Sistema Global de Posicionamento (GPS)

João Matos, Ana Paula FalcãoDepartamento de Engenharia Civil e Arquitectura

(Versão 1.1) – 26 Março 2007

Motivação

A utilização de referências exteriores à Terra sempre se prefiguroucomo uma abordagem natural ao problema da determinação de posição. A utilização de satélites artificiais, do qual o GPS é o de utilização mais alargada, situa-se nessa linha de evolução e veiotrazer a possibilidade de determinação de coordenadas de ummodo simples e com equipamento de baixo custo.

A utilização para fins topográficos ou geodésicos é distinta da utilização para navegação, requerendo diferente metodologia e diferente equipamento.

Posicionamento Espacial (síntese histórica)

Observatório de Uraniborg

Observatório McDonald – Universidade do Texas

Posicionamento Astronómico

Radar e Distanciómetro – II Guerra Mundial

TRANSIT

Sistema para navegação (baixa precisão)Processamento Doppler permite precisão submétrica

1970

VLBI Very Long Baseline Interferometry

SLR Sattelite Laser Ranging

Very Long Baseline Interferometry

Goddard Geophysical and Astronomical Observatory. LAGEOS

Satellite Laser Ranging

Lunar Laser Ranging

Laser Ranging Station at McDonald Observatory

1978 – 1º satélite bloco I

1989 – 1º satélite bloco II

1985 – 10 satélite bloco I

1994 – Operacionalidade

2000 – Desactivado S/A

1973 Navigation System with Timing and RangingGlobal Positioning System(Directiva do DoD para a sua criação)

1981 – 1º Receptor Código/Fase

Sistema Global de Posicionamento

Satélite GPS do bloco II

OBJECTIVO DO GPSDeterminação de posiçãoDeterminação deVelocidadeDeterminação de tempo

OPERAÇÃO FUNDAMENTALMedição de distâncias para satélites

APLICAÇÕES DO GPSNavegação (mar, terra, ar)Geodesia e geodinâmicaTopografia e CartografiaSistemas de Informação Geográfica

SEGMENTO ESPACIAL

SEGMENTO DE CONTROLO

SEGMENTO DO UTILIZADOR

COMPONENTES DO SISTEMA

24 Satélites

Altitude: 22200 km

Período: 11h58m

Repetição da constelação: 23h56m

Inclinação: 50o

Separação no equador: 60o (3 pl.)

SEGMENTO ESPACIAL

SEGMENTO DE CONTROLO

1 Estação de Controlo(Schriever Air Force Base - Colorado Springs) para cálculo de correcções às Efemérides e aos Parâmetros de Relógio

4 Estações de Monitorização(Hawaii e Kwajalein, no Oceano Pacifico; Diego Garcia, no Oceano Índico e Ascension Island, no Oceano Atlântico) para obtenção de informações acerca do comportamento de cada satélite e envio das correcções calculadas em Colorado Springs

SEGMENTO DO UTILIZADOR

“CIVIL” : SPS (10m)

“MILITAR – EUA”: PPS (1m)

SA - SELECTIVE AVAILABILITY(Actualmente Desactivado)

AS – “Anti Spoofing”(Impede acesso ao código P)

Novos satélites (Bloco IIR-M, IIF)Mudança do sinal L1 e L2 (mais potentes)Adição de um novo sinal (L5)Criação de novos códigos

- L2C- M

Modernização do Segmento de ControloA próxima geração - GPS III

Evolução do Sistema

Sistemas complementares e outros

Satélite do Sistema Galileo (ESA)

GLONASS – Global OrbitingNavigation Satellite System

Funcionamento:Segmento espacial

21 satélites em 3 planos orbitaisorbita 19,100 km e passo 8 dias

SINAL: derivado da banda-L (L1=1602 MHz + n*0.5025)n é o número de frequência do canal

Segmento de controlo

Segmento do utilizador

Desenvolvido por:

Ministério de defesa da Federação Russa

EGNOS- European Geostationary Navigation OverlayService( perspectivas: melhorar a precisão posicional de 20m para 2m)

•Segmento espacial

•Três satélites geostacionários

•Inmarsat III Atlantic Ocean region –East ( 15.5ºW)

•ESA ARTEMIS (21.5ºE)

•Inmarsat III F5 (25ºE)

Ainda:

Informação precisa da posição de cada satélite GPS;

Informação sobre os relógios a bordo;

Parâmetros ionosféricos

Segmento de controlo

34 estações terrestresEstações de controlo principais

Segmento do utilizador

WAAS – Wide Area Augmention SystemDesenvolvido por: Federal Aviation Administration (FAA) e Department oftransportation (DOT)

FUNCIONAMENTO:25 estações terrestres localizadas nos EUA; 2 estações de controlo

Recebem a informação GPS, determinam e enviam as correcções a aplicar aos dados GPS ( derivas orbitais, erros do relógio, atrasos ionosféricos e troposféricos)

VALIDADE: América do Norte

Operacional desde Setembro de 2002 : precisão posicional horizontal 1-2 mprecisão posicional vertical 2-3 m

Áreas geográficas com cobertura WAAS, EGNOS e MSAS

Segmento espacial

30 satélites (orbita 24 000 km, cerca de 4 000km acima do satelites GPS) em três planos orbitais com inclinação de 56º. Cada plano terá 9+1 satélites

Segmento de controlo

2 centros principais na Europa central

Segmento do utilizador

GALILEU – European Satellite Navigation SystemProjecto da Comissão europeia em conjunto com a ESA

Previsão da data de entrada em funcionamento :2009

Princípios de Funcionamento

Fo=10,23 MHz

L1= 154xFo = 1575.42 MHz (19,0cm)L2= 120xFo = 1227.60 MHz (24,4cm)

C/A (Coarse/Acquisition) 1.023 MHzP (Precise) 10.23 MHz Y (Y emitido + W = P)

SINAL GPS

(oscilação de referência)

Onda Portadora (Carrier Phase)

Código

CÓDIGO MODULADONA ONDA PORTADORA

Mensagem de Navegação

EfeméridesEstado dos satélites…

SINAL NÃO ATRAVESSA PAREDES E VEGETAÇÃO DENSA

r r

rr

1

2 3

4 to

t1 r4 = t1 tov ( - )

PSEUDO-DISTÂNCIA(Pseudo-Range)

.)()()(

,)()()(

,)()()(

,)()()(

2424244

2323233

2222222

2121211

kkkkk

kkkkk

kkkkk

kkkkk

cdtZZYYXX

cdtZZYYXX

cdtZZYYXX

cdtZZYYXX

+−+−+−=

+−+−+−=

+−+−+−=

+−+−+−=

ρ

ρ

ρ

ρ

(Xi,Yi,Zi) – Posição do satélite i(Xk,Yk,Zk) – Posição do receptordtk – Estado do relógio do receptor

Determinação de coordenadasem função da Pseudo-distância

Δt

UTILIZAÇÃO DO CÓDIGO

Sinal gerado no receptor

Sinal recebido do satélite

Número completo e inteiro de ciclos desde o momento da emissão até à recepção da fase da onda portadora

Ambiguidade

Fase medida

UTILIZAÇÃO DA ONDA PORTADORA

Época (0)

Ambiguidade

Época (i)

Ambiguidade

Nº de ciclos já contadosFase medida

Fase medida

É necessário determinar a ambiguidade da fase da onda portadora para que se possa usar a sua informação como medição de distâncias ao longo do tempo

TÉCNICAS PARA FIXAÇÃODE AMBIGUIDADES

Modos de Operação

0,50 m3-5 min1 seg.

< 40 Km

DGPS2,00 m3-5 min1 seg.

< 300 Km

WADGPS 4 m

SPS 5 a 15 m

Posicionamento Absoluto

Mono Frequência Dupla FrequênciaC/A + L1 C/A+L1,L2

Estático(Convencional)

Estático(Rápido)

Cinemático

0,02 m30 min até 10 Km

+ 3 min/Km5 a 10 s< 20 Km

0,01 m20 min até 10 Km

+ 2 min/Km5 a 15 s< 20 Km

0,005 m20 min até 10 Km

+ 2 min/Km5 a 30 s< 20 Km

0,01 m10 min até 10 Km

+ 1 min/Km5 a 10 s< 20 Km

0,01 m(RTK) < 20 Km-

Posicionamento Relativo

Em modo de navegaçãoSPS (C/A) : 10mPPS (P) : 1m

Pós-processadaTempo real

POSICIONAMENTO ABSOLUTO

WADGPS: correcção diferencial regional4m

DGPS: correcção diferencial local 0,5m-2m

Estação de referência no Instituto Superior Técnico(http://websig.civil.ist.utl.pt/gps)

Formato RinexReceiver Independent Exchange Format Version

Estação de referência no edifício ACAIT – Dili

Tempo-real (<40km)

Pós-processado

Correcção diferencial por transmissão de:- correcções às coordenadas- correcções às pseudo-distâncias

Emissão daCorrecção Diferencial

Estações Costeiras (Beacon Stations)Satélites Geoestacionários (Racal/OmniStar)Antenas Retransmissoras de Telemóvel (GSM)Outro Receptor (Via Rádio)

RTCM – Radio Technical Commission for Maritime Services(Standard para transmissão de correcções diferenciais)

RECEPTORES PARA SPS

SPS aplicado a navegação terrestre

RECEPTORES PARA DGPS(tempo-real ou pós-processado)

Delineamento da fronteirade Timor-Leste

Trimble Geo-Explorer 2005

RECEPTORES PARA DGPS(tempo-real ou pós-processado)

Levantamento das gravuras de Foz Côa

DEPOIS DA CORRECÇÃO DIFERENCIAL

ANTES DA CORRECÇÃO DIFERENCIAL

EXEMPLO

Estático

POSICIONAMENTO RELATIVO

ConvencionalEstático rápido

Cinemático

Tempo Real (RTK)Pós-processado

BaseBaseBAA

Observaçõesprocessadasem conjunto

RENEPREDE NACIONAL DE ESTAÇÕES PERMANENTES(INSTITUTO GEOGRÁFICO PORTUGUÊS)

Cascais

Ponta Delgada

Precisão (m)

1.00

0.10

0.01

EstEstáático convencionaltico convencional 0 120

RRáápido Estpido Estááticotico 0 2 5

Tempo (mins)

Ambiguidadesnão resolvidas

Ambiguidadesresolvidas

Uma vez as ambiguidades resolvidas, a precisão não melhora significativamente com o decorrer do tempo

ESTÁTICO

Para bases longas (>20Km), onde é exigida a maior precisão possívelTécnica indicada para implementação de redes geodésicasTécnica ideal para grandes áreas

Para bases com comprimento até 20KmCurtos períodos de ocupaçãoO mais utilizado para grande produtividade de trabalho

Modo Estático

Modo Rápido-Estático

Utilizado para caracterização da trajectória de um objecto em movimento (medições contínuas)

Útil para levantamento de eixos de via e completagemcartográfica, entre outras aplicações

Cinemático

Não é necessário o Pós-Processamento

Resultados disponíveis no momento da observação

Aplicações em engenharia civil

RTK - Cinemático em Tempo Real

Receptores de Mono Frequência

Medição da base com precisão de 2 cm + 1 ppm (rms)Utilizam a onda portadora L1Utilizados essencialmente em aplicações topográficas com comprimentos de bases não superiores a 15 KmSolução menos dispendiosa mas de maior dificuldade para obter as precisões mencionadas

Medição da base com precisão de 3 mm + 0.5 ppm (rms)Utilização em Geodesia e Topografia :

Redes Geodésicas, Geodinâmica, Densificações de Rede, Controlo Fotogramétrico, Detalhe Topográfico

Receptores de Dupla Frequência

Erros de Observação

SA ligada

2001

2006

http://www.mar-it.de/NavGen/navgen_r.htm

Multi-trajecto

Retardamento ionosférico

Ru

Ru íí

do d

o do

do

Rec

ept

Rec

ept ..

Mul

titra

ject

oM

ultit

raje

cto

Rel

Rel

óó gio

s gi

os S

atSat éé

ll ..

Trop

osfe

raTr

opos

fera

Efem

Efem

éé rid

esrid

es

Iono

sfer

aIo

nosf

era00

1010

2020

3030

Met

ros

Met

ros

4040

Importância relativa dasfontes de erro

Propagação do erro

PDOP – Position Dilution of Precision

HDOP – Horizontal Dilution of Precision

VDOP – Vertical Dilution of Precision

Questões de Revisão e Consolidação

1. Defina ângulo de mascara e indique a importância da sua definição na recolha dos dados com um receptor GPS.

2. Após processamento dos dados registados em campo, selecione um elemento e identifique a qualidade posicional final do elemento.

3. Com recurso ao Sistema de Posicionamento Global (GPS), descreva, justificando, situações em que seja conveniente a utilização dos seguintes tipos de posicionamento:

i) Modo Absoluto, recolha dos dados em modo cinemático, observação de código;

ii) Modo Diferencial Pós-Processado, recolha dos dados em modo estático, observação de código e fase ;

iii) Modo Diferencial Tempo-Real, recolha dos dados em modo estático, observação de código e fase;

iv) Modo Diferencial Pós-Processado, recolha dos dados em modo cinemático, observação de código e fase.

Casos de aplicação

Levantamento da Rede de Escolas em Timor-Leste

Delineamento da Fronteira de Timor-Leste

Levantamento do Estado de Conservação da Rede Rodoviária Nacional

Levantamento da rede de escolas de Timor-Leste

João MatosDepartamento de Engenharia Civil e Arquitectura

(Versão 1.0) – 1 Março 2007