GPS DIFERENCIAL

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      O conceito diferencial é aplicável a qualquer sistema que contenha erros capazes de serem identificados por um equipamento externo e com capacidade de comunicação com o usuário (que normalmente não é capaz de computar estes erros por si próprio através dos equipamentos de que dispõe). A eliminação destes erros permite que o usuário reduza significativamente o erro total induzido pelo sistema "não diferencial". Para o caso do GPS, os erros associados aos satélites, à propagação das ondas no meio e todos os erros associados ao GPS (excluídos os erros particulares do usuário, tais como erros do receptor e multi-path), podem ser compensados e possibilitar um sensível aumento da precisão da posição. Por exemplo, as categorias de pouso automático de precisão de aeronaves só são viáveis com a utilização do GPS-D. Sem o GPS-D apenas categorias "não-precisa" são possíveis.


PRINCÍPIO BÁSICO

      O princípio básico de funcionamento do GPS Diferencial (GPS-D) consiste em compensar erros do sistema através de correções nos pseudo-ranges, coordenadas de posição ou outras variáveis de interesse, correções estas que o usuário por si só não é capaz de estimar devido à indefinição da sua própria posição.

      Existem duas formas de obter correções diferenciais:
           a) obter dados de correções através de medidas e das mensagens GPS de um único receptor; e
           b) obter dados de correções através das medidas das mensagens e de características da portadora (método interferométrico) de um ou vários receptores e satélites.

      As correções da primeira forma são fornecidas por equipamentos externos (com suas posições bem conhecidas) transmitidas para os usuários e introduzidas nos cálculos de navegação normalmente em tempo real. As correções da segunda forma utilizam os conceitos de diferenças simples, duplas e triplas (sinais de um mesmo satélite captados simultaneamente por um ou mais receptores, sinais de vários satélites captados em vários instantes por um ou mais receptores) e são normalmente empregadas em pós-processamento. Neste texto discutiremos apenas a primeira forma de correções diferenciais. O método das diferenças simples, duplas e triplas é apresentado no trabalho de Goad.

      Os erros podem ser computados comparando a posição bem conhecida da antena do receptor com a posição calculada a partir das informações dos satélites GPS. Cada satélite induz erros diferentes no que diz respeito a erros de propagação, atraso nos circuitos do satélite, erros intencionais etc, e, numa primeira alternativa, pode-se computar os erros dos pseudo-ranges associads a cada satélite. Neste caso, as correções diferenciais estão associadas a cada satélite em particular. Outra alternativa de correção é compensar os cálculos finais de posição através da correção das coordenadas de, por exemplo, latitude, longitude e altitude. Neste caso os erros estão associados ao conjunto de satélites utilizado no cálculo de posição aos métodos de cálculo e ao receptor que computa as correções diferenciais.

      O método de correções diferenciais utilizando correções de pseudo-ranges é mais complexo e sua precisão é função da distância entre o receptor que computa as correções diferenciais e o receptor do usuário. O método das correções diferenciais de coordenadas de posição é simples e oferece boa precisão apenas para curtas distâncias (algumas dezenas de quilômetros) entre o receptor que calcula as correções diferenciais e o receptor do usuário.

      Há, portanto, várias formas de corrigir determinísticos do sistema:
           - correções de pseudo-range;
           - correções dos parâmetros orbitais;
           - correções das coordenadas de posição (latitude, longitude, altitude).

      Cada uma oferece sua vantagem e vários testes já foram efetuados para validar os conceitos. No entanto, não há ainda (1990) uma padronização internacional para aplicações aeronáuticas.

PSEUDO-SATÉLITES

      A configuração básica de um sistema GPS-Diferencial (GPS-D) em solo consiste de
           a) um receptor;
           b) um processador para computar as correções; e
           c) um transmissor.

      O erro total do usuário possui duas origens:
           a) UERE (User Equivalent Range Error) que é um erro dimensional em metros associado às imperfeições tecnológicas dos satélites e do receptor, ao meio de propagação das ondas e aos erros das efemérides dos satélites e
           b) Geometria dos satélites utilizados nos cálculos de posição. As correções diferenciais referem-se, principalmente, aos erros das efemérides e do sistema.

      Um equipamento GPS-D de solo pode auxiliar significativamente para melhorar a geometria dos “fixos” escolhidos para os cálculos de posição. Se um GPS-D transmitir, além das correções, o sinal GPS com as mensagem de navegação (sinal L1 e L2 devidamente modulados) o usuário é incapaz de distinguir um equipamento de GPS-D de um satélite GPS. A escolha criteriosa da posição do equipamento GPS-D pode assim também contribuir para minimizar o erro nos cálculos de posição do usuário através da melhoria da geometria dos “fixos”escolhidos. Este tipo de sistema GPS-D é chamado de Pseudo-Satélite ou Pseudolite ou PL.

      Um Pseudo-Satélite é, basicamente, um receptor-transmissor que funciona como um satélite GPS, porém, em solo. O receptor do PL é um receptor comum que computa a sua posição (pseudo-ranges, coordenadas de posição etc) a partir dos sinais dos satélites visíveis e compara com a sua verdadeira posição (pseudo-ranges, coordenadas de posição etc) determinada a priori por outros métodos.

      Os erros de pseudo-ranges, coordenadas de posição etc, são então retransmitidos para o usuário local, dentro da mensagem do sinal GPS (foram intencionalmente reservadas algumas palavras nos campos das mensagens do sistema GPS para este fim). Estes sinais retransmitidos são semelhantes aos dos satélites GPS, de modo que o usuário recebe as infomações de correções diferenciais através do mesmo equipamento e, além disso, dispõe de um satélite adicional (local) com efemérides bem conhecidas.

      O receptor do usuário local é incapaz de distinguir o sianl de satélites normais do sinal de um PL. As diferenças são apenas a direção do sinal transmitido e as mensagens de correções diferenciais que os satélites normais não transmitem.

      A localização de um ou mais PLs pode também ser aproveitada para melhorar a geometria dos satélites no caso de haver deterioração de DOP em um ou mais períodos do dia ou simplesmente diminuir o DOP nas proximidades, por exemplo, da cabeceira de uma pista de aeroporto. Estudos foram feitos para demonstrar a conveniência da localização ótima de um ou mais Pls para diminuir DOPs (critérios de GDOP, PDOP, TDOP, HDOP, VDOP ou WDOP a escolher convenientemente) e obter condições de pouso automático para aviões em categorias de precisões I, II e III conforme normas da FAA.

      Um comitê especial da RTCM - Radio Telecommunication Committee for Marine dos EUA foi formado para regulamentar a prestação de serviços do GPS-Diferencial. As recomendações n 104 do RTCM estabeleceram a seguinte definição para os pseudo-satélites:
           a) Os Pls devem receber os sinais dos satélites GPS, computar as correções de pseudo-ranges (PR), pseudo- ranges-rates (PRR) etc necessárias para satisfazer os requisitos de qualquer outra estação monitora de GPS- Diferencial;
           b) transmitir a informação de correção numa velocidade de 50 bits por segundo numa frequência da Banda-L, preferivelmente, mas não necessariamente na frequência L1;
           c) transmitir o sinal à semelhança do sinal dos satélites GPS, onde um código PN é utilizado para permitir ao usuário local obter uma medida adicional de pseudo-range;
           d) transmitir o sinal GPS sem interferir com outros equipamentos.

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