7- GPS 2-D. GPS Global Positioning System

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1 7- GPS GPS Global Positioning System o GPS é um sistema de navegação baseado numa rede de 24 satélites. Começou oficialmente há cerca de 20 anos, como aplicação militar dos E.U.A. Hoje em dia existe uma rede global e vendem-se receptores GPS por todo o mundo. O 1º satélite GPS surgiu em A constelação de 24 satélites ficou completa em Cada satélite é construído para durar aproximadamente 10 anos D Navegação a 2-D requer relógios precisos em cada estação não necessita de participação do utilizador 2 incógnitas: latitude e longitude (2 eqs.) Transmissores emitem sinal com tempo de transmissão codificado. receptor sincronizado com emissores para que se possa determinar tempo propagação. 91 1

2 Conceito GPS Em cada satélite existe um relógio atómico de elevada precisão que é emitido. A velocidade de propagação é constante (c=3x10 8 m/s), o que permite determinar o tempo de propagação do sinal e por conseguinte a distância. Usam-se técnicas de triangulação para determinar a nossa localização. São necessários pelo menos 4 satélites visíveis porque temos 4 incógnitas: x, y, z e precisão do relógio local 92 Órbitas 27 satélites ( reserva) em órbitas circulares de 12h (altitude de 20183Km) 6 planos de órbita com inclinação de 55º face ao equador. Acima de 15º de elevação conseguem-se ver pelo menos 4 satélites na maior parte dos locais da superfície da terra. 93 2

3 Planos orbitais 94 Trajectória dos satélites vista da terra 95 3

4 GPS - como funciona O receptor GPS está continuamente a escutar os sinais enviados pelos satélites Um sinal GPS pode-se dividir em 3 partes: código pseudo-aleatório identifica o satélite em uso. dados efémeros contêm informação sobre o estado actual do satélite, assim como a data e hora, que são essenciais para o cálculo da posição do receptor. dados almanaque dão informação sobre onde cada satélite GPS estará ao longo do dia. Cada satélite transmite a sua informação orbital assim como a dos outros satélites do sistema. 96 GPS - como funciona (2) É tecnicamente possível manter os relógios de todos os satélites sincronizados (na ordem de 1 ns) com o receptor GPS mas: É muitíssimo caro! (mais de 150 mil euros) E nada portátil... Receptor GPS tem um oscilador baseado num cristal (barato) O tempo (medido pelo receptor) que o sinal de um satélite demora a chegar ao receptor é: Tempo de transmissão + offset relógio receptor do tempo GPS 97 4

5 4 equações 4 incógnitas A distância medida é então: R 1 =c ( t 1 + T)» C veloc. luz R 1 pseudo-distância» t 1 tempo de transmissão do sinal» T offset do relógio receptor face ao tempo GPS Temos 4 incógnitas: X (ou longitude) Y (ou latitude) Z (ou altitude) Offset do relógio do receptor 98 4 equações 4 incógnitas (2) Satélite 1 R 1 = c ( t 1 + T - τ1) Distância corrigida do relógio do satélite: R 1 = c ( t 1 + T) Verdadeira distância c t 1 = R 1 c T 99 5

6 Medição da velocidade Para além da posição do utilizador é possível determinar a velocidade Medindo o desvio Doppler da portadora de frequência recebida de cada um dos sinais dos 4 satélites. O erro devido ao offset do relógio do receptor pode ser eliminado usando 4 satélites. 4 equações para 4 incógnitas: 3 componentes de velocidade + offset segmentos Podemos dividir o sistema GPS em 3 segmentos: Espaço Controlo Utilizador 101 6

7 SEGMENTO ESPAÇO Satélite de 3 eixos com painéis solares e baterias para os eclipses. Downlink funciona na banda L (L1=1575,42 MHz L2=1227,6MHz) na polarização circular da mão direita. Uplink e downlink de controlo na banda S 102 SEGMENTO CONTROLO 103 7

8 SEGMENTO UTILIZADOR O GPS tem 2 níveis de precisão: Standard Positioning Service (SPS) disponível sem restrições na banda L1 código tem 1023 bits de comprimento (C/A) chip rate: Mbit/s Largura de banda: 1.023MHz de cada lado da portadora L1 Precision Positioning Service (PPS) só para utilizadores autorizados pelo dept. Defesa dos EUA: usa bandas L1 e L2 É transmitido um código adicional P(Y) em L1 e outro em L2. Chip rate: Mbit/s Largura de banda: 20.46MHz O código P(Y) é pseudo-aleatório e dura 37 semanas! 104 PPS A velocidade do sinal na ionosfera varia, sendo diferente da velocidade da luz, pelo que a utilização de 2 freqs permite prever o efeito da ionosfera na propagação, melhorando a precisão. Não existe dithering do sinal de relógio Tendo a chave, é possível gerar um código idêntico no receptor 105 8

9 Receptor GPS Cada sistema tem uma antena e um receptor de micro-ondas. O sinal CDMA recebido é dividido numa série de canais paralelos permitindo receber mensagens de vários satélites em paralelo o que melhora a velocidade de lock 106 Carrier Phase Positioning 107 9

10 Differential GPS A precisão do SPS está limitada a cerca de 100 m. A precisão dos relógios dos satélites muda de forma pseudo-aleatória Monitorizando o satélite com um receptor numa localização fixa consegue-se determinar o dithering A variação de posição no tempo é grandemente determinado pelo processo de dithering por isso se se transmitir o nível de dithering para os outros utilizadores consegue-se remover o efeito deste. 108 Custos de receptores

11 Fontes de erro no GPS Erro do relógio do satélite Atrasos atmosféricos Erros orbitais Propagação multi-percurso (multipath) Nº de satélites visíveis Escolha da localização dos satélites Ruído do receptor 110 Perda de precisão devido a má escolha da localização dos satélites

12 GALILEO (ESA) Usa duas frequências como standard: oferece precisão na ordem do metro Completamente operacional em satélites ( reservas) em três órbitas médias circulares (MEO) a 23616km de altitude. Dois relógios: um baseado na frequência atómica do Rubídio e outro usando um maser passivo de Hidrogénio. Os relógios nos satélites Galileo terão precisão de um bilião de segundo numa hora