PRINCÍPIO BÁSICO DE FUNCIONAMENTO DO NAVSTAR-GPS

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      O NAVSTAR-GPS está baseado no conceito de medida de distâncias entre uma fonte transmissora e uma fonte receptora de rádio-sinais. Três distâncias medidas e o conhecimento da posição absoluta das três fontes transmissoras (fixos) permite determinar a posição absoluta da fonte receptora a partir do processo de triangulação. As distâncias são computadas a partir do tempo de propagação das ondas eletromagnéticas no meio e a velocidade de propagação da onda no meio.

      O efeito Doppler (desvio da frequência da portadora devido ao deslocamento relativo entre a fonte transmissora - satélite e a fonte receptora - antena do receptor do usuário), e efeitos interferométricos (defasagem da portadora devido à diferença de localização entre duas antenas, de um mesmo receptor ou não) são também utilizados para auxiliar os cálculos de posição e velocidade do usuário. Note que, em ambos os casos, apenas o sinal da portadora é utlizado.

PSEUDO-RANGE E PSEUDO-RANGE-RATE

      A distância relativa entre a antena do usuário e a antena do i-ésimo satélite, Pseudo-Range (Pri), é calculada pelo usuário a partir da medida dos intervalos de tempo Dti que as ondas eletromagnéticas levam para percorrer a distância entre o satélite e o usuário (o satélite transmite na mensagem GPS o instante de transmissão do sinal e o receptor do usuário possui um relógio - que deve estar - sincronizado com o relógio do satélite), e a velocidade c de propagação da onda no meio.

PRINCÍPIO BÁSICO PARA O CÁLCULO DE POSIÇÃO

      O princípio básico para cálculo de posição através do sistema GPS é o método da triangulação: determinar a posição do usuário, coordenadas (X, Y, Z)u num sistema de coordenadas de referência, a aprtir do conhecimento da posição relativa entre o usuário e três pontos de referência (distâncias Di i=1, 2, 3 e os respectivos cosenos diretores), e as posições dos três pontos de referência (X, Y, Z)si i=1, 2, 3 em relação ao sistema de referência absoluto. Os pontos de referência podem estar fixos ou em movimento, mas é necessário conhecer suas posições absolutas e relativas simultaneamente para se obter cálculos de posição precisos.

      A equação que relaciona as coordenadas do usuário, as distâncias entre o usuário e os pontos de referência, e as coordenadas dos pontos de referência, é dada por:

 

Di² - (Xu - Xsi)² + (Yu - Ysi)² + (Zu - Zsi)²       i=1, 2, 3

      Agrupando as três equações, referentes às três medidas de distâncias a cada ponto de referência, têm-se um sistema de três equações a três incógnitas. As incógnitas do problema são as três coordenadas de posição do usuário (X, Y, Z)u, as medidas são as distâncias Di, e os dados são as coordenadas (X, Y, Z)si dos pontos de referência. Note que o sistema é não linear.

RECEPTORES

      O princípio básico de funcionamento da transmissão dos sinais GPS é o Spread-Spectrum (Espectro Espalhado ou Espalhamento do Espectro), que consiste em espalhar o espectro do sinal transmitido e “re-compactar” o espectro no receptor, aumentando com isso a relação sinal/ruído (S/R) na recepção e a imunidade a interferências espúrias (intencionais ou não).

      A figura abaixo apresenta a estrutura básica de um receptor GPS. A antena deve ter características omni- direcionais para poder captar qualquer satélite em qualquer região acima do horizonte (na prática a FAA recomenda a utilização de satélites acima de 7,5 graus acima do horizonte apenas) e ser isotrópica para ter igual ganho em todas as direções. Antenas helicoidais (cônicas ou cilíndricas) e antenas do tipo micro-strip são largamente utilizadas. A primeira etapa de RF consiste num pré-amplificador com alta relação S/R e filtros para eliminar sinais com frequências próximas dos sinais L1 e L2 . Após esta etapa os sinais L1 e L2 são convertidos para frequências intermediárias menores. Os loops de código e da portadora recuperam os sinais digitais codificados e os efeitos Doppler na portadora, respectivamente. O loop de código utiliza a técnica de correlação para sincronizar os sinais codificados (C/A ou P). Os dados digitais (da mensagem GPS) são recuperados após o loop de código.

      Os dados necessários para navegação são: os pseudo-ranges relativos a quatro satélites (medidas) e as posições absolutas dos quatro satélites (fornecidas na mensagem GPS digital). As informações Doppler são utilizadas como "informação adicional" para melhorar a estimativa da posição do usuário. Os pseudo-ranges são fornecidos na saída do loop de código. As posições dos satélites são computadas a partir das efemérides contidas na mensagem GPS digital. Os efeitos Doppler são obtidos na saída do Loop da Portadora.

      Os receptores são classificados segundo:
           a) aplicação civil (código C/A) ou militar (código P);
           b) com sinal L1 somente ou com sinais L1 e L2;
           c) aquisição serial, paralela ou multiplexada de sinais dos satélites;
           d) número de canais;
           e) alta, média e baixa dinâmica e geodésica (antenas estáticas).

      A recepção das frequências L1 e L2 permite corrgir os erros devido à propagação atmosférica. O modo de aquisição consiste na forma como os sinais dos satélites são captados pelo receptor:
           a) serial (a mensagem de um satélite só é captada após o término da captação da mensagem do satélite anterior, normalmente num único canal receptor);
           b) paralela ( as mensagens de vários satélites são captadas simultaneamente, em vários canais receptores);
           c) multiplexada (as mensagens de vários satélites são captadas num processo de multiplexação através de um único canal receptor).

           Os receptores seriais e multiplexados utilizam um ou dois canais (um para recepção de mensagens e outro para rastreamento e controle). Os receptores paralelos utilizam de 4 a 8 canais. Cada receptor apresenta sua vantagem particular em função do custo, da precisão e da simplicidade (confiabilidade). A tendência atual de fabricação de receptores emprega hardware com antenas tipo micro-strip integrados com pré-amplificadores de RF e circuitos híbridos com circuitos de RF e processadores de sinais digitais e software com algoritmos de processamento de sinais, cálculo e controle/monitoração.

           As classificações de receptores em função da dinâmica referem-se ao movimento dinâmico (de translação e de rotação) a que as antenas ficam sujeitas durante a aquisição dos sinais. Manobras com altas acelerações e velocidades e movimentos angulares (por exemplo, caças manobrando) são exemplos de veículos com alta dinâmica. Veículos com média dinâmica são, por exemplo, automóveis, submarinos, aviões etc. Veículos com baixa dinâmica são, por exemplo, navios, aviões cargueiros e de passageiros. As aplicações geodésicas utilizam antenas estáticas quase que exclusivamente.

      Outras características operacionais (receptor com controles programáveis, dados de saída etc) são por demais extensos e particulares para serem tratados neste texto.

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