de erro Ruído Envio proposital de sinais errados (Selective Availability) Relógios fora de sincronismo ou com baixa precisão Atrasos/multiperecursos devido a efeitos atmosféricos (em particular troposfera) Ephemeris desatualizada errada Erros de implementação Relatividade

38 Efeitos dos erros Imprecisão na posição, que também depende da geometria do posicionamento satélites e receptor Satélites geometricamente pertos causam maior imprecisão

39 GPS diferencial Uma estação em terra pode saber exatamente a sua posição e ao mesmo tempo medir a sua posição via GPS Desta forma, sabe-se o erro de posicionamento Este erro é praticamente constante em uma região próxima da estação O valor pode ser transmitido para outros usuários próximos Incerteza pode ser reduzida para 10cm

40 Situações onde GPS não funciona mas seria bom ter Debaixo da terra Mineração Debaixo da água Indústria de petróleo Aplicações militares

41 Alternativa: localização cooperativa