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Introduo ao NAVSTAR-GPS

Ewaldo Luiz de Mattos MehlUniversidade Federal do ParanDepartamento de Engenharia Eltrica

TE155-Redes de Acesso sem Fios

epa ta e to de ge a a t [email protected]

As fotos anteriores e abaixo mostram o submarino norte americanoUSS Hawkbill (SSN 666) no Polo Norte, no dia 3 de abril de 1999.Esta foi a ltima viagem deste submarino atmico, aps 28 anos deservio.

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TE155-Redes de Acesso sem FiosNAVSTAR - GPS

NAVigation System with Time And Ranging - Global g gPositioning System.

Sistema de rdio navegao por satlites que fornece, a usurios que possuam equipamento apropriado, coordenadas precisas de posicionamento tridimensional e informao sobre a navegao e o tempo.

Mantido e operado pelo governo dos EUA, atravs do Departamento de Defesa (DoD).

No existem custos para usar o sistema NAVSTAR-GPS, exceto o de aquisio do equipamento receptor.

TE155-Redes de Acesso sem FiosNAVSTAR - GPS

Anteriormente ao NAVSTAR, a Marinha dos EUA j tinhaum sistema de localizao baseado em satlitesdenominado TRANSIT, iniciado em 1960.

No sistema TRANSIT, havia 6 satlites em rbita polar.

O sistema TRANSIT permitia a localizao de navios esubmarinos com preciso de 200 metros. No entanto, eranecessrio esperar cerca de uma hora para se ter aposio!

O sistema TRANSIT foi colocado fora de operao apartir de 1996, com o desenvolvimento do sistemaNAVSTAR GPS.

TE155-Redes de Acesso sem FiosPrincpio de Funcionamento

Cada satlite emite um sinal quecontm o horrio exato da suaemisso. Todos os usurios queestiverem num crculo sobre asuperfcie terrestre recebero o sinalcom um determinado atraso.

TE155-Redes de Acesso sem FiosComponentes do GPSSegmento de Controle: cinco estaes terrestres,sendo duas de monitoramento e trs demonitoramento e uplink com os satlites em rbita.

Segmento Espacial: Constelao de satlites em rbitaterrestre (24 satlites ativos + reservas).

Segmento dos Usurios: unidades receptoras dosSegmento dos Usurios: unidades receptoras dossinais de rdio GPS, geralmente incorporadas comcircuitos microprocessados destinados ao clculo dalocalizao em coordenadas geogrficas e auxlio aosdeslocamentos por terra, mar ou ar.

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GPS Segmento Terrestre:Cinco estaes terrestres de monitoramento e controle dos satlites

50th S Wi50th Space WingSchriever Air Force Base

Colorado Springs, CO, EUAMaster Control Monitor Station

HawaiiMonitor Station

Ascension IslandMonitor Station & Uplink

Diego GarciaMonitor Station & Uplink

KwajaleinMonitor Station

& Uplink

NAVSTAR-GPS Master Control Monitor Station50th Space WingSchriever Air Force BaseColorado Springs, CO, EUA

TE155-Redes de Acesso sem FiosFunes das Estaes TerrestresMonitoram a passagem dos satlites, medindo as distnciasprecisas entre a estao e cada um dos satlites atravs de efeitoDoppler dos sinais de rdioAdquirem continuamente dados metereolgicos e da ionosfera,enviando esses dados estao central de controle (MCS) emColorado Springs (EUA). Verificam tambm dados sobre a operaodos vrios sistemas eletrnicos dos satlites.A estao de controle central analisa os dados ionosfricos emetereolgicos, verificando se a distncia medida entre cadaestao e cada satlite corresponde s predies de rbitas.Caso sejam verificadas mudanas orbitais significativas a estaoCaso sejam verificadas mudanas orbitais significativas, a estaocentral determina que o satlite atualize os dados de efemride quetransmite. Pode tambm determinar a substituio de um satlitedefeituoso por um dos 5 de reserva j em rbita.As informaes de retorno aos satlites so transmitidas ao espaopelas estaes da Ilha da Ascenso, Diego Garcia e Kwajalein.

GPS Segmento Espacial:SV = Space Vehicles (Satlites)


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SV = Space Vehicles (Satlites)Bloco IFabricante: Rockwell International11 SVs Lanados ao espao entre 1978 e 1985Objetivo: Desenvolvimento e testes do sistema NAVSTAR

SV = Space Vehicles (Satlites)Bloco II e IIAFabricante: Rockwell International28 SVs Lanados ao espao entre 1990 e 1997Objetivo: Substituio de satlites do Bloco I

SV = Space Vehicles (Satlites)Bloco IIR - ("replenishment SVs)Fabricante: Lockheed Martin (comprada pela Boeing)Lanados ao espao entre 2000 e 2004Satlites comunicam-se entre si

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Uso do Veculo Lanador Delta II para lanamento

dos satlites GPS do Bloco IIR







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SV = Space Vehicles (Satlites)Bloco IIFFabricante: Boeing 33 SVs a serem lanados ao espao entre 2007 e 2008 Substituio gradativa dos SVs do Bloco IIR Satlites comunicam-se entre si Satlites comunicam se entre si Maior potncia de transmisso Autonomia do Controle Central de 6 meses Satlites conseguem corrigir automaticamente suas rbitas Incluso do canal L5 para uso civil

SV = Space Vehicles (Satlites)

Bloco IRockwell759 kg410 W

Bloco IIRockwell1660 kg710 W

Bloco IIARockwell1816 kg710 W

Bloco IIRLockheed2032 kg1 13 kW

1978-2004

410 W 710 W 710 W 1,13 kW

Bloco IIFBoeing844 kg2,44 kW

2007-2008 Incluso do canal L5

Bloco III?

Haver mais dois canais para uso militar. Canal Civil com alta potncia:provavelmente permitir receber os sinaisno interior de edifcios! No haver SA (Selective Availability)

(?)2009-

C/A P(Y) M C/A P(Y) M F1 F2

II, IIA1-28

28 sats7,4 y.

IIR

GPS1990 2000 2010 2020 2030L1 L2 L5

Frequency and codes

24 satellites

89

97

05

Plano de lanamentos do Bloco IIF

IIR1-8

8 sats7,9 y.

IIR9-20

12 satsc7,9 y.

IIF1-6

6 sats15 y.

89 05

97

8 satellites

12 satellites

02

4 d.6 satellites

04

18 satellites 12 IIR+ 6 IIF

18 satellites

IIF

IIF7-30

24 sats15 y.

5m

L1 = 1575,42 MHzL2 = 1227, 6 MHzL5 = 1176,45 MHz

10 m 0.5 m100 mPrecision 95%

04

066 satellites

24 satellites

Disponibilidade Seletiva (SA Selective Availability) Degradao intencional dos sinais dos satlites GPS, imposta peloDepartamento de Defesa Norte-Americano. Objetivo: impedir o uso indevido do GPS O governo norte americano retirou o SA em maio de 2000, o quemelhorou significativamente a preciso dos receptores de GPS de usoi il ( S d l d i )civil (mas a SA pode voltar a ser usada sem aviso...).

Os satlites do Bloco III no tero mais a opo de SA.

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Sinais L1 e L2 Os receptores mais comuns recebem somente o sinal L1 O sinal L2 usado para correo do erro ionosfrico, emequipamentos mais sofisticados. O futuro sinal L5 destina-se a implementar a correo do erroionosfrico nos receptores amadores

GPSSegmento Espacial

TE155-Redes de Acesso sem FiosGPS Segmento dos Usurios:Equipamentos receptoresEquipamentos receptores

Equipamento militar norte-americano usado no Iraque

Equipamento usado no rali do Saara - 2006


Equipamento receptor GPS completo fornecido

como mdulo pr-montado e calibrado

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Receptores GPSGarmin International Inc.

TE155-Redes de Acesso sem FiosGPS Segmento dos Usurios

TE155-Redes de Acesso sem FiosCaractersticas Gerais dos Receptores Portteis

IPX7: submergveis em gua at 1 m de profundidade, durante 30 minutos Alimentao por pilhas ou baterias recarregveis Alimentao por pilhas ou baterias recarregveis Antena (removvel ou fixa, interna ou externa) Display de LCD com backlight Teclas de operao das diversas funes

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TE155-Redes de Acesso sem FiosCaractersticas Especiais dos Receptores Portteis

Flutuabilidade Conector para alimentao de energia externa Conector para antena externa Conector para antena externa Display colorido com capacidade grfica Conector para ligao com microcomputador Dispositivo de conexo com cartes tipo flash memory Rdio-comunicador incorporado

Problemas comuns nos Receptores Portteis Pouca preciso no relgio interno Baixa sensibilidade das antenas Antenas direcionais


Shadowing: reas de sombra devido a vegetao, edifcios, objetos metlicos etc. Multipath: Reflexo em edificaes e/ou objetos metlicos

Uso de Receptores Portteis

Horizonte

Posio atual

Incerteza

Rumo do deslocamento do usurioCrculo a 45

do horizonte

Intensidade do Sinal recebido de cada Satlite


Velocidademxima

Velocidade

Odmetro

OdmetroElevao

mdia

Odmetro

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Mapa gravado na

Indicaodo NorteVerdadeiro

Escala do Localizao atual

memria interna

Escala doMapa

WAAS Wide Area Augmentation System

Sistema de auxlio navegao area operado nos EUA pela Federal Aviation Administration (FAA).

25 t t t EUA Al


25 estaes terrestres nos EUA e Alasca comparam continuamente sua posio (conhecida) com a posio obtida por sinais GPS. Dados de correoso enviados a dois satlites geo-estacionrios um sobreestacionrios, um sobrea costa do Atlntico e outro sobre a costa do Pacfico dos EUA.

WAAS Wide Area Augmentation System O sistema WAAS corrige principalmente o atrasoionosfrico, principal fonte de erro nos sinais GPS. Receptores de GPS + WAAS chegam a preciso de 2mno territrio continental dos EUA e no Alasca.

WAAS d d f d t it i t WAAS no deve ser usado fora do territrio norte-americano!

Estao WAAS no Alasca Estao WAAS na Califrnia(uplink)

WAAS Wide Area Augmentation System

Sistemas Semelhantes ao WAAS:Na Europa: EGNOS (European

Geostationary Navigation Overlay Service)3 satlites em rbita geo-estacionria

Preciso de 2 m na maioria dos pases europeusNo Japo: Multi-Functional Satellite Augmentation System (MSAS)

2 satlites geo-estacionrios: sistema utilizado no Japo e na Austrlia.

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Negcios baseados em GPS

AVL (Automatic Vehicle Location):Localizao de FrotasGeralmente implementadas com um receptor GPS (localiza a posiodo veculo) e um circuito de telefone celular GSM ou CDMA (enviaperiodicamente a localizao do veculo para uma empresa desegurana e/ou o proprietrio do veculo).

Satlites GPS

Rede porPacotes IP

Veculo equipado com Rastreador

Rede de Telefonia CelularGSM-GPRS ou CDMA

Programa de Geo-Localizao


AVL (Automatic Vehicle Location): Localizao de Frotas


AVL (Automatic Vehicle Location): Localizao de Frotas

Integrao GPS com Google Earth GeoWeb

Coleta de Dados

Arquivo gpx.gpx

GPS eXchange Format

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Integrao GPS com Google Earth GeoWeb

Outros sistemas de localizao baseados em satlites

GLONASS URSS t l R i


GLONASS ex-URSS, atual RssiaGalileo Unio EuropiaBeidou Repblica Popular da China

GLONASS Ex-URSS RssiaGlobal'naya Navigatsionnaya Sputnikovaya Sistema(Sistema Global de Satlites de Navegao)

Sistema semelhante ao GPS norte-americanonorte americano Previso original de 24 satlites Incio em 1982 Centro de controle em Moscou Centros de monitoramento em St. Petersburg, Ternopol, Eniseisk & Komsomolsk Em 2002 s restavam 7 satlites em operao! Recuperao do sistema a partir de 2004, resultado de um acordo de cooperao com a ndia 2006: 13 satlites operacionais 2007: 12 satlites operacionais + 4 lanamentos 2008: GLONASS recomposto com 16 satlites, mas somente 13 esto operacionais (30-maio-2008)

GLONASS

http://www.glonass-ianc.rsa.ru

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Aps obter autorizao por parte do governo doCazaquisto para retomar o lanamento dos foguetesProton a Rssia colocou em rbita trs satlites de

GLONASS

Proton, a Rssia colocou em rbita trs satlites denavegao para a rede de satlites GLONASS. Olanamento do foguete 8K82K Proton-K/DM-2, teve lugars 0735:24UTC do dia 26 de Outubro de 2007 a partir daPlataforma de Lanamento LC81 PU-24 do CosmdromoGIK-5 Baikonur, Cazaquisto.

Os satlites GLONASS-M tm uma massa de 1415kg e sofabricados pela empresa NPO-PM Prikladnoi Mekhaniki.Receberam as designaes Cosmos 2431, Cosmos 2432 eCosmos 2433 aps entrarem em rbita terrestre. As suasdesignaes na srie GLONASS so GLONASS-M18,GLONASS-M19 e GLONASS-M20.

GLONASS

GLONASS GLONASS SP Standard Precision: 1602,5625 MHz a 1615.5 MHz HP High Precision: 1240 MHz e 1260 MHz (codificado) Datum: PZ-90

http://www.glonass-ianc.rsa.ru

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GLONASSGLONASS Constellation Status at 01.06.2008

based on both the almanac analysis and navigation messages received at 23:00 01.06.08 (UTC) in IAC PNT TsNIImash

GLONASS

GALILEO Unio Europia Sistema semelhante ao GPS norte-americano, a sercompletado em 2012 Operado pela Agncia Espacial Europia (ESA) Previso de 27 satlites ativos + 3 de reserva Projeto preliminar: satlites de 660kg e 1500 W Somente dois satlites de testes foram lanados atagora: GIOVE-A (28 de dezembro de 2005) e GIOVE-B (27de abril de 2008) Lanamentos so realizados da base russa em Baikonur,no Cazaquisto.

GIOVE-A

GALILEO Unio EuropiaSegundo satlite do Galileo ser lanado somente em 200826/09/2007Atraso deve-se a problemas com foguete russo

Segundo um comunicado recente da empresa Arianespace, olanamento do segundo satlite do sistema global de navegao por

li G lil Gi B i d b f satlites Galileo, Giove-B, previsto para dezembro, sofrer um atrasode trs meses.

A nova data para lanamento do Giove-B foi marcada paramaro de 2008. O atraso foi provocado por problemas no fogueterusso Soyuz, que dever levar o satlite para sua rbita.

Quando estiver completo, o sistema Galileo ter 30 satlites,que orbitaro a Terra a 24 mil quilmetros de altura e enviaro umsinal civil alternativo rede GPS, de controle militar.sinal civil alternativo rede GPS, de controle militar.

A data prevista para que o sistema esteja completamenteoperacional 2012

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GIOVE - Galileo In-Orbit Validation Element GALILEO Unio EuropiaPrope-se 4 tipos de servios:Open Service (OS): O acesso ser gratuito Rinais emitidos em duas faixas: 1164 MHz 1214 MHz & 1563 MHz 1591 MHz.

R t d l b d 4 h i t l & 8 ti l Receptores dual band: erro

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GALILEO Unio Europia H dvidas se o Sistema Galileo de fato estar completo at 2012(primeira previso era 2008, depois 2010...) A Agncia Espacial Europia (ESA) enfrenta problemas deoramento insuficiente para completar o Sistema Galileo. Oposio aberta do governo norte-americanop g O satlite GIOVE-B foi anunciado como pronto, mas posteriormentea ESA confirmou alguns problemas nos testes pr-lanamento. GIOVE-B s foi lanado em 27 de abril de 2008 do Cosmdromo deBaikonur, no Cazaquisto.

GIOVE - A

GIOVE - A28 de dezembro de 2005

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GIOVE - B

27 de abril de 2008

Beidou (Ursa Maior) China Cobertura somente na R.P.China e pases vizinhos (Longitude70~140 E e Latitude 5~55 N). 2 Satlites geo-estacionrios + 2 reservas Os satlites geo-estacionrios permitem somente localizao 2D eno 3D.

Os eq ipamentos te est es de em se com nica com os 2 satlites

Data Satlite Local de LanamentoFoguete

Lanador

Os equipamentos terrestres devem se comunicar com os 2 satlitespara obter a localizao. Downlink 2491,75+/-4,08 MHz Uplink 1615,68 MHz. Datum: Beijing 1954

Lanador30.out.00 BeiDou-1A Xichang CZ-3A

20.dez.00 BeiDou-1B Xichang CZ-3A

25.mai.03 BeiDou-1C Xichang CZ-3A

03.fev.07 BeiDou-2A Xichang CZ-3A

14.abr.07 BeiDou-2B Xichang CZ-3A

Beidou (Ursa Maior) China Aparentemente os receptores recebem tambm os sinais dossatlites GPS norte-americanos, sendo os satlites Beidou destinadosa aumentar a preciso da localizao. Devido necessidade de comunicao do equipamento terrestrecom os 2 satlites geo-estacionrios, os equipamentos so grandes e

provavelmente consomem muita potncia. Aparentemente a China havia desistiu do sistema Beidou em favorde um acordo para uso do sistema Europeu Galileo, porm lanou emfevereiro e abril de 2007 mais dois satlite do sistema Beidou (noeram lanados novos satlites Beidou desde 2003).


Concluses O sistema NAVSTAR-GPS uma excelente ferramenta de geo-localizao, disponvel mundialmente e gratuitamente, com inmeras

li

Introduo ao NAVSTAR-GPS

aplicaes. Como foi desenvolvido para aplicaes militares, o GPS controladopelos militares norte americanos, podendo sofrer a qualquer momentoindisponibilidade ou introduo de desvios propositais por razes desegurana. A China, a antiga URSS e a Comunidade Europia, preocupadas como controle militar norte-americano do GPS, desenvolveram (GLONASS+ Beidou) ou esto desenvolvendo (GALILEO) seus prprios sistemas+ Beidou) ou esto desenvolvendo (GALILEO) seus prprios sistemasbaseados em satlites. Os vrios empecidos e adiamentos no permitem prever quando osistema Galileo estar plenamente operacional Se o sistema Galileo de fato se tornar realidade, ser interessanteter futuramente equipamentos que possam receber sinais conjuntosdos sistemas GPS + GLONASS + Galileo

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