Sistema de posicionamento global
por satélites
Prof. Dr. Marcelo de Carvalho Alves
Departamento de Engenharia
Universidade Federal de Lavras
Lavras, MG
q INTRODUÇÃO
q O conceito de posicionamento por satélite iniciou com
o lançamento do primeiro satélite Sputnik pela União
Soviética em outubro de 1957.
q O desenvolvimento da primeira geração de sistemas
de posicionamento de satélite iniciou em 1958.
q INTRODUÇÃO
q Esses sistemas eram denominados de navegação
marinha por sistema de satélite (NNSS), ou de
sistema TRANSIT, e eram operados sobre o princípio
Doppler.
q INTRODUÇÃO
q O desvio Doppler (alterações na frequência) dos
sinais transmitidos a partir de satélites foi observado
por receptores em estações terrestres.
q A constelação de satélites no sistema TRANSIT
apresentava entre cinco e sete satélites, em órbitas
polares e altitudes de aproximadamente 1100 km.
q INTRODUÇÃO
q Devido ao sucesso da tecnologia Doppler, o
Departamento de Defesa dos EUA (DoD) iniciou o
desenvolvimento do sistema de navegação por
satélite com base em tempo e distância (NAVSTAR)
e o Sistema de Posicionamento Global (GPS).
q INTRODUÇÃO
q O primeiro satélite utilizado no desenvolvimento e
testes do sistema foi colocado em órbita em 1978.
q O sistema de posicionamento global completo custou
US$ 12 bilhões e tornou-se totalmente operacional
em dezembro de 1993.
q INTRODUÇÃO
q Atualmente, o conjunto completo de sistemas de
satélite utilizados em posicionamento, inclui sistemas
de posicionamento desenvolvido em países do
continente Europeu, EUA, Rússia e China, sendo
denominado de sistema global de navegação por
satélites (GNSS).
q INTRODUÇÃO
q O tamanho e o custo de equipamentos de
levantamento por satélite foram reduzidos quando
comparado aos do princípio Doppler.
q Procedimentos de campo e escritório relacionados
aos levantamentos também foram simplificados, de
modo a se obter elevada precisão em tempo real.
Receptores de satélite de última geração.
q As vantagens dos sistemas GPS são:
q Determinar distâncias e os componentes de direção
X, Y, Z, ou E, N, h, ou latitude, longitude e altitude;
q Não é necessário fazer visada. No entanto, deve-se
ter vista limpa do céu, para se observar satélites;
q Alguns equipamentos são a prova d'água;
q Podem ser utilizados em períodos diurnos e noturnos
ou em condições de neblina;
q Os equipamentos podem ser utilizados por apenas
uma pessoa, sem perca de tempo e trabalho;
q Não é necessário alta habilidade do operador;
q A posição pode ser obtida na terra, no mar ou no ar;
q Linhas de base de centenas de quilômetros podem
ser determinadas, sem a necessidade de redes
geodésicas extensas, como em levantamentos
convencionais;
q Medidas contínuas podem ser realizadas para
melhorar o monitoramento de deformações.
q As desvantagens do GPS são:
q É necessário boa visualização do céu para o rastreio
de satélites, podendo ser um problema para o
levantamento de construções e obras de engenharia.
q Os equipamentos não funcionam bem dentro de
edificações ou no subsolo;
q O equipamento apresenta custo elevado. Um par de
GPS custa o mesmo que três ou quatro estações
totais eletrônicas;
q Deve-se conhecer as projeções locais e datum de
uma localidade, bem como o sistema de
coordenadas dos satélites para se obter pontos
representativos e com significado regional;
q O valor da altitude determinada por satélite pode não
ser a mesma utilizada em um projeto de engenharia,
pois no sistema de coordenadas GPS, qualquer
altitude de pontos na superfície terrestre será relativa
a um datum, ou superfície de um elipsoide.
q Alguns GPS podem apresentar um modelo geoidal
em um software, porém o modelo é grosseiro.
Sistema GPS
• O sistema de posicionamento global pode
ser dividido em três partes:
(a) o segmento espacial,
(b) o segmento de controle, e
(c) o segmento de usuário
Segmento Espacial
• Consiste de 24 satélites que operam em seis
planos orbitais espaçados em intervalos de
60° inclinados em 55° a partir do equador.
• Quatro satélites adicionais são mantidos em
reserva como sobressalentes.
• Essa configuração oferece 24 h de cobertura
via satélite entre as latitudes de 80° N e 80° S
Segmento Espacial
Segmento
espacial com
ilustrações da
constelação do
satélite Galileu
(superior
esquerdo), GPS
IIR (superior
direito), GPSII F
(inferior
esquerdo),
NAVSTAR
(inferior direito).
Segmento Espacial
• Os satélites viajam em órbitas quase
circulares com altura média de 20.200 km
acima da Terra e um período orbital de 12
horas siderais.
• Os satélites são identificados pelos números
de ruído pseudoaleatórios (PRN), número do
satélite (SVN) ou posição orbital.
Segmento Espacial
• Relógios atômicos precisos são utilizados nos
satélites para controlar o tempo de
transmissão dos sinais.
• Esses relógios são extremamente acurados,
precisos e extremamente caros.
• Os relógios atômicos são feitos de césio ou
rubídio.
Segmento Espacial
• Os relógios de rubídio podem perder um
segundo em 30.000 anos, enquanto os de
césio podem perder um segundo em 300.000
anos.
• Relógios de hidrogênio radioativo podem
perder um segundo em 30.000.000 de anos e
tem sido proposto para satélites do futuro.
Segmento Espacial
• Para efeito comparativo, relógios de cristal de
quartzo utilizados em receptores podem
perder um segundo em 30 anos.
• Os relógios nos receptores são controlados
por oscilações de um cristal de quartzo que,
embora também preciso, são menos precisos
que os relógios atômicos.
Segmento de Controle
• Consiste de estações de monitoramento para
rastrear os sinais e acompanhar as posições
dos satélites ao longo do tempo.
• As primeiras estações de monitoramento GPS
estão em Colorado Springs, e no Havaí,
Ascension, Diego Garcia, e Kwajalein.
Segmento de Controle
• As informações de rastreamento são
retransmitidas para a estação de controle
mestre no Centro de Operações Espaciais
Consolidado (CSOC), na base da Força Aérea
Schriever em Colorado Springs.
Segmento de Controle
• A estação de controle mestre faz previsões
precisas das órbitas dos satélites e corrige os
parâmetros do relógio.
• Essa informação é enviada para os satélites e
depois transmitida por eles como parte da sua
mensagem de transmissão utilizada pelos
receptores para prever as posições dos
satélites e erros sistemáticos do relógio.
Antena de banda L utilizada para controle de satélites
Galieu na estação terrestre da Agência Espacial
Européia (ESA) (Foto: ESA).
Segmento de Usuário
• Duas categorias de receptores que são
classificados pelo acesso a dois serviços
oferecidos pelo sistema.
• Esses serviços são denominados de Serviço
de Posição Padrão (SPS) e de Serviço de
Posicionamento Preciso (PPS).
Segmento de Usuário
• O SPS é fornecido na frequência L1
transmitida e mais recentemente na L2, sem
nenhum custo para o usuário.
• O PPS é transmitido nas frequências L1 e L2 e
está disponível para receptores com chaves
criptográficas válidas, reservadas quase que
exclusivamente para uso do DoD.
O sinal GPS
• Nos satélites GPS, as portadoras, transmitidas
na banda de frequência de rádio L de micro-
ondas, são identificadas com o sinal L1 e L2,
com frequência de 1575,42 MHz e de 1227,60
MHz, respectivamente.
O sinal GPS
• Diferentes tipos de informações (mensagens)
são moduladas nessas ondas portadoras.
• As informações incluídas na mensagem são
almanaque, efemérides de transmissão,
coeficientes de correção do relógio do satélite,
coeficientes de correção ionosféricos e,
condição do satélite (saúde do satélite).
O sinal GPS
• Diferentes tipos de informações (mensagens)
são moduladas nessas ondas portadoras.
• As informações incluídas na mensagem são
almanaque, efemérides de transmissão,
coeficientes de correção do relógio do satélite,
coeficientes de correção ionosféricos e,
condição do satélite (saúde do satélite).
O sinal GPS
• O sinal L1 foi modulado com o código de
precisão, ou código P, e com o código de
aquisição grosseira, ou código C/A.
• O sinal L2 foi modulado apenas com o código
P.
• Cada satélite transmite um único conjunto de
códigos GOLD para identificar a origem dos
sinais recebidos.
O sinal GPS
• O código consiste numa sequência de estados
+1 ou -1, correspondendo aos valores binários
0 ou 1.
• A modulação bifásica (mudança de sinal) é
realizada pela inversão de 180º na fase da
portadora determinando alteração nos estados
iniciais.
O sinal GPS
Modulação bifásica da onda portadora
O sinal GPS
Frequências transmitidas por GPS
Código Frequência (MHz) Fator de f
o
C/A 1,023 Dividir por 10
P 10,23 1
L1 1575,42 Multiplicar por 154
L2 1227,60 Multiplicar por 120
L5 1176,45 Multiplicar por 115
As frequências são derivadas de uma frequência
fundamental, f
0
, de 10,23 MHz.
O sinal GPS
• A medição precisa do tempo de viagem do
sinal do satélite para o receptor, para
determinar as posições básicas das estações
ocupadas em tempo real, de forma
independente, foi obtida por meio da
modulação das portadoras com códigos
pseudorruídos aleatórios (PRN).
O sinal GPS
• Os códigos PRN consistem de sequências
únicas de valores binários (zeros e uns) que
parecem ser aleatórios, mas são gerados por
um algoritmo matemático especial,
denominado de registros de deslocamento de
retorno.
O sinal GPS
• O tempo entre a emissão do sinal do satélite
até o receptor é obtido combinando o sinal do
satélite com o sinal idêntico gerado pelo
receptor.
• Isso produz o sinal de atraso, que é convertido
no tempo de viagem.
O sinal GPS
• Para ajudar na correspondência dos códigos,
a mensagem de transmissão de cada satélite
contém uma palavra de identificação (‘hand-
over word’) (HOW), que consiste de alguns
bits de identificação, bandeiras e um número.
• Esse número, quatro vezes, produz o tempo
de Semana (‘time of week’) (TOW), que marca
a ponta da próxima seção da mensagem.
O sinal GPS
Determinação do tempo de viagem do sinal por
correspondência de código
O sinal GPS
• A mensagem de navegação é transmitida
relativamente ao tempo GPS na razão de 50
bits por segundo (bps), com duração de 30
segundos, modulada nas portadoras L1 e L2.
• As informações são formatadas em cinco sub
-blocos com 6 segundos de duração, a fim de
compor um bloco com 30 segundos de
duração.
O sinal GPS
Formato dos sinais de dados
Principais componentes de um receptor GNSS