Sistema Global de Posicionamento (GPS) João Matos, Ana Paula Falcão Departamento de Engenharia Civil e Arquitectura

Transcrição

1 Sistema Global de Posicionamento (GPS) João Matos, Ana Paula Falcão Departamento de Engenharia Civil e Arquitectura (Versão 1.1) 26 Março 2007

2 Motivação A utilização de referências exteriores à Terra sempre se prefigurou como uma abordagem natural ao problema da determinação de posição. A utilização de satélites artificiais, do qual o GPS é o de utilização mais alargada, situa-se nessa linha de evolução e veio trazer a possibilidade de determinação de coordenadas de um modo simples e com equipamento de baixo custo. A utilização para fins topográficos ou geodésicos é distinta da utilização para navegação, requerendo diferente metodologia e diferente equipamento.

3 Posicionamento Espacial (síntese histórica) Observatório de Uraniborg Observatório McDonald Universidade do Texas

4 Posicionamento Astronómico Radar e Distanciómetro II Guerra Mundial 1970 TRANSIT Sistema para navegação (baixa precisão) Processamento Doppler permite precisão submétrica VLBI Very Long Baseline Interferometry SLR Sattelite Laser Ranging

5 Very Long Baseline Interferometry

6 Satellite Laser Ranging Goddard Geophysical and Astronomical Observatory. LAGEOS Lunar Laser Ranging Laser Ranging Station at McDonald Observatory

7 1973 Navigation System with Timing and Ranging Global Positioning System (Directiva do DoD para a sua criação) º satélite bloco I º Receptor Código/Fase satélite bloco I º satélite bloco II 1994 Operacionalidade 2000 Desactivado S/A

8 Sistema Global de Posicionamento Satélite GPS do bloco II

9 OBJECTIVO DO GPS Determinação de posição Determinação develocidade Determinação de tempo OPERAÇÃO FUNDAMENTAL Medição de distâncias para satélites APLICAÇÕES DO GPS Navegação (mar, terra, ar) Geodesia e geodinâmica Topografia e Cartografia Sistemas de Informação Geográfica

10 COMPONENTES DO SISTEMA SEGMENTO ESPACIAL SEGMENTO DE CONTROLO SEGMENTO DO UTILIZADOR

11 SEGMENTO ESPACIAL 24 Satélites Altitude: km Período: 11h58m Inclinação: 50 o Separação no equador: 60 o (3 pl.) Repetição da constelação: 23h56m

12 SEGMENTO DE CONTROLO 1 Estação de Controlo (Schriever Air Force Base - Colorado Springs) para cálculo de correcções às Efemérides e aos Parâmetros de Relógio 4 Estações de Monitorização (Hawaii e Kwajalein, no Oceano Pacifico; Diego Garcia, no Oceano Índico e Ascension Island, no Oceano Atlântico) para obtenção de informações acerca do comportamento de cada satélite e envio das correcções calculadas em Colorado Springs

13 SEGMENTO DO UTILIZADOR CIVIL : SPS (10m) MILITAR EUA : PPS (1m) SA - SELECTIVE AVAILABILITY (Actualmente Desactivado) AS Anti Spoofing (Impede acesso ao código P)

14 Evolução do Sistema Novos satélites (Bloco IIR-M, IIF) Mudança do sinal L1 e L2 (mais potentes) Adição de um novo sinal (L5) Criação de novos códigos -L2C -M Modernização do Segmento de Controlo A próxima geração - GPS III

15 Sistemas complementares e outros Satélite do Sistema Galileo (ESA)

16 GLONASS Global Orbiting Navigation Satellite System Desenvolvido por: Ministério de defesa da Federação Russa Funcionamento: Segmento espacial 21 satélites em 3 planos orbitais orbita 19,100 km e passo 8 dias SINAL: derivado da banda-l (L1=1602 MHz + n*0.5025) n é o número de frequência do canal Segmento de controlo Segmento do utilizador

17 EGNOS- European Geostationary Navigation Overlay Service ( perspectivas: melhorar a precisão posicional de 20m para 2m) Segmento espacial Três satélites geostacionários Inmarsat III Atlantic Ocean region East ( 15.5ºW) ESA ARTEMIS (21.5ºE) Inmarsat III F5 (25ºE) Ainda: Informação precisa da posição de cada satélite GPS; Informação sobre os relógios a bordo; Parâmetros ionosféricos

18 Segmento de controlo Estações de controlo principais 34 estações terrestres Segmento do utilizador

19 WAAS Wide Area Augmention System Desenvolvido por: Federal Aviation Administration (FAA) e Department of transportation (DOT) FUNCIONAMENTO: 25 estações terrestres localizadas nos EUA; 2 estações de controlo Recebem a informação GPS, determinam e enviam as correcções a aplicar aos dados GPS ( derivas orbitais, erros do relógio, atrasos ionosféricos e troposféricos) VALIDADE: América do Norte Operacional desde Setembro de 2002 : precisão posicional horizontal 1-2 m precisão posicional vertical 2-3 m

20 Áreas geográficas com cobertura WAAS, EGNOS e MSAS

21

22 GALILEU European Satellite Navigation System Projecto da Comissão europeia em conjunto com a ESA Segmento espacial 30 satélites (orbita km, cerca de 4 000km acima do satelites GPS) em três planos orbitais com inclinação de 56º. Cada plano terá 9+1 satélites Segmento de controlo 2 centros principais na Europa central Segmento do utilizador Previsão da data de entrada em funcionamento :2009

23 Princípios de Funcionamento

24 SINAL GPS Fo=10,23 MHz (oscilação de referência) Onda Portadora (Carrier Phase) L1= 154xFo = MHz (19,0cm) L2= 120xFo = MHz (24,4cm) Código C/A (Coarse/Acquisition) MHz P (Precise) MHz Y (Y emitido + W = P)

25 CÓDIGO MODULADO NA ONDA PORTADORA Mensagem de Navegação Efemérides Estado dos satélites

26 SINAL NÃO ATRAVESSA PAREDES E VEGETAÇÃO DENSA

27 r 1 r r 2 3 r 4 t o t 1 r4 = v ( t 1 - t o ) PSEUDO-DISTÂNCIA (Pseudo-Range)

28 . ) ( ) ( ) (, ) ( ) ( ) (, ) ( ) ( ) (, ) ( ) ( ) ( k k k k k k k k k k k k k k k k k k k k cdt Z Z Y Y X X cdt Z Z Y Y X X cdt Z Z Y Y X X cdt Z Z Y Y X X = = = = ρ ρ ρ ρ (Xi,Yi,Zi) Posição do satélite i (Xk,Yk,Zk) Posição do receptor dtk Estado do relógio do receptor Determinação de coordenadas em função da Pseudo-distância

29 Sinal gerado no receptor Δ t Sinal recebido do satélite UTILIZAÇÃO DO CÓDIGO

30 UTILIZAÇÃO DA ONDA PORTADORA Número completo e inteiro de ciclos desde o momento da emissão até à recepção da fase da onda portadora Ambiguidade Fase medida

31 É necessário determinar a ambiguidade da fase da onda portadora para que se possa usar a sua informação como medição de distâncias ao longo do tempo Época (0) Época (i) Ambiguidade Ambiguidade Fase medida Nº de ciclos já contados Fase medida

32 TÉCNICAS PARA FIXAÇÃO DE AMBIGUIDADES

33 Modos de Operação

34 Posicionamento Absoluto DGPS 0,50 m 3-5 min 1 seg. < 40 Km 2,00 m 3-5 min 1 seg. < 300 Km WADGPS 4 m SPS 5 a 15 m

35 Posicionamento Relativo Mono Frequência C/A + L1 Dupla Frequência C/A+L1,L2 Estático (Convencional) 0,01 m 20 min até 10 Km + 2 min/km 5 a 15 s < 20 Km 0,005 m 20 min até 10 Km + 2 min/km 5 a 30 s < 20 Km Estático (Rápido) 0,02 m 30 min até 10 Km + 3 min/km 5 a 10 s < 20 Km 0,01 m 10 min até 10 Km + 1 min/km 5 a 10 s < 20 Km Cinemático - 0,01 m (RTK) < 20 Km

36 POSICIONAMENTO ABSOLUTO Em modo de navegação SPS (C/A) : 10m PPS (P) : 1m DGPS: correcção diferencial local 0,5m-2m Pós-processada Tempo real WADGPS: correcção diferencial regional 4m

37 Estação de referência no Instituto Superior Técnico (

38 Formato Rinex Receiver Independent Exchange Format Version

39 Estação de referência no edifício ACAIT Dili

40 Correcção diferencial por transmissão de: - correcções às coordenadas - correcções às pseudo-distâncias Tempo-real (<40km) Pós-processado

41 Emissão da Correcção Diferencial Estações Costeiras (Beacon Stations) Satélites Geoestacionários (Racal/OmniStar) Antenas Retransmissoras de Telemóvel (GSM) Outro Receptor (Via Rádio) RTCM Radio Technical Commission for Maritime Services (Standard para transmissão de correcções diferenciais)

42 RECEPTORES PARA SPS

43 SPS aplicado a navegação terrestre

44 RECEPTORES PARA DGPS (tempo-real ou pós-processado) Trimble Geo-Explorer 2005 Delineamento da fronteira de Timor-Leste

45 RECEPTORES PARA DGPS (tempo-real ou pós-processado) Levantamento das gravuras de Foz Côa

46 EXEMPLO ANTES DA CORRECÇÃO DIFERENCIAL DEPOIS DA CORRECÇÃO DIFERENCIAL

47 POSICIONAMENTO RELATIVO Estático Convencional Estático rápido Cinemático Tempo Real (RTK) Pós-processado

48 Observações processadas em conjunto A Base B

49 Ponta Delgada Cascais RENEP REDE NACIONAL DE ESTAÇÕES PERMANENTES (INSTITUTO GEOGRÁFICO PORTUGUÊS)

50 ESTÁTICO Uma vez as ambiguidades resolvidas, a precisão não melhora significativamente com o decorrer do tempo Precisão (m) Ambiguidades não resolvidas Ambiguidades resolvidas Tempo (mins) Estático tico convencional Rápido Estático tico 0 2 5

51 Modo Estático Para bases longas (>20Km), onde é exigida a maior precisão possível Técnica indicada para implementação de redes geodésicas Técnica ideal para grandes áreas Modo Rápido-Estático Para bases com comprimento até 20Km Curtos períodos de ocupação O mais utilizado para grande produtividade de trabalho

52 Cinemático Utilizado para caracterização da trajectória de um objecto em movimento (medições contínuas) Útil para levantamento de eixos de via e completagem cartográfica, entre outras aplicações

53 RTK - Cinemático em Tempo Real Não é necessário o Pós-Processamento Resultados disponíveis no momento da observação Aplicações em engenharia civil

54 Receptores de Mono Frequência Medição da base com precisão de 2 cm + 1 ppm (rms) Utilizam a onda portadora L1 Utilizados essencialmente em aplicações topográficas com comprimentos de bases não superiores a 15 Km Solução menos dispendiosa mas de maior dificuldade para obter as precisões mencionadas

55 Receptores de Dupla Frequência Medição da base com precisão de 3 mm ppm (rms) Utilização em Geodesia e Topografia : Redes Geodésicas, Geodinâmica, Densificações de Rede, Controlo Fotogramétrico, Detalhe Topográfico

56 Erros de Observação 2006 SA ligada

57 Multi-trajecto

58 Retardamento ionosférico

59 Relógios Satél. Ruído do Recept. Multitrajecto Troposfera Efemérides Ionosfera Importância relativa das fontes de erro Metros 10 0

60 Propagação do erro PDOP Position Dilution of Precision HDOP Horizontal Dilution of Precision VDOP Vertical Dilution of Precision

61 Questões de Revisão e Consolidação 1. Defina ângulo de mascara e indique a importância da sua definição na recolha dos dados com um receptor GPS. 2. Após processamento dos dados registados em campo, selecione um elemento e identifique a qualidade posicional final do elemento. 3. Com recurso ao Sistema de Posicionamento Global (GPS), descreva, justificando, situações em que seja conveniente a utilização dos seguintes tipos de posicionamento: i) Modo Absoluto, recolha dos dados em modo cinemático, observação de código; ii) Modo Diferencial Pós-Processado, recolha dos dados em modo estático, observação de código e fase ; iii) Modo Diferencial Tempo-Real, recolha dos dados em modo estático, observação de código e fase; iv) Modo Diferencial Pós-Processado, recolha dos dados em modo cinemático, observação de código e fase.

62 Casos de aplicação Levantamento da Rede de Escolas em Timor-Leste Delineamento da Fronteira de Timor-Leste Levantamento do Estado de Conservação da Rede Rodoviária Nacional

63 Levantamento da rede de escolas de Timor-Leste João Matos Departamento de Engenharia Civil e Arquitectura (Versão 1.0) 1 Março 2007