Introdução ao NAVSTAR-GPS Ewaldo Luiz de Mattos Mehl Universidade Federal do Paraná Departamento e to de Engenharia a Elétrica mehl@eletrica.ufpr.br As fotos anteriores e abaixo mostram o submarino norte americano USS Hawkbill (SSN 666) no Polo Norte, no dia 3 de abril de 1999. Esta foi a última viagem deste submarino atômico, após 28 anos de serviço. 1
NAVSTAR - GPS NAVigation System with Time And Ranging g - Global Positioning System. Sistema de rádio navegação por satélites que fornece, a usuários que possuam equipamento apropriado, coordenadas precisas de posicionamento tridimensional e informação sobre a navegação e o tempo. Mantido e operado pelo governo dos EUA, através do Departamento de Defesa (DoD). Não existem custos para usar o sistema NAVSTAR- GPS, exceto o de aquisição do equipamento receptor. NAVSTAR - GPS Anteriormente ao NAVSTAR, a Marinha dos EUA já tinha um sistema de localização baseado em satélites denominado TRANSIT, iniciado em 1960. No sistema TRANSIT, havia 6 satélites em órbita polar. O sistema TRANSIT permitia a localização de navios e submarinos com precisão de 200 metros. No entanto, era necessário esperar cerca de uma hora para se ter a posição! O sistema TRANSIT foi colocado fora de operação a partir de 1996, com o desenvolvimento do sistema NAVSTAR GPS. Princípio de Funcionamento Componentes do GPS Segmento de Controle: cinco estações terrestres, sendo duas de monitoramento e três de monitoramento e uplink com os satélites em órbita. Segmento Espacial: Constelação de satélites em órbita terrestre (24 satélites ativos + reservas). Cada satélite emite um sinal que contém o horário exato da sua emissão. Todos os usuários que estiverem num círculo sobre a superfície terrestre receberão o sinal com um determinado atraso. Segmento dos Usuários: unidades receptoras dos Segmento dos Usuários: unidades receptoras dos sinais de rádio GPS, geralmente incorporadas com circuitos microprocessados destinados ao cálculo da localização em coordenadas geográficas e auxílio aos deslocamentos por terra, mar ou ar. 2
GPS Segmento Terrestre: Cinco estações terrestres de monitoramento e controle dos satélites 50th Space Wing Schriever Air Force Base Colorado Springs, CO, EUA Master Control Monitor Station NAVSTAR-GPS Master Control Monitor Station 50th Space Wing Schriever Air Force Base Colorado Springs, CO, EUA Hawaii Monitor Station Ascension Island Monitor Station & Uplink Kwajalein Monitor Station & Uplink Diego Garcia Monitor Station & Uplink Funções das Estações Terrestres Monitoram a passagem dos satélites, medindo as distâncias precisas entre a estação e cada um dos satélites através de efeito Doppler dos sinais de rádio Adquirem continuamente dados metereológicos e da ionosfera, enviando esses dados à estação central de controle (MCS) em Colorado Springs (EUA). Verificam também dados sobre a operação dos vários sistemas eletrônicos dos satélites. A estação de controle central analisa os dados ionosféricos e metereológicos, verificando se a distância medida entre cada estação e cada satélite corresponde às predições de órbitas. Caso sejam verificadas mudanças orbitais significativas, a estação central determina que o satélite atualize os dados de efeméride que transmite. Pode também determinar a substituição de um satélite defeituoso por um dos 5 de reserva já em órbita. As informações de retorno aos satélites são transmitidas ao espaço pelas estações da Ilha da Ascensão, Diego Garcia e Kwajalein. GPS Segmento Espacial: SV = Space Vehicles (Satélites) 3
SV = Space Vehicles (Satélites) Bloco I Fabricante: Rockwell International 11 SVs Lançados ao espaço entre 1978 e 1985 Objetivo: Desenvolvimento e testes do sistema NAVSTAR SV = Space Vehicles (Satélites) Bloco II e IIA Fabricante: Rockwell International 28 SVs Lançados ao espaço entre 1990 e 1997 Objetivo: Substituição de satélites do Bloco I SV = Space Vehicles (Satélites) Bloco IIR - ("replenishment SVs ) Fabricante: Lockheed Martin (comprada pela Boeing) Lançados ao espaço entre 2000 e 2004 Satélites comunicam-se entre si 4
Uso do Veículo Lançador Delta II para lançamento dos satélites GPS do Bloco IIR Uso do Veículo Lançador Delta II para lançamento dos satélites GPS do Bloco IIR Uso do Veículo Lançador Delta II para lançamento dos satélites GPS do Bloco IIR Uso do Veículo Lançador Delta II para lançamento dos satélites GPS do Bloco IIR 5
SV = Space Vehicles (Satélites) Bloco IIF Fabricante: Boeing 33 SVs a serem lançados ao espaço entre 2007 e 2008 Substituição gradativa dos SVs do Bloco IIR Satélites comunicam-se entre si Maior potência de transmissão Autonomia do Controle Central de 6 meses Satélites conseguem corrigir automaticamente suas órbitas Inclusão do canal L5 para uso civil SV = Space Vehicles (Satélites) 1978-2004 Bloco I Rockwell 759 kg 410 W Bloco II Rockwell 1660 kg 710 W Bloco IIA Rockwell 1816 kg 710 W Bloco IIR Lockheed 2032 kg 113kW 410 W 710 W 710 W 1,13 kw 2007-2008 Bloco IIF Boeing 844 kg 2,44 kw Inclusão do canal L5 (?)2009- Bloco III? Haverá mais dois canais para uso militar. Canal Civil com alta potência: provavelmente permitirá receber os sinais no interior de edifícios! NãohaveráSA(Selective Availability) Plano de lançamentos do Bloco IIF Frequency and codes GPS L1 L2 L5 C/A P(Y) M C/A P(Y) M F1 F2 II, IIA 1-28 28 sats 7,4 y. IIR 1-8 8 sats 7,9 y. IIR 9-20 12 satsc 7,9 y. IIF 1-6 6 sats 15 y. IIF 7-30 24 sats 15 y. 1990 2000 2010 2020 2030 24 satellites 97 89 05 18 satellites 12 IIR+ 6 IIF 97 8 satellites 02 04 12 satellites 4 d. 06 6 satellites 6 satellites 18 satellites IIF 24 satellites Disponibilidade Seletiva (SA Selective Availability) Degradação intencional dos sinais dos satélites GPS, imposta pelo Departamento de Defesa Norte-Americano. Objetivo: impedir o uso indevido do GPS O governo norte americano retirou o SA em maio de 2000, o que melhorou significativamente a precisão dos receptores de GPS de uso civil il (mas a SA pode voltar a ser usada semaviso...). Os satélites do Bloco III não terão mais a opção de SA. Precision 95% 100 m 10 m 5m 0.5 m L1 = 1575,42 MHz L2 = 1227, 6 MHz L5 = 1176,45 MHz 6
Sinais L1 e L2 Os receptores mais comuns recebem somente o sinal L1 O sinal L2 é usado para correção do erro ionosférico, em equipamentos mais sofisticados. O futuro sinal L5 destina-se a implementar a correção do erro ionosférico nos receptores amadores GPS Segmento Espacial GPS Segmento dos Usuários: Equipamentos receptores GPS Segmento dos Usuários: Equipamentos receptores Equipamento militar norteamericano usado no Iraque Equipamento usado no rali do Saara - 2006 Equipamento receptor GPS completo fornecido como módulo prémontado e calibrado 7
GPS Segmento dos Usuários: Equipamentos receptores Receptores GPS Garmin International Inc. GPS Segmento dos Usuários Características Gerais dos Receptores Portáteis IPX7: submergíveis em água até 1 m de profundidade, durante 30 minutos Alimentação por pilhas ou baterias recarregáveis Antena (removível ou fixa, interna ou externa) Display de LCD com backlight Teclas de operação das diversas funções 8
Características Especiais dos Receptores Portáteis Flutuabilidade Conector para alimentação de energia externa Conector para antena externa Display colorido com capacidade gráfica Conector para ligação com microcomputador Dispositivo de conexão com cartões tipo flash memory Rádio-comunicador incorporado Problemas comuns nos Receptores Portáteis Pouca precisão no relógio interno Baixa sensibilidade das antenas Antenas direcionais Shadowing: áreas de sombra devido a vegetação, edifícios, objetos metálicos etc. Multipath: Reflexão em edificações e/ou objetos metálicos Uso de Receptores Portáteis Incerteza Uso de Receptores Portáteis Horizonte Círculo a 45 º do horizonte Posição atual Rumo do deslocamento do usuário Intensidade do Sinal recebido de cada Satélite Odômetro Odômetro Velocidade máxima Velocidade média Elevação 9
Uso de Receptores Portáteis Indicação do Norte Verdadeiro Escala do Mapa Mapa gravado na memória interna Localização atual WAAS Wide Area Augmentation System Sistema de auxílio à navegação aérea operado nos EUA pela Federal Aviation Administration (FAA). 25 estações terrestres t nos EUA e Alasca comparam continuamente sua posição (conhecida) com a posição obtida por sinais GPS. Dados de correção são enviados a dois satélites geo- estacionários, um sobre a costa do Atlântico e outro sobre a costa do Pacífico dos EUA. WAAS Wide Area Augmentation System O sistema WAAS corrige principalmente o atraso ionosférico, principal fonte de erro nos sinais GPS. Receptores de GPS + WAAS chegam a precisão de 2m no território continental dos EUA e no Alasca. WAAS não deve ser usado fora do território i norteamericano! WAAS Wide Area Augmentation System Sistemas Semelhantes ao WAAS: Na Europa: EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay Service) 3 satélites em órbita geo-estacionária Precisão de 2 m na maioria dos países europeus No Japão: Multi-Functional Satellite Augmentation System (MSAS) 2 satélites geo-estacionários: sistema utilizado no Japão e na Austrália. Estação WAAS no Alasca Estação WAAS na Califórnia (uplink) 10
Negócios baseados em GPS AVL (Automatic Vehicle Location): Localização de Frotas Geralmente implementadas com um receptor GPS (localiza a posição do veículo) e um circuito de telefone celular GSM ou CDMA (envia periodicamente a localização do veículo para uma empresa de segurança e/ou o proprietário do veículo). Negócios baseados em GPS AVL (Automatic Vehicle Location): Localização de Frotas Rede por Pacotes IP Satélites GPS Veículo equipado com Rastreador Rede de Telefonia Celular GSM-GPRS ou CDMA Programa de Geo-Localização Negócios baseados em GPS Integração GPS com Google Earth GeoWeb AVL (Automatic Vehicle Location): Localização de Frotas Coleta de Dados Arquivo.gpx GPS exchange Format 11
Integração GPS com Google Earth GeoWeb Outros sistemas de localização baseados em satélites GLONASS ex-urss, atual Rússia Galileo União Européia Beidou República Popular da China GLONASS Ex-URSS Rússia Global'naya Navigatsionnaya Sputnikovaya Sistema (Sistema Global de Satélites de Navegação) Sistema semelhante ao GPS norte-americano Previsão original de 24 satélites Início em 1982 Centro de controle em Moscou Centros de monitoramento em St. Petersburg, Ternopol, Eniseisk & Komsomolsk Em 2002 só restavam 7 satélites em operação! Recuperação do sistema a partir de 2004, resultado de um acordo de cooperação com a Índia 2006: 13 satélites operacionais 2007: 12 satélites operacionais + 4 lançamentos 2008: GLONASS recomposto com 16 satélites, mas somente 13 estão operacionais (30-maio-2008) http://www.glonass-ianc.rsa.ru GLONASS 12
GLONASS Após obter autorização por parte do governo do Cazaquistão para retomar o lançamento dos foguetes Proton, a Rússia colocou em órbita três satélites de navegação para a rede de satélites GLONASS. O lançamento do foguete 8K82K Proton-K/DM-2, teve lugar às 0735:24UTC do dia 26 de Outubro de 2007 a partir da Plataforma de Lançamento LC81 PU-24 do Cosmódromo GIK-5 Baikonur, Cazaquistão. GLONASS Os satélites GLONASS-M têm uma massa de 1415kg e são fabricados pela empresa NPO-PM Prikladnoi Mekhaniki. Receberam as designações Cosmos 2431, Cosmos 2432 e Cosmos 2433 após entrarem em órbita terrestre. As suas designações na série GLONASS são GLONASS-M18, GLONASS-M19 e GLONASS-M20. GLONASS GLONASS SP Standard Precision: 1602,5625 MHz a 1615.5 MHz HP High Precision: 1240 MHz e 1260 MHz (codificado) Datum: PZ-90 http://www.glonass-ianc.rsa.ru 13
GLONASS GLONASS Constellation Status at 01.06.2008 based on both the almanac analysis and navigation messages received at 23:00 01.06.08 (UTC) in IAC PNT TsNIImash GLONASS GALILEO União Européia Sistema semelhante ao GPS norte-americano, a ser completado em 2012 Operado pela Agência Espacial Européia (ESA) Previsão de 27 satélites ativos + 3 de reserva Projeto preliminar: satélites de 660kg e 1500 W Somente dois satélites de testes foram lançados até agora: GIOVE-A (28 de dezembro de 2005) e GIOVE-B (27 de abril de 2008) Lançamentos são realizados da base russa em Baikonur, no Cazaquistão. GALILEO União Européia Segundo satélite do Galileo será lançado somente em 2008 26/09/2007 Atraso deve-se a problemas com foguete russo Segundo um comunicado recente da empresa Arianespace, o lançamento do segundo satélite do sistema global de navegação por satélites Galileo, Giove-B, previsto para dezembro, sofrerá um atraso de três meses. A nova data para lançamento do Giove-B foi marcada para março de 2008. O atraso foi provocado por problemas no foguete russo Soyuz, que deverá levar o satélite para sua órbita. Quando estiver completo, o sistema Galileo terá 30 satélites, que orbitarão a Terra a 24 mil quilômetros de altura e enviarão um sinal civil alternativo à rede GPS, de controle militar. A data prevista para que o sistema esteja completamente operacional é 2012 GIOVE-A 14
GIOVE - Galileo In-Orbit Validation Element GALILEO União Européia Propõe-se 4 tipos de serviços: Open Service (OS): O acesso será gratuito Rinais emitidos em duas faixas: 1164 MHz 1214 MHz & 1563 MHz 1591 MHz. Receptores dual band: erro <4 m horizontal & <8 mvertical Receptores single band: erro <15 m horizontal & <35 m vertical Commercial Service (CS): Acesso mediante o pagamento de uma taxa: serviço criptografado disponível somente sob licença: erro < 1m Recebe os sinais OS + sinal adicional criptografado na faixa de 1260 MHz 1300 MHz. Será complementado por estações terrestres (EGNOS): erro < 10 cm Public Regulated Service (PRS) &Safety of Life Service (SoL): Precisão semelhante ao Open Service. Apresentará robustez contra interferências. PRS será usado por autoridades de segurança (Polícia e Forças Armadas). SoL será usado por sistemas de transporte (Controle de Tráfego Aéreo, Aeronaves, Trens etc.). Proposta: Equipamentos que combinem os sinais GPS, GLONASS (e futuramente t também os sinais do sistema europeu Galileo). Proposta: Equipamentos que combinem os sinais GPS, GLONASS (e futuramente também os sinais do sistema europeu Galileo). 15
GALILEO União Européia Há dúvidas se o Sistema Galileo de fato estará completo até 2012 (primeira previsão era 2008, depois 2010...) A Agência Espacial Européia (ESA) enfrenta problemas de orçamento insuficiente para completar o Sistema Galileo. Oposição aberta do governo norte-americano O satélite GIOVE-B foi anunciado como pronto, mas posteriormente a ESA confirmou alguns problemas nos testes pré-lançamento. GIOVE-B só foi lançado em 27 de abril de 2008 do Cosmódromo de Baikonur, no Cazaquistão. GIOVE - A GIOVE - A 28 de dezembro de 2005 16
GIOVE - B 27 de abril de 2008 Beidou 北斗 (Ursa Maior) China Cobertura somente na R.P.China e países vizinhos (Longitude 70 ~140 E e Latitude 5 ~55 N). 2 Satélites geo-estacionários + 2 reservas Os satélites geo-estacionários permitem somente localização 2D e não 3D. Os equipamentos terrestresest es devemem se comunicar com os 2 satélites para obter a localização. Downlink 2491,75 + / - 4,08 MHz Uplink 1615,68 MHz. Datum: Beijing 1954 Local de Foguete Data Satélite Lançamento Lançador 30.out.00 BeiDou-1A Xichang CZ-3A 20.dez.00 BeiDou-1B Xichang CZ-3A 25.mai.03 BeiDou-1C Xichang CZ-3A 03.fev.07 BeiDou-2A Xichang CZ-3A 14.abr.07 BeiDou-2B Xichang CZ-3A Beidou 北斗 (Ursa Maior) China Aparentemente os receptores recebem também os sinais dos satélites GPS norte-americanos, sendo os satélites Beidou destinados a aumentar a precisão da localização. Devido à necessidade de comunicação do equipamento terrestre com os 2 satélites geo-estacionários, os equipamentos são grandes e provavelmente consomem muita potência. Aparentemente a China havia desistiu do sistema Beidou em favor de um acordo para uso do sistema Europeu Galileo, porém lançou em fevereiro e abril de 2007 mais dois satélite do sistema Beidou (não eram lançados novos satélites Beidou desde 2003). Introdução ao NAVSTAR-GPS Conclusões O sistema NAVSTAR-GPS é uma excelente ferramenta de geolocalização, disponível mundialmente e gratuitamente, com inúmeras aplicações. Como foi desenvolvido para aplicações militares, o GPS é controlado pelos militares norte americanos, podendo sofrer a qualquer momento indisponibilidade ou introdução de desvios propositais por razões de segurança. A China, a antiga URSS e a Comunidade Européia, preocupadas com o controle militar norte-americano do GPS, desenvolveram (GLONASS + Beidou) ou estão desenvolvendo (GALILEO) seus próprios sistemas baseados em satélites. Os vários empecidos e adiamentos não permitem prever quando o sistema Galileo estará plenamente operacional Se o sistema Galileo de fato se tornar realidade, será interessante ter futuramente equipamentos que possam receber sinais conjuntos dos sistemas GPS + GLONASS + Galileo 17