IMPACTO DA MODERNIZAÇÃO DO GNSS NO POSICIONAMENTO COM SATÉLITES

IMPACTO DA MODERNIZAÇÃO DO GNSS NO POSICIONAMENTO COM SATÉLITES Wesley Gildo Canducci Polezel João Francisco Galera Monico Orientador Eniuce Menezes de Souza Co-Orientadora

Introdução Objetivo Modernização do GNSS Combinação entre diferentes sistemas Estado da Arte

Introdução Devido aos avanços tecnológicos ocorridos nos últimos anos, em satélites e receptores, e ao fato da constelação dos satélites GPS estar com a sua vida útil acima do esperado, surgiu a necessidade de uma atualização. A modernização do GPS não se atém em apenas substituir satélites antigos por satélites novos, mas também colocar em operação satélites com o código civil na L2 (L2C) e uma nova freqüência denotada por L5. Essa modernização visa melhorar a quantidade e qualidade das observáveis, conseqüentemente, melhorar o posicionamento, trazendo maior precisão, melhor resistência às interferências e aumento de desempenho para os usuários em todo o mundo.

Introdução O governo americano não autorizou que outras nações participassem conjuntamente das configurações básicas do GPS => a CE decidiu desenvolver um sistema de posicionamento em conjunto com outras nações. Com isso, em junho de 1999, baseado em trabalhos realizados pelo Fórum Europeu do GNSS, o ministério do transporte europeu iniciou a fase de definição do Galileo. Assim, o Galileo será um sistema aberto e global, com controle civil e compatível com o GPS. Conseqüentemente, surge o termo modernização do GNSS que engloba, além do GPS e sua modernização, o Glonass, o Galileo, o SBAS (Satellite Based Augmentation Systems), o Beidou (Sistema de Navegação Regional Chinês) e o LAAS (Local Area Augmentation System).

Introdução A constelação de satélites Galileo está prevista para ter órbita elíptica com seu eixo maior de 29994 km (23616 km de altitude). Três planos orbitais com inclinação de 56º contendo nove satélites igualmente espaçados em cada plano. O Galileo irá possuir os sinais: E1-L1-E2, E5 A/B e E6. Seis diferentes tipos de serviços serão oferecidos a fim de acomodar a necessidades dos usuários: Serviço aberto (OS Open Service), Segurança de vidas (SoL Safety of Life), Serviços comerciais (CS Commercial Service), Serviço de procura e salvamento (SAR Seacher and Rescue Service) e Serviço para público regularizado (PRS Public Regulated Service)

Introdução Logo, se utilizadas concomitantemente as constelações GPS e Galileo, o usuário poderá captar sinais de até 25 satélites com máscara de elevação de 5º (RIZOS, 2006 ). Além da quantidade de sinais, é imprescindível ressaltar que devido, principalmente à diversidade de freqüências, muitos dos erros que atualmente prejudicam a acurácia do posicionamento, tais como o multicaminho e a ionosfera, serão significativamente reduzidos.

Introdução Para Integrar os sistemas GPS e Galileo deve-se compartilhar as freqüências das bandas L1/E1 e L5/E5a. Assim, se os sistemas pudessem ser usados em conjunto, os fabricantes de receptores seriam capazes de usar múltiplos sinais com custo menor. Porém, ainda está em discussão se o sistema permanecerá autônomo, mantendo o segmento de controle do GPS e Galileo completamente separados, ou será introduzido o MBOC (Multiplexed Binary Offset Carrier) no serviço aberto (OWEN et. al, 2006). Caso tais acordos não sejam feitos, alguns fatores, tais como, os sistemas de referência e de tempo e as freqüências entre os satélites podem deixar essa integração complexa.

Objetivo O presente trabalho tem como objetivo principal investigar, desenvolver e implementar os posicionamentos absoluto e relativo utilizando os novos sinais GNSS, bem como da interoperabilidade desses sistemas. Assim, os objetivos secundários consistem em: Descrever e demonstrar técnicas de processamento para dados de múltiplos sistemas, múltiplas freqüências, bem como de combinações dos mesmos; Investigar a modernização no contexto da qualidade dos novos sinais; Verificar o impacto dos sinais do GNSS após a promissora modernização em relação ao efeito do multicaminho; Iniciar as investigações da modernização do GNSS no Brasil e contribuir com o desenvolvimento científico e tecnológico nacional.

Modernização do GNSS Nos últimos anos o sistema global de navegação por satélite esteve baseado, especialmente, em dois sinais do GPS (L1 e C/A). Porém, com o passar dos anos, alguns sinais, sistemas e freqüências operacionais do GNSS estão se tornando disponíveis para os usuários civis. Embora não se possa predizer com certeza como e onde esses sinais serão utilizados, o atual estado do GNSS nos permite vislumbrar o grande potencial e desafio do futuro relacionado ao GNSS modernizado (AKOS et. al., 2006).

Modernização do GNSS L2C Três satélites 13, 17 e 19 que foram lançados em outubro, dezembro e junho de 1989, respectivamente, superando muito as expectativas iniciais. A modernização do GPS não se atém apenas em substituir satélites antigos por satélites novos -> código civil na L2 (L2C) e uma nova freqüência (L5). Esses dois sinais modernizados terão capacidades superiores aos atuais sinais GPS L1 e L2. O L2C permite melhor acurácia nos posicionamentos dentro de construções e, principalmente, em áreas arborizadas. Possui potência mais baixa se comparado aos demais sinais tem vantagens em aplicações menor custo. Provavelmente haverá mais usuários de L2C que qualquer outro sinal de GPS, principalmente para os operadores que utilizam baterias.

Modernização do GNSS L5 Este segundo código civil (L5) eliminará a necessidade de utilizar as técnicas de correlação atualmente usadas pelos civis como as squaring, correlação-cruzada, dentre outras técnicas (LEICK, 2004). A freqüência do L5 é protegida mundialmente para uso da rádionavegação da aeronáutica e apoiará as aplicações de segurança na aviação. Deixará o GPS mais robusto para rádionavegação e aplicações de aeronavegação (FAA, 2006). Os benefícios que a L5 pode produzir são muitos atualização da constelação, a melhor precisão na navegação mundial (aumentar as operações de navegação de precisão em certas áreas do mundo), minimizar as interferências que ocorrem no GPS, como por exemplo, interferências atmosféricas.

Modernização do GNSS Em conjunto com o projeto de modernização do futuro GPS, uma cooperativa de esforços de investidores públicos e privados tem se comprometido em desenvolver paralelamente o sistema Galileo. Analogamente ao GPS modernizado, o Galileo vem também transmitir livremente sinais disponíveis em três freqüências com códigos modulados em cada freqüência.

Modernização do GNSS - Galileo O desempenho do Galileo deverá ser proporcional, pelo menos ao desempenho alcançado com a modernização do GPS. O desenvolvimento do Galileo, em conjunto com a modernização do GPS, traz perspectivas para os usuários.

Combinações entre diferentes Sistemas Com a modernização dos satélites GNSS faz-se necessário combinações entre diferentes observáveis para uma melhor qualidade e acurácia no posicionamento. Os sistemas que terão maior capacidade de operação serão os sistemas GPS e Galileo, já que o GLONASS não tem recebido a devida manutenção. Vantagens na interoperabilidade entre Galileo/GPS: Dobro de número de satélites => probabilidade de receber melhores sinais; Melhor geometria quando há pouca visibilidade ou bloqueios; Redução de perdas de sinais; As técnicas de RTK com recepções de mais sinais serão mais acuradas; Maior auxílio nas rotas de navegação aérea, devido ao aumento de observações.

Combinações entre diferentes Sistemas Para realizar combinações entre os sistemas GPS e Galileo será necessário estabelecer como os sinais desses sistemas poderão ser combinados. Podem ser definidos diferentes cenários: opções de como utilizar o GNSS para posicionamentos de alta precisão. Cenário I II Programado para operação Não modernizado Atual III 2013 IV 2013 V 2013 Tipo GNSS Medidas Usadas Fase Código GPS L1, L2 C/A, P2 Galileo - - GPS L1, L2 C/A, L2C Galileo - - GPS - - Galileo E1, E5a, E5b E1, E5a GPS L1, L2, L5 C/A, L2C Galileo - - GPS L1, L2, L5 C/A, L2C Galileo E1, E5a, E5b E1, E5a Modificado de Richert, 2005

Combinações entre diferentes Sistemas Realizando a DD entre o satélite e os receptores, no caso de posicionamento relativo, vários parâmetros desconhecidos são eliminados. Em geral, quando se realiza a DD, os erros do relógio do receptor e do satélite são eliminados. Entretanto, se a combinação for entre os satélites GPS e Galileo e entre GPS e GLONASS, isso não ocorre se alguns fatores primordiais forem considerados.

Combinações entre diferentes Sistemas Combinação GPS e GLONASS: cada satélite tem freqüência diferente. incompatibilidade entre sistemas de coordenadas, de tempo e freqüências das portadoras. No caso de PP a discrepância entre os dois sistemas de tempo (GPS e GLONASS) pode ser estimada utilizando a pseudodistância dos sistemas(wang, 1999). Já para o posicionamento relativo à diferença da variação do tempo dos dois sistemas é minimizada e em linhas de bases curtas, podendo ser desprezível. Em relação aos sistemas de referências, o WGS84 e PZ-90 apresentam diferenças de alguns metros. No caso do posicionamento relativo esse erro é menor e pode ser efetivamente negligenciado para linhas de base curtas. Em linhas de base longas, e para posicionamento de alta precisão é requerida a relação entre os dois sistemas (WANG, 1999).

Combinações entre diferentes Sistemas Analogamente a integração GPS e GLONASS, na integração entre GPS e Galileo deverá ocorrer o mesmo problema. Os sistemas de tempo entre os sistemas GPS e Galileo de posicionamento também são diferentes. O GPS utiliza o tempo UTC (mantido pela US Naval Observatory), enquanto o Galileo utiliza o GST (mantido pela TAI). Logo, ao realizar a DD entre esses sistemas haverá um resíduo, denominado GGTO (GPS Galileo Time Offset), que atualmente é de 3ns. Alguns autores utilizam dois satélites como base ao invés de um, como se realiza comumente, para evitar esse problema. Segundo Richert (2005, p.22), utilizar dois satélites de referência (uma para o GPS e um para o Galileo) pode ser considerada uma opção segura para a modernização do GNSS.

Combinações entre diferentes Sistemas Quando se utiliza dois satélites como base, os fatores que ocasionam incompatibilidade entre os sistemas podem ser desconsiderados, mas isso causará a perda de uma observação em cada época. No entanto, essa perda não será problema no futuro devido ao grande número de observações disponíveis. Máscara de Galileo GPS Total elevação Satélites visíveis DD Satélites visíveis DD Satélites visíveis DD 5º 13 12 12 11 25 23 10º 11 10 10 09 21 19 15º 09 08 08 07 17 15 Fonte: Galileo Mission High Level Document, 2002

Estado da Arte Impacto do GNSS no Posicionamento Preciso Richerd (2005) apresentou as expectativas do GNSS no posicionamento preciso utilizando a fase. Neste trabalho são apresentados os modelos funcional e estocástico utilizando no posicionamento combinações entre GPS e Galileo. Os sinais dos satélites foram simulados com a distância geométrica perfeita degradada dos efeitos: ionosféricos, troposféricos, multicaminho/ruídos e ambigüidade para a fase. Marti-Neira et.al. (2003) e Teunissen et.al. (2002) comparam diferentes métodos de solução da ambigüidade nos futuros sistemas GNSS: CIR (Cascade Interger Resolution), TCAR (Triple Carrier Ambiguity Resolution) e LAMBDA (Least-square Ambiguity Decorrelation Adjustment). Esses estudos concluíram que o método LAMBDA é superior aos demais métodos.

Estado da Arte Impacto do GNSS no Posicionamento Preciso Para avaliar o impacto dos sinais na estimatimação do atraso ionosférico três modelos foram comparados: ionosfera-fixa, ionosfera-ponderada e ionosfera-float. Com os sinais modernizados do GPS os resultados são obtidos mais rapidamente com os modelos ionosfera-ponderada e ionosfera-float. Esta vantagem permite uma melhor e mais rápida solução da ambigüidade em linhas de bases longas. Quando se adiciona L5 não há grandes melhorias nos resultados se comparados com os de duas freqüências modelos de ionosfera.

Estado da Arte Impacto do GNSS no Posicionamento Preciso Richerd (2005) Realizou combinações lineares entre GPS e Galileo e uma forma de escolher coeficientes de combinação para mitigar cada fonte de erro (Ionosfera, multicaminho/ruído e troposfera). Introduziu o conceito de combinações lineares nas medidas de fase a fim de escolher uma combinação ótima dependente do comprimento de linha base, do ambiente e das exigências da qualidade do posicionamento. Concluiu que: Os atrasos ionosféricos podem ser completamente eliminados, considerando que os erros multicaminho/ruído e troposfera podem ser reduzidos. Quando uma fonte de erro é reduzida a partir das combinações lineares, outras fontes de erro são ampliadas. A escolha do coeficiente de combinação é altamente dependente do comprimento da linha de base e da fonte do erro. Combinações lineares da fase produziram bons resultados na estimação de ambigüidade (semelhantes utilizando as medidas L1 ou E1). Porém, problemas quando se utiliza linhas bases longas com curto tempo de observação (Solução das N).

Estado da Arte Avaliação da Performance do GPS e Galileo no Posicionamento Utilizando Múltiplas Estações de Referência Phalke (2006a) realizou estudos para comparar a performance do Galileo e do GPS em múltiplas estações de referência (MRS) e utilizando apenas uma linha base (SRS). Em múltiplas estações de referência, os efeitos dos erros atmosféricos são reduzidos ao contrário de quando se utiliza apenas uma SRS. No GPS e Galileo a performance de uma SRS é dependente das condições atmosféricas. Sob condições atmosféricas adversas uma SRS não apresenta resultados precisos e confiáveis. Quando se aumenta a linha de base as ambigüidades são dificilmente solucionadas.

Estado da Arte Avaliação da Performance do GPS e Galileo no Posicionamento Utilizando Múltiplas Estações de Referência Uma eficiente técnica de MRS desenvolvida na Universidade de Calgary é a MRS-TC (Multiple Reference Station Tightly Coupled). Para calcular as correções com MRS utiliza-se as seguintes etapas: solucionar as ambigüidades das estações da rede, determinar os erros entre as linhas de base da rede, interpolar o erro para a posição do receptor móvel, e transmitir e aplicar as correções no receptor móvel. No MRS-TC os quatros passos são agrupados em um único passo. Este método combina todas as observações L1 e L2 das estações base e móvel para estimar a posição da estação móvel. Este método se mostra mais acurado e preciso que o tradicional SRS e LSQS (Least Square Collocation) sobre diferentes condições ionosféricas.

Estado da Arte Avaliação da Performance do GPS e Galileo no Posicionamento Utilizando Múltiplas Estações de Referência Experimento com dados simulados dos sistemas Galileo e GPS. Os melhores resultados foram apresentados utilizando dados do Galileo. Para todas as linhas de bases e níveis de erros simulados (ionosfera), o método MRS-TC aplicado no Galileo apresentou melhores resultados que os demais métodos: SRS GPS e Galileo e o MRS-TC aplicado no GPS. Considerando baixa atividade ionosférica, o MRS-TC aplicado no Galileo obteve erros centimétricos para linhas bases de até 120 km. Considerando média e alta atividade ionosférica em linhas de base de até 90 km os erros também foram centimétricos.

Perguntas???

Análise da qualidade do L2C Wesley Gildo Canducci Polezel João Francisco Galera Monico Orientador Eniuce Menezes de Souza Co-Orientadora

L2C Parâmetros de Qualidade MP e SNR Análise Conclusão

L2C O novo sinal L2C vem acrescentar robustez no posicionamento, melhorando a resistência às interferências, reduzindo ruídos e aumentando a acurácia. Logo, permitindo melhores acurácia nos posicionamentos dentro de construções e, principalmente, em áreas arborizadas. Este segundo código civil eliminará a necessidade de utilizar as técnicas de correlação atualmente usadas pelos civis como as squaring, correlação-cruzada, dentre outras técnicas (Leick 2004). O novo código na L2 será compartilhado entre civis e militares. Segundo Hothem (2006), está previsto que 24 satélites terão o sinal da L2C disponível em 2012. Também se espera que os usuários que combinarem o C/A e a L2C nos posicionamentos obtenham melhor precisão.

L2C A L2C possui dois códigos de comprimentos diferentes: CM código de comprimento médio, repete-se a cada 20 msec - comprimento de 10.230 chips modulado com a mensagem de dados; CL código longo, repetindo a cada 1,5 segundos - comprimento de 767.250 chips. As principais razões para essas escolhas foram devido ao alcance de excelentes propriedades de correlação.

L2C O L2C mesmo sendo 2.3 db mais fraco que o código C/A, a estrutura do novo sinal traz algumas vantagens ao GPS (FONTANA et al, 2006): Melhor capacidade na transmissão dos sinais (SBAS - Satellite Based Augmentation Systems, Pseudolytes); Maior tolerância às interferências; Os receptores podem receber mesmo os sinais fracos, sem que haja auto interferência; Funcionamento em locais como florestas, regiões urbanas, com menor restrição que a L1; Melhor que a L1 em termos de correlação cruzada; Apresenta limiar de rastreio e recuperação dos dados; Aplicações de potência baixa aproveitam a taxa baixa.

L2C Em resumo O L2C deverá apresentar melhor desempenho que o C/A em todos os efeitos, com a exceção do efeito ionosférico. Com relação a L5 que apresenta 6 db de sinal mais forte, a L2C oferece melhor flexibilidade, com algumas vantagens particulares, principalmente devido a sua potência baixa nas aplicações com custo baixo. Provavelmente haverá mais usuários de L2C que qualquer outro sinal de GPS porque, principalmente para os operadores que utilizam baterias, a característica da potência baixa é primordial.

Parâmetros de Qualidade: MP e SNR MP1 e MP2 Razão Sinal Ruído (SNR) - razão da potência do sinal do receptor pelo nível de potência do ruído 2 1 1 1 2 1 2 1 1 φ α φ α PD MP L L L = + + = 2 1 2 1 2 1 2 2 φ α α φ α α PD MP L L L + =

Experimento Zephyr GNSS Geodetic Model 2 GRX1200 GG Pro Netr5

152 154 156 158 160 162 150 148 146 Análises MP2 0.4 0.35 0.3 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 0 12 GRX1200 12 Netr5 Dia do Ano 154 156 158 160 162 152 150 148 146 MP2(m) 144 0.35 0.3 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 0 17 GRX1200 17 Netr5 Dia do Ano MP2(m) 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 144 0.45 0.4 0.35 0.3 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 0 31 GRX1200 31 Netr5 Dia do Ano MP2 (m) Netr5 GRX1200 GG Pro

0.38 21 Netr5 12 Netr5 0.37 Análises MP2 MP2 (m) 0.36 0.35 0.34 0.33 0.32 0.31 SV 3 17 Ângulo de elevação (º) 41 40,1 MP2 (m) 0.45 0.4 0.35 0.3 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 144 146 148 150 152 154 Dia do Ano 156 158 160 162 3 Netr5 17 Netr5 12 21 16 31 39,1 38,9 26,9 26,4 MP2 (m) 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0 144 144 146 146 148 148 150 150 152 154 Dia do Ano 152 154 Dia do Ano 156 156 158 160 162 31 Netr5 16 Netr5 158 160 162

46 21 GRX1200 12 GRX1200 21 Netr5 12 Netr5 Análise SNR2 SNR2 (db) 44 42 40 38 36 34 32 30 SV 3 17 Ângulo de elevação (º) 41 40,1 SNR2 (db) 45 43 41 39 37 35 33 31 29 144 146 148 150 152 154 Dia do Ano 156 158 160 31 GRX1200 16 GRX1200 31 Netr5 16 Netr5 162 27 12 21 39,1 38,9 25 46 44 42 144 146 148 150 152 154 Dia do Ano 156 158 160 162 3 GRX1200 17 GRX1200 3 Netr5 17 Netr5 16 31 26,9 26,4 SNR2 (db) 40 38 36 34 32 30 144 146 148 150 152 154 Dia do Ano 156 158 160 162

Análise C2xP2 10 0-10 -20-30 -40-50 GRX1200 C2 Netr5 C2 Netr5 P2 Elevação 70 60 50 40 30 20 10 0 12 13 13 13 14 14 14 15 15 15 16 16 16 16 17 17 17 Época (hora) (m) Elevação (º) 10 5 0-5 -10-15 -20-25 -30 GRX1200 C2 Netr5 C2 Netr5 P2 Elevação 80 70 60 50 40 30 20 10 0 10 10 10 10 11 11 11 12 12 12 13 13 13 13 14 14 14 Época (hora) (m) Elevação (º) 1 2 2 2 2 2 3 3 3 3 3 4 4 4 4 4 1 1 1 0-5 -10-15 -20-25 -30-35 -40-45 GRX1200 C2 Netr5 C2 Netr5 P2 Elevação 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 Época (hora) 0 1 (m) Elevação (º) SV 17-20280 -20290-20300 -20310-20320 -20330-20340 -20350 12 13 13 13 14 14 14 15 15 15 16 16 16 17 17 17 Hora 14 12 10 8 6 4 2 0 Erro do relógio (m) Quantidade de Satélites Erro do relógio Quantidade de Satélites SV 31-5780 -5790-5800 -5810-5820 -5830-5840 -5850 12 13 13 13 13 14 14 14 14 14 15 15 15 15 16 16 16 16 16 Hora 12 10 8 6 4 2 0 Erro do relógio (m) Quantidade de Satélites SV 12 13560 Erro do relógio Quantidade de Satélites 13550 13540 13530 13520 13510 13500 13490 13480 13470 Erro do relógio Quantidade de Satélites. 12 13 13 13 14 14 14 15 15 15 16 16 16 17 17 17 Hora 14 12 10 8 6 4 2 0 Erro do relógio (m) Quantidade de Satélites

Conclusão Os valores de MP2 e SNR2 apresentaram melhores para a observável C2 do que para P2; SNR2 foi melhor para os dois receptores MP2 apresentou melhores resultados para o receptor GRX1200 do que o Netr5; SNR2 apresentaram melhores valores para o receptor GRX 1200 quando analisados os satélites não modernizados; Já para os satélites modernizados os valores de SNR2 foram similares para os dois receptores.

Agradecimentos... Perguntas????