A localização por satélite GNSS está presente na vida cotidiana de todos os dias. Com uma grande variedade de áreas de aplicação, seu funcionamento é frequentemente pouco conhecido. Como funciona? Da teoria à prática, os princípios fundamentais do posicionamento GNSS
Devemos o Sistema de Posicionamento Global ( GPS ) à força armada americana. A partir de 1973, ela criou a primeira tecnologia de posicionamento por satélite. Originalmente reservado para uso estritamente militar, o GPS foi aberto livremente em 2000 para aplicações civis. Ao longo dos anos, ele se tornou indispensável na sociedade.
E embora a linguagem comum use frequentemente o termo « GPS » para se referir a essa tecnologia, é mais correto hoje falar do Sistema Global de Navegação por Satélite ( GNSS ). De fato, outras constelações e sistemas de posicionamento se juntaram ao GPS americano.
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Hoje, temos milhares de satélites ao redor da Terra. Entre eles, podemos citar os satélites das constelações GPS americanas, GLONASS russa, GALILEO europeia, BEIDOU chinesa… Nem todos estão ainda operacionais a 100%. Esse é o caso do GALILEO e do BEIDOU, que deveriam estar em 2020.
O princípio de funcionamento é baseado na interseção dos sinais eletromagnéticos emitidos pelos satélites. O usuário detecta os sinais dos satélites que definem segmentos de usuário de satélites cuja interseção geométrica permite a localização.
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Para estar sempre funcionais em qualquer lugar e a qualquer momento, as soluções atuais utilizam sinais provenientes de várias constelações. Essa sobreposição de informações permite uma melhor precisão, tempos de convergência quase instantâneos e disponibilidade 24/7 em todo o mundo.
A precisão dos receptores é, na melhor das hipóteses, métrica. Diversos cálculos e estratégias são utilizados para melhorar essa precisão. TERIA é uma das ferramentas para aumentar a precisão. Ela permite que o usuário obtenha uma precisão centimétrica e em tempo real.
A chegada de novas soluções centimétricas nos permite abordar novas áreas de aplicação: orientação autônoma de veículos, usos marinhos, drones, etc.
As constelações operacionais nominais GPS, GALILEO, GLONASS, BEIDOU… são compostas por várias dezenas de satélites operando a uma altitude de quase 20.000 km ao longo de órbitas distribuídas uniformemente para cobrir todos os continentes .
Graças a essa cobertura, o usuário é capaz de ver simultaneamente entre cinco e trinta e cinco satélites, dependendo de sua posição na Terra.
Cada constelação é monitorada e controlada por estações de controle que atualizam as informações (posições, efemérides e correção de relógios) de todos os satélites. Elas então espalham seus parâmetros para a Terra por meio de ondas eletromagnéticas que transportam sinais codificados.
Os satélites GPS, GALILEO, GLONASS, BEIDOU… possuem relógios atômicos que fornecem uma datação extremamente precisa . As informações temporais são colocadas nos códigos transmitidos pelo satélite. O receptor então determina continuamente a hora em que o sinal foi transmitido. O sinal também contém dados orbitais para que o receptor possa calcular a localização dos satélites. Isso é chamado de informações de navegação.
O receptor GNSS (telefone, topografia, agricultura, automóvel/sistema de orientação aeronáutica…) utiliza a diferença de tempo entre a recepção e o tempo de transmissão do sinal para determinar a distância entre o receptor e o satélite. O receptor multiplica o tempo de viagem pela velocidade da luz para calcular a distância receptor/satélite.
Assim, um GNSS móvel que capta sinais de pelo menos quatro satélites pode localizar com precisão em três dimensões qualquer ponto colocado na visibilidade dos satélites. Para isso, ele usará a interseção desses vetores satélite-receptor.
No entanto, mesmo na ausência de obstáculos, fatores perturbadores importantes exigem uma correção dos resultados do cálculo. O primeiro é a interseção das camadas inferiores da atmosfera, a troposfera. A presença de umidade e as mudanças de pressão da troposfera alteram o índice de refração e, portanto, a velocidade e a direção de propagação do sinal do satélite.
O segundo fator de perturbação é a ionosfera. Essa camada ionizada pela radiação solar altera a velocidade da propagação do sinal. A maioria dos receptores integra um algoritmo de correção.
A terceira e última etapa consiste em determinar uma posição precisa. O receptor será capaz de realizar uma trilateração da posição a partir dos dados de distância coletados entre o receptor e vários satélites.
Um receptor GNSS precisa de pelo menos 4 satélites para poder calcular sua própria posição. Três satélites determinarão a latitude, a longitude e a altura. Enquanto o quarto permite sincronizar o relógio interno do receptor.
Para popularizar a demonstração, nos colocamos em um plano 2D. O princípio será idêntico para passar para o espaço 3D. Apenas os círculos serão substituídos por esferas.
Suponha que o receptor esteja a 25.000 km de um primeiro satélite dado. Isso significa que o receptor pode estar localizado em qualquer lugar no círculo de 25.000 km de diâmetro, com o satélite como centro.
A caixa também receberá um sinal de um segundo satélite a 20.000 km, por exemplo. Ele concluirá que também está nesse círculo. Sua posição exata será na interseção dos dois círculos, ou seja, duas possibilidades.
Para determinar qual dessas possibilidades é correta, o sinal de um terceiro satélite é necessário. Para a demonstração, o imaginaremos com um diâmetro de 15.000 km.
Na interseção desses três círculos, resta apenas um único ponto possível em um plano 2D. Acabamos de geolocalizar nosso receptor.
Deslize para passar de 2D para 3D
Para passar para a 3D, um 4º satélite seria necessário, pois a interseção de 3 esferas dá 2 pontos. No entanto, podemos prescindir disso porque apenas um dos dois pontos é geometricamente coerente. E assim, ainda haveria uma possibilidade de eliminação.
No entanto, a utilização de um 4º satélite é necessária , pois ele fornece soluções na medida do tempo de propagação do sinal. Os receptores GNSS no solo têm apenas relógios aproximados que não possuem a precisão dos relógios atômicos dos satélites. O resultado é uma desincronização que deve ser resolvida para controlar a distância receptor-satélite e, em seguida, obter uma geolocalização correta.
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O exemplo refere-se ao uso de quatro satélites, mas os receptores GNSS são capazes de seguir muitos satélites ao mesmo tempo (estações, topografia, telefone, dispositivo de navegação…). Isso melhora a precisão, o tempo de convergência, a cobertura e reduz os riscos de erros.
Em média, um receptor pode capturar 7satélites da mesma constelação (14 satélites no GPS — GALILEO). Para o posicionamento centimétrico, pelo menos 5 satélites são indispensáveis.
Atualmente, 129 satélites de posicionamento por satélite estão ativos e disponíveis para aplicações civis:
Para as aplicações em que a precisão centimétrica é essencial (veículo autônomo, batimetria, topografia…), isso não é suficiente. De fato, as distorções na propagação dos sinais podem levar a erros de vários metros. Isso é especialmente o caso na interseção das camadas atmosféricas.
Algumas soluções, como a TERIA, podem corrigir esses erros de medição e fornecer um posicionamento centimétrico de 1-2cm em tempo real .
Elas se baseiam em redes de receptores todos conectados aos centros de computação, que modelam todos os erros e correções de retorno (PPP, PPP-RTK, NRTK e RTK) em tempo real para os usuários
Para localizar matematicamente um objeto na Terra de maneira inequívoca, é necessário definir um depósito geodésico que é expresso por coordenadas geográficas que são mais frequentemente: latitude, longitude e altitude (ou elevação) em relação ao nível médio do mar (elevação ortométrica) ou em relação a uma superfície de referência, geralmente elipsoidal (elevação elipsoidal).
Historicamente, os sistemas geodésicos eram determinados a partir de medições angulares e de comprimento. Um sistema geodésico estava associado a uma rede geodésica, um conjunto de pontos cujas coordenadas foram determinadas a partir de medições terrestres.
A tecnologia espacial permitiu definir sistemas geodésicos globais. O sistema geodésico mais utilizado no mundo é o Sistema Geodésico Mundial 1984 ( WGS84 ), associado ao sistema de posicionamento GPS americano.
Fonte: color-science.eu gnssplanning.com Você quer experimentar a TERIA para sua empresa?
Tag: atualizar um GPS