GNSS: CONCEITOS,

MODELAGEM E PERSPECTIVAS

FUTURAS DO POSICIONAMENTO

POR SATÉLITE

Prof. Dra. Daniele Barroca Marra Alves

Departamento de Cartografia

SUMÁRIO

Posicionamento

Sistemas de Posicionamento

GPS, GLONASS, GALILEO, BEIDOU

Erros e Efeitos no Posicionamento

Métodos de Posicionamento

PP e PPP

Relativo

Redes

DGPS e DGPS em rede

Redes de Estações

POSICIONAMENTO

Posicionar um objeto nada mais é do que determinar as suas

coordenadas em relação a um referencial específico.

Essas coordenadas devem ser determinadas utilizando

algum tipo de informação.

Satélites GNSS

Através de uma constelação de

satélites artificiais é possível

obter a localização, tempo e

velocidade de um receptor GPS

POSICIONAMENTO POR SATÉLITE

Princípio – Conhecendo as distância entre um receptor e pelo

menos 4 satélites, conhecendo também as coordenadas desses

satélites, é possível calcular as coordenadas da antena do

receptor no mesmo sistema de referência dos satélites.

SISTEMAS DE POSICIONAMENTO

Atualmente (abr 2013):

2 sistemas com constelação completa :

GPS (31 satélites)

GLONASS (31 satélites – 08/04/13)

2 sistemas em fase de implantação:

GALILEO (4 satélites lançados)

Compass/Beidou (5 satélites lançados)

Previsão de constelação completa em 2020

Foi desenvolvido e é mantido e operado pelo

Departamento de Defesa dos Estados Unidos

Objetivo de ser o principal sistema de navegação das forças

armadas americanas

Devido a alta acurácia proporcionada, surgiram diversos

usuários civis, em inúmeras aplicações

GPS

GPS

Foi declarado operacional em 1995, com 24 satélites em

órbita, mas desde 1993 já estava sendo utilizado no

posicionamento geodésico.

Atualmente:

O GPS, assim como os outros sistemas, é composto por 3

segmentos: espacial, de controle e de usuários.

GPS – SEGMENTO ESPACIAL

Mínimo 24 satélites;

Nos últimos anos a constelação está sendo mantida com 31

satélites;

6 planos orbitais igualmente espaçados;

Altitude aproximada de 20200 km;

Planos orbitais inclinados 550 em relação ao equador;

Sistema de referência WGS84;

Período orbital de aproximadamente 12 horas siderais;

Todos os satélites transmitem na mesma frequência – CDMA.

Garantia de, no mínimo, 4 satélites GPS visíveis em qualquer

local da superfície terrestre, a qualquer hora, independente das

condições Climáticas.

GPS – SEGMENTO DE CONTROLE

GPS – SEGMENTO DO USUÁRIO

Composto pelo conjunto dos receptores GPS, destinados aos

diversos fins.

Uso civil;

Uso militar.

Deve ser apropriado

para a aplicação que se

destina.

GPS – SEGMENTO DO USUÁRIO

MODERNIZAÇÃO GPS www.gps.gov

GLONASS

Paralelamente e de forma independente, na antiga URSS

(hoje pela Rússia), foi desenvolvido o GLONASS

Sistema muito similar ao GPS

Principal diferença: FDMA

GLONASS

Não houve manutenção:

O número de satélites decresceu consideravelmente;

No final de 2005 a constelação contava com apenas 12 satélites.

Hoje, constelação completa.

GALILEO

No final da década de 90 a Agência Espacial Européia

propôs o desenvolvimento do GALILEO

O GALILEO está em desenvolvimento e teve seu primeiro

satélite lançado em 2005

Hoje: 4 satélites (último lançamento em out/2012)

BEIDOU/COMPASS

Na China encontra-se em desenvolvimento o

BEIDOU/COMPASS

Atualmente

5 satélites (Último Lançamento: 19/set/2012 )

FUTURO DO GNSS

Uso dos 4 sistemas integrados;

Alta Acurácia

Inúmeras aplicações!!!

O QUE É MEDIDO?

Observações/observáveis GNSS:

fase de batimento da onda portadora;

pseudodistância

SNR

Doppler

Acurácia que pode ser obtida:

fase (poucos cm ou até mm)

pseudodistância (m ou até dm)

Mas a fase é ambígua: Não se sabe, a priori, o numero

inteiro de ciclos entre as antenas do receptor e do satélite –

incógnita a solucionar.

Ambiguidade

FASE E PSEUDODISTÂNCIA

Pseudodistância

Fase de Batimento da Onda Portadora

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ERROS NO POSICIONAMENTO GNSS

Diversos são os tipos de erros que afetam as observáveis GNSS.

A maioria deles pode ser eliminada, minimizada ou até mesmo evitada.

Devem ser empregados modelos matemáticos para tentar se aproximar da realidade.

Os principais tipos de erros que afetam o posicionamento GNSS serão vistos a seguir.

IONOSFERA

Definição: Região da atmosfera onde existem íons e

elétrons em quantidade suficiente para afetar a propagação

de ondas de rádio.

Variações diurnas

Variações sazonais

IONOSFERA

Localização Geográfica

Ciclos de longos períodos

IONOSFERA

Explosões Solares

Bolhas ionosféricas

IONOSFERA

Anomalia Equatorial

IONOSFERA

Cintilação ionosférica

ERROS NO POSICIONAMENTO

A ionosfera é apenas um dos fatores que afeta o

posicionamento GNSS

Os efeitos ionosféricos devem ser modelados, minimizados ou

eliminados para posicionamento de alta acurácia

As demais fontes de erros também devem ser tratadas

Indispensável uma modelagem adequada

MÉTODOS DE POSICIONAMENTO

A acurácia da posição obtida depende:

Método de posicionamento;

Observável;

Modelos matemáticos.

Existem diferentes métodos:

Um, dois ou vários receptores GNSS;

Posicionamento:

Estático ou Cinemático;

Tempo Real ou Pós-processado.

POSICIONAMENTO POR PONTO

POSICIONAMENTO POR PONTO

Denominação: Posicionamento por Ponto, Posicionamento

por Ponto Simples, Posicionamento Absoluto ou

Posicionamento Autônomo.

Método: é utilizado apenas um receptor.

Observável: pseudodistância;

Efemérides: Transmitidas.

Aplicação: método bastante utilizado na navegação de

baixa precisão.

Acurácia métrica (em torno de 10 m).

POSICIONAMENTO POR PONTO PRECISO

Denominação: Posicionamento por Ponto Preciso – PPP.

Estado da arte no posicionamento por ponto

PPP – alta acurácia (dm ou até mesmo cm).

Observável: Fase e/ou pseudodistância;

Receptores de simples ou dupla frequência.

Efemérides: precisas.

Órbitas e relógios.

Correção dos Erros:

Todos os erros envolvidos nas observáveis GNSS devem ser

modelados, corrigidos ou minimizados para obter alta acurácia.

Existem serviços online, no Brasil o IBGE disponibiliza.

Alta

precisão

POSICIONAMENTO RELATIVO

2 ou mais receptores;

SD

vNtdtdtfdmc

frr 1

2,102,1

1

2,1

1

2,1

1

2,1 21

Simples diferenças

Duplas diferenças

DD

vNdtdtfdtdtf

dmc

fdm

c

f

ss

ss

2,1

2,121

2

21

1

2

2,1

2

2,1

21

2,1

1

2,1

12,1

2,1

POSICIONAMENTO RELATIVO

Estado da arte RTK

Estação Base

Estação Móvel

Link de Comunicação RTCM

𝜙𝑐

𝜆𝑐

ℎ𝑐

RTK EM REDE

São utilizados dados de 3 a dezenas de estações;

A distância entre as estações pode variar de poucos km à

dezenas de km.

Os dados são enviados para uma estação central;

São empregados algoritmos para estimar as correções para a

rede.

Acurácia centimétrica em tempo real para uma grande área

de abrangência;

As redes de estações são realidade em muitos países.

RTK EM REDE - VRS

Estações RTCM-

VRS

𝜙𝑐

𝜆𝑐

ℎ𝑐

𝜙𝑐

𝜆𝑐

ℎ𝑐

𝜙𝑐

𝜆𝑐

ℎ𝑐

𝜙𝑐

𝜆𝑐

ℎ𝑐

𝜙𝑐

𝜆𝑐

ℎ𝑐

𝜙𝑐

𝜆𝑐

ℎ𝑐

NMEA

Link bidirecional

VRS

Posicionamento Relativo

DGPS – GPS DIFERENCIAL

DGPS

Correções para as pseudodistâncias:

c

c

c

Z

Y

X

4

3

2

1

p

p

p

p

Estação Base

Estação Móvel

4

3

2

1

p

p

p

p

Link de Comunicação

DGPS EM REDE

1

2

1

Bnp

p

p

2

2

1

Bnp

p

p

3

2

1

Bnp

p

p

4

2

1

Bnp

p

p

Usuárionp

p

p

2

1

Computador

Central

Usuárionp

p

p

2

1

Usuárionp

p

p

2

1

REDES DE ESTAÇÕES DE REFERÊNCIA

Redes globais

Rede IGS

Redes Nacionais

Rede Alemanha

REDES DE ESTAÇÕES DE REFERÊNCIA

Brasil

RBMC/

RIBAC

Estado de

São Paulo

Rede

GNSS/SP

CONSIDERAÇÕES FINAIS

O GNSS tem sido empregado em diversas áreas do conhecimento:

Localização;

Deformação da crosta ou de edificações;

Meteorologia;

Etc.

Os sistemas envolvidos estão em expansão e se modernizando;

A busca é em proporcionar alta acurácia ao usuário em tempo real;

Necessidade de desenvolver modelos matemáticos apropriados.

OBRIGADA PELA ATENÇÃO!!!!

GEGE.FCT.UNESP.BR