Sistema GPS

Princpio de determinao da rbitaSputinik 1D(i)out/1957123Histrico

Em 1960 foi lanado oprimeiro satlite Transit 1BHistrico

ResumoIncio da corrida espacial a partir de 1957 (Sputnik)Sistema TRANSIT operacional nas dcadas de 60 a 80Sistema NAVSTAR-GPS iniciado na dcada de 70Atualmente o GPS encontra-se plenamente operacionalHistrico

Outros Sistemas utilizados em GeodsiaSLR - Satellite Laser Ranging LLR - Lunar Laser Ranging VLBI - Very Long Base Interferometry GLONASS - Global Navigation Satellite SystemOutros Sistemas

SLR - Satellite Laser RangingOutros SistemasPreciso da ordem de 5 cm

Lunar Laser RangingPreciso da ordem de 3 cmTerraLuaOutros Sistemas

VLBI- Very Long Base InterferometryAs fontes so os QUASARESPrecises de poucos cm/ 10000 KmOutros Sistemas

ANTENA V.L.B.IEstao V.L.B.I de Wettzell - Alemanha

GLONASS-GLObal NAvigation Satellite SystemSimilar ao GPS em algumas caractersticasOne way24 satlitesSistema desenvolvido pela CEIduas frequncias na banda LFuturamente dever trabalhar em conjunto com o GPSOutros Sistemas

GLONASS-GLObal NAvigation Satellite SystemOs satlites transmitem em frequncias ligeiramente diferentes entre si3 planos orbitais8 satlites p/ plano orbitalaltitude nominal de 19.100 KmPerodo orbital 11 h 15 mPreciso da mesma ordem do GPSOutros Sistemas

Sistema GPS CaractersticasCobertura Global Opervel 24 hs Proporciona Lat/Lon/Alt/Tempo Independente de condies meteorolgicasSistema GPS

Sistema GPS CaractersticasAcurciaslevantamento relativos em geodsia ( < cm) posicionamento = 100 m ( cdigo C/A 95% com S.A.)velocidade = 0,1 m/s1 microsegundoSistema GPS

Segmentos do SistemaSegmento Espacial Segmento de Controle Segmento UsurioSistema GPS

Segmento EspacialConstelao final de 24 satlitesrbitas circularesSeis planos orbitais Espaamento entre planos = 30 grausInclinao de ~ 55 grausCada plano contendo 4 satsPerodo de 12 horas (siderais)Sistema GPS

Segmento Espacialrbitas 20.183 Km em relao superfcie da TerraUma revoluo a cada 12 horas ( ocorre repetio da constelao)Garantia de no mnimo 4 satlites acima do horizonte Sistema GPS

Segmento EspacialCusto de cada satlite ~ 65 M US$ (Fonte GPS WORLD setembro 1994)Lanados atravs de nibus espaciais (at 1986) e foguetes da srie McDonnell-Douglas DELTA II Sistema GPS

Configurao dos SatlitesSistema GPS

SEGMENTO USURIOO segmento usurio composto pela comunidade de usurios do sistema, sejam civis ou militares, em terra, gua ou ar.Incluem-se os fabricantes de equipamentos, entidades governamentais e cientficas no ligadas diretamente gerncia do sistemaSistema GPS

SEGMENTO USURIOAs informaes para os usurios civis relativas ao sistema so disseminadas pelo US Coast Guard Atravs do Navigation Information Service -NIS (Anteriormente denominado GPS Information Center - GPSIC)Sistema GPS

Segmento de Controle5 Estaes Monitoras em todo o planetaRecebem todos os sinais emitidos pelos satlites do sistemaColetam dados meteorolgicosTransmitem dados para a estao central de controle - Master Control StationMonitorados pelo DoD - Falcon Air Base Force -Space Operations SquadronSistema GPS

Segmento de Controle1 Estao Central de ControleTransmite aos satlitesParmetros orbitais estimadosCorrees aos relgios dos satlitesModelos ionosfricosComandos de manobraSistema GPS

Estaes do Segmento de ControleSistema GPS

Sinais Transmitidos ObservablesNa portadora L1 (freq. 1.575,42 MHz)Cdigo P (Y)Cdigo C/AMensagem de navegaoNa portadora L2 (freq. 1.227,60 MHz)Cdigo P (Y)Mensagem de navegaoObservables

PortadorasL1 e L2So ondas PURAS, senoidaisGeradas a partir de osciladores altamente estveis, os chamados relgios os satlitesA frequncia fundamental gerada em tais osciladores f0 = 10,23 MHzObservables

PortadorasL1 e L2A frequncia L1 obtida por f0 * 154 = 1.575,42 MHz ( 19,05 cm )A Frequncia L2 obtida por f0 * 120 = 1.227,60 MHz ( 24,45 cm )As frequncias portadoras servem para transportar a mensagem e os cdigosObservables

Cdigo P (Y)- PreciseFrequncia de 10,23 MHz ( ~ 30 m )Sequncia de 266 dias no repetida7 dias para cada satliteModulado em ambas as portadoras (L1 e L2)O cdigo P foi recodificado para Y, atravs de sua multiplicao pelo cdigo W29,31m+1-1Observables

Cdigo C/A - Coarse AquisitionFrequncia de 1,023 MHz ( ~ 300 m )Sequncia de 1 milisegundoModulado apenas na portadora L1Acesso livreObservables293,1m+1-1

Obteno da fase do cdigoSupondo os relgios do satlite e do receptor sincronizados,o tempo de trnsito Tt * c (velocidade de propagao) = DTtRplica do CdigoCdigo vindo do satliteObservables

Propriedade de autocorrelaoObservables

Pseudo-distnciasNo existe sincronismo entre os relgios do receptor e do satlite (bias)A determinao da distncia com tal erro de sincronismo da origem s chamadas pseudo-distnciasPodem ser calculadas em tempo realDistncia = velocidade * tempoObservables

Pseudo-distnciasPreciso interna na medio de distncias ~ 1% do comprimento de ondaCdigo P ~ 0,3 m (10 MHz/100)*cCdigo C/A ~ 3,0 m (1 MHz/100)*cObservables

Resumo da medio de pseudo-distnciasA posio do satlite conhecida a partir das efemrides (mensagem)O receptor pode medir o tempo de trnsito do sinal gerado pelo satliteA medio do tempo de trnsito contm erros devido falta de sincronismo entre os relgiosObservables

Resumo da medio de pseudo-distnciasPara eliminao do erro do relgio do receptor so necessrios no mnimo 4 satlites observados simultaneamenteO receptor pode estar em movimento ou estacionrioObservables

Dilution of PrecisionQuantificao da geometria dos satlites e sua influncia na posio obtidaHDOP - Influncia da geometria na posio planimtrica (lat e lon)VDOP - Idem na altitude (h)PDOP - Idem para a posio (lat, lon, h)GDPOP - idem para posio + tempo (lat, lon, h, dT)RDPOP - Medida do DOP para uma base ou vetor

Boa geometriaBoa geometria implica em baixo valor de DOPsSat 1Sat 2

M geometriaM geometria implica em altos valores de DOPsSat 1

Restries impostas PrecisoPor questes de segurana militar, duas restries bsicas so impostas aos usurios civis:A.S. - Anti SpoofingS.A. - Selective Availability

Restries impostas PrecisoA.S. : Consiste na criptografia do cdigo P, transformando-o em um novo cdigo Y. Este restrito aos usurios civisFoi implementada em 1994 aps o sistema ter sido declarado operacionalImplica em perda de preciso para o posicionamento absoluto e na deteriorao do sinal L2 obtido por tcnicas de correlao

Restries impostas PrecisoS.A. Consiste na degradao proposital da mensagem transmitidaDuas tcnicas: Epsilon e DeltaEpsilon Degadao de parmentros orbitaisDelta : Degradao de um dos coeficientes de correo do relgio do satliteImplicaes: No posicionamento absoluta um perda de preciso de ~ 5 XNo posicionamento relativo no h perda

Tcnicas de LevantamentoNo GPS vrias tcnicas de levantamento podem ser utilizadas, condicionadas pela finalidade e tipo de equipamento disponvelUma diviso simplificada separa as tcnicas entre ESTTICAS e DINMICAS* * Ainda no apropriada, utiliza-se esta denominao na literatura com relao s tcnicas no estticas

Tcnicas de LevantamentoESTTICOSPosicionamento Isolado (absoluto)Posicionamento RelativoDINMICOSCinemtico (Stop & Go)Pseudo - CinemticosRpido EstticoDGPS (RTCM)Cinemtico em tempo real

Levantamento EstticoAbsolutoUtilizado em posicionamentos de baixa preciso, reconhecimentos determinaes expeditas e navegaoUtiliza-se de um nico equipamentoProcessa normalmente o cdigo C/APreciso da ordem de 100 a 150 m sob S/AReceptores de baixo custo (~ US$ 650)

Esttico AbsolutoSat 1Sat 2Sat 4Sat 3Sat 5

Levantamento EstticoRelativoCom utilizao do cdigo Aplicao em Navegao e Engenharia Impe-se a condio que os erros so iguais em ambas as estaes (nem sempre verdadeiro)As observaes so as pseudo-distncias derivadas de um dos cdigos (Y ou C/A)Precises da ordem de 3 a 15 m (1 sigma) 0 a 500 KmEquipamento entre US$ 2.500 e 14.000

Levantamento EstticoRelativoCom utilizao da fase da portadoraAplicao em Geodsia, Geodinmica e EngenhariaEm aplicaes como geodinmica, solues em rede so recomendades, junto com a estimao de parmentros orbitaisTempo de ocupao entre 30 min e vrias horasPara maiores precises necessita de duas frequnciasDe maior utilizao nos anos iniciais do GPS

Levantamento EstticoRelativoNormalmente utiliza-se da dupla diferena de fase das portadoras a intervalos de 15, 20, ou 60 segundosSoluo mais precisa com fixao das ambiguidades at 15 -20 KmPrecises da ordem de 1 cm + 0,1 a 2 ppmEquipamentos entre US$ 10.000 e 30.000+ a tcnica mais precisa proporcionada pelo GPS

Esttico RelativoReceptor AReceptor B

Levantamentos DinmicosOs levantamentos dinmicos em geral baseiam-se na utilizao de uma estao fixa (Referncia) e no deslocamento contnuo de um ou mais equipamentos mveis (Rover), com obteno em tempo real ou ps-processada das coordenadasPossibilitam aquisio mais rpida de coordenadas e esto em expanso

Levantamentos DinmicosCinemtico (Stop & Go)Determines relativas baseadas na fase da portadoraUtilizado* em Geodsia, Topografia e CadastroEquipamento desloca-se sem perder a sintonia de, no mnimo, 4 ( 5 satlites o recomendado)Resoluo das ambiguidades antes do levantamentoPermanncia de alguns minutos( ~ 2 a 3)PDOP < 7 (recomendvel < 5).Precises de ~ 2 ppmEquipamentos entre 10.000 & 15.000 US$

Levantamentos DinmicosPseudo-CinemticoBaseado na fase da portadoraUtilizado em Geodsia Topografia e CadastroEquipamento ocupa cada estao por ~ 5 minutos e repete a ocupao no mnimo 1 hora aps a ocupao precedente. Durante o trajeto o receptor pode ser desligadoNo necessria a resoluo prvia das ambiguidadesPreciso da mesma ordem do Stop & Go (2 ppm)

Levantamentos DinmicosRpido EstticoUtiliza-se das fases das portadoras (L1 e L2)Aplicao em Geodsia, Topografia e CadastroTempo de rastreio entre 5 e 20+ minutos, dependendo da quantidade de satlites > 5 recomendadoOs equipamentos devem ser especficosDurante a permanncia no podem perder o sinalEquipamento pode ser desligado durante o deslocamentos

Levantamentos DinmicosRpido EstticoBaseia-se na medida no ambgua do cdigo P (Y) na resoluo das ambigidades Equipamentos entre US$ 23.000 e 30.000+Limitado a distncias at ~ 15 Km entre a estao de referncia e a mvel

Levantamentos DinmicosDGPS Utiliza-se do cdigo para determinao das correes s pseudo-distnciasTambm chamado de Navegao Diferencial ou RTCM - SC 104 (Radio Technical Commission for Maritime - Special Commitee 104)Aplica-se em Navegao, Cadastro Rural e EngenhariaPode ser utilizada para posicionamento ou navegao em tempo real e ps processado

Levantamentos DinmicosDGPSEm tempo real utiliza correes transmitidas via link rdio (p. ex. VHF) ou link satlites de comunicao Preciso da ordem de 3* a 15 metros podendo variar entre 1m a 3 m quando utilizadas tcnicas especiaisNova tecnologia** (chip de alta performance) pode atingir preciso < 0,5mDistncias entre 0 e 500+Custo da unidade entre 3.000* e 10.000**

Levantamentos DinmicosDGPSBastante utilizado na navegao / posicionamento de plataformas de petrleo, navegao Nos EUA a US Coast Guard iniciou montagem de um sistema de estaes de referncia para toda a costa americanaNo Brasil algumas estaes de uso especfico esto disponveis, sendo o servio oferecido por empresas particularesVariando entre US$ 10.000 e 18.000

Levantamentos DinmicosCinemtico em Tempo RealUtiliza a fase da portadora para a gerao de correes diferenciaisAplicao em Geodsia, Topografia, Engenharia, Geofsica e CadastroRestrito a distncias < 15 Km (1994)Utiliza-se de link rdio VHFResolve as ambiguidades em tempo realPrecises da ordem de 2 - 10 cm

Levantamentos DinmicosCinemtico em Tempo RealPossibilidades de soluo de ambiguidadesReinicializao em movimento (OTF)Reinicializao estticaCusto por equipamento ~US$ 35.000,

Levantamentos Dinmicoscorrees

Maiores fontes de erros no GPSErros devidos aos satlites:OrbitalNominal ~ 20 mCom SA ~ 50 a 150 mRelgio ~ 10 m

Maiores fontes de erros no GPSErros devidos propagao na atmosferaIonosfera ~ 2 a 50 mTroposfera ~ 2 a 30 m

Maiores fontes de erros no GPSErros devidos aos receptoresMulticaminhamento (multipath) ~ 0,2 a 3 mRudo ~ 0,1 a 3 m