SISTEMA DE POSICIONAMENTO GLOBAL (GPS)

Transcrição

1 SISTEMA DE POSICIONAMENTO GLOBAL (GPS) Eng. Florestal Marcos Giongo Alves PITANGA / PARANÁ JULHO / 2007

2 Histórico PRIMEIRA ERA: AMÉRICO VESPÚCIO - ALMANAQUE DOS CORPOS CELESTRE (1499); DIFERENÇA DE TEMPO ENTRE O APARECIMENTO DAS ESTRELAS; SEGUNDA ERA: RÁDIO-NAVEGAÇÃO 1912 (SINAL DE RÁDIO); DESENVOLVIMENTO DO RADAR (LAPSO ENTRE O TEMPO DE EMISSÃO E RECEPÇÃO DE ONDAS) (MORCEGOS); TERCEIRA ERA: RECEPTORES DE SINAIS DE SATÉLITE;

3 Segmentos do GPS O SISTEMA GPS É COMPOSTO BASICAMENTE POR TRÊS SEGMENTOS: SEGMENTO ESPACIAL SEGMENTO DE CONTROLE SEGMENTO DE USUÁRIO

4 Segmentos espacial

5 Segmentos espacial

6 Segmentos espacial BLOCO I Satélite protótipos LANÇAMENTO DE 78 A 85 Nº 11 VIDA ÚTIL: 5 ANOS QUARTZO BLOCO II / IIA Satélites em produção LANÇAMENTO DE 89 A 90 Nº 28 VIDA ÚTIL: 7,5 ANOS CÉSIO E RUBÍDIO BLOCO IIR Satélites de reposição LANÇAMENTO DE 97 a 05 Nº 21 VIDA ÚTIL: 10 ANOS RUBÍDIO BLOCO IIF Satélites sucessores A PARTIR DE 05 Nº 12 VIDA ÚTIL: 15 ANOS

7 Segmentos espacial SATÉLITE BLOCO II

8 Segmentos de controle

9 Segmentos de controle Estação de controle (HAWAI)

10 Segmentos usuário MILITAR CIVIL

11 Segmentos usuário POSICIONAMENTO DE VEÍCULOS LEVANTAMENTOS BATIMÉTRICOS AGRICULTURA AVIAÇÃO LEVANTAMENTOS AQUEOLÓGICOS MONITORAMENTO DE ANIMAIS

12 Segmentos usuário DOIS SERVIÇOS DISTINTOS: POSICIONAMENTO PRECISO (PRECISE POSITIONING SERVICE PPS) POSICIONAMENTO PADRÃO (STANDARD POSITIONING SERVICE SPS) PPS USO EXCLUSIVO PARA O SERVIÇO MILITAR DOS EUA O ERRO NO POSICIONAMENTO ABSOLUTO PARA USUÁRIOS SPS, QUANDO A TÉCNICA DE SEGURANÇA AS ESTÁ DESLIGADA: USUÁRIOS SPS MÉDIA GLOBAL PIOR SITUAÇÃO Fonte: Adaptado de Seeber (2003) HORIZONTAL 13 metros (95%) 36 metros (95%) VERTICAL 22 metros (95%) 77 metros (95%)

13 Funcionamento V = D/T D = V/T ,458 Km/S

14 posicionamento 2D: requer 3 medições GPS Funcionamento 4 seg 6 seg 5 seg errado 7 seg errado 9 seg errado posição errada: clock está errado em 1 segundo 8 seg 3ª medição não coincide com as duas anteriores

15 Funcionamento Uma segunda medição fornece como solução a interseção entre duas esferas: uma circunferência km Interseção: cicunferência km

16 Funcionamento Solução adicionando uma 3ª medição: dois pontos A interseção de três esferas são só dois pontos Na prática 3 medições são suficientes para determinar a posição. Um dos pontos (solução) é descartado já que é uma solução impossível, no espaço ou em alta velocidade.

17 Funcionamento A 4ª medição decidirá entre os dois pontos A 4ª medição apontará para só um dos pontos A 4ª medição permite resolver (remover) o erro do clock (tempo) do receptor

18 Funcionamento Duas freqüências portadoras L Mhz L MHz Três modulações Dois Códigos PRN C/A: Código Civil L1 Opção em L2 no futuro P: Código Militar (Y se encriptado) L1 L2 Mensagem de navegação (NAVDATA) L1 L2

19 Código C/A Fornece em tempo real posição autônoma (isolada) Precisão afetada pela SA Posições refinadas podem ser obtidas aplicando correções diferenciais Aplicadas em tempo real ou pós-processada processada Precisão desde submétrica até 10 metros

20 Código C/A Aplicações: Navegação GIS Levantamentos Topografia Aplicações com precisão entre < 1 e 5 metros

21 Funcionamento ARQUITETURA BÁSICA DE UM RECEPTO DE GPS: MULTIPLOS CANAIS CANAIS ANTENA ANTENA E PRE-AMPLIFICADOR RASTREIO DO DO CÓDIGO CÓDIGO CONTROLE E INTERFACE RÁDIO RÁDIO FREQUENCIA RASTREIO DA DA PORTADORA MICROPROCESSADOR ENERGIA ENERGIA ARMAZENAMENTO DOS DOS DADOS DADOS Fonte: Adaptado de Seeber (2003)

22 Receptores GPS OS RECEPTORES GPS DEVEM OPERAR DE ACORDO COM AS SEGUINTES TAREFAS: a. Seleção dos satélites e determinação da posição aproximada do satélite por meio do almanaque; b. Rastreio e aquisição do sinal de cada satélite selecionado; c. Recepção dos dados de navegação de cada satélite; d. Rastreio dos satélites: medição e monitoramento; e. Fornecimento de posição e velocidade; f. Gravação dos dados para um pós processamento ou transmissão dos dados em tempo real; g. Alimentar comandos dos usuários e mostrar os resultados

23 Classificação de receptores GPS APLICAÇÃO - NAVEGAÇÃO; - GEODÉSICOS; - LEVANTAMENTOS CADASTRAIS; - LEVANTAMENTOS TOPOGRÁFICOS; - DGPS; TIPO DE DADOS QUE RECEBEM - CÓDIGO C/A; - CÓDIGO C/A E ONDA PORTADORA L1; - CÓDIGO C/A E ONDA PORTADORA L1 E L2; - CÓDIGO P E C/A E ONDA PORTADORA L1 E L2; - ONDA PORTADORA L1; e - ONDA PORTADORA L1 E L2.

24 Receptores GPS Limitações do Sistema: Altímetro pouco confiável; Sinais de satélite apresentam difícil penetração em vales, florestas densas; Uso automotivo: antena externa ou junto ao para-brisa; e, Alguns equipamentos a bússola pouco confiável.

25 Receptores de navegação - GERALMENTE RECEBEM APENAS O CÓDIGO C/A; - FORNECEM AO USUÁRIO UMA SOLUÇÃO, EM TEMPO REAL, INDICADA NO VISOR DO RECPTOR; - NÃO ARMAZENAM OS DADOS BRUTOS ENVIADOS PELOS SATÉLITES - ARMAZENAM COORDENADAS INSTÂNTANEAS, ROTAS OU TRAJETÓRIAS; - PRECISÃO PARA USUÁRIOS SPS;

26 GPS Receptores de navegação GARMIN MAGELLAN

27 Receptores de navegação DENTRE NOS FORMATOS; NA DISPOSIÇÃO DE SEUS BOTÕES NO NÚMERO DE CANAIS DISPONÍVEIS PARA RECEBER OS SINAIS DOS SATÉLITES DA CONSTELAÇÃO GPS NA CAPACIDADE DE ARMAZENAMENTO DE INFORMAÇÕES NA LOCALIZAÇÃO DA ANTENA EM CONTER CARTAS DIGITALIZADAS NA POSSIBILIDADE DE ASSOCIAR COM OUTROS SENSORES

28 Receptores de navegação

29 Receptores geodésicos - RECEBEM A FASE DOS CÓDIGOS (C/A E P) E DAS ONDAS PORTADORAS (L1 E L2); - RECEPTORES MODERNOS: PRECISÃO RELATIVAMENTE DE POUCOS DECÍMETROS, PARA MEDIDAS DO CÓDIGO C/A, E DE ATÉ DE DÉCIMO DE MILÍMETROS, PARA A MEDIDA DA FASE PORTADORA, ATINGINDO O MILÍMETRO QUANDO DA SOLUÇÃO DAS AMBIGÜIDADES; - POSSUEM DE 8 A 12 CANAIS; - CAPACIDADE DE RECONSTRUIR A PORTADORA L2 COMPLETA, QUANDO ATIVADO O EFEITO AS; E - GRANDE CAPACIDADE DE MEMÓRIA INTERNA

30 Receptores geodésicos Pathfinder Pro XRS Receptor L1 e código C/A 12 canais Precisão melhor que 50 cm em distâncias de até 300 Km da base utilizando apenas o código C/A e 1cm + 5 ppm em levantamentos cinemáticos com a fase da portadora L1 Precisão submétrica em tempo real Robusto: resistente à água, choque e poeira

31 Receptores geodésicos GS20 Leica Receptor L1 e código C/A 12 canais Precisão da linha de base com somente código, tipicamente 40cm, pós processado 30cm Precisão código e fase L1, cerca de 5 a 10mm (+2ppm) Memória: padrão 32MB, expansível até 2GB Taxa de gravação: 1hora de medição = 2MB, 16 horas de medição = 32MB Comunicação: Bluetooth Resiste a quedas de até 1,20 metros

32 Receptores geodésicos Mobile Mapper Pro Receptor com 12 canais independentes rastreando a portadora L1 e C/A Precisão estática 5mm + 1ppm usando protadora L1 Precisão aproximada de 50cm utilizando código C/A Memória interna de 16MB expansível a 64 MB através de cartão SD Card. Coletor de dados integrado ao receptor com visor colorido. Coleta feições do tipo: Ponto, Linha, Área e Grade. Receptor a prova d'água na categoria IPX7 Autonomia de bateria de 8 a 10horas;

33 Receptores geodésicos TOPCON HIPER LITE L1-L2 L2 RTK Receptor GPS RTK de dupla freqüência (L1+L2) integrado (receptor, antena, rádio, bateria e carregador) 40 canais universais, capaz de rastrear sinais de satélites GPS e Glonass 8 Mb de memória interna (mais de 20 horas de rastreio CA+L1+L2 com intervalo de 15"), Rádio com alcance de até 2km em RTK. Bateria interna com autonomia de 10 horas. Tecnologia Bluetooth Precisão horizontal de 3mm + 0,5ppm e vertical de 5mm + 1.4ppm para levantamentos estáticos e rápido-estáticos e horizontal de 10mm + 1.5ppm e vertical de 20mm + 1.5ppm para levantamentos cinemáticos e RTK Possibilidade de atualização até 128Mb de memória interna Possui 2 portas seriais para dados, 1 porta para alimentação e 1 porta USB.

34 Receptores geodésicos TRIMBLE 5700 Ccom código C/A em L1, portadora completa em L1/L2 24 canais paralelos Corpo construído em liga ultra resistente de magnésio, a prova d água, flutuante, resistente a vibração; Posicionamento GPS diferencial por códigos: Horizontal ± 0,25 m Levantamento GPS Estático e Rápido- Estático: Horizontal ±5 mm Saída USB Possui bateria interna de Lithium-Ion, com capacidade para trabalhar 10 horas ininterruptas, Cartão de memória Compact Flash 128MB Possibilidade de upgrade para RTK com coletor de dados TSC-2 com 128 Mb de memória, e bateria interna recarregável para 30 horas de uso

35 Receptores geodésicos

36 Tipos de antenas Tipos de MONOPOLO antenas - MICROSTRIP OU DIPOLO

37 Tipos de antenas - MICROSTRIP

38 Tipos de antenas HELICOIDAL ESPIRAL

39 GPS Tipos de antenas CHOKE RING

40 Calibração de antenas CÂMARA ANECÓICA CALIBRAÇÃO RELATIVA CALIBRAÇÃO ABSOLUTA

41 Antenas

42 Dilution of precision Um indicador da estabilidade na posição resultante DOP depende da geometria da constelação DOP é um fator multiplicativo que reflete o ruído da medição aos satélites (input) no ruído da solução (output) Menor DOP --> > posição mais precisa Maior DOP --> > posição menos precisa Em levantamentos PDOP e RDOP são os mais importantes PDOP = DOP da posição - referido à geometria instantânea dos SV s RDOP = DOP relativo - referido à mudança na geometria dos SV s no período de observação

43 Dilution of precision Posição relativa dos satélites podem produzir erros PDOP BOM PDOP RUIM 4 seg psuedorange 6 seg psuedorange posicionamento representado por um quadrado posicionamento disperso quando os satélites são próximos

44 Fontes de erro - Relógio posicionamento 2D: requer 3 medições 4 seg 6 seg 5 seg errado 7 seg errado posição errada: clock está errado em 1 segundo 8 seg 9 seg errado 3ª medição não coincide com as duas anteriores