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GEODÉSIA Aula 4 Métodos de Posicionamento GPS Universidade Paulista – UNIP, Curso de Engenharia Civil Prof. Me. Leomar Jr. - Geodésia - Métodos de Posicionamento GPS; - Posicionamento Absoluto; - Posicionamento Relativo; - Estático; - Estático Rápido; - Semicienático - Cinemático; - RTK; - Modelos de Receptores - Marcas - Formato Rinex; - RBMC; Universidade Paulista – UNIP, Curso de Engenharia Civil Prof. Leomar Jr. - Geodésia Roteiro da aula - Erros no Posicionamento GPS; - Erro Orbital; - Erro de Refração Troposférica; - Erro de Refração Ionosférica; - Erro de Multicaminhamento; - Erro da Perda de Ciclos; - Erro do Centro de Fase da Antena; - Erro das Coordenadas da Estação (BASE). Universidade Paulista – UNIP, Curso de Engenharia Civil Prof. Leomar Jr. - Geodésia Roteiro da aula Posicionamento Absoluto (Posicionamento por Ponto) Posicionamento Relativo Universidade Paulista – UNIP, Curso de Engenharia Civil Prof. Leomar Jr. - Geodésia Métodos de Posicionamento GPS Posicionamento Absoluto é o método mais simples aplicado por diversos usuários do GPS Universidade Paulista – UNIP, Curso de Engenharia Civil Prof. Leomar Jr. - Geodésia Posicionamento Absoluto Relógio Atômico Relógio de Quartzo Distância Distância Distância Distância X,Y, Z λ,φ, h X,Y, Z λ,φ, h X,Y, Z λ,φ, h X,Y, Z λ,φ, h X,Y, Z λ,φ, h • Apenas 1 Receptor; • Modo Estático; • Modo Cinemático; • Sem pós-processamento (Código C/A); • ou Com pós-processamento Ondas Portadoras (L1, L2 ou L5). • Quando não há pós-processamento de dados as coordenadas exibidas no receptor são as coordenadas finais. No posicionamento relativo, as coordenadas do vértice de interesse (Ponto Remoto, Ponto Móvel ou Rover) são determinadas a partir de um ou mais vértices de coordenadas conhecidas (Ponto Base). Neste caso é necessário que dois ou mais receptores GPS coletem dados simultaneamente, onde ao menos um dos receptores ocupe um vértice de referência. Universidade Paulista – UNIP, Curso de Engenharia Civil Prof. Leomar Jr. - Geodésia Posicionamento Relativo Universidade Paulista – UNIP, Curso de Engenharia Civil Prof. Leomar Jr. - Geodésia Posicionamento Relativo Linha de Base • Método Estático; • Método Estático-Rápido; • Método Semicinemático (Stop and Go); • Método Cinemático; • Método em Tempo Real (RTK – Real-Time Kimenatic); Universidade Paulista – UNIP, Curso de Engenharia Civil Prof. Leomar Jr. - Geodésia Posicionamento Relativo Pós-processamento dos dados - Sem Pós-processamento dos dados Receptores Geodésicos de Monofrequência (L1) ou de Dupla Frequência (L1 e L2 ou L2, L2 e L5) Método Estático; Método Estático-Rápido; Método Semicinemático (Stop and Go); Método Cinemático; Universidade Paulista – UNIP, Curso de Engenharia Civil Prof. Leomar Jr. - Geodésia Posicionamento Relativo Tempo de rastreio Precisão Quanto MAIOR o tempo de rastreio MAIOR será a precisão do ponto remoto Universidade Paulista – UNIP, Curso de Engenharia Civil Prof. Leomar Jr. - Geodésia Receptores de Monofrequência Sokkia Stratus Topcon Hiper Topcon Hiper IIAshtech Promark 3 Ashtech Promark 2 Leica GS20/SR20 Universidade Paulista – UNIP, Curso de Engenharia Civil Prof. Leomar Jr. - Geodésia Receptores de Dupla Frequência Trimble 5700 Tech Geo GTR-G² Topcon Hiper II Leica GPS 1200 Sokkia GSR 2700 ISX Trimble R4 Universidade Paulista – UNIP, Curso de Engenharia Civil Prof. Leomar Jr. - Geodésia Receptores de Dupla Frequência Topcon Hiper Javad Triumph Topcon GR-3 Cada marca de receptor grava os dados rastreados em uma extensão específica que só podem ser processados em um programa de pós-processamento de dados da mesma marca do receptor utilizado no rastreio. Limitando, assim, as opções de escolha do programa a ser utilizado. Para minimizar este problema criou-se o formato/extensão RINEX. Universidade Paulista – UNIP, Curso de Engenharia Civil Prof. Leomar Jr. - Geodésia RINEX O RINEX (Receiver Independent Exchange Format) é um formato de intercâmbio de dados coletados por receptores GNSS e aceito por todos os programas de pós-processamento GPS. O formato RINEX é importante pois permite que sejam utilizados receptores de diferentes fabricantes em uma mesma missão É composto dos seguintes arquivos: • Observações (.O) • Mensagens de Navegação (.N) • Dados Meteorológicos (opcional) (.G) Universidade Paulista – UNIP, Curso de Engenharia Civil Prof. Leomar Jr. - Geodésia RINEX O arquivo com a extensão .O (Observações) contém: - Quais foram os satélites rastreados e de qual GNSS eles pertencem; - Efemérides dos satélites; - Quais os sinais recebidos (L1, L2 ou L5); - Valores da ambiguidade (fixa ou flutuante); - Marca e modelo do receptor utilizados no rastreio; - Altura da antena; O arquivo com a extensão .N (Mensagens de navegação) contém: - Parâmetros Ionosféricos; - Saúde dos satélites; - Altitude e inclinação dos satélites; - Data do levantamento (Época: ano, dia, hora, minuto e segundo); No posicionamento relativo estático, tanto o(s) receptor(es) do(s) vértice(s) de referência quanto o(s) receptor(es) do(s) vértice(s) de interesse devem permanecer estacionados (estáticos) durante todo o levantamento (por um tempo maior ou igual a 20 minutos). Neste método, a sessão de rastreio se estende por um longo período. Universidade Paulista – UNIP, Curso de Engenharia Civil Prof. Leomar Jr. - Geodésia Posicionamento Relativo Estático Universidade Paulista – UNIP, Curso de Engenharia Civil Prof. Leomar Jr. - Geodésia Posicionamento Relativo Estático Número de ciclos = Ambiguidade Universidade Paulista – UNIP, Curso de Engenharia Civil Prof. Leomar Jr. - Geodésia Rede Brasileira de Monitoramento Contínuo RBMC Universidade Paulista – UNIP, Curso de Engenharia Civil Prof. Leomar Jr. - Geodésia Rede Brasileira de Monitoramento Contínuo RBMC Universidade Paulista – UNIP, Curso de Engenharia Civil Prof. Leomar Jr. - Geodésia RBMC O posicionamento relativo estático-rápido é similar ao relativo estático, porém, a diferença básica é a duração da sessão de rastreio, que neste caso, em geral é inferior a 20 minutos. Universidade Paulista – UNIP, Curso de Engenharia Civil Prof. Leomar Jr. - Geodésia Posicionamento Relativo Estático Rápido Este método de posicionamento é uma transição entre o estático-rápido e o cinemático. O receptor que ocupa o vértice de interesse permanece estático, porém num tempo de ocupação bastante curto (de 5 a 3 segundos), necessitando coletar dados no deslocamento entre um vértice de interesse e outro. Quanto maior a duração da sessão de levantamento com a coleta de dados íntegros, sem perdas de ciclos, melhor a precisão na determinação de coordenadas. Universidade Paulista – UNIP, Curso de Engenharia Civil Prof. Leomar Jr. - Geodésia Posicionamento Relativo Semicinemático (Stop and Go) No posicionamento relativo cinemático, enquanto um ou mais receptores estão estacionados no(s) vértice(s) de referência (Ponto Base), o(s) receptor(es) que coleta(m) dados dos vértices de interesse (Ponto Remoto / Rover) permanece(m) em movimento. A cada instante de observação, que coincide com o intervalo de gravação, é determinado um conjunto de coordenadas. Universidade Paulista – UNIP, Curso de Engenharia Civil Prof. Leomar Jr. - Geodésia Posicionamento Relativo Cinemático Em função do tempo decorrido ou Em função da distância percorrida As observações podem ser: O conceitode posicionamento pelo RTK baseia-se na transmissão instantânea de dados de correções dos sinais de satélites, do(s) receptor(es) instalado(s) no(s) vértice(s) de referência ao(s) receptor(es) que percorre(m) os vértices de interesse. Desta forma, proporciona o conhecimento instantâneo (tempo real) de coordenadas precisas dos vértices levantados. Universidade Paulista – UNIP, Curso de Engenharia Civil Prof. Leomar Jr. - Geodésia Posicionamento em Tempo Real RTK (Real-Time Kimenatic) Sem Pós-processamento dos dados! As coordenadas exibidas no receptor são as coordenadas finais. Universidade Paulista – UNIP, Curso de Engenharia Civil Prof. Leomar Jr. - Geodésia Posicionamento em Tempo Real RTK (Real-Time Kimenatic) Os receptores devem ser da mesma marca e de modelos compatíveis, pois eles se comunicam entre si. O fator limitante do posicionamento em tempo real (RTK) é a distância (linda de base) entre os pontos base e remoto. O sinal de rádio, que envia as correções dos sinais dos satélites do receptor da base para o receptor que se encontra no ponto remoto, não tem grande alcance. • Quando utiliza-se o rádio interno (básico) existente no receptor, esse alcance pode ser de aproximadamente 7 km. • Quando utiliza-se um rádio externo (amplificado), esse alcance pode ser de aproximadamente 20 km. Universidade Paulista – UNIP, Curso de Engenharia Civil Prof. Leomar Jr. - Geodésia Posicionamento em Tempo Real RTK (Real-Time Kimenatic) Universidade Paulista – UNIP, Curso de Engenharia Civil Prof. Leomar Jr. - Geodésia Posicionamento em Tempo Real RTK (Real-Time Kimenatic) em Rede No RTK em rede, ao invés de apenas uma estação de referência, existem várias estações de monitoramento contínuo conectadas a um servidor central (essas estações são algumas da RBMC), a partir do qual são distribuídos, por meio da Internet, os dados de correção aos receptores móveis que possuem um modem de internet móvel de alguma operadora de celular. Universidade Paulista – UNIP, Curso de Engenharia Civil Prof. Leomar Jr. - Geodésia Posicionamento em Tempo Real RTK (Real-Time Kimenatic) em Rede Universidade Paulista – UNIP, Curso de Engenharia Civil Prof. Leomar Jr. - Geodésia Posicionamento em Tempo Real RTK (Real-Time Kimenatic) em Rede O fator limitante do RTK em Rede é a disponibilidade de um sinal de internet da operadora de celular. As operadores de celular geralmente não oferecem o serviço de internet móvel para todas as cidades. No meio rural, por exemplo, muitas vezes não há nem sequer o sinal de celular, o que dirá o sinal de internet móvel. Universidade Paulista – UNIP, Curso de Engenharia Civil Prof. Leomar Jr. - Geodésia Posicionamento por Ponto Preciso (PPP) Com o posicionamento por ponto preciso, as coordenadas do vértice de interesse são determinadas de forma absoluta, portanto, dispensa o uso de receptor instalado sobre um vértice de coordenadas conhecidas (ponto base). O IBGE disponibiliza um serviço on-line de PPP que processa dados no modo estático e cinemático em http://www.ppp.ibge.gov.br/ppp.htm. É um tipo de posicionamento Absoluto! Universidade Paulista – UNIP, Curso de Engenharia Civil Prof. Leomar Jr. - Geodésia Posicionamento por Ponto Preciso (PPP) O PPP utiliza as efemérides PRECISAS e correções PRECISAS dos relógios dos satélites com as observáveis da fase da onda portadora, as quais são responsáveis pela redução dos erros de órbitas e erro dos relógios dos satélites. Universidade Paulista – UNIP, Curso de Engenharia Civil Prof. Leomar Jr. - Geodésia Posicionamento por Ponto Preciso (PPP) Denomina-se efemérides dos satélites ao conjunto de informações necessárias para o cálculo da posição dos satélites em um determinado instante. Essas posições são fundamentais para o cálculo das coordenadas dos receptores (Princípio Básico do Posicionamento GPS) As efemérides podem ser transmitidas (broadcast) ou pós-processadas (precisas) Universidade Paulista – UNIP, Curso de Engenharia Civil Prof. Leomar Jr. - Geodésia Posicionamento por Ponto Preciso (PPP) Um posicionamento GPS, tal como outras medidas, estão sujeitas a diversos tipos de erros. As fontes de erro poderão ser: - Acidentais; - Instrumentais; - Pessoais. Os erros, causados por estes três elementos poderão ser classificados em: - Erros aleatórios; - Erros sistemáticos; - Erros grosseiros. Universidade Paulista – UNIP, Curso de Engenharia Civil Prof. Leomar Jr. - Geodésia Os Erros no Posicionamento GPS Erros aleatórios: São erros que não seguem nenhum tipo de lei e ora ocorrem num sentido ora noutro, tendendo a se neutralizar quando o número de observações é grande. Erros sistemáticos: Pelo fato de serem produzidos por causas conhecidas podem ser evitados através de técnicas particulares de observação ou mesmo eliminados mediante a aplicação de fórmulas específicas. São erros que se acumulam ao longo do trabalho. Universidade Paulista – UNIP, Curso de Engenharia Civil Prof. Leomar Jr. - Geodésia Os Erros no Posicionamento GPS Erros grosseiros: Causados por engano normalmente relacionados com a desatenção do operador do equipamento. Interferem diretamente nos resultados e, algumas vezes, podem ser detectados após o processamento. Universidade Paulista – UNIP, Curso de Engenharia Civil Prof. Leomar Jr. - Geodésia Os Erros no Posicionamento GPS É o erro devido à diferença entre a órbita prevista e a efetivamente realizada pelo satélite, o qual envia, nas mensagens de navegação, os parâmetros orbitais previstos. Atualmente esse erro é de cerca de 1,0 m a 1,5 m nas Efemérides Transmitidas, tendo chegado a 20 m há alguns anos. Esse erro é bastante reduzido no posicionamento relativo, sendo proporcional ao comprimento da linha de base. Universidade Paulista – UNIP, Curso de Engenharia Civil Prof. Leomar Jr. - Geodésia Erro Orbital ERRO SISTEMÁTICO Para um erro orbital de 1,5 m, em uma linha de base de 10 km, pode-se esperar um erro no comprimento da linha de base de cerca de 0,7 mm. Para 100 km, este erro chegará a 7,5 mm e, em 500 km, ele será de 37 mm. Em posicionamentos de precisão, a estratégia é utilizar Efemérides Precisas. Em 500 km de linha de base, utilizando-se Efemérides Precisas, o erro será da ordem de 0,62 mm. Universidade Paulista – UNIP, Curso de Engenharia Civil Prof. Leomar Jr. - Geodésia Erro Orbital ERRO SISTEMÁTICO Universidade Paulista – UNIP, Curso de Engenharia Civil Prof. Leomar Jr. - Geodésia Erro Orbital ERRO SISTEMÁTICO Linha de Base Erro Orbital As Efemérides Precisas estão disponíveis na Internet, em diversos Centros de Pesquisa (Segmento de Controle GPS) • www.ngs.noaa.gov/orbits • http://igscb.jpl.nasa.gov/ • www.navcen.uscg.gov/gps/precise/ Quanto MAIOR a linha de base (distância entre o ponto base e o ponto remoto) MAIOR será o erro orbital cometido no rastreio. Universidade Paulista – UNIP, Curso de Engenharia Civil Prof. Leomar Jr. - Geodésia Erro Orbital ERRO SISTEMÁTICO Durante a propagação dos sinais, dos satélites até o receptor, eles atravessam diversas camadas, sofrendo diferentes influências, provocando variações na direção e velocidade de propagação, e na sua polarização e potência. As camadas onde ocorrem os principais fenômenos de interesse do posicionamento GPS são a Troposfera e a Ionosfera. Nessas camadas, ocorrem Refração dos sinais transmitidos pelo GPS. Universidade Paulista – UNIP, Curso de Engenharia Civil Prof. Leomar Jr. - Geodésia Erros de Propagação do Sinal A Troposfera é a camada que vai da superfície da Terra até aproximadamente 50 km de altura. Nessa camada, sinais de frequênciasdiferentes sofrem os mesmos efeitos da Refração (meio não-dispersivo a refração não depende da frequência). Esse efeito pode variar de 2,3 m, no zênite, até 20 m, próximo do horizonte (10°) na observável adotada e depende da Densidade da Atmosfera e do Ângulo de Elevação dos Satélites. Universidade Paulista – UNIP, Curso de Engenharia Civil Prof. Leomar Jr. - Geodésia Erro da Refração Troposférica ERRO SISTEMÁTICO Amassa gasosa presente nesta camada é dividida em componentes seca e úmida A componente seca responde por aproximadamente 90% do efeito da refração e é a única que pode ser obtida através de Modelos Matemáticos Esses Modelos consideram a Temperatura, a Pressão Atmosférica e o ângulo de elevação do satélite, dentre outros parâmetros, para obter um valor razoável para a Refração Troposférica. Universidade Paulista – UNIP, Curso de Engenharia Civil Prof. Leomar Jr. - Geodésia Erro da Refração Troposférica ERRO SISTEMÁTICO Quanto MENOR o ângulo de elevação do satélite, MAIOR será a Refração Troposférica presente no sinal. Para reduzir o efeito desse erro, as estratégias consistem em: • Especificar uma máscara de elevação (cut-off angle ou elevation mask), que desconsidera as observações de satélites abaixo de determinada elevação. Normalmente entre 10° e 15°; • Utilizar um modelo matemático consistente no processamento dos dados GPS. Em alguns programas comerciais esse modelo é único e já é considerado. Universidade Paulista – UNIP, Curso de Engenharia Civil Prof. Leomar Jr. - Geodésia Erro da Refração Troposférica ERRO SISTEMÁTICO Elevação do satélite Erro da Refração Troposférica Universidade Paulista – UNIP, Curso de Engenharia Civil Prof. Leomar Jr. - Geodésia Erro da Refração Troposférica ERRO SISTEMÁTICO A Ionosfera é a camada que vai de 50 km a 1000 km acima da superfície terrestre. Nessa camada, sinais de frequências diferentes sofrem diferentes efeitos da Refração (meio dispersivo a refração depende da frequência). Em função dessa característica, posicionamentos utilizando receptores de dupla frequência podem eliminar o efeito da ionosfera, especialmente em bases longas (acima de 20 km). Em bases curtas (< 20 km), o posicionamento relativo é suficiente para eliminar este erro. Neste caso, o uso de receptores de monofrequência é suficiente para obtenção de precisão geodésica. Universidade Paulista – UNIP, Curso de Engenharia Civil Prof. Leomar Jr. - Geodésia Erro da Refração Ionosférica ERRO SISTEMÁTICO Apesar de não oferecerem alta precisão, é possível utilizar Modelos Matemáticos aproximados para obter o comportamento da Refração Ionosférica, como o Modelo de Klobuchar (cujos parâmetros são enviados nas mensagens de navegação), que reduz em cerca de 50% os erros ionosféricos. Dessa forma, em linhas de base acima de 20 km, onde são empregados receptores de monofrequência, o uso de Modelos Matemáticos pode reduzir os efeitos da ionosfera (segundo alguns fabricantes, até 50 km). Universidade Paulista – UNIP, Curso de Engenharia Civil Prof. Leomar Jr. - Geodésia Erro da Refração Ionosférica ERRO SISTEMÁTICO Ocorre quando o receptor recebe, além do sinal vindo diretamente do satélite, um sinal refletido em superfícies vizinhas à antena, tais como: • Construções (casas, edifícios, muros, coberturas); • Carros; • Árvores; • Massas d’água; • Pavimentos (asfalto, concreto etc.). É um dos principais erros no posicionamento GPS. Universidade Paulista – UNIP, Curso de Engenharia Civil Prof. Leomar Jr. - Geodésia Erro do Multicaminhamento ERRO ALEATÓRIO Universidade Paulista – UNIP, Curso de Engenharia Civil Prof. Leomar Jr. - Geodésia Erro do Multicaminhamento ERRO ALEATÓRIO O sinal refletido apresenta distorções na fase da onda e na modulação sobre ela, afetando a qualidade do posicionamento. Os erros máximos devidos ao Multicaminhamento ficam na faixa de 1/4 do comprimento da onda (4,8 cm para a L1). Satélites mais baixos provocam mais erros de Multicaminhamento, ou seja, quanto MENOR o ângulo de elevação do satélite, MAIOR será o erro presente no sinal. Universidade Paulista – UNIP, Curso de Engenharia Civil Prof. Leomar Jr. - Geodésia Erro do Multicaminhamento ERRO ALEATÓRIO Elevação do satélite Erro do Multicaminhamento Antenas com plano de terra e antenas modelo choke rings reduzem o efeito As estratégias sugeridas para reduzir o erro do Multicaminhamento são: • Evitar posicionamentos em locais propícios à ocorrência do erro; • Estabelecer máscara de elevação dos satélites; • Utilizar antenas capazes de reduzir o efeito. Universidade Paulista – UNIP, Curso de Engenharia Civil Prof. Leomar Jr. - Geodésia Erro do Multicaminhamento ERRO ALEATÓRIO Assim que um receptor GPS é ligado, inicia-se um contador de ciclos da onda portadora (ambiguidade). A interrupção desse contador é chamada de Perda de Ciclos e é devida a algum tipo de obstrução. Os motivos podem ser: • Presença de árvores, construções, montanhas; • Aceleração da antena; • Variações bruscas na atmosfera; • Interferências de outras fontes de rádio; • Problemas no receptor e software. Universidade Paulista – UNIP, Curso de Engenharia Civil Prof. Leomar Jr. - Geodésia Erro da Perda de Ciclos ERRO ALEATÓRIO O centro de fase eletrônico da antena é o ponto no qual as medidas dos sinais são referenciadas. O centro geométrico da antena, no entanto, geralmente não coincide com o centro de fase. Devido a esta diferença é que ocorre o Erro de Centro de Fase da Antena. Antenas de fabricantes e/ou modelos diferentes possuem discrepâncias entre o centro de fase e o centro geométrico. Universidade Paulista – UNIP, Curso de Engenharia Civil Prof. Leomar Jr. - Geodésia Erro do Centro de Fase da Antena ERRO SISTEMÁTICO Universidade Paulista – UNIP, Curso de Engenharia Civil Prof. Leomar Jr. - Geodésia Erro do Centro de Fase da Antena ERRO SISTEMÁTICO Centro Geométrico As estratégias a serem adotadas em posicionamentos de precisão são as seguintes: • Empregar antenas de mesmo fabricante e modelo; • Utilizar antenas com alta estabilidade do centro de fase; • Direcionar as antenas para uma mesma direção (Norte Magnético, por exemplo), a fim de possibilitar a eliminação do erro no Posicionamento Relativo; • Realizar a calibração das antenas. Universidade Paulista – UNIP, Curso de Engenharia Civil Prof. Leomar Jr. - Geodésia Erro do Centro de Fase da Antena ERRO SISTEMÁTICO Posicionamentos GPS de precisão fornecem diferenças tridimensionais de coordenadas (∆X, ∆Y, ∆Z) a partir da estação base. Caso algum erro seja cometido na especificação das coordenadas da estação base, esse erro irá se propagar para os pontos determinados a partir dele. Esses erros podem ser devidos a: • Valores incorretos de coordenadas: leitura, digitação, informação, origem, falta de ajustamento; • Transformação incorreta entre Sistemas de Referência e Datuns (Sistema de Referência). Universidade Paulista – UNIP, Curso de Engenharia Civil Prof. Leomar Jr. - Geodésia Erro das Coordenadas da Estação (BASE) ERRO GROSSEIRO
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