Universidade Federal do Paraná Laboratório de Geodésia Espacial e Hidrografia. Abril de 2011

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1 Universidade Federal do Paraná Laboratório de Geodésia Espacial e Hidrografia POSICIONAMENTO POR SATÉLITES, ENFASE NO NAVSTAR-GPS (1/41) ckrueger@ufpr.br/ cpk64@hotmail.com Abril de

2 Universidade Federal do Paraná Laboratório de Geodésia Espacial e Hidrografia Aviso de direitos autorais: Este material é de direito autorial. As idéias e conceitos presentes nele pode ser livremente utilizados, mas as palavras e figuras estão protegidos por direitos autorais. Este material não pode ser duplicado e nem usado para fins comerciais, ou educacionais, sem permissão escrita do autor. Os pedidos de permissão para usar um pequeno número de paginas, parágrafos e figuras para fins não comerciais, geralmente, será concedido e a reprodução deve seguir com a indicação da fonte. Professora: Dra. Claudia Pereira Krueger 2

3 NAVSTAR-GPS: NAVigation System with Time And Ranging - Global Positioning System Como surgiu? Força Aérea Americana (U.S. Air Force) Desenvolvia o PROJETO 621B - Marinha Americana (U.S. Navy) Desenvolvia o TIMATION - NAVSTAR-GPS 3

4 2.1 DEFINIÇÃO: É um sistema de navegação através de sinais de rádio, baseado numa constelação básica de 24 satélites artificiais (21 satélites regulares e 3 de reserva) desenvolvido e mantido pelo departamento de Defesa dos Estados Unidos ( DoD). Foi desenvolvido, em princípio, só para atender aos interesses da força militar americana. Entretanto, pelo seu grande potencial, estendeu-se a setores não militares. Atualmente, é um dos sistema mais precisos na determinação da posição tridimensional, na navegação e em informações sobre o tempo (SEEBER, 1993). 4

5 Constelação Básica do NAVSTAR-GPS Figura 2.1- Constelação GPS Fonte: Adaptado de Seeber,

6 Figura 2.2- Constelação GPS Fonte: 6

7 2.2 OBJETIVOS No inicio dos anos 70, o GPS foi proposto e desenvolvido buscando atender aos seguintes objetivos: a) precisão da ordem do centímetro para o posicionamento, b) exata determinação da velocidade e do tempo, c) disponibilidade contínua dos dados de navegação, d) base para o estabelecimento de um referencial global, e) cobertura global e regional, f) observações simultâneas de pelo menos 4 satélites visíveis, acima do horizonte em qualquer região e em qualquer momento, e g) independência das condições meteorológicas. 7

8 Figura 2.3- Posicionamento Absoluto 8

9 2.3 SEGMENTOS DO GPS O GPS, na literatura especializada, é dividido em três segmentos: Segmento Espacial, Segmento de Controle e Segmento do Usuário. 2 4 S a té lite s A r tific ia is d is p o s to s e m : 6 p la n o s o r b ita is, in c lin a ç ã o d e 5 5 o e m r e la ç ã o a o p la n o e q u a to r ia l, a ltitu d e m é d ia d e k m S e g m e n to E s p a c ia l S e g m e n to d o U s u á r io N avegação, L e v a n ta m e n to C a r to g r á fic o, P o s ic io n a m e n to s, e tc S e g m e n to d e C o n tr o le M o n ito r a m e a tu a liz a m a s m e n s a g e n s d e n a v e g a ç ã o, fa to r e s d e c o r r e ç ã o d o s r e ló g io s e a lm a n a q u e Figura Segmentos do GPS 9

10 2.3.1 SEGMENTO ESPACIAL Lembrem que: ele é representado pelos satélites que estão orbitando em torno da Terra e aos quais cabe enviar, por meio de sinais de rádio, as informações necessárias aos usuários. Características Básicas do NAVSTAR-GPS: - constelação básica de 24 satélites; - altura orbital média de km; - 6 planos orbitais (A,B,C,D,E,F), separados entre si de 60o; - cada órbita contém 4 satélites, os quais estão defasados de 90 ; - inclinação da órbita de 55 o em relação ao plano do equador ; - período orbital de 12 horas siderais; e - órbitas quase circulares. 10

11 Planos orbitais: A, B, C, D, E e F Separados de 60 o entre si. Figura 2.5- Planos Orbitais do GPS Fonte: Adaptado de Seeber,

12 Cada órbita contém 4 satélites (1, 2, 3, 4), os quais estão defasados de 90. Fonte: Adaptado de Seeber (2003) Inclinação da órbita de 55 o em relação ao plano do equador Figura 2.6- Planos Orbitais do GPS Fonte: Adaptado de Seeber,

13 CONSTELAÇÃO GPS Identificação dos Satélites: PRN-Pseudo Randon Noise BLOCO I: Protótipos 1978 BLOCO II/IIA: Em Produção 1989 BLOCOS BLOCO IIF: Sucessores 2005 BLOCO IIR: Reposição

14 BLOCO II/IIA: Em Produção BLOCO I: Protótipos Figura 2.7- Satélite GPS Blocos Fonte:Adaptado de BLOCO IIR: Reposição BLOCO IIF: Sucessores? 14

15 Blocos Lançamentos Numero de satélites Vida útil prevista (anos) Peso (kg) / potencia do painel solar (W) Relógios com osciladores de I: Satélites Protótipos de 1978 a de Césio e 02 de Rubídio II/IIA (Advanced): Satélites em Produção de 1989 a ,3 845 / de Césio e 02 de Rubídio IIR (Replenishment): Satélites de Reposição de 1997 a , / de Rubídio Tabela 2.1 Blocos de Satélites e Algumas Características. Fonte: Adaptada de Seeber (2003) e de ftp://tycho.usno.navy.mil/pub/gps 15

16 Como esta hoje? CONSTELAÇÃO GPS EM Fev. de 2010 Composta de 31 Satélites em Operação, sendo: do BLOCO II 06 Satélites com relógio de Céssio 25 Satelites com relógio de Rubídio SA desativada (parcialmente), AS ativada desde 31/01/1994, Alguns satélites (Bloco II-R) equipados com refletores para realizarem medida laser (SLR); Há oito satélites do bloco II-R que transmitem um segundo sinal civil L2C na freqüência L2 e o sinal militar M nas freqüências L1 e L2. Satélite SVN 49 (PRN 01) transmite freqüência L5 16

17 PLANOS A B C SATELITES (PRN) 8, 31, 9, 7, 27 16, 30, 28, 12, 1 29, 3, 19, 17, 6 D 2, 11, 21, 4, 24 E 20, 22, 10, 18, 32, 5 F 14, 15, 13, 23, 26 Tabela 2.1 Satélites / Planos Fonte: 17

18 Satélites enviam sinais aos usuários D = t * c Códigos (C/A; P), Portadoras (L1 e L2), Mensagem de Navegação, Identificação dos Satélites Sinais serão decodificados pelos receptores GPS Observação Fundamental : Medida do tempo decorrido para que o sinal viaje da antena do satélite até a antena do receptor. Sendo: c = velocidade de propagação da luz no vácuo 18 D = distância entre as antenas do satélite e do receptor

19 SINAIS ENVIADOS PELOS SATÉLITES GPS Osciladores de Césio e Rubídio Código P (Preciso) Código C/A (Fácil Acesso) Portadora L1 Portadora L2 Mensagem de Navegação Modulações Figura Sinais do GPS Fonte: Adaptado de Mayer,

20 CÓDIGO P (PRECISO) Reservado para os Americanos Figura 2.9- Sinal GPS - Código P CARACTERÍSTICAS: Sinal Retangular - seqüência binária (0 e 1 ou +1 ou -1), Cada satélite envia por 7 dias, Período de Repetição: 266 dias, Freqüência: 10,23 Mhz, Comprimento da Onda: = 29,31 m, Efeito da Propagação: Retardo na Ionosfera, Não-Ambíguo, Vem com as ondas portadoras L1 e L2, Nível do Ruído: 0,6-1 m - para receptores clássicos, dm - para receptores modernos 20

21 CÓDIGO C/A (FÁCIL ACESSO) Figura Sinal GPS - Código C/A CARACTERÍSTICAS: Sinal Retangular - seqüência binária (0 e 1 ou +1 ou -1), Período de Repetição: 1 ms, Freqüência: 1,023 Mhz, Comprimento da Onda: = 293,10 m, Efeito da Propagação: Retardo na Ionosfera, Não-Ambíguo, Vem com a onda portadora L1, Nível do Ruído: 5-10 m - para receptores clássicos, dm - para receptores modernos 21

22 ONDA PORTADORA L1 Figura Sinal GPS - Onda Portadora L1 CARACTERÍSTICAS: Freqüência: 1,575 Ghz, Comprimento da Onda: = 19,05 cm, Efeito da Propagação: Aceleração na Ionosfera, Ambíguo, Nível do Ruído: 1-3 mm - para receptores clássicos, < 0,2mm - para receptores modernos 22

23 ONDA PORTADORA L2 Figura Sinal GPS - Onda Portadora L2 CARACTERÍSTICAS: Freqüência: 1,228 Ghz, Comprimento da Onda: = 24,45 cm, Efeito da Propagação: Aceleração na Ionosfera, Ambíguo, Nível do Ruído: 1-3 mm - para receptores clássicos, < 0,2mm - para receptores modernos 23

24 MESAGEM DE NAVEGAÇÃO Figura Sinal GPS - Mensagem de Navegação CARACTERÍSTICAS: Período de Repetição: 30 s, Freqüência: 50 Bits/s, Moduladas sobre as ondas portadoras L1 e L2, Contém: efemérides transmitidas, informações ionosféricas, parâmetros para correção do erro dos relógios dos satélites, saúde dos satélites 24

25 ONDA PORTADORA MODULADA COM O CÓDIGO P Portadora L1: Modulada pelos Códigos P e C/A Portadora L2: Modulada pelo Códigos P Figura Sinal GPS - Onda Portadora Modulada com Código P Fonte: Adaptado de Leica,

26 Figura Modernização no Segmento Espacial de Controle - Novos sinais GPS Fonte: Adaptado de Seeber,

27 2.3.2 SEGMENTO DE CONTROLE MODERNIZAÇÃO Figura Segmentos de Controle Fonte: Adaptado de Tem-se 5 Estações, sendo: 01 Estação Principal de Controle (EPC) em Colorado Springs (USA); 03 antenas e Estações de Monitoramento (EM) em Kwajalein, Ascension e Diego Garcia; 02 Estações de Monitoramento (EM) em Hawai e Colorado Springs 27

28 O SEGMENTO TEM COMO FUNÇÃO : Monitoramento contínuo e controle dos satélites; Determinação do sistema de tempo GPS; Predição das efemérides dos satélites e do comportamento dos relógios dos satélites; Envio periódico das mensagens de navegação para cada satélite; e Pequenas manobras para manter a órbita ou relocar visando a substituição de um satélite não saudável. 28

29 2.3.3 SEGMENTO DO USUÁRIO É caracterizado por todos os usuários, civis e militares, que empregam receptores GPS quer seja nas navegações ou nos posicionamentos. Atualmente, o mercado oferece uma grande quantidade de receptores GPS e de fabricantes. Estes receptores apresentam os mais variados preços, configurações e podem ser empregados nas mais diversas aplicações. Aplicações Militares Fonte: Adaptado de Há uma busca constante no desenvolvimento de receptores portáteis, leves e capazes de fornecer ao usuário uma melhor precisão, com preços cada vez menores. Figura Segmento do Usuário Aplicações Civis 29

30 VOCÊ, USUÁRIO, CONTA COM DOIS SERVIÇOS: Posicionamento Preciso - PPS - Precise Positioning Service Posicionamento Padrão - SPS - Standard Positioning Service PPS EXCLUSIVO AO SERVIÇO O MILITAR OU USUÁRIOS AUTORIZADOS SPS TODOS OS USUÁRIOS COM ACESSO AO CÓDIGO C/A 30

31 ERRO NO POSICIONAMENTO ABSOLUTO PARA OS USUÁRIOS SPS USUÁRIOS SPS Horizontal Vertical Media Global 13 m (95%) 22 m (95%) Pior situação 36 m (95%) 77 m (95%) Tabela Erro no Posicionamento Absoluto para os Usuários SPS Fonte: Seeber,

32 RECEPTORES GPS Classificação para os receptores GPS são as mais diversas. Por Exemplo: Quanto a aplicação a que se destinam Navegação, Geodésicos, Levantamento Cadastral, Levantamento Topográfico, DGPS Quanto ao tipo de dados que recebem Código C/A; Código C/A e L1; Código C/A, L1 e L2; Códigos P e C/A., L1 e L2; L1, e L1 e L2 32

33 RECEPTORES DE NAVEGAÇÃO: Quais as características de um receptor de navegação? Geralmente recebem apenas o código C/A, Fornecem aos usuários uma solução, em tempo real, indicada no visor do receptor, Não armazenam os dados brutos enviados pelos satélites, Armazena coordenadas ou rotas descritas. 33

34 ALGUNS MODELOS Antena GPS GARMIN 38 MAGELLAN GPS310 GARMIN 40 Figura Receptor de navegação GPS GARMIN II PLUS MAGELLAN SporTrack 34

35 Quais são as diferenças entre os modelos? Nos formatos, Disposição dos botões, Número de canais disponíveis, Capacidade de armazenamento de informações (p.ex. pontos, rotas, percursos), e Localização da antena GPS. O que eles fornecem? Coordenadas de pontos sobre a superfície terrestre, em tempo real; Registro de coordenadas de pontos de interesse (Waypoints); Definição de rotas de exploração geográfica (Route); Navegação estimada (Go To); Marcação de percursos (Track Log). 35

36 Qual a precisão que vou obter com estes receptores de Navegação? Atualmente Receptores com Código C/A: Tridimensionalmente < 25 m (a um nível de probabilidade de 95%). Planimetricamente < 13 m (a um nível de probabilidade de 95%). 36

37 Tabela Erro no Posicionamento em 20/02/2009 Fonte: 37

38 Figura 2.19 Erro no Posicionamento 3D 2005 Fonte: 38

39 RECEPTORES GEODÉSICOS: Quais as características de um receptor geodésico? Recebem a fase dos códigos e das portadoras; Receptores modernos: precisão relativa de poucos decímetros, para medidas do código C/A, e de décimo de milímetros, para a medida da fase das portadoras, atingindo o milímetro quando da solução das ambigüidades; Possui de 8 a 12 canais; Capacidade de reconstruir a portadora L2, quando ativado o efeito AS; Grande capacidade de memória interna. 39

40 ALGUNS MODELOS JAVAD LEICA SR 520- SR 510 TRIMBLE 4000SSI Figura Receptores Geodésicos GPS ASHTECH Z-XII 40

41 ANTENAS GPS Elas são o elemento responsável pela detecção das ondas eletromagnéticas vindas dos satélites, podendo ser considerada um sensor que traduz o sinal do satélite incidente em informações de amplitude e fase. Figura Tipos de Antenas GPS Fonte: Adaptado de Seeber,