TE155-Redes de Acesso sem Fios Introdução ao NAVSTAR-GPS

Transcrição

1 TE155-Redes de Acesso sem Fios Introdução ao NAVSTAR-GPS Ewaldo Luiz de Mattos Mehl Universidade Federal do Paraná Departamento de Engenharia Elétrica 1

2 As fotos anteriores e abaixo mostram o submarino norte americano USS Hawkbill (SSN 666) após emergir a poucos metros do Polo Norte, no dia 3 de abril de Esta foi a última viagem deste submarino atômico, após 28 anos de serviço. Polo Norte 2

3 TE155-Redes de Acesso sem Fios NAVSTAR - GPS NAVigation System with Time And Ranging g - Global Positioning System. Sistema de rádio navegação por satélites que fornece, a usuários que possuam equipamento apropriado, coordenadas precisas de posicionamento tridimensional e informação sobre a navegação e o tempo. Mantido e operado pelo governo dos EUA, através do Departamento de Defesa (DoD). Não existem custos para usar o sistema NAVSTAR- GPS, exceto o de aquisição do equipamento receptor. TE155-Redes de Acesso sem Fios NAVSTAR - GPS Anteriormente ao NAVSTAR, a Marinha dos EUA já tinha um sistema de localização baseado em satélites denominado TRANSIT, iniciado em No sistema TRANSIT, havia 6 satélites em órbita polar. O sistema TRANSIT permitia a localização de navios e submarinos com precisão de 200 metros. No entanto, era necessário esperar cerca de uma hora para se ter a posição! O sistema TRANSIT foi colocado fora de operação a partir de 1996, com o desenvolvimento do sistema NAVSTAR GPS. 3

4 TE155-Redes de Acesso sem Fios Princípio de Funcionamento Cada satélite emite um sinal que contém o horário exato da sua emissão. Todos os usuários que estiverem num círculo sobre a superfície terrestre receberão o sinal com um determinado atraso. TE155-Redes de Acesso sem Fios Componentes do GPS Segmento de Controle: cinco estações terrestres, sendo duas de monitoramento e três de monitoramento e uplink com os satélites em órbita. Segmento Espacial: Constelação de satélites em órbita terrestre (24 satélites ativos + reservas). Segmento dos Usuários: unidades receptoras dos Segmento dos Usuários: unidades receptoras dos sinais de rádio GPS, geralmente incorporadas com circuitos microprocessados destinados ao cálculo da localização em coordenadas geográficas e auxílio aos deslocamentos por terra, mar ou ar. 4

5 TE155-Redes de Acesso sem Fios GPS Segmento Terrestre: Cinco estações terrestres de monitoramento e controle dos satélites 50th Space Wing Schriever Air Force Base Colorado Springs, CO, EUA Master Control Monitor Station Hawaii Monitor Station Ascension Island Monitor Station & Uplink Kwajalein Monitor Station & Uplink Diego Garcia Monitor Station & Uplink NAVSTAR-GPS Master Control Monitor Station 50th Space Wing Schriever Air Force Base Colorado Springs, CO, EUA 5

6 TE155-Redes de Acesso sem Fios Funções das Estações Terrestres Monitoram a passagem dos satélites, medindo as distâncias precisas entre a estação e cada um dos satélites através de efeito Doppler dos sinais de rádio Adquirem continuamente dados metereológicos e da ionosfera, enviando esses dados à estação central de controle (MCS) em Colorado Springs (EUA). Verificam também dados sobre a operação dos vários sistemas eletrônicos dos satélites. A estação de controle central analisa os dados ionosféricos e metereológicos, verificando se a distância medida entre cada estação e cada satélite corresponde às predições de órbitas. Caso sejam verificadas mudanças orbitais significativas, a estação central determina que o satélite atualize os dados de efeméride que transmite. Pode também determinar a substituição de um satélite defeituoso por um dos 5 de reserva já em órbita. As informações de retorno aos satélites são transmitidas ao espaço pelas estações da Ilha da Ascensão, Diego Garcia e Kwajalein. TE155-Redes de Acesso sem Fios GPS Segmento Espacial: SV = Space Vehicles (Satélites) 6

7 SV = Space Vehicles (Satélites) Bloco I Fabricante: Rockwell International 11 SVs Lançados ao espaço entre 1978 e 1985 Objetivo: Desenvolvimento e testes do sistema NAVSTAR SV = Space Vehicles (Satélites) Bloco II e IIA Fabricante: Rockwell International 28 SVs Lançados ao espaço entre 1990 e 1997 Objetivo: Substituição de satélites do Bloco I 7

8 SV = Space Vehicles (Satélites) Bloco IIR - ("replenishment SVs ) Fabricante: Lockheed Martin (comprada pela Boeing) Lançados ao espaço entre 2000 e 2004 Satélites comunicam-se entre si 8

9 Uso do Veículo Lançador Delta II para lançamento dos satélites GPS do Bloco IIR Uso do Veículo Lançador Delta II para lançamento dos satélites GPS do Bloco IIR 9

10 Uso do Veículo Lançador Delta II para lançamento dos satélites GPS do Bloco IIR Uso do Veículo Lançador Delta II para lançamento dos satélites GPS do Bloco IIR 10

11 SV = Space Vehicles (Satélites) Bloco IIF Fabricante: Boeing 33 SVs a serem lançados ao espaço entre 2007 e 2009 Substituição gradativa dos SVs do Bloco IIR Satélites comunicam-se entre si Maior potência de transmissão Autonomia do Controle Central de 6 meses Satélites conseguem corrigir automaticamente suas órbitas Inclusão do canal L5 para uso civil SV = Space Vehicles (Satélites) Bloco I Rockwell 759 kg 410 W Bloco II Rockwell 1660 kg 710 W Bloco IIA Rockwell 1816 kg 710 W Bloco IIR Lockheed 2032 kg 113kW 410 W 710 W 710 W 1,13 kw Bloco IIF Lockheed-Martin (Boeing) 844 kg 2,44 kw Inclusão do canal L5 (?)2010- Bloco III? Haverá mais dois canais para uso militar. Canal Civil com alta potência: provavelmente permitirá receber os sinais no interior de edifícios! NãohaveráSA(Selective Availability) 11

12 Plano de lançamentos do Bloco IIF Frequency and codes GPS L1 L2 L5 C/A P(Y) M C/A P(Y) M F1 F2 II, IIA sats 7,4 y. IIR sats 7,9 y. IIR satsc 7,9 y. IIF sats 15 y. IIF sats 15 y satellites satellites 12 IIR+ 6 IIF 97 8 satellites satellites 4 d satellites 6 satellites 18 satellites IIF 24 satellites Precision 95% 100 m 10 m 5m 0.5 m L1 = 1575,42 MHz L2 = 1227, 6 MHz L5 = 1176,45 MHz Disponibilidade Seletiva (SA Selective Availability) Degradação intencional dos sinais dos satélites GPS, imposta pelo Departamento de Defesa Norte-Americano. Objetivo: impedir o uso indevido do GPS O governo norte americano retirou o SA em maio de 2000, o que melhorou significativamente a precisão dos receptores de GPS de uso civil iil( (mas a SApode voltar a ser usada semaviso...). Os satélites do Bloco III não terão mais a opção de SA. 12

13 Sinais L1 e L2 Os receptores mais comuns recebem somente o sinal L1 O sinal L2 é usado para correção do erro ionosférico, em equipamentos mais sofisticados. O futuro sinal L5 destina-se a implementar a correção do erro ionosférico nos receptores amadores GPS Segmento Espacial 13

14 TE155-Redes de Acesso sem Fios GPS Segmento dos Usuários: Equipamentos receptores Equipamento militar norteamericano usado no Iraque Equipamento usado no rali do Saara TE155-Redes de Acesso sem Fios GPS Segmento dos Usuários: Equipamentos receptores Equipamento receptor GPS completo fornecido como módulo prémontado e calibrado 14

15 TE155-Redes de Acesso sem Fios GPS Segmento dos Usuários: Equipamentos receptores Receptores GPS Garmin International Inc. 15

16 TE155-Redes de Acesso sem Fios GPS Segmento dos Usuários TE155-Redes de Acesso sem Fios Características Gerais dos Receptores Portáteis IPX7: submergíveis em água até 1 m de profundidade, durante 30 minutos Alimentação por pilhas ou baterias recarregáveis Antena (removível ou fixa, interna ou externa) Display de LCD com backlight Teclas de operação das diversas funções 16

17 TE155-Redes de Acesso sem Fios Características Especiais dos Receptores Portáteis Flutuabilidade Conector para alimentação de energia externa Conector para antena externa Display colorido com capacidade gráfica Conector para ligação com microcomputador Dispositivo de conexão com cartões tipo flash memory Rádio-comunicador incorporado TE155-Redes de Acesso sem Fios Problemas comuns nos Receptores Portáteis Pouca precisão no relógio interno Baixa sensibilidade das antenas Antenas direcionais Shadowing: áreas de sombra devido a vegetação, edifícios, objetos metálicos etc. Multipath: Reflexão em edificações e/ou objetos metálicos 17

18 Uso de Receptores Portáteis Incerteza Posição atual Horizonte Círculo a 45 º do horizonte Rumo do deslocamento do usuário Intensidade do Sinal recebido de cada Satélite Uso de Receptores Portáteis Odômetro Velocidade máxima Velocidade média Odômetro Elevação 18

19 Uso de Receptores Portáteis Indicação do Norte Verdadeiro Mapa gravado na memória interna Escala do Mapa Localização atual TE155-Redes de Acesso sem Fios WAAS Wide Area Augmentation System Sistema de auxílio à navegação aérea operado nos EUA pela Federal Aviation Administration (FAA). 25 estações terrestres t nos EUA e Alasca comparam continuamente sua posição (conhecida) com a posição obtida por sinais GPS. Dados de correção são enviados a dois satélites geo- estacionários, um sobre a costa do Atlântico e outro sobre a costa do Pacífico dos EUA. 19

20 WAAS Wide Area Augmentation System O sistema WAAS corrige principalmente o atraso ionosférico, principal fonte de erro nos sinais GPS. Receptores de GPS + WAAS chegam a precisão de 2m no território continental dos EUA e no Alasca. WAAS não deve ser usado fora do território i norteamericano! Estação WAAS no Alasca Estação WAAS na Califórnia (uplink) WAAS Wide Area Augmentation System Sistemas Semelhantes ao WAAS: Na Europa: EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay Service) 3 satélites em órbita geo-estacionária Precisão de 2 m na maioria dos países europeus No Japão: Multi-Functional Satellite Augmentation System (MSAS) 2 satélites geo-estacionários: sistema utilizado no Japão e na Austrália. 20

21 Negócios baseados em GPS AVL (Automatic Vehicle Location): Localização de Frotas Geralmente implementadas com um receptor GPS (localiza a posição do veículo) e um circuito de telefone celular GSM ou CDMA (envia periodicamente a localização do veículo para uma empresa de segurança e/ou o proprietário do veículo). Rede por Pacotes IP Satélites GPS Veículo equipado com Rastreador Rede de Telefonia Celular GSM-GPRS ou CDMA Programa de Geo-Localização Negócios baseados em GPS AVL (Automatic Vehicle Location): Localização de Frotas 21

22 Negócios baseados em GPS AVL (Automatic Vehicle Location): Localização de Frotas Integração GPS com Google Earth GeoWeb Coleta de Dados Arquivo.gpx GPS exchange Format 22

23 Integração GPS com Google Earth GeoWeb 23