Satélite - Engenharia Cartográfica

Transcrição

UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARANÁ
Curso de Engenharia Cartográfica
GPS
Professor Dr. SÍLVIO ROGÉRIO CORREIA DE FREITAS
Alunos
HENRY MONTECINO
MARLY TEREZINHA QUADRI SIMÕES DA SILVA
NAVSTAR-GPS
(NAVigation Satellite with Time And Ranging)
ou como é conhecido Sistema de Posicionamento
Global (GPS)
-
Sistema de rádio navegação desenvolvido pelo
Departamento de Defesa dos Estados Unidos
(Departamento of Defense - DoD).
-
Principal sistema de navegação
Armadas norte-americanas.
-
Fusão de dois programas, Timation e System 621B,
para desenvolver um sistema de navegação global
sob responsabilidade da Marinha e Força Aérea.
das
Forças
-
Responsabilidade do Programa Conjunto Office (JPO),
um componente do espaço e do Centro de Mísseis em
El Segundo, Califórnia. Em 1973, a JPO foi dirigida pelo
Departamento de Defesa dos Estados Unidos (DoD).
-
Adota como referência o elipsóide World Geodetic
System de 1984 (WGS-84).
Componente Espacial
`
Constelação de 24 satélites
em 6 planos orbitais (4
satélites em cada plano)
`
Concebido de forma que
existam no mínimo 4
satélites visíveis acima do
horizonte em qualquer ponto
da superfície e em qualquer
altura.
©2000 by
Todd Walter
and Per
Enge
`
Existem várias classes ou tipos de satélites GPS:
são o Bloco I, Bloco II, Bloco IIA, Bloco IIR,Bloco IIR-M,
e para o futuro do bloco IIF (já tem um satélite lançado
desse bloco – satélite 25) e satélites do bloco III.
Planos orbitais: A, B, C, D, E e F , separados de 60o entre si.
`
Objetivo do GPS

Garantir tempo e navegação de precisão (posição,
velocidade e direção) contínua e global, em tempo
real e sob quaisquer condições atmosféricas.
`
Sistema permite determinar a posição em
três dimensões para pontos em qualquer parte
do planeta, e em qualquer hora do dia.
¾
ESTRUTURA DO SINAL GPS
• Cada satélite transmite 2 ondas portadoras L1, L2.
Os sinais são derivados a partir de uma
freqüência gerada por um relógio atômico,
f0 = 10,23 MHz = freqüência GPS básico.
PortadorasL1, L2, L5
` L1 - Frequência de banda = 154 x 10.23 MHz =
1575.42 MHz ؆ 19,05 cm
– código C/A para 1.024Mhz
– código P para 10.23Mhz
– Dados de navegação para 50Hz
`
L2 - Frequência de banda = 120 x 10.23 MHz =
1227.60 MHz ؆ 24,45 cm
– código P para 10.23Mhz
– código Y criptografado no código P para10.23Mhz
– Dados de navegação para 50Hz
`
No futuro
como:
nova operadora é especificado
L5 = 115 f 0 = 1176.45MHz
Código PRN (Pseudo-Randon-Noise)
(Ruido Falsamente Aleatório)
Seqüência binária de +1 e -1 ou 0 e 1.
São modulados em fase sobre as portadoras L1,
L2. Os códigos são
C/A
P
Y

Usados em cada satélite são únicos e qualquer
par deles apresenta baixa correlação permitindo
que todos os satélites partilhem da mesma
freqüência.
Código C/A (Coarse Acquisition)
10,23 / 10 = 1,023 Mhz ؆ 300 m (modula L1)
Código P (Precise or Protected) (preciso ou protegido)
10,23 /1 = 10,23 Mhz ؆ 30 m (modula a L1 e L2)
reservado para militares E.U. e outros usuários
autorizados.
`
Isto é conseguido usando o código W para criptografar
o código P para o código Y (antispoofing).
Código Y
gerado a partir de uma equação secreta (anti-spoofing –
A/S) que criptografa o código P.
Esse modo é usado parara causar a degradação
intencional do sinal civil dos satélites GPS.

Características dos Sinais GPS
• Os sinais transmitem uma série de mensagens de
navegação, tais como:
9 - Efemérides (informações dos parâmetros orbitais)
9 - correções dos relógios dos satélites
9 - saúde dos satélites, etc. ,
que são processadas pelos receptores GPS.
• Penetram nevoeiros, chuvas, nevascas, poeiras e
tempos instáveis.
• Não consegue atravessar matas densas (absorvido
pelas folhas das árvores) e sólidos que possuam alguns
centímetros de espessura.
• Leitura dificultada
¾ COMPONENTES DE CONTROLE
• O sistema de controle operacional (OCS) é composto
por uma estação de controle central, estações monitoras,
e as estações de controle em terra.
• Responsáveis
pelo rastreamento dos satélites,
atualização de suas efemérides (posições orbitais) e
calibração e sincronização dos seus relógios.
`
Este sistema determina as órbitas de cada satélite e
prevê a sua trajetória nas 24h seguintes.
`
Esta informação é enviada para cada satélite para
depois ser transmitida por este, informando o receptor
do local onde é possível encontrar o satélite.
`
Existem 5 estações monitoras localizadas no:
Havaí, Colorado Springs, Ilha da Ascensão no
Atlântico Sul, Diego Garcia, no Oceano Índico, e
Kwajalein, no Pacífico Norte.
¾
SEGMENTO DO USUÁRIO
Constituído pelos receptores GPS e comunidade de usuários.
Os receptores convertem os sinais dos satélites
em
estimativas de posições, velocidade e tempo.
`
Para diversos usuários militares e civis são vários os
tipo de receptores disponíveis hoje.
`
Em função do tipo de observáveis (pseudodistâncias e
fase da onda portadora) e da disponibilidade de códigos
(C/A, P e Y), são classificados os receptores GPS.
`
Na maioria das aplicações de navegação, receptores
com o C/A será suficiente. Com este tipo de receptor,
apenas a pseudodistância derivada do código C/A
presente na L1 é medida
EFEMÉRIDES
São parâmetros orbitais que permitem calcular a posição
(coordenadas cartesianas X,Y,Z) no céu, em determinado
instante de tempo GPS.
◦ As efemérides são necessárias para calcular a posição
do receptor
◦ Cada satélite transmite somente suas efemérides
◦ A transmissão das efemérides dura 30 segundos
◦ As efemérides são válidas por somente poucas horas
◦ As efemérides são modificadas a cada uma hora para
levar em conta as correções de posicionamento.
`
Tipos de efemérides empregadas no GPS
Transmitidas
Ultrarrápidas (preditas)
Ultrarrápidas (observadas)
Rápidas
Finais
¾
OBSERVÁVEIS BÁSICAS DO GPS
As observáveis GPS que permitem a determinação
das coordenadas de um ponto são:
`
`
1. Pseudodistância por código
2. Fase da portadora ou diferença de fase
• SIMPLES DIFERENÇA DE FASE (SD)
- diferença entre duas puras diferenças para o
mesmo satélite;
• DUPLA DIFERENÇA DE FASE (DD)
- diferença entre duas simples diferenças de
fase, tomadas para pares de satélites, com pelo
menos um participando do cálculo
• TRIPLA DIFERENÇA DE FASE (TD):
- resultado da diferença entre duas observações de
dupla diferença de fase, obtidas em tempos diferentes,
tomando um mesmo tempo como origem para
realizar os cálculos.
1.
Pseudodistância (pseudoranges).(PD) através de
Códigos (C/A, P, Y):
As medidas de distâncias entre satélite e a antena do
receptor baseiam-se nos códigos gerados nos satélite
e no receptor . O receptor gera uma réplica do código
produzido no satélite.
A PD é a diferença entre o tempo (t) registrado no
receptor (r) no instante de recepção do sinal e o
tempo registrado do satélite (s)
Modelo matemático da pseudodistância (código)
[
+ c [dt
]
]+ I
s
PD = cτ + c dt r − dt + ε PD r
S
R
s
r
PD RS = ρ rs
s
r
− dt s
s
r
s
+ Trs + dm rs + ε PD r
ρ rs = distância geométrica entre a antena e o satélite
( as coordenadas do receptor e do satélite estão implicitas nesta distância )
c = velocidade da luz
dt s = erro do relógio do satélite ao GPS no ins tan te t s
dt r = erro do relógio do receptor ao GPS noins tan te t r
I rs = ionosfera
Trs = troposfera
dmrs = multica min ho
s
ε PD r = erro da medida da pseudodistância
2.
Fases das portadoras ( L1, L2, L5)
Mais precisa. As portadora L1 E L2 tem suas fases no
instante em que tocam a antena
do receptor
comparadas as de suas réplicas geradas no receptor.
Fase gerada no satélite:
φrs (t) = φr (t) −φs (t) + Nrs +εφs
Fase gerada no receptor:
φr (t ) = −φr (t0 ) + f [t − dtr (t )]
r
`
Modelo matemático (pseudodistância - fase da portadora)
φ = f * τ + f * [(dtr (t ) − dt (t )]+ [(φ (t0 ) − φr (t0 )]+ N + εPDr
s
r
s
t
s
r
s
r
s
s
s
s
⎞
⎛
s
I
T
ρ
−
+
s
s t
s
s
r
r
r + dm
⎟⎟ + f * dtr (t ) − dt t + φr (t0 ) − φr (t0 ) + Nr + εPDr
φr = f * ⎜⎜
c
⎠
⎝
[(
( )] [(
]
ρ rs = distância geométrica entre a antena e o satélite
( as coordenada s do receptor e do satélite estão implicitas nesta distância )
f = frequência
dt s = erro do relógio do satélite ao GPS no ins tan te t s
dt r = erro do relógio do receptor ao GPS noins tan te t r
I rs = ionosfera
Trs = troposfera
dm rs = multica min ho
s
ε PD r = erro da medida da pseudodist ância
N rs = ambiguidad e da fase
`
Principais fontes de erro
`
Satélite: erro de órbita, do relógio, relatividade, atraso entre
as duas portadoras(L1, L2), centro de fase da antena do
satélite, fase wind-up
`
Propagação do sinal: Refração troposférica, Refração
ionosférica, perdas de ciclos, multicaminho ou sinais
refletidos, rotação da terra
`
Receptor/Antena: erro do relógio, erro entre canais, atraso
entre as duas portadoras(L1, L2) no hardware do receptor,
centro de fase da antena do receptor, fase wind-up
`
Estação: erro nas coordenadas, multicaminho ou sinais
refletidos, marés terrestres, movimento do pólo, carga
oceânica, pressão da atmosfera
¾ Obtenção de coordenadas à partir do GPS
As coordenadas do ponto podem ser obtidas por várias
técnicas de posicionamento:
Posicionamento absoluto, Posicionamento relativo,
Diferencial GPS, Posicionamento relativo estático,
Posicionamento relativo cinemático.
¾ Método de Posicionamento Absoluto
ou posicionamento por ponto (PP)
(estático, cinemático)
Utiliza apenas um receptor utiliza:
• Pseudodistância (por Código) ou
• Fase da onda portadora ou
• Fase da onda portadora e
Pseudodistância
Pode ser por:
Por ponto (simples)
Utiliza efemérides transmitidas
Referencial vinculado ao WGS84
Por ponto preciso (PPP)
Utiliza efemérides e precisas e
correções do relógio
Referencial vinculado ITRF2005
Posicionamento absoluto por ponto (PP)
com pseudodistâncias (Códigos)
As coordenadas de A são determinadas por meio
de GPS, são 4
pseudodistâncias para os
diferentes satélites (j, k, l, m) .
RAj (t ) = ρAj (t ) + cδ A(t )
ρ Aj (t ) = distância geométrica
do ponto A
R Aj (t ) = pseudodist ância
δ A (t ) = erro do relógio
`
Para determinar o ponto de coordenadas desejado
incluir a distância
ρ (t ) =
j
A
(X (t ) − X ) + (Y (t ) − Y ) + (Z (t ) − Z )
2
j
A
2
j
2
j
A
A
ρ Aj (t ) = distância geométrica do ponto A
X j (t ) ,Y j (t ), Z j (t ) = componente s do vetor posição geocêntric a
do satélite na época t
X A ,YA , Z A = coordenada s desconheci das do local de
observação
.
`
O sistema correspondente para obtenção das coordenadas
da pseudodistância (por código A) é da forma:
ρ Aj (t ) = distância geométrica
R (t ) = ρ (t ) + c δ A (t )
j
A
j
A
k
A
k
A
do ponto A
R (t ) = ρ (t ) + c δ A (t )
R Aj (t ) = pseudodist ância
R Al (t ) = ρ Al (t ) + c δ A (t )
δ A ( t ) = erro do relógio
R Am (t ) = ρ Am (t ) + c δ A (t )
`
j
Incluindo a distância ρA(t ) :
R Aj (t ) =
R Ak (t ) =
R Al (t ) =
R Am (t ) =
(X (t ) − X ) + (Y (t ) − Y ) + (Z (t ) − Z ) + c δ (t )
(X (t ) − X ) + (Y (t ) − Y ) + (Z (t ) − Z ) + c δ (t )
(X (t ) − X ) + (Y (t ) − Y ) + (Z (t ) − Z ) + c δ (t )
(X (t ) − X ) + (Y (t ) − Y ) + (Z (t ) − Z ) + c δ (t )
2
j
A
A
2
k
A
2
A
2
l
A
2
A
A
2
l
A
m
A
k
A
2
l
2
j
A
2
k
2
j
A
2
m
A
A
2
m
A
A
¾ Método de Posicionamento Absoluto ou
posicionamento por ponto preciso (PPP)
• O PPP geralmente requer dados de receptores
de dupla freqüência.
• Desta forma, as equações linearizadas que
fazem parte do PPP para receptores de dupla
freqüência são a pseudodistância e a fase da
onda portadora.
A equação linearizada da pseudodistância é dada pelo
modelo matemático:
(
)
E (ΔPD ) = a rs ΔX r + brs ΔYr + crs ΔX r + c dt r − dt s + I rs + Trs
ΔPD = diferença entre a pseudodist ância observada
entre o receptor r e o satélite s e a calculada em
função dos parâmetros aproximado s para a
portadora Lj, sendo j = (1,2)
a rs ,brs , c rs = coeficient es referentes às derivadas
parciais da distância geométrica com relação
aos parâmetros aproximado s,
c = velocidade da luz no vácuo
dt s = erro do relógio do satélite
calculado com informaçõe s contidas
nas efemérides precisas dos satélites ,
I rs = erro devido à refração ionosféric a
Trs = erro devido à refração troposféri ca,
¾ MÉTODO DE POSICIONAMENTO RELATIVO
(estático, estático rápido, cinemático,
semicinemático)
Dois receptores rastreiam simultaneamente os
satélites por 20 min ou até horas.
Intervalo de gravação de dados 15s, 30s,1 min
Precisão da ordem de
1ppm a 0,1 ppm (estático)
1ppm a 5 ppm
(estático rápido)
¾ Posicionamento Relativo com pseudodistância
(Código )
`
Determinar as coordenadas de um ponto desconhecido B
em relação a um ponto conhecido A.
XB = XA + bAB
bAB
⎡ X B − X A ⎤ ⎡Δ X AB ⎤
= ⎢⎢ YB − YA ⎥⎥ = ⎢⎢ Δ YAB ⎥⎥
⎢⎣ Z B − Z A ⎥⎦ ⎢⎣ Δ Z AB ⎥⎦
`
Considerando por fase ( Φ Aj ), sendo pontos A e B do satélite j e
outro satélite k simultaneamente época t, as equações de
medição são:
Φ Aj =
Φ Ak =
Φ Bj =
Φ Bk =
1
λ
1
λ
1
λ
1
λ
ρ Aj (t ) + f δ A (t ) + N Aj
ρ Ak (t ) + f δ A (t ) + N Ak
ρ Bj (t ) + f δ B (t ) + N Bj
ρ Bk (t ) + f δ B (t ) + N Bk
ρ Ak = distância geométrica entre a antena e o satélite
δ A = erro do relógio
f = frequência
jk
Φ AB
= fase
`
Simplificando
jk
= Φ Bk (t ) − Φ Bj (t ) − Φ Ak (t ) + Φ Aj (t )
Φ AB
jk
(t ) = ρ Bk (t ) − ρ Bj (t ) − ρ Ak (t ) + ρ Aj (t )
ρ AB
jk
N AB
= N Bk − N Bj − N Ak − N Aj
ρ Ak = distância geométrica entre a antena e o satélite
f = frequência
jk
Φ AB
= fase
`
Encontramos o modelo da dupla diferença de fase
jk
(t ) =
Φ AB
1
λ
jk
(t ) + N ABjk
ρ AB
λ = compriment o de onda