GPS Sistema de Posicionamento Global

Sistemas de Telecomunicações 2007-2008 GPS Sistema de Posicionamento Global Rui Marcelino Maio 2008 Engenharia Electrica e Electrónica - TIT

Sumário 1. Cálculo da distancia 2. GNSS Tecnologia 3. Aumento de Precisão 4. Sistema de Coordenadas 5. Receptores GPS 6. Referências 2 Sistemas de Telecomunicações 2008

Decibel Será que nunca mais vou andar perdido? 3 Sistemas de Telecomunicações 2008

GPS Sistema de Posicionamento Global Sistema de Navegação por satélite é um método que emprega um sistema Global de navegação por satélite (GNSS), que permite determinar: 1. Determinar com exactidão a posição (Longitude, Latitude e Altitude) com precisão entre 20m até aproximadamente 1 mm??? 2. Horas exactas (UTC- Universal Time Coordinated) com precisão entre 60ns até aproximadamente 5ns Velocidade e trajectória de um viagem podem ser derivados destes valores. 4 Sistemas de Telecomunicações 2008

GPS 5 Sistemas de Telecomunicações 2008

Funcionalidade básica de um sistema de navegação 6 Sistemas de Telecomunicações 2008

NAVSTAR-GPS NAVSTAR-GPS: Navigation System with Timing And Ranging Global Positioning System Foi implementado pelo Departamento de Defesa Norte-Americano, Custo de Implementação 12 Biliões USD. O primeiro satélite foi colocado em orbita em 22 Fev. 1978 Durante a fase de desenvolvimento do sistema GPS, foi dado particular ênfase a: 1. Deve disponibilizar aos utilizadores a possibilidade de determinar a posição, velocidade e horas, estejam em movimento ou parados 2. Informação 3D 3. Potencial para utilização civil 7 Sistemas de Telecomunicações 2008

GPS GLONASS - GALILEO Presentemente (2008) o sistema NAVSTAR GPS é o único totalmente funcional. No entanto nos próximos 4 ou 5 anos existirão 3 sistemas independentes totalmente funcionais. Os EUA continuarão a disponibilizar o GPS. A Rússia e a União Europeia deverão colocar os seus sistemas operacionais. 8 Sistemas de Telecomunicações 2008

1 Cálculo da distância 9 Sistemas de Telecomunicações 2008

Cálculo da distância 10 Sistemas de Telecomunicações 2008

Cálculo da distância A distancia D é calculada multiplicando t pela velocidade da luz (c). D= t c O relógio do emissor tem de estar sincronizado com o receptor, por forma a que a distancia calculada seja igual à distancia real. Um erro de 1 µs resulta num desvio de 300 m. 11 Sistemas de Telecomunicações 2008

Cálculo da distância Uma solução para o problema é incluir no automóvel um relógio atómico (alta precisão) o que não é praticável. Outra solução será utilizar um segundo transmissor de sinal sincronizado, sabendo a distancia (A) para o primeiro transmissor. Medindo ambos os tempos é possível determinar a distância (D) sem um relógio de elevada precisão 12 Sistemas de Telecomunicações 2008

Cálculo da distância - Numa linha precisamos de 2 transmissores de sinal - Num plano precisamos de 3 transmissores de sinal - Em 3D precisamos de 4 transmissores de sinal 13 Sistemas de Telecomunicações 2008

Cálculo 3D Quatro satélites são necessário para determinar: Longitude, Latitude, Altitude e horas 14 Sistemas de Telecomunicações 2008

Cálculo da distância Cada satélite transmite para a Terra a sua posição e o seu relógio, estes são transmitido à velocidade da luz. Para atingir a superfície da Terra mais perto do satélite gasta aprox. 67,3 ms e por cada Kilometro adicional gasta 3,33µs. Para determinar a posição o receptor deve ter um relógio preciso para que quando receba o sinal determine o tempo de propagação do mesmo. 15 Sistemas de Telecomunicações 2008

Cálculo no plano X-Y No plano X-Y são necessários 2 satélites 16 Sistemas de Telecomunicações 2008

Cálculo em 3D Posição 3D corresponde ao ponto de intersecção dos 3 satélites 17 Sistemas de Telecomunicações 2008

Cálculo da posição em caso real A conclusão anterior é válida no caso dos relógio do receptor ser preciso como os dos transmissores, como isso não acontece na prática temos mais uma variável: - Longitude - Latitude - Altitude - t Precisamos para resolver estas 4 variáveis, de 4 equações que são derivadas de 4 satélites 18 Sistemas de Telecomunicações 2008

Cálculo da posição em caso real Coordenadas cartesianas Origem Geocêntrica R1, R2, R3, R4 distância do utilizador aos satélites t1, t2, t3, t4- tempo que demora o sinal do satélite ao utilizador 19 Sistemas de Telecomunicações 2008

Cálculo da posição em caso real As localizações dos satélites são conhecidas. As coordenadas do utilizador podem ser calculadas. Os relógios dos satélites são bastante precisos, mas o relógio do receptor não o é, e pode estar adiantado ou atrasado de t 0 os valores medidos não são correctos, daí o termo Pseudodistância 20 Sistemas de Telecomunicações 2008

Cálculo da posição em caso real A distância R do satélite pode ser calcula da num sistema de eixos cartesianos por: Substituindo, vem: De forma a calcular as quatro variáveis, são necessárias 4 equações independentes, a equação seguinte é válida para os quatro satélites (i=1,2,3,4) 21 Sistemas de Telecomunicações 2008

2 GNSS Tecnologia 22 Sistemas de Telecomunicações 2008

Segmentos 23 Sistemas de Telecomunicações 2008

Constelação de Satélites - GPS Consiste numa constelação de 32 satélites sendo 4 sobressalentes em 6 planos orbitais 24 Sistemas de Telecomunicações 2008

Seguimento de satélite - 24 horas 25 Sistemas de Telecomunicações 2008

Satélites Os satélites são equipados com relógios atómicos. Para manter a sincronização dos sinais. Os sinais são transmitidos a uma frequência de 1575.42 MHz O mínimo sinal recebido na Terra é aproximadamente approx. -158dBW to -160dBW [i]. 26 Sistemas de Telecomunicações 2008

Feixe The link budget analysis (Table 1) between a satellite and a user is suitable for establishing the required level of satellite transmission power. According to the specifications, the minimum amount of power received must not fall below 160dBW (-130dBm). In order to ensure this level is maintained, the satellite L1 carrier transmission power, modulated with the C/A code, must be 21.9W. 27 Sistemas de Telecomunicações 2008

Feixe dados The following information (the navigation message) is transmitted by the satellite at a rate of 50 bits per second [ii]: Satellite time and synchronization signals Precise orbital data (ephemeris) Time correction information to determine the exact satellite time Approximate orbital data for all satellites (almanac) Correction signals to calculate signal transit time Data on the ionosphere Information on the operating status (health) of the satellite The time required to transmit all this information is 12.5 minutes. By using the navigation message the receiver is able to determine the transmission time of each satellite signal and the exact position of the satellite at the time of transmission. Each GPS satellite transmits a unique signature assigned to it. This signature consists of a Pseudo Random Noise (PRN) Code of 1023 zeros and ones, broadcast with a duration of 1ms and continually repeated (Figure 17). 28 Sistemas de Telecomunicações 2008

Sinal transmitido 29 Sistemas de Telecomunicações 2008

Bitstream recebido 34 Sistemas de Telecomunicações 2008

Reflexão da onda 35 Sistemas de Telecomunicações 2008

3 Aumento de Precisão 36 Sistemas de Telecomunicações 2008

GPS Diferencial 37 Sistemas de Telecomunicações 2008

GPS Diferencial 38 Sistemas de Telecomunicações 2008

GPA Melhoramento 39 Sistemas de Telecomunicações 2008

Serviços WADGPS 40 Sistemas de Telecomunicações 2008

4 Sistemas de Coordenadas 41 Sistemas de Telecomunicações 2008

Sistema de coordenadas Existe um grande variedade de sistemas de coordenadas possíveis de serem utilizadas para indicar uma localização terrestre. Elipsóide- Elipse de revolução. Geóide- É um modelo físico da terra. Em a que a superficie não +e regular como um elipsóide mas irregular com variações maximas de +- 100 metros. Enquanto que a terra varia entre + 8km e -11Km 42 Sistemas de Telecomunicações 2008

Sistema de coordenadas - Geóide 43 Sistemas de Telecomunicações 2008

Sistema de coordenadas - Geóide Existe um grande variedade de sistemas de coordenadas possíveis de serem utilizadas para indicar uma localização terrestre. 44 Sistemas de Telecomunicações 2008

Sistema de coordenadas - Elipsóide ELIPSÓIDE DE REFERÊNCIA USADO WGS-84 (World Geodetic System--1984) 45 Sistemas de Telecomunicações 2008

Sistema de coordenadas Relação entre os diversos sistemas Dependendo do sistema de coordenadas utilizadas assim podem variar as coordenadas e altitude de uma determinada localização. 46 Sistemas de Telecomunicações 2008

5 Receptores GPS 47 Sistemas de Telecomunicações 2008

Diagrama de blocos de um receptor u-blox 5 48 Sistemas de Telecomunicações 2008

Diagrama de blocos de um receptor GPS 49 Sistemas de Telecomunicações 2008

GPS integração Dada a elevada proliferação da utilização de GPS. Começaram já a surgir dispositivos com receptores GPS integrados. Outros deverão surgir brevemente. FPGA com cores GPS? ST Cartesio SoC ST inclui um ARM com GPS embebido 50 Sistemas de Telecomunicações 2008

Interface de dados NMEA 0183 51 Sistemas de Telecomunicações 2008

Interface de dados NMEA 0183 - GGA 52 Sistemas de Telecomunicações 2008

Interface de dados NMEA 0183 - GLL 53 Sistemas de Telecomunicações 2008

Interface de dados NMEA 0183 - GSA 54 Sistemas de Telecomunicações 2008

Interface de dados NMEA 0183 - GSV 55 Sistemas de Telecomunicações 2008

Interface de dados NMEA 0183 - RMC 56 Sistemas de Telecomunicações 2008

Interface de dados NMEA 0183 - VTG 57 Sistemas de Telecomunicações 2008

Interface de dados NMEA 0183 - ZDA 58 Sistemas de Telecomunicações 2008

6 Referências 59 Sistemas de Telecomunicações 2008

Referências -Jean-Marie Zogg, GPS Compendium, Essentials of Satellite Navigation, u-blox AG, (2007) -http://www.u-blox.com 60 Sistemas de Telecomunicações 2008