TE155-Redes de Acesso sem Fios Introdução ao … · 5 TE155-Redes de Acesso sem Fios GPS – Segmento Terrestre: Cinco estações terrestres de monitoramento e controle dos satélites

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Introdução ao NAVSTAR-GPSEwaldo Luiz de Mattos MehlUniversidade Federal do ParanáDepartamento de Engenharia Elétrica

TE155-Redes de Acesso sem Fios

Departamento de Engenharia Elé[email protected]

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As fotos anteriores e abaixo mostram o submarino norte americanoUSS Hawkbill (SSN 666) após emergir a poucos metros do PoloNorte, no dia 3 de abril de 1999. Esta foi a última viagem destesubmarino atômico, após 28 anos de serviço.

PoloNorte

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TE155-Redes de Acesso sem FiosNAVSTAR - GPS

• NAVigation System with Time And Ranging - Global g gPositioning 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.

TE155-Redes de Acesso sem FiosNAVSTAR - GPS

• Anteriormente ao NAVSTAR, a Marinha dos EUA já tinhaum sistema de localização baseado em satélitesçdenominado TRANSIT, iniciado em 1960.

• No sistema TRANSIT, havia 6 satélites em órbita polar.

• O sistema TRANSIT permitia a localização de navios esubmarinos com precisão de 200 metros. No entanto, eranecessário esperar cerca de uma hora para se ter aposição!

• O sistema TRANSIT foi colocado fora de operação apartir de 1996, com o desenvolvimento do sistemaNAVSTAR – GPS.

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TE155-Redes de Acesso sem FiosPrincípio de Funcionamento

Cada satélite emite um sinal quecontém o horário exato da suaemissão. Todos os usuários queestiverem num círculo sobre asuperfície terrestre receberão o sinalcom um determinado atraso.

TE155-Redes de Acesso sem FiosComponentes do GPSSegmento de Controle: cinco estações terrestres,sendo duas de monitoramento e três demonitoramento e uplink com os satélites em órbita.

Segmento Espacial: Constelação de satélites em órbitaterrestre (24 satélites ativos + reservas).

Segmento dos Usuários: unidades receptoras dosSegmento dos Usuários: unidades receptoras dossinais de rádio GPS, geralmente incorporadas comcircuitos microprocessados destinados ao cálculo dalocalização em coordenadas geográficas e auxílio aosdeslocamentos por terra, mar ou ar.

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TE155-Redes de Acesso sem Fios

GPS – Segmento Terrestre:Cinco estações terrestres de monitoramento e controle dos satélites

50th S Wi50th Space WingSchriever Air Force Base

Colorado Springs, CO, EUAMaster Control Monitor Station

HawaiiMonitor Station

Ascension IslandMonitor Station & Uplink

Diego GarciaMonitor Station & Uplink

KwajaleinMonitor Station

& Uplink

NAVSTAR-GPS Master Control Monitor Station50th Space WingSchriever Air Force BaseColorado Springs, CO, EUA

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TE155-Redes de Acesso sem FiosFunções das Estações TerrestresMonitoram a passagem dos satélites, medindo as distânciasprecisas entre a estação e cada um dos satélites através de efeitoDoppler dos sinais de rádioAdquirem continuamente dados metereológicos e da ionosfera,enviando esses dados à estação central de controle (MCS) emColorado Springs (EUA). Verificam também dados sobre a operaçãodos vários sistemas eletrônicos dos satélites.A estação de controle central analisa os dados ionosféricos emetereológicos, verificando se a distância medida entre cadaestação e cada satélite corresponde às predições de órbitas.Caso sejam verificadas mudanças orbitais significativas a estaçãoCaso sejam verificadas mudanças orbitais significativas, a estaçãocentral determina que o satélite atualize os dados de efeméride quetransmite. Pode também determinar a substituição de um satélitedefeituoso por um dos 5 de reserva já em órbita.As informações de retorno aos satélites são transmitidas ao espaçopelas estações da Ilha da Ascensão, Diego Garcia e Kwajalein.

GPS – Segmento Espacial:SV = Space Vehicles (Satélites)

TE155-Redes de Acesso sem Fios

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SV = Space Vehicles (Satélites)Bloco IFabricante: Rockwell International11 SVs Lançados ao espaço entre 1978 e 1985Objetivo: Desenvolvimento e testes do sistema NAVSTAR

SV = Space Vehicles (Satélites)Bloco II e IIAFabricante: Rockwell International28 SVs Lançados ao espaço entre 1990 e 1997Objetivo: Substituição de satélites do Bloco I

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SV = Space Vehicles (Satélites)Bloco IIR - ("replenishment SVs“)Fabricante: Lockheed Martin (comprada pela Boeing)Lançados ao espaço entre 2000 e 2004Satélites comunicam-se entre si

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Uso do Veículo Lançador Delta II para lançamento

édos satélites GPS do Bloco IIR

Uso do Veículo Lançador Delta II para lançamento

édos satélites GPS do Bloco IIR

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Uso do Veículo Lançador Delta II para lançamento

édos satélites GPS do Bloco IIR

Uso do Veículo Lançador Delta II para lançamento

édos satélites GPS do Bloco IIR

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SV = Space Vehicles (Satélites)Bloco IIFFabricante: Boeing• 33 SVs a serem lançados ao espaço entre 2007 e 2009• Substituição gradativa dos SVs do Bloco IIR• Satélites comunicam-se entre si• 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)

Bloco IRockwell759 kg410 W

Bloco IIRockwell1660 kg710 W

Bloco IIARockwell1816 kg710 W

Bloco IIRLockheed2032 kg1 13 kW

1978-2004

410 W 710 W 710 W 1,13 kW

Bloco IIFLockheed-Martin (Boeing)844 kg2,44 kW

2007-2009

• Inclusão do canal L5

Bloco III?

• Haverá mais dois canais para uso militar.• Canal Civil com alta potência:provavelmente permitirá receber os sinaisno interior de edifícios!• Não haverá SA (Selective Availability)

Inclusão do canal L5

(?)2010-

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C/A P(Y) M C/A P(Y) M F1 F2

II, IIA1-28

28 sats7,4 y.

IIR

GPS1990 2000 2010 2020 2030L1 L2 L5

Frequency and codes

24 satellites

89

97

05

Plano de lançamentos do Bloco IIF

IIR1-8

8 sats7,9 y.

IIR9-20

12 satsc7,9 y.

IIF1-6

6 sats15 y.

89 05

97

8 satellites

12 satellites

02

4 d.6 satellites

04

18 satellites 12 IIR+ 6 IIF

18 satellites

IIF

IIF7-30

24 sats15 y.

5m

L1 = 1575,42 MHzL2 = 1227, 6 MHzL5 = 1176,45 MHz

10 m 0.5 m100 mPrecision 95%

04

066 satellites

24 satellites

Disponibilidade Seletiva (SA – Selective Availability)• Degradação intencional dos sinais dos satélites GPS, imposta peloDepartamento de Defesa Norte-Americano.• Objetivo: impedir o uso indevido do GPS• O governo norte americano retirou o SA em maio de 2000, o quemelhorou significativamente a precisão dos receptores de GPS de usoi il ( S d l d i )civil (mas a SA pode voltar a ser usada sem aviso...).

• Os satélites do Bloco III não terão mais a opção de SA.

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Sinais L1 e L2• Os receptores mais comuns recebem somente o sinal L1• O sinal L2 é usado para correção do erro ionosférico, emequipamentos mais sofisticados.• O futuro sinal L5 destina-se a implementar a correção do erroionosférico nos receptores “amadores”

GPSSegmento Espacial

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TE155-Redes de Acesso sem FiosGPS – Segmento dos Usuários:Equipamentos receptoresEquipamentos receptores

Equipamento militar norte-americano usado no Iraque

Equipamento usado no rali do Saara - 2006

TE155-Redes de Acesso sem FiosGPS – Segmento dos Usuários:Equipamentos receptoresEquipamentos receptores

Equipamento receptor GPS completo fornecido

como módulo pré-montado e calibrado

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TE155-Redes de Acesso sem FiosGPS – Segmento dos Usuários:Equipamentos receptoresEquipamentos receptores

Receptores GPSGarmin International Inc.

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TE155-Redes de Acesso sem FiosGPS – Segmento dos Usuários

TE155-Redes de Acesso sem FiosCaracterísticas Gerais dos Receptores Portáteis

• IPX7: submergíveis em água até 1 m de profundidade, durante 30 minutos• Alimentação por pilhas ou baterias recarregáveis• Alimentação por pilhas ou baterias recarregáveis• Antena (removível ou fixa, interna ou externa)• Display de LCD com backlight• Teclas de operação das diversas funções

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TE155-Redes de Acesso sem FiosCaracterísticas Especiais dos Receptores Portáteis

• Flutuabilidade• Conector para alimentação de energia externa• Conector para antena 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”

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• Shadowing: áreas de “sombra” devido a vegetação, edifícios, objetos metálicos etc.• Multipath: Reflexão em edificações e/ou objetos metálicos

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Uso de Receptores Portáteis

Horizonte

Posição atual

Incerteza

Rumo do deslocamento do usuárioCírculo a 45º

do horizonte

Intensidade do Sinal recebido de cada Satélite

Uso de Receptores Portáteis

Velocidademáxima

Velocidade

Odômetro

OdômetroElevação

média

Odômetro

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Uso de Receptores Portáteis

Mapa gravado na

Indicaçãodo NorteVerdadeiro

Escala do Localização atual

memória interna

Escala doMapa

WAAS – Wide Area Augmentation System

• Sistema de auxílio à navegação aérea operado nos EUA pela Federal Aviation Administration (FAA).

25 t õ t t EUA Al

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• 25 estações terrestres nos EUA e Alasca comparam continuamente sua posição (conhecida) com a posição obtida por sinais GPS.• Dados de correçãosão enviados a dois satélites geo-estacionários um sobreestacionários, um sobrea costa do Atlântico e outro sobre a costa do Pacífico dos EUA.

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WAAS – Wide Area Augmentation System• O sistema WAAS corrige principalmente o atrasoionosférico, principal fonte de erro nos sinais GPS.• Receptores de GPS + WAAS chegam a precisão de 2mno território continental dos EUA e no Alasca.

WAAS ã d d f d t itó i t• WAAS não deve ser usado fora do território norte-americano!

Estação WAAS no Alasca Estação WAAS na Califórnia(uplink)

WAAS – Wide Area Augmentation System

Sistemas Semelhantes ao WAAS:Na Europa: EGNOS (European

Geostationary Navigation Overlay Service)3 satélites em órbita geo-estacionária

íPrecisão de 2 m na maioria dos países europeusNo Japão: Multi-Functional Satellite Augmentation System (MSAS)

2 satélites geo-estacionários: sistema utilizado no Japão e na Austrália.

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Negócios baseados em GPS

• AVL (Automatic Vehicle Location):Localização de FrotasGeralmente implementadas com um receptor GPS (localiza a posiçãodo veículo) e um circuito de telefone celular GSM ou CDMA (enviaperiodicamente a localização do veículo para uma empresa desegurança e/ou o proprietário do veículo).

Satélites GPS

Rede porPacotes IP

Veículo equipado com Rastreador

Rede de Telefonia CelularGSM-GPRS ou CDMA

Programa de Geo-Localização

Negócios baseados em GPS

• AVL (Automatic Vehicle Location): Localização de Frotas

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Negócios baseados em GPS

• AVL (Automatic Vehicle Location): Localização de Frotas

Integração GPS com Google Earth – GeoWeb

Coleta de Dados

Arquivo gpx.gpx

GPS eXchange Format

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Integração GPS com Google Earth – GeoWeb