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Original Article: GPS Overview

Author: NRF

Visão geral do GPS

Introdução

O programa GPS iniciou em 1973 quando a Força Aérea Americana, Exército, Marinha, Corporação Marinha e Agência de Mapeamento Defensivo dos Estados Unidos decidiram usar seus recursos táticos em conjunto para desenvolver um sistema de navegação espacial extremamente preciso. Funcionários dessas agências foram organizados no quadro inicial do GPS Joint Program Office e mais tarde agregaram outras nove nações membras da NATO. A justificação primária para o programa GPS era militar, mas o número de aplicações e usuários civis cresce diariamente. GPS oferece dados de horário, velocidade e posicionamento extremamente precisos, assim como segue os requerimentos de posicionamento à rádio comum de uma ampla gama de usuários. Dependendo do modo de uso e do equipamento utilizado, medidas de alta precisão podem ser feitas em aplicações geodésicas. Logo, é utilizado em programas geodésicos para suplementar e fortalecer os bancos de dados que são usados para construir modelos dos campos gravitacionais da Terra, correntes de oceano, topografia da superfície do oceano, orientação, nível do oceano global, e circulação do oceano. É especialmente direcionado à trabalhos curtos com patamares de alta precisão. O GPS é visto como a principal ferramenta de geodesistas devido às melhorias dramáticas em técnicas e processamento de software, disponibilidade e acesso econômico ao equipamento GPS, portabilidade, e benefícios de colaboração internacional.

Descrição Geral do Sistema

O sistema GPS consiste de três segmentos principais; Segmentos de Espaço, Controle, e Usuário. A operação dos segmentos de Espaço e Controle é gerenciado pelo Comando Espacial USAF e o comando de suporte para operações GPS é responsabilidade do Comando de Logística da Força Aérea dos Estados Unidos (AFLC).

Segmento do Espaço

O Segmento de Espaço inteiramente operacional foi projetado para constituir uma constelação de 21 satélites, 3 substituições operacionais adicionais, em 6 níveis com 4 satélites por nível. As suas órbitas sao nominalmente circulares com uma inclinação aproximada de 55 graus e percorrem um período de 12 horas. A altura orbital é de aproximadamente 20.200 km. Os satélites transmitem um sinal aberto espectral em duas frequências na Banda L, conhecidas como Link 1 (L1)=1575.42 MHz e Link 2 (L2)=1227.6 MHz. O sinal L1 é modulado a uma precisão (P) de código variado e uma aquisição média (C/A) de variação de código, ao passo que o sinal L2 é modulado com o P-code. Todos os componentes de sinais são controlados por relógios atômicos, aos quais se deve a precisão do sistema. Informações de navegação estão sobrepostas aos códigos, e incluem relógio de satélite e parâmetros efemérides, Sincronização de Informação UTC e diagnósticos do sinal do satélite. Atualmente, 4 a 8 satélites são visíveis com uma máscara de elevação de aproximadamente 15 graus.

Segmento do Usuário

Acesso do Usuario

Dois métodos são utilizados para diminuir a precisão do sistema.

• 1. Disponibilidade seletiva (Selective Availability – SA) SA afeta prioritariamente o uso de um receptor único e é atingida primeiramente através da movimentação da frequência do relógio do satélite. A Mensagem de navegação transmitida pode ser cortada, o que nega ao usuário a chance de computar precisamente as coordenadas dos satélites.
• 2. Anti-Spoofing (AS) Esse aplicativo é aleatoriamente convocado a negar uma chance potencial para Spoofing (imitação indesejada) dos usuários PPS. Essa habilidade essencialmente desliga o P-code ou ativa um Y-code encriptado.

Níveis de Serviço

Existem dois níveis de serviço básico disponibilizados pelo GPS?

• 1. Serviço de Posicionamento Preciso (Precise Positioning Service – PPS) O PPS pode gerar um probabilidade de erro circular de 8 metros (CEP) posicionamento e 100 ns (sigma um) transferências de tempo UTC. CEP é definido como o raio de um círculo horizontal contendo 50% de todas as possíveis correções de posicionamento. Esse serviço só está disponível para usuários autorizados e é inicialmente voltado para o uso militar. Acesso ao PPS é controlado pelo Departamento de Defesa Americano (DOD) através dos métodos SA e AS.
• 2. Serviço de Posicionamento Padrão (Standard Positioning Service – SPS) Esse serviço é especificamente criado para produzir 100m de posicionamento horizontal e aproximadamente 337 ns transferência de tempo UTC precisas.

Usuários são divididos em duas categorias, aqueles que têm acesso ao PPS, enquanto os demais são usuários do SPS. Os receptores do GPS com capacitação PPS possuem uma lógica de criptografia embutida que permite um processo de encriptação/desencriptação com as teclas PPS. Normalmente, receptores GPS com capacitação PPS aplicam métodos PPS de processos de encriptação/desencriptação para ambas as funções SA e AS, embora alguns receptores GPS usados em redes de busca geodésicas operam em um modo PPS limitado. Com estes receptores GPS os processos de encriptação PPS são requeridos apenas para suporte em tempo real da função AS, enquanto que as funções de desencriptação SA são resolvidas num processo posterior.

Segmento de Controle

O segmento de controle consiste em uma Estação de Controle Mestra (MCS) na Falcon AFS em Colorado e cinco estações monitoras localizadas no Havaí, Kwajalein, Diego Garcia, Ascensão e o MCS. O MCS compreende o rastreamento de informação das estações monitoras e calcula a órbita do satélite bem como parâmetros de relógio. Três estações base de controle que são co-localizadas com as estações monitoras de Kwajalein, Diego Garcia e Ascensão atualizam os resultados como determinados pelo MCS.

Muitas outras estações monitoras não-militares contribuem para o desenvolvimento de órbitas refinadas e a coleta de informação para pesquisas geodinâmicas. HartRAO está atualmente instalando um GPS ROGUE Turbo a empréstimo do Laboratório de Propulsão a Jato em Pasadena, Califórnia. Isso permitirá uma valiosa contribuição de informação para os Serviço Geodinâmico Internacional de GPS (IGS), que utiliza informação proveniente de uma rede global de mais de 50 estações distribuídas ao redor do globo. Resultados da Central de Investigação IGS podem ser encontrados no http://sideshow.jpl.nasa.gov/mbh/global.

Observáveis do GPS

Existem duas Observáveis do GPS que são usadas a fim de determinar posicionamento. Aplicações de baixa precisão tais como uso pseudo-gama de navegação. Em apuração geodésicas, fases de transmissão são utilizadas devido a alta precisão.

Pseudo-Gama

A determinação de posicionamento de GPS é baseada em um conceito denominado tempo de chegada variável. Um simples exemplo seria considerar a emissão de um sinal a um dado instante preciso em tempo t1 de um transmissor estacionário. O sinal chega ao receptor algum tempo depois, ora t2. A diferença de tempo t2-t1 permite a determinação do valor do tempo de chegada (TOA). A gama (distância) entre o receptor e o transmissor podem serem derivadas da multiplicação do TOA com a velocidade de propagação do sinal. Quando quatro satélites são simultaneamente observados, as posições (x,y,z) e a balança do relógio receptor podem ser encontradas numa única observação. Na terminologia de apuração, isto é re-secção por distância.

Os satélites de GPS transmitem interferência pseudo aleatória (PRN) ondas de rádio sequencialmente moduladas. Os códigos PRN são linhas pré definidas de informação binária que são geradas a partir do satélite relógio que serve como codificação de tempo de transmissão para os sinais. A transmissão de cada satélite é única e todas elas transmitem na mesma frequência. Isso permite que o receptor GPS diferencie sinais. Isso é atingido pelo fato de o GPS ser capaz de gerar uma réplica precisa da sequência PRN que está atrelada ao receptor, rodada para trás e para frente no tempo por um loop rastreador de código até que uma máxima correlação seja alcançada. A magnitude do giro é a medida TOA observada.

O relógio no receptor GPS não está sincronizado com o relógio satélite, a fim de que o TOA não seja diretamente aplicável segundo o simples exemplo acima. O relógio receptor tem um perfil que é encontrado pelo processador de dados do receptor GPS. Quando o TOA observado é multiplicado pelo atraso do sinal de propagação a fim de encontrar a variação geométrica, o perfil do relógio receptor é incluso. Essa variação total é denominada medida pseudo-gama (PR). Os PRs medidos são afetados pelos atrasos de propagação troposféricos e ionosféricos. O TOA, por conseguinte, inclui ambos os atrasos de propagação e a balança do relógio.

Um posicionamento de usuário simplificado com determinação algorítmica seria:

• 1. Rastreamento de sequências PRN derivadas de 4 satélites.
• 2. Multiplicar valores TOA pela velocidade da luz a fim de obter quatro medidas PR.
• 3. Corrigir medidas PR relativas aos atrasos troposféricos e ionosféricos. Adicionar correções para a diferença do sistema de tempo de cada satélite relógio e GPS, efeitos de relatividade, etc. Uma corrente de dados digital a 50 Hz (mensagem de navegação) transmitida dos satélites juntas aos seus códigos P- e C/A contém as informações necessárias, tais como sistema de tempo de transmissão do GSP, efemérides e dados de relógio para o devido satélite. Incluídos também, encontra-se o almanac de dados para todos os satélites, coeficientes para o modelo de atraso ionosférico e diagnósticos de satélite para que ajustes possam ser realizados.
• 4. Realizar uma solução posicionamento/tempo através da resolução de quatro variáveis de equação e computar a correção de tempo (x,y,z) em termos de sistema de coordenadas WGS-84.

Características da Precisão do Sistema

Dois parâmetros importantes promovem a mostra da precisão de distribuições estatísticas pelo GPS. Primeiramente, existe o erro nas medidas PRs e secundariamente, os fatores limitantes de precisão devidos à geometria do satélite. Esses dois fatores são importantes pois levam ao entendimento das limitações do GPS e permitem uma previsão de posição e precisão de tempo.

Variável Equivalente de Erro do Usuário (UERE)

O erro na determinação dos PRs de cada satélite são causados por erros na previsão da órbita dos satélites, a estabilidade dos seus relógios, erros nas mensagens de navegação, modelo de erros ionosférico e troposféricos bem como erros de correlação. O UERE está contido na mensagem de navegação e em conjunção aos fatores DOP habilita a precisão de posicionamento marcado que podem ser alcançadas.

Fatores de Diluição de Precisão (DOP)

Os fatores DOP são comumente utilizados como medidas do erro contribuídas por efeito da geometria da distribuição do satélite na resolução de tempo e posicionamento. Os fatores DOP são simples funções dos elementos diagonais da matriz co-variacional dos parâmetros ajustados. Essa descrição se torna mais clara quando se dá conta que o filtro Kalman em um receptor GPS contém uma matriz das estimativas (as matrizes de co-variações) dos erros PR. O filtro Kalman caracteriza fontes de interferência resultantes dos erros nas correções ionosféricas, direção do relógio do usuário etc, a fim de minimizar seus efeitos introdutórios de erro. É um recurso (combinação linear de estimativas prévias e dados atuais) estimativo médio-quadrático que, num senso mínimo-quadrático, produz o mínimo de estimativa co-variacionais sobre o vetor, a qual inclui parâmetros tais quais posicionamento e tempo do receptor GPS. A matriz de erros co-variacionais satisfaz a equação Ricatti, a qual é relativamente fácil de ser resolvida utilizando um microprocessador, o qual em retrocesso facilita a implementação num receptor GPS. A diagonal da matriz co-variacional contém variantes de erros de posicionamento e os erros de perfil do relógio receptor.

Um bom DOP tem um baixo número (2-3), ao passo que um mal DOP possui um número alto. Intuitivamente, o melhor DOP possível seria dado por um satélite posicionado diretamente acima e três satélites espacialmente distribuídos uniformemente no horizonte. Altos DOPs provêm de satélites que estão distribuídos desordenada e muito próximos uns aos outros, ou formando uma linha. Como os posicionamentos dos satélites são previsíveis, valores DOP podem ser calculados durante os estágios de planejamento em uma apuração que garanta bons valores. Para concluir esta seção, os tipos especiais de DOPs são descritos brevemente as suas expressões dadas.

• 1.VDOP DOP Vertical, Descreve o efeito da geometria do satélite em altura.
• 2.HDOP DOP Horizontal, Indica a diluição de precisão por posicionamentos horizontais.
• 3.PDOP DOP Posicionamento, Valores de posição combinadas vertical-horizontalmente.
• 4.TDOP DOP Tempo, Efeito de dimensão temporal de geometria.
• 5.GDOP DOP Geométrico, Uma medida composta de dimensões vertical-horizontal-temporal.

Fases de Transmissão

Medidas de fase de transmissão são mais precisas do que medidas PR e são utilizadas em ambos curto e longo patamares com alta precisão. A questão “o que é a fase de transmissão” é melhor respondida se verificados os princípios iniciais. A fase observável é a diferença em fase entre a onda de transmissão emitida do satélite e a oscilação do sinal do receptor numa época t específica. A fase de uma onda então só possui significado quando está especificada em relação a outra onda de mesma frequência. Uma vez que a aquisição de sinal é iniciada o número completo de ciclos são contados. As medidas de fase são ambíguas e a menos que uma diferença de variação absoluta na época inicial for determinada, a medida de fase só indica as mudanças em variação durante o período observado. Isso permite que a ambiguidade íntegra inicial desconhecida seja representada por um único perfil. Uma desconexão de ciclo pode ocorrer quando rastreamento é interrompido devido ao bloqueio de sinais, sinalização fraca ou processamento incorreto de sinais devido a falha do software do receptor.

Esta desconexão de ciclo vai alterar o número de ciclos íntegro, muito embora a medida de fase fracional após re-conexão do sinal será a mesma como se o rastreamento nunca fora interrompido. Variadas técnicas têm sido desenvolvidas a fim de corrigir desconexão de ciclo, tais como técnicas de busca, filtragem Kalman discreta, decomposição Cholesky otimizada e em caso de dados de frequência dual em código e transmissão, dobrando a correção de ambiguidade. Técnicas rápidas são muito importantes para aplicações em tempo real e muitas pesquisas estão em progresso atualmente a fim de encontrar melhores e mais ágeis métodos de resolução.

Precisão de Fase de Transmissão

Em geral o componente vertical tem uma maior desviação padrão do que os componentes horizontais. Isso se dá ao fato de que o componente vertical não está comprimido e é muito mais sensível a erros de atraso troposférico. Precisão no componente vertical aumenta com um maior número de satélites sendo simultaneamente observados enquanto o coeficiente correlativo entre a coordenação da estação vertical e o atraso troposférico Zenith diminui. Precisões típicas seriam de 10 mm em média numa escala global e de 1 mm, em média, numa escala local. Essas precisões são unicamente obtidas se um software de processamento avançado for utilizado bem como informação de órbita precisa. O comportamento imprevisível do tempo e frequência padrão servindo como referência para receptores GPS é a fonte principal de erro em uma medida. Pelo processo de diferenciação, os erros resultantes do relógio de satélite e receptor podem ser virtuosamente eliminados. Diferenciação pode ser realizada entre receptores, satélites, épocas ou uma combinação dos mesmos. Diferenciação reduz o efeito da ionosfera e troposfera quando receptores estão próximos uns aos outros, a fim de que a operação da frequência dual não seja necessária para curtos patamares.