ConBAP 2010 Ribeirão Preto.

Transcrição

1 Atualização e perspectivas futuras nas tecnologias de posicionamento por satélite JOAO FRANCISCO GALERA MONICO Departamento de Cartografia, FCT/UNESP galera@fct.unesp.br galera@pq.cnpq.br ConBAP 2010 Ribeirão Preto.

2 Conteúdo Indicadores de qualidade GNSS Introdução Métodos de posicionamento Erros envolvidos e possibilidades de mitigação Possibilidades de Aplicações Redes GNSS Ativas Transmissão de dados GNSS Comentários finais.

3 INDICADORES DE QUALIDADE - Geodésia e Navegação O desempenho de um sistema de navegação é normalmente caracterizado por um indicador estatístico de qualidade. Normalmente os indicadores de qualidade utilizados para representar a confiança no sistema de posicionamento e navegação são: acurácia, continuidade, disponibilidade e integridade.

4 INDICADORES DE QUALIDADE Acurácia é o grau de concordância entre o valor medido de uma grandeza e o considerado verdadeiro ou de melhor qualidade. Envolve efeitos sistemáticos (tendência) e aleatórios (dispersão). Continuidade é a probabilidade de um sistema específico manter-se funcionando durante a fase de operação, supondo estar funcionando no início das operações. Disponibilidade é a medida de porcentagem de tempo, durante o qual o sistema funciona dentro da sua área de cobertura sobre condições específicas. Integridade está relacionada ao nível de confiança que se pode ter da informação dada por um sistema de navegação, incluindo sua habilidade de fornecer avisos válidos na hora certa para o usuário quando o sistema não deve ser utilizado.

5 Conceito muito usado em aviação... CNS/ATM

6 Ilustração do conceito de Acurácia b b σ p a) b) c) σ p

7 GNSS Global Navigation Satellite System Envolve: GPS, GLONASS, Galileo e Beidou/Compass SBAS : Satellite Based Augmented System Aumento (Augmentation) do GPS/Galileo (WAAS, EGNOS, Gagan, MSAT) SACCSA (Solución de Aumentación para Caribe, Centroamérica y Sudamérica)

8 NAVSTAR-GPS Segmento espacial Mínimo de 24 satélites/ Hoje está com 31 satélites Em breve serão garantidos (deslocamentos nos planos orbitais) 6 Planos orbitais 4+ Satélites em cada plano Órbita de km acima da Terra Órbita se repete a cada 12 horas siderais Segmento de Controle Master Control Station, em Colorado Springs 6 Estações Monitoras e 4 Antenas Terrestres distribuídas globalmente FAA

9 Estrutura Básica do Sinal GPS - Original FREQÜÊNCIA FUNDAMENTAL 10,23 MHz 10 1 L1 CÓDIGO C/A CÓDIGO P * ,42 MHz 1,023 MHz 10,23 MHz L2 CÓDIGO P * ,60 MHz 10,23 MHz

10 Estrutura Básica do Sinal GPS Atual/Futuro FREQÜÊNCIA FUNDAMENTAL 10,23 MHz 10 1 L1 Código C/A Código P * ,42 MHz 1,023 MHz 10,23 MHz L2 Código L2C Código P * ,60 MHz 1,023 MHz 10,23 MHz L5 Código L/M Código P 1176,46 MHz 10,23 MHz 10,23 MHz

11 Acurácia instantânea Receptor de mão Fontes de Erros Erros típicos (m, 1) SA Propagação do Sinal Ionosfera Troposfera Relógio e Efemérides Receptor Multicaminho Total UERE DOP H. Típico (1,5) Situação atual 0,0 7,0 0,2 2,3 0,6 1,2 8,0 12,0 Modernizado 0,0 0,1 0,2 1,5 0,3 1,0 2,0 3,0

12 Situação da Constelação GPS 31 Satélites em órbita (p/garantir 24)... 2 não saudáveis 16 Bloco II/IIA / 14 Bloco IIR/ 01 Bloco IIF Lançamentos mais recentes: (8 sat. Modernizados) de Outubro de 2007 PRN 15 modernizado... IIR 17M 20 de Dezembro de 2007 PRN 29 modernizado... IIR-18M 15 Março de 2008 PRN 07 modernizado... IIR M19M 24 Março de 2009 PRN 01 Modernizado IIR-20M L5 17 Agosto de 2009 PRN 05 Modernizado IIR-21M Dos 31 satélites, vários (12) têm mais de 10 anos de uso. IIF-1 Lançado recentemente já está em operação.

13 GLONASS 21 satélites em operação /1 não saudáveis Há planos para modernização; Lançamentos mais recente:; 01/03/2010 e 02/09/2010 cada uma com 3 satélites; Planos: Constelação completa para breve. 30 satélites em 2011.

14 Receptor GLONASS/GPS

15 Integração GLONASS/GPS

16 Galileo A decisão do governo americano em não autorizar que outras nações pudessem participar do controle de uma configuração básica do GPS, levou a União Européia a desenvolver sua solução própria para o GNSS; Em Fevereiro de 1999, a UE fez uma recomendação para que os Europeus desenvolvessem uma nova constelação de satélites para navegação.

17 Galileo Órbitas Número de Planos 3 Satélites p/plano 10 Semi-eixo maior km Inclinação 56 Período orbital: 14hs 04 min GPS Galileo

18 Galileo Service Definition Commercial Service (CS) Open Service (OS) Safety-of-Life Service (SoL) Public Regulated Service (PRS) Search and Rescue Service (S&R)

19 GNSS Frequencies GPS GLONASS GALILEO E4 E1 E2 L5 E5 L2 G2 E6 L1 G1 C MHz 5010 MHz 1610 MHz 1559 MHz 1300 MHz 1260 MHz 1215 MHz 1164 MHz

20 Galileo Primeiro lançamento O primeiro satélite Galileo (GIOVE A) foi lançado em dezembro de Já há no mercado receptores para rastreá-lo, bem como em conjunto com o GLONASS e GPS.. G3 da Topcon, R8 da Trimble, etc.

21 Galileo... Notícias recentes FP7-GALILEO-2008-GSA-1 Supporting + Uma chamada está aberta no momento Infrastructure Evolution - International Activities and Awareness (160MEUR) Chamada de projetos para desenvolvimento do Galileo CIGALA Cintilação da Ionosfera na América do Sul ENCORE Receptor robusto baseado em Código Comissão européia reduz pedido inicial de satélites Foi pedido aos dois licitantes finais (Astrium Satellites e OHB Systems) orçamentos de 28 a 30 satélites, mas o pedido máximo será de 22 veículos espaciais. A comissão pediu também para orçarem preços de 8 e 16 satélites, caso decida dividir o pedido entre os dois consórcios.

22 Beidou II / Compass Sistema militar Decisão nos anos 80 e entrou em operação de demonstração em 2003 (3 Geo). Em Novembro de 2006 a China anunciou que o Beidou iria oferecer um serviço civil com acurácia de 10 m. Terá capacidade de posicionamento global Salélites MEO (21,550km) Primeiro satélite Compass M-1 foi lançado em 14 Abril 2007 Satélite Geo lançado em 01/2010 Plano atual 35 satélites 30 MEO e 5 Geo Transmitindo L1 e L5

23 Parâmetros GLONASS GPS Galileo Compass Número de satélites (GEO) Situação hoje Planos orbitais Inclinação 64.8º 55º 56º Altitude km km km Freqüências MHz MHz L1:1575 MHz L2: 1227 MHz L5: 1176 MHz E1: 1575 MHz E5B: 1207 MHz E5A: 1176 MHz L1:1575 MHz L5: 1176 MHz Rastreamento Repete-se a cada 8 dias Repete-se a cada 12 horas siderais Repete-se a cada 10 dias C/A Code 511 kbits/sec 1023 kbits/sec 1023 kbits/sec P Code 5.11 MHz MHz 10,23 MHz Efemérides P,V,T Keplerian Keplerian Identificação dos satélites FDMA/CDMA CDMA CDMA CDMA Almanaque Kepleriano Kepleriano Kepleriano

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25 Observáveis GNSS Observáveis básicas: o que é de fato medido fase de batimento da onda portadora; pseudodistância; SNR (signal to noise ratio) Doppler A precisão da medida da fase (poucos mm) é muito melhor que a da pseudo-distância (1 m? ) A fase, no entanto, é ambígua: Não se sabe, a priori, o numero inteiro de ciclos entre as antenas do receptor e do satélite incógnita a solucionar

26 PRINCÍPIO DA MEDIDA DE PSEUDODISTÂNCIA G s ( t) Gr ( t) Instante de Transmissão Instante de Chegada Código Gerado no satélite Réplica gerada no receptor D t Intervalo de tempo do retardo Dt t é obitido por correlação cruzada 1 n s / n G ( t) G ( t + j) dt 0 r

27 Simulação do processo de correlação do código

28 Medida da Fase da onda portadora

29 FONTES E EFEITOS DOS ERROS ENVOLVIDOS NO GNSS Satélite FONTES Propagação do sinal Erro da órbita Erro do relógio Relatividade Atraso de Grupo EFEITOS Refração troposférica Refração ionosférica Perdas de ciclos Sinais refletidos/multicaminho Receptor/Antena Estação erros e efeitos Erro do relógio Erro entre os canais Centro de fase da antena Erro nas coordenadas Marés terrestres Movimento do Pólo Carga dos oceanos Pressão da atmosfera

30 Métodos de Posicionamento Posicionamento Por Ponto (Absoluto Estático) Simples (efemérides transmitidas) PPP (efemérides precisas) Determinam-se as coordenadas X, Y e Z num referencial geocêntrico (e erro do relógio do receptor) que são convertidas para Latitude, Longitude a altura. (Requer no mínimo 4 satélites) S 1 S 2 R 1 R 2 S 3 R 3

31 Posicionamento por ponto cinemático S 1 S 2 R I R 2 S 3 R 1 R 3

32 Estado da Arte em Posicionamento por ponto Posicionamento por ponto Preciso (PPP) Utiliza-se apenas um receptor (dupla/simples freqüência) Efemérides precisas e correções dos relógios dos satélites; Precisão compatível com o posicionamento relativo Vários softwares on-line. Futuro já é uma realidade. NTRIP Client tem Real Time PPP Tempo real com simples freqüência; Solução da ambigüidade no PPP

33 PPP Fácil de realizar e proporciona alta acurácia; Resultados estarão no referencial ITRF 2005 Compatível com WGS84 (G1150) SIRGAS 2000 IBGE inaugurou o serviço de PPP on line no dia 04/04/2009 (Resultados são dados no SIRGAS 2000 época 2000,4, bem como no referencial das efemérides na época atual). Vários outros serviços disponíveis...

34 Métodos de Posicionamento Posicionamento Relativo (2 ou mais estações simultâneas) Estático (rápido) Semi-cinemático Cinemático (pós-processado e RTK) 1 S S 2 r r 2 1

35 Estado da Arte em Posicionamento Relativo RTK (Real Time Kinematic)

36 RTK POR REDE Várias estações de referências são utilizadas; Dados enviados para uma estação central; Algoritmos para calcular correções para a rede. Transmissão para os usuários da rede. Similar aos serviços WADGPS (pseudodistância)

37 RTK em Rede Conceito de VRS φ c λ c h c φ c λ c h c φ c λ c h c Estações Link bidirecional VRS RTCM-VRS NMEA Posicionamento Relativo φ c λ c h c φ c λ c h c φ c λ c h c

38 Métodos de Posicionamento DGPS (Differential GPS)

39 Conceito Básico do DGPS Assume-se uma alta correlação dos erros inerentes ao posicionamento (efeitos de ionosfera, troposfera e erro de órbita) em uma determinada região de interesse. O DGPS provê uma razoável precisão utilizando uma/ou mais estação base nas proximidades da estação móvel.

40 Conceito Básico do DGPS Correções para as pseudodistâncias: c c c Z Y X D D D D p p p p Estação Base Estação Móvel D D D D p p p p

41 DGPS em Rede Princípio do GBAS B1 n 2 1 p p p D D D B3 n 2 1 p p p D D D B6 n 2 1 p p p D D D B4 n 2 1 p p p D D D B2 n 2 1 p p p D D D B5 n 2 1 p p p D D D Móvel n 2 1 p p p D D D

42 WADGPS WAAS/EGNOS

43 Extended GPS E dif GPS Receptor GPS gera correções internamente a partir de uma estação conhecida (inicialização) Proporciona precisão similar aos sistemas DGPS Correções tem validade por um período de aproximadamente 40 minutos Também pode usar modelos para tratar a Ionosfera e a Troposfera

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46 POSSIBILIDADES DE ACURÁCIA (1 sigma) COM O GNSS 0,5 m 3 m 2 cm??mm 1 m 12,5 m Em geral, a precisão obtida é muito otimista

47 Pos. Por Ponto SIMPLES - Resultados m (m) Desvio Padrão (WADGPS) Dados Originais 15,0 10,0 5,0 E N h 0, Dias do Ano Erro Médio Quadrático (WADGPS) Dados Originais 15,0 10,0 5,0 E N h 0, Dias do Ano

48 (m) (m) WADGPS - Resultados Desvio Padrão (WADGPS) Alguns dados não considerados 8,0 6,0 4,0 2,0 E N h 0, Dias do Ano Erro Médio Quadrático (WADGPS) Alguns dados não considerados 10,0 8,0 6,0 4,0 2,0 0, Dias do Ano E N h

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53 GPS e efeitos da ionosfera A ionosfera (50 a 1000 km) afeta o sinal GNSS. Devido ao conteúdo de elétrons na atmosfera (TEC) Afeta principalmente os usuários de receptores GPS de uma freqüência, Tanto na solução do posicionamento por ponto, DGPS, como no posicionamento relativo em todas aplicações; Conhecimento dos efeitos sobre o sinal GNSS é de fundamental importância para o posicionamento, navegação, etc.

54 Efeitos da Ionosfera... Estudos sobre a Ionosfera no Brasil são de extrema importância, Região com muitas variações nos valores de TEC ; Efeitos de Cintilação são freqüentes; Campo Magnético Terrestre

55 The Sunspot Cycle In 1610, shortly after viewing the sun with his new telescope, Galileo Galilei made the first European observations of Sunspots

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57 Como identificar as condições a priori? Índices Kp Exemplo abaixo do índice Kp tomado para o dia 17/10/2009

58 JPL TEC em tempo real 5 em 5 minutos

59 GNSS e Cintilação Cintilação ionosférica constitui-se na rápida flutuação da fase e da intensidade de um sinal de rádio que tenha atravessado a ionosfera terrestre. O fenômeno é similar ao piscar das estrelas observado no céu noturno, provocado por variações na densidade atmosférica devido a turbulência, só que neste caso as flutuações são causadas por variações em pequena escala (ou irregularidades) na densidade do plasma (densidade de elétrons) ao longo do caminho de propagação.

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61 Cintilação (índice) no dia 26/03/2010

62 Cintilação (índice) num dia de tempestade

63 Cintilação é um tópico muito importante para pesquisa, pois afeta o desempenho do GNSS; Modelos para previsão de cintilação vários trabalhos (WAM Model); Mitigação em receptores (Projeto CIGALA numa chamada do Galileo (FP7)).

64 Rede GPS Ativa (Receptores L1&L2) Requisitos: Funcionar de forma confiável; Boa rede de comunicação para transmissão/transferência de dados e produtos; Capacidade de armazenagem e disponibilização dos dados; Varias instituições devem estar envolvidas;... Capacidade de processamento de dados de forma automática e em tempo real;

65 IGS (International GNSS Service) Centro Técnico do IERS para assuntos ligados ao GPS, GLONASS e outros sistemas de satélites (GNSS: Global Navigation Satellite System) Produtos Órbita/Relógio dos Satélites. Órbitas Preditas Ultra Rápida (IGU), rápidas (IGR) e pósprocessadas (IGS). Estimativas dos parâmetros de orientação da Terra Coordenadas e velocidades das estações, contribuindo com o ITRF Atraso zenital troposférico TEC

66 SIRGAS GNSS data SIRGAS-CON GNSS Network Terceira realização (SIR09P01) 10 anos dados VMS 2009

67 Rede Ativa RBMC / RIBAC

68 RBMC Real Time RBMC_IP Data from 30 Brazilian stations are distributed in real time, using NTRIP protocol.

69 REDE GNSS DO ESTADO DE SÃO PAULO Atualmente a REDE-GNSS-SP consiste de 10 estações; Disponibiliza dados em tempo real usando o protocolo de transporte NTRIP (Networked Transport of RTCM via Internet Protocol);

70 Future Active GNSS network of São Paulo State

71 Comunicação para transmissão de dados GNSS É crescente o uso da comunicação via internet em aplicações GNSS. Uso da internet para transferência de dados como: IGS, RBMC e da rede São Paulo. Substituição dos links de rádio para a realização do RTK e DGPS. Receptores GNSS têm a capacidade de serem conectados diretamente à rede de computadores.

72 NTRIP NtripClient 1 NtripClient N Trans, HTTP NtripCaster Trans, HTTP Administrador HTTP NtripServer 1 NtripServer N Estação Base 1 Estação Base N

73 RTK em Rede com a Rede GNSS Ativa do Estado de São Paulo Servidor Usuário No RTK em rede utilizando VRS, o usuário necessita enviar sua posição para o centro de controle gerar os dados da VRS.

74 RTK em rede Estado de São Paulo.

75 Estatísticas dos erros referentes ao posicionamento realizado na estação Tupã. Estação de Coleta TUPÃ Base/RTK Tempo de Pontos Início Fim inicialização coletados VRS (GNSS) 1min 24 seg 13:07:01 as 13:18: ARAC (GNSS) 84,13km 8 min 4 seg 13:24:52 as 13:43: VRS_S (GPS) 2 min 23 seg 13:47:55 as 14:08: ARAC_S (GPS) 84,13 km 12 min 19 seg 14:18:35 as 14:44:30 205

76 Comentários Finais A facilidade com que a tecnologia espacial proporciona a obtenção de coordenadas na superfície terrestre ou próximo a esta, ampliou em muito o número de usuários que passou a utilizar informações Georreferenciadas; e deve aumentar ainda mais... Essencial nas Geociências e Engenharias em geral; Hoje, o GNSS tornou-se uma tecnologia com várias utilidades, além daquelas para as quais foram desenvolvidas (Meteorologia, Aeronomia, Mudanças climáticas, etc).

77 Comentários Finais Para se ter domínio razoável dessa tecnologia, conhecimento de várias disciplinas (multidisciplinar) são requeridos; Formação de recursos humanos com domínio dessa tecnologia é essencial...!!! Mas também, permite o uso sem grande conhecimento do sistema...

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