Resumo_Final

Prévia do material em texto

Fundamentos da Geodésia Celeste
A geodésia celeste ou espacial baseia-se na observação de corpos celestes. Direções, distâncias e variações de distancias são determinadas entre a superfície terrestre e satélites ou entre satélites.
Princípio básico do posicionamento por satélites
Onde deseja se descobrir o rB.
Movimento Kepleriano
Posicionamento geodésico ou navegação
Obs: as perturbações afastam a órbita real da órbita kepleriana ideal. As perturbações podem ser gravitacionais e não gravitacionais.
3 Leis de Kepler: 
Primeira Lei: a órbita de cada planeta é uma elipse tendo o sol por um dos focos.
Segunda Lei: a linha que une o planeta ao sol varre áreas iguais em tempos iguais.
Terceira Lei: o quadrado do período de um planeta é proporcional ao cubo de sua distancia media ao sol.
6 Elementos Orbitais ou Keplerianos – movimento/trajetória de um satélite (posição e velocidade):
“a”: semi eixo maior – a forma e a dimensão da órbita descrita pelo satélite S
“e”: excentricidade – a forma e a dimensão da órbita descrita pelo satélite S
“i”: inclinação da órbita – posição da órbita no espaço
“”: ascensão reta do nodo ascendente – posição da órbita no espaço
“𝜔”: argumento do perigeu – a orientação do plano orbital no espaço
“M, u, T”: anomalia média ou anomalia verdadeira ou tempo de passagem do perigeu – a posição do satélite na órbita.
Coordenadas Cartesianas de um Satélite num Sistema Inercial
Mediante 3 rotações sucessivas : [X, Y, Z] = R(, i, 𝜔)*[x, y, 0]
R3 (-𝜔) – rotação em torno do eixo z
R1(-i) – rotação se dá em torno do eixo x’ (linha dos nodos)
R3(-) – rotação ocorre em torno do eixo Z
EFEMÉRIDES
Transmitidas
As efemérides transmitidas estão referenciadas ao WGS – 84
Nela você obtém os elementos que servem para calcular o tempo GPS de cada satélite, bem como suas coordenadas.
Tem parâmetros para corrigir:
Tempo de relógio do satélite
Determinar a órbita kepleriana dos satélites
Parâmetros perturbadores da órbita
Precisas
Empregada para alta precisão. Acessas via internet.
Elas são produzidas a partir das orbitas geradas nos diversos centros de analise, resultando nas seguintes siglas: IGS, IGR, IGU. Referenciadas a vários ITRF’s.
Nestas estações, receptores de dupla freqüências são instalados e medem tanto o código como a fase dos satélites visíveis. Os erros orbitais são separados dos erros dos relógios das estações utilizando osciladores de alta precisão
Identificação das efemérides se da pela sigla do centro que a produz, a semana GPS correspondente e o dia da semana, por exemplo, IGS9663 SP3
Os relógios dos satélites GPS diferem do sistema de tempo GPPS devido a erros inerentes a ambos os sistemas, mas principalmente em razão dos erros nos osciladores dos satélites. O comportamento de cada um destes é monitorado e são transmitidos com as mensagens de navegação.
Sistema de Posicionamento – NAVSTAR GPS
Força área americana + Marinha Americana Navstar GPS
Sistema de navegação através de sinais de rádio, baseado na constelação básica de 24 satélites artificiais desenvolvido e mantido pelo DoD.
Objetivos: 
Precisão da ordem do centímetro para o posicionamento
Exata determinação da velocidade e tempo
Disponibilidade continua dos dados de navegação – pelo menos 4 satélites visíveis
Base para o estabelecimento de um referencial global – cobertura global e regional
Independência das condições meteorológicas
Dividido em 3 segmentos:
Segmento Espacial: 24 satélites dispostos em 6 planos orbitais (quase circulares) separados entre si de 60° e inclinação de 55° em relação ao plano equatorial, altitude média de 20.200 km. No plano estão defasados de 90°. Período de 12h siderais
Segmento do Usuário: navegação, levantamento cartográfico, posicionamento, etc.
Segmento de Controle: monitoram e atualizam as mensagens de navegação, fatores de correção dos relógios e almanaques. Predição das efemérides dos satélites.
Hoje:
Composta de 8 Bloco IIA e IIR – M, 12 Bloco IIR, 4 Bloco IIF, satélites com relógio de Césio e Rubídio
SA desativado parcialmente
AS ativada desde 31/10/1994
Satélites Bloco IIF
Alta precisão na navegação em função dos relógios atômicos internos existentes
Novo sinal L5 para usuários
Sinal civil L2C na freqüência L2 e o sinal militar M nas freqüências L1 e L2
Sinais
Código P (preciso): sinal retangular (binário); sofre efeito da propagação de retardo na ionosfera, não ambíguo, vem com as ondas portadoras L1 e L2
Código C/A (fácil acesso): sinal retangular (binário); sofre efeito de propagação de retardo na ionosfera, não ambíguo, vem com as ondas portadoras L1 e L2
Mensagem de Navegação: sinal retangular; modulada sobre as ondas portadoras L1 e L2 – Contém: efemérides transmitidas, informações ionosféricas, parâmetros para correção do erro dos relógios dos satélites, saúde dos satélites. 
Onda Portadora L1: freqüência 1.575 Ghz; sofre efeito de propagação de aceleração na ionosfera, ambíguo.
Onda Portadora L2: freqüência 1.228 Ghz; sofre efeito de propagação de aceleração na ionosfera, ambíguo.
Onda Portadora L5: freqüência 1.176 Ghz; sofre efeito de aceleração na ionosfera, ambíguo.
Sinal L2C: satélites do bloco IIR – M, modulado pela onda portadora L2; resolver problemas da criptografia do código P. CM (código de comprimento moderado) - dados e CL (código de comprimento longo) – sinal sem dados modulados (vantagem de reduzir ruídos no sinal)
LEVANTAMENTO DE OBSTRUÇÕES
O levantamento das obstruções deve ser realizado quando se deseja determinar o melhor horário para efetuar um posicionamento por satélites (menor PDOP e GDOP e maior n° de satélites), principalmente em áreas obstruídas e quando se deseja realizar um posicionamento rápido.
Necessário:
Teodolito + bussola ou estação total + bussola
Instalado no ponto de interesse e orientado para o norte
Medir azimutes e o ângulo de elevação ou altura em relação ao plano do horizonte
Finalidade de um Pré-Planejamento: definição de um melhor horário para realizar um posicionamento geodésico. Com ele é possível se analisar os DOP’s e quando esses estarão menores e os horários de melhor posicionamento dos satélites e em maior quantidade. É de fundamental importância para posicionamentos relativos estáticos, estáticos rápidos e cinemáticos. 
Em um programa de pré planejamento deve-se introduzir: as obstruções existentes no local, o dia em que se pretende efetuar o levantamento, o almanaque recente (de um mês ou mínimo de 60 dias), as coordenadas aproximadas do ponto.
PRECISÃO PARA O POSICIONAMENTO GPS
A precisão do posicionamento GPS depende de dois fatores: 
Da precisão para o levantamento de uma pseudodistância (UERE) ou pelo desvio padrão associada.
Da configuração geométrica dos satélites com respeito à antena do receptor – volume do tetraedro
A relação entre o desvio padrão associada e o desvio padrão associado para a posição é descrita através do escalar DOP – Dilution of Precision, estes podendo ser:
HDOP – posicionamento horizontal;
VDOP – posicionamento vertical
PDOP – posicionamento tridimensional
TDOP – determinação do tempo
GDOP – posicionamento tridimensional e para determinação do tempo
SA – Disponibilidade Seletiva
Consiste na degradação do sinal dos satélites
Manipulação das efemérides transmitidas e manipulação da freqüência dos relógios dos satélites (desestabilização sistemática do oscilador do satélite)
AS – Anti Spoofing
Codifica o código preciso (P) sobre as duas fases da portadora L1 e L2 em um código secreto denominado código Y, o qual é resultante de uma combinação de código P e W. O acesso só para usuários autorizados através de um receptor que tenha implementado o AOC.
MÉTODOS DE POSICIONAMENTO
Método de Posicionamento por Ponto ou Absoluto
Navegação independente de haver ou não movimento. Principio se baseia nas medidas das pseudodistâncias por meio da medida do código.
Precisão Horizontal: 100 m com SA ativado
 13 m com SA desativado
Precisão Vertical: 156 m com SA ativada
 25 m com SAdesativada
Fornecem:
Coordenadas de pontos sobre a superfície terrestre em tempo real
Waypoints – registro de coordenadas de pontos de interesse
Route – definação de rotas de exploração geográfica
Go To – navegação estimada
Track Log – marcação de percursos
Aplicações:
Navegação
Localização de marcos geodésicos
Localização de RN
Determinação de coordenadas de pontos para apoio de algumas imagens de satélites como LANDSAT
Método de Posicionamento por Ponto Preciso
Os dados de observação devem ser armazenados. Principio se baseia nas medidas das pseudodistâncias também
Necessário:
Receptores GPS de uma ou duas freqüências
Efemérides precisas
Correções para os relógios dos satélites
Processamento dos dados coletados em softwares
Vantagens do PPP online:
Redução dos custos – economia de tempo
Processamento automatizado
Uso total e automático dos programas da IGS
Uso global
Centímetros de precisão
Órbitas/Intervalo:
Ultra-rápida: a patir de 1h30 – 2h30 após o fim do levantamento
Rápida: a partir de 12h – 36h após o fim do levantamento
Final: 11 – 17 dias após o fim do rastreio
Método de Posicionamento Relativo
O posicionamento relativo caracteriza-se pela observação simultânea dos sinais de satélite em pelo menos duas estações distintas, tomando uma como ponto base (estação base) com coordenadas conhecidas e, outra, com coordenada a se conhecer (estação intinerante). Esse método contribui significativamente na redução dos erros do relógio do satélite, das efemérides e na propagação do sinal na atmosfera.
Estação base: pode ser um marco de uma rede de estações ativas, como por exemplo, da RBMC (15 segundos intervalo de gravação), RiBaC, Manfra, Sat.
Pode ser implantada pelo usuário em um marco de coordenadas precisas conhecidas
Método de Posicionamento Relativo Estático
Método consiste na determinação das coordenadas das estações itinerantes sobre as quais a antena do receptor GPS é instalada simultaneamente ocorrendo o rastreio de uma estação base.
Incógnitas:
∆X, ∆Y, ∆Z das estações itinerantes
Ambiguidades da fase da portadora
Características:
Tempo de observação de no mínimo 20 minutos até horas
Intervalo de gravação: 15s, 30s, 60s.
Estação base e itinerante devem rastrear simultaneamente os satélites visíveis (pelo menos 4), com taxas iguais ou múltiplas.
Depende:
Distância da linha de base
Numero de satélites rastreados e sua geometria – mínimo de 4
Vantagens:
Maior precisão
Desvantagens:
Realizar um menor numero de ocupações num maior tempo de observação
Aplicação:
Determinação de coordenadas geodésicas dos pontos rastreados
Método de Posicionamento Relativo Estático Rápido com uma Ocupação
Método consiste na determinação das coordenadas das estações itinerantes sobre as quais a antena do receptor GPS é instalada simultaneamente ocorrendo o rastreio de uma estação base.
Características:
Antena estacionária
Mínimo de 5 satélites e PDOP < 5
Duração do rastreio de alguns minutos a 20 minutos
Intervalo de gravação: entre 5 e 10 segundos.
Linha de base < 15 km – linha de base curta – solução rápida das ambiguidades
Vantagem:
Alta produtividade
Aplicações:
Determinação de coordenadas de pontos de apoio para restituição de fotos aéreas
Levantamentos cadastrais, densificação de redes
Determinação de pontos de apoio de imagens IKONOS.
Método de Posicionamento Relativo Estático Rápido com Reocupação
Um receptor itinerante ocupa as estações 1, 2 e 3 e decorridos 50 a 120 minutos ele reocupa agora as denominações 4, 5 e 6. Durante esse rastreio, a estação base ficou fixo na ponto de coordenadas conhecidas.
Características:
Antena estacionária
Mínimo de 5 satélites e PDOP < 5
Tempo de ocupação em cada visita 5 a 7 minutos
Estações itinerante reocupadas decorridos 50 a 120 minutos, após a primeira visita
Intervalo de gravação dos dados varia entre 5 e 10 segundos.
Desvantagem:
Menor eficiência que o método de posicionamento estático rápido com uma ocupação
Aplicações:
Determinação de coordenadas de pontos de apoio para aerolevantamentos e imagens de satélite IKONOS
Levantamentos cadastrais, na densificação de redes
Método de Posicionamento Relativo Cinemático
Enquanto um ou mais receptores estão estacionados no vértice de referencia, os receptores que coletam dados dos vértices de interesse permanecem em movimento.
Cinemático Continuo: 2 receptores são colocados sobre 2 estações, a base (coordenadas conhecidas) e a estação itinerante A. São coletados dados dos satélites por alguns minutos/segundos para que as ambigüidades iniciais sejam resolvidas. Posteriormente o receptor instalado no ponto B, move-se ao longo de uma trajetória planejada podendo ocupar as estações itinerantes
Necessário:
Realizar a inicialização da estação itinerante até as ambigüidades serem resolvidas e mantidas.
Linha de base curta – determinação com a inicialização a partir de um levantamento estático.
Cinemático Stop and Go: 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, necessitando coletar dados no deslocamento entre um vértice de interesse e outro. 
Características: 
Inicialização visa a resolução das ambigüidades
Estação base fixa
Estação móvel estática alguns minutos (stop) sobre as estações a serem ocupadas e móvel entre os pontos de interesse (go)
Intervalo de gravação: 1 a 3 segundos
Mínimo de 5 satélites e PDOP < 5
Método de Posicionamento Diferencial
Consiste no posicionamento de uma estação móvel através das correções geradas na estação de referência. Essas correções são enviadas em tempo real por meio de um sistema de comunicação (rádio, linha telefônica, satélites de comunicação, etc) e dentro de um formato apropriado, definido pela RTCM.
RTK e DGPS: baseia-se na transmissão instantânea de dados de correção dos sinais de satélites, dos receptores instalados nos vértices de referencia aos receptores que percorrem os vértices de interesse, fornecendo as coordenadas precisas dos vértices levantados. Minimizam a influência dos erros de relógio, das efemérides e da propagação do sinal na atmosfera.
DIFERENCIAÇÃO
Uma forma de eliminar ou minimizar os erros presentes nas observações originais consiste em empregar diferentes técnicas para a modelagem da medida da fase portadora, as quais são:
Observações não diferenciadas
SDF – Simples Diferença de Fase: elimina o erro de sincronismo entre o relógio do satélite e o tempo GPS. 
DDF – Dupla Diferença de Fase: elimina os erros de sincronismo entre o relógio dos satélites e o tempo GPS e os erros de sincronismo entre o relógio dos receptores e o tempo GPS. 
Obs: A solução mais precisa para um posicionamento é obtida com a Dupla Diferença de Fase Fixa.
TDF – Tripla Diferença de Fase: elimina os erros de sincronismo entre o relógio dos satélites e o tempo GPS e os erros de sincronismo entre o relógio dos receptores e o tempo GPS, elimina também as ambigüidades (se não houver perda de sinal)
COMBINAÇÕES LINEARES
As combinações lineares possibilitam a redução ou eliminação dos erros. Por exemplo, se tiver 2 ondas portadoras, elimina-se o tempo de retardo do sinal na ionosfera mediante uma combinação linear. 
Realizar a combinação linear visando a determinação das ambigüidades, posteriormente obtenção das coordenadas.
A combinação entre as observações de código e de fase da portadora considera que os sinais dos códigos não ambíguos podem ser empregados para estimar as ambigüidades dos sinais das portadoras. 
- Utilizado para aplicações cinemáticas e para base longas e muito longas.
- Independe da geometria dos satélites e do efeito de não-sincronismo dos relógios dos receptores e dos satélites. Contudo, deve-se considerar a diferença entre os efeitos de multicaminho, as ambigüidade de fase da portadora e os efeitos ionosféricos.
Combinações podem ser:
LW (Wide Line): diferença entre L1 e L2, vantagem de determinar as ambigüidades mesmo sujeita a efeitos ionosféricose, a desvantagem da elevação do nível de ruído. Utilizado em bases longas > 30km.
LN (Narrow Lane): soma das portadoras originais, nível de ruído baixo, ambigüidade de difícil solução, utilizada para solução das coordenadas em bases curtas.
L0 (Livre de Efeitos Ionosféricos): média aritmética dos sinais LW e LN, não fornece as ambiguidades inteiras, não é um sinal adequado para soluções precisas.
LI (Sinal Ionosférico): combinação linear da diferença entre LW e LN, contém os efeito ionosféricos completo, útil para solução das ambigüidades.
ERROS QUE ATUAM NO SISTEMA
A antena deve ser orientada para o Norte a fim de minimizar o erro de centro de fase da antena.
Equação da pseudodistância: PDCD (t) = R(t) + cdtu(t) + cdta(t) + cdts(s) + ԑ + c*(N/fCR) difere pelo termo da ambiguidade
Equação da pseudodistância: PDCD (t) = R(t) + cdtu(t) + cdta(t) + cdts(s) + ԑ
Onde:
[PDcd] = pseudodistância
[R] = distância geométrica entre a antena do receptor e do satélite 
dtu = erro de sincronismo entre o relógio e o receptor GPS
dta = atraso na propagação do sinal na atmosfera (troposfera + ionosfera) entre a antena do receptor e a antena do satélite
dts = erro do relógio do satélite em relação ao tempo GPS
ԑ = erro de órbita dos satélites, ruídos do receptor, efeitos de multicaminho, variação do centro de fase da antena
N = freqüência da portadora
fcr = ambigüidade
Ambiguidade
É uma incógnita correspondente ao numero de ciclos inteiros formado entre o instante de transmissão e da recepção do sinal, determinado a partir de métodos. 
Com as ambigüidades resolvidas, o usuário pode obter uma medição das pseudodistâncias com um ruído ao nível do milímetro e uma posição subcentrimetrica. 
Erro devido ao estado dos relógios dos satélites e dos receptores
Dizem respeito ao não sincronismo do relógio do satélite com o tempo GPS. O comportamento desses relógios é enviado a você na forma de coeficientes. Esse erro influencia todas as pseudodistâncias levantadas, e o erro resultante é da ordem de 1 a 10m. Sobre o efeito de SA pode ser de 1 a 100m.
Para posicionamentos relativos esse erro é praticamente eliminado.
Erro devido a Atmosfera
A atmosfera acarreta um desvio na trajetória do sinal emitido do satélite ao usuário. O sinal GPS sobre influência das camadas da troposfera e da ionosfera, as quais podem acelerar ou retardar o sinal.
Troposfera (0 - 50 km de espessura): eletricamente neutra, os atrasos da propagação do sinal são críticos para o posicionamento de precisão e para a determinação de uma linha de base longa, principalmente para altitude. Se evita utilizando a máscara entre 10° e 15°.
Ionosfera (50 – 1000 km): índice de refração entre 0 e 1, ionização de gases devido atividade solar, provocando atrasos ou aceleração da propagação do sinal. Erros surgem na medida das pseudistancias. Elimina-se esses erros com receptores de dupla freqüência.
Erro devido ao Efeito de Multicaminho
É o efeito de retardo do sinal causado pela reflexão em objetos metálicos ou outras superfícies refletoras.
Pode ser minimizado empregando materiais isolantes ou antenas de abas largas. Locais com poucas obstruções se possível.
Erro devido ao Ruído das Observações
O ruído das observações é função do tipo de observáveis.
Para o código P ele é da ordem de 0,3m e 1m
Código C/A de 1 a 3 m
Simples Diferença de fase o ruído é ampliado pelo fator
Observações da fase portadora, esse erro é reduzido, representa 1% do comprimento da onda do sinal enviado
GNSS
Sistemas Globais de Posicionamento – GNSS
Principais características: integridade, disponibilidade e fornecer um serviço contínuo aos usuários
Denominação genérica que contempla sistemas de navegação com cobertura global, alem de uma série de infraestruturas espaciais (SBAS) e terrestre (GBAS) que associados aos sistemas proporcionam maior precisão e confiabilidade.
Obs¹ GNSS 1: empregam sinais civis a militares com o uso de satélites de órbitas médias (MEO), geoestacionários (MEO) e de inclinação com órbitas geosincronizadas (IGSO).
Obs²: GNSS europeu iniciou com o EGNOS – European Geo. Nav. Overlay Service – o qual proporciona complementos civis para o GPS e o Glonass desde meados de 2005.
2 Gerações: 
GNSS 1 – baseia-se no NAVSTAR-GPS e ou no Glonass, sendo aumentado por componentes civis.
Sistema aumentado baseado em satélites (SBAS - Satellite)
Se tem o WAAS e EGNOS
SBAS consiste em sistemas regionais ampliados com respeito ao GPS ou GLONASS, composto de satélites geoestacionários, para cobrir a área operacional, e do segmento de controle, para dar suporte à aviação durante todas as fases de vôo.
Sistema aumentado baseado em estações (GBAS - Ground)
GNSS 2 – contará com os satélites do Bloco IIF do Navstar-GPS e ou o Galileo.
Glonass
Concebido nos anos 70, um sistema russo militar oferecido ao uso civil
- 24 satélites em 3 planos, com órbitas circulares de 19.100 km e inclinação de 64,8°
- Período de 11h15
- Sinais de navegação: sinal de precisão padrão (SP) e o sinal de alta precisão (HP).
- Bandas portadoras: L1 e L2
- Códigos: C/A (0,511 MHz) e código P (5,11 MHz)
- acurácia do Glonass é pior que a do GPS
- Sistema de Referência é o PZ-90, inglês PE-90. Até 1993 utilizou-se o SGS85
- Consiste de um complexo controle terrestre GCS. O Centro de Controle do Sistema (SCC) está localizado em Moscou, e as demais estações de comandos de rastreamento (CTS) são distribuídas homogeneamente no território da antiga USS.
- As mensagens de navegação são moduladas na portadora em uma taxa de 50 bps, contendo informações sobre as órbitas (efemérides), almanaque e status dos satélites. As efemérides são atualizadas a cada 30 min, tendo como origem (referência) o centro do intervalo de 30 min, contendo informações de posições e velocidade dos satélites, além das acelerações para a época de referência.
Galileo
- Desenvolvido para proporcionar alta precisão, garantir um serviço de posicionamento global sobre o controle civil.
- Sistema interoperável com o GPS e Glonass, pelo menos em alguma extensão, excluindo os serviços de alta precisão em tempo real.
- Boa cobertura para latitudes abaixo de 75° do Hemisfério Sul.
Constelação: 27 satélites operacionais e 3 de reserva, órbitas circulares 23.222 km altitude; inclinação de 56; 3 planos orbitais igualmente espaçados 9 satélites por plano; Período de 14h4 min;