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Introduo ao NAVSTAR-GPS
Ewaldo Luiz de Mattos MehlUniversidade Federal do ParanDepartamento de Engenharia Eltrica
TE155-Redes de Acesso sem Fios
epa ta e to de ge a a t [email protected]
As fotos anteriores e abaixo mostram o submarino norte americanoUSS Hawkbill (SSN 666) no Polo Norte, no dia 3 de abril de 1999.Esta foi a ltima viagem deste submarino atmico, aps 28 anos deservio.
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TE155-Redes de Acesso sem FiosNAVSTAR - GPS
NAVigation System with Time And Ranging - Global g gPositioning System.
Sistema de rdio navegao por satlites que fornece, a usurios que possuam equipamento apropriado, coordenadas precisas de posicionamento tridimensional e informao sobre a navegao e o tempo.
Mantido e operado pelo governo dos EUA, atravs do Departamento de Defesa (DoD).
No existem custos para usar o sistema NAVSTAR-GPS, exceto o de aquisio do equipamento receptor.
TE155-Redes de Acesso sem FiosNAVSTAR - GPS
Anteriormente ao NAVSTAR, a Marinha dos EUA j tinhaum sistema de localizao baseado em satlitesdenominado TRANSIT, iniciado em 1960.
No sistema TRANSIT, havia 6 satlites em rbita polar.
O sistema TRANSIT permitia a localizao de navios esubmarinos com preciso de 200 metros. No entanto, eranecessrio esperar cerca de uma hora para se ter aposio!
O sistema TRANSIT foi colocado fora de operao apartir de 1996, com o desenvolvimento do sistemaNAVSTAR GPS.
TE155-Redes de Acesso sem FiosPrincpio de Funcionamento
Cada satlite emite um sinal quecontm o horrio exato da suaemisso. Todos os usurios queestiverem num crculo sobre asuperfcie terrestre recebero o sinalcom um determinado atraso.
TE155-Redes de Acesso sem FiosComponentes do GPSSegmento de Controle: cinco estaes terrestres,sendo duas de monitoramento e trs demonitoramento e uplink com os satlites em rbita.
Segmento Espacial: Constelao de satlites em rbitaterrestre (24 satlites ativos + reservas).
Segmento dos Usurios: unidades receptoras dosSegmento dos Usurios: unidades receptoras dossinais de rdio GPS, geralmente incorporadas comcircuitos microprocessados destinados ao clculo dalocalizao em coordenadas geogrficas e auxlio aosdeslocamentos por terra, mar ou ar.
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GPS Segmento Terrestre:Cinco estaes terrestres de monitoramento e controle dos satlites
50th S Wi50th Space WingSchriever Air Force Base
Colorado Springs, CO, EUAMaster Control Monitor Station
HawaiiMonitor Station
Ascension IslandMonitor Station & Uplink
Diego GarciaMonitor Station & Uplink
KwajaleinMonitor Station
& Uplink
NAVSTAR-GPS Master Control Monitor Station50th Space WingSchriever Air Force BaseColorado Springs, CO, EUA
TE155-Redes de Acesso sem FiosFunes das Estaes TerrestresMonitoram a passagem dos satlites, medindo as distnciasprecisas entre a estao e cada um dos satlites atravs de efeitoDoppler dos sinais de rdioAdquirem continuamente dados metereolgicos e da ionosfera,enviando esses dados estao central de controle (MCS) emColorado Springs (EUA). Verificam tambm dados sobre a operaodos vrios sistemas eletrnicos dos satlites.A estao de controle central analisa os dados ionosfricos emetereolgicos, verificando se a distncia medida entre cadaestao e cada satlite corresponde s predies de rbitas.Caso sejam verificadas mudanas orbitais significativas a estaoCaso sejam verificadas mudanas orbitais significativas, a estaocentral determina que o satlite atualize os dados de efemride quetransmite. Pode tambm determinar a substituio de um satlitedefeituoso por um dos 5 de reserva j em rbita.As informaes de retorno aos satlites so transmitidas ao espaopelas estaes da Ilha da Ascenso, Diego Garcia e Kwajalein.
GPS Segmento Espacial:SV = Space Vehicles (Satlites)
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SV = Space Vehicles (Satlites)Bloco IFabricante: Rockwell International11 SVs Lanados ao espao entre 1978 e 1985Objetivo: Desenvolvimento e testes do sistema NAVSTAR
SV = Space Vehicles (Satlites)Bloco II e IIAFabricante: Rockwell International28 SVs Lanados ao espao entre 1990 e 1997Objetivo: Substituio de satlites do Bloco I
SV = Space Vehicles (Satlites)Bloco IIR - ("replenishment SVs)Fabricante: Lockheed Martin (comprada pela Boeing)Lanados ao espao entre 2000 e 2004Satlites comunicam-se entre si
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Uso do Veculo Lanador Delta II para lanamento
dos satlites GPS do Bloco IIR
Uso do Veculo Lanador Delta II para lanamento
dos satlites GPS do Bloco IIR
Uso do Veculo Lanador Delta II para lanamento
dos satlites GPS do Bloco IIR
Uso do Veculo Lanador Delta II para lanamento
dos satlites GPS do Bloco IIR
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SV = Space Vehicles (Satlites)Bloco IIFFabricante: Boeing 33 SVs a serem lanados ao espao entre 2007 e 2008 Substituio gradativa dos SVs do Bloco IIR Satlites comunicam-se entre si Satlites comunicam se entre si Maior potncia de transmisso Autonomia do Controle Central de 6 meses Satlites conseguem corrigir automaticamente suas rbitas Incluso do canal L5 para uso civil
SV = Space Vehicles (Satlites)
Bloco IRockwell759 kg410 W
Bloco IIRockwell1660 kg710 W
Bloco IIARockwell1816 kg710 W
Bloco IIRLockheed2032 kg1 13 kW
1978-2004
410 W 710 W 710 W 1,13 kW
Bloco IIFBoeing844 kg2,44 kW
2007-2008 Incluso do canal L5
Bloco III?
Haver mais dois canais para uso militar. Canal Civil com alta potncia:provavelmente permitir receber os sinaisno interior de edifcios! No haver SA (Selective Availability)
(?)2009-
C/A P(Y) M C/A P(Y) M F1 F2
II, IIA1-28
28 sats7,4 y.
IIR
GPS1990 2000 2010 2020 2030L1 L2 L5
Frequency and codes
24 satellites
89
97
05
Plano de lanamentos do Bloco IIF
IIR1-8
8 sats7,9 y.
IIR9-20
12 satsc7,9 y.
IIF1-6
6 sats15 y.
89 05
97
8 satellites
12 satellites
02
4 d.6 satellites
04
18 satellites 12 IIR+ 6 IIF
18 satellites
IIF
IIF7-30
24 sats15 y.
5m
L1 = 1575,42 MHzL2 = 1227, 6 MHzL5 = 1176,45 MHz
10 m 0.5 m100 mPrecision 95%
04
066 satellites
24 satellites
Disponibilidade Seletiva (SA Selective Availability) Degradao intencional dos sinais dos satlites GPS, imposta peloDepartamento de Defesa Norte-Americano. Objetivo: impedir o uso indevido do GPS O governo norte americano retirou o SA em maio de 2000, o quemelhorou significativamente a preciso dos receptores de GPS de usoi il ( S d l d i )civil (mas a SA pode voltar a ser usada sem aviso...).
Os satlites do Bloco III no tero mais a opo de SA.
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Sinais L1 e L2 Os receptores mais comuns recebem somente o sinal L1 O sinal L2 usado para correo do erro ionosfrico, emequipamentos mais sofisticados. O futuro sinal L5 destina-se a implementar a correo do erroionosfrico nos receptores amadores
GPSSegmento Espacial
TE155-Redes de Acesso sem FiosGPS Segmento dos Usurios:Equipamentos receptoresEquipamentos receptores
Equipamento militar norte-americano usado no Iraque
Equipamento usado no rali do Saara - 2006
TE155-Redes de Acesso sem FiosGPS Segmento dos Usurios:Equipamentos receptoresEquipamentos receptores
Equipamento receptor GPS completo fornecido
como mdulo pr-montado e calibrado
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TE155-Redes de Acesso sem FiosGPS Segmento dos Usurios:Equipamentos receptoresEquipamentos receptores
Receptores GPSGarmin International Inc.
TE155-Redes de Acesso sem FiosGPS Segmento dos Usurios
TE155-Redes de Acesso sem FiosCaractersticas Gerais dos Receptores Portteis
IPX7: submergveis em gua at 1 m de profundidade, durante 30 minutos Alimentao por pilhas ou baterias recarregveis Alimentao por pilhas ou baterias recarregveis Antena (removvel ou fixa, interna ou externa) Display de LCD com backlight Teclas de operao das diversas funes
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TE155-Redes de Acesso sem FiosCaractersticas Especiais dos Receptores Portteis
Flutuabilidade Conector para alimentao de energia externa Conector para antena externa Conector para antena externa Display colorido com capacidade grfica Conector para ligao com microcomputador Dispositivo de conexo com cartes tipo flash memory Rdio-comunicador incorporado
Problemas comuns nos Receptores Portteis Pouca preciso no relgio interno Baixa sensibilidade das antenas Antenas direcionais
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Shadowing: reas de sombra devido a vegetao, edifcios, objetos metlicos etc. Multipath: Reflexo em edificaes e/ou objetos metlicos
Uso de Receptores Portteis
Horizonte
Posio atual
Incerteza
Rumo do deslocamento do usurioCrculo a 45
do horizonte
Intensidade do Sinal recebido de cada Satlite
Uso de Receptores Portteis
Velocidademxima
Velocidade
Odmetro
OdmetroElevao
mdia
Odmetro
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Uso de Receptores Portteis
Mapa gravado na
Indicaodo NorteVerdadeiro
Escala do Localizao atual
memria interna
Escala doMapa
WAAS Wide Area Augmentation System
Sistema de auxlio navegao area operado nos EUA pela Federal Aviation Administration (FAA).
25 t t t EUA Al
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25 estaes terrestres nos EUA e Alasca comparam continuamente sua posio (conhecida) com a posio obtida por sinais GPS. Dados de correoso enviados a dois satlites geo-estacionrios um sobreestacionrios, um sobrea costa do Atlntico e outro sobre a costa do Pacfico dos EUA.
WAAS Wide Area Augmentation System O sistema WAAS corrige principalmente o atrasoionosfrico, principal fonte de erro nos sinais GPS. Receptores de GPS + WAAS chegam a preciso de 2mno territrio continental dos EUA e no Alasca.
WAAS d d f d t it i t WAAS no deve ser usado fora do territrio norte-americano!
Estao WAAS no Alasca Estao WAAS na Califrnia(uplink)
WAAS Wide Area Augmentation System
Sistemas Semelhantes ao WAAS:Na Europa: EGNOS (European
Geostationary Navigation Overlay Service)3 satlites em rbita geo-estacionria
Preciso de 2 m na maioria dos pases europeusNo Japo: Multi-Functional Satellite Augmentation System (MSAS)
2 satlites geo-estacionrios: sistema utilizado no Japo e na Austrlia.
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Negcios baseados em GPS
AVL (Automatic Vehicle Location):Localizao de FrotasGeralmente implementadas com um receptor GPS (localiza a posiodo veculo) e um circuito de telefone celular GSM ou CDMA (enviaperiodicamente a localizao do veculo para uma empresa desegurana e/ou o proprietrio do veculo).
Satlites GPS
Rede porPacotes IP
Veculo equipado com Rastreador
Rede de Telefonia CelularGSM-GPRS ou CDMA
Programa de Geo-Localizao
Negcios baseados em GPS
AVL (Automatic Vehicle Location): Localizao de Frotas
Negcios baseados em GPS
AVL (Automatic Vehicle Location): Localizao de Frotas
Integrao GPS com Google Earth GeoWeb
Coleta de Dados
Arquivo gpx.gpx
GPS eXchange Format
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Integrao GPS com Google Earth GeoWeb
Outros sistemas de localizao baseados em satlites
GLONASS URSS t l R i
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GLONASS ex-URSS, atual RssiaGalileo Unio EuropiaBeidou Repblica Popular da China
GLONASS Ex-URSS RssiaGlobal'naya Navigatsionnaya Sputnikovaya Sistema(Sistema Global de Satlites de Navegao)
Sistema semelhante ao GPS norte-americanonorte americano Previso original de 24 satlites Incio em 1982 Centro de controle em Moscou Centros de monitoramento em St. Petersburg, Ternopol, Eniseisk & Komsomolsk Em 2002 s restavam 7 satlites em operao! Recuperao do sistema a partir de 2004, resultado de um acordo de cooperao com a ndia 2006: 13 satlites operacionais 2007: 12 satlites operacionais + 4 lanamentos 2008: GLONASS recomposto com 16 satlites, mas somente 13 esto operacionais (30-maio-2008)
GLONASS
http://www.glonass-ianc.rsa.ru
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Aps obter autorizao por parte do governo doCazaquisto para retomar o lanamento dos foguetesProton a Rssia colocou em rbita trs satlites de
GLONASS
Proton, a Rssia colocou em rbita trs satlites denavegao para a rede de satlites GLONASS. Olanamento do foguete 8K82K Proton-K/DM-2, teve lugars 0735:24UTC do dia 26 de Outubro de 2007 a partir daPlataforma de Lanamento LC81 PU-24 do CosmdromoGIK-5 Baikonur, Cazaquisto.
Os satlites GLONASS-M tm uma massa de 1415kg e sofabricados pela empresa NPO-PM Prikladnoi Mekhaniki.Receberam as designaes Cosmos 2431, Cosmos 2432 eCosmos 2433 aps entrarem em rbita terrestre. As suasdesignaes na srie GLONASS so GLONASS-M18,GLONASS-M19 e GLONASS-M20.
GLONASS
GLONASS GLONASS SP Standard Precision: 1602,5625 MHz a 1615.5 MHz HP High Precision: 1240 MHz e 1260 MHz (codificado) Datum: PZ-90
http://www.glonass-ianc.rsa.ru
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GLONASSGLONASS Constellation Status at 01.06.2008
based on both the almanac analysis and navigation messages received at 23:00 01.06.08 (UTC) in IAC PNT TsNIImash
GLONASS
GALILEO Unio Europia Sistema semelhante ao GPS norte-americano, a sercompletado em 2012 Operado pela Agncia Espacial Europia (ESA) Previso de 27 satlites ativos + 3 de reserva Projeto preliminar: satlites de 660kg e 1500 W Somente dois satlites de testes foram lanados atagora: GIOVE-A (28 de dezembro de 2005) e GIOVE-B (27de abril de 2008) Lanamentos so realizados da base russa em Baikonur,no Cazaquisto.
GIOVE-A
GALILEO Unio EuropiaSegundo satlite do Galileo ser lanado somente em 200826/09/2007Atraso deve-se a problemas com foguete russo
Segundo um comunicado recente da empresa Arianespace, olanamento do segundo satlite do sistema global de navegao por
li G lil Gi B i d b f satlites Galileo, Giove-B, previsto para dezembro, sofrer um atrasode trs meses.
A nova data para lanamento do Giove-B foi marcada paramaro de 2008. O atraso foi provocado por problemas no fogueterusso Soyuz, que dever levar o satlite para sua rbita.
Quando estiver completo, o sistema Galileo ter 30 satlites,que orbitaro a Terra a 24 mil quilmetros de altura e enviaro umsinal civil alternativo rede GPS, de controle militar.sinal civil alternativo rede GPS, de controle militar.
A data prevista para que o sistema esteja completamenteoperacional 2012
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GIOVE - Galileo In-Orbit Validation Element GALILEO Unio EuropiaPrope-se 4 tipos de servios:Open Service (OS): O acesso ser gratuito Rinais emitidos em duas faixas: 1164 MHz 1214 MHz & 1563 MHz 1591 MHz.
R t d l b d 4 h i t l & 8 ti l Receptores dual band: erro
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GALILEO Unio Europia H dvidas se o Sistema Galileo de fato estar completo at 2012(primeira previso era 2008, depois 2010...) A Agncia Espacial Europia (ESA) enfrenta problemas deoramento insuficiente para completar o Sistema Galileo. Oposio aberta do governo norte-americanop g O satlite GIOVE-B foi anunciado como pronto, mas posteriormentea ESA confirmou alguns problemas nos testes pr-lanamento. GIOVE-B s foi lanado em 27 de abril de 2008 do Cosmdromo deBaikonur, no Cazaquisto.
GIOVE - A
GIOVE - A28 de dezembro de 2005
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GIOVE - B
27 de abril de 2008
Beidou (Ursa Maior) China Cobertura somente na R.P.China e pases vizinhos (Longitude70~140 E e Latitude 5~55 N). 2 Satlites geo-estacionrios + 2 reservas Os satlites geo-estacionrios permitem somente localizao 2D eno 3D.
Os eq ipamentos te est es de em se com nica com os 2 satlites
Data Satlite Local de LanamentoFoguete
Lanador
Os equipamentos terrestres devem se comunicar com os 2 satlitespara obter a localizao. Downlink 2491,75+/-4,08 MHz Uplink 1615,68 MHz. Datum: Beijing 1954
Lanador30.out.00 BeiDou-1A Xichang CZ-3A
20.dez.00 BeiDou-1B Xichang CZ-3A
25.mai.03 BeiDou-1C Xichang CZ-3A
03.fev.07 BeiDou-2A Xichang CZ-3A
14.abr.07 BeiDou-2B Xichang CZ-3A
Beidou (Ursa Maior) China Aparentemente os receptores recebem tambm os sinais dossatlites GPS norte-americanos, sendo os satlites Beidou destinadosa aumentar a preciso da localizao. Devido necessidade de comunicao do equipamento terrestrecom os 2 satlites geo-estacionrios, os equipamentos so grandes e
provavelmente consomem muita potncia. Aparentemente a China havia desistiu do sistema Beidou em favorde um acordo para uso do sistema Europeu Galileo, porm lanou emfevereiro e abril de 2007 mais dois satlite do sistema Beidou (noeram lanados novos satlites Beidou desde 2003).
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Concluses O sistema NAVSTAR-GPS uma excelente ferramenta de geo-localizao, disponvel mundialmente e gratuitamente, com inmeras
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Introduo ao NAVSTAR-GPS
aplicaes. Como foi desenvolvido para aplicaes militares, o GPS controladopelos militares norte americanos, podendo sofrer a qualquer momentoindisponibilidade ou introduo de desvios propositais por razes desegurana. A China, a antiga URSS e a Comunidade Europia, preocupadas como controle militar norte-americano do GPS, desenvolveram (GLONASS+ Beidou) ou esto desenvolvendo (GALILEO) seus prprios sistemas+ Beidou) ou esto desenvolvendo (GALILEO) seus prprios sistemasbaseados em satlites. Os vrios empecidos e adiamentos no permitem prever quando osistema Galileo estar plenamente operacional Se o sistema Galileo de fato se tornar realidade, ser interessanteter futuramente equipamentos que possam receber sinais conjuntosdos sistemas GPS + GLONASS + Galileo
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