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GPS Global Positioning System. Objetivo Mostrar o funcionamento do sistema GPS Apresentar os tipos de equipamentos GPS Mostrar os métodos de levantamento.

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1 GPS Global Positioning System

2 Objetivo Mostrar o funcionamento do sistema GPS Apresentar os tipos de equipamentos GPS Mostrar os métodos de levantamento GPS para Topografia e Geodésia.

3 Desenvolvimento 1 Introdução 2 Funcionamento do Sistema 2.1 Estrutura 2.2 Estrutura dos Sinais GPS 2.3 Posicionamento pelo Método GPS 2.4 Ângulo de Máscara 2.5 O Sistema de Referência GPS 2.6 Principais Erros do Sistema GPS 3 Tipos de Receptores 4 Aplicações do Sistema 5 Métodos de Levantamento GPS em Geodésia e Topografia.

4 1 Introdução A geodésia utilizava-se de ângulos e distâncias para resolver seus problemas A geodésia utilizava-se de ângulos e distâncias para resolver seus problemas Surgimento dos satélites artificiais, utilização como pontos espaciais geodésicos de referência Surgimento dos satélites artificiais, utilização como pontos espaciais geodésicos de referência O primeiro sistema de satélites colocado a disposição no meio civil foi o TRANSIT em Necessitava várias semanas de rastreamento O primeiro sistema de satélites colocado a disposição no meio civil foi o TRANSIT em Necessitava várias semanas de rastreamento Esta situação melhorou com o aparecimento do sistema NAVSTAR GPS (Navigation Satellite with Time and Ranging) que permitiu alcançar melhores precisões num menor tempo de rastreamento Esta situação melhorou com o aparecimento do sistema NAVSTAR GPS (Navigation Satellite with Time and Ranging) que permitiu alcançar melhores precisões num menor tempo de rastreamento O sistema NAVSTAR GPS foi desenvolvido pelo Departamento de Defesa Norte Americano, inicialmente para navegação com propósitos militares O sistema NAVSTAR GPS foi desenvolvido pelo Departamento de Defesa Norte Americano, inicialmente para navegação com propósitos militares O sistema GPS consiste de 27 satélites distribuídos em 6 planos de órbita cada um com 55º com o plano do Equador, a aprox km de altitude, 12h siderais de período, até 5h acima do horizonte. O sistema GPS consiste de 27 satélites distribuídos em 6 planos de órbita cada um com 55º com o plano do Equador, a aprox km de altitude, 12h siderais de período, até 5h acima do horizonte.

5 2 Funcionamento do sistema 2.1 Estrutura - Segmento Espacial - Segmento de Controle - Segmento do Usuário.

6 manter uma escala de tempo bastante precisa ( 4 relógios atômicos – 2 césio e 2 rubídio) manter uma escala de tempo bastante precisa ( 4 relógios atômicos – 2 césio e 2 rubídio) emitir sinais ultra-estáveis em duas freqüências moduladas L1 = 1575,42 MHz e L2 = MHz emitir sinais ultra-estáveis em duas freqüências moduladas L1 = 1575,42 MHz e L2 = MHz Receber, armazenar e processar informações provenientes do segmento de controle Receber, armazenar e processar informações provenientes do segmento de controle efetuar manobras orbitais efetuar manobras orbitais Transmitir mensagens ao solo: Transmitir mensagens ao solo: -as efemérides do satélite -as correções do relógio do satélite -parâmetros atmosféricos -parâmetros orbitais de todos os satélites (almanaque) -outros dados relevantes sobre o sistema em geral. 2 Funcionamento do sistema 2.1 Estrutura Segmento Espacial - É constituído pelos satélites GPS, com as seguintes funções:

7 -Registra os sinais GPS a seu alcance -Recebe dados das 4 Estações de Monitoramento -Efetua medições meteorológicas -Processa os dados e os transmite para as estações de monotoramento -Envia dados para os SVs a seu alcance; 2 Funcionamento do sistema 2.1 Estrutura Segmento de Controle - É constituído por 1 Estação Master e 4 Estações de Monitoramento Estação Master Estação Master -Registra os sinais GPS -Envia e recebe dados da Estação Master -Efetua medições meteorológicas -Envia dados para os SVs. Estações de Monitoramento Estações de Monitoramento HAWAII COLORADO SPRINGS ASCENCION DIEGO GARCIA KWAJALEIN (Estação Master)

8 Receptores Receptores Algoritmos Algoritmos Softwares Softwares 2 Funcionamento do sistema 2.1 Estrutura Segmento do Usuário - Compreende o conjunto de usuários civis e militares do sistema GPS, incluindo :

9 Segmento de Controle Estação Master (Colorado Springs) Estações de Monitoramento Diego Garcia Hawaii Ascension Is. Kwajalein Segmento Espacial Segmento do Usuário 2 Funcionamento do sistema 2.1 Estrutura

10 - Onda Eletromagnética - Duas freqüências portadoras L ,42 MHz – λ=19,05cm (λ=c/f) L ,42 MHz – λ=19,05cm (λ=c/f) L ,60 MHz – λ=24,45cm (λ=c/f); L ,60 MHz – λ=24,45cm (λ=c/f); - Dois códigos C/A (Clear Access): Código civil, dura 1ms C/A (Clear Access): Código civil, dura 1ms L1 (fase seno); L1 (fase seno); P (Precise Code): Código militar, dura 7dias P (Precise Code): Código militar, dura 7dias L1 (fase cosseno) L1 (fase cosseno) L2 (fase cosseno); L2 (fase cosseno); - Mensagem São codificadas e acrescidas aos códigos C/A e P. São codificadas e acrescidas aos códigos C/A e P. 2 Funcionamento do sistema 2.2 A Estrutura dos Sinais λ

11 2 Funcionamento do sistema 2.3 Posicionamento pelo método GPS Tipo de medições: - Medida baseada no código C/A (pseudo-distância) - Medida baseada na onda portadora (medida de fase).

12 2 Funcionamento do sistema 2.3 Posicionamento pelo método GPS Medida baseada no código C/A (pseudo-distância): Resultado 1: equações 1, 2, 3, 4 Resultado 2: equações 1, 2, 3, 5 Resultado 3: equações 1, 2, 4, 5 Resultado 4: equações 1, 3, 4, 5....

13 2 Funcionamento do sistema 2.3 Posicionamento pelo método GPS Medida baseada na onda portadora (medida de fase): F λ Ciclo Fase... λ λ Fp Fc Ambigüidade Inteira t 1 t 2 t 3

14 2 Funcionamento do sistema 2.3 Posicionamento pelo método GPS Medida baseada na onda portadora (medida de fase): -Matematicamente bastariam 3 satélites para calcular a posição utilizando a medida de fase -Mas para se resolver as ambigüidades inteiras, teremos que saber a Pseudo-distância pelo código C/A, portanto o mínimo de SVs continua sendo 4 -Como para se calcular a ambigüidade inteira deve-se rastrear várias épocas, teremos várias soluções para um mesmo ponto, melhorando a precisão.

15 2 Funcionamento do sistema 2.3 Posicionamento pelo método GPS Tipos de Posicionamento: - Posicionamento Absoluto - Posicionamento Relativo.

16 2 Funcionamento do sistema 2.3 Posicionamento pelo método GPS -Medição com código C/A -Usado em navegação Posicionamento Relativo: -Medição de fase da portadora e/ou código C/A -Vetor Diferencial a partir de um ponto base (X R, Y R, Z R ) medido ROVER Linha Base ROVER BASE (X R, Y R, Z R )medido (X B, Y B, Z B ) medido ( D X, D Y, D Z,) (X B, Y B, Z B ) conhecido (X B, Y B, Z B ) calculado Posicionamento Absoluto:

17 2 Funcionamento do sistema 2.3 Posicionamento pelo método GPS Tipos de Levantamento: - Pós-processado - Processamento em Tempo Real.

18 2 Funcionamento do sistema 2.3 Posicionamento pelo método GPS Pós-processado: - Logística de campo reduzida - Logística de campo reduzida - Coleta de dados brutos (código e/ou fase) - Tratamento dos Dados (Ajustamento de Redes) - Tempo de processamento - Falta de Controle dos Dados.

19 2 Funcionamento do sistema 2.3 Posicionamento pelo método GPS Pós-processado:

20 Processamento em Tempo Real: - Logística de campo complexa - Logística de campo complexa - Coleta de dados finais (N, E, H) - Tempo de processamento - Controle dos Dados em Campo;

21 2 Funcionamento do sistema 2.4 Ângulo de Máscara É o ângulo que indica o posicionamento em relação ao horizonte É o ângulo que indica o posicionamento em relação ao horizonte Também conhecido como cut-off-angle Também conhecido como cut-off-angle Os fabricantes de receptores GPS indicam que se considere apenas os satélites localizados 15º acima do horizonte. Os fabricantes de receptores GPS indicam que se considere apenas os satélites localizados 15º acima do horizonte. 15º

22 2 Funcionamento do sistema 2.5 O sistema de referência GPS Cada país ou região, adota um datum geodésico; Cada país ou região, adota um datum geodésico; O SGB adota o SAD-69 (South American Datum of 1969) O SGB adota o SAD-69 (South American Datum of 1969) O sistema GPS adota o sistema de referência global, denominado World Geodetic System de 1984 (WGS-84) O sistema GPS adota o sistema de referência global, denominado World Geodetic System de 1984 (WGS-84) a b DATUM WGS-84 SAD-69 a ,000m ,000m a ,000m ,000m b ,310m ,719m b ,310m ,719m f=(a-b)/a 1/298,257m 1/298,25m

23 Altimetria: Para o SGB o referencial coincide com a superfície equipotencial que contém o nível médio do mar, definido por observações maregráficas tomadas na baía de Imbituba, litoral do estado de Santa Catarina (Geóide). As altitudes são Ortométricas também chamadas de Altitudes Geoidais Para o SGB o referencial coincide com a superfície equipotencial que contém o nível médio do mar, definido por observações maregráficas tomadas na baía de Imbituba, litoral do estado de Santa Catarina (Geóide). As altitudes são Ortométricas também chamadas de Altitudes Geoidais Para o sistema GPS, as altitudes são relacionadas ao Elipsóide, ou seja Altitude Geométrica ou ainda Altitude Elipsoidal. Para o sistema GPS, as altitudes são relacionadas ao Elipsóide, ou seja Altitude Geométrica ou ainda Altitude Elipsoidal. Elipsóide Geóide Distância Geoidal - N SuperfícieTopográfica Altitude Geométrica - h Altitude Ortométrica - H Elipsóide Geóide 2 Funcionamento do sistema 2.5 O sistema de referência GPS

24 Conversão de Altitude Elipsoidal em Altitude Geoidal: O Mapa Geoidal do Brasil possui escala muito pequena para uma interpolação segura O Mapa Geoidal do Brasil possui escala muito pequena para uma interpolação segura Deve-se utilizar modelos matemáticos geoidais para convertê-las Deve-se utilizar modelos matemáticos geoidais para convertê-las No Brasil é publicado pelo IBGE o software Mapgeo, mas ele é muito pouco preciso: No Brasil é publicado pelo IBGE o software Mapgeo, mas ele é muito pouco preciso: - Precisão Absoluta = +/- 3m -Precisão Relativa = +/-1cm/km Deve-se então fazer o posicionamento relativo Deve-se então fazer o posicionamento relativo 2 Funcionamento do sistema 2.5 O sistema de referência GPS

25 - A Disponibilidade Seletiva Selective Availability (S/A) - Degradação do Código C/A: Até 02/05/2000 erro +/-100m Após 02/05/2000 erro +/-15m 2 Funcionamento do sistema 2.6 Principais Erros do Sistema GPS

26 - Coeficientes DOP (Diluition of Precision) Índices que indicam a diluição da precisão dos dados coletados Índices que indicam a diluição da precisão dos dados coletados A melhor disposição espacial é um satélite no zênite e outros igualmente espaçados A melhor disposição espacial é um satélite no zênite e outros igualmente espaçados DOP ruim DOP bom Tipos de DOP: Tipos de DOP: GDOP – GeometriaHDOP – Horizontal PDOP – Posição 3DVDOP – Vertical. TDOP – Tempo 2 Funcionamento do sistema 2.6 Principais Erros do Sistema GPS

27 - Multi-caminhamento É a reflexão provocada por superfícies próximas das antenas É a reflexão provocada por superfícies próximas das antenas Muitos receptores identificam o multi-caminhamento pela deformação do sinal Muitos receptores identificam o multi-caminhamento pela deformação do sinal 2 Funcionamento do sistema 2.6 Principais Erros do Sistema GPS - Prédios, casas, muros, postes, e outros obstáculos sólidos, merecem atenção - Caso a antena não tenha plano de terra interno ou adaptado, deve-se ter o cuidado especialmente em lâminas dágua ou pisos cerâmicos e cimentados Plano de Terra

28 - Ionosfera A ionosfera compreende a camada de 200Km entre as altitudes 50km e 250km A ionosfera compreende a camada de 200Km entre as altitudes 50km e 250km A camada Ionosfera, principalmente com a incidência solar, carrega-se negativamente as suas partículas, provocando atrasos ou adiantos nos sinais A camada Ionosfera, principalmente com a incidência solar, carrega-se negativamente as suas partículas, provocando atrasos ou adiantos nos sinais Quanto maior a distância entre os receptores, maior será o atraso ou o adianto dos sinais Quanto maior a distância entre os receptores, maior será o atraso ou o adianto dos sinais A Ionosfera interfere diferentemente em freqüências diferentes, ou seja, atua diferente em L1 e L2 A Ionosfera interfere diferentemente em freqüências diferentes, ou seja, atua diferente em L1 e L2 Se utilizarmos um receptor de dupla freqüência, podemos detectar quais são os atrasos ou adiantos ocorridos Se utilizarmos um receptor de dupla freqüência, podemos detectar quais são os atrasos ou adiantos ocorridos Em virtude disso, o uso de receptores de monofreqüência tem limite de distância. Em virtude disso, o uso de receptores de monofreqüência tem limite de distância. 2 Funcionamento do sistema 2.6 Principais Erros do Sistema GPS D d D>dD>d Ionosfera Troposfera

29 2 Funcionamento do sistema 2.6 Principais Erros do Sistema GPS ORIGEM DO ERROABSOLUTO PSEUDO-DISTÂNCIA RELATIVO PSEUDO-DISTÂNCIA Relógio Satélite1m Efemérides Satélite1m S/A10m Troposfera1m Ionosfera10m Ruído na Pseudo-Dist.1m Ruído no Receptor1m Multicaminhamento0,5m RMS15,5m1,6m RMS*PDOP=231m3,2m

30 3 Tipos de Receptores 3.4 Topográfico 3.2 GIS 3.4 Geodésico 3.1 Navegação 3.3 Mapeamento

31 3 Tipos de Receptores EquipamentoNaveg.GIS (C/A) GIS (fase)Mapeam. (C/A) Mapeam. (fase) Mapeam. (DGPS) Topográf. (RTK) Geodésico Tipo de Posic.AbsolutoRelativo Tipo de MediçãoC/A C/A+FaseC/AC/A+Fase Fase FreqüênciaL1 L1/L2 L1 L1/L2 ArmazenamentoCoord.C/AC/A+FaseC/AC/A+FaseCoord.FaseCoord.Fase Contr./coletorNão Sim Não Precisão Stop and go 15m5m3m1m0,11m15mm+1ppm 10mm+1ppm10mm+2ppm Máx. Linha Base S&G (Km) Precisão Estático 3m1m0,51cm1m5mm+1ppm 3mm+1ppm 5mm+1ppm 3mm+1ppm Máx. Linha Base Estático (Km) Preço (R$)700 (1)7000 (1)20000(1)35000(1)40000(1)80000(1)70000(2) (2)170000(2) 40000(2) 80000(2)

32 4 Aplicações do Sistema Levantamentos Geodésicos Levantamentos Geodésicos Levantamentos Topográficos Levantamentos Topográficos Mapeamento Mapeamento GIS GIS Reconhecimento Reconhecimento Geodinâmica Geodinâmica Monitoramento de Veículos Monitoramento de Veículos Exploração de Petróleo Exploração de Petróleo Navegação Terrestre Navegação Terrestre Navegação Marítima e Aérea Navegação Marítima e Aérea Orientação de Máquinas. Orientação de Máquinas.

33 5 Métodos de Levantamento GPS em Geodésia e Topografia 5.1 Método Estático 5.2 Método Rápido Estático 5.3 Método Stop-and-go 5.4 Método Cinemático


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