EAC-066: Geodésia Espacial

Métodos de Posicionamento por GNSS EAC-066: Geodésia Espacial Prof. Paulo Augusto Ferreira Borges https://intranet.ifs.ifsuldeminas.edu.br/~paulo.borges/ 1 1/72

Métodos de Posicionamento por GNSS Posicionar um objeto significa determinar as suas coordenadas em relação a um referencial específico. O posicionamento por GNSS pode ser realizado por diferentes métodos e procedimentos. 2/72

Classificação 1- Quanto ao método: a) Posicionamento absoluto, autônomo ou por ponto: as coordenadas estão associadas diretamente a um referencial geocêntrico; b) Posicionamento relativo: quando as coordenadas são determinadas em relação à um referencial materializado por um ou mais vértices com coordenadas conhecidas. c) Posicionamento em rede: dados de uma rede são empregados para determinar as coordenadas da estação. d) Posicionamento DGPS: alguns consideram posicionamento absoluto, e outros relativo. 3/72

Classificação 2- Quanto à característica do objeto: a) Posicionamento Estático: O objeto (aparelho) a ser posicionado está em repouso. b) Posicionamento Cinemático: O objeto (aparelho) a ser posicionado está em movimento. 4/72

Classificação 3- Outros princípios: a) Posicionamento em tempo real: a estimativa da posição da estação de interesse ocorre quase que simultaneamente com a coleta das observações. b) Posicionamento pós-processado: as posições dos pontos em que os dados foram coletados são estimadas num processamento posterior, permitindo aplicar técnicas mais rigorosas de controle de qualidade. 5/72

Posicionamento por Ponto Neste posicionamento basta um receptor, é empregado em navegações de baixa precisão e em levantamentos expeditos. 6/72

Posicionamento por Ponto Dispersão do posicionamento por ponto antes e depois da desativação da SA. 7/72

Posicionamento por Ponto No posicionamento por ponto os principais erros são a qualidade da observável; a acurácia dos parâmetros das mensagens de navegação; cálculo das coordenadas dos satélites e erro do relógio do satélite. E ainda os erros causados por ionosfera, troposfera, multicaminho, etc., que podem ser negligenciados. 8/72

Posicionamento por Ponto Preciso (PPP) Diz-se do posicionamento por ponto preciso, quando com as observáveis pseudodistância ou fase da onda portadora, ou ambas, coletadas por receptores de simples ou dupla frequência, utilizam-se efemérides precisas. Com este método, as coordenadas do vértice de interesse são determinadas de forma absoluta, que dispensa o uso de receptor instalado sobre um vértice de coordenadas conhecidas. 9/72

Posicionamento por Ponto Preciso (PPP) No PPP, obtêm-se alto nível de acurácia, quando todos os erros são tratados adequadamente, ou seja, modelados, corrigidos ou minimizados, e com um longo período de coleta de dados das observações de receptores de dupla frequência. 10/72

Posicionamento por Ponto Preciso (PPP) No Brasil temos o serviço online para a realização do PPP, fornecido pelo IBGE, chamado de IBGE-PPP, o qual é produto de uma parceria ente a Coordenação de Geodésia do IBGE e a Geodetic Survey Division of Natural Resources of Canadá (NRCan). Trata-se de um serviço online e gratuito para o pós-processamento de dados GNSS, disponível desde abril de 2009, que faz uso do software CSRS-PPP (GPS Precise Point Positioning) desenvolvido pela NRCan (IBGE, 2018d). O IBGE- PPP possibilita aos usuários com receptores GPS e/ou GLONASS, adquirir coordenadas de altas precisões referenciadas ao SIRGAS 2000 e ao ITRF. 11/72

Posicionamento por Ponto Preciso (PPP) Esquema do processamento pelo IBGE-PPP. Fonte: IBGE (2018). 12/72

Posicionamento por Ponto Preciso (PPP) Precisão esperada para um levantamento estático usando o IBGE-PPP (m). Uma Frequência (L1) Duas Frequências (L1 e L2) Planimétrico Altimétrico Planimétrico Altimétrico Após 1 hora 0,700 0,600 0,040 0,040 Após 2 horas 0,330 0,330 0,017 0,018 Após 4 horas 0,170 0,220 0,009 0,010 Após 6 horas 0,120 0,180 0,005 0,008 Fonte: adaptado de IBGE (2018). 13/72

Posicionamento por Ponto Preciso (PPP) Para esse posicionamento, algumas organizações têm disponibilizado de forma on-line o PPP, que processa dados no modo estático e cinemático. Tais como: JPL: http://apps.gdgps.net/index.php OPUS: http://www.ngs.noaa.gov/opus/ NRCan: http://www.nrcan.gc.ca/earth-sciences/geomatics/geodeticreference-systems/tools-applications/10925#ppp GAPS: http://gaps.gge.unb.ca/ AUPOS: http://www.ga.gov.au/bin/gps.pl IBGE: http://www.ppp.ibge.gov.br/ppp.htm 14/72

Posicionamento por Ponto Preciso (PPP) O PPP em tempo real deve-se ao fato de alguns centros passarem a disponibilizar os produtos essenciais para o PPP (efemérides e correções dos relógios dos satélites) em tempo real. Organizações prestam serviços de PPP on-line em tempo real: JPL GDGPS: http://www.gdgps.net/ IBGE:http://www.ibge.gov.br/home/geociencias/geodesia/rbmc/ppp_tempo_real.shtm BNC do BKG: http://igs.bkg.bund.de/ntrip/download RT PPP Prof. Haroldo Marques (2012) UFPE: http://www.fct.unesp.br/#!/pesquisa/grupos-de-estudo-e-pesquisa/gege/pps-online/rtppponline/ RTKLib: http://www.rtklib.com/ 15/72

Posicionamento Relativo No posicionamento relativo, as coordenadas do vértice de interesse são determinadas a partir de um ou mais vértices de coordenadas conhecidas. 16/72

Posicionamento Relativo Com as Redes Ativas, ou Sistemas de Controle Ativos (SCA), o usuário pode dispor de apenas um receptor, e acessar dados das estações SCA. No Brasil tem-se a RBMC, entre outras estações contínuas. 17/72

Posicionamento Relativo No posicionamento relativo os erros presentes nas observações originais são reduzidos quando se formam as diferenças entre as observáveis das estações. Essas observáveis secundárias, que derivam das observáveis originais, são usualmente denominadas simples, duplas e triplas diferenças. 18/72

Posicionamento Relativo Simples Diferença (SD): quando se diferenciam as observações de fase de duas estações para o mesmo satélite, cancelando os erros dos relógios dos satélites. Podem ser formadas entre dois receptores, dois satélites ou duas épocas. 19/72

Posicionamento Relativo Dupla Diferença (DD): quando se diferenciam as diferenças simples para dois satélites, cancelando os erros dos relógios dos satélites e dos receptores. Envolve dois receptores e dois satélites. 20/72

Posicionamento Relativo Tripla Diferença (TD): quando se diferencia a dupla diferença no tempo, cancelando os erros dos relógios dos satélites, dos receptores e as ambiguidades. É dada pela diferença entre duas duplas diferenças, envolvendo os mesmos receptores e satélites, porém em duas épocas distintas. 21/72

Posicionamento Relativo Pelo fato de haver várias possibilidades de se executar um posicionamento relativo usando a observável fase da onda portadora, assim este tipo de posicionamento foi subdividido em quatro grupos: estático, estático-rápido, semicinemático e cinemático. 22/72

Posicionamento Relativo No posicionamento relativo estático, tanto os receptores dos vértices de referência quanto os receptores dos vértices de interesse devem permanecer estacionados durante todo o levantamento, por um período mínimo de 20 minutos até várias horas de rastreio. 23/72

Posicionamento Relativo 24/72

Posicionamento Relativo Estático Como a precisão da fase é superior à da pseudodistância, a participação desta última não melhora os resultados de forma significativa. Mas as pseudodistâncias devem estar disponíveis, pois são utilizadas no pré-processamento para estimar o erro do relógio do receptor, calcular o instante aproximado de transmissão do sinal pelo satélite. 25/72

Posicionamento Relativo Estático A figura mostra que, depois de certo período de coleta de dados, a precisão, tanto das coordenadas quanto das ambiguidades, se estabiliza. 26/72

Posicionamento Relativo Estático Sessões que envolvem a coleta de dados de mais de 2 receptores simultaneamente devem ser tratados como uma rede GNSS. Com linhas-base múltiplas (multibaseline), e todas as observações da sessão devem ser processadas em conjunto, em um tratamento rigoroso. E os resultados das multissessões devem ser ajustados. 27/72

Posicionamento Relativo Estático A acurácia do posicionamento relativo estático é de 1,0 a 0,1 ppm, mas se as linhas-base forem maiores que 15 Km para uma precisão melhor que 1 ppm, é necessário o uso de receptores de dupla frequência. 28/72

Posicionamento Relativo Estático-Rápido O posicionamento relativo estático rápido é semelhante ao relativo estático, mas, a principal diferença é a duração da sessão de rastreio, que em geral é menos de 20 minutos que o receptor (móvel) fica em cada estação com coordenadas a determinar, e um receptor (base) fica estático na estação de referência. 29/72

Posicionamento Relativo Estático-Rápido Este método considera apenas uma ocupação de cada estação de interesse, mas existe outra possibilidade que é a reocupação de todas as estações, depois de um intervalo de 50 a 120 minutos. No intervalo entre as 2 ocupações, os satélites se deslocaram, alterando a geometria, o que é essencial para solucionar as ambiguidades. 30/72

Posicionamento Relativo Estático-Rápido Por não haver necessidade de manter o receptor coletando dados no deslocamento entre os vértices de interesse, esse método é uma alternativa para os casos onde ocorram obstruções no intervalo entre os vértices de interesse, e para quem buscam produtividade. 31/72

Posicionamento Relativo Semicinemático (Stop and Go) Este método de posicionamento é uma transição entre o estático-rápido e o cinemático. O princípio desse método está na geometria envolvida entre as duas estações (base e móvel) e os satélites que deve ser alterada para garantir a solução do vetor de ambiguidades. 32/72

Posicionamento Relativo Semicinemático (Stop and Go) Nesse método o receptor deve continuar rastreando os satélites durante o percurso até os pontos de interesse. Pode ser realizado com receptores de simples (as distâncias em relação à estação base devem ser < 10 km) ou dupla frequência. Pode-se usar além de dados da fase, dados de pseudodistância que deve melhorar a performance do método. 33/72

Posicionamento Relativo Semicinemático (Stop and Go) Primeiramente soluciona-se as ambiguidades. Com o receptor base em um ponto de coordenadas conhecidas durante todo o levantamento e o receptor móvel, no primeiro ponto a se determinar durante 5 a 10 minutos, então, ocupa-se as estações de interesse por um curto intervalo de tempo, sem perder a sintonia com os satélites. Havendo perdas de ciclo durante o deslocamento, o vetor de ambiguidades deve ser solucionado novamente. 34/72

Posicionamento Relativo Cinemático No posicionamento relativo cinemático, enquanto um ou mais receptores estão estacionados nos vértices de referência, os receptores que coletam dados dos vértices de interesse permanecem em movimento. Com a observável fase da onda portadora, os dados desse tipo de posicionamento podem ser processados de duas formas, pósprocessado e em tempo real. E a acurácia de 1 a 10 ppm. 35/72

Posicionamento Relativo Cinemático Pós-processado Um receptor ocupa uma estação de coordenadas conhecidas (base) enquanto o outro se desloca sobre as feições de interesse. Com as observações coletadas ao mesmo tempo dos 2 receptores calcula-se as Duplas Distâncias. Se não perder a sintonia com os satélites, o vetor de ambiguidades permanece o mesmo em todo o levantamento. Se ele durar algo em torno de 20 a 30 minutos. 36/72

Posicionamento Relativo Cinemático Em Tempo Real (RTK) O conceito de posicionamento pelo RTK (Real Time Kinematic) baseia-se na transmissão imediata de dados de correções dos sinais de satélites, dos receptores instalados nos vértices de referência aos receptores que percorrem os vértices de interesse. 37/72

Posicionamento Relativo Cinemático Em Tempo Real (RTK) RTK convencional No modo convencional os dados de correção são transmitidos por meio de um link de rádio do receptor instalado no vértice de referência aos receptores que percorrem os vértices de interesse. A solução encontrada é uma linha de base única. 38/72

Posicionamento Relativo Cinemático Em Tempo Real (RTK) RTK convencional Para assegurar o funcionamento do RTK, quatro mensagens no formato RTCM podem ser usadas. Essas mensagens devem ser enviadas para a estação móvel, e conter: as medidas de fase e pseudodistâncias coletadas na estação de referência; as correções às respectivas medidas. 39/72

Posicionamento Relativo Cinemático Em Tempo Real (RTK) RTK convencional O uso do RTK tem algumas limitações, como o alcance do link de rádio, que varia em função da potência do rádio base, a topografia bastante irregular e o custo do equipamento. A acurácia do método está ligada diretamente com a solução das ambiguidades. Exemplos de métodos muito empregado é o LAMBDA (Least Square AMBiguity Decorrelation Adjustment) e o FARA (Fast Ambiguity Resolution Approach). 40/72

Posicionamento Relativo Cinemático Em Tempo Real (RTK) RTK em rede No RTK em rede, existem várias estações de monitoramento contínuo conectadas a um servidor central, a partir do qual são distribuídos, por meio da Internet, os dados de correção aos receptores móveis. 41/72

Posicionamento Relativo Cinemático Em Tempo Real (RTK) RTK em rede Com este método de posicionamento é possível obter mais de um vetor, dependendo do número de estações de referência envolvidas, e com isso efetuar o ajustamento das observações, proporcionando maior precisão e controle. 42/72

Posicionamento Relativo Cinemático Em Tempo Real (RTK) RTK em rede Foram desenvolvidos alguns algoritmos para correções a partir dos dados das estações da rede, como: A Interpolação e Ajustamento Condicional que se concentram na geração de correções para a fase; MAC que faz correções padronizadas da rede disponibilizadas por uma estação mestre; RTX que corrige através de dados de observações e correções. VRS (Virtual Reference Station) cria estrutura de uma estação virtual nas proximidades do usuário. 43/72

Posicionamento Relativo Cinemático Em Tempo Real (RTK) RTK em rede (VRS) Como este algoritmo é mais empregado, conceitua-se que VRS gera uma estação que não existe fisicamente simulando uma estação base próxima ao receptor móvel. Assim os dados de estações virtuais não são obtidos de um receptor real. E são calculados de observações GNSS de estações de redes ativas. 44/72

Posicionamento Relativo Cinemático Em Tempo Real (RTK) RTK em rede O usuário usa os dados dessa VRS como se fosse uma estação de referência real. 45/72

Posicionamento Relativo Cinemático Em Tempo Real (RTK) RTK em rede O IBGE fornece gratuitamente um serviço de RTK em rede, que disponibiliza dados de correção via protocolo Internet conhecido por Networked Transport of RTCM via Internet Protocol (NTRIP), em formato definido pelo Radio Technical Committee for Maritime Service (RTCM). 46/72

Posicionamento Relativo Cinemático Em Tempo Real (RTK) RBMC-IP: Rede Brasileira de Monitoramento Contínuo dos Sistemas GNSS em tempo real. https://ww2.ibge.gov.br/home/geociencias/geodesia/rbmc/ntrip/default.shtm 47/72

Posicionamento Differential GNSS (DGNSS) O DGNSS foi desenvolvido inicialmente com o intuito de minimizar o efeito da Selective Availability (SA). É uma técnica usada para melhorar a posição do usuário através da aplicação de correções vindas de uma estação de rastreamento contínuo. Essas correções são enviadas ao usuário através de um link de rádio no formato RTCM no entanto atualmente protocolos de internet estão sendo utilizados na transmissão dos dados GNSS, como o NTRIP. 48/72

Posicionamento Differential GNSS (DGNSS) Diferentes métodos podem ser utilizados para gerar correções: Na posição: a posição da estação de referência derivada das coletas é comparada com sua posição considerada verdadeira. As correções da posição em coordenadas cartesianas ΔX, ΔY, ΔZ ou geodésicas Δφ, Δλ e Δh, são transmitidas e utilizadas para corrigir a posição do receptor móvel. 49/72

Posicionamento Differential GNSS (DGNSS) Na pseudodistância: as pseudodistâncias observadas de todos os satélites visíveis são comparadas com as calculadas a partir das coordenadas da estação base e dos satélites. Sendo obtidas as correções para cada pseudodistância da estação base. As diferenças e suas variações são transmitidas para o receptor móvel para corrigir as pseudodistâncias observadas. 50/72

Posicionamento Differential GNSS (DGNSS) Devido à decorrelação dos erros (ionosfera, troposfera e órbita), quando o receptor móvel se afasta da estação de referência a acurácia decresce aproximadamente 1m para cada 100 km (para ambos métodos) No DGNSS pode-se utilizar a observável original pseudodistância que proporciona a acurácia de 1 a 3 m ou a filtrada pela onda portadora que pode alcançar acurácia submétrica. 51/72

Posicionamento Differential GNSS (DGNSS) Com atrasos na obtenção dos resultados devido ao intervalo de tempo de envio das correções da base para a estação móvel. Esse atraso é a latência, que depende das características do sistema que realiza os cálculos, do controle e envio das correções por um sistema de transmissão. Quanto maior for a taxa de transmissão menor será a latência. 52/72

Posicionamento WADGNSS Desenvolvimento do WADGNSS (Wide Area DGNSS) com objetivo de reduzir as deficiências do DGNSS, principalmente a decorrelação espacial dos erros. O WADGNSS proporciona um vetor de correções composto de erros das efemérides e do relógio para cada satélite, parâmetros inerentes aos efeitos ionosféricos e refração troposférica. 53/72

Posicionamento WADGNSS As medidas coletadas em cada estação são enviadas para a estação monitora, a qual estima e analisa as componentes do vetor de correções. As correções são transmitidas para os usuários via um sistema de comunicação apropriado, como, por exemplo, satélites de comunicação geoestacionários, redes FM, etc. Exemplos: WAAS nos Estados Unidos; EGNOS na Europa; MSAS no Japão; GAGAN na Índia. Sistema Omnistar (Fugro); e StarFire (John Deere). 54/72

STAR FIRE 3040 55/72

STAR FIRE 3040 Características Técnicas do Sistema: 66 Canais Independentes: GPS - L1, L2, L2C & L5 Fase, CA, L1P, L2P & L2C código; GLONASS - G1 & G2 Fase, CA & P código; GALILEO - E1 e E5a; SBAS - WAAS, EGNOS, MSAS & GAGAN. Métodos de Levantamento: Portadora, RTK, StarFire (GSBAS) e Modo Navegação; 56/72

STAR FIRE 3040 Duas Baterias Internas com autonomia de 10h e entrada para energia externa; Memória SD CARD 2 GB; Interface de comunicação: Bluetooth, USB, Serial RS232; 57/72

STAR FIRE 3040 Smart Antena; 1.450 kg com baterias; Antena Calibrada NGS; 58/72

STAR FIRE 3040 1 Watt Rádio Interno (403 473 MHZ); Rádio Externo (403 473 MHZ); 59/72

STAR FIRE 3040 RTK GNSS LIGA BLUETOOTH DADOS BATERIA STARFIRE 60/72

CARACTERÍSTICAS STAR FIRE O StarFire serviço de correção global fornece em tempo real precisão normalmente melhor do que 5cm (<2 polegadas). Seu sinal está disponível globalmente corrigido em praticamente qualquer lugar na superfície da Terra em terra ou mar, desde a latitude 76 N a 76 S. 61/72

CARACTERÍSTICAS STAR FIRE Para conseguir isso, StarFire utiliza uma rede de mais de 60 estações de referência GNSS em todo o mundo para calcular a órbita de satélites GNSS e correções de relógio. Dois centros de processamento completamente redundante e links de comunicação múltiplos assegurar a disponibilidade contínua de correções StarFire GPS. Essas correções são transmitidas através de satélites geoestacionários, proporcionando uma cobertura mundial e permitindo a navegação em tempo real e preciso, sem a necessidade de estações de base locais (via UHF). 62/72

CARACTERÍSTICAS STAR FIRE Sistema GSBAS com as respectivas áreas de cobertura. Em vermelho têm se a distribuição das estações globais de referência usadas pelo sistema StarFire. 63/72

CARACTERÍSTICAS STAR FIRE A Rede StarFire apresenta um grande avanço em relação aos sistemas de correções locais, uma vez que o sistema considera que as fontes de erro dos sinais dos satélites GNSS são consideradas de forma independente. A órbita dos satélites GNSS e as correções de relógio são calculados a partir de uma rede de monitoramento global de receptores de dupla frequência. Essas correções são transmitidas via links de satélite geoestacionários diretamente aos receptores StarFire, resultando em latência mínima de dados desde que se considere uma máscara de elevação mínima de 10 para os satélites geoestacionários. 64/72

CARACTERÍSTICAS STAR FIRE Todos os receptores StarFire utilizam um receptor GNSS multifrequência que mede o atraso ionosférico para cada satélite. Atrasos troposféricos zenital são calculados a partir de vários épocas de observação obtendo-se um modelo a partir de observações redundantes. O sistema é altamente robusto, com a capacidade de calcular um conjunto completo de correções, mesmo que algumas das estações de referência se tornem indisponíveis. Com um tempo de atualização de 99,999%, os usuários tem a certeza da disponibilidade global e da acurácia do sistema. 65/72

CARACTERÍSTICAS STAR FIRE - GSBAS vs. dgnss A fim de avaliar as opções de posicionamento por satélite disponíveis, as fontes primárias de erros que contribuem para a obtenção das correções precisam ser entendidos. Erros na Base e no Rover incluem: Erro de Órbita dos Satélites Erro do Relógio dos Satélites Erro do Relógio do Receptor Ionosfera Troposfera Multicaminhamento Marés Terrestres 66/72

CARACTERÍSTICAS STAR FIRE - GSBAS vs. dgnss O modo como estes erros são corrigidos podem ser divididos em duas grandes classes: Sistema de correção diferencial GNSS (dgnss) Beacon Correções dgnss Comerciais RTK UHF/NTRIP Widelane RTK Sistema de Aumento Global (GSBAS) StandAlone GPS * WAAS EGNOS MSAS StarFire * Aumento StandAlone GPS consiste em órbita do satélite e atualizações relógio que são gerados pelo Segmento de Controle GPS e distribuídos para o usuário com um modelo ionosférico na estrutura do sinal GPS. É este princípio básico da determinação de cada fonte de erro de forma independente que distingue GSBAS de DGNSS. 67/72

CARACTERÍSTICAS STAR FIRE - GSBAS vs. dgnss 68/72

Acesso ao Serviço StarFire A acurácia de cinco centímetros no posicionamento pelo serviço StarFire é obtida a partir de uma licença aos usuários finais da linha de receptores GNSS SF Series. Existem dois tipos de licenças StarFire : Somente nos Continentes (Exclui todos os Oceanos) Cobertura Global As licenças podem ser adquiridas com os seguintes tempos de acesso: Mensal (30 dias) Trimestral (90 dias) Semestral (180 dias) Anual (365 dias) 69/72

Acesso ao Serviço StarFire Para usuários que adquirirem o sistema LAND-PAK, o acesso contínuo ao sistema STARFIRE estará incluso. Características do sistema LAND-PAK: Suporte para correções UHF e GSM integrados; Sistema de conexão sem cabos Bluetooth; Receptor GNSS (GPS, Glonass e Galileo); RTK UHF (até 40 km de linha de base); RTK via NTRIP; Acurácia de 10 cm com o sistema STARFIRE vitalício; Sistema duplo de Baterias para operação contínua; Receptor GNSS SF-3040 capaz de operar como Base ou Rover. 70/72

Especificação de Precisões 71/72

Referências Bibliográficas GUANDALINI, Marcos. Análise metodológica do posicionamento relativo através do GNSS e suas aplicações na engenharia: uso da técnica RTK/GSM. São Paulo, 2012. 211 p. IBGE. RBMC-IP - Rede Brasileira de Monitoramento Contínuo dos Sistemas GNSS em tempo real. Disponível em: <https://ww2.ibge.gov.br/home/geociencias/geodesia/rbmc/ntrip/default.shtm>. Acesso em: 16/ 05/ 2018 IBGE. Revista brasileira de geografia. Disponível em: <https://biblioteca.ibge.gov.br/visualizacao/periodicos/115/rbg_1992_v54_n4.pdf>. Acesso em: 18 abr. 2018. INCRA. Manual técnico de posicionamento: Georreferenciamento de Imóveis Rurais. 1 ed. Brasília: MINISTÉRIO DO DESENVOLVIMENTO AGRÁRIO, 2013. 34 p. MONICO, J. F. G. Posicionamento pelo GNSS: Descrição, fundamentos e aplicações. São Paulo: UNESP, 2008. 476 p. 72/72