01_Geodesia_Espacial[1]

8/11/2019 01_Geodesia_Espacial[1]

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GEODESIA 2007/2008 Eng. GEOGRFICA - COIMBRA 1

Geodesia Espacial

Rui Fernandes


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Geodesia Espacial

Geodesia pretende determinar a forma e otamanho da Terra, determinar a posio

exacta de pontos numa escala global, eestudar o campo gravtico terrestre.

Geodesia Espacial diferente das tcnicasconvencionais porque usa pontos dereferncia espaciais e no terrestres.

vs. & &


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4/57GEODESIA 2007/2008 Eng. GEOGRFICA - COIMBRA 4

Exemplos de medies realizadas comtcnicas de Geodesia Espacial




ITRF International Terrestrial Reference Frame



Geodesia Clssica vs. Geodesia Espacial

Geodesia Clssica: Direces e Distncias

NivelamentoSistema 2D+1D: Coordenadas Horizontais (, ) Coordenadas Verticais (H)

Necessrio um geide paraestabelecer um sistema de

coordenadas 3D

Geodesia Espacial:Fornece coordenadas 3Dexpressas num ReferencialTerrestre Global

h = H + N N

HGeide

Elipside

SuperfcieTopogrficah



Posicionamento

Os sistemas de coordenadasso referenciados a pontosfsicos ou linhas na Terra.

No caso da Geodesia Espacial, normalmente considerado oCentro de Massa da Terra, oeixo de rotao e (por

conveno) o Meridiano deGreenwich. A posio do ponto no

referencial descrita pelo seuvector posioo

P

Z

X

Y

R

z

l



Posicionamento a partir do Espao

Posicionamento usando objectos exterioresao Sistema Solar Posicionamento Estelar VLBI

Posicionamento baseado em Satlites GNSS (GPS + GLONASS + ...)

SLR (+ LLR) DORIS



Posicionamento Estelar

Usado para navegao martima durantesculos.

Em 1998, foi adoptado um novo sistemacelestial (inercial) denominado InternationalCelestial Reference Frame (ICRF) usando 212quasars.



Quasars

Quasar = quasi-stellar object, i.e. como umaestrela

Objectos muito distantes fora da Via Lctea,descobertos pela primeira vez em 1963

Estes objectos emitem sinais-rdio muito fortes



Instrumentao VLBI

V L B li I t f t



Very Long Baseline Interferometry(VLBI)



IVS - International VLBI Service


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Posicionamento baseado em Satlites

SLR (+ LLR) Transmite e recebe sinais pticos de

satlites artificiais (SLR) e do satlitenatural da Terra Lua (LLR)

DORIS Transmite sinais-rdio aos satlites

GNSS Recebe sinais-rdio dos satlites

li i


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Satlite Laser Ranging

Estaes Terrestres emitem sinais laser (pico-segundos) O pulso laser reflectido por retroflector colocados em satlitesartificiais (ou na Lua no caso do Lunar Laser Ranging) cujaposio conhecida

A tempo entre a emisso e a recepo medido precisamentee corrigido de atrasos atmosfricos (e outras fontes de erro)

A distncia geomtrica satlite-estao determinada

I t t SLR


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Instrumentao SLR


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ILRS - International Laser Ranging Service

L L R i


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Lunar Laser Ranging

Principal Objectivo:Realizar testes de forma a

verificar a Teoria Geral daRelatividade (Einstein).

Requer:preciso milimtrica namedio da distncia Lua.

Lunokhod

DORIS (Doppler Orbitography and Radio


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DORIS (Doppler Orbitography and RadioPositioning Integrated by Satlite)

Rede de estaes emitindo sinais rdio parasatlites mantida por Frana

Satlites medem precisamente as mudanasdevido ao efeito de Doppler nos sinais recebidos eenviam as observaes para uma estao de

controle


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IDS International DORIS Service

Vantagens das Tcnicas Mencionadas


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Vantagens das Tcnicas Mencionadas VLBI: determinao muito precisa das linhas base

entre as estaes, taxa de rotao da Terra (LoD Length of Day), variao do eixo de rotao, etc. (noinfluenciado pelo campo gravtico terrestre)

SLR: determinao muito precisa do centro de massada Terra.

DORIS: rbitas precisas para satlites especficos

Desvantagens das Tcnicas Mencionadas

Caras de instalar e de manter. No possveis de utilizar em tarefas normais deposicionamento e levantamentos.


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GNSS Global Navigation Satlite Systems

GPS Global Positioning System(Estados Unidos)

GLONASS Global Orbiting NavigationSatlite System (Rssia)

Galileo Unio Europeia

Beidou/Compass China


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GPS Global Positioning System

Criado pelo Departamento de Defesa dosEstados Unidos para fins militares, masactualmente utilizado para fins civis, comerciais

e cientficos em inmeras aplicaes emposicionamento terrestre, areo e espacial,navegao e sincronizao do tempo

O primeiro satlite GPS foi lanado em 1978. O sistema foi declarado completamente

operacional em 1995.

IGS International GNSS Service


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IGS International GNSS Service

C i B i


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Conceitos Bsicos

4 Satlites(Posies Conhecidas)

4 distncias

Posio 3D &

tempo

C f i ?


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Como que funciona?

Voc est completamente perdido. V uma pessoa de aspecto simptico e

pergunta-lhe Onde que eu estou?" E essa pessoa responde-lhe: Ests a 210Km

de Benguela

Benguela

I.e., voc pode estar em qualquer lugar numa circunfernciacentrada em Benguela e de raio igual a 210Km

C f i ?


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Como que funciona?

Ento voc pergunta a outra pessoa... Ela diz-lhe: Voc est a 190Km do Bi... Isto til... Combinando ambas as

informaes, voc sabe que est nainterseco de 2 circunferncias

Benguela

Bi

C f i ?


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Como que funciona?

Se uma terceira pessoa lhe diz que voc est a450Km do Namibe, consegue determinar em qual dos2 pontos que se encontra...

Benguela

Namibe

BiHuambo

Voc est no Huambo...

Como q e f nciona?


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Como que funciona?

Trilaterao o princpio bsico geomtrico

que permite determinar uma posio se vocconhece a sua distncia a outras posies jconhecidas.

Benguela

Benguela

Bi

Benguela

Namibe

Bi

Huambo

Trilaterao no Espao


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Trilaterao no Espao

Satlite 1 Satlite 2

Satlite 3 Satlite 4

Conceitos Bsicos


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Conceitos Bsicos

Equao de Observao:

Determinao de 4 incgnitas:xP, yP, zP, tP

( ) ( ) ( )2 2 2

i i P i P i P Pc t x x y y z z - c t = + +

Segmentos do Sistema


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Segmentos do Sistema

GPS compreende 3 segmentos: Segmento Espacial Segmento de Controle Segmento de Utilizador

Segmento Espacial


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Segmento Espacial A constelao GPS consiste de 24+ Satlites 4

Satlites mais 1 satlite suplente em cada um dos 6planos orbitais. As rbitas esto a aproximadamente 20200Km de

altitude com uma inclinao orbital de 55 emrelao ao plano equatorial. O perodo orbital de dia sidereal, i.e. 11 horas e

58 minutos.

Segmento de Controle


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Segmento de Controle

VandenbergColorado Springs

Cape Canaveral

Hawaii

AscensionDiego Garcia Kwajalein

Tahiti

New Zealand

Alaska

South Korea

South Africa Austral ia

USNO Wash, DC

England

Bahrain

Ecuador

Argentina

Master/Backup Control Station

Uplink Station

USAF Monitor Station

NGA Monitor Station

Segmento do Utilizador


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Segmento do Utilizador

O segmento do utilizador baseado emsistemas terrestres, areos e espaciais.

Compreende o receptor+antena.

Estrutura do Sinal


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Estrutura do SinalFrequncia

Fundamental

10.23MHz

Frequncia

Fundamental

10.23MHz

L1 1575.42MHzL1 1575.42MHz C/A-code 1.023MHzC/A-code 1.023MHz P(Y)-code 10.23MHzP(Y)-code 10.23MHz

L2 1227.60MHzL2 1227.60MHz L2C-code 10.23MHz

L2C-code 10.23MHzP(Y)-code 10.23MHz

P(Y)-code 10.23MHz

50 bps50 bps

Navigation MessageNavigation Message

10

x 154

x 120

Os sinais transmitidos consistemem sinais modulados em 2frequncias L1=1575.42MHz eL2=1227.60MHz.Nestas 2 transportadoras esto

modulados dois cdigos: C/A(Coarse/Acquisition) e P (Precise) eas mensagens de navegao.

Estrutura do Sinal


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Estrutura do Sinal

A mensagem de navegao contm: efemrides (rbitas) dos satlites; correces aos relgios dos satlites;

modelos de correco refraco ionosfrica; informaes sobre a sade dos satlites; etc.

Os cdigos C/A e P so designados por Pseudo-RandomNoise (PRN) [Rudo Pseudo-Aleatrio], pois ele nico eidentifica cada satlite (pois todos emitem nas mesmasfrequncias, ao contrrio do que acontece com o sistema

GLONASS, onde cada satlite emite em diferentesfrequncias).


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Medio da distncia usando a Fase


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Medio da distncia usando a Fase

Medies usando o cdigo apenas servem paranavegao. No so suficientemente precisas para amaioria dos trabalhos de posicionamento.

Para isso correlaciona-se a fase do sinal recebidocom a fase de um sinal gerado e estima-se o nmerode ciclos (ambiguidade N) que o sinal realizou entre

o satlite e o receptor.

sinal transmitidono instante t

sinal geradono instante Ti

j = i(T) -j(t)

N

Erros no Posicionamento


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Erros no Posicionamento

As fontes de erros no posicionamento por GPS podem serdivididos em trs categorias: Dependentes do satlite

Erros orbitais

Erros dos relgios dos satlites Dependentes do meio de propagao

Troposfera

Ionosfera Dependentes do receptor

Resoluo do receptor Erros no relgio (osciladores de cristais de quartzo de baixa preciso) Multi-trajecto (sinal reflectido em superfcies prximas) Variaes do centro de fase da antena (dependente da elevao dos

satlites)

rbitas dos Satlites


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rbitas dos Satlites

O movimento de um satlite em torno da Terra controlado (exceptuando as perturbaes) pelagravidade da Terra, e desta forma descrita pelasleis de Kepler: O satlite tem uma rbita elptica com o geocentro

sendo um dos focos da elipse. O satlite percorre reas iguais em tempos iguais.

T2/a3 = constante

Perturbaes das rbitas dos satlite GPS


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As rbitas Keplerianas so perturbadas por: No uniformidade do campo gravtico terrestre Foras gravitacionais de outros astros (e.g. Sol, Lua)

Presso da radiao solar (fotes directos do Sol e albedo[refraco] da Terra)

Soluo:Monitorar continuamente os satlites GPS e corrigir as

rbitas utilizando solues posteriori.(uma das tarefas principais do IGS)

Efeito dos erros orbitais


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Efeito dos erros orbitais

Regra Genrica: O erro proporcional numa linha-base daordem do rcio entre o erro orbital e a distncia aosatlite.Exemplo: Se a distncia ao satlite 20000Km e o erro narbita de cerca de 2m, ento o erro mximo relativoesperado na linha-base de cerca de 0.1 ppm.

Nota: 0.1 ppm1cm numa linha-base de 100km

Erros nos relgios dos satlites


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os os e g os dos sat tes

Cada satlite actualmente est equipado com 4 relgiosatmicos.

O tempo do relgio do satlite normalmente mantidocom uma preciso at 1 s do tempo GPS, sendoenviadas correces na mensagem de navegao 1 nanosegundo 0.3m

1 s 300m

Soluo:

Processar usando estratgias em que: os erros dos relgios so eliminados diferenas deobservaes entre receptores

modelar os erros dos relgios com um parmetro a estimar

Erros dependentes do meio de propagao


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Os sinais GPS atravessam a atmosfera terrestre antes de chegarem aos

receptores. A refraco experimentada pelos sinais pode ser modelada. Erros nessamodelao contribuem para os erros posicionais.

Ionosfera: camada superior (dispersiva)

Troposfera: camada inferior, electricamente neutral (no-dispersiva)

Ionosfera


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Caracterizada pelo contedo de electres e ies livres ionizao devido energia ultavioleta do sol.

Contedo Total de Electres (Total Electron Content TEC) fortemente varivel (1016 a 1019 m-2), dependendo da latitude,altura do dia, estao, actividade solar, campo magntico, etc.

Difcil de modelar, mas o efeito ionosfrico pode ser quaseinteiramente mitigado usando receptores de dupla-frequncia.

Troposfera


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p

Os sinais rdio experimentam refracohidroesttica e no-hidroesttica.

A presso hidroesttica proporcional temperatura e presso.

A presso no-hidroesttica devido aomomento dpolo das molculas de gua.

Modelao dos Erros Atmosfricos


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znite

Satlite

ion2

40.3d TEC sec

f

3 2

trop

1255

d 2.27 10 P 0.05 e tan secT

+ +

Erros dependentes do Receptor


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Interferncia do Sinal Geometria da Constelao

Geometria Fraca Boa Geometria

Erros devido a Multitrajecto


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Evitar superfcies reflectivas Usar antenas com ground plate ou

choke-ring

Sina

l Direc

to

Sin

al

Refl

ectid

o

Antena

GPS

Sina

l Refle

ctido

Superfcies Duras

Satlite

Fontes de Interferncia de Sinais


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Earths Atmosphere

Solid

Structures

Metal Electro-magnetic

Fields


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Sumrio de Erros(para medies de fase)


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(para medies de fase)

rbitas satlites: 12m (precisas: 5cm) Relgios satlites: 12m Ionosfera: 1050m(modelo: 2m) Troposfera: 25m(modelo: 20cm) Multi-trajecto: 15m Centro Fase: < 1cm (directo)

Posicionamento Diferencial


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A maioria dos erros so espacialmentecorrelacionados e consequentemente podem serreduzidos ou eliminado por diferenciao.

Conceito de GPS Diferencial em Tempo RealRTK


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Estao DGPS

x+30,

y+60

x+5, y-3

Coordenadas

Verdadeiras

= x+0, y+0

Correco = x-5,y+3

Correco DGPS = x+(30-5) e y+(60+3)

Coordenadas Verdadeiras = x+25, y+63

x-5, y+3

Receptor DGPSReceptor

Adaptao de Apresentaes:


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Fernandes and Combrink GNSS Processing Course,Nairobi, Qunia, 2007.

AFREF Meeting, Cape Town, frica do Sul, 2006.- Altamimi

- Combrinck- Merry- Fernandes

- Neilan- Fisher

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