Coordenadas dos Satélites GNSS. EAC-066: Geodésia Espacial

Transcrição

1 Coordenadas dos Satélites GNSS EAC-066: Geodésia Espacial Prof. Paulo Augusto Ferreira Borges 1 1/26

2 Introdução Para que usuário possa obter as coordenadas instantâneas da antena de um receptor GNSS de navegação é necessário que tenha acesso às posições e ao sistema de tempo dos satélites em tempo real. Estas informações são acessadas a partir dos sinais dos satélites, contidas nas efemérides transmitidas. Nos casos em que o usuário não necessita da posição instantânea, mas sim de um posição de alta acurácia, é possível acessar, posteriormente, via internet, as efemérides pós-processadas, conhecidas também como efemérides precisas, produzidas por diversos centros que compõe o IGS. Para as efemérides transmitidas adota-se o sistema de referência WGS84, enquanto as efemérides precisas são referenciadas a um dos referenciais ITRF. 2/26

3 Introdução A produção das efemérides envolve, em geral, duas etapas: 1. Produção das efemérides de referência para determinado período com base em um modelo das forças que atuam nos satélites (atração gravitacional da Terra, do Sol e da Lua além da pressão da radiação solar sobre os satélites); 2. Na segunda etapa, calcula-se as discrepâncias entre as observações coletadas nas estações monitoras e as calculadas com base nas efemérides de referência, as quais são processadas, a partir do algoritmo de filtragem de Kalman, com a inclusão de quatro semanas de dados, para predição das correções das efemérides de referência e do comportamento dos relógios dos satélites. 3/26

4 Introdução O procedimento da segunda etapa envolve a observação das pseudodistâncias de todos os satélites visíveis nas estações de controle, as quais são corrigidas da refração troposférica e ionosférica e dos efeitos relativistas. Assim, as primeiras 28 horas de predição são divididas em intervalos de 4 horas, com sobreposição de 1 hora. Uma vez por dia, ou com mais frequência, quando necessário, elas são transmitidas para os satélites. 4/26

5 Introdução As medições corrigidas e as observações suavizadas com o auxílio da fase da onda portadora são inseridas no processo do filtragem de Kalman e usadas para estimar os seguintes estados: posição do satélite na época; velocidade do satélite na época; três parâmetros de relógio por satélite; coeficientes de pressão de radiação solar por satélite; tendência de aceleração do eixo y; dois parâmetros de relógio por estação monitora; um fator de escala troposférica por estação monitora. 5/26

6 Introdução A posição do satélite é determinada a partir do conhecimento de sua órbita normal e perturbada. Órbita normal (Kepleriana): É uma órbita teórica, na qual não são consideradas as perturbações, causadas devido à não distribuição homogênea de massas da Terra. Assim considera-se que a Terra possui distribuição homogênea, agindo apenas uma força de atração entre ela e o satélite. Órbita perturbada: é baseada numa Terra não homogênea, na qual atuam muitos distúrbios e perturbações dos elementos keplerianos. Estas perturbações podem ser divididas em: Gravitacionais e Não Gravitacionais. 6/26

7 Introdução A Posição do satélite em movimento na órbita sujeito unicamente à força da gravidade, descreve uma elipse no espaço, sendo uns dos focos a Terra. Tanto o satélite quanto a Terra são considerados esféricos e homogêneos no que diz respeito a distribuição de massa, podendo reduzi-los a um ponto material (Monico; Galo, 1988). 7/26

8 Órbitas transmitidas do (Broadcast Efhemeris) GPS A partir da predição da órbita de um satélite GPS com um arco de 28 horas, dividido em intervalos de 4 horas, com sobreposição de 1 hora, geram-se nove efemérides diferentes. Embora a predição das órbitas dos satélites GPS sejam dadas em coordenadas cartesianas com as respectivas velocidades, elas são transformadas em elementos keplerianos, de acordo com o formato de navegação, por requerer menor espaço em memória, além de proporcionar maior flexibilidade ao segmento de controle do GPS. A representação de todos os elementos que descrevem a órbita e dos parâmetros que descrevem o comportamento do relógio do satélite estão apresentados na Tabela 1. Os parâmetros das efemérides e relógios (clock) referem-se, respectivamente, a uma época origem to e e to c, os quais nem sempre coincidem. 8/26

9 Órbitas transmitidas do (Broadcast Efhemeris) GPS Estes dois parâmetros são válidos para um intervalo de tempo de cerca de duas horas antes e duas horas depois da época de origem. A ligação entre duas efemérides adjacentes podem resultar em pequenos degraus entre as coordenadas comuns a uma mesma época, os quais são reduzidos por técnicas de suavização e de aproximação, tais como os polinômios de Chebyshev, alcançando-se precisões da ordem de alguns decímetros. Os parâmetros listados na Tabela 1 são usados para calcular o tempo GPS de cada satélite, bem como suas coordenadas. O primeiro grupo de parâmetros é empregado para corrigir o tempo do relógio do satélite, e o segundo grupo, para determinar a elipse kepleriana na época de referência to e. O terceiro grupo contém os nove parâmetros perturbadores da órbita normal. O sistema de referência terrestre adotado é o WGS84. 9/26

10 Órbitas transmitidas do (Broadcast Efhemeris) GPS Tabela 1: Elementos definidores das efemérides transmitidas do GPS Parâmetros de tempo to e to c a 0, a 1, a 2 IODC Tempo origem das efemérides Tempo origem do relógio Coeficientes do polinómio para correção do relógio do satélite Emissão dos dados Nº de identificação arbitrário Primeiro grupo de parâmetros s s s, Unidade sτs, ( sτs 2 ) a 0, a 1, a 2 representam respectivamente o estado, a marcha linear e a variação da marcha do relógio do satélite no instante de referência 10/26

11 Órbitas transmitidas do (Broadcast Efhemeris) GPS Elementos Keplerianos e a i 0 Ω 0 w M 0 Raiz quadrada do semieixo maior da órbita Excentricidade da órbita Inclinação da órbita no to e Ascensão reta do nodo ascendente no to e Argumento do perigeu Anomalia média no to e Segundo grupo de parâmetros Unidade m 1 2 sem dimensão radianos radianos radianos radianos 11/26

12 Órbitas transmitidas do (Broadcast Efhemeris) GPS Parâmetros Perturbadores Unidade Δn Ωሶ iሷ C us C uc C is Terceiro grupo de parâmetros Correção ao movimento médio calculado Variação temporal da ascensão reta Variação temporal da inclinação Amplitude do termo harmônico seno de correção de argumento de latitude Amplitude do termo harmônico cosseno de correção de argumento de latitude Amplitude do termo harmônico seno de correção da inclinação da órbita radianos/s radianos/s radianos/s radianos radianos radianos 12/26

13 Órbitas transmitidas do (Broadcast Efhemeris) GPS Parâmetros Perturbadores C ic C rs C rc Amplitude do termo harmônico cosseno de correção da inclinação da órbita Amplitude do termo harmônico seno de correção do raio orbital Amplitude do termo harmônico cosseno de correção do raio orbital Terceiro grupo de parâmetros (continuação) Unidade radianos m m 13/26

14 Órbitas transmitidas do (Broadcast Efhemeris) GPS 14/26

15 Mensagens de navegação no Formato RINEX V2.1 RINEX (Receiver IndependentExchange Format) 15/26

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17 Órbitas (Efemérides) Precisas De acordo com Seeber (1993), as efemérides transmitidas são preditas e comunicadas aos usuários através de mensagens de navegação, enquanto que as efemérides precisas são provenientes de estimativas feitas por centros subordinados ao IGS (International GNSS Service) a partir de elementos orbitais observados. Por este motivo, a acurácia das efemérides precisas é melhor do que a acurácia das efemérides transmitidas. 17/26

18 Órbitas (Efemérides) Precisas Monico (2008) afirma que o uso das efemérides transmitidas tem sido feito principalmente no processamento de bases curtas e aplicações na topografia, enquanto as efemérides precisas têm sido utilizadas no processamento de linhas de base longas e em aplicações que sejam requeridas grandes precisões, como geodinâmica, controle do movimento de estruturas e etc. Segundo Spofford e Remondi (1996), a identificação das efemérides precisas se dá com base na sigla do órgão que a produziu, na semana GPS correspondente e no dia da semana GPS (começa com 0 no domingo e vai até 6 no sábado). A extensão utilizada é a sp3 e é uma sigla para Standard Product 3. 18/26

19 Órbitas (Efemérides) Precisas 19/26

20 Órbitas (Efemérides) Precisas A partir das órbitas produzidas por esses centros, são realizadas combinações que geram os seguintes tipos de efemérides precisas (Monico, 2008): IGU: órbitas IGS ultrarrápidas, é composta por duas partes (preditas e observadas). A sua latência varia de 3 a 9 horas e são disponibilizadas 4 vezes por dia. IGR: órbitas IGS rápidas têm latência que vai de 17 a 41 horas. IGS: órbitas IGS finais, é resultante da combinação de órbitas de vários centros de análise, sua latência varia de 12 a 18 dias após a coleta de dados. 20/26

21 Órbitas (Efemérides) Precisas O arquivo das efemérides precisas contêm as coordenadas X, Y e Z dos satélites, em quilômetros, referenciados a alguma das realizações ITRS (International Terrestrial Reference System) além das correções do relógio dos satélites em microssegundos, os quais são dados, em épocas equidistantes, em geral a cada 15 minutos. A seguir, tem-se um fluxograma dos procedimentos necessários para processamento de dados pelo método relativo, quando se deseja utilizar as efemérides precisas. Os exemplos aplicam-se quando deseja-se atualizar apenas a época do levantamento e também para atualização do referencial. 21/26

22 Órbitas (Efemérides) Precisas 22/26

23 Órbitas (Efemérides) Precisas 23/26

24 Referências Bibliográficas ALTAMIMI, Z.; REBISCHUNG, P.; MÉTTIVIER, L. e XAVIER, C. (2016), ITRF2014: Uma nova versão do International Terrestrial Reference Frame que modela movimentos de estações não lineares, J. Geophys. Res. Solid Earth, 121, doi: / 2016JB DREWES H., HEIDBACH O. (2005). Deformation of the South American crust estimated from finite element and collocation methods. In: Sansò F. (Ed.) A Window on the Future of Geodesy, IAG Symposia 128: , Springer, doi: / _92. DREWES H., HEIDBACH O. (2012). The 2009 Horizontal Velocity Field for South America and the Caribbean. In: Kenyon S., M.C. Pacino, U. Marti (Eds.), "Geodesy for Planet Earth", IAG Symposia, 136: , doi: / _81. DREWES H., SÁNCHEZ L. (2017): Velocity model for SIRGAS 2017: VEMOS2017, Technische Universitaet Muenchen, Deutsches Geodaetisches Forschungsinstitut (DGFI-TUM), IGS RNAAC SIRGAS. 24/26

25 Referências Bibliográficas DREWES H. and SÁNCHEZ L. (2017): The varying surface kinematics in Latin America: VEMOS 2009, 2015, and 2017, Symposium SIRGAS2018. Mendoza, Argentina. November 28, McCARTHY, D. D. IERS Standards (1992), IERS Technical Note 13, Central Bureau of IERS- Observatoire de Paris, 150p., McCARTHY D. D. IERS Standards (2000), IERS Technical Note 23, Central Bureau of IERS- Observatoire de Paris, 138p., MONICO, J. F. G. Posicionamento pelo GNSS: Descrição, fundamentos e aplicações. São Paulo: UNESP, p. PROL, F. S.; MARCATO JUNIOR, J.; NIEVINSK, F. G.; GOMES, R. L.; PARANHOS FILHO, A. C. Transformação entre referenciais e cálculo de velocidades através do aplicativo web TREVel. Revista Brasileira de Cartografia, N 66/3, p , /26

26 Referências Bibliográficas SÁNCHEZ L., DREWES H. (2016): VEMOS2015: Velocity and deformation model for Latin America and the Caribbean. doi: /PANGAEA SÁNCHEZ L., DREWES H. (2016): Crustal deformation and surface kinematics after the 2010 earthquakes in Latin America. Journal of Geodynamics, doi: /j.jog SUCI, F. M.; CARVALHO, A. S.; COSTA, M. F. (2010): Influência das Efemérides Transmitidas e Precisas no Transporte de Coordenadas. Revista AGROGEOAMBIENTAL, p , abril /26