Sistema Globais de Geoposicionamento

1. Sistema Globais de Geoposicionamento Professora Fabricia Benda Alegre/ES Universidade Federal do Espírito Santo 20 de setembro de 2011

2. História dos Sistemas de Posicionamento

3. A “arte de navegar” • Orientada pelos astros celestes (Sol, planetas, estrelas). • Habilidade dos navegadores • Condições climáticas • Cartas marítimas existentes; • Bússola (Chineses) – revolucionou a orientação; • Quadrante; • Astrolábio portátil (altura dos astros); • Balestilha;

4. A “arte de navegar” • Posicionamento Clássico: • Radio-goniômetro (1921); • Determinação do rumo de uma direção a partir da recepção de ondas eletromagnéticas emitidas por uma estação transmissora. • Ecobatímetro (sonar) – água; • Onda emitida, interage com o alvo e recebida pelo aparelho emissor/receptor. • Radar (superfície);

5. A “arte de navegar” • Rastreio ótico – visual e fotográfico; • Rastreio fotoelétrico (grava a luz emanada pelo satélite através de uma luneta); • Rastreio eletrônico (medida da diferença de fase de sinais de rádio emitidos pelos satélites) – laser, radar, doppler, secor. Figura 1: Ilustração de uma coleta de dados GPS pelo método do rastreio eletrônico.

6. A “arte de navegar” • Laser – fotografar satélites passivos – obtém a distância estação satélite a partir do laser refletido. • Estudo de movimento do pólo, altimetria por satélite, deriva dos continentes. • Posicionamento por rádio navegação; • Posicionamento por diferenças de fases;

7. Primeira constelação para fins de posicionamento: Posicionamentodoppler (NNSS/TRANSIT – 1964) • Composto de 7 satélites • Órbitas elípticas • Altitude média de 1.100 km • Problemas:  não havia cobertura mundial;  lapso de tempo considerável entre as passagens de satélites para um mesmo ponto da terra.

8. A “arte de navegar” • NAVSTAR (Navigation System with Time And Ranging) / GPS; • GLONASSS (ex-União Soviética); • Galileo (Europeu). Figura 2: Ilustração do histórico do sistema GPS.

9. Características do Sistema de Posicionamento GPS

10. Precisão, rapidez, versatilidade e economia • GPS • “É um sistema espacial de navegação, que foi desenvolvido pelo departamento de defesa dos EUA, que pode ser usado 24 horas por dia em quaisquer condições metereológicas para satisfazer as necessidade dos usuários civis, das forças militares americanas e de seus aliados, de modo a determinar posição, velocidade e tempo, em relação a um sistema de referência definido, para qualquer ponto sobre ou próximo a superfície da Terra”.

11. Posição (coordenadas) • Tempo – velocidade, aceleração, direção de deslocamento, etc. • Importante a contagem do tempo da propagação do sinal desde a antena do satélite até a antena do receptor.

12. Como funciona o posicionamento com GPS? • Posição geográfica em 3D; • Emitem ondas de rádio (300.000 km/s) Figura 3: Determinação de um ponto “x” pela intercessão de dois círculos. Observação: p e q – representam satélites. x – representa um ponto na superfície da Terra.

13. Teoricamente - 3 satélites - 3D. No campo o receptor somente nos apresenta a posição de navegação após a obtenção de sinais de 4 satélites. Porque? Relógios internos dos receptores são piores que os relógios internos dos satélites. Receptores dependem dos relógios dos satélites para que eles consigam se ajustar corretamente. 4º satélite auxilia na determinação da posição do ponto numa “quarta dimensão” dada pela componente do tempo.

14. LATITUDE LONGITUDE ALTITUDE GEOMÉTRICA OU ELIPSOIDAL (WGS 84 – geocêntrico) TEMPO Independentes (não precisa de intervisibilidade), qualquer hora e condição climática. Aplicações: Navegação de frotas de caminhões, ônibus, trens, posicionamento motorizado, funções de controle, agricultura de precisão, mapeamento, localização, navegação, aquisição de dados.

15. Superfície terrestre h H Elipsóide N Geóide (NMM) H = h – N N é a ondulação geoidal; h elevação acima do elipsóide; H elevação acima do geóide.

16. TCGEO versão anterior ao Mapgeo

17. PRECISÃO GPS • Depende: • do tipo de observações; • - da qualidade dos receptores; • - do nível dos erros e ruídos dos receptores; • - do erro dos relógios dos satélites e/ou dos receptores; • - da variação da velocidade da luz (meio de propagação); • - da precisão de uma medida; • - da geometria dos satélites observados; • - das perturbações atmosféricas, como por exemplo a presença de jato de elétrons; • - do multicaminhamento; • - do tipo de antena; • - dos modelos matemáticos considerados nos softwares de processamento, etc.

18. PRECISÃO GPS > número de satélites a serem captados > precisão ponto medido Receptores utilizam os melhores conjuntos de 4 satélites no momento da medição para calcular as coordenadas – precisão dada pelo DOP. DOP (Dilution Of Precision) =descreve o efeito da distribuição geométrica dos satélites no espaço sobre a precisão obtida na solução de navegação (relação entre o desvio padrão das observações / desvio padrão associado a posição).

19. < área Figura 4: a) Posições dos satélites em relação ao ponto “x”, b) Área em que o ponto “x” pode estar localizado a partir dos satélites “p” e “q”. > área Figura 5: a) Posições dos satélites em relação ao ponto “y”, b) Área em que o ponto “y” pode estar localizado a partir dos satélites “p” e “q”. Onde: p e q = satélites. x e y = pontos a serem medidos. Lp, Lq, Lr, Ls = distância de x a p e q e de e y a r e s, respectivamente (incógnitas). Δ = erro da distância.

20. DOP varia de 1 a infinito Melhor valor = 1 Combinação de todos os fatores (3D) < 3 < 6 (ideal de 2 e 4) Valores altos indicam geometria ruim (satélites próximos ou afastados). Observação: geometria varia – varia PDOP (velocidade = 232 km/mim). PDOP = valor recíproco do V de um poliedro invertido. GDOP >=6 – geometria pobre – solução pós-processamento ruim.

21. Figura 6: Ilustra a qualidade do PDOP em função da posição dos satélites.

22. É um sofisticado sistema de navegação baseado numa rede de satélites artificiais específicos que possibilitam posicionamento em 3D: latitude, longitude e altitude; • O princípio básico de seu funcionamento está baseado na medição de quatro distâncias entre as antenas dos receptores e as antenas dos satélites; • É o melhor sistema de navegação implantado, a nível mundial, tornando-se uma grande revolução na arte de posicionar qualquer objeto sobre ou próximo a superfície terrestre; • Fornece uma medida de velocidade em 3D; • Oferece uma medida precisa de tempo; • É um sistema de cobertura global; • Está disponível 24 horas por dia; • Sua precisão é atualizada diariamente; • Oferece repetibilidade de medidas; • Independe de estações de transmissão terrestre; • Independe de visibilidade entre as estações; • Oferece boa precisão de navegação independente das condições atmosféricas; • Todo o sistema de navegação é mantido por apenas um sistema, que é o sistema espacial.

23. Levantamento convencional • O GPS (Sistema de Posicionamento Global) tem muitas vantagens sobre as técnicas de levantamentos tradicionais • As técnicas convencionais necessitam nas medidas de intervisibilidade entre as estações, caso contrário terá que ser transferido até um ponto visível; • Tipicamente as medidas de distância são limitadas a 5 km; •  As condições de tempo podem ser limitantes, chuva, névoa etc.

24. Por que GPS? • Independente das condicões de tempo; • Não necessita de intervisibilidade de linhas; • Dá alta acurácia geodésica (exatidão); • Pode ser operado de noite e de dia; • Geralmente é mais rápido; • Têm vantagens econômicas; • Grande área de aplicação; • Preço competitivo.

25. Segmentos do sistema GPS Segmento espacial NAVSTAR : NAVigation Satellite Time and Ranging 24 Satelites 20200 km Segmento de controle 1 Estação principal 5 Estações de Monitoramento Segmento usuário Receptor do sinal

26. Segmento Espacial • consiste de 24 satélites; • orbitam a terra a 20.200 km duas vezes por dia e emitem simultaneamente sinais de rádio codificados; • a distribuição dos satélites é em 6 planos orbitais (4 satélites por plano); • possibilita em qualquer posição na terra se tenha sempre disponível de 5 a 8 satélites.

27. Órbitas • 55o Equator

30. Segmento Controle • É gerenciado por uma estação MASTER, situada na Base da Força Aérea Americana de Falcon em Colorado Springs, Colorado, que faz: • as transmissões de atualizações de dados de efemérides para cada satélite; • emite comandos para correções de órbitas dos satélites; • bem como controla a ligação, desligamento e do "A/S" e "S/A".

31. 5 estações de controle, incluindo a estação mestra

32. Segmento Usuário • Compreende o conjunto de usuários do sistema, os diversos tipos de receptores e os métodos de posicionamento por eles utilizados

33. O GPS fornece dois serviços de geoposicionamento, EM TEMPO REAL, que é comum a todos e quaisquer tipos de receptores, o SPS e o PPS. - SPS-" Standard Positioning Service"= Serviço de Posicionamento Normal: -PPS - "Precise Positioning Service"= Serviço de Posicionamento Preciso: (Utilizado no Míssil CRUISE)

35. Estrutura do Sinal GPS • Cada satélite transmite o seu sinal; • O sinal é composto de duas ondas portadoras (L1 e L2) e dois códigos modulados (C/A em L1 e P ou Y em ambas L1 e L2) assim como as mensagens de órbita do satélite;

36. Frequência Fundamenta 10,23 MHz ÷ 10 L11575,42 MHz Código C/A1,023 MHz Código P10,23 MHz x 154 L21227,60 MHz P-Code10,23 MHz x 120 50 BPS Mensagem do Satélite

37. L1: - Código C/A ("Civilian Access" = Acesso Livre) É utilizado para posicionamentos isolados e técnica diferencial para topografia e navegação marítima e aérea . Permite as seguintes precisões: Para posicionamento isolado=100m (hoje 15 m);Para posicionamento diferencial-5 a 2m (pós-processado ou com "link" de rádio). - Código P ("Precise" ou "Protected"= protegido) É privativo das forças armadas dos EUA e países permissionários, utilizado para posicionamento isolado em TEMPO REAL, como precisões instantâneas de 10 a 2m. - Código Y (Encriptamento do código P): É a efetivação da técnica "Anti-Spoofing" A/S, usada para impedir a utilização do código P à países não autorizados. - Código D É o trem de mensagem que contém as efemérides de todos satélites, i.e., o posicionamento pré-calculado dos satélites, bem como as variações ionosféricas. L2: - Códigos P, Y e D

38. -"S/A" = "Seletive Availability“ (disponibilidade seletiva): • É a técnica de degradação da precisão, no cálculo da posição isolada pelo código C/A, a qual altera, aleatoriamente, o código C/A. Tem a possibilidade de ser ligado, desligado ou modificado por controle de terra, à critério do DoD. Até dezembro de 1992 o S/A era ativado em períodos alternados, notadamente nos finais de semana (precisões da ordem de 100 metros). • Presidente Bill Clinton desabilita S/A em 1º de Maio de 2000.

39. - "A/S" = "Anti-Spoofing" (Anti-Fraude): É a técnica de encriptamento do código P, gerando o código Y. Desta forma, se um receptor funciona processando o código P, e este for encriptado, o rastreador passa a fornecer uma falsa posição ou mesmo não fornecer posição nenhuma.

40. Distância = Tempo x Velocidade da luz Xll Xll Xll Xll lX lX lX lX l l l l ll ll ll ll X X X X lll lll lll lll Xl Xl Xl Xl lV lV lV lV Vlll Vlll Vlll Vlll Vll Vll Vll Vll V V V V Vl Vl Vl Vl Princípio do GPS: distância

41. Princípio do GPS: posicionamento por ponto R1 R3 R2 Estamos em algum lugar na esfera de raio R1 2 esferasinterseccionadas em um circulo 3 esferas interseccionadas em um ponto (Latitude, Longitude e altitude)

42. Os satélites são como “Estações de Controle Orbital” • As distâncias de cada satélite são estimadas utilizando o tempo, por meio dos códigos C/A ou/e P • Tipicamente os receptores GPS têm relógios não muito precisos. A acurácia é bem menor do que os relógios a bordo dos satélites • As ondas de rádio viajam na velocidade da luz • (Distância = Velocidade x Tempo) • Considere um erro no relógio do receptor de: • 1/10 segundos de erro = 30.000 km de erro • 1/1.000.000 segundos de erro = 300 m de erro

43. Posição por ponto 4 satélites são necessários para Latitude, Longitude, altitude e tempo

44. Determinação da distância por observação do código DT D = V (DT) • Pseudo distância (Código) • Cada satélite envia um único sinal que se repete em aprox. 1 msegundo • O receptor compara seu sinal gerado com o sinal recebido • Pela diferença (DT) uma observação de distância pode ser determinada • Os relógios dos receptores devem estar sincronizados com o dos satélites Código recebido pelo satélite Código gerado pelo receptor

45. Determinação utilizando a fase de onda portadora DT D = cDT + lN • Observação de fase de onda portadora • Comprimento de onda do sinal em L1 é de 19,05 cm e em L2 é de 24,45 cm • Receptor compara seu próprio sinal da onda portadora gerado com o recebido pelo satélite • Número de comprimentos de onda não é conhecido no momento em que o receptor é ligado (ambiguidade) • Quanto mais se rastreia o satélite, a mudança de distância pode ser observada (a ambiguidade continua constante) Fase de onda recebida pelo satélite Fase de onda gerada do satélite

46. Posição por Ponto (Absoluto) Posição por ponto com pelo menos 4 satélites GPS com boa geometria

47. Posição por ponto e a Disponibilidade seletiva (SA) 100m 20m • Em teoria posição por ponto dá uma acurácia de 10 – 20 m baseada no código C/A • O USDoD se quiser degrada a acurácia do sinal • Incerteza no relógio do satélite • Informação da órbita do satélite • É conhecido como (SA) • Acurácia do posicionamento +/-100 m (95%) P +/- 100m (95%) P = Posição verdadeira

48. Acurácia do posicionamento por ponto sob SA Acurácia 10 - 100 m Posição por ponto sob SA: +/- 100 m Horizontal +/- 160 m Vertical

49. Erros • Erros do satélite • Incerteza da órbita • Relógio do satélite • Erros do receptor • Relógio do receptor • Erros de observação • Ionosfera (atraso) • Troposfera (atraso) • Erros da estação • Coordenadas da estação • multicaminhamento