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  • Sistemas de Telecomunicaes II Pg. 1/39 Carlos Correia FEUP 2003

    Sistemas de Telecomunicaes II Carlos Correia FEUP - 2003

    Sistema GPS introduo

    O GPS Global Position System foi proposto e desenvolvido nos anos 70 pelo Departamento de Defesa Norte-americano inicialmente para fins militares.

    Mais tarde, interesses civis e comerciais trouxeram-lhe um uso mais alargado, tendo hoje um vasto conjunto de aplicaes, entre as quais:

    Navegao;Localizao;Mapeamento;Emergncias;Aviao;Etc.

    Este sistema utiliza, no total, 24 satlites para assegurar uma cobertura global.

    A sua principal finalidade seria a de proporcionar, em termos

    genricos, os meios necessrios para rapidamente e de forma eficaz se determinar a posio tridimensional de um qualquer ponto localizado no globo terrestre (ou perto dele) a qualquer instante.

  • Sistemas de Telecomunicaes II Pg. 2/39 Carlos Correia FEUP 2003

    Sistemas de Telecomunicaes II Carlos Correia FEUP - 2003

    Sistema GPS funcionamento

    So consideradas os seguintes pontos:

    1. Triangulao;2. Distncia;3. Relgio;4. Posicionamento;5. Coordenadas;6. Erros.

  • Sistemas de Telecomunicaes II Pg. 3/39 Carlos Correia FEUP 2003

    Sistemas de Telecomunicaes II Carlos Correia FEUP - 2003

    Sistema GPS - triangulao

    De facto um sistema de posicionamento global recorre a 4 satlites.

    Pretende-se determinar os quatros valores referentes total identificao de um receptor:

    1. Trs coordenadas espaciais;

    2. O tempo.

    1. Triangulao:

    So necessrios, no mnimo, um conjunto de 4 satlites.

    A distncia calculada a um satlite permite calcular uma posio colocada

    numa esfera, cujo raio a distncia calculada ao primeiro satlite.

    O recurso a um segundo satlite permite reduzir a incerteza a um crculo

    (interseco de duas esferas).

    O terceiro satlite utilizado intersecta o crculo anterior em dois pontos.

    Como normalmente um destes pontos se encontra muito distante da Terra ( ou

    com velocidade muito elevada) a posio fica automaticamente calculada por

    excluso de partes.

    O quarto satlite finalmente utilizado como auxiliar. Envia ao receptor

    um quarto sinal que o auxilia a determinar o tempo preciso em que ocorrem as

    emisses evitando assim que o receptor use um relgio atmico para

    determinao do tempo. Deste modo um sistema de posicionamento global

    pode averiguar, de forma segura, a posio absoluta de um dado utilizador.

  • Sistemas de Telecomunicaes II Pg. 4/39 Carlos Correia FEUP 2003

    Sistemas de Telecomunicaes II Carlos Correia FEUP - 2003

    Sistema GPS - distncia

    Distncia = Velocidade x Tempo

    Considerando a velocidade de propagao dos sinais electromagnticos, o tempo da ordem de 0.06 segundos.

    Exactido: (+/- 0.000,000,001 s) = +/- 1 ns

    2. Distncia:

    Distncia = Velocidade x Tempo

    Considerando a velocidade de propagao dos sinais electromagnticos, o

    tempo da ordem de 0.06 segundos.

    Exactido: (+/- 0.000,000,001 s) = +/- 1 ns

    Como calculado o tempo de propagao?

    Os satlites enviam um pseudo-cdigo (prprio a cada satlite).

    O receptor adapta as suas sequncias s sequncias recebidas, atrasando-as

    ou adiantando-as.

    O tempo calculado pelo atraso ou adiantamento.

    Como separa o receptor os sinais provenientes dos diferentes satlites?

    Cada satlite possui uma sequncia prpria baseada numa frmula que

    enviada conjuntamente ao receptor.

    A distncia aos satlites calculada atravs do tempo de propagao.

    O satlite e o receptor geram os seus pseudo-cdigos ao mesmo tempo.

    Sincronizando esses cdigos pseudo-aleatrios, o atraso na recepo pode ser

    calculado. Esse atraso multiplicado pela velocidade de propagao d a

  • Sistemas de Telecomunicaes II Pg. 5/39 Carlos Correia FEUP 2003

    distncia qual se encontra o receptor do satlite. No entanto, mesmo que os

    cdigos estejam sincronizados, h ainda o problema relativo fase. Um

    ligeiro atraso de fase nestes sinais da ordem de 1 s corresponde, velocidade

    da luz, a cerca de 300 metros de erro de posio. No entanto, a tecnologia

    utilizada actualmente capaz de minimizar o erro de fase, no se

    conseguindo, porm, melhor que cerca de seis metros de erro de posio.

  • Sistemas de Telecomunicaes II Pg. 6/39 Carlos Correia FEUP 2003

    Sistemas de Telecomunicaes II Carlos Correia FEUP - 2003

    Sistema GPS - relgio

    A indicao temporal necessria aofuncionamento do sistema requer, entresatlites e receptores:

    1. Sincronizao2. Localizao dos

    satlites:1. Sistemas de

    coordenadas

    3. Relgio: Sincronizao:

    A temporizao a bordo de um satlite extremamente precisa dado que

    se utilizam relgios atmicos.

    Todos os satlites esto sincronizados e enviam os seus cdigos em

    momentos especficos.

    As unidades em Terra sincronizam os seus tempos por estes satlites.

    De facto o quarto satlite necessrio exactamente para diminuir o erro

    introduzido pelas medidas de tempo dos trs outros satlites.

    Como localizar os satlites?

    Os satlites so lanados em rbitas precisas. No entanto:

    Os receptores de GPS usam um almanac para calcular de forma exacta

    as posies dos satlites, sendo este almanac enviado pelos prprios

    satlites.

    Este almanac actualizado em Terra pela Fora Area Norte-americana,

    que actualiza a informao e a envia de novo para os satlites.

  • Sistemas de Telecomunicaes II Pg. 7/39 Carlos Correia FEUP 2003

    Sistemas de Telecomunicaes II Carlos Correia FEUP - 2003

    Sistema GPS - posicionamentoCoordenadas ECEF

    Latitude/Longitude/AltitudeLatitude = Graus medidos em direco Norte a partir do equador;Longitude = Graus medidos a partir do meridiano de Greenwich, Este ou Oeste;Altitude = Distncia acima do nvel mdio da gua do mar.

    O sistema GPS usa o elipside WGS84 (ECEF), podendo ser transformado noutros: NAD27, NAD83.

    UTM

    Abreviao de Universal Transverse Mercator;Diviso em zonas cartesianas;Posicionamento cartesiano em metros.

    Sistemas de coordenadas:

    Coordenadas ECEF

    Latitude/Longitude/Altitude

    Latitude = Graus medidos em direco Norte a partir do equador;

    Longitude = Graus medidos a partir do meridiano de Greenwich, Este ou

    Oeste;

    Altitude = Distncia acima do nvel mdio da gua do mar.

    O sistema GPS usa o elipside WGS84 (ECEF), podendo ser

    transformado noutros: NAD27, NAD83.

    UTM

    Posicionamento cartesiano em metros;

    Abreviao de Universal Transverse Mercator

    Diviso em zonas cartesianas.

    Datums

    Especificam um ponto inicial de medida (ex. NAD 1927 ou

    NAD 1983).

  • Sistemas de Telecomunicaes II Pg. 8/39 Carlos Correia FEUP 2003

    Sistemas de Telecomunicaes II Carlos Correia FEUP - 2003

    Sistema GPS - posicionamento

    SLon=R

    R

    SLonR=6,433,000m

    31.2 m/s

    S Lat=R 40R 40

    R 40=R cos

    25.6 m /s

    O posicionamento em Latitude, Longitude e Altitude calculado com base em sistemas de coordenadas de referncia que permitem a sua correcta identificao.

    Contudo, esses valores vm afectados de efeitos da velocidade da Terra e dos satlites.

    Ao efeito Doppler acrescentam-se erros de medio devidos a efeitos

    relativistas que afectam a preciso do tempo. Os trs aspectos principais so:

    Velocidade (dilatao do tempo) Faz com que o relgio transportado se atrase em relao

    a um outro na Terra; Apenas funo da velocidade.

    Potencial gravitacional

    Faz com que o relgio transportado se adiante em relao a um outro na Terra;

    Apenas funo da altitude.

    Efeito Sagnac Faz com que o relgio transportado se adiante ou se

    atrase em relao a um outro na Terra; Depende da trajectria e direco escolhidas.

    Dados obtidos: Efeito gravitacional:

    Altitude orbital de 20,183 km; O relgio adianta-se 45.7 s por dia.

    Dilatao do tempo:

    Velocidade do satlite de 3.874 km/s; O relgio atrasa-se 7.1 s por dia.

    Efeito Sagnac: 133ns para um receptor na Terra

  • Sistemas de Telecomunicaes II Pg. 9/39 Carlos Correia FEUP 2003

    Sistemas de Telecomunicaes II Carlos Correia FEUP - 2003

    Sistema GPS erros

    Erro tipo em satlites(metros):GPS Standard GPS Diferencial

    Relgios de satlite 1,5 0Erros de rbita 2,5 0Ionosfera 5 0,4Troposfera 0,5 0,2Rudo no receptor 0,3 0,3Multicaminhos 0,6 0,6Satlites visveis 30 0

    Exactido tpica Horizontal 50 1,3Vertical 78 23-D 93 2,8

    Relgio de satlite: o tempo no preciso a bordo dos satlites. No

    entanto, dado que no possvel integrar um relgio atmico no receptor,

    o relgio deste responsvel pela introduo de uma impreciso bastante

    superior do satlite.

    Erros de rbita: conhecidos como erros de ephemeris, representam

    imprecises na localizao divulgada pelo satlite.

    Atrasos na Troposfera e Ionosfera: erros devido ao atraso do sinal

    ao atravessar as camadas da atmosfera terrestre.

    Multipercursos: err

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