Relatividade em Engenharia

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1 Relatividade em Engenharia Características e desempenho de sistemas de posicionamento global Cláudio Miguel Raposo Gualdino Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Electrotécnica e de Computadores Júri Presidente: Prof. Dr. José Manuel Biouca Dias Orientador: Profª. Drª. Maria Hermínia Caeiro Costa Marçal Vogal: Profª. Drª. Maria João Marques Martins Maio/2011

2 Resumo O GPS (Global Positioning System) tem sido, desde do seu desenvolvimento na década de 70, o sistema GNSS (Global Navigation Satellite System) de referência. Este sistema surgiu inicialmente com motivações meramente militares tendo sido disponibilizado a utilizadores civis apenas no final da segunda metade da década de 90. Com início em 1998, a União Europeia assinalou a sua vontade em interromper a dependência do sistema norte-americano GPS anunciando o desenvolvimento de um sistema de posicionamento global com carácter inteiramente civil - GALILEO. Os sistemas GNSS, devido à velocidade e altura a que se encontram os seus satélites sofrem determinados efeitos, o - quais podem ser explicados pelas Teorias da Relatividade Geral e Restrita de Einstein. Estes efeitos relativistas provocam um desvio do ritmo dos relógios incorporados nos satélites relativamente aos relógios localizados na superfície terrestre, ou na sua vizinhança. Caso não fossem levados em consideração, os erros acumulados tornariam os sistemas GNSS completamente ineficazes. O presente trabalho faz uma comparação entre os dois sistemas (GPS - GALILEO) no que respeita às suas características físicas e técnicas, nomeadamente os seus segmentos, serviços disponibilizados e sinal, e analisa os erros devido aos efeitos relativistas e respectivas correcções a efectuar em ambos sistemas. Com base nesta análise conclui-se que a correcção a efectuar nos relógios incorporados nos satélites são de, no caso do GPS, e de para o GALILEO. Palavras-chave: GPS, GALILEO, GNSS, efeitos relativista. i

3 Abstract The GPS (Global Positioning System) has been, since its development in the 70s, the reference of GNSS (Global Navigation Satellite System) systems. This system initially arose with military motivation, having been made available for civilian use only later, in the second half of the 90s. Since 1998, the European Union demonstrated its willingness to break the dependence on the U.S. GPS system and announced the development of a global positioning system with entirely civil character - GALILEO. The GNSS systems, due to the speed and height of their satellites, suffer relativistic effects which cause a deviation of the beat of clocks embedded in satellites, compared to clocks located on the Earth, or in its neighborhood. If not taken into account, those effects would make the system completely useless. They are explained by the Theories of Relativity - General and Special of Albert Einstein. The goal of this report is to compare the two systems (GPS - Galileo) and the level of their physical skills and techniques, in particular their segments, available services and signal. An analysis of the errors, due to relativistic effects and the corrections to be made in both systems will also be carried out. Supported on Einstein s theories of Special and General relativity it was possible to determine the corrections to be made on the clocks due to relativistic effects, obtaining a correction of 39μs/day and 41μs/day to GPS and GALILEO, respectively.. Keywords: GPS, GALILEO, GNSS, Relativistic effects, ii

4 Índice Resumo... i Abstract... ii Índice... iii Lista de Figuras... vi Lista de Tabelas... vii Acrónimos... viii Constantes... xi Agradecimentos... xii 1 Introdução Sistema GNSS Aspectos Gerais Como determinar a distância Aplicações do GNSS Diferentes sistemas GNSS GPS GLONASS GALILEO BeiDou QZSS IRNSS Comparação entre os sistemas GPS e GALILEO Sistema GPS Serviços PPS SPS Segmentos do sistema Segmento espacial Segmento de controlo iii

5 Segmento do utilizador Caracterização do sinal GPS GPS Diferencial - DGPS Sistema GALILEO Serviços Serviços satélites GALILEO Serviços localmente assistidos Serviços do EGNOS Segmentos do sistema Segmento espacial Segmento de controlo Segmento do utilizador Caracterização do sinal GALILEO Interoperabilidade Factores de degradação do sinal GNSS Erro de relógio Efemérides Efeitos atmosféricos Atraso ionosférico Atraso troposférico Geometria dos satélites Multicaminho Efeitos relativistas Relatividade nos sistemas GNSS Dilatação do tempo Dilatação gravitacional do tempo Correcções a introduzir Dilatação do tempo Efeito gravitacional Efeito Sagnac iv

6 4.3.4 Correcção da excentricidade Correcções a introduzir Futuro Conclusões Bibliografia Anexos Anexo A v

7 Lista de Figuras Figura 1 Trilateração Figura 2 Órbita da constelação do sistema QZSS Figura 3 Constelação do sistema IRNSS Figura 4 Segmentos do sistema GPS Figura 5 Fluxo de Comunicação entre segmento espacial e de controlo Figura 6 Localização das estações do segmento de controlo Figura 7 Sistema DGPS Figura 8 Área de cobertura do sistema EGNOS Figura 9 Arquitectura do segmento de controlo GALILEO Figura 10 Terminal receptor - GALILEO Figura 11 Diluição de precisão Figura 12 Efeito Sagnac Figura 13 Velocidade da luz constante Figura 14 Relatividade da Simultaneidade Figura 15 Dilatação gravitacional do tempo Figura 16 Vectores de estado de um satélite GNSS Figura 17 Efeito Sagnac proporcional à área A Figura 18 Projecto SYPOR Segmento de Controlo e Espacial coincidem vi

8 Lista de Tabelas Tabela 1 Desempenho dos serviços do sistema GALILEO Tabela 2 Desempenho do serviço SAR Tabela 3 Classificação DOP Tabela 4 Erros devido a efeitos relativistas Tabela 5 Parâmetros técnicos dos sistemas GNSS vii

9 Acrónimos AFB AS BeiDou BIM BNTS CS C/A DGPS DOD DOP DOT ECEF ECI EGNOS ESA Galileo GCC GCS GDOP GEO GGTO Giove Glonass GMS GNSS GOC GPS GSO Air Force Base Antispoofing Sistema de Posicionamento Regional Chinês Broadcast Ionosphere Model BeiDou Navigation Test System Commercial Service Coarse/Acquisition Differential Global Navigation System United States Department of Defense Dilution of Precision United States Department of Transportation Earth Centered Earth Fixed Earth Centered Inertial European Geostationary Navigation Overlay Service European Space Agency Sistema de Posicionamento Global Europeu GALILEO Control Center GALILEO Control System Geometric Dilution of Precision Geostationary Earth Orbit GPS GALILEO Time Offset Galileo In-Orbit Validation Element GLObal NAvigation Satellite System GALILEO Mission System Global Navigation Satellite System Galileo Operating Company Global Positioning System Geosynchronous Orbit viii

10 GSS GST GTRF HDOP HEO ICRS IERS IGS GALILEO Sensor Station GALILEO System Time GALILEO Terrestrial Reference Frame Horizontal Dilution of Precision Highly Elliptical Orbits International Celestial Reference System International Earth Rotation Service International GNSS Service IRI 95 International Reference Ionosphere 1995 IRNSS ITRS ITRF JAXA JPO MEDLL MEO MET NASA OCS OS PDOP PPS PRN PRS QZSS RDSS SA SAR SBAS SoL SPS India Regional Navigation Satellite System International Terrestrial Reference System International Terrestrial Reference Frame Japan Aerospace Exploration Agency Joint Program Office Multipath Estimation Delay Lock Loop Medium Earth Orbit Multipath Elimination Technique National Aeronautics and Space Administration Operational Control System Open Service Position Dilution of Precision Precise Positioning Service Pseudo Random Noise Public Regulated Service Quasi-Zenith Satellite System Radio Determination Satellite Service Selective Availability Search and Rescue Service Satellite-Based Augmentation System Safety of Life Service Standard Positioning Service ix

11 SYPOR TAI TCAR TDOP TOA TT&C ULS UTC VDOP Système de Positionnement Relativiste International Atomic Time Three Carrier Ambiguity Resolution Time Dilution of Precision Time of Arrival Telemetry Tracking and Command UpLink Stations Coordinated Universal Time Vertical Dilution of Precision WGS 84 World Geodetic System x

12 Constantes Velocidade da luz Constante de Gravitação Universal Massa da Terra Parâmetro gravitacional da Terra Raio da Terra Velocidade angular da Terra Coeficiente do momento quadrupolar da Terra xi

13 Agradecimentos A realização deste trabalho final de mestrado consiste no encerrar de mais um ciclo da minha vida. Este momento representa o culminar de muito esforço, dedicação, e espírito de sacrifico, que só foi possível com a compreensão, afecto e motivação da família e amigos. Contudo, quero endereçar um especial obrigado à Professora Doutora Maria Hermínia Costa Marçal pelo tema sugerido, acompanhamento, compreensão e disponibilidade que sempre demonstrou no decorrer desta dissertação; à família lá de casa que são os grandes responsáveis pelo que sou e consegui até hoje; e finalmente mas, com certeza, não menos importante àquela pessoa que sempre esteve presente com as suas palavras de incentivo, compreensão e apoio incondicional obrigado Sofia. Um Muito Obrigado a todos vós! xii

14 1 Introdução Os sistemas GNSS (Global Navigation Satellite System), principalmente desde a abertura do GPS (Global Positioning System) ao público civil, têm vindo a registar uma enorme evolução, quer a nível técnico, precisão e fiabilidade, quer a nível de serviços disponíveis. Neste contexto, a União Europeia, querendo libertar-se da sua dependência do GPS, está a desenvolver o seu próprio sistema GALILEO. Este trabalho surge do desejo de colmatar uma ausência, na bibliografia especializada, de uma comparação detalhada entre o actual sistema americano GPS e o primeiro sistema com motivação inteiramente civil, desenvolvido pela União Europeia, o GALILEO. Isto será feito tendo em conta não só a respectiva estrutura física e técnica, mas também a forma como estes dois sistemas são afectados pelos efeitos relativistas. Inicialmente será feita uma breve caracterização dos GNSS capítulo dois existentes ou em desenvolvimento, onde se inclui o sistema russo GLONASS, o chinês BeiDou-Compass, e os dois sistemas regionais o QZSS e o IRNSS originários do Japão e Irão, respectivamente. Indo de encontro a um dos objectivos centrais deste trabalho, no terceiro capítulo, irá realizar-se uma descrição dos sistemas GPS e GALILEO respectivamente. Neste ponto serão caracterizados pormenorizadamente ambos os sistemas, em termos dos seus segmentos (Espacial, Controlo e Utilizador), dos serviços disponibilizados e do seu sinal. Os GNSS actuais, para que a sua utilidade seja efectiva, necessitam de correcções devido a efeitos relativistas. Neste sentido, no quarto capítulo será realizada uma introdução aos conceitos da teoria da Relatividade de Einstein relevantes para as correcções a integrar tanto no sistema GPS como no sistema GALILEO. Mostrar-se-á que, caso tais correcções não fossem tidas em conta teríamos, tomando como exemplo o caso GPS, uma acumulação de erros na ordem de. Neste ponto irá ainda ser destacado um projecto que se encontra numa fase de desenvolvimento, tendo em visto o futuro dos GNSS. Por fim, no quinto capítulo serão efectuadas considerações finais relativamente às diferenças encontradas entre o GPS e o GALILEO, tendo em conta a sua estrutura física e técnica e as correcções a implementar devido aos efeitos relativistas. 13

15 2 Sistema GNSS 2.1 Aspectos gerais Um sistema GNSS é um sistema utilizado para a determinação da posição de um objecto. O GNSS é formado por uma constelação de satélites, com cobertura global, que envia sinais para um receptor localizado na superfície, ou próximo, da Terra, permitindo que este possa calcular a sua localização no espaço ( longitude, latitude e altitude) e tempo. Inicialmente este sistema surgiu apenas devido a motivações militares. Contudo, o paradigma alterouse em 1996, altura em que o sistema GNSS americano, conhecido como GPS, foi disponibilizado a utilizadores civis. Para determinar a sua posição o receptor necessita de receber um sinal de cada um de quatro satélites, para assim determinar as três coordenadas espaciais e uma outra respeitante ao tempo. O método de cálculo utilizado neste sistema denomina-se por trilateração, uma vez que este processo consiste em medir a distância entre o receptor e os diferentes satélites. Tal como foi dito anteriormente, necessitamos de 4 satélites para determinar a posição tridimensional de um qualquer ponto localizado no globo terrestre (ou perto dele) a qualquer instante (ver fig. 1). Recorrer apenas a um satélite permite-nos calcular a posição de um objecto colocado numa esfera, cujo raio é a própria distância calculada. A utilização de um segundo satélite reduz a incerteza da posição a um círculo (intersecção de duas esferas). Um terceiro satélite intersecta o círculo anterior em dois pontos. Por exclusão de partes, a posição está determinada uma vez que um dos pontos se encontra, normalmente, muito distante da Terra. É ainda utilizado um último satélite como auxiliar, o qual envia um quarto sinal ao receptor, permitindo deste modo sincronizar os relógios dos satélites e receptor. Assim, um sistema GNSS pode determinar, de forma precisa, a posição de um dado objecto. De salientar ainda que os satélites estão equipados com relógios atómicos, ao contrário do que sucede com os receptores. 14

16 Figura 1 - Trilateração Fonte: Por outras palavras, o receptor recebe sinais de quatro satélites, no mínimo, relativos ao tempo e posição. As mensagens enviadas no sinal possuem o tempo e posição de cada acontecimento transmitido, em que. Assim, obtém-se 4 equações do tipo (1) Usualmente para facilitar a resolução é assumida uma aproximação da posição (p.ex o centro da Terra ou a melhor posição conhecida) e resolvido por iteração. A precisão nos cálculos é imprescindível porque, por exemplo, um erro de três nanosegundos no tempo corresponde a um erro de um metro na determinação da posição. Estes cálculos são efectuados no receptor. 2.2 Como determinar a distância Para determinar a distância do receptor a um satélite é necessário medir o tempo que um sinal - de velocidade conhecida demora a chegar ao receptor, o que é feito utilizando a já bem conhecida fórmula (2) 15

17 A distância entre o receptor e cada um dos satélites é a incógnita que se pretende determinar. A velocidade é a velocidade da luz, constante e conhecida. O tempo corresponde ao tempo decorrido entre a partida e a chegada do sinal ao receptor. O satélite envia um sinal (pseudocódigo, próprio a cada satélite) com uma mensagem que contém a sua posição e instante em que a mensagem foi enviada. Assim, o receptor que tem o seu relógio sincronizado com o relógio do satélite pode calcular a distância a que se encontra do satélite. 2.3 Aplicações do GNSS A capacidade de determinar a posição tridimensional, precisa, de um objecto pode ser utilizada nas mais variadas aplicações, nomeadamente: Navegação; Localização; Mapeamento; Emergência; Aviação; Etc. 2.4 Diferentes sistemas GNSS Os governos dos EUA e da Rússia desenvolveram dois sistemas, durante as décadas de 60/70, o GPS e o GLONASS, respectivamente. No entanto a evolução destes sistemas foi distinta, como se demonstrará mais à frente. Em fase de desenvolvimento encontram-se os sistemas de navegação Europeu, GALILEO, o sistema Chinês, BeiDou, o Japonês QZSS e o IRNSS, um sistema de origem Indiana GPS Os EUA em 1964 tinham um sistema de navegação operacional conhecido por TRANSIT. Contudo, o sistema tinha muitas limitações, nomeadamente um serviço de posicionamento a duas dimensões, e apenas servia para plataformas de baixa dinâmica. As organizações governamentais americanas, incluindo o DOD (Department of Defense), a NASA (National Aeronautics and Space Administration), e o DOT (Department of Transportation), estavam empenhadas em desenvolver um sistema de navegação por satélite que tornasse possível determinar uma posição nas três dimensões. Os atributos exigidos do sistema seriam cobertura global, disponibilidade, capacidade de servir plataformas de elevada dinâmica e precisão. 16

18 Todos os esforços realizados pelas organizações referidas resultaram no sistema GPS, que será descrito mais à frente no capítulo GLONASS A Rússia, semelhante ao que se passou com o GPS, começou a desenvolver o seu sistema no final da década de 1960, início de 1970, inicialmente com o intuito de dar suporte às suas forças militares. Todavia, testes iniciais do sistema demonstraram que seria possível utilizar este sistema também para uso civil, sem comprometer a vertente militar. O primeiro satélite da constelação foi enviado a 12 de Outubro de No início do ano de 1996 foi declarada como operacional a constelação GLONASS. Esta constelação é constituída por 24 satélites, sendo 3 dos quais de reserva (21 + 3). Os satélites estão dispostos em três planos orbitais espaçados entre si de 120º. Os 21 satélites asseguram, em 97% dos casos, que pelo menos 4 satélites estejam visíveis em qualquer ponto da superfície da Terra. Os satélites encontram-se em órbita MEO (Medium Earth Orbit), a km da superfície da Terra com uma inclinação de 64,8º. O período orbital é de 11 horas e 15 minutos. Porém, devido a problemas económicos e de manutenção alguns satélites deixaram de funcionar e depressa o sistema deixou de estar operacional. Em 2001, o governo russo estabeleceu um programa para restabelecer o seu sistema entre GLONASS M. O GLONASS utiliza duas bandas L ( L MHz, L MHz), apresentando dois níveis de precisão. Alta precisão para serviços militares e baixa precisão para serviços civis. Os russos estão a trabalhar com a União Europeia e os Estados Unidos de forma a alcançarem compatibilidade entre o sistema GLONASS - GALILEO e GPS - GLONASS, respectivamente GALILEO Em 1998 a União Europeia decidiu construir um sistema de navegação por satélite independente do GPS e para uso civil. Surge assim o sistema conhecido por GALILEO, ainda em fase de desenvolvimento, estando previsto a sua operacionalidade para o biénio de 2012/13. O sistema é composto por uma constelação de 30 satélites em órbita MEO, em três planos inclinados 56º relativamente ao plano equatorial, a km de altitude. Cada plano contém 10 satélites, sendo um deles de reserva. Este último satélite terá a capacidade de substituir um qualquer outro satélite, do mesmo plano, em cerca de 6 horas. O tempo de órbita é de 14 horas. Actualmente existem dois satélites do programa GALILEO em órbita. O lançamento do primeiro, denominado Giove-A, ocorreu a 28 de Dezembro de 2005 (Falcone et al., 2006). O segundo, Giove-B, teve lugar no dia 27 de Abril de 2008 (ESA, 2008). 17

19 O sistema irá disponibilizar múltiplos níveis de serviço ao utilizador: Open Service (OS); Safety of Life (SoL); Commercial Service (CS); Public Regulated Service (PRS); Search and Rescue Service (SAR). No capítulo 3, o sistema será caracterizado com maior pormenor BeiDou BeiDou é o nome atribuído ao programa Chinês de navegação por satélite multi-plataforma, concebido para fornecer posicionamento, gestão de frotas e divulgação em tempo preciso, para uso militar e civil. Actualmente, BeiDou está numa fase semi-operacional, com três satélites em órbita GEO (Geostationary Earth Orbit), implantado sobre a China. A longo prazo, o plano chinês passa por implantar uma constelação de navegação regional, ou mundial, de 30 satélites (27 MEO + 3 GSO) no âmbito do Programa BeiDou-2 - Compass. O programa BeiDou foi primeiramente proposto pelo académico chinês Chen Fangyun em 1983 com o intuito de oferecer suporte à navegação de navios da marinha chinesa. O BNTS (BeiDou Navigation Test System) fornece um serviço de RDSS (Radio Determination Satellite System). Ao contrário do GPS, GLONASS e GALILEO, que utilizam medições TOA (Time of Arrival) apenas num sentido, o RDSS exige medições nos dois sentidos. Ou seja, um centro de operações envia um sinal através de um dos satélites BeiDou para um subconjunto de utilizadores. Esses utilizadores respondem a este sinal transmitindo um sinal através de pelo menos dois dos três satélites geoestacionários do sistema. O tempo de viagem é medido através do loop realizado pelo sinal desde o centro de operações até ao satélite, receptor de um utilizador e caminho inverso. No seu conjunto, estas informações sobre tempo de viagem, posições (conhecidas) dos dois satélites, e estimativa da altitude do utilizador, permitem que o centro de operações determine a localização do utilizador. Assim que realizado o cálculo, o centro de operações transmite a informação de posicionamento ao utilizador. BNTS é composto por três satélites. Os dois primeiros satélites, lançados em Outubro e Dezembro de 2000, foram colocados a 80º E e 140º E longitude na faixa geoestacionária e transportam um transponder RDSS. Os transponders RDSS operam numa banda L ( MHz) uplink e banda S ( MHz) downlink. O terceiro satélite do programa Beidou-1 foi lançado em Maio de 2003 e colocado a 110º E de longitude. Este satélite carrega um transponder RDSS e um SBAS 18

20 (Satellite-Based Augmentation System). SBAS opera nas faixas de frequências do GPS L1 e L2 e é usado para melhorar a precisão de dados obtidos através dos sistemas GPS e GLONASS. O sistema BeiDou é caracterizado por uma dupla utilização (militar e civil). O serviço civil foi declarado operacional após o lançamento do terceiro satélite em Junho de Em 2007 iniciou-se o programa Compass, com o envio do primeiro satélite em órbita MEO, a km de altitude, no dia 14 de Abril de 2007 Compass M1. Actualmente, já se encontram em órbita seis satélites da constelação. É expectável que no decorrer de 2011 o território chinês esteja coberto pelo Compass, no entanto apenas entre 2015 e 2020 o sistema apresentará uma cobertura global. As bandas de frequência do sistema Compass sofreram uma alteração comparativamente ao sistema BeiDou, passando a utilizar-se três bandas ( MHz; MHZ; MHz ), sendo a terceira banda de acesso restrito. O Compass apresenta-se com uma precisão inferior a 10 m (95%) QZSS O QZSS (Quasi-Zenith Satellite System) é um sistema desenvolvido pelo Japão com o objectivo de melhorar e garantir o serviço de navegação por satélite, nomeadamente o GPS, na região nipónica. Devido às zonas montanhosas e às cidades dotadas de numerosos e grandes edifícios existem problemas de cobertura em cerca de 80% do território, o que é francamente negativo. (Kaplan and Hegarty, 2006) Este sistema será constituído por uma constelação de 3 satélites, tendo o primeiro satélite Michibiki sido lançado no dia 11 de Setembro de 2010 (Jaxa, 2010). Os satélites realizarão uma órbita HEO (Highly Elliptical Orbits) (vide figura 2), com um raio orbital de km acima da superfície terrestre, envolvendo o território japonês e australiano. Figura 2 Órbita da constelação do sistema QZSS Fonte: (JAXA, 2010) 19

21 Este formato orbital permitirá assegurar a presença de, no mínimo, um satélite sobre o território japonês durante as 24 horas diárias. Os sinais a utilizar encontram-se nas bandas L1, L2 e L5 de forma a garantir a compatibilidade com o sistema GPS. Os serviços disponibilizados pelo sistema QZSS são, para lá do objectivo principal que é o posicionamento, as aplicações móveis, no intuito de proporcionar uma comunicação à base de serviços de vídeo, áudio e dados. É expectável a sua operacionalidade para o ano de IRNSS No mesmo sentido o governo indiano aprovou, em 2006, um programa de desenvolvimento do seu sistema de navegação regional por satélite, o IRNSS (India Regional Navigation Satellite System). O sistema será utilizado com grande incidência nas áreas de vigilância, telecomunicações, transporte, identificação de áreas criticas e segurança pública. (Kulkarni, 2007) Este sistema consiste numa constelação de 7 satélites distribuídos em duas órbitas, GEO (Geostationary Earth Orbit) 3 satélites - e GSO (Geosynchronous Orbit) 4 satélites - sobre a região indiana (ver figura 3). Todos os satélites estão visíveis, continuamente, durante 24 horas/dia na região. O IRNSS terá dois tipos de serviços, um standard e outro restrito/autorizado. Ambos terão os seus sinais em duas bandas, L5 ( MHz) e S ( MHz). Figura 3 Constelação do sistema IRNSS Fonte: (Majithiya, 2011) O lançamento do primeiro satélite está agendado para o último trimestre de A sua operacionalidade estará assegurada a partir de 2014, com uma precisão anunciada inferior a 20m sobre a região. (Majithiya et al, 2011) 20

22 3 Comparação entre os sistemas GPS e GALILEO Sendo, actualmente, o GPS o sistema mais utilizado no mundo para navegação por satélite, e sendo o GALILEO a futura grande ameaça à hegemonia do sistema americano, considera-se de grande utilidade, e tendo em conta o objectivo deste trabalho, uma pormenorizada caracterização destes dois sistemas. 3.1 Sistema GPS Serviços GPS é um sistema caracterizado por actuar em duas vertentes, disponibilizando serviços a utilizadores civis e militares. Estes serviços estão agrupados em dois formatos, designados por SPS (Standard Positioning Service) e PPS (Precise Positioning Service). O SPS está definido para a comunidade civil, enquanto que o PPS está destacado apenas para utilizadores autorizados das forças militares e agências governamentais dos EUA PPS O PPS está desenhado para oferecer uma precisão de pelo menos 13m (95%) no plano horizontal e 22m (95%) no plano vertical. Como dito anteriormente, o PPS está disponível para uso por parte das forças militares e algumas agências governamentais. Para uso civil é necessária uma aprovação especial do DOD. O acesso ao serviço PPS é controlado através de dois recursos criptográficos denominados por AS (antispoofing) e SA (selective availability). O AS impede que os receptores GPS sejam enganados por sinais falsos e que utilizadores não autorizados façam medições directas em L2. Esta técnica foi activada no dia 31 de Janeiro de 1994 e permanece em operação. O DOD implementou o SA para reduzir a precisão da informação GPS (posição, velocidade e tempo), através de dois factores, nomeadamente, 1-introdução de erros pseudo-aleatórios no relógio do satélite; 2-degradação das efemérides radiodifundidas. O SA foi entretanto removido a 1 de Maio de 2000, pelo que actualmente o SPS disponibiliza uma precisão muito semelhante à dada pelo PPS. 21

23 SPS O SPS está disponível para todos os utilizadores em todo o mundo, sem qualquer custo directo. Não há restrições sobre o uso do SPS. Este serviço está projectado para fornecer precisão superior a 22m (95%) no plano horizontal e 27m (95%) no plano vertical (média global) Segmentos do Sistema O sistema GPS é dividido em três segmentos principais: O segmento espacial constituído pelos satélites que transmitem os sinais usados no posicionamento GPS; O segmento de controlo que é responsável pela manutenção do sistema; O segmento de utilizador que abrange todas as aplicações e tipos de receptores. Figura 4 Segmentos do sistema GPS Fonte: Segmento espacial O segmento espacial é constituído pela constelação de satélites em órbita que fornecem os sinais e mensagens de dados ao equipamento (receptor) do utilizador. Constelação do GPS Este sistema é constituído por 24 satélites localizados a uma altitude de km e distribuídos por 6 planos orbitais com uma inclinação de 55º relativamente ao plano equatorial. O seu período orbital é de 12 horas siderais ( 11h 58 min). Esta arquitectura permite que em qualquer ponto do globo, a qualquer momento, estejam disponíveis, no mínimo, 4 satélites GPS. 22

24 Os satélites GPS transportam no seu interior transmissores para a radiodifusão dos sinais, e 4 relógios atómicos com precisão de 10-12, i.e., apresentam uma estabilidade de 1 em segundos, o mesmo será dizer que só ao fim de anos o relógio se atrasará ou adiantará 1 segundo. Configuração do GPS: o 24 satélites; o 6 planos orbitais, com inclinação de 55º relativamente ao equador; o Período sideral de 11h 58min; o Altura orbital de km; o Cobertura global. Actualmente a constelação é composta por 30 satélites operacionais, 11 da classe IIA, 12 da classe IIR e 7 da classe IIR-M. (Chidester, 2010) Neste segmento, o GPS apresenta 5 tipos de satélites que constituem as seguintes classes: Bloco I, Bloco II. Bloco IIA, Bloco IIR, Bloco IIR-M, e por fim Bloco IIF. (Sá, 2004) Bloco I Nesta classe foram lançados 11 satélites pelo JPO (Joint Program Office), entre 22 de Fevereiro de 1978 e 9 de Outubro de Actualmente a classe está completamente extinta. Bloco II As duas maiores diferenças entre as classes I e II prende-se com o facto dos satélites do Bloco II apresentarem uma inclinação orbital que passou de 63º para 55º, e a restrição de sinal ao utilizador civil. Foram lançados 9 satélites pela AFB (Air Force Base) entre 14 de Fevereiro de 1989 e 1 de Outubro de Bloco IIA (Advanced) Esta classe continuou com as características anteriormente desenvolvidas e foram acrescentadas outras por forma a assegurar a capacidade de comunicação mútua. Alguns satélites foram equipados com reflectores que permitiam a sua detecção através de estações laser. Um conjunto de 19 satélites foi lançado entre 26 de Novembro de 1990 e 6 de Novembro de Bloco IIR (Replacement) - Estes satélites caracterizam-se por algumas inovações, nomeadamente são equipados com osciladores de hidrogénio, pelo menos uma ordem de grandeza mais precisa que os osciladores de césio dos satélites existentes, e a comunicação e predição de órbita a bordo foram melhoradas. Entre 17 de Janeiro de 1997 e 6 de Novembro de 2004 foram lançados 13 satélites desta classe. Bloco IIR-M (Modernized) Esta classe foi concebida com o intuito de modernizar a classe anterior, tendo em vista a introdução de três novos sinais disponíveis, nomeadamente, dois novos códigos militares na banda L1 e L2, que ficou conhecido por M code, e um sinal de uso civil na banda L2, 23

25 conhecido por L2C. Esta classe é constituída por 8 satélites, enviados entre 26 de Setembro de 2005 e 17 de Agosto de Bloco IIF (Follow-on) Esta classe ainda está em fase de desenvolvimento, tendo sido lançado o primeiro satélite no dia 28 de Maio de Estes satélites apresentam a introdução de um novo sinal, L5 = 1176,45 Mhz, de uso civil e transmitido numa frequência específica para aplicações de segurança de vida humana (safety-of-life). Actualmente, prevê-se a estruturação de mais uma classe, denominada Bloco III Satélites de Nova Geração, com o objectivo de fornecer precisão sub-métrica, maior precisão de tempo e elevada capacidade de cruzamento de dados inter-satélite. (Kaplan and Hegarty, 2006) Segmento de controlo O segmento de controlo é responsável por detectar e manter os satélites no espaço. Monitoriza o estado do satélite, mantém a configuração da sua órbita, e analisa a integridade do sinal. Além disso, actualiza as correcções do relógio do satélite e efemérides, bem como numerosos outros parâmetros essenciais para a determinação da posição do utilizador. O segmento de controlo constitui o OCS (Operational Control System) que consiste numa estação principal, uma rede mundial de estações de monitorização e de estações de controlo terrestres. (Sá, 2004) Figura 5 Fluxo de comunicação entre segmento espacial e de controlo Fonte: (Sá, 2004) A estação principal de controlo, sediada no Colorado, E.U.A, recolhe os dados de detecção das estações de monitorização, calcula tanto os parâmetros orbitais 1 como dos relógios e, posteriormente, 1 - O sistema GPS trabalha com as coordenadas cartesianas (X, Y, Z), referenciadas ao Sistema Geodésico Mundial 84 (WGS - 84). 24

26 reenvia-os para uma das 3 estações de controlo terrestre, para que esta possa comunicar com os satélites. Esta estação principal é igualmente responsável pelo controlo dos satélites e do sistema de operação. A rede de monitorização é constituída por 5 estações, situadas em 5 pontos distintos, uma no Colorado, e as restantes nas ilhas Hawaii, Ascention, Diego Garcia e Kwajalein. Estas estações determinam continuamente as pseudo-distâncias relativamente a todos os satélites visíveis. Estas são recolhidas com intervalos de 1,5 segundos, usando dados ionosféricos e meteorológicos, para serem enviadas à estação principal. Esta rede é utilizada para a determinação das efemérides transmitidas. Por fim, temos as estações de controlo terrestre, que são 3, localizadas na estação de monitorização de Ascention, Diego Garcia e Kwajalein. Estas estações funcionam como sistema de comunicação com os satélites, aos quais transmitem as efemérides e as correcções de tempo, previamente calculadas na estação principal. Figura 6 Localização das estações do segmento de controlo Fonte: (Sá, 2004) Segmento do utilizador O segmento do utilizador é constituído pelo equipamento do utilizador (receptor) que processa os sinais transmitidos dos satélites de forma a determinar a sua posição. Encontra-se dividido em dois tipos de serviços, civil e militar. 25

27 Os receptores GPS recolhem os dados enviados pelos satélites transformando-os em coordenadas, (distâncias, tempo, deslocamento e velocidade) através de processamento em tempo real ou pós processamento Caracterização do sinal GPS Os satélites da constelação GPS transmitem sinais em duas frequências da banda L, denominadas por L1 e L2, que são obtidas a partir da frequência fundamental (f o ) de 10,23 MHz multiplicada por 154 e 120 para gerar as portadoras. Portanto as frequências (L) e os comprimentos de onda resultantes são: O código PRN (Pseudo Random Noise) é modulado sobre as duas portadoras. O código C/A (Coarse/Aquisition) é modulado apenas na portadora L1 e tem comprimento de onda (λ) por volta de 300 m e frequência de 1,023 MHz. O código P (Precise ou Protected), reservado ao uso militar americano e a utilizadores autorizados, tem comprimento de onda de aproximadamente 30 m e é transmitido com uma frequência de MHz, além de ser modulado nas duas portadoras (L1 e L2). Com a modernização do sistema GPS surgiram três novos sinais, L2C, M-code e L5 (Kaplan and Hegarty, 2006) O sinal civil L2C,que é um sinal melhorado do L1 C/A, permite a correcção de erros ionosféricos ao utilizador civil. O M-code consiste na modernização do código militar, exclusivo para uso militar, nas bandas L1 e L2. Este código irá trazer mais segurança, robustez, e fiabilidade ao sistema. Por fim, temos o sinal L5, também um sinal civil, que opera na banda L numa frequência de 1176, 45 Mhz (115 f o ), específico para aplicações de segurança da vida humana (safety-of-life). 26

28 3.1.4 GPS Diferencial DGPS Com a necessidade de melhoria da qualidade e precisão do GPS surgem novas técnicas para cálculo e diminuição de erros na determinação do posicionamento de um objecto. Neste contexto, foi implementado o DGPS (Differential Global Positioning System). Este método baseia-se no envio de duas medidas ao receptor (Correia, 2003). A primeira é directamente recebida a partir do satélite. A segunda medida é enviada por uma estação terrestre, próxima do receptor. Esta estação recebe, igualmente, o sinal oriundo do satélite, que virá afectado sensivelmente pelo mesmo erro, uma vez que a estação e o receptor estão geograficamente próximos. A estação terrestre ao processar o sinal recebido, e conhecendo a sua própria posição real, faz a correcção entre a sua posição, enviada pelo satélite, e a sua real posição. Posteriormente, envia a rectificação ao receptor, que de forma diferencial procede à correcção da informação anteriormente recebida. Figura 7 Sistema DGPS Fonte: (Correia, 2003) Com este método é possível alcançar níveis de precisão bastante elevados, dependendo da distância entre o receptor e a estação terrestre. 27

29 3.2 Sistema GALILEO Reconhecendo a importância estratégica das aplicações dos sistemas GNSS, no inicio da década de 90 a Comissão Europeia e a ESA (European Space Agency) desenvolveram a primeira geração de um sistema global de posicionamento, o GNSS-1, conhecido por programa EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay Service 2 ). Apesar do GNSS-1 fornecer benefícios imediatos, com evidentes melhorias na integridade e precisão do sinal, não oferece um nível de controlo sobre o GNSS. Dada a sua dependência do GPS não pode oferecer garantias quanto à disponibilidade e desempenho dos sinais. Perante esta conjuntura as agências Europeias estão a desenvolver a futura geração de navegação por satélite (GNSS-2) - o sistema GALILEO - uma constelação de satélites com cobertura mundial. O uso combinado do GALILEO, EGNOS e GPS / GLONASS irá aumentar o desempenho global, robustez e segurança inerentes aos serviços realizados a partir de sistemas GNSS. (Kaplan and Hegarty, 2006) Serviços O programa GALILEO é o primeiro sistema direccionado apenas para uso civil. Assim, o seu principal objectivo encontra-se nas necessidades do utilizador civil e do mercado global. (European Commission, 2002) Os serviços fornecidos pelo sistema podem agrupar-se em serviços independentes e serviços combinados com os restantes sistemas GNSS existentes. Os serviços do programa GALILEO podem ser classificados da seguinte forma: Serviços satélites GALILEO; Serviços localmente assistidos; Serviços EGNOS; Serviços combinados. 2 - EGNOS Este programa consiste no aumento da funcionalidade do GPS e GLONASS, com grande ênfase nas aplicações de transportes (terra-água-ar) no território europeu e vizinhança. Tem como base o envio, a partir de 3 satélites geoestacionários, de sinais GPS e GLONASS com as devidas introduções diferenciais, efectuadas a partir de 30 estações de controlo e monitorização da integridade do sinal, de 4 centros de controlo principais e de 6 estações de emissão. 28

30 Serviços satélites GALILEO Este pacote de serviços oferece uma cobertura global e independente dos outros sistemas GNSS, recorrendo apenas à combinação de sinais transmitidos pelos satélites GALILEO. Na tabela 1 apresenta-se uma breve referência ao desempenho dos serviços disponibilizados pelo sistema GALILEO. Serviços Globais do GALILEO Serviço Aberto Serviço Comercial Segurança de Vida Serviço Público Regulado Cobertura Global Global Global Global Precisão Posicional (H, 2 drms, 95%) (Vert, 95%) Precisão Temporal (95%) 15m ou 24m H 35m V (frequência simples) 4m H 8m V (dupla frequência) 4m H 8m V (dupla frequência) 15m ou 24m H 35m V (frequência simples) 6.5m H 12m V (dupla frequência) 30 ns 30 ns 30 ns 30 ns Limite do Alerta de Integridade Tempo de Alerta Risco de Integridade Não Não 12m H 20m V 6s 3.5 x 10-7 / 150s 20mH 35m V 10s 3.5 x 10-7 / 150s Risco de Continuidade x 10-5 / 15s 1 x 10-5 / 15s Disponibilidade do Serviço 99.5% 99.5% 99.5% 99.5% Controle de Acesso Acesso Aberto Livre Acesso Controlado de Códigos de Distâncias e Mensagens de Navegação Autenticação de Informações de Integridade nas Mensagens de Navegação Acesso controlado de Códigos de Distâncias e Mensagens de Navegação Certificação e Garantias de Serviço Não Garantia de Serviço Possível Projectado para Certificação e Garantia de Serviço Projectado para Certificação e Garantia de Serviço Tabela 1 Desempenho dos serviços do sistema GALILEO Fonte: (Kaplan and Hegarty, 2006) Os serviços prestados contemplam uma larga escala de possíveis aplicações com diferentes requisitos operacionais que se podem agrupar em 5 níveis. 29

31 1. Open Service (OS) Este serviço está concebido para o utilizador comum aplicações do mercado de massas - que não requer qualquer garantia. A sua precisão será equivalente ao sistema DGPS, mas sem a necessidade de recurso a infra-estruturas no solo. Como se observa na tabela acima, o OS apresenta uma precisão horizontal de 4 metros e vertical de 8 metros, ambas com 95% de fiabilidade. Este serviço é gratuito e será disponibilizado a qualquer utilizador que possua um receptor. A gama de sinais disponíveis para difusão deste serviço são, as bandas E5a+E5b ( MHz) e L1 ( MHz). 2. Safety of Life (SoL) Com o intuito de garantir um serviço de alto desempenho a utilizadores de segurança crítica, nomeadamente marinha, aviação e comboios, será criado o serviço SoL. Este serviço pretende fornecer altos níveis de desempenho global, satisfazendo as necessidades destes utilizadores e aumentando a sua segurança, especialmente nos locais onde as infra-estruturas tradicionais no solo não apresentam tanta eficácia. O SoL será cedido abertamente e o sistema terá o seu sinal autenticado (p.ex através de assinatura digital) de forma a assegurar ao utilizador que o sinal recebido é efectivamente o sinal real do GALILEO. O serviço será igual para qualquer utilizador, e activado através de requerimento do próprio. Os sinais ocupados por este serviço são, as bandas E5a+E5b ( MHz) e L1 ( MHz). 3. Commercial Service (CS) Este serviço possibilitará o desenvolvimento de aplicações profissionais, com um alto desempenho de navegação e dados de valor acrescentado. Estas aplicações terão como base: a disseminação de dados com uma velocidade de 500 bps, para serviços de valor acrescentado; a difusão de dois sinais de forma a facilitar aplicações avançadas, tais como a integração das aplicações de posição GALILEO com redes de comunicação sem fio; o fornecimento de alta precisão de posição e navegação indoor. O nível de desempenho deste serviço resulta da conjugação de três factores, nomeadamente o serviço comercial em causa, a procura da Indústria, as necessidades do consumidor. O serviço será regulado pela GOC (Galileo Operating Company). Os sinais utilizados serão os mesmo que o OS, adicionando-se outros mais dois sinais encriptados (revestimento no código e dados) na banda E6 ( MHz). 4. Public Regulated Service (PRS) O PRS apresenta-se como um serviço robusto (exibe um nível de protecção superior aos anteriores serviços) e de acesso controlado para aplicações governamentais. O serviço deverá exibir um funcionamento contínuo e em qualquer circunstância. O PRS é um serviço independente. Uma característica que destaca o serviço PRS é a robustez do seu sinal, o qual está protegido contra os efeitos das tentativas de interferências intencionais e emissão de um sinal modificado. O acesso será 30

32 controlado por entidades previamente definidas, através de sinais encriptados e chaves distribuídas apropriadamente. As frequências ocupadas serão a E6 ( MHz) e L1 ( MHz).. 5. Search and Rescue Service(SAR) O SAR representa a contribuição do programa GALILEO para actividades de procura e resgate. Este serviço trará importantes melhoramentos no sistema existente do COSPAS SARSAT 3, nomeadamente, tempo de recepção de mensagens de socorro mais próximo do tempo real e localização mais precisa dos alertas. Na tabela 2 faz-se uma breve descrição do desempenho deste serviço. Capacidade Tempo de latência Serviço de Apoio a Busca e Salvamento Qualidade do serviço Taxa de erro < 10-5 Cada satélite tem a capacidade de retransmitir o sinal de, no máximo, 150 pedidos em simultâneo < 10 min. Tempo medido desde o envio do pedido até à sua localização Taxa de recepção de dados 6 mensagens/min, de 100bits cada uma Disponibilidade >99,8% Tabela 2 Desempenho do serviço SAR Fonte: (Kaplan and Hegarty, 2006) Serviços localmente assistidos A componente local será incorporada no programa Galileo com intuito de aumentar a precisão, integridade, desempenho e comunicação sobre áreas locais. Podemos catalogar a integração dos Elementos Locais em quatro categorias principais de serviços. 3 - COSPAS SARSAT (Space System for Search of Distressed Vessel Search and Rescue Satellite-Aided Tracking) é uma organização que nasceu em 1979, resultante de um acordo entre França, EUA, Rússia e Canadá, com o objectivo de detectar sinais de emergência emitidos por navios, aeronaves e pessoas, auxiliando assim na busca e salvamento. Em 1982 iniciaram-se testes do sistema que foi considerado operacional em

33 1. Serviços locais de navegação com precisão Com o recurso a Elementos Locais é possível oferecer um código com correcções diferenciais que poderão alcançar uma precisão inferior a 1 metro. Estes elementos têm igualmente a capacidade de aumentar o nível de determinação do sinal de alarme de integridade do sinal, em 1 segundo. 2. Serviços locais de navegação com alta precisão Com a exploração do método TCAR (Three Carrier Ambiguity Resolution) juntamente com os elementos locais do sistema será possível o utilizador determinar o seu posicionamento com um erro inferior a 10 centímetros. 3. Serviço de navegação localmente ajudado Reduzindo a quantidade de informação a ser descodificada no utilizador final, é possível melhorar a disponibilidade do sinal no espaço, especialmente quando consideramos aplicações que operam em ambientes de acesso dificultado, como é o caso de zonas urbanas e aplicações em interiores. 4. Serviços locais para aumento de disponibilidade As estações locais que transmitem sinais de satélite, pseudo-satélite 4 ou pseudolite, também serão utilizadas para aumentar a disponibilidade do serviço. Estes sinais têm a vantagem de não sofrerem o mesmo nível de distorção do ambiente quando comparado com o sinal de satélite. Este aumento de disponibilidade é desejável em ambientes restritos, como p.ex urbanos, e situações que requerem um alto nível de disponibilidade, como é o caso de aterragem de aviões Serviços do EGNOS Este serviço é fornecido pelo programa EGNOS já em funcionamento desde 1 de Outubro de O EGNOS fornece um serviço a uma ampla categoria de utilizadores, público geral (mercado de massa), especialistas e segurança crítica. Este sistema apresenta-se como uma ferramenta de futuras aplicações para o sistema GALILEO. O EGNOS oferece actualmente uma complementaridade aos sistemas GPS e GLONASS, com incidência na zona Europeia (ver figura 8), proporcionando níveis superiores de precisão e integridade de sinal. Este serviço é disponibilizado abertamente, estando no entanto condicionado à disponibilidade dos sistemas GNSS existentes. 4 - Pseudo-satélite ou pseudolite é um equipamento, localizado no solo, receptor - transmissor que funciona como um satélite. Este sistema tem a capacidade de enviar o sinal Galileo com mensagens de navegação. 32

34 Figura 8 Área de cobertura do sistema EGNOS Fonte: (European Commission, 2002) Segmentos do sistema Para fornecer os serviços a que se propõe o sistema GALILEO apresenta uma vasta infra-estrutura que se pode agrupar em 3 segmentos, espacial, controlo e utilizador Segmento espacial O sistema é composto por uma constelação de, 30 satélites em órbita MEO ( km de altitude); Inclinação orbital de 56º; Três planos orbitais igualmente espaçados; Nove satélites operacionais em cada plano; Um satélite de reserva, igualmente operacional em cada plano. Cada satélite está construído para transmitir sinais de tempo precisos, em simultâneo com a sincronização do relógio, efemérides das órbitas, entre outros dados Segmento de controlo Este segmento será responsável pelo controlo, comunicação e processamento da informação transmitida pelos satélites. O sistema é composto pelo GCS (GALILEO Control System), GMS (GALILEO Mission System) e o GCC (GALILEO Control Center). O GCS contém 5 estações de TT&C (Telemetry Tracking and Command) que comunicam entre si através da banda S ( MHz). 33

35 O GMS abrange 40 locais com GSS (GALILEO Sensor Station) que comunicam utilizando a banda C ( MHz), e 9 estações ULS (UpLink Stations) para transmissão de dados de missão na banda L. O GCC interage com o GCS e o GMS. Para uma melhor compreensão do segmento, apresenta-se a sua arquitectura na figura 9. Figura 9 Arquitectura do segmento de controlo GALILEO Fonte: (Kaplan and Hegarty, 2006) O sistema de Controlo do GALILEO e o Segmento Espacial estão ligados através da banda S para transmissão de dados de Telemetria e Telecomandos Segmento do utilizador Este segmento diz respeito aos diferentes tipos de receptores disponíveis ao utilizador, para tratamento do sinal recebido. As funções executados no terminal receptor serão as seguintes: Receber directamente os sinais Galileo; Ter acesso aos serviços fornecidos por componentes regionais e locais; Interoperabilidade com outros sistemas. Para beneficiar completamente dos serviços disponíveis (global, local e combinado), o utilizador necessita de um equipamento com terminal multifuncional. (European Commission, 2002) 34

36 Figura 10 Terminal receptor - GALILEO Fonte: (European Commission, 2002) Caracterização do sinal GALILEO Esta secção apresenta uma descrição do plano de frequências do sistema GALILEO. Para fornecer os serviços e compatibilidade com outros sistemas, algumas considerações foram tidas em conta na selecção das características do sinal GALILEO, a saber, (Kaplan and Hegarty, 2006) Transmissão de sinais de banda larga no espectro da banda L, permitindo um desempenho de monitorização preciso e robusto, e capacidade de mitigação multi-caminho; Minimização de interferência com os sistemas de navegação por satélite existentes (GPS, GLONASS), para fins de compatibilidade de rádio frequência; Selecção de frequências com bom desempenho e pequenos erros de monitorização nas altas frequências da banda L, para efeitos de compensação da ionosfera nos receptores de dupla frequência; Interoperabilidade com os demais sistemas GNSS, em particular com o GPS; Aspectos de segurança relativamente aos códigos militares, GPS M-code e o GALILEO PRS - a separação dos serviços militares e de protecção especial, dos serviços públicos. O GALILEO fornecerá seis sinais de navegação nas faixas de frequências MHz (banda E5), MHz (banda E6), e MHz (banda E2-L1-E1 ou simplesmente L1). As bandas E5 e L1 usufruem de permissão internacional para a utilização dos sinais transmitidos nestas bandas, exclusivamente para aplicações relacionadas com a aviação e segurança crítica. 35

37 Cada satélite irá transmitir seis sinais de navegação, denominados por L1F, L1P, E6C, E6P, E5a e sinais E5b. L1F - é um sinal de acesso aberto transmitido na banda L1. Estará acessível a todos os utilizadores. O fluxo de dados L1F também contém mensagens de integridade e dados comerciais encriptados. A taxa de dados L1F é de 125 bps. Este sinal suportará o OS, CS e SoL. L1P - é um sinal de acesso restrito transmitidos na banda L1. Possui códigos e dados encriptados, utilizando um algoritmo de encriptação governamental. O sinal L1P suportará o PRS. E6C - é um sinal de acesso comercial, transmitido na banda E6. Tem os códigos e dados encriptados utilizando um algoritmo comercial. A taxa de dados de 500 bps permitirá a transmissão de serviços de valor acrescentado. O sinal E6C é um sinal específico para apoiar o CS. E6P - é um sinal de acesso restrito transmitido na banda E6. Os códigos e dados são encriptados através de um algoritmo governamental. O sinal E6P apoiará o PRS. E5a - é um sinal de acesso aberto transmitido na banda E5. Possui um sinal não encriptado, acessível a todos os utilizadores. Ele transmite os dados básicos de suporte às funcionalidades de navegação e tempo. O sinal E5a apoiará o OS. E5b - é um sinal de acesso aberto transmitido na banda E5, acessível a todos os utilizadores. O fluxo de dados E5b também contém mensagens de integridade e de dados comerciais encriptados. A taxa de dados é de 125 bps. O sinal E5b apoiará o OS, CS e SoL Interoperabilidade A interoperabilidade pode ser definida como a combinação de informação (p. ex, dados de navegação), de dois sistemas de navegação (p.ex, GPS e GALILEO) no receptor do utilizador, de forma a obter um melhor desempenho do que empregar qualquer um dos sistemas individualmente. (Kaplan and Hegarty, 2006) O nível de interoperabilidade resulta de um processo de optimização. Alguns factores revestem-se de grande importância neste processo de compatibilidade, nomeadamente, frequência de rádio, complexidade do equipamento do utilizador, perspectivas de mercado, independência dos sistemas e problemas de compatibilidade de segurança nacional. Nesta temática de interoperabilidade, destacam-se três temas de importância primordial: 36

38 Sinal no espaço De forma a minimizar a complexidade e custo de implementação do receptor, os sinais GALILEO - E5a e E2-L1-E1, serão transmitidos usando frequências idênticas aos sinais GPS L5 e L1, respectivamente. Sistema de referências geodésicas O programa GALILEO irá adoptar o sistema de coordenadas de referência internacional. O sistema de referência de coordenadas e tempo do programa GALILEO será baseado em estações e relógios diferentes do GPS. O GTRF (GALILEO Terrestrial Reference Frame) será uma adaptação independente do ITRS (International Terrestrial Reference System). O ITRS é definido e monitorizado pelo Serviço IERS (International Earth Rotation Service). O sistema GPS utiliza o sistema de referência WGS-84 (World Geodetic System ), que se apresenta também como uma adaptação do ITRS. As diferenças entre o WGS-84 e o GTRF serão, no máximo, de 2 cm, o que não afectará a maioria dos utilizadores (Miller, 2004). Isto implicará que o sistema WGS-84 e GTRF serão idênticos (as coordenadas de referência são compatíveis). Sistemas de referência de tempo Tal como o Sistema de Tempo GPS, que coordena o seu tempo através do UTC (Coordinated Universal Time), o GALILEO terá a sua própria escala de tempo de referência, o GST (GALILEO System Time). O GST será coordenado pelo TAI (International Atomic Time). O GST está definido com um offset de tempo relativo ao TAI de 50 nanossegundos para 95% do tempo num intervalo de tempo de 1 ano. A principal função do GST é a manutenção do tempo para navegação, cujo principal objectivo consiste na determinação de órbitas dos satélites e a sincronização do tempo. Haverá um desvio entre estas duas escalas de tempo, conhecido por GGTO (GPS GALILEO Time Offset), que é necessário ter em conta quando combinados dados provenientes dos dois sistemas. Este offset será calculado e enviado para os utilizadores, em tempo real, na mensagem de navegação do GALILEO. (Forrest, 2004) 37

39 3.3 Factores de degradação do sinal GNSS A precisão com que um utilizador (receptor) pode determinar a sua posição, velocidade, ou sincronização com o tempo de um sistema GNSS, depende de uma complexa interacção de vários factores. A precisão de um sistema GNSS depende da qualidade das medições das pseudodistâncias e da fase da portadora, bem como da transmissão dos dados de navegação Erro de relógio Como dito anteriormente, os receptores para determinar a sua posição tridimensional necessitam das medidas de tempo dos sinais enviados de, no mínimo, quatro satélites. Assim, é fundamental conhecer, de forma precisa, a data de transmissão e recepção dos dados. Idealmente, os satélites transmitiriam o seu posicionamento com o tempo exactamente sincronizado com o tempo GNSS, no entanto existe sempre um erro de sincronização entre o relógio do satélite e o relógio do sistema. A estação de controlo em solo determina e transmite os parâmetros de correcção do relógio para os satélites, que posteriormente transmitem na sua mensagem de navegação. A diferença de tempos pode ser determinada através da seguinte expressão (Kaplan and Hegarty, 2006) (3) em que é o desvio do oscilador do satélite, é a deriva do oscilador, a velocidade da deriva, o instante de referência, o instante de transmissão e a correcção devido a efeitos relativistas - o quarto capítulo ocupa-se, com maior pormenor, das correcções que devem ser aplicadas para corrigir a estes efeitos. No entanto, existirá sempre um erro residual. Este erro,, pode variar entre 0.3-4m, dependendo do tipo de satélite e do tempo em que são transmitidos os dados. Esta gama de erros residuais são, geralmente, menores logo após um upload efectuado pelo segmento de controlo para o satélite, e degradar-se-á lentamente ao longo do tempo, até ao próximo upload (normalmente diário). Dois receptores distintos, observando os mesmos satélites sofrem exactamente os mesmos erros dos relógios. Desta forma, é possível eliminar esta fonte de erro residual, recorrendo a métodos diferenciais, p. ex., GPS diferencial. Os erros nos relógios incorporados no satélite são independentes da distância entre a estação de referência e o utilizador (Horváth, 2002). 38

40 Os relógios dos receptores são osciladores de quartzo, mais baratos que os relógios atómicos utilizados nos satélites, e consequentemente menos precisos. Estes relógios, assim como acontece nos relógios incorporados nos satélites, também não estão sincronizados com o tempo do sistema. Deste modo, as correcções podem variar das dezenas de nanosegundos até milisegundos, ou mais, dependendo da sincronização e das técnicas de navegação usadas Efemérides Os erros que advêm das órbitas dos satélites são causados por uma imperfeita modelação da dinâmica dos satélites, i. e., o erro das efemérides dos satélites resulta da divergência entre o valor real da posição de um satélite e o respectivo valor indicado nas efemérides. O actual erro das efemérides é de cerca de 1m (IGS, 2009). Pode-se abordar de duas formas a minimização deste erro. Se duas estações efectuarem, simultaneamente, o mesmo tipo de observações relativamente ao mesmo satélite, é possível obter a diferença simples entre receptores. Contudo, permanece um erro residual que está intimamente ligado com a distância existente entre os dois receptores, ou seja, à medida que esta distância aumenta, o erro residual também aumenta (Horváth, 2002). Outra forma de minimizar os erros orbitais passa pela utilização de efemérides mais precisas resultantes de observações de um grupo de estações de monitorização. Algumas instituições internacionais disponibilizam órbitas pós-processadas, como por exemplo, a IGS (International GNSS Service). Esta instituição oferece quatro tipos de órbitas órbitas previstas ultra-rápidas, disponíveis em tempo real e com uma precisão aproximada de 5cm, órbitas observadas ultra-rápidas, disponíveis entre 3-9 horas, com uma precisão aproximada de 3cm, e por fim, órbitas rápidas e finais, disponíveis de horas e dias, respectivamente, ambas com uma precisão aproximada de 2,5cm (IGS, 2009) Efeitos atmosféricos O sinal transmitido pelos satélites antes de atingir o receptor tem que atravessar a atmosfera terrestre, o que implica uma alteração na sua velocidade e direcção de propagação. As duas camadas com interferência na forma de propagação do sinal são, a ionosfera composta por átomos ionizados pela radiação solar e a troposfera com alto teor de humidade. Este efeito aumenta à medida que o satélite se aproxima do horizonte. 39

41 Atraso ionosférico A ionosfera é a camada da atmosfera compreendida entre 50 e km acima da superfície da Terra. Dentro desta região, os raios ultravioleta ionizam uma parte das moléculas de gás e libertam electrões livres, que vão influenciar a propagação das ondas electromagnéticas (Langley, 1996). Sendo a ionosfera um meio dispersivo a velocidade de propagação do sinal electromagnético vai ser afectada, o que implicará uma alteração da distância medida. A ionosfera causa um atraso na medida da fase e um avanço na medida da pseudo-distância, isto é, a pseudo-distância obtida é superior à distância geométrica entre o satélite e o receptor, e a distância calculada com a fase é inferior a essa distância geométrica (Rizos, 1999). Existem duas abordagens possíveis no sentido de minimizar os erros nomeadamente, medir ou modelar o atraso ionosférico. Estamos perante um meio dispersivo para as ondas de rádio, o seu índice de refracção é uma função da frequência (Langley, 1996). Assim, utilizando receptores de dupla frequência é possível medir e remover, quase na sua totalidade, o atraso ionosférico. Com receptores de frequência singular é possível recorrer a modelos ionosféricos, tais como os modelos BIM (Broadcast Ionosphere Model), transmitidos na mensagem de navegação, que permitem minimizar em cerca de 50 80% o atraso ionosférico. Bent, IRI 95 (International Reference Ionosphere 1995), entre outros. Estes modelos mostram-se eficazes em regiões compreendidas nas latitudes de ±20 a ±60, ao contrário do verificado nas regiões equatorial e polar (Horváth, 2002) Atraso troposférico A troposfera é a região mais baixa da atmosfera na qual a temperatura decresce com o aumento da altitude. A espessura desta camada não é a igual ao longo da mesma, variando aproximadamente, entre os 9 km, nos pólos, e os 16 km, no equador. A troposfera caracteriza-se por uma presença de átomos e moléculas neutros que afecta a propagação dos sinais electomagnéticos. Estamos perante um meio neutro, não dispersivo, para as ondas de rádio com frequências até 30 GHz (Langley, 1996). Assim, a propagação dos sinais GNSS são independentes da frequência. As características determinantes para o atraso troposférico são a pressão atmosférica, a temperatura e a humidade ao longo da trajectória do sinal, assim como o ângulo de elevação do satélite e a altura do receptor. Quando este ângulo é pequeno (tipicamente inferior a 15º) o atraso troposférico é superior e estimado com menor grau de precisão. Especificamente, tem-se para a grandeza do efeito troposférico, para uma estação ao nível do mar, cerca de 2,3 m para satélites no zénite 5 e entre m para satélites próximos do horizonte (Rizos, 1999). Da mesma forma que no atraso ionosférico teremos duas formas possíveis para minimizar o atraso troposférico. Quando a distância entre duas estações não é elevada, e a diferença de altura entre elas não é significativa, as condições atmosféricas estão suficientemente correlacionadas entre as 5 - O Zénite é o ponto no céu que se observa quando, na superfície terrestre, se olha exactamente para cima. Mais precisamente, é o ponto no céu com uma Altitude de +90º 40

42 duas estações, o que possibilita a utilização como observação da diferença existente nas duas estações e consequentemente minimização do erro (Seeber, 2003). Caso a correlação entre estações esteja comprometida é possível recorrer a um modelo de troposfera. Os modelos dividem o atraso troposférico,, em duas componentes, a componente seca, ou hidrostática, e a componente húmida, (Rizos, 1999) (4) A componente seca é responsável por cerca de 90% do atraso troposférico total, é gerada pela influência da atmosfera hidrostática, principalmente pela influência do nitrogénio e do oxigénio. Esta componente pode ser determinada com bastante precisão erro de, aproximadamente, 1% para satélites no zénite. Quanto à componente húmida é gerada pela influência do vapor de água atmosférico, e representa 10% do atraso total. Sendo a componente húmida variável no tempo e no espaço é possível obter erros de 10 20% na sua estimativa (Rizos, 1999) Geometria dos satélites O erro que advém da geometria dos satélites conhecido como DOP (Dilution of Precision) ou GDOP (Geometric Dilution of Precision), descreve a importância que a configuração da constelação dos satélites do sistema tem na precisão das medidas obtidas Ao observarmos 4 satélites, se estes se encontrarem muito próximos entre si, implicará um valor DOP alto e teremos uma geometria fraca. Mas para obter melhores resultados de precisão é crucial ter valores baixos de DOP, assim quanto mais afastados entre si estiverem os satélites, visíveis, melhor. (ver figura 11) Figura 11 Diluição de precisão Fonte: 41

43 O volume formado pelos sinais vindos dos satélites é inversamente proporcional ao DOP, ou seja, quanto mais dispersos estiverem os satélites visíveis maior será o volume e consequentemente o erro causado pela geometria dos satélites será menor. Contudo, não é apenas a configuração da constelação que afecta o DOP, também o local onde está inserido o receptor, que executa o pedido, é influenciador uma vez que se tivermos numa região com muitos obstáculos, esta irá afectar os satélites que se encontram visíveis para aquela localização. Esta situação ocorre com frequência em grandes cidades e terrenos montanhosos. Na tabela 3 podemos ver as diferentes classificações atribuídas ao factor DOP Valor DOP Classificação 1 Ideal 2-4 Excelente 4-6 Bom 6-8 Moderado 8-20 Suficiente Fraco Tabela 3 - Classificação DOP Fonte: (Dutt et al., 2009) Para examinar a diluição de precisão o GDOP é discretizado em várias formas, a saber: PDOP (Position Dilution of Precision) representa a incerteza na medida da posição tridimensional; HDOP (Horizontal Dilution of Precision) incerteza na medida da posição horizontal (latitude e longitude); VDOP (Vertical Dilution of Precision) incerteza na medida da posição vertical (altitude); TDOP (Time Dilution of Precision) incerteza na medida no relógio do receptor Multicaminho Multicaminho é o fenómeno em que o sinal chega ao receptor através de dois ou mais caminhos, distintos do caminho directo. Este fenómeno sucede devido à existência de superfícies reflectoras nas proximidades do receptor, por exemplo, em ambientes urbanos (edifícios) (Langley, 1996). O multicaminho é inevitável, particularmente nas aplicações dinâmicas. Os erros de multicaminho variam significativamente dependendo do ambiente no qual o receptor está localizado, o ângulo de elevação do satélite, o processamento de sinal do receptor, o ganho da antena e as características do sinal (Kaplan and Hegarty, 2006). 42

44 Este erro é único para cada estação receptora, impedindo a utilização de técnicas diferenciais para minimização do erro (Horváth, 2002). É possível diminuir o erro recorrendo a correladores de sinal com o intuito de afastar o sinal indesejado através da análise da correlação entre o sinal original e a sua réplica, de forma a obter uma diminuição das interferências dos sinais adjacentes. Alguns exemplos de correladores implementados são, Narrow Correlator, MET (Multipath Elimination Technique) e MEDLL (Multipath Estimation Delay Lock Loop) (Ray, 2006). Sendo o multicaminho inevitável é possível tomar algumas medidas preventivas, tais como, a escolha cuidadosa da localização do receptor, evitando ambientes reflectores difícil de implementar em aplicações dinâmicas; desenvolver antenas pouco sensíveis ao multicaminho (e.g. microstrip; chock ring); construção da antena com material absorvente para cortar a reflexão do sinal; o receptor deve filtrar o efeito da perturbação das reflexões do sinal; não utilizar observações de satélites de baixa elevação, uma vez que os seus sinais estão mais dispostos ao multicaminho (Langley, 1996) Efeitos relativistas Tanto a teoria geral como a teoria restrita da relatividade, concebidas por Albert Einstein, são processo determinante na medição das pseudo-distâncias e da fase da portadora. A necessidade de correcção através da teoria da relatividade restrita advém do facto do sinal fonte (satélite) e do sinal do receptor se moverem relativamente a um referencial de inércia, em que a velocidade da luz é igual em qualquer direcção, p. ex no caso do GPS temos o ECI (Earth Centered Inertial). A relatividade geral surge em virtude da localização do satélite e do receptor, se encontrarem em regiões com diferente potencial gravitacional (Kaplan and Hegarty, 2006). O facto destes erros serem acumuláveis implica que, em caso de omissão da sua correcção, os sistema de GNSS sejam completamente inúteis, mesmo para as aplicações menos exigentes (Ashby, 2002). Sendo o estudo dos efeitos relativistas nos sistemas GNSS um dos principais objectivos deste trabalho, irá ser-lhe dedicada uma secção autónoma. 43

45 4 Relatividade nos sistemas GNSS Presentemente, os sistemas GNSS para cumprirem eficientemente a sua função precisam ter em conta os efeitos relativistas. Estes sistemas são baseados num modelo Newtoniano, isto é, um modelo que usa um sistema de referência não inercial, que tem um movimento de rotação em conjunto com a Terra e origem no centro da mesma, ECEF (Earth Centered Earth Fixed), e um sistema de referência de tempo inercial centrado na Terra, ECI. Os satélites são afectados pela relatividade de três maneiras diferentes, a saber: nas equações do movimento, na propagação do sinal e no ritmo dos relógios dos satélites. Nos presentes sistemas GNSS apenas os efeitos nos relógios são mensuráveis (Pascual-Sánchez, 2007). Se estes efeitos não fossem tidos em conta ocorreria um erro na determinação da posição de por dia, ou seja uma desfasagem temporal, acumulada, de por dia (Haustein, 2009). Os efeitos relativistas que afectam os relógios de um satélite de forma mais perceptível são, o desvio da frequência do relógio do satélite devido ao potencial gravítico (Relatividade Geral) e a dilatação do tempo, devido ao movimento do satélite (Relatividade Restrita). (Pascual-Sánchez, 2007) A. Desvio gravitacional da frequência do relógio do satélite O ritmo de um relógio é tanto maior, quanto maior for a sua distância a um centro de atracção gravitacional. No caso dos sistemas de GNSS o centro de gravitação coincide com o centro da Terra, o que implica um desvio de frequência para o azul dos sinais enviados pelo satélite para Terra. B. Dilatação do tempo Os relógios incorporados num satélite estão em movimento relativamente a um relógio colocado em Terra, originando um fenómeno conhecido por dilatação do tempo que se traduz por um atraso do relógio do satélite comparativamente ao relógio em Terra. Consequentemente, temos um desvio de frequência para o vermelho do sinal enviado pelo satélite. C. Efeito Sagnac Sendo a escala de tempo GPS definida num sistema inercial, a passagem para outro sistema rotacional, no caso a Terra, origina o aparecimento de um efeito relativista conhecido por efeito Sagnac. Durante a propagação do sinal vindo do satélite, o relógio (receptor) na superfície terrestre sofre uma rotação finita, devido ao movimento de rotação da Terra relativamente ao sistema de coordenadas ECI. (figura 12) 44

46 Este efeito pode produzir erros na ordem dos 133ns, no caso do GPS, e 153ns para o GALILEO, para um receptor em repouso sobre o geoide 6 (Nelson, 2003) Figura 12 Efeito Sagnac Fonte: (Kaplan and Hegarty, 2006) Na base da análise destes efeitos está a Teoria da Relatividade, concebida por Albert Einstein no século XX Relatividade Restrita (Especial) em 1905 e Relatividade Geral (Gravitação) em A grande mudança introduzida por Einstein com esta Teoria foi a quebra completa do conceito tempo absoluto, até à data defendido pela Mecânica Clássica. Os postulados desta Teoria podem ser definidos como: 1. As leis da Física têm a mesma forma em todos os referenciais de inércia; 2. A velocidade da luz, c, propaga-se no vácuo a um valor constante e independente do estado do movimento da fonte; 3. Numa pequena região de espaço e de tempo, é impossível distinguir entre o campo gravitacional devido à massa e o campo gravitacional devido à aceleração. 6 - Modelo físico da forma da Terra 45

47 A Teoria da Relatividade está assente em duas teorias, a Relatividade Restrita expressa nos dois primeiros postulados e a Relatividade Geral no terceiro postulado. 4.1 Dilatação do tempo O conceito dilatação do tempo surge com o desenvolvimento da Relatividade Restrita por Einstein, em que a medida de um intervalo de tempo entre dois acontecimentos depende do referencial em que é medido. O tempo deixa de ser absoluto. Para Einstein, como evidenciado no seu segundo postulado, a velocidade da luz no vácuo é constante e independente do movimento da fonte (ver figura 13) Figura 13 Velocidade da luz constante Fonte: Haustein, 2009 Suponha-se que um observador que se encontra em repouso relativamente à fonte de luz, mede a velocidade a que o feixe se propaga no vácuo, ou seja,. Um segundo observador (que se encontra a uma velocidade na direcção da fonte) realiza exactamente a mesma medida. De acordo com a mecânica clássica este segundo observador deveria medir. Contudo, em conformidade com o segundo postulado ele irá medir o mesmo valor que o primeiro observador, isto é,. A direcção e grandeza da velocidade a que o observador se desloca é irrelevante para este resultado Pelo facto de se considerar que a velocidade da luz é constante para todos os observadores, a sincronização dos relógios irá ser afectada consoante o estado do movimento do observador (ver figura 14) 46

48 Figura 14 Relatividade da Simultaneidade Fonte: Ashby, 2006 Imagine-se uma barra de comprimento deslocando-se a uma velocidade relativamente ao referencial de laboratório. Agora suponha-se um sinal de luz que se desloca desde a extremidade esquerda da barra até à extremidade oposta. Para um observador, em movimento relativamente ao laboratório, o sinal demora a realizar o seu trajecto num tempo dado por (5) Um observador que se encontre em repouso relativamente ao laboratório vê o sinal a aproximar-se da extremidade direita da barra com uma velocidade e mede o tempo (6) Relacionando os tempos medidos pelos dois observadores (7) Verifica-se que o tempo medido pelos dois observadores é diferente, o que implica uma alteração na noção de simultaneidade de acontecimentos. Esta passa a depender do referencial em que se encontra o observador. O resultado leva à inexistência de um tempo global. (Haustein, 2009) Este facto - ausência de um tempo global - obriga à extensão do espaço tridimensional para um espaço-tempo quadrimensional, onde é incluída a variável tempo às três dimensões espaciais - comprimento, largura e altura. Esta nova formulação é conhecida por espaço-tempo de Minkowski. A extensão do espaço de coordenadas não foi a única alteração imposta por Einstein com a sua Teoria da Relatividade Restrita. As fórmulas de transformações de Galileu, que não eram compatíveis com o segundo postulado, foram substituídas pelas fórmulas de transformações de Lorentz, propostas por Hendrik A. Lorentz em