Resumo sobre Sistemas de Posicionamento por Satélites e Engenharia de Dutos

TALES SIMÕES MATTOS SULGAS 2012 Engenharia de Faixa de Dutos Terrestres Implantação de Faixa de Dutos Sistema de Posicionamento por Satélite Resumo dos conhecimentos necessários para o entendimento e uso dos Sistemas de Posicionamento por Satélites e seus equipamentos Engenharia de Faixa de Dutos Terrestres Posicionamento por Satélite 1 Introdução Os sistemas de posicionamento por satélites se baseiam em uma constelação de satélites em órbita na Terra emitindo ondas de rádio sendo captadas por receptores específicos utilizados pelos usuários na superfície terrestre É necessário o mínimo de 4 satélites para se obter o posicionamento O ponto de partida é o conhecimento preciso da distância entre o receptor e cada um dos satélites em órbita obtida pelo tempo que o sinal gasta para viajar do satélite até o receptor Conhecendo o momento exato que o sinal foi emitido pelo satélite e o momento que o receptor recebeu este sinal temse o tempo de viagem do sinal e como o sinal viaja a velocidade da luz podese calcular a distância do satélite até o receptor TALES SIMÕES MATTOS SULGAS 2012 Engenharia de Faixa de Dutos Terrestres Posicionamento por Satélite 2 Sistemas Existentes e Projetados GPS Global Positioning System EUA em operação GLONASS Russia parcialmente em operação GALILEO Europa em implementação COMPASS China QZSS Quase Zenith Satellite System Japão GAGAN Aided GeoStationary Satellite Audment Navigation Índia TALES SIMÕES MATTOS SULGAS 2012 Engenharia de Faixa de Dutos Terrestres Posicionamento por Satélite 3 GPS TRANSIT Primeiro sistema de rastreamento implantado na década de 1960 NNSS TRANSIT Navy Navigation Satellite System TALES SIMÕES MATTOS SULGAS 2012 Engenharia de Faixa de Dutos Terrestres Posicionamento por Satélite 3 GPS TRANSIT Predecessor imediato do GPS Geoposicionamento por ondas eletromagnéticas a partir de satélites artificiais Inicialmente concebido para navegação foi amplamente utilizado para aplicações geodésicas Composto de 08 satélites orbitas elípticas com altitude média de 1100 Km Possuía grandes problemas Desprovido de cobertura mundial Lapso de tempo considerável entre as passagens sucessivas de satélites para um mesmo ponto na terra Precisão DesvioPadrão de 1 à 10 metros dependendo da técnica utilizada muito utilizado no AM pelo IBGE Período de observação 2 à 3 dias Desativado em 1996 TALES SIMÕES MATTOS SULGAS 2012 Engenharia de Faixa de Dutos Terrestres Posicionamento por Satélite 3 GPS TRANSIT Aplicações Demarcação de fronteiras Impossibilidade de transporte convencional Rede geodésica preliminar Provou a viabilidade do GPS TALES SIMÕES MATTOS SULGAS 2012 Engenharia de Faixa de Dutos Terrestres Posicionamento por Satélite 3 GPS TRANSIT x GPS Rastreamento de Satélites GPS 1973 estudos iniciais do sistema GPS O novo sistema deveria atender a correção dos problemas do sistema NNSS TRANSIT TALES SIMÕES MATTOS SULGAS 2012 Engenharia de Faixa de Dutos Terrestres Posicionamento por Satélite 3 GPS Os principais objetivos do GPS são auxílio à navegação em três dimensões navegação em tempo real alta imunidade a interferências cobertura global 24 horas por dia rápida obtenção das informações transmitidas pelos satélites 1978 lançamento dos primeiros satélites NAVSTAR dando origem ao GPS como é conhecido hoje 1995 foi declarado operacional 25 satélites O Sistema possui 3 componentes Componente Espacial Componente de Controle Terrestre Componente de Usuário TALES SIMÕES MATTOS SULGAS 2012 Engenharia de Faixa de Dutos Terrestres Posicionamento por Satélite 3 GPS Componentes do Sistema Espacial 4 satélites sempre visíveis em qualquer parte do globo 15º acima do horizonte 24hdia inclusive nos Pólos 24 satélites ativos Órbitas elípticas quase circulares com 55º de inclinação em relação ao Equador Intervalos longitudinais de 60º Cada órbita suporta 04 satélites defasados de 90º Altitude média de 20200 Km Elipsóide próprio GRS80 associado ao Sistema de referência WGS 84 World Geodetic System 84 TALES SIMÕES MATTOS SULGAS 2012 Engenharia de Faixa de Dutos Terrestres Posicionamento por Satélite 3 GPS Características do Sinal do Satélite Os sinais GPS são gerados por osciladores atômicos de alta estabilidade e com a seguinte configuração TALES SIMÕES MATTOS SULGAS 2012 Engenharia de Faixa de Dutos Terrestres Posicionamento por Satélite 3 GPS Componentes de Controle Terrestre Constituída por 5 estações de rastreio distribuídas ao longo do globo e uma estação de controle principal Esta estação de controle rastreia os satélites atualiza as suas posições orbitais calibra e sincroniza seus relógios atualiza periodicamente as mensagens de navegação TALES SIMÕES MATTOS SULGAS 2012 Engenharia de Faixa de Dutos Terrestres Posicionamento por Satélite 3 GPS Componente do Usuário Inclui todos que se utilizam de receptor GPS para receber e converter o sinal GPS em posição velocidade e tempo Inclui ainda todos os elementos necessários neste processo como as antenas e software de processamento Em termos gerais SOMOS NÓS TALES SIMÕES MATTOS SULGAS 2012 Engenharia de Faixa de Dutos Terrestres Posicionamento por Satélite 3 GPS Componentes do Sistema TALES SIMÕES MATTOS SULGAS 2012 Engenharia de Faixa de Dutos Terrestres Posicionamento por Satélite 3 GPS Princípio de Funcionamento O monitoramento é baseado no raio de ação dos satélites Transmissão de sinais GPS códigos portadoras e mensagens de navegação Conhecimento preciso da órbita dos satélites Posicionamento com pelo menos 4 satélites podendose resolver as incógnitas XYZ e T Para navegação aérea e marítima geralmente 3 satélites para resolver XY e T TALES SIMÕES MATTOS SULGAS 2012 Engenharia de Faixa de Dutos Terrestres Posicionamento por Satélite 3 GPS Princípio de Funcionamento Trilateração de Satélites TALES SIMÕES MATTOS SULGAS 2012 Engenharia de Faixa de Dutos Terrestres Posicionamento por Satélite 3 GPS Princípio de Funcionamento Trilateração de Satélites TALES SIMÕES MATTOS SULGAS 2012 Engenharia de Faixa de Dutos Terrestres Posicionamento por Satélite 3 GPS Princípio de Funcionamento Trilateração de Satélites TALES SIMÕES MATTOS SULGAS 2012 Engenharia de Faixa de Dutos Terrestres Posicionamento por Satélite 3 GPS Fontes de Erro Satélite Erros Orbitais Erros relacionados com a posição dos satélites As informações orbitais são transmitidas pelos satélites para os receptores que podem ser pósprocessadas denominadas efemérides precisas TALES SIMÕES MATTOS SULGAS 2012 Engenharia de Faixa de Dutos Terrestres Posicionamento por Satélite 3 GPS Fontes de Erro Satélite Erros nos Relógios dos Satélites Apesar da precisão do relógio atômico dos satélites este está sujeito a variações que para o sistema são significativas Estes erros relacionados com a manipulação da frequência do relógio do satélite resultam em erros da ordem de 80 nanosegundos correspondendo a um erro da ordem de 24 metros Estes efeitos podem ser eliminados através da técnica de posicionamento diferencial TALES SIMÕES MATTOS SULGAS 2012 Engenharia de Faixa de Dutos Terrestres Posicionamento por Satélite 3 GPS Fontes de Erro Satélite Relatividade O relógio também varia em razão da relatividade geral e espacial Os receptores estão situados em campos gravitacionais diferentes além de se deslocarem em velocidades diferentes provocando uma aparente alteração na frequência nominal dos relógios dos satélites em relação aos relógios dos receptores Estes efeitos são compensados antes do lançamento dos satélites pela redução da frequência nominal dos relógios dos satélites e 000455 Hz TALES SIMÕES MATTOS SULGAS 2012 Engenharia de Faixa de Dutos Terrestres Posicionamento por Satélite 3 GPS Fontes de Erro Propagação do Sinal Refração Troposférica e Refração ionosférica As partículas carregadas eletricamente afetam a velocidade da luz e também a velocidade dos sinais de rádio do GPS Essas variações podem fazer com que o receptor perca a sintonia com o satélite pelo enfraquecimento do sinal TALES SIMÕES MATTOS SULGAS 2012 Engenharia de Faixa de Dutos Terrestres Posicionamento por Satélite 3 GPS Fontes de Erro Propagação do Sinal Multicaminhamento Ocorre quando o sinal ricocheteia de um lado para outro antes de entrar no receptor Os sinais podem se refletidos por superfícies inclinadas verticais ou horizontais ruas árvores lagos veículos etc E assim percorrem caminhos mais longos chegando atrasados quando comparados aos sinais diretos TALES SIMÕES MATTOS SULGAS 2012 Engenharia de Faixa de Dutos Terrestres Posicionamento por Satélite 3 GPS Fontes de Erro Propagação do Sinal Perdas de Ciclos Quando um receptor é ligado a parte fracionária da fase de batimento da onda portadora ou seja a diferença entre a portadora recebida do satélite e sua réplica gerada no receptor é observada e um contador de ciclos inteiros é inicializado No início do levantamento o número de ciclos inteiros entre o satélite e o receptor é desconhecido Este número de ciclos inteiros é denominado ambígua e se não houver interrupção na contagem do número de ciclos durante a observação este número permanece constante Assim para resolver a ambiguidade ou seja resolver a diferença de número de ciclos entre o satélite e o receptor são necessários alguns minutos de observação TALES SIMÕES MATTOS SULGAS 2012 Engenharia de Faixa de Dutos Terrestres Posicionamento por Satélite 3 GPS Fontes de Erro Propagação do Sinal Rotação da Terra Tornase necessário a correção do movimento da rotação da Terra uma vez que durante a propagação do sinal o sistema de coordenadas terrestres rotaciona em relação ao satélite As coordenadas originais do satélite devem ser rotacionadas sobre o eixo Z em um ângulo alfa definido como o produto do tempo de propagação do sinal pela velocidade de rotação da Terra TALES SIMÕES MATTOS SULGAS 2012 Engenharia de Faixa de Dutos Terrestres Posicionamento por Satélite 3 GPS Fontes de Erro Geometria dos Satélites GEOMETRIA NÃO FAVORÁVEL GEOMETRIA FAVORÁVEL TALES SIMÕES MATTOS SULGAS 2012 Engenharia de Faixa de Dutos Terrestres Posicionamento por Satélite 3 GPS Classificação dos Receptores Navegação GPS de código CA Precisão 10 m TALES SIMÕES MATTOS SULGAS 2012 Engenharia de Faixa de Dutos Terrestres Posicionamento por Satélite 3 GPS Classificação dos Receptores Receptor Topográfico GPS de código CA Precisão de 30 cm a 5 cm dependendo da técnica utilizada TALES SIMÕES MATTOS SULGAS 2012 Engenharia de Faixa de Dutos Terrestres Posicionamento por Satélite 3 GPS Classificação dos Receptores Receptor Geodésico GPS de ondas L1 L2 e códigos CA e P Precisão de 5 mm 1 ppm Obs 5 mm 1 ppm 5 mm 1 mm por km de distância Logo em 10 km 5 mm 1 x 10 mm 15 mm 15 cm TALES SIMÕES MATTOS SULGAS 2012 Engenharia de Faixa de Dutos Terrestres Posicionamento por Satélite 3 GPS Métodos de Posicionamento Introdução O posicionamento está relacionado à determinação das coordenadas X Y Z com relação a um referencial específico Pode ser ABSOLUTO quando associadas diretamente ao geocentro ou RELATIVO quando relacionadas a uma referencial materializado por um ou mais vértices de coordenadas conhecidas São utilizados mais de um receptor Também podese classificar o posicionamento como em tempo real ou pós processado Outra classificação referese ao estado em que se encontra o objeto a ser observado em repouso estático ou em movimento cinemático TALES SIMÕES MATTOS SULGAS 2012 Engenharia de Faixa de Dutos Terrestres Posicionamento por Satélite 3 GPS Métodos de Posicionamento Posicionamento por Ponto ou Absoluto Convencional Usado em navegação de baixa precisão Uso de apenas um receptor As coordendas são influenciadas pelos erros dos relógios e também dos erros de refração da ionosfera Erro aproximado de 10 metros TALES SIMÕES MATTOS SULGAS 2012 Engenharia de Faixa de Dutos Terrestres Posicionamento por Satélite 3 GPS Métodos de Posicionamento Posicionamento por Ponto ou Absoluto Preciso Usado com dados pósprocessados São corrigidos os dados espaciais dos satélites e corrigidos os erros dos relógios contidos na mensagem de navegação Estas correções podem fornecer precisões abaixo do metro TALES SIMÕES MATTOS SULGAS 2012 Engenharia de Faixa de Dutos Terrestres Posicionamento por Satélite 3 GPS Métodos de Posicionamento Posicionamento por Ponto ou Absoluto Alta Precisão Usado com dados pósprocessados São corrigidos os dados espaciais dos satélites e corrigidos os erros dos relógios contidos na mensagem de navegação São utilizados equipamentos de dupla frequência permitindo precisão abaixo do decímetro TALES SIMÕES MATTOS SULGAS 2012 Engenharia de Faixa de Dutos Terrestres Posicionamento por Satélite 3 GPS Métodos de Posicionamento Posicionamento Relativo Necessidade de dois ou mais receptores Caso seja utilizado os dados de uma rede de monitoramento contínuo o usuário pode usar apenas um dispositivo e associar aos dados disponíveis da rede O conceito é de que os dois ou mais receptores envolvidos possam rastrear ao mesmo tempo dois ou mais satélites comuns TALES SIMÕES MATTOS SULGAS 2012 Engenharia de Faixa de Dutos Terrestres Posicionamento por Satélite 3 GPS Métodos de Posicionamento Posicionamento Relativo Estático Dois ou mais satélites rastreiam ao mesmo tempo os satélites visíveis por um período mínimo de tempo de dezenas de minutos 20 minutos mínimo até horas Tratase de uma técnica muito utilizada em posicionamento geodésico particulamente em software comerciais Precisão de 1 a 5 mm 1 PPM TALES SIMÕES MATTOS SULGAS 2012 Engenharia de Faixa de Dutos Terrestres Posicionamento por Satélite 3 GPS Métodos de Posicionamento Posicionamento Relativo Estático Rápido Em linhas gerais segue os mesmos procedimentos do Estático A principal diferença está no tempo de ocupação que fica no máximo em 20 minutos É utilizado em levantamentos em que se deseja alta produtividade Adequado para levantamentos com linha de base de até 10 km Precisão de 5 a 10 mm 2 PPM TALES SIMÕES MATTOS SULGAS 2012 Engenharia de Faixa de Dutos Terrestres Posicionamento por Satélite 3 GPS Métodos de Posicionamento Posicionamento Relativo Semicinemático Também conhecido como pseudoestático ou Stop and Go Baseiase na solução do vetor de ambiguidades presente numa linha de base a determinar requer que a geometria entre as duas estações e os satélites se altere Este método requer que o receptor continue rastreando os mesmos satélites durante as ocupações das estações As coletas são separadas por um período de tempo entre 20 e 30 minutos Um receptor está fixo e o outro está móvel é necessário o rastreamento contínuo definir a ambiguidade no início e retornar à posição inicial TALES SIMÕES MATTOS SULGAS 2012 Engenharia de Faixa de Dutos Terrestres Posicionamento por Satélite 3 GPS Métodos de Posicionamento Posicionamento Relativo Cinemático ou Pósprocessado Um receptor ocupa uma estação de coordenadas conhecidas enquanto o outro se desloca sobre as feições de interesse e as observações simultâneas dos dois receptores geram duplas diferenças onde vários erros envolvidos são reduzidos Baseiase na solução do vetor de ambiguidades presente numa linha de base a determinar requer que a geometria entre as duas estações e os satélites se altere Este método requer que o receptor continue rastreando os mesmos satélites durante as ocupações das estações TALES SIMÕES MATTOS SULGAS 2012 Engenharia de Faixa de Dutos Terrestres Posicionamento por Satélite 3 GPS Métodos de Posicionamento Posicionamento DGPS GPS diferencial sendo muito parecido com o RTK A precisão do levantamento é da ordem do metro utilizando as pseudodistências para correção do posicionamento TALES SIMÕES MATTOS SULGAS 2012 Engenharia de Faixa de Dutos Terrestres Posicionamento por Satélite 3 GPS Métodos de Posicionamento TALES SIMÕES MATTOS SULGAS 2012 Engenharia de Faixa de Dutos Terrestres Posicionamento por Satélite 4 GLONASS É um Sistema de Posicionamento geográfico similar ao GPS o qual conta com uma constelação de 24 satélites divididos em três órbitas Pertence à Federação Russa O primeiro satélite foi lançado em outubro de 1992 Os planos tem inclinação de 648º sendo maior que os planos orbitais do GPS 55º Da mesma forma que o sistema GPS cada satélite GLONASS transmite sinais em duas bandas denominadas de L1 e L2 com frequências diferentes L1 1602 0562n MHz L2 1246 04375n MHz Os satélites GLONASS orbitam a uma altitude de 19100 km mais baixo que o GPS 20200 km TALES SIMÕES MATTOS SULGAS 2012 Engenharia de Faixa de Dutos Terrestres Posicionamento por Satélite 5 GALILEO É o Sistema de Posicionamento Geográfico europeu de aplicação civil ao contrário do GPS e GLONASS Pretende proporcionar maiores precisões e segurança nos dados que os sistemas GPS e GLONASS ainda a ser comprovado O sistema será interoperável com os outros dois sistemas existentes permitindo uma maior cobertura de satélites Previsão de operação em 2010 O sistema completa incluirá 30 satélites colocados em órbita a 24000 km dos quais três ficarão em reserva TALES SIMÕES MATTOS SULGAS 2012 Engenharia de Faixa de Dutos Terrestres Posicionamento por Satélite 6 REDE DE MONITORAMENTO CONTÍNUO O IBGE mantém uma RBMC Rede Brasileira de Monitoramento Contínuo de estações GPS permanentes compostas por 9 estações Cada uma tem o alcance de 500 km de raio para correção do código CA e de até 50 km para correção da Fase Portadora L1 Com a permanente coleta de observações ela permite o cálculo contínuo das coordenadas sobre a superfície terrestre e seus resultados são disponibilizados na internet nas frequências L1 e L2 TALES SIMÕES MATTOS SULGAS 2012 Engenharia de Faixa de Dutos Terrestres Posicionamento por Satélite 7 Posicionamento por Satélite Referências Bibliográficas CHAVES J C Notas de Aula Disciplina de Geodésia I Curso de Graduação em Engenharia Cartográfica Faculdade de Ciências e Tecnologia UNESP Campus de Presidente Prudente 2001 Marcos A Timbó Levantamentos Através do Sistema GPS Departamento de Cartografia UFMG Edgar Nogueira Demarqui Topografia II Universidade do Estado do Mato Grosso TALES SIMÕES MATTOS SULGAS 2012