Introdução aos Sistemas de Rádio-navegação

Fernando D. NunesInstituto de Telecomunicações

IST – Abril 2005

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Conceito de navegação

Navegação: determinação da posição e velocidade de um veículo relativamente a um referencial.

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⎡

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tvtvtvtztytx

z

y

x

u

u

uVector de estado:

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Sistemas de navegação

Sistemas de rádio-navegação(sistemas terrestres, por satélite)

Sistemas celestesSistemas de navegação por mapaSistemas inerciais

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Sistemas de rádio-navegação

...baseiam-se na medição do tempo de propagação de uma onda electromagnética entre emissor e receptor:

velocidade da luz=300.000 Km/s.logo:

erro de posição=30cm/nanosegundode erro na medição do tempo

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Rádio-navegação activa/passiva

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Classificação dos sistemas de rádio-navegação

Sistemas terrestres de navegação:- ADF- VOR- DME- Loran-C- ILSSistemas de navegação global por satélite:- GPS- Glonass- Galileo

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ADF (Automatic direction finder)

ou rádio-bússola: (banda: 200 - 415 KHz)

α radio-farol

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VOR (VHF Omnidirectional Range)

Usa 2 sinais (108.10 –117.90 MHz):

- sinal de referência (fase constante em todas as direcções);

- sinal de fase variável(fase varia com o azimute).

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DME (Distance measuring equipment)

Consiste num interrogador (aeronave)+transponder (sólo)(banda: 962-1213 MHz)

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Loran-C (Long-range navigation)Loran-C=1 estação-mestre+2 a 5 estações secundáriasExemplo de sistema hiperbólicoBanda: 90-110 KHz

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ILS (Instruments landing system)

Sistema standard para aproximação e aterragemPossui 3 tipos de emissores:

- localizador - emissor de ladeira- 2 ou 3 rádio-balizas9Km; 1Km; 330m

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GPS (Global positioning system)

Consiste em 3 segmentos:- espacial(24 satélites; 6 órbitas;periodo=11h58m)

- controlo(conjunto de estações de monitorização+estação-mestre)

- utilizadores

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Equação de navegaçãoDistância a cada satélite:

Problema: dados e determinar

Solução (relógio do receptor perfeito): são precisos 3 satélites

Solução (relógio do receptor imperfeito): 3 incógnitas espaciais+1 incógnita temporal=4 incógnitas

...são precisos 4 satélites

( ) ( ) ( ) 24,...,1,222 =−+−+−= iZZYYXXR uiuiuii

iR iii ZYX ,, uuu ZYX ,,

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Sinais de GPSBanda L1 (1.57542 GHz)

(Os sinais dos vários satélites têm códigos diferentes)

Banda L2 (1.22760 GHz)

( )( )11

11sin)()(cos)()(2

φωφω

+++

ttDtACttDtAC

p

c

1ms)(periodoC/Acodigo)( ==tCc

1semana)(periodoPcodigo)( ==tC p

( )22cos)()(' φω +ttDtCA p

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Erros de GPSSegmento Fonte de erro Erro de GPS 1 σ

(m)

Espaço Estabilidade do relógio de satélitePerturbações do satéliteOutras

3.0

1.0 0.5

Controlo Erros das efeméridesOutras

4.2 0.9

Utilizador Atraso ionosféricoAtraso troposféricoRuído do receptor e

resoluçãoMultipercursoOutras

5.0 1.5 1.5

2.5 0.5

UERE Total 8.0

UERE=user equivalent range error

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Sub-constelação óptimaProblema: qual a sub-constelação óptima para determinar a posição do receptor ?Solução: depende das posições relativas dos satélites

má solução boasolução

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GPS diferencial...permite reduzir alguns tipos de erros:atrasos devidos à ionosfera+troposfera, erros de posicionamento dos satélites, etc.

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WAAS (Wide area augmentation system)

• Permite melhorar a precisão do GPS em áreas extensas (continentes)• Corrige erros dos satélites GPS e da ionosfera+troposfera• Monitoriza a integridade dos sinais• versão europeia: EGNOS

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Integração de sistemas de navegação

Exemplo: GPS+radar Doppler

Funcionamento do radar Doppler

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Comparação dos sistemas de navegação

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Utilidade dos sistemas de rádio-navegação

...mede-se pelos seguintes factores:

- precisão (erros 2-D ou 3-D)- cobertura (onde o sistema pode ser utilizado)- disponibilidade (quando o sistema pode ser utilizado)- integridade (possibilidade de avisar o receptor da qualidade

dos sinais transmitidos)- capacidade (no. máximo de utilizadores do sistema)