prof. dr. gilberto pessanha ribeiro prof. eng. jhonnes alberto vaz universidade federal de são...

INTRODUÇÃO AO SISTEMA DE POSICIONAMENTO

GLOBAL (GPS)

Prof. Dr. Gilberto Pessanha RibeiroProf. Eng. Jhonnes Alberto Vaz

Universidade Federal de São Paulo – UNIFESPDepartamento de Ciências do Mar

[email protected]://gilbertounifesp.wix.com/home

http://www.georeferencial.com.br

SISTEMA EARTH-CENTERED, EARTH FIXED ECEF - CENTRADO E FIXO À TERRA

Z = Eixo Médio de Rotação (Eixo Polar)

• X = Longitude Zero• Eixo X no plano do Equador

• Y = Longitude 90º E• Eixo Y no plano do Equador

Z

X

Y

Centro de massa da Terra

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UNIFESP - Gilberto Pessanha Ribeiro

ELEMENTOS DA ELIPSE a = semi-eixo maior b = semi-eixo menor f = achatamento = (a-b)/a Parâmetros mais frequentes: “a” e “1/f”

Semi-eixo menor

Semi-eixo maior

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ELIPSE 3D: UM ELIPSÓIDE

Semi-eixo maior

Semi-eixo menor

• Elipse rotacionada em torno do semi-eixo menor (polar) para obter um elipsóide 3D

• Semi-eixo maior: eixo equatorial

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DEFINIÇÃO DO ELIPSÓIDE a = semi-eixo maior b = semi-eixo menor f = achatamento = (a-b)/a Elipsóides normalmente definidos

por “a” e “1/f”

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COORDENADAS CARTESIANAS E GEODÉSICAS

X

Y

Z Ponto “P”X, Y, Z ouLat, Long, Alt Elip

Meridiano de Greenwich

Meridiano em “P”

Elipsóide de Referencia

y

x

z

H

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Um Datum é definido através de 8 elementos:• Posição da rede (3 elementos)• Orientação da rede (3 elementos)• Parâmetros do elipsóide (2 elementos)

SUPERFÍCIES DE TRABALHO

Elipsóide Sulamericano

Elipsóide Norteamericano

Geóide

Na definição de Data locais é mais desejável um “encaixe” regional que um global -> elipsóide melhor adaptado.

América do Sul

América do Norte

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DATUM (WGS 84)

8


DATUM (SAD-69)

9


DATUMUm ponto pode ter diferentes coordenadas,

dependendo do Datum usado.

x

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ALGUNS DATUMS USADOS

WGS-84 SAD-69 Córrego AlegreElipsóide WGS-84 UGGI-67

Internacional a 6.378.137,00 6.378.160,00

6.378.388,00 b 6.356.752,31 6.356.774,72

6.356.911,95 1/f 298,2572235630 298,25

297,00

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SAD-69 versus WGS-84

X (SAD)

Y (SAD)

Z (SAD)

Y (WGS)

X (WGS)

Z (WGS)SAD-69 --> WGS-84 (IBGE):

TX= -66,87 mTY= 4,37 mTZ= -38,52 m

são paralelos por definição

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GEÓIDE versus ELIPSÓIDEElipsóide

Geóide

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GEÓIDE Se aproxima do Nível Médio dos Mares

É função da densidade da Terra

É uma superfície ondulada, irregular

O nivelamento geométrico é referenciado ao Geóide 14


REFERÊNCIA DAS ALTITUDES Elipsóide

Modelo matemático que define a superfície da Terra Geióde

Superfície de mesmo potencial gravitacional (equipotencial) melhor adaptada ao nível médio do mar global.

Geóide Elipsóide

Altitude Elipsoidal H

Altitude Ortométrica h Superfície Terrestre

Ondulação geoidal - N

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MODELOS GEOIDAIS N: Ondulação ou Desnível Geoidal H: Altitude Elipsoidal h: Altitude Ortométrica N=H-h Estimar a Ondulação, N, entre o elipsóide e

o geóide Modelo para o Brasil referenciado ao SAD-69 Modelado por IBGE – EPUSP Modelo recém usado no Brasil SIRGAS’2000 OSU91A, OSU89B, e outros são modelos

globais baseados em grids de 50 km

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VETOR

Base

Estação 1

Vetor: Base até a Estação1

X

Y

Z

Linha geodésica

Distância Terrestre

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GPS PRINCÍPIOS Baseado em satélites, em desenvolvimento desde meados 60’s

NAVigation Satellite Timing And Ranging Global Positioning System

NAVSTAR GPS - Junção de dois programas militares Naval Research Laboratory - TIMATION program Air Force - 621B Project

Gerenciado pelo Department of Defense - DoD Sistema testado com Transmissores Terrestres (pseudo-satélites) Primeiro satélite teste (Bloco I) lançado em 1978 Satélites operacionais desde 1989 (Bloco II & Bloco IIA)

Bloco II & Bloco IIA lançados por foguetes Delta II de Cabo Canaveral

Geração mais recente de satélites (Bloco IIR) em produção; maior vida útil, melhor precisão, maior autonomia.

GPS: UM SISTEMA BASEADO EM PRINCÍPIOS GLOBAIS

GPS- Disponibilidade contínua do

serviço por 24 horas/dia Navegação Orientação Posicionamento

- Cobertura Global - Lat. / Long. / Alt. / Data-hora

- Levantamentos

POR QUE USAR EM LEVANTAMENTOS ?Visada Precisão Rapidez

3D

SEGMENTOS GPSSegmento Espaço

Segmento Usuário Monitor StationsDiego Garcia Ascension Is. Kwajalein Hawaii

Control Segment

Colorado Springs

27 satélites na constelação final 6 planos com inclinação

55° Em cada plano 4 satélites

Órbita muito alta 20.183 km, 12.545 milhas Período aprox. 12 horas Precisão Grande autonomia Cobertura global

SEGMENTO ESPAÇO

Copied from “GPS Navstar User’s Overview” prepare by GPS Joint Program Office, 1984

STATUS DA CONSTELAÇÃO GPSSV PRN Tipo Clock Lançam. Órbita Desativado

Bloco I1 4 22/02/78 17/07/852 7 13/05/78 16/07/813 6 6/10/78 18/05/924 8 10/12/78 14/10/895 5 9/02/80 28/11/836 9 26/04/80 6/03/917 18/12/818 11 14/07/83 4/05/939 13 Cs 13/06/84 C1

10 12 Rb 8/09/84 A111 3 Rb 9/10/85 C4

Bloco II14 14 Cs 15/04/89 E113 2 Cs 10/08/89 B316 16 Cs 14/10/89 E319 19 Cs 14/11/89 A417 17 Cs 11/01/90 D318 18 Cs 14/02/90 F320 20 Cs 18/04/90 B221 21 Cs 22/08/90 E315 15 Cs 15/10/90 D2

Bloco II A23 23 Cs 10/12/90 E424 24 Cs 30/08/91 D125 25 Rb 24/03/92 A228 28 Cs 04/25/92 C226 26 Cs 23/07/92 F227 27 Cs 30/09/92 A332 1 Cs 11/12/92 F129 29 Cs 5/01/93 F422 22 Cs 4/04/93 B131 31 Cs 30/03/93 C337 7 Cs 13/05/93 C439 9 Cs 26/06/93 A1

SEGMENTO CONTROLE / MONITORAMENTO

5 Estações para cobertura mundial Monitoramento pelo DoD

Todas têm funções de monitoramento Recebem sinais de todos os satélites Coletam dados meteorológicos (usados para modelagem

ionosférica) Transmitem dados para o MCS

Master Control Station Injeção de dados nos satélites

Parâmetros de predição orbital (efemérides) Correções aos relógios dos satélites Modelos ionosféricos NAVDATA Mensagens gerais

SEGMENTO USUÁRIO• Cartógrafos / Agrimensores • Qualquer pessoa que possua equipamento GPS

• Hardware e Software de aplicação específica

Segmento de veículos GIS Ambulâncias DragagemExploração de óleo SalvatagemNavegação terrestre CadastroNavegação marítima PolíciaMapeamento ReconhecimentoHidrografia ServiçosAproximação e decolagem aeronaves Caminhadas/lazer

INTRODUÇÃO AO SISTEMA DE POSICIONAMENTO GLOBAL (GPS)IntroduçãoO Sistema de Posicionamento Global (GPS)

foi desenvolvido pelo Departamento de Defesa nos Estados Unidos com o propósito de fornecer ao usuário posição espacial através de coordenadas plano-retangulares (x,y,z) ou geodésicas (,,H), além de velocidade e tempo.

INTRODUÇÃO AO SISTEMA DE POSICIONAMENTO GLOBAL (GPS)IntroduçãoAs medições do

tempo de chegada da fase-código com pelo menos 4 satélites são usadas para estimar a posição em 3 dimensões (x,y,z) e o tempo GPS.

INTRODUÇÃO AO SISTEMA DE POSICIONAMENTO GLOBAL (GPS)Componentes do sistema1. Constelação de satélites (segmento

espacial)2. Estações de controle (segmento

controle)3. Usuários (segmento usuário)

INTRODUÇÃO AO SISTEMA DE POSICIONAMENTO GLOBAL (GPS)IntroduçãoOs satélites GPS são

veículos espaciais que enviam sinais de rádio a partir do espaço.

INTRODUÇÃO AO SISTEMA DE POSICIONAMENTO GLOBAL (GPS)IntroduçãoA constelação de satélites

GPS consiste em 24 satélites que orbitam a Terra num período de 12 horas.

A altura de cada órbita é tal que os satélites repetem a mesma trilha e configuração sobre o mesmo ponto a cada 24 horas, aproximadamente.

INTRODUÇÃO AO SISTEMA DE POSICIONAMENTO GLOBAL (GPS)IntroduçãoCobertura das órbitas dos satélites GPS sobre o

planeta.

INTRODUÇÃO AO SISTEMA DE POSICIONAMENTO GLOBAL (GPS)

IntroduçãoRepresentação

simplificada da constelação GPS nominal, através da ascenção reta do nodo ascendente.


Segmento controleConsiste de um

sistema composto por estações localizadas ao longo do planeta.


Posicionamento diferencial

Consiste de um sistema composto por estações localizadas ao longo do planeta.


Sistema de coordenadas terrestres(x,y,z)

Geocêntrico.Plano-retangular.


Geometria dos satélites GPS

Boa geometria.Má visibilidade.

Resultam em más condições de campo e de cálculo.



Boa geometria.


NavegaçãoGPSVeículos:TerrestresAéreosMarítimos


Sistema de coordenadas terrestres (x,y,z)

Geocêntrico.Plano-

retangular.


Sistema de coordenadas terrestres(,,h)

Geocêntrico.Geodésico.



Geometria pobre.

INTRODUÇÃO AO SISTEMA DE POSICIONAMENTO GLOBAL (GPS)A solução de

navegação através da tecnologia GPS


Rede de estações de controle e monitoramento dos satélites GPS


Sinais dos satélites GPS


Sinais, custos e precisões


Formato dos dados de navegação


Gerador do código C/A


Correlação completa entreos sinais do receptor e do satélite


Ausência de correlação entreos sinais do receptor e do satélite


Correlação parcial entreos sinais do receptor e do satélite


Amostra do código PRN


Diagrama de blocos simplificado do receptor GPS

INTRODUÇÃO AO SISTEMA DE POSICIONAMENTO GLOBAL (GPS)Serviços especificados no Plano de

Radionavegação Federal (EUA): Serviço de posicionamento preciso (PPS):

usuários autorizados com equipamentos criptografados e códigos-chave. Precisão: 22 m (horizontal); 27,7 m (vertical) e 100 nanosegundos (temporal).

INTRODUÇÃO AO SISTEMA DE POSICIONAMENTO GLOBAL (GPS)Serviços especificados no Plano de

Radionavegação Federal (EUA): Serviço de posicionamento padrão (SPS):

para usuários civis, com precisão degradada propositalmente através da Disponibilidade Seletiva (SA). Precisão: 100 m (horizontal); 156 m (vertical) e 340 nanosegundos (temporal).

INTRODUÇÃO AO SISTEMA DE POSICIONAMENTO GLOBAL (GPS)Sinais emitidos pelos satélites GPS: Freqüência L1: 1575,42 MHz: é

portadora da mensagem de navegação e os sinais de código SPS.

Freqüência L2: 1227,60 MHz: é usada para medir o atraso de sinal ionosférico pelos rastreadores PPS.

INTRODUÇÃO AO SISTEMA DE POSICIONAMENTO GLOBAL (GPS)Sinais emitidos pelos satélites GPS: Três códigos binários:

Código C/A: Coarse Acquisition (L1) Código P: Precise (L1 e L2) Mensagem de Navegação (L1-C/A): é um

sinal, na freqüência de 50 Hz, consistindo em bits de dados que descrevem as órbitas dos satélites GPS, correções de relógio e outros parâmetros do sistema.

INTRODUÇÃO AO SISTEMA DE POSICIONAMENTO GLOBAL (GPS)Posição e tempo a partir do GPS: O receptor GPS produz réplicas do

código P e/ou do código C/A. Receptores modernos são capazes de

armazenar um conjunto completo de chips de código C/A pré-computado na memória.

INTRODUÇÃO AO SISTEMA DE POSICIONAMENTO GLOBAL (GPS)Navegação por pseudo-distância: A posição do receptor é definida através

da interseção das direções estabelecidas pelo conjunto das pseudo-distâncias a partir dos satélites GPS.

A posição pode ser obtida por coordenadas: geodésicas (,,h) plano-retangulares (x,y,z)

INTRODUÇÃO AO SISTEMA DE POSICIONAMENTO GLOBAL (GPS)A posição em coordenadas plano-retangulares é

convertida pelo receptor em coordenadas geodésicas.(x,y,z) (,,h)(,,h) (x,y,z)

INTRODUÇÃO AO SISTEMA DE POSICIONAMENTO GLOBAL (GPS)Fontes de erros do GPS: Erros GPS são uma combinação de:

Noise: ± 1m Bias: devido à própria SA e também

provocado por outras fontes. Blunders: podem gerar erros de centenas

de quilômetros

INTRODUÇÃO AO SISTEMA DE POSICIONAMENTO GLOBAL (GPS)Técnicas do GPS diferencial (DGPS): GPS com código diferencial (utilizada em

navegação) GPS com onda portadora diferencial

(utilizada em levantamentos) Transferência de tempo de uma estação

para outra

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