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Sistemas de Telecomunicações | 2007-2008

GPS – Sistema de Posicionamento Global

Engenharia Electrica e Electrónica - TIT

Rui Marcelino

Maio 2008

Sumário

1. Cálculo da distancia

2. GNSS Tecnologia

3. Aumento de Precisão

4. Sistema de Coordenadas

5. Receptores GPS

2 | Sistemas de Telecomunicações | 2008

5. Receptores GPS

6. Referências

Decibel

Será que nunca mais vou andar perdido?


Sistema de Navegação por satélite é um método que emprega um sistema Global de navegação por satélite (GNSS), que permite determinar:

1. Determinar com exactidão a posição (Longitude, Latitude e Altitude) com precisão entre 20m até aproximadamente 1 mm ???

2. Horas exactas (UTC- Universal Time Coordinated) com precisão entre 60ns até aproximadamente 5ns

Sistema de Navegação por satélite é um método que emprega um sistema Global de navegação por satélite (GNSS), que permite determinar:

1. Determinar com exactidão a posição (Longitude, Latitude e Altitude) com precisão entre 20m até aproximadamente 1 mm ???

2. Horas exactas (UTC- Universal Time Coordinated) com precisão entre 60ns até aproximadamente 5ns

GPS – Sistema de Posicionamento Global


Velocidade e trajectória de um viagem podem ser derivados destes valores.Velocidade e trajectória de um viagem podem ser derivados destes valores.

GPS


Funcionalidade básica de um sistema de navegação


NAVSTAR-GPS: Navigation System with Timing And Ranging Global Positioning System

Foi implementado pelo Departamento de Defesa Norte-Americano, Custo de Implementação 12 Biliões USD. O primeiro satélite foi colocado em orbita em 22 Fev. 1978

Durante a fase de desenvolvimento do sistema GPS, foi dado particular ênfase a:

NAVSTAR-GPS: Navigation System with Timing And Ranging Global Positioning System

Foi implementado pelo Departamento de Defesa Norte-Americano, Custo de Implementação 12 Biliões USD. O primeiro satélite foi colocado em orbita em 22 Fev. 1978

Durante a fase de desenvolvimento do sistema GPS, foi dado particular ênfase a:

NAVSTAR-GPS


1. Deve disponibilizar aos utilizadores a possibilidade de determinar a posição, velocidade e horas, estejam em movimento ou parados

2. Informação 3D

3. Potencial para utilização civil

1. Deve disponibilizar aos utilizadores a possibilidade de determinar a posição, velocidade e horas, estejam em movimento ou parados

2. Informação 3D

3. Potencial para utilização civil

Presentemente (2008) o sistema NAVSTAR GPS é o único totalmente funcional. No entanto nos próximos 4 ou 5 anos existirão 3 sistemas independentes totalmente funcionais. Os EUA continuarão a disponibilizar o GPS. A Rússia e a União Europeia deverão colocar os seus sistemas operacionais.

Presentemente (2008) o sistema NAVSTAR GPS é o único totalmente funcional. No entanto nos próximos 4 ou 5 anos existirão 3 sistemas independentes totalmente funcionais. Os EUA continuarão a disponibilizar o GPS. A Rússia e a União Europeia deverão colocar os seus sistemas operacionais.

GPS – GLONASS - GALILEO


1Cálculo da distância


1

Cálculo da distância




A distancia D é calculada multiplicando ∆t pela velocidade da luz (c). D= ∆t • c

O relógio do emissor tem de estar sincronizado com o receptor, por forma a que a distancia calculada seja igual à distancia real. Um erro de 1 µs resulta num desvio de 300 m.

Uma solução para o problema é incluir no automóvel um relógio atómico (alta precisão) o que não é praticável.

Outra solução será utilizar um segundo transmissor de sinal sincronizado, sabendo a distancia (A) para o primeiro transmissor. Medindo ambos os tempos é possível determinar a distância (D) sem um relógio de elevada precisão

Uma solução para o problema é incluir no automóvel um relógio atómico (alta precisão) o que não é praticável.

Outra solução será utilizar um segundo transmissor de sinal sincronizado, sabendo a distancia (A) para o primeiro transmissor. Medindo ambos os tempos é possível determinar a distância (D) sem um relógio de elevada precisão





- Numa linha precisamos de 2 transmissores de sinal

- Num plano precisamos de 3 transmissores de sinal

- Em 3D precisamos de 4 transmissores de sinal

Cálculo 3D


Quatro satélites são necessário para determinar: Longitude, Latitude, Altitude e horas

Cada satélite transmite para a Terra a sua posição e o seu relógio, estes são transmitido à velocidade da luz. Para atingir a superfície da Terra mais perto do satélite gasta aprox. 67,3 ms e por cada Kilometro adicional gasta 3,33µs. Para determinar a posição o receptor deve ter um relógio preciso para que quando receba o sinal determine o tempo de propagação do mesmo.

Cada satélite transmite para a Terra a sua posição e o seu relógio, estes são transmitido à velocidade da luz. Para atingir a superfície da Terra mais perto do satélite gasta aprox. 67,3 ms e por cada Kilometro adicional gasta 3,33µs. Para determinar a posição o receptor deve ter um relógio preciso para que quando receba o sinal determine o tempo de propagação do mesmo.



Cálculo no plano X-Y


No plano X-Y são necessários 2 satélites

Cálculo em 3D


Posição 3D corresponde ao ponto de intersecção dos 3 satélites

A conclusão anterior é válida no caso dos relógio do receptor ser preciso como os dos transmissores, como isso não acontece na prática temos mais uma variável:

- Longitude

- Latitude

- Altitude

- ∆t

A conclusão anterior é válida no caso dos relógio do receptor ser preciso como os dos transmissores, como isso não acontece na prática temos mais uma variável:

- Longitude

- Latitude

- Altitude

- ∆t

Cálculo da posição em caso real


- ∆t

Precisamos para resolver estas 4 variáveis, de 4 equações que são derivadas de 4 satélites

- ∆t

Precisamos para resolver estas 4 variáveis, de 4 equações que são derivadas de 4 satélites



Coordenadas cartesianasOrigem Geocêntrica

R1, R2, R3, R4 – distância do utilizador aos satélites∆t1, ∆t2, ∆t3, ∆t4- tempo que demora o sinal do satélite ao utilizador


As localizações dos satélites são conhecidas. As coordenadas do utilizador podem ser calculadas. Os relógios dos satélites são bastante precisos, mas o relógio do receptor não o é, e pode estar adiantado ou atrasado de ∆t0

As localizações dos satélites são conhecidas. As coordenadas do utilizador podem ser calculadas. Os relógios dos satélites são bastante precisos, mas o relógio do receptor não o é, e pode estar adiantado ou atrasado de ∆t0


os valores medidos não são correctos, daí o termo Pseudodistância


A distância R do satélite pode ser calcula da num sistema de eixos cartesianos por:

Substituindo, vem:


De forma a calcular as quatro variáveis, são necessárias 4 equações independentes, a equação seguinte é válida para os quatro satélites (i=1,2,3,4)

2GNSS Tecnologia


2

Segmentos


Constelação de Satélites - GPS


Consiste numa constelação de 32 satélites sendo 4 sobressalentes em 6 planos orbitais

Seguimento de satélite - 24 horas


Os satélites são equipados com relógios atómicos. Para manter a sincronização dos sinais.

Os sinais são transmitidos a uma frequência de 1575.42 MHz

O mínimo sinal recebido na Terra é aproximadamente approx. -158dBW to -160dBW [i].

Os satélites são equipados com relógios atómicos. Para manter a sincronização dos sinais.

Os sinais são transmitidos a uma frequência de 1575.42 MHz

O mínimo sinal recebido na Terra é aproximadamente approx. -158dBW to -160dBW [i].

Satélites


to -160dBW [i]. to -160dBW [i].

The link budget analysis (Table 1) between a satellite and a user is suitable for establishing the required level of satellite transmission power. According to the specifications, the minimum amount of power received must not fall below –160dBW (-130dBm). In order to ensure this level is maintained, the satellite L1 carrier transmission power, modulated with the C/A code, must be 21.9W.

The link budget analysis (Table 1) between a satellite and a user is suitable for establishing the required level of satellite transmission power. According to the specifications, the minimum amount of power received must not fall below –160dBW (-130dBm). In order to ensure this level is maintained, the satellite L1 carrier transmission power, modulated with the C/A code, must be 21.9W.

Feixe


The following information (the navigation message) is transmitted by the satellite at a rate of 50 bits per second [ii]:

• Satellite time and synchronization signals

• Precise orbital data (ephemeris)

• Time correction information to determine the exact satellite time

• Approximate orbital data for all satellites (almanac)

• Correction signals to calculate signal transit time

Feixe dados


• Correction signals to calculate signal transit time

• Data on the ionosphere

• Information on the operating status (health) of the satellite

The time required to transmit all this information is 12.5 minutes. By using the navigation message the receiver is able to determine the transmission time of each satellite signal and the exact position of the satellite at the time of transmission.

Each GPS satellite transmits a unique signature assigned to it. This signature consists of a Pseudo Random Noise (PRN) Code of 1023 zeros and ones, broadcast with a duration of 1ms and continually repeated (Figure 17).

Sinal transmitido


Bitstream recebido


Reflexão da onda


3Aumento de Precisão


3

GPS Diferencial


GPA – Melhoramento


Serviços WADGPS


4Sistemas de Coordenadas


4

Sistema de coordenadas

Existe um grande variedade de sistemas de coordenadas possíveis de serem utilizadas para indicar uma localização terrestre.

Elipsóide- Elipse de revolução.

Geóide- É um modelo físico da terra. Em a que a superficie não ´+e regular como um elipsóide mas irregular com variações maximas de +-100 metros. Enquanto que a terra varia entre + 8km e -11Km

Existe um grande variedade de sistemas de coordenadas possíveis de serem utilizadas para indicar uma localização terrestre.

Elipsóide- Elipse de revolução.

Geóide- É um modelo físico da terra. Em a que a superficie não ´+e regular como um elipsóide mas irregular com variações maximas de +-100 metros. Enquanto que a terra varia entre + 8km e -11Km


100 metros. Enquanto que a terra varia entre + 8km e -11Km100 metros. Enquanto que a terra varia entre + 8km e -11Km

Sistema de coordenadas - Geóide


Sistema de coordenadas - Geóide


Existe um grande variedade de sistemas de coordenadas possíveis de serem utilizadas para indicar uma localização terrestre.Existe um grande variedade de sistemas de coordenadas possíveis de serem utilizadas para indicar uma localização terrestre.

Sistema de coordenadas - Elipsóide

ELIPSÓIDE DE REFERÊNCIA USADO

WGS-84 (World Geodetic System--1984)


Sistema de coordenadas – Relação entre os diversos sistemas


Dependendo do sistema de coordenadas utilizadas assim podem variar as coordenadas e altitude de uma determinada localização.Dependendo do sistema de coordenadas utilizadas assim podem variar as coordenadas e altitude de uma determinada localização.

5Receptores GPS


5

Diagrama de blocos de um receptor u-blox 5


Diagrama de blocos de um receptor GPS


ST Cartesio

SoC ST inclui um ARM com GPS embebido

Dada a elevada proliferação da utilização de GPS.Começaram já a surgir dispositivos com receptores GPS integrados. Outros deverão surgir brevemente.

FPGA com cores GPS ?

GPS – integração


Interface de dados – NMEA 0183


Interface de dados – NMEA 0183 - GGA


Interface de dados – NMEA 0183 - GLL


Interface de dados – NMEA 0183 - GSA


Interface de dados – NMEA 0183 - GSV


Interface de dados – NMEA 0183 - RMC


Interface de dados – NMEA 0183 - VTG


Interface de dados – NMEA 0183 - ZDA


6Referências


6

Referências

-Jean-Marie Zogg, “GPS Compendium, Essentials of Satellite Navigation”, u-blox AG, (2007)

-http://www.u-blox.com


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