Notas de Aulas. EGL UNESP PP Abril de 2015

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1 Visão Geral do GNSS e suas Aplicações nas Engenharias e Geociências. Notas de Aulas INTRODUÇÃO AO GNSS E PROCESSAMENTO DE DADOS EGL UNESP PP Abril de 2015

2 Conteúdo GNSS Introdução/Estado da Arte Métodos de posicionamento GNSS Erros envolvidos nas medidas (observáveis) Aplicações gerais do GNSS GNSS e Atmosfera (Troposfera e Ionosfera) Algumas demandas e desafios para aplicações GNSS no Brasil Os Projetos CIGALA, CALIBRA e CALIBRATION Comentários finais.

3 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) GBAS : Ground Based Augmented System. Regional Indian Regional Navigation Satellite System (IRNASS); Quasi-Zenith Satellite System (QZSS)

4 Segmento espacial NAVSTAR-GPS Mínimo de 24 satélites/ Hoje está com 32 satélites 2 Unhealthy 6 Planos orbitais Blocos IIA, IIR, IIRM, IIF 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 Referencial: WGS84 (hoje G1674 ) FAA

5 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

6 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 L5C 1176,46 MHz 10,23 MHz

7 GPS III next-generation system 2030 GPS III is intended to deliver major improvements in accuracy, assured service delivery, integrity, and flexibility for civil and military users.

8 Situação da Constelação GPS 3 Bloco IIA 12 Bloco IIR 07 IIRM 09 IIF 32 Satélites em órbita (p/garantir 24)... 1 não saudável + antigo: 1990

9 GLONASS 28 satélites em operação /2 não saudáveis 2 Fligth tests Sistema está sendo modernizado; Planos: FDMA... CDMA Deverá ficar com 30 satélites. 01/12/1414 satélite mais novo 14/06/14 penúltimo lançamento 24/03/14 ante- penúl lançamento 02/07/13 LANÇAMENTO FALHOU

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11 Integração GLONASS/GPS

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

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

15 Galileo Primeiro lançamento O primeiro satélite Galileo (GIOVE A) foi lançado em dezembro de GIOVE B LANÇADO EM 2008 Para testes Mais 2 satélites em 2011 (IOV) + 2 em 2012 Foram lançados 02 em 2014 ficou fora da órbita original Foram lançados 02 em 2015.

16 Beidou / Compass Sistema militar iniciado em 1994 Nov/06 a China anunciou que o Beidou iria oferecer um serviço civil com acurácia de 10 m. Capacidade de posicionamento global 35 Satélites 27 MEO, (21,5 km), 3 ISGo (inclined geosynchronous orbit) e 5 Geo. Primeiro satélite Compass M-1 foi lançado em 14 Abril 2007 Satélite Geo lançado em 01/2010 Transmitindo L1 e L5 Atualmente, 5 MEO, 5 GEO 5 IGSos Ultimo lançamento: 09/ satélites Operacional na China desde 12/2011. Global em (1 Geo não estabilizou)

17 BeiDou Navigation Satellite System is called BeiDou System for short, with the abbreviation as BDS. When fully deployed, the space constellation of BDS consists of: five Geostationary Earth Orbit (GEO) satellites, twenty-seven Medium Earth Orbit (MEO) satellites and three Inclined Geosynchronous Satellite Orbit (IGSO) satellites. The GEO satellites are operating in orbit at an altitude of 35,786 kilometers and positioned at E, 80 E, E, 140 E and 160 E respectively. The MEO satellites are operating in orbit at an altitude of 21,528 kilometers and an inclination of 55 to the equatorial plane. Carrier Frequency The carrier frequencies of B1I and B2I shall be coherently derived from a common reference frequency source on board of the satellite. The nominal frequency of B1I signal is MHz,and the nominal frequency of B2I signal is MHz. The IGSO satellites are operating in orbit at an altitude of 35,786 kilometers and an inclination of 55 to the equatorial plane.

18 Parâmetros GLONASS GPS Galileo BDS/Compass Núm. de satélites final/atual 24/28 24/32 30/6 35/13 Planos orbitais /3/1 Inclinação 64.8º 55º 56º 55,5º Altitude (MEO) km km km km L1: L1:1575,42 E1: 1575,42 B11: 1561,098 Freqüências (MHz) L2: L3: L2: 1227,60 L5: 1176,45 E5B: 1207 E5A: 1176 B21: 1207,14 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 1023 kbits/sec P Code MHz ,23 10,23 Efemérides P,V,T Keplerian Keplerian Keplerian Identificação dos satélites FDMA/CDMA CDMA CDMA CDMA Almanaque Kepleriano Kepleriano Kepleriano Kepleriano

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21 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: Solução do vetor de ambiguidades

22 Medida da Fase da onda portadora/pseudodistância Inside GNSS January/February 2015 pg. 36

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24 As ciências envolvidas com GNSS Órbita de satélites como determinar com alta precisão? Referencial Celeste (Precessão, Nutação, EOP) Propagação de sinal através da ionosfera e troposfera. Construção de satélites e receptores (eletrônica computação comunicação). Referenciais Geodésicos WGS84 SIRGAS ITRF Ajustamento de observações / análise de qualidade; E as aplicações em várias Ciências/Geociências e Engenharias, incluindo a Aeronáutica

25 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

26 Métodos de Posicionamento GNSS Posicionamento Absoluto ou Por Ponto PPS PPP Posicionamento Relativo Estático, Estático Rápido, Cinemático Diferencial DGPS, WADGPS

27 Métodos de Posicionamento - GNSS Posicionamento Por Ponto (Absoluto Estático) Simples (efemérides transmitidas) online na FCT/UNESP 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

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

29 PPS On Line na FCT/UNESP

30 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; Gerados a partir de uma rede de estações GNSS Precisão compatível com o posicionamento relativo Várias empresas comerciais vem disponibilizando o PPP, mas com nomes comerciais específicos: Exemplos: RTX da Trimble, StarFix.G2 e.xp da Fugro, StarFire da NavCom. Vários softwares on-line IBGE, UNB, JPL, etc. Pesquisa: Solução das ambiguidades, Tempo Real

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32 UNESP PPP on line - testes calibra.fct.unesp.br/ppp/index.phpphp

33 Página de PPP na UNB

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

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

36 RTK EM 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. Algoritmos existentes: VRS, MAC(Master (Flachen Korrektur Parameter) ) e State Vector Master Auxiliary Concept), FKP Pesquisa: redução de erros advindos da atmosfera... Na FCT, estamos com um sistema comercial e um em desenvolvimento para pesquisa.

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

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39 Métodos de Posicionamento DGPS (Differential GPS)

40 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

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42 Troposfera e Ionosfera Ionosfera 50 ~ 1000km Troposfera 0 ~ 50 km Troposfera Ionosfera

43 GPS/Meteorology - Caso terrestre n c v v ds dt c dt n ds S n ds T T s r s r T s r S S n ds g ds n 1 ds T s r 10 6 Nds

44 Atraso troposférico Para os Engenheiros de levantamentos, o atraso é considerado um nuisance parameter e seu impacto deve ser reduzido no posicionamento. Convencionalmente, seu tratamento é da seguinte forma: T s r T ZH mh( E) T mw( E) determinação na direção zenital, através de funções de mapeamento que relacionam o ângulo de elevação (E) do satélite observado (mh e mw). ZW T ZH é atraso zenital gerado pela influência dos gases hidrostáticos; T ZW é atraso zenital gerado pela influência do vapor d água atmosférico.

45 Estimativa do IWV a partir de valores do T ZW IWV T ZW R w k 10 ' 2 6 k3 Tm 6,5 IWV pode ser assimilado em modelos de PNT

46 GNSS & Estações Meteorológicas Para aplicações do GNSS em Meteorologia estações meteorológicas (PTU) devem estar disponíveis na proximidade da estação. 18 estações PTU foram instaladas no Estado de São Paulo e todas estações foram calibradas.

47 GNSS e efeitos da ionosfera A ionosfera (50 a 1000 km) afeta o sinal GNSS. Devido, principalmente, 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.

48 O Sol exerce o papel fundamental

49 O Sol afeta o campo geomagnético Campo geomagnético afeta a Ionosfera Ionosfera afeta o sinal GNSS Após o por do sol, pode ocorrer cintilação ionosférica

50 INPE Space Weather Program Mission: To monitor Sun Earth environment, Ionosphere and Ground, and to predict possible influence on human technological and economical activities. Objectives: Space weather information and fore-casting for users: Ionospheric conditions (Scintillation map and TEC) Occurrence of GIC (Ground induced current) Satellite operation environment (high energy particles) Alarm for geomagnetic storm related to solar CME (Coronal mass ejection)

51 GPSTEC Mapping: 24 hours 2012 January 01, 9:00 02, 9:00 UT (24 hours) 51

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56 IONOSFERA Acesso 29/10/2003

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58 Como identificar as condições a priori? Índices Kp e Dst... Exemplo abaixo do índice Kp tomado para o dia 17/10/2005

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60 Estes gráficos apresentam a estimativa de 3 dias e 3-horas do índice planetário K. Ele é derivado na U.S. Air Force Space Forecast Center, usando dados de magnetômetros terrestres de várias estações; Cooperação entre o Geological Survey of Canada (GSC) and the US Geological Survey. Índice K igual a 5 ou maior indica nível de atividade de tempestade geomagnética;

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62 Cintilação (índice) nos dias 01 a 07/05/14

63 Cintilação (índice) num dia de tempestade

64 Infraestrutura GNSS no Brasil - Pública

65 Rede GNSS-SP SP Real Time

66 Algumas demandas de GNSS no Brasil Aplicações Off-shore Navegação Aérea Posicionamento em geral Agricultura de Precisão (AP) Cadastro Rural (melhor que 50 cm 1 sigma).

67 AP no Brasil demanda 24 horas de disponibilidade de serviços RTK

68 AGRICULTURA DE PRECISÃO Vehicle position by GPS GPRS Data transfer by GSM Information gathered by sensors CAN BUS and georeferenced Server Data can be accessed VIA Internet, on the office or in the field Collaborators and externals AGCO, Expointer 2011 Manager Dealler

69 Trimble Field IQ + Connected Farm Controlador TV Envio de mapas de TV remotamente Telemetria Velocidade trabalho Rendimento operacional Obtain the maps in the office as applied

70 Na Navegação aérea, as autoridades brasileiras decidiram investir no GBAS ao inves do SBAS. Um sistema Honeywell Aerospace esta em fase de certificação no aeroporto do Rio de Janeiro (Galeão).

71 Desafios para as aplicações GNSS no Brasil Ionospheric Scintillation! Cintilação Ionosférica

72 Projeto CIGALA Concept for Ionospheric Scintillation Mitigation for Professional GNSS in Latin America CIGALA Network 8 Ionospheric monitoring GNSS receivers

73 Objetivos do Projeto Cigala Entender as causas e implicações dos distúrbios da Cintilação Ionosférica, modelar seus efeitos e desenvolver técnicas para sua mitigação; Estudar as necessidades do mercado e requisitos dos usuários numa das regiões do mundo mais afetada pela CI; Realizar medidas em campo para dar suporte ao desenvolvimento de modelos; Realizar testes em campo para validação das técnicas desenvolvidas.

74 PolaRxS PRO Track GPS, GLONASS, GALILEO, COMPASS, SBAS L1, L2, L5, E5a, E5b signals, including GPS L2C, GLONASS L2C and Galileo E5 AltBOC Very low phase noise OCXO 100Hz signal intensity and phase output for all signals Computation of S 4, s f, TEC, spectral parameters,... for all satellites and signals Interoperable ISMR file format Multiple Interfaces: 4 RS232, USB, Ethernet

75 PROJETO CIGALA DISPONIBILIZA FERRAMENTA PARA CONSULTAS SOBRE A OCORRÊNCIA DE CINTILAÇÃO IONOSFÉRICANO BRASIL O acesso se dá em O aplicativo ficará disponível ao público nesta fase de testes; Ele é denominado ISMR Query Tool. Usuários interessados em acessá-lo devem enviar solicitação para gege@fct.unesp.br.

76 CIGALA/CALIBRA

77 Proposal title Countering GNSS high Accuracy applications Limitations due to Ionospheric disturbances in BRAzil DemonstraTION (or ImplementaTION) Countering GNSS high Accuracy applications Limitations due to Ionospheric disturbances in BRAzil DemonstraTION (or ImplementaTION)

78 Testes realizados no campo da AP (RTK)

79 Cintilação durante o experimento

80 Testes de AP na ESALQ (RTK)

81 Aplicação na construção de Hidroelétrica - RTK

82 Experimento na Aviação Civil De 26 a 29 Março 2012 Aeroporto do Galeão Rio de Janeiro

83 Aplicativos GNSS disponíveis para uso NTRIP Client BNC Permite PPP em tempo real PPS (Posicionamento por ponto simples UNESP PP) Acadêmico importante para aprendizado... RTK Lib: RTK, PPP, etc.

84 Monitoramento NMM Mudanças Climáticas

85 NTRIP Client - BNC

86 Estações disponíveis no Caster

87 Arquivo para construir cabeçalho RINEX

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89 Onde obter os dados GNSS em tempo real? Desafio atual... Com várias iniciativas. BKG Alemanha e IGS desenvolvendo produtos NTRIP - RTIGS FCT/UNESP - NTRIP Caster... IBGE NTRIP Caster INCRA também deverá disponibilizar

90 Atividade a ser desenvolvida Instalar BNC BKG Ntrip Client a partir do BKG Buscar dados de duas estações simultaneamente PPTE e outra; Criar arquivo PPTE.skl para cabeçalho; porta: 2101 User: teste01 passw: umteste

91 Aplicação GNSS Monitoramento Estruturas

92 Aplicação GNSS Monitoramento Estruturas

93 Estratégia de coleta de dados

94 Aplicação GNSS Monitoramento Estruturas Três campanhas realizadas Antenas foram calibradas / Redutor de multicaminho usado Processamento dos dados com Bernese V 5 Alta Acurácia horizontal melhor 5 mm

95 Série temporal de coordenadas