O GNSS - Sistema Global de Navegação por Satélite éanova designação para o conjunto de Sistema de Posicionamento Global

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1 Sistema GNSS GNSS O GNSS - Sistema Global de Navegação or Satélite éanova designação ara o conjunto de Sistema de Posicionamento Global Sistemas que constituem o actual GNSS -GPS Global Positioning System - E.U.A., oeracional desde GLONASS GLObal'naya NAvigatsionnaya Sutniovaya Sistema Rússia, iniciado em 1982 e comleto em 1995 Futuros sistemas a integrar o GNSS - GALILEO da UE e da ESA, oeracional em Beidou Navigation System Sistema Regional da China; - IRNSS Sistema de Navegação da Índia, oeracional em

2 Comonentes do Sistema GNSS Comonente Esacial Comonente utilitária Comonente de Controlo Comonente Esacial - GPS 24 satélites (+5) dos blocos II, IIA e IIR distribuídos or 6 órbitas; órbitas aroximadamente circulares com raio de cerca m, searadas entre si de 60º em longitude; eríodo orbital de 12 horas siderais (11h 58min 26s UTC), que faz com que o nascimento dos satélites se dê cerca de 4 min mais cedo em cada dia; inclinação orbital róxima dos 55º, relativamente ao lano equatorial terrestre. 2

3 Comonente Esacial - Glonass 24 satélites (+3) distribuídos or 3órbitas; órbitas aroximadamente circulares com raio de cerca m, searadas entre si de 110º em longitude; eríodo orbital de 11 hr 15 min siderais, o que faz com que o nascimento dos satélites se dê cerca de 50 min mais cedo em cada dia; inclinação orbital róxima ói dos 64.8º, relativamente ao lano equatorial terrestre. Trajecto reete-se ao fim de 8 dia sideral (o sat. seguinte ercorre a órbita do sat anterior) Comonente Esacial - Galileo 30 satélites distribuídos or 3órbitas; órbitas aroximadamente circulares com raio de cerca m, searadas entre si de 120º em longitude; eríodo orbital de 14 hr 21 min siderais que faz com que o nascimento dos satélites se dê cerca de 2 hr e 24 min mais tarde em cada dia; inclinação orbital róxima ói dos 56º, relativamente ao lano equatorial terrestre. 3

4 Recetor - GNSS Princiais comonentes de um recetor Antena e ré amlificador Processador de sinal Memória Code tracing loo Carrier tracing loo Micro-rocessador Oscilador de recisão Unidade de comando e dislay Unidade de registo de dados Baterias Banda de frequência - GNSS Nem todas frequências de sinais emitidos do esaço chegam à suerfície terrestre, a banda de frequências de GNSS é um exemlo com enetração total na atmosfera. ncias GNSS Frequên 4

5 Banda de frequência - GNSS A banda de frequências do sinal GNSS situa-se nas MICRO- ONDAS (0,3Ghz 300 GHz; 1 m a 1 mm), a qual faz arte da banda das frequências RADIO (3Khz 300 GHz). Formação do Sinal - GPS Frequência básica f 0 Portadora L1 f f 0 90º Código C/A C(t) 0.1 f 0 Mens. Navegação D(t) 50 bs Código P P(t) () f 0 Portadora L2 f f 0 5

6 Modulação/Desmodulação do Sinal Onda ortadora Código PRN Onda Modulada Observáveis do GNSS Pseudo-distância temo de ercurso do sinal, desde o satélite até ao recetor, medida a artir do desfasamento do código PRN e convertida em distância. SATÉLITE RECEPTOR Código emitido elo Satélite Código gerado no Recetor t = t + ts + tr + at P sr = C t t Desfasamento dos Relógios Fase de batimento da onda ortadora diferença de fase entre a fase do sinal gerado no recetor eafasedosinalroveniente do satélite. s s s (t) (t) (t) N (1) ruido r s s (t) ruido (t) r r r r 6

7 Posicionamento GNSS Absoluto (1 recetor) SV1 SV2 SV3 SV4 Relativo/diferencial (2 ou mais recetores) ρ2 ρ3 ρ1 ρ4 q Estação K (X, Y, Z, dt ) Estação Vector Estação m ( X, Y, Z ) ( X, Y, Z ) ( X, Y, Z) m m m Modos de Observação Modos de observação: - estático - cinemático Modo estático: - estático (fase ou código) - ráido-estático (fases L1 e L2 + código) Modo cinemático: - Diferencial (código - DGPS) - RTK (fases L1 e L2 + código - PDGS) 7

8 Métodos de Observação Métodos de observação Posicionamento Navegação Absoluto Diferencial Absoluta Diferencial Pós-Processamento Temo Real Estático Ráido-Estático DGPS Cinemático Pára-Arranca RTK Pseudo-Cinemático Posicionamento (GPS Diferencial) 8

9 Como funciona o GPS diferencial? GPS Diferencial o DGPS usa 2 recetores, um estacionário (estação de referência) e outro em movimento (estação móvel), em registo simultâneo; o DGPS baseia-se no facto de os erros associados a uma dada osição (atmosfera e órbitas dos satélites) oderem ser semelhantes aos erros associados a osições róximas (área local); numa estação com coordenadas conhecidas, os erros são determinados e alicados na forma de correcções diferenciais às observações de estações móveis róximas; o DGPS ode ser alicado em temo-real (caso da Hidrografia) GPS Diferencial Como funciona o GPS diferencial? em modo diferencial, consegue-se assar de uma exactidão de 20 a 40 m (com AS), ou entre 4 a 8 m (sem AS), ara valores: inferiores a 2 m, usando DGPS (correcção diferencial ao código); inferiores a 5 cm, usando o RTK (observações de fase); o DGPS é uma técnica usada essencialmente na navegação e nos levantamentos hidrográficos costeiros e ao largo. o RTK (PDGPS) é uma técnica usada na Toografia e nos Levantamento Hidrográficos (de recisão) nos ortos e cais até 30 Km da base. 9

10 GPS Diferencial Os recetores GPS utilizam sinais emitidos or, elo menos, 4 satélites ara determinar a sua osição. Cada um desses sinais i está sujeito aerrosouatrasos que se devem essencialmente às seguinte causas: Relógios dos satélites; Efemérides; Atmosfera (Ionosfera e Troosfera); Multitrajecto; Relógios dos recetores. Consequentemente, a osição calculada com base nestes sinais estará eivadas de erros associados. GPS Diferencial Como os satélites estão a cerca de m de altitude, equenas distâncias em terra odem considerar-se insignificantes; Se 2 recetores estiverem relativamente erto um do outro (<200 m), os sinais recebidos or ambos atravessam a mesma secção da atmosfera, logo são afectados elos mesmos erros; O DGPS elimina arte dos erros que são comuns aos dois recetores (exceto multitrajecto e erros de recetor); 200 m 10

11 GPS Diferencial O GPS diferencial em temo real é constituído or 3 comonentes rinciais: estação de referência; estação móvel e; sistema de transmissão de dados (data lin). Estação de Referência DGPS GPS Diferencial estação com coordenadas conhecidas cujo objectivo é gerar correcções diferenciais a serem alicadas às observações das estações móveis; a estação de referência é constituída or um recetor com antena GPS e or um com antena GPS e or um data lin (modulador e antena); 11

12 GPS Diferencial A estação de referência recebe em simultâneo os mesmos sinais GPS que os recetores móveis, usa a sua osição (conhecida) e calcular o temo do ercurso verdadeiro do sinal GPS; Comara o temo do ercurso calculado com o temo medido, e calcula a correcção diferencial corresondente à diferença entre os 2 temos de ercurso; Transmite esta informação ao recetor móvel ara que este a alique nas suas medições; calculado 40 ns medido 40.5 ns correcção 0.5 ns As correcções odem ser na unidade de temo (correcção ao t..) ou de distância (correcção à.d.). GPS Diferencial Dado que o recetor de referência não sabe quais os satélites que estão a ser utilizados elo recetor móvel, este calcula os erros associados a todos os satélites disoníveis. Codifica esta informação num formato standard (RTCM) e transmite-a os recetores móveis recebem a lista comleta de correcções e alicamnas aos temos de ercurso dos satélites que estão a ser usados..1 ns.3ns.2ns.5ns.6 ns Sat. Erros 1.6 ns 2.3 ns 3.5 ns 4.2 ns 5.1 ns

13 GPS Diferencial Além da correcção à seudo-distância (PRC) ara cada satélite, é também calculada a sua taxa de variação (RRC), utilizada ara modelar a variação temoral das correcções no eríodo que decorre até à sua alicação na estação móvel (latência). As correcções são convertidas ara um formato binário standard designado or RTCM SC-104, e em seguida transmitidas ara a estação móvel. A mensagem RTCM 2.3 é constituída or diferentes blocos: Nº de Bloco Tio de Mensagem 1 Correcção diferencial 3 Coordenadas da Estação de Referência 18 / 20 Fase não corrigida / Correcções RTK à fase 19 / 21 Pseudo-distância / Correcções RTK à seudo-distância de alta recisão GPS Diferencial Estação móvel DGPS A estação móvel é constituída or um recetor com antena, or um data lin (desmodulador) e um rocessador central. As correcções à seudo-distância e à taxa de variação da distância são recebidas através do data lin, são desmoduladas e a mensagem binária é então enviada ao rocessador central. São calculadas as correcções individuais de seudo-distância, em função da latência, observadas elo recetor GPS na estação móvel. A correcção final adicionada às seudo-distâncias observadas é dada or: PRC(t) = PRC(t0) + RRC(t-t0) 13

14 GPS Diferencial onde PRC(t) = PRC(t0) + RRC(t-t0) t0 é o instante em relação ao qual às correcções foram geradas ela estação de referência; t é instante em relação ao qual às seudo-distâncias ara a estação móvel foram observadas. PRC(t) é a correcção a ser alicada à seudo-distância medida na estação móvel, no instante t; PRC(t0) é a correcção gerada ela estação de referência, calcula no instante t0; RRC(t-t0) é a correcção de variação da seudo-distância; GPS Diferencial Dadas duas estações, (fixa) e m (livre), onde ara um satélite qualquer q se tem m P Cdt P Cdt Sendo conhecidas as coordenadas da estação, odemos calcular a distância verdadeira ao satélite, e fazendo a diferença com a distância observada determina-se a chamada correcção diferencial: m m Alicada esta correcção à distância da estação m, obtém-se a resectiva distância corrigida. ( D D ) m Com 4 satélite, obtém-se um sistema do qual resultam coordenadas mais recisas (0.8 a 1.5m) ara a estação m. m D P Cdt ( X X ) ( Y Y ) ( Z Z ) m m m m ( X X ) ( Y Y ) ( Z Z ) m m m m ( X X ) ( Y Y ) ( Z Z ) m m m m ( X X ) ( Y Y ) ( Z Z ) m m m m 14

15 GPS Diferencial DGPS Data Lins O data lin ermite a comunicação entre a estação de referência e a estação móvel (transmissão num só sentido); Existem vários sistemas de comunicação disoníveis: sistemas rádio de MF, VHF e UHF (rádio-faróis, emissoras, antenas); rede de telemóvel GSM, comunicação onto-a-onto; redes GPRS (internet móvel), RENEP do IGP e SERVIR do IGeoE; via satélite, (WAAS, EGNOS, MSAS). As comunicações via rádio são de sinal aberto e ermitem a utilização da informação de navegação or qualquer utilizador; As redes móveis só ermitem utilizadores autorizados, GSM de canal único e GPRS multi-utilizador. GPS Diferencial A Rede DGPS Portuguesa O Instituto tuto Hidrográfico desenvolveu eu um rojecto de uma rede DGPS, com 4 estações transmissoras de correcções, 2 no continente e 1 em cada um dos arquiélagos; As 2 estações DGPS do continente estão localizadas no Cabo Carvoeiro e em Sagres. Nas ilhas, estão instaladas estações na Horta e do Porto Santo; Localização Alcance Teórico Frequência Sagres 200 mi 305,5 Khz Cabo Carvoeiro 200 mi 311,5 Khz 15

16 GPS Diferencial Diagrama de cobertura da rede DGPS ortuguesa no continente verde claro áreas onde se recebe o sinal de 1 estação DGPS; verde intermédio áreas de cobertura dula; verde escuro áreas onde se recebe o sinal de 3 estações. GPS Diferencial Sistema GPS Trimble da Administração do Porto de Lisboa Estação de Referência itinerante. Embarcação com estação móvel. 16

17 Posicionamento Preciso Posicionamento Preciso - PDGNSS Diferença de fase: () t () t () t N () 1 ruido () t () t () t N (1) ruído - diferença de fase observada em unidades de ciclo, uma função acumulativa dos ciclos inteiros da onda roduzida; - fase do sinal do satélite no instante de receção; - fase do sinal do recetor no instante de receção; - ambiguidade inteira, que reresenta o número de ciclos (comrimentos de onda) corresondentes ao ercurso do sinal, desde o satélite até ao recetor no instante relativo à éoca inicial; - termo relativo aos erros dos relógios, erros da atmosfera e outros. 17

18 Posicionamento Preciso - PDGNSS Ambiguidade da fase da ortadora - N - comrimento de onda da ortadora - fase do sinal no instante da receção N 0 ambiguidade inicial da fase (N=N 0 +Int()) Éoca t 0 Éoca t Dados RINEX G11G14G17G19G20G23G28G Estação Estação Posicionamento Preciso - PDGNSS Fase observada f () t () t T () t () t N() 1 C Diferenças simles da fase observada m (t) (t) (t) (t) N f ( t) m (t) m m C Diferenças dulas da fase observada m q q m m q m f C q q q (t) (t) (t) (t) N m m m Vector Diferenças trilas da fase observada q q q ( t1) ( t) m m m Estação Estação m 18

19 Posicionamento RTK RTK Real Time Kinematics Posicionamento DGPS de alta recisão (PDGPS) Posicionamento cinemático em Temo Real Correcção diferencial de código (C/A) + fase (L1&L2) Formato actual da mensagem: RTCM 3.1 Vias de comunicação: VHF ou UHF, Internet (GPRS), Wireless Soluções: Base-a-base e Redes (VRS, FKP, i-max) Redes em Portugal: RENEP (IGP) e SERVIR (IGeoE) Distância máxima à base: até 30 m (odendo chegar a 40 m) Precisão: 2 a 5 cm Redes RTK Arquitectura LEICA 19

20 Redes Nacionais RTK SERVIR (VRS) RENEP (Base-a-Base; Nearest; i-max) Posicionamento RTK Precisão RTK: Este: 11mm Norte: 16mm Altura: 31mm 20

21 Posicionamento RTK Transformação WGS84 Datum 73 WGS84 (X, Y, Z) Transformação entre Sistema de Coordenadas (Molodensy ou Helmert) Datum 73 (X, Y, Z) Conversão de Coordenadas Datum 73 (,, h) Hayford-Gaus D73 (M, P, H) Projecção Cartográfica + ondulação do Geóide 21