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Como calcular o erro 'fora do caminho' dos dados do GPS?

Como calcular o erro 'fora do caminho' dos dados do GPS?


Gostaria de analisar a precisão da navegação, comparando os transectos planejados com a trilha real percorrida a partir dos dados do GPS.

Por exemplo, os transectos planejados abaixo (verde) não combinam perfeitamente com o voo real (azul) - para as áreas adjacentes aos transectos, qual é o erro médio (distância), IGNORANDO os bits além das extremidades de cada transecto?

Os transectos planejados são linhas, normalmente apenas com nós inicial e final. As trilhas são de arquivos GPX e podem ser feitas de muitos, muitos nós - mas podem ter apenas alguns nós registrados quando a aeronave está voando particularmente em linha reta.

Eu gostaria de usar o QGIS. Uma ideia era usar a ferramenta v.to.points do GRASS na caixa de ferramentas de processamento para dividir cada transecto em pontos de, digamos, espaçamento de 50m, e determinar a distância mais próxima da trilha para cada ponto (em seguida, calcule a média).

Existe, talvez, uma maneira melhor de calcular a distância média do que dividir as linhas em pontos individuais?


A partir do exemplo acima, sugiro que você

  1. Crie pontos ao longo das linhas verdes em intervalos regulares
  2. Obtenha a distância perpendicular desses pontos à linha azul e, finalmente,
  3. Calcule o erro médio com base nessas distâncias.

Observe que você pode rejeitar pontos muito distantes (acima de uma determinada tolerância para a pior precisão do GPS) devido à ausência da linha azul na frente da linha verde (isso não acontece no seu desenho, mas pode ser um problema).

Para a primeira e a segunda etapa, há duas respostas excelentes (ambas por gene) aqui para a etapa 1 e aqui para a etapa 2. A última etapa não deve ser um problema para você (usando postgis, plugin de estatísticas de grupo ou python …).

Como alternativa, você pode desenhar a linha perpendicular para cada ponto final da linha verde. Então você constrói uma área de seu conjunto de linhas (por exemplo, com GRASS), então você divide sua área pelo comprimento das linhas verdes => isso dá a você o erro absoluto médio.


Acho que a distância de Hausdorff pode ser o que você está procurando. É basicamente uma medida de quão semelhantes são duas geometrias.

Passos gerais para aplicá-lo a este problema:

  1. Encontre o ponto mais próximo na trilha para o início e o final de cada segmento planejado.
  2. divida a trilha em segmentos entre esses conjuntos de pontos.
  3. Calcule a distância de Hausdorff entre o segmento planejado e o segmento mais próximo.

Sua pergunta disse qgis, mas a recompensa diz qualquer solução FOSS, então estou indo para PostGIS:

SELECIONE ST_HausdorffDistance ((SELECIONE geometria FROM segmentos WHERE fid = 1), ST_Line_Substring (geometria, ST_Line_Locate_Point (geometria, (selecione st_pointn (geometria, 1) dos segmentos)), ST_Line_Locate_Point (geometria, (selecione st_pointn (geometria, ST_NPoints) (geometria) dos segmentos)))) DAS faixas WHERE ogc_fid = 1

O fluxo de trabalho a seguir é para QGIS e fornecerá a distância média da rota para cada transecto em metros. Estou assumindo que os dados usarão uma projeção em metros.

Proteja seus transectos e rota, por exemplo, por 1m comVetor> Ferramentas de geoprocessamento> Buffer (s). Agora você tem duas camadas de polígono - os transectos e a rota. Dê ao polígono da rota o valor 1 em sua tabela de atributos. Agora converta o polígono da rota para um raster comRaster> Conversão> Rasterizar. Escolha o polígono da rota como oArquivo de entrada, e ascampo de atributopara o que você deu o valor de 1. Defina oresolução raster em unidades de mapa por pixela 1 metro e crie seu raster.

Agora corraRaster> Análise> Proximidade (Distância Raster)nesta nova camada raster 'rota'. Escolha-o como oArquivo de entrada, definirValorespara 1 eUnidades de distânciapara GEO. Esta segunda camada raster fornece o valor da distância do polígono de sua rota e nos permite usar oRaster> Estatísticas Zonaisplugin, disponível no gerenciador de plugins. Execute o plugin com oCamada rasterdefinido para o nosso raster de 'distância' e oCamada poligonalpara o polígono de transectos. Agora você terá distâncias médias para cada transecto até a rota listada na tabela de atributos.


ArcUser Online

Técnicas de correção diferencial são usadas para melhorar a qualidade dos dados de localização coletados usando receptores de sistema de posicionamento global (GPS). A correção diferencial pode ser aplicada em tempo real diretamente no campo ou durante o pós-processamento de dados no escritório. Embora ambos os métodos sejam baseados nos mesmos princípios básicos, cada um acessa diferentes fontes de dados e atinge diferentes níveis de precisão. A combinação de ambos os métodos fornece flexibilidade durante a coleta de dados e melhora a integridade dos dados.

O que é GPS?

GPS é um sistema de posicionamento baseado em satélite operado pelo Departamento de Defesa dos Estados Unidos (DoD). O GPS abrange três segmentos - espaço, controle e usuário. O segmento espacial inclui os 24 satélites operacionais NAVSTAR que orbitam a Terra a cada 12 horas a uma altitude de aproximadamente 20.200 quilômetros. Cada satélite contém vários relógios atômicos de alta precisão e transmite constantemente sinais de rádio usando um código de identificação exclusivo.

Uma Estação de Controle Mestre, cinco Estações de Monitoramento e Antenas Terrestres constituem o segmento de controle. As Estações de Monitoramento rastreiam passivamente cada satélite continuamente e fornecem esses dados para a Estação de Controle Mestre. A Estação de Controle Mestre calcula quaisquer mudanças na posição e tempo de cada satélite. Essas mudanças são encaminhadas às Antenas Terrestres e transmitidas a cada satélite diariamente. Isso garante que cada satélite transmita informações precisas sobre seu caminho orbital.

O segmento de usuários, composto por usuários civis e militares em todo o mundo, adquire sinais enviados dos satélites NAVSTAR com receptores GPS. O receptor GPS usa esses sinais para determinar onde os satélites estão localizados. Com esses dados e informações armazenados internamente, o receptor pode calcular sua própria posição na terra. Essas informações posicionais podem ser usadas em muitas aplicações, como mapeamento, levantamento topográfico, navegação e GIS móvel.

O que o GPS pode fazer pelo GIS

GPS é uma excelente ferramenta de coleta de dados para criar e manter um GIS. Ele fornece posições precisas para recursos de ponto, linha e polígono. Ao verificar a localização de locais previamente gravados, o GPS pode ser usado para inspecionar, manter e atualizar os dados GIS. O GPS fornece uma excelente ferramenta para validar recursos, atualizar atributos e coletar novos recursos.

O GIS móvel acessa o GIS empresarial no campo. Como o GPS fornece informações de localização precisas no campo, é um componente essencial para GIS móvel. Inspetores de campo, equipes de manutenção, equipes de serviços públicos e trabalhadores de emergência, todos exigem acesso oportuno aos dados GIS corporativos para que possam tomar decisões informadas. Para facilitar o fluxo de informações de e para o campo, as soluções GIS móveis aproveitam os avanços da tecnologia sem fio e da Internet. Com o GIS móvel, os dados podem ser acessados ​​diretamente pelo pessoal de campo quando e onde for necessário.

Como funciona o GPS

Um receptor GPS deve adquirir sinais de pelo menos quatro satélites para calcular com segurança uma posição tridimensional. Idealmente, esses satélites devem ser distribuídos pelo céu. O receptor realiza cálculos matemáticos para estabelecer a distância de um satélite, que por sua vez é usado para determinar sua posição. O receptor GPS sabe onde cada satélite está no instante em que sua distância é medida. Esta posição é exibida no datalogger e salva junto com qualquer outra informação descritiva inserida no software de campo.

Algumas Limitações

O GPS pode fornecer posições tridimensionais em todo o mundo, 24 horas por dia, em qualquer tipo de clima. No entanto, o sistema tem algumas limitações. Deve haver uma "linha de visão" relativamente clara entre a antena GPS e quatro ou mais satélites. Objetos, como prédios, viadutos e outras obstruções, que protegem a antena de um satélite podem enfraquecer o sinal de um satélite de tal forma que se torna muito difícil garantir um posicionamento confiável. Essas dificuldades são particularmente prevalentes nas áreas urbanas. O sinal de GPS pode ser refletido em objetos próximos, causando outro problema chamado interferência de caminhos múltiplos.

Qual é o diferencial?

Até 2000, os usuários civis tinham que lidar com Disponibilidade Seletiva (SA). O DoD intencionalmente introduziu erros de cronometragem aleatória em sinais de satélite para limitar a eficácia do GPS e seu potencial uso indevido por adversários dos Estados Unidos. Esses erros de tempo podem afetar a precisão das leituras em até 100 metros.

Com o SA removido, um único receptor GPS de qualquer fabricante pode atingir precisões de aproximadamente 10 metros. Para atingir as precisões necessárias para registros de GIS de qualidade & # 151 de um a dois metros até alguns centímetros & # 151 requer correção diferencial dos dados. A maioria dos dados coletados usando GPS para GIS são corrigidos diferencialmente para melhorar a precisão.

A premissa subjacente ao GPS diferencial (DGPS) é que quaisquer dois receptores que estejam relativamente próximos apresentarão erros atmosféricos semelhantes. O DGPS requer que um receptor GPS seja configurado em um local precisamente conhecido. Este receptor GPS é a estação base ou de referência. O receptor da estação base calcula sua posição com base nos sinais de satélite e compara esse local com o local conhecido. A diferença é aplicada aos dados GPS registrados pelo segundo receptor GPS, que é conhecido como receptor móvel. As informações corrigidas podem ser aplicadas aos dados do receptor móvel em tempo real no campo usando sinais de rádio ou por meio do pós-processamento após a captura de dados usando um software de processamento especial.

DGPS em tempo real

O DGPS em tempo real ocorre quando a estação base calcula e transmite correções para cada satélite à medida que recebe os dados. A correção é recebida pelo receptor móvel por meio de um sinal de rádio se a fonte for terrestre ou por meio de um sinal de satélite se for baseado em satélite e aplicado à posição que está calculando. Como resultado, a posição exibida e registrada no arquivo de dados do receptor GPS móvel é uma posição corrigida diferencialmente.


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Conteúdo

Erros de intervalo equivalente do usuário (UERE) são mostrados na tabela. Também há um erro numérico com um valor estimado, σ n u m < displaystyle sigma _>, de cerca de 1 metro. Os desvios padrão, σ R < displaystyle sigma _>, para os códigos grosseiro / aquisição (C / A) e precisos também são mostrados na tabela. Esses desvios padrão são calculados tomando a raiz quadrada da soma dos quadrados dos componentes individuais (ou seja, RSS para quadrados de soma de raiz). Para obter o desvio padrão da estimativa da posição do receptor, esses erros de faixa devem ser multiplicados pela diluição apropriada dos termos de precisão e, em seguida, RSS'ed com o erro numérico. Os erros eletrônicos são um dos vários efeitos de degradação da precisão descritos na tabela acima. Quando tomadas em conjunto, as posições horizontais de GPS civis autônomos têm uma precisão de aproximadamente 15 metros (50 pés). Esses efeitos também reduzem a precisão do código P (Y) mais preciso. No entanto, o avanço da tecnologia significa que, no presente, os pontos de GPS civis sob uma visão clara do céu têm uma precisão média de cerca de 5 metros (16 pés) na horizontal.

O termo erro de alcance equivalente do usuário (UERE) refere-se ao erro de um componente na distância do receptor a um satélite. Esses erros UERE são dados como ± erros, o que implica que são erros imparciais ou de média zero. Esses erros UERE são, portanto, usados ​​no cálculo dos desvios-padrão. O desvio padrão do erro na posição do receptor, σ r c < displaystyle sigma _>, é calculado multiplicando PDOP (Diluição de Posição de Precisão) por σ R < displaystyle sigma _>, o desvio padrão dos erros de faixa equivalentes do usuário. σ R < displaystyle sigma _> é calculado tirando a raiz quadrada da soma dos quadrados dos desvios-padrão dos componentes individuais.

O PDOP é calculado como uma função das posições do receptor e do satélite. Uma descrição detalhada de como calcular o PDOP é fornecida na seção Diluição geométrica de computação de precisão (GDOP).

O desvio padrão do erro na posição estimada do receptor σ r c < displaystyle sigma _>, novamente para o código C / A é dado por:

O diagrama de erro à esquerda mostra a inter-relação da posição indicada do receptor, a verdadeira posição do receptor e a interseção das quatro superfícies da esfera.

A posição calculada por um receptor GPS requer a hora atual, a posição do satélite e o atraso medido do sinal recebido. A precisão da posição depende principalmente da posição do satélite e do atraso do sinal.

Para medir o atraso, o receptor compara a sequência de bits recebida do satélite com uma versão gerada internamente. Ao comparar as bordas ascendente e posterior das transições de bits, a eletrônica moderna pode medir o deslocamento do sinal em cerca de um por cento da largura de pulso de um bit, 0,01 × 300, 000, 000 m / s (1,023 × 10 6 / s) < displaystyle < frac <0,01 times 300.000.000m / s> <(1,023 vezes 10 ^ <6> / mathrm ) >>>, ou aproximadamente 10 nanossegundos para o código C / A. Como os sinais de GPS se propagam à velocidade da luz, isso representa um erro de cerca de 3 metros.

Este componente de precisão de posição pode ser melhorado por um fator de 10 usando o sinal P (Y) de alta potência. Assumindo o mesmo um por cento de precisão de largura de pulso de bit, o sinal P (Y) de alta frequência resulta em uma precisão de (0,01 × 300, 000, 000 m / s) (10,23 × 10 6 / s) < displaystyle < frac <(0,01 vezes 300.000.000 mathrm )> <(10,23 vezes 10 ^ <6> / mathrm ) >>> ou cerca de 30 centímetros.

As inconsistências das condições atmosféricas afetam a velocidade dos sinais de GPS à medida que passam pela atmosfera terrestre, especialmente a ionosfera. Corrigir esses erros é um desafio significativo para melhorar a precisão da posição do GPS. Esses efeitos são menores quando o satélite está diretamente acima e se tornam maiores para os satélites mais próximos do horizonte, uma vez que o caminho através da atmosfera é mais longo (consulte a massa de ar). Uma vez que a localização aproximada do receptor é conhecida, um modelo matemático pode ser usado para estimar e compensar esses erros.

Atraso ionosférico de um sinal de microondas depende de sua frequência. Ele surge da atmosfera ionizada (consulte Conteúdo total de elétrons). Esse fenômeno é conhecido como dispersão e pode ser calculado a partir de medidas de atrasos para duas ou mais bandas de frequência, permitindo estimar atrasos em outras frequências. [1] Alguns receptores militares e caros civis de nível de pesquisa calculam a dispersão atmosférica a partir dos diferentes atrasos nas frequências L1 e L2 e aplicam uma correção mais precisa. Isso pode ser feito em receptores civis sem descriptografar o sinal P (Y) transportado em L2, rastreando a onda portadora em vez do código modulado. Para facilitar isso em receptores de baixo custo, um novo sinal de código civil em L2, chamado L2C, foi adicionado aos satélites Block IIR-M, que foi lançado pela primeira vez em 2005. Ele permite uma comparação direta dos sinais L1 e L2 usando o sinal codificado sinal em vez da onda portadora.

Os efeitos da ionosfera geralmente mudam lentamente e podem ter sua média calculada ao longo do tempo. Aqueles para qualquer área geográfica particular podem ser facilmente calculados comparando a posição medida por GPS com um local levantado conhecido. Esta correção também é válida para outros receptores no mesmo local geral. Vários sistemas enviam essas informações por rádio ou outros links para permitir que receptores somente L1 façam correções ionosféricas. Os dados ionosféricos são transmitidos via satélite em sistemas de aumento baseados em satélite (SBAS), como Wide Area Augmentation System (WAAS) (disponível na América do Norte e Havaí), EGNOS (Europa e Ásia), Sistema multifuncional de aumento de satélite (MSAS) ( Japão), e GPS Aided Geo Augmented Navigation (GAGAN) (Índia), que a transmite na frequência GPS usando uma sequência especial de ruído pseudo-aleatória (PRN), portanto, apenas um receptor e uma antena são necessários.

A umidade também causa um atraso variável, resultando em erros semelhantes ao atraso ionosférico, mas ocorrendo na troposfera. Este efeito é mais localizado do que os efeitos ionosféricos, muda mais rapidamente e não depende da frequência. Essas características tornam a medição precisa e a compensação de erros de umidade mais difíceis do que os efeitos ionosféricos. [2]

A pressão atmosférica também pode alterar o atraso na recepção dos sinais, devido aos gases secos presentes na troposfera (78% N2, 21% O2, 0,9% Ar.). Seu efeito varia com a temperatura local e a pressão atmosférica de maneira bastante previsível, usando as leis dos gases ideais. [3]

Os sinais de GPS também podem ser afetados por problemas de multipercurso, onde os sinais de rádio refletem em edifícios circundantes, paredes de desfiladeiro, solo duro, etc. Esses sinais atrasados ​​causam erros de medição que são diferentes para cada tipo de sinal de GPS devido à sua dependência do comprimento de onda . [4]

Uma variedade de técnicas, mais notavelmente espaçamento de correlator estreito, foi desenvolvida para mitigar erros de multipercurso. Para multipath de longo retardo, o próprio receptor pode reconhecer o sinal rebelde e descartá-lo. Para abordar multipath de atraso mais curto do sinal refletido do solo, antenas especializadas (por exemplo, uma antena de anel de estrangulamento) podem ser usadas para reduzir a potência do sinal conforme recebido pela antena. As reflexões de atraso curto são mais difíceis de filtrar porque interferem com o sinal verdadeiro, causando efeitos quase indistinguíveis das flutuações de rotina no atraso atmosférico.

Os efeitos do multipercurso são muito menos graves em veículos em movimento. Quando a antena GPS está se movendo, as soluções falsas usando sinais refletidos rapidamente falham em convergir e apenas os sinais diretos resultam em soluções estáveis.

Embora os dados das efemérides sejam transmitidos a cada 30 segundos, as informações em si podem ter até duas horas. A variabilidade na pressão da radiação solar [5] tem um efeito indireto na precisão do GPS devido ao seu efeito nos erros de efemérides. Se for necessário um tempo rápido para a primeira correção (TTFF), é possível fazer o upload de uma efeméride válida para um receptor e, além de definir o tempo, uma posição fixa pode ser obtida em menos de dez segundos. É possível colocar esses dados de efemérides na web para que possam ser carregados em dispositivos GPS móveis.[6] Veja também GPS assistido.

Os relógios atômicos dos satélites apresentam ruído e erros de desvio do relógio. A mensagem de navegação contém correções para esses erros e estimativas da precisão do relógio atômico. No entanto, eles são baseados em observações e podem não indicar o estado atual do relógio.

Esses problemas tendem a ser muito pequenos, mas podem somar alguns metros (dezenas de pés) de imprecisão. [7]

Para um posicionamento muito preciso (por exemplo, em geodésia), esses efeitos podem ser eliminados por GPS diferencial: o uso simultâneo de dois ou mais receptores em vários pontos de levantamento. Na década de 1990, quando os receptores eram bastante caros, alguns métodos de quase diferencial GPS foram desenvolvidos, usando apenas 1 receptor, mas reocupação de pontos de medição. Na TU Viena, o método foi denominado qGPS e software de pós-processamento foi desenvolvido. [ citação necessária ]

Cálculo da diluição geométrica da precisão Editar

O conceito de diluição geométrica de precisão foi introduzido na seção, fontes de erro e análise. Os cálculos foram fornecidos para mostrar como o PDOP foi usado e como ele afetou o desvio padrão do erro de posição do receptor.

Quando os satélites GPS visíveis estão próximos uns dos outros no céu (ou seja, pequena separação angular), os valores DOP são altos quando distantes, os valores DOP são baixos. Conceitualmente, os satélites próximos não podem fornecer tanta informação quanto os satélites amplamente separados. Valores baixos de DOP representam uma melhor precisão posicional do GPS devido à maior separação angular entre os satélites usados ​​para calcular a posição do receptor GPS. HDOP, VDOP, PDOP e TDOP são respectivamente Horizontal, Vertical, Posição (3-D) e Diluição de Precisão de Tempo.

Figura 3.1 Diluição de precisão de dados de GPS Navstar da Guarda Costeira dos EUA fornecem uma indicação gráfica de como a geometria afeta a precisão. [8]

Agora assumimos a tarefa de calcular a diluição dos termos de precisão. Como uma primeira etapa no cálculo do DOP, considere o vetor unitário do receptor ao satélite i com componentes (x i - x) R i < displaystyle < frac <(x_-x)><>>>>, (y i - y) R i < displaystyle < frac <(y_-y)><>>>>, e (z i - z) R i < displaystyle < frac <(z_-z)><>>>> onde a distância do receptor ao satélite, R i < displaystyle R_>, é dado por:

Os primeiros três elementos de cada linha de UMA são os componentes de um vetor unitário do receptor ao satélite indicado. Os elementos da quarta coluna são c, onde c denota a velocidade da luz. Formule a matriz, Q, como

Este cálculo está de acordo com o Capítulo 11 do sistema de posicionamento global de Parkinson e Spilker, onde a matriz de ponderação, P, foi definido para a matriz de identidade. Os elementos do Q matriz são designados como: [9]

Derivação de equações para calcular diluição geométrica de precisão Editar

As equações para calcular a diluição geométrica dos termos de precisão foram descritas na seção anterior. Esta seção descreve a derivação dessas equações. O método usado aqui é semelhante ao usado em "Sistema de Posicionamento Global (visualização) de Parkinson e Spiker"

Poste a multiplicação das matrizes em ambos os lados da equação (2) pelas matrizes correspondentes na equação (3), os resultados

Tomando o valor esperado de ambos os lados e pegando as matrizes não aleatórias fora do operador de expectativa, E, os resultados são:

Assumindo que os erros de pseudo-faixa não estão correlacionados e têm a mesma variância, a matriz de covariância no lado direito pode ser expressa como um escalar vezes a matriz de identidade. Desse modo

Da equação (7), segue-se que as variâncias da posição indicada do receptor e do tempo são

Os demais termos de variação de posição e erro de tempo seguem de maneira direta.

O GPS incluiu um recurso (atualmente desativado) chamado Disponibilidade Seletiva (SA) que adiciona erros intencionais com variação de tempo de até 100 metros (328 pés) aos sinais de navegação disponíveis publicamente. A intenção era negar a um inimigo o uso de receptores GPS civis para orientação de armas de precisão.

Os erros de SA são, na verdade, pseudo-aleatórios, gerados por um algoritmo criptográfico de um classificado semente chave disponível apenas para usuários autorizados (militares dos EUA, seus aliados e alguns outros usuários, principalmente o governo) com um receptor GPS militar especial. A mera posse do receptor é insuficiente; ela ainda precisa da chave diária rigidamente controlada.

Antes de ser desligado em 2 de maio de 2000, os erros SA típicos eram cerca de 50 m (164 pés) na horizontal e cerca de 100 m (328 pés) na vertical. [10] Como o SA afeta todos os receptores GPS em uma determinada área quase igualmente, uma estação fixa com uma posição conhecida com precisão pode medir os valores de erro SA e transmiti-los aos receptores GPS locais para que eles possam corrigir suas posições fixas. Isso é chamado de GPS diferencial ou DGPS. O DGPS também corrige várias outras fontes importantes de erros de GPS, particularmente o atraso ionosférico, por isso continua a ser amplamente usado, embora o SA tenha sido desligado. A ineficácia do SA em face do DGPS amplamente disponível foi um argumento comum para desativar o SA, e isso foi finalmente feito por ordem do presidente Clinton em 2000. [11]

Os serviços DGPS estão amplamente disponíveis em fontes comerciais e governamentais. Os últimos incluem WAAS e a rede da Guarda Costeira dos EUA de faróis de navegação marítima LF. A precisão das correções depende da distância entre o usuário e o receptor DGPS. À medida que a distância aumenta, os erros nos dois locais também não se correlacionam, resultando em correções diferenciais menos precisas.

Durante a Guerra do Golfo de 1990–91, a escassez de unidades militares de GPS fez com que muitas tropas e suas famílias comprassem unidades civis prontamente disponíveis. A disponibilidade seletiva impediu significativamente o uso desses GPS pelo próprio exército dos EUA no campo de batalha, de modo que os militares tomaram a decisão de desligá-lo durante a guerra.

Na década de 1990, as FAA começaram a pressionar os militares para desligar o SA permanentemente. Isso economizaria milhões de dólares para a FAA todos os anos na manutenção de seus próprios sistemas de navegação por rádio. A quantidade de erro adicionada foi "definida como zero" [12] à meia-noite de 1º de maio de 2000 após um anúncio do presidente dos EUA, Bill Clinton, permitindo que os usuários acessem o sinal L1 sem erros. De acordo com a diretiva, o erro induzido de SA foi alterado para não adicionar nenhum erro aos sinais públicos (código C / A). A ordem executiva de Clinton exigia que o SA fosse zerado até 2006, o que aconteceu em 2000, quando os militares dos EUA desenvolveram um novo sistema que fornece a capacidade de negar GPS (e outros serviços de navegação) a forças hostis em uma área específica de crise sem afetar o resto do mundo ou de seus próprios sistemas militares. [12]

Em 19 de setembro de 2007, o Departamento de Defesa dos Estados Unidos anunciou que os futuros satélites GPS III não seriam capazes de implementar SA, [13] tornando a política permanente. [14]

Outra restrição ao GPS, o antispoofing, permanece. Isso criptografa o P-code de modo que não pode ser imitado por um transmissor enviando informações falsas. Poucos receptores civis já usaram o código P, e a precisão atingível com o código C / A público foi muito melhor do que o esperado originalmente (especialmente com DGPS), tanto que a política antispoof tem relativamente pouco efeito na maioria dos usuários civis. Desligar o antispoof beneficiaria principalmente os pesquisadores e alguns cientistas que precisam de posições extremamente precisas para experimentos como rastrear o movimento da placa tectônica.

Existem várias fontes de erro devido a efeitos relativísticos [15] que tornariam o sistema inútil se não corrigido. Três efeitos relativísticos são a dilatação do tempo, a mudança da frequência gravitacional e os efeitos da excentricidade. Os exemplos incluem o tempo relativístico desacelerando devido à velocidade do satélite de cerca de 1 parte em 10 10, a dilatação do tempo gravitacional que faz um satélite rodar cerca de 5 partes em 10 10 mais rápido do que um relógio baseado na Terra, e o efeito Sagnac devido à rotação em relação aos receptores na Terra. Esses tópicos são examinados a seguir, um de cada vez.

Edição de relatividade geral e especial

De acordo com a teoria da relatividade, devido ao seu movimento e altura constantes em relação ao referencial centrado na Terra, não giratório aproximadamente inercial, os relógios dos satélites são afetados por sua velocidade. A relatividade especial prevê que a frequência dos relógios atômicos que se movem nas velocidades orbitais do GPS marcará mais lentamente do que os relógios estacionários em solo por um fator de v 2 2 c 2 ≈ 10 - 10 < displaystyle < frac > <2c ^ <2> >> approx 10 ^ <-10>>, ou resultar em um atraso de cerca de 7 μs / dia, onde a velocidade orbital é v = 4 km / s, ec = a velocidade da luz . Este efeito de dilatação do tempo foi medido e verificado usando o GPS.

O efeito da mudança de frequência gravitacional no GPS devido à relatividade geral é que um relógio mais próximo de um objeto massivo será mais lento do que um relógio mais distante. Aplicado ao GPS, os receptores estão muito mais próximos da Terra do que os satélites, fazendo com que os relógios do GPS sejam mais rápidos por um fator de 5 × 10 −10, ou cerca de 45,9 μs / dia. Esta mudança de frequência gravitacional é perceptível.

Ao combinar a dilatação do tempo e o deslocamento da frequência gravitacional, a discrepância é de cerca de 38 microssegundos por dia, uma diferença de 4,465 partes em 10 10. [16] Sem correção, erros de aproximadamente 11,4 km / dia se acumulariam na posição. [17] Este erro inicial de pseudo-faixa é corrigido no processo de resolução das equações de navegação. Além disso, as órbitas de satélite elípticas, em vez de circulares perfeitas, fazem com que a dilatação do tempo e os efeitos da mudança de frequência gravitacional variem com o tempo. Este efeito de excentricidade faz com que a diferença da taxa de clock entre um satélite GPS e um receptor aumente ou diminua dependendo da altitude do satélite.

Para compensar a discrepância, o padrão de frequência a bordo de cada satélite recebe um deslocamento de taxa antes do lançamento, tornando-o um pouco mais lento do que a frequência desejada na Terra especificamente, em 10,22999999543 MHz em vez de 10,23 MHz. [18] Uma vez que os relógios atômicos a bordo dos satélites GPS são precisamente ajustados, isso torna o sistema uma aplicação prática de engenharia da teoria científica da relatividade em um ambiente do mundo real. [19] A colocação de relógios atômicos em satélites artificiais para testar a teoria geral de Einstein foi proposta por Friedwardt Winterberg em 1955. [20]

Cálculo da dilatação do tempo Editar

Para calcular a quantidade de dilatação do tempo diária experimentada pelos satélites GPS em relação à Terra, precisamos determinar separadamente as quantidades devidas à relatividade especial (velocidade) e à relatividade geral (gravidade) e soma-los.

O valor devido à velocidade será determinado usando a transformação de Lorentz. Isto será:

Para pequenos valores de v / c, usando a expansão binomial, isso se aproxima de:

Os satélites GPS se movem a 3874 m / s em relação ao centro da Terra. [18] Assim determinamos:

Essa diferença abaixo de 1 de 8,349 × 10 −11 representa a fração pela qual os relógios dos satélites se movem mais devagar do que os da Terra. Em seguida, é multiplicado pelo número de nanossegundos em um dia:

Ou seja, os relógios dos satélites perdem 7.214 nanossegundos por dia devido aos efeitos da relatividade especial.

Observe que essa velocidade de 3874 m / s é medida em relação ao centro da Terra, e não à sua superfície, onde estão os receptores GPS (e os usuários). Isso ocorre porque o equipotencial da Terra torna a dilatação do tempo líquido igual em toda a sua superfície geodésica. [21] Ou seja, a combinação dos efeitos especiais e gerais torna a dilatação do tempo líquido no equador igual à dos pólos, que por sua vez estão em repouso em relação ao centro. Portanto, usamos o centro como ponto de referência para representar toda a superfície.

A quantidade de dilatação devido à gravidade será determinada usando a equação de dilatação do tempo gravitacional:

Para pequenos valores de Sr, usando a expansão binomial, isso se aproxima de:

Novamente, estamos interessados ​​apenas na fração abaixo de 1 e na diferença entre a Terra e os satélites. Para determinar essa diferença, tomamos:

A Terra tem um raio de 6.357 km (nos pólos) tornando Rterra = 6.357.000 me os satélites têm uma altitude de 20.184 km [18] fazendo seu raio de órbita RGPS = 26.541.000 m. Substituindo-os na equação acima, com Mterra = 5.974 × 10 24 , G = 6,674 × 10-11, e c = 2,998 × 10 8 (todos em unidades SI), dá:

Isso representa a fração pela qual os relógios dos satélites se movem mais rápido do que os da Terra. Em seguida, é multiplicado pelo número de nanossegundos em um dia:

Ou seja, os relógios dos satélites ganham 45.850 nanossegundos por dia devido aos efeitos da relatividade geral. Esses efeitos são somados para fornecer (arredondado para 10 ns):

Conseqüentemente, os relógios dos satélites ganham aproximadamente 38.640 nanossegundos por dia ou 38,6 μs por dia devido aos efeitos da relatividade no total.

Para compensar esse ganho, a frequência de um relógio GPS precisa ser desacelerada pela fração:

5.307 × 10 −10 – 8.349 × 10 −11 = 4.472 × 10 −10

Esta fração é subtraída de 1 e multiplicada pela frequência de relógio pré-ajustada de 10,23 MHz:

(1 – 4.472 × 10 −10 ) × 10.23 = 10.22999999543

Ou seja, precisamos desacelerar os relógios de 10,23 MHz para 10,22999999543 MHz a fim de negar os efeitos da relatividade.

Distorção Sagnac Editar

O processamento da observação GPS também deve compensar o efeito Sagnac. A escala de tempo do GPS é definida em um sistema inercial, mas as observações são processadas em um sistema centrado na Terra e fixo na Terra (co-rotação), um sistema em que a simultaneidade não é definida de forma única. Uma transformação de coordenadas é então aplicada para converter do sistema inercial para o sistema ECEF. A correção do tempo de execução do sinal resultante tem sinais algébricos opostos para satélites nos hemisférios celestes oriental e ocidental. Ignorar esse efeito produzirá um erro leste-oeste da ordem de centenas de nanossegundos ou dezenas de metros na posição. [22]

Como os sinais de GPS em receptores terrestres tendem a ser relativamente fracos, os sinais de rádio naturais ou a dispersão dos sinais de GPS podem dessensibilizar o receptor, dificultando ou impossibilitando a aquisição e o rastreamento dos sinais de satélite.

O clima espacial degrada a operação do GPS de duas maneiras: interferência direta por ruído de explosão de rádio solar na mesma faixa de frequência [23] ou por espalhamento do sinal de rádio GPS em irregularidades ionosféricas conhecidas como cintilação. [24] Ambas as formas de degradação seguem o ciclo solar de 11 anos e atingem o máximo nas manchas solares, embora possam ocorrer a qualquer momento. Explosões de rádio solar estão associadas a erupções solares e ejeções de massa coronal (CMEs) [25] e seu impacto pode afetar a recepção na metade da Terra voltada para o sol. A cintilação ocorre com mais frequência em latitudes tropicais, onde é um fenômeno noturno. Ocorre com menos frequência em latitudes altas ou latitudes médias, onde as tempestades magnéticas podem levar à cintilação. [26] Além de produzir cintilação, as tempestades magnéticas podem produzir gradientes ionosféricos fortes que degradam a precisão dos sistemas SBAS. [27]

Em receptores GPS automotivos, recursos metálicos em pára-brisas, [28] como descongeladores ou películas de tingimento de janelas de carros [29] podem atuar como uma gaiola de Faraday, degradando a recepção apenas dentro do carro.

EMI (interferência eletromagnética) artificial também pode interromper ou bloquear os sinais de GPS. Em um caso bem documentado, foi impossível receber sinais de GPS em todo o porto de Moss Landing, Califórnia, devido ao bloqueio não intencional causado por pré-amplificadores de antena de TV com defeito. [30] [31] Bloqueio intencional também é possível. Geralmente, os sinais mais fortes podem interferir nos receptores GPS quando eles estão dentro do alcance do rádio ou linha de visão. Em 2002, uma descrição detalhada de como construir um bloqueador GPS L1 C / A de curto alcance foi publicada na revista online Phrack. [32]

O governo dos EUA relatou que tais bloqueadores foram usados ​​ocasionalmente durante a Guerra do Afeganistão, e os militares dos EUA destruíram seis bloqueadores de GPS durante a Guerra do Iraque, incluindo um que foi destruído com uma bomba guiada por GPS, observando a ineficácia dos bloqueadores usados ​​naquele situação. [33] Um bloqueador de GPS é relativamente fácil de detectar e localizar, tornando-o um alvo atraente para mísseis anti-radiação. O Ministério da Defesa do Reino Unido testou um sistema de bloqueio no West Country do Reino Unido em 7 e 8 de junho de 2007. [ citação necessária ]

Alguns países permitem o uso de repetidores GPS para permitir a recepção de sinais GPS em ambientes fechados e em locais obscuros, enquanto em outros países estes são proibidos, pois os sinais retransmitidos podem causar interferência de múltiplos caminhos para outros receptores GPS que recebem dados de ambos os satélites GPS e repetidor. No Reino Unido, o Ofcom permite agora a utilização de repetidores GPS / GNSS [34] ao abrigo de um regime de «licença ligeira».


5.3 Fontes de erro GPS

Tente esta experiência de pensamento (Wormley, 2004): conecte seu receptor GPS a um tripé. Ligue-o e registre sua posição a cada dez minutos por 24 horas. No dia seguinte, plote as 144 coordenadas calculadas por seu receptor. Como você acha que o enredo se pareceria?

Você imagina uma nuvem de pontos espalhados pelo local real? Essa é uma expectativa razoável. Agora, imagine desenhar um círculo ou elipse que abrange cerca de 95 por cento dos pontos. Qual seria o raio desse círculo ou elipse? (Em outras palavras, qual é o erro de posicionamento do seu receptor?)

A resposta depende em parte do seu receptor. Se você usou um receptor GPS de custo muito baixo, o raio do círculo que você desenhou pode ser de até dez metros para capturar 95 por cento dos pontos. Se você usou um receptor de frequência única habilitado para WAAS um pouco mais caro, sua elipse de erro pode diminuir para um a três metros ou mais (WAAS faz uso de ambos os sinais de satélite e uma rede de estações de referência terrestres para aumentar a precisão para mais informações sobre WAAS, consulte o site WAAS da FAA). Mas, se você fosse investir vários milhares de dólares em um receptor de dupla frequência de nível de pesquisa, o raio do círculo de erro poderia ser tão pequeno quanto um centímetro ou menos. Em geral, os usuários de GPS obtêm o que pagaram.

Conforme o mercado de posicionamento GPS cresce, os receptores estão se tornando mais baratos. Ainda assim, existem muitos aplicativos de mapeamento para os quais não é prático usar uma unidade de avaliação. Por exemplo, se sua atribuição era para GPS 1.000 bueiros para seu município, você provavelmente não gostaria de configurar e calibrar um receptor de nível de pesquisa 1.000 vezes. Como, então, você pode minimizar os erros associados aos receptores de nível de mapeamento? Um começo sensato é entender as fontes de erro do GPS.

5.3.1 Erros de intervalo equivalente do usuário

Os Erros de Alcance Equivalente do Usuário (UERE) são aqueles relacionados às leituras de tempo e caminho dos satélites devido a anomalias no hardware ou interferência da atmosfera. Uma lista completa das fontes de Erros de Faixa Equivalente do Usuário, em ordem decrescente de suas contribuições para o orçamento de erro total, está abaixo:

  1. Relógio de satélite: Os cálculos da posição GPS, conforme discutido acima, dependem da medição do tempo de transmissão do sinal do satélite para o receptor que, por sua vez, depende do conhecimento da hora em ambas as extremidades.Os satélites NAVSTAR usam relógios atômicos, que são muito precisos, mas podem variar até um milissegundo (o suficiente para fazer uma diferença na precisão). Esses erros são minimizados calculando as correções do relógio (nas estações de monitoramento) e transmitindo as correções junto com o sinal do GPS para receptores GPS devidamente equipados.
  2. Atmosfera superior (ionosfera): Conforme os sinais de GPS passam pela atmosfera superior (a ionosfera 50-1000km acima da superfície), os sinais são atrasados ​​e desviados. A densidade da ionosfera varia, portanto, os sinais são mais atrasados ​​em alguns lugares do que em outros. O atraso também depende de quão perto o satélite está de estar acima (onde a distância que o sinal viaja através da ionosfera é menor). Ao modelar as características da ionosfera, as estações de monitoramento GPS podem calcular e transmitir correções aos satélites, que por sua vez passam essas correções aos receptores. Apenas cerca de três quartos da polarização podem ser removidos, no entanto, deixando a ionosfera como o segundo maior contribuinte para o orçamento de erro do GPS.
  3. Relógio receptor: Os receptores GPS são equipados com relógios de cristal de quartzo menos estáveis ​​do que os relógios atômicos usados ​​nos satélites NAVSTAR. O erro do relógio do receptor pode ser eliminado, entretanto, comparando os tempos de chegada dos sinais de dois satélites (cujos tempos de transmissão são conhecidos com exatidão).
  4. Órbita de satélite: Os receptores GPS calculam as coordenadas relativas às localizações conhecidas dos satélites no espaço, uma tarefa complexa que envolve conhecer as formas das órbitas dos satélites, bem como suas velocidades, nenhuma das quais é constante. O Segmento de Controle GPS monitora as localizações dos satélites o tempo todo, calcula as excentricidades da órbita e compila esses desvios em documentos chamados efemérides. Uma efeméride é compilada para cada satélite e transmitida com o sinal do satélite. Os receptores GPS que são capazes de processar efemérides podem compensar alguns erros orbitais.
  5. Atmosfera inferior: As três camadas inferiores da atmosfera (troposfera, tropopausa e estratosfera) se estendem da superfície da Terra a uma altitude de cerca de 50 km. A baixa atmosfera atrasa os sinais de GPS, aumentando ligeiramente as distâncias calculadas entre os satélites e os receptores. Os sinais dos satélites próximos ao horizonte são os que mais atrasam, uma vez que passam pela maior parte da atmosfera.
  6. Multipath: Idealmente, os sinais de GPS viajam de satélites através da atmosfera diretamente para os receptores GPS. Na realidade, os receptores GPS devem discriminar entre os sinais recebidos diretamente dos satélites e outros sinais que foram refletidos dos objetos ao redor, como prédios, árvores e até mesmo o solo. As antenas são projetadas para minimizar a interferência dos sinais refletidos de baixo, mas os sinais refletidos de cima são mais difíceis de eliminar. Uma técnica para minimizar erros de multipercurso é rastrear apenas os satélites que estão pelo menos 15 ° acima do horizonte, um limite denominado "ângulo de máscara".

Erros de multipercurso são particularmente comuns em ambientes urbanos ou arborizados, especialmente aqueles com grandes vales ou terrenos montanhosos, e são uma das principais razões pelas quais o GPS funciona mal ou não funciona em grandes edifícios, subterrâneos ou em ruas estreitas da cidade com edifícios altos em ambos os lados. Se você já fez geocaching, caminhada ou exploração e notou um serviço de GPS ruim enquanto estava em florestas densas, estava experimentando erros de multipercurso.

5.3.2 Diluição de Precisão

A disposição dos satélites no céu também afeta a precisão do posicionamento do GPS. O arranjo ideal (de no mínimo quatro satélites) é um satélite diretamente acima, três outros igualmente espaçados perto do horizonte (mas acima do ângulo da máscara). Imagine um vasto guarda-chuva que abrange a maior parte do céu, onde os satélites formam a ponta e as pontas das espinhas do guarda-chuva.

As coordenadas GPS calculadas quando os satélites estão agrupados próximos uns dos outros no céu sofrem de diluição de precisão(DOP), um fator que multiplica a incerteza associada aos Erros de Alcance Equivalente do Usuário (UERE - erros associados a relógios de satélite e receptor, a atmosfera, órbitas de satélite e as condições ambientais que levam a erros de multipercurso). O cálculo do DOP resulta em valores que variam de 1 (o melhor caso, que não amplia UERE) a mais de 20 (neste caso, há tanto erro que os dados não devem ser usados). Segundo Van Sickle (2001), o menor DOP encontrado na prática é cerca de 2, o que dobra a incerteza associada ao UERE.

Os receptores GPS relatam vários componentes do DOP, incluindo Diluição Horizontal de Precisão (HDOP) e Diluição Vertical de Precisão (VDOP). A combinação desses dois componentes da posição tridimensional é chamada de PDOP - diluição de posição de precisão. Um elemento chave do planejamento da missão GPS é identificar a hora do dia em que o PDOP é minimizado. Como as órbitas dos satélites são conhecidas, o PDOP pode ser previsto para um determinado tempo e local. Os topógrafos profissionais usam uma variedade de produtos de software para determinar as melhores condições para o trabalho do GPS.


Aplicações industriais (exceto veículos rodoviários)

4.9.2.4 A Constelação do Sistema de Posicionamento Global

O GPS é um sistema de navegação baseado em satélite composto por uma rede de satélites colocados em órbita pelo Departamento de Defesa dos Estados Unidos. O GPS foi originalmente planejado para aplicações militares, mas na década de 1980 o sistema foi disponibilizado para uso civil.

Os satélites GPS circundam a Terra duas vezes por dia em órbita MEO, a ∼14 000 km / h, enquanto transmitem sinais de informação. Na Figura 4.43, uma constelação de 24 satélites é mostrada. Em março de 2008, o número de satélites ativos foi aumentado para 32. Os satélites adicionais melhoram a precisão dos cálculos do receptor GPS, fornecendo medições redundantes. Com 32 satélites, a constelação foi alterada para um arranjo não uniforme, melhorando a confiabilidade e disponibilidade do sistema quando vários satélites falham.

Figura 4.43. Representação da constelação GPS: 24 satélites orbitando a cerca de 20 200 km da Terra em seis órbitas MEO inclinadas 55 ° vs o plano do equador. Cada satélite dura ∼10 anos, pesa ∼900 kg e tem 5,3 m de diâmetro com os painéis solares estendidos. O número de satélites aumentou para 32 em março de 2008.

Os receptores GPS pegam as informações do GPS e usam a triangulação para calcular sua localização exata. Essencialmente, o receptor GPS compara a hora em que um sinal foi transmitido por um satélite com a hora em que foi recebido. A diferença de tempo informa ao receptor GPS a distância do satélite. Cada satélite possui um relógio atômico e transmite continuamente mensagens contendo a hora exata, a localização do satélite (as efemérides) e o estado geral do sistema (o almanaque). O receptor, usando seu próprio relógio, mede cuidadosamente o tempo de recepção de cada mensagem, e deve usar o sinal de pelo menos três satélites para calcular uma posição 2D (latitude e longitude) e rastrear o movimento. Com quatro ou mais satélites à vista, o receptor pode determinar sua posição 3D (latitude, longitude e altitude). Uma vez que a posição foi determinada, a unidade GPS pode calcular outros parâmetros, como velocidade, rumo, caminho, distância de viagem, etc.

Os receptores GPS de hoje são extremamente precisos (de 10 a 20 m), graças ao seu design multicanal paralelo, um receptor de 12 canais, por exemplo, pode travar em 12 satélites. Certos fatores atmosféricos e outras fontes de erro podem afetar a precisão do receptor.

Para descrever o sistema GPS completo, três segmentos, ou seja, espaço, controle e usuário devem ser considerados. O segmento espacial, compreendendo os satélites GPS, ou veículos espaciais, foi descrito acima. O segmento de controle é representado por cinco estações de monitoramento, três antenas terrestres e uma estação de controle mestre localizada em Colorado Springs (EUA). A estação mestre contata cada satélite regularmente com uma atualização de navegação. Isso permite a sincronização dos relógios atômicos a bordo dos satélites em alguns nanossegundos e o ajuste do modelo orbital interno do satélite. O segmento do usuário do sistema GPS é o receptor. Em geral, os receptores GPS são compostos de uma antena que captura as frequências transmitidas pelos satélites, processadores e um relógio altamente estável (geralmente um oscilador de cristal). Eles também podem incluir um display para fornecer a localização e outras informações.

Uma descrição mais detalhada do subsistema central do receptor pode ser útil [42, 43].

Os satélites GPS transmitem um fluxo de dados na frequência primária L1 de 1,57 GHz, que transporta o sinal codificado de aquisição grosseira (C / A) a ser capturado pela antena do receptor. O receptor GPS mede o tempo de chegada do código C / A em uma fração de milissegundo. Além da antena, um receptor GPS normalmente inclui os seguintes componentes (ver Figura 4.44):


GPS (Sistema de Posicionamento Global): Exatidão e Precisão

A precisão de GPS(Sistema de Posicionamento Global) refere-se ao nível de distância que o GPS exibe até a localização real do objeto rastreado. Na lista de pontos-chave e benefícios de um dispositivo GPS estão sua exatidão, precisão e confiabilidade. O Sistema de Posicionamento Global (GPS) falhas e erros podem ser reduzidos a uma quantidade suficientemente pequena, que o sistema oferece excelentes resultados em fins comerciais. Para que quase todas as unidades GPS funcionem, as antenas exigem uma visão cristalina do céu para se conectar aos satélites. É por isso que o GPS não funciona dentro de edifícios. Os dispositivos GPS calculam sua localização analisando a distância entre o receptor de rastreamento GPS e pelo menos mais quatro satélites do sistema GPS. Os satélites geoestacionários transmitem impulsos de rádio para os dispositivos de rastreamento GPS regularmente, permitindo que os cálculos de localização aconteçam. Inicialmente, o GPS começou como um sistema de orientação de serviços militares, no entanto, com o passar dos anos, tornou-se um sistema avançado de navegação e localização. Os receptores GPS são agora considerados produtos eletrônicos de consumo e hoje quase todas as empresas de frota utilizam dispositivos de rastreamento GPS em seus veículos.

Há uma variedade de fatores que afetam a precisão e confiabilidade, independentemente do que Receptor GPS está sendo utilizado para. Os sinais de rádio GPS passam por diferentes condições atmosféricas e climáticas durante a viagem para a Terra. Essas condições podem frequentemente atrasar os sinais de GPS e, portanto, afetar a precisão de um Rastreador GPS. A geometria dos satélites geoestacionários usados ​​provavelmente também diferirá com o tempo. O sistema GPS possui uma seleção maior de satélites disponíveis se você estiver no centro de um grande campo, em vez de estar sentado em um café em Londres, Reino Unido. Você obterá posições muito melhores se os satélites geoestacionários aos quais está conectado não estiverem agrupados em uma parte do céu. Portanto, quanto mais visão do céu você tiver, mais satélites para conectar-se e mais preciso será o seu dispositivo de rastreamento GPS. Cidades e metrópoles também podem causar falhas no rastreamento GPS, onde os sinais de rastreamento GPS podem ricochetear nos edifícios. Para dispositivos de rastreamento GPS de veículos, a precisão deve ser suficiente para rastrear o posicionamento em relação ao mapa identificado salvo na plataforma de rastreamento GPS usada.

Os receptores A-GPS nos iPhones da Apple foram progressivamente aprimorados do iPhone 3 para o iPhone 7 nos últimos anos. O A-GPS é provavelmente o mais preciso dos três programas GPS em seu smartphone. O sistema A-Gps funciona de maneira um pouco diferente em comparação com os receptores portáteis de dispositivos GPS Tracker. O local de orientação é fornecido pela rede de telefonia celular. Quando conectado a uma rede celular, o telefone móvel fará o download de informações a respeito da localização real dos satélites. Isso permite que o telefone bloqueie a localização de um satélite com muito mais rapidez do que em qualquer outro caso. Os recursos de GPS de um telefone celular ainda podem ser utilizados se a rede celular estiver inacessível naquele momento. Dito isto, quando desconectado de uma rede, seu smartphone levará vários minutos para estabelecer um link com 4 satélites para determinar a localização GPS.

A eficácia de um sinal GPS é apresentada em decibéis. No momento em que os sinais percorrem os 22.200 km do satélite GPS até a superfície da Terra, o sinal fica tão fraco quanto -125dBm para -130dBm, mesmo durante o céu aberto. Na cidade, em ambientes urbanos desenvolvidos ou abaixo da cobertura florestal, o sinal pode cair para até -150dBm. Para a apresentação do sinal, quanto maior o valor negativo, menos forte é a transmissão. Nesses níveis baixos, alguns dispositivos GPS podem ter dificuldade em obter um link funcional, mas podem continuar o rastreamento GPS se um sinal foi inicialmente adquirido em ambiente aberto. Um receptor GPS sensível e de alta qualidade pode adquirir sinais de satélites de até -155 dBm e o rastreamento pode ser realizado até faixas que se aproximam -165 dBm.

Para determinar a distância e localização, o receptor do sistema GPS coleta dados de cada satélite. O receptor calcula inicialmente o tempo que esses sinais de GPS levaram para chegar ao dispositivo. Ele faz isso subtraindo a diferença entre o horário em que o sinal foi enviado, esse horário está contido na mensagem do sinal. Em seguida, ele calcula a hora em que o sinal foi adquirido, usando um relógio interno. Como os sinais viajam à velocidade da luz, mesmo um erro de cálculo de 1 milissegundo significa uma imprecisão de 300 km da distância calculada. Para reduzir esse pequeno nível de erro, você precisaria de um relógio atômico. No entanto, isso não é apenas impraticável para produtos rastreadores GPS de consumo, os satélites do Sistema GPS fornecem sinais apenas a cada 10 nanossegundos, tempo durante o qual um sinal viajaria 3 metros, o que no total resultaria em um erro significativo. É especificamente por esta razão que são necessários pelo menos quatro satélites GPS. Os satélites extras são utilizados para ajudar a corrigir erros e falhas. Embora raramente seja liberado para a mídia, é importante que os receptores do dispositivo GPS Tracker incluam algoritmos de correção de erros codificados. Nos livros didáticos, um satélite GPS parece fornecer a localização correta, mas, na realidade, os sinais devem ser recebidos de um mínimo de 4 satélites para ter precisão de falhas.

Como mencionado anteriormente, geralmente quanto mais satélites forem encontrados para determinar sua posição, maior será o nível de exatidão, precisão e confiabilidade. À medida que os satélites GPS orbitam ao redor do planeta Terra, o número de satélites em linha de visão em circunstâncias ideais varia naturalmente. Obviamente, o posicionamento dos satélites está totalmente fora de nossas mãos, mas vale a pena identificar que este é um elemento com impacto na precisão. Por exemplo, esta é uma das muitas razões pelas quais duas trilhas de dispositivos GPS gravadas em momentos diferentes podem ser diferentes. Se você tiver tempo, pode valer a pena documentar uma trilha uma segunda vez ou até mais e calcular os resultados. Uma nova geração de satélites está sendo lançada, que prometem um grande aumento não só na precisão, mas também na disponibilidade do GPS. Designado como GPS III, um grupo de 30 novos satélites irá substituir os satélites atualmente envelhecidos que foram colocados em órbita nos últimos 40 anos.

Rewire Security oferece dispositivos de rastreamento GPS de alta qualidade e software confiável de rastreamento GPS para seus clientes, que é preciso e exato até 1 & # 8211 2 metros.


Como funciona o rastreador GPS?

O GPS, ou sistema de posicionamento global, usa de 24 a 32 satélites movidos a energia solar e suas estações terrestres para transmitir informações para GPS.

A ideia principal dos sistemas GPS é determinar a localização de um determinado objeto ou pessoa em tempo real. Os sistemas de rastreamento GPS utilizam a rede do sistema global de navegação por satélite (GNSS). Cada um desses satélites em órbita envia sinais de microondas para um receptor. O receptor dentro do rastreador GPS usa esses sinais para calcular sua localização precisa de pelo menos quatro dos satélites GPS. Finalmente, sua localização é determinada quando o sistema triangula sua posição exata no planeta para os metros mais próximos com base nessas distâncias.

O processo segue um princípio matemático simples denominado trilateração. Para completar o cálculo matemático, os receptores GPS usam a posição precisa de pelo menos 4 satélites e a distância de cada um para estimar 4 valores: latitude terrestre, longitude terrestre, elevação e tempo. A posição e as distâncias até um determinado satélite determinam a posição do receptor. A posição precisa de um satélite é repetidamente transmitida a todos os receptores na linha de visão e geralmente requerem céu aberto. A distância até um satélite é determinada pelo tempo preciso em que a transmissão do satélite chega ao receptor. O tempo gerado pelo relógio atômico de cada satélite é transmitido pelo satélite em intervalos predefinidos.


Precisão do GPS: HDOP, PDOP, GDOP, Multipath & # 038 the Atmosphere

Você já se perguntou sobre o seu Precisão GPS?

Um receptor GPS bem projetado pode atingir uma precisão horizontal de 3 metros ou melhor.

Para precisão vertical, pode atingir uma precisão de 5 metros ou melhor 95% do tempo. Os sistemas de GPS aumentados podem fornecer uma precisão submétrica.

Mas ainda não é perfeito. Quais são as fontes de erros de GPS que podem deixá-lo a metros de sua marca?

O que diminui a precisão do GPS?

Aqui estão as maneiras possíveis que podem diminuir a precisão de um receptor GPS.

Por exemplo, a geometria, as condições atmosféricas e até mesmo objetos próximos podem reduzir a qualidade de um sinal GPS.

Aqui estão as principais causas de erro e degradação:

GDOP / PDOP - Geométrico / Diluição de Posição de Precisão

GDOP (diluição geométrica de precisão) ou PDOP (diluição de posição de precisão) descreve o erro causado pela posição relativa dos satélites GPS.

Basicamente, o mais sinais que um receptor GPS pode “ver” (separados ou próximos uns dos outros), mais preciso pode ser.

Do ponto de vista do observador, se os satélites estão espalhados no céu, então o receptor GPS tem um bom GDOP.

Mas se os satélites estiverem fisicamente próximos, então você tem um GDOP ruim. Isso diminui a qualidade do seu posicionamento GPS potencialmente em metros.

Refração da atmosfera

A troposfera e a ionosfera podem alterar a velocidade de propagação de um sinal GPS. Devido às condições atmosféricas, a atmosfera refrata os sinais de satélite à medida que eles passam em seu caminho para a superfície da Terra.

Para corrigir isso, o GPS pode usar duas frequências separadas para minimizar o erro de velocidade de propagação. Dependendo das condições, este tipo de erro de GPS pode deslocar a posição em qualquer lugar de 5 metros.

Efeitos multipercurso

Uma possível fonte de erro nos cálculos do GPS é o efeito multipercurso. O multipercurso ocorre quando o sinal do satélite GPS ricocheteia em estruturas próximas como edifícios e montanhas.

Na verdade, seu receptor GPS detecta o mesmo sinal duas vezes em intervalos diferentes. No entanto, esse erro é um pouco menos preocupante e pode causar um erro de posição a partir de 1 metro.

Hora e localização do satélite (efemérides)

A precisão do relógio atômico de um satélite GPS é um nanossegundo para cada tique do relógio. Isso é muito impressionante.

Usando a trilateração de sinais de tempo em órbita, os receptores GPS no solo podem obter posições precisas. Mas devido à imprecisão do relógio atômico do satélite sendo sincronizado, isso pode compensar uma medição de posição em 2 metros ou mais.

As informações das efemérides contêm detalhes sobre a localização desse satélite específico. Mas se você não souber a localização exata em um determinado momento, isso pode ser uma fonte de erro.

Disponibilidade Seletiva

Antes de maio de 2000, o governo dos Estados Unidos adicionou código ofuscado variável com o tempo ao Sistema de Posicionamento Global. Exceto para grupos privilegiados como os militares dos EUA e seus aliados, essa precisão do GPS degradou intencionalmente.

Todo esse processo de degradação do sinal GPS é denominado disponibilidade seletiva. Com a disponibilidade seletiva habilitada, os sinais adicionaram 50 metros de erro horizontalmente e 100 metros verticalmente. Considerando todas as coisas, isso reduziu significativamente a precisão do GPS.

Na época, o GPS diferencial foi capaz de corrigir. Mas depois de 2000, essa fonte de erro de GPS não era mais uma preocupação, pois o botão de disponibilidade seletiva foi desligado.

Como melhorar a precisão do GPS

Apesar de todos os possíveis tipos de erros que podem reduzir a precisão de um GPS, existem maneiras de melhorar a precisão.

Por exemplo, as duas técnicas principais são:

Vamos dar uma olhada em como funcionam esses dois métodos de correção de GPs.

GPS diferencial

Os receptores DGPS melhoram a precisão usando dois receptores porque os receptores baseados no solo podem fazer medições precisas do erro.

Desde que o receptor GPS estacionário detecte os mesmos sinais de satélite que o seu receptor GPS, ele pode enviar dados de correção para você com base em sua localização pesquisada com precisão.

Sistema de aumento baseado em satélite (SBAS)

Esta sistema aumentado transmite o erro corrigido em tempo real junto com o sinal de GPS.

Na verdade, essa é a ideia principal de um sistema de aumento baseado em satélite (SBAS) e pode fornecer precisão de GPS submétrica.

Conclusão

HDOP / PDOP, multipath e efeitos atmosféricos são algumas das fontes comuns de erros de GPS.

Todos esses tipos de erros de GPS pode diminuir a precisão do GPS.

Com o botão de disponibilidade seletiva agora desligado, obtivemos melhorias significativas na precisão do GPS.

E com técnicas como GPS diferencial e Sistema de aumento baseado em satélite (SBAS), as posições podem melhorar para uma precisão submétrica.


Ativação AutoTrac ™

Alcance precisão crítica de operações em campo Alcance precisão crítica de operações em campo

À medida que o equipamento fica maior e as margens mais estreitas, a precisão das operações em campo e da colocação de entrada é mais crítica do que nunca.

Ao fazer um passe em um campo, viajando de uma extremidade do campo a outra, a precisão da posição do passe de retorno é crítica. A precisão de passagem a passagem significa que as linhas estimadas da plantadeira serão precisas e as passagens subsequentes têm menos probabilidade de resultar em danos à cultura.

A repetibilidade define a precisão com que o receptor calcula sua posição em uma janela de tempo relativamente longa.

Monitor GreenStar ™ 3 2630: Aumente a lucratividade e reduza a sobreposição

AutoTrac reduz a sobreposição AutoTrac mantém velocidade

A agricultura requer várias passagens. Isso requer um método de orientação com alto grau de repetibilidade para minimizar a sobreposição (custo extra de sementes, fertilizantes, produtos químicos e horas de máquina) e saltos (perda de produção).

Manter a precisão repetível é importante em todas as operações, especialmente com práticas de cultivo que requerem várias passagens pelo campo. O AutoTrac cria um espaçamento de linha mais consistente, reduzindo o potencial de danos à cultura com passagens subsequentes pelo campo.

Estudos universitários mostraram que os operadores tendem a se sobrepor de 5 a 13 por cento ao longo de um dia inteiro, o que pode significar até 60 cm (23 pol.) De sobreposição com um implemento de cultivo de 6 m (19 pés). Isso significa que um produtor com 300 ha (740 acres) realmente trabalha e paga por 330 ha (815 acres).

Com a redução da sobreposição usando o AutoTrac, mais solo é coberto ao mesmo tempo e insumos como produtos químicos, fertilizantes, combustível, mão de obra e horas de máquina são reduzidos.

Sobreposição reduzida com AutoTrac

Precisão do GPS versus precisão manual

Reduz a fadiga do operador e o tempo gasto em cada campo

O sistema de direção assistida AutoTrac ™ aumenta muito a produtividade do operador, mantendo a precisão e a eficiência consistentes. Os operadores permanecem mais alertas enquanto estão no campo e podem se concentrar nas configurações do implemento e nas variações das condições do campo. O AutoTrac também permite que os operadores criem linhas com espaçamento uniforme após o pôr do sol, bem como na chuva, poeira ou neblina.

AutoTrac aumenta a produtividade

O AutoTrac também melhora o conforto do operador, pois ele tem tempo para se concentrar nas tarefas do implemento.

Reduz a compactação do solo e as passagens

Reduza a compactação com o sistema de orientação AutoTrac ™

Conforme os tratores e equipamentos de campo se tornam maiores e mais pesados, há uma preocupação crescente com a compactação do solo. Equipamentos pesados ​​e implementos de cultivo podem causar danos à estrutura do solo. A estrutura do solo é importante porque determina a capacidade do solo de reter e conduzir água, nutrientes e ar necessários para a atividade das raízes das plantas.

Ao usar o AutoTrac, os operadores podem otimizar o número de passes e reduzir a compactação. Além disso, o operador pode confinar o tráfego entre certas linhas e evitar compactar a área da linha.

O AutoTrac permite que os produtores usem as mesmas faixas de tráfego ano após ano, sacrificando uma pequena parte do campo em favor de não haver tráfego de rodas na maior parte do campo. Restringir o tráfego a faixas específicas também fornece uma superfície de solo firme para uma operação mais eficiente do trator.

Sem usar o AutoTrac durante as operações de talhão, há tendência de sobreposição dos passes. Cada passagem por um campo em más condições pode causar danos significativos ao solo.

Use muitas opções de rastreamento para qualquer campo

O sistema de direção de orientação AutoTrac ™ permite que os operadores usem o gerenciamento da linha de marcha com mais eficácia, minimizando a compactação do solo. Além disso, o AutoTrac permite que o operador da máquina selecione entre uma variedade de modos de orientação, incluindo pista reta, curvas AB, curvas adaptáveis, pista circular, preenchimento de limite, acesso à máquina e pista de troca. Essas opções de rastreamento permitem que o operador selecione a pista mais adequada para o talhão e as condições, reduzindo o número de passes necessários para cobrir o talhão.

Pista curva
Pista curva

O modo de rastreamento de curva ajuda os operadores direcionando automaticamente as linhas de orientação curvas em terrenos que não permitem o uso de caminhos retos (colinas ou contornos).

Ao correr com pista curva, tenha em mente estes princípios básicos:

  • A trilha reta é mais precisa do que a trilha curva.
  • Uma máquina com um kit de direção AutoTrac integrado é mais precisa do que uma máquina com o kit de direção AutoTrac Universal.
  • Velocidades mais lentas são mais precisas do que velocidades mais rápidas.
  • Curvas suaves são mais precisas do que curvas de raio de giro estreitas.
Tipos de curvas

Dois modos diferentes podem ser usados ​​dependendo do tipo de curvas que precisam ser criadas: curvas adaptativas ou curvas A / B.

Trilha de curva adaptativa

Esta pista permite que o operador grave uma linha de orientação curva conduzida manualmente. Os operadores que usam um Monitor GreenStar ™ 3 2630 têm a capacidade de registrar e utilizar várias curvas adaptativas por talhão. Este recurso é especialmente útil quando os operadores manobram em torno de terraços ou campos irregulares, mudando constantemente. O modo de curva adaptável também tem a capacidade de conectar segmentos de linha quando a documentação é selecionada como a fonte de gravação. Operadores de colheitadeiras ou colheitadeiras autopropelidas podem achar esta funcionalidade útil se precisarem elevar rapidamente sua plataforma por qualquer motivo.

Trilha curva A / B

Esta pista permite ao operador definir uma linha curva em um campo com dois pontos finais (A e B) e irá gerar linhas de orientação paralelas à pista inicial em qualquer direção.

Pular passe

A linha permanece a mesma em todo o campo e um operador pode usar a faixa de salto.

Obstáculos de campo

Mesmo se um operador contornar um obstáculo no campo, a próxima passagem segue a linha original da pista.

Pista reta
As passagens subsequentes são idênticas à primeira passagem

O modo de pista reta ajuda os operadores dirigindo automaticamente em linha reta. Os operadores podem criar uma linha reta inicial usando uma variedade de opções de configuração diferentes.

Uma vez que a pista foi definida, todas as linhas de pista subsequentes no campo são criadas paralelas umas às outras na distância de espaçamento de pista definida.

O modo Follow track reduz a compactação
Active Implement Guidance ™ usa o modo follow track

Exclusivo da Orientação de Implemento Ativo John Deere, o modo de acompanhamento da trilha auxilia o motorista ao operar cabeceiras ou navegar ao redor de obstáculos, permitindo que o implemento siga o caminho de orientação do trator. Isso ajuda a reduzir os danos à colheita e a compactação do solo.

Círculos manuais com sistema de orientação Parallel Trackingt

O modo de rastreamento de círculo ajuda os operadores a dirigir círculos concêntricos em um campo quando um círculo é configurado e a orientação está sendo usada. Os operadores podem criar um círculo inicial usando uma variedade de métodos diferentes. Uma vez que o círculo inicial foi definido, todos os círculos subsequentes no campo são criados.

O trajeto circular está disponível no modo Parallel Tracking. A ativação do Pivot Pro deve ser adquirida para usar a pista circular com orientação automática.

Círculos concêntricos com Pivot Pro
Modo de rastreamento Pivot Pro

O módulo Pivot Pro permite que o operador guie automaticamente uma máquina em círculos concêntricos definidos em campos com sistemas de irrigação de pivô central.

A funcionalidade de pista circular está incluída no GreenStar Basics, permitindo que o operador guie manualmente a máquina ao redor do círculo concêntrico sem uma ativação de atualização. Emparelhe a ativação do Pivot Pro com o GreenStar AutoTrac para que a máquina gire automaticamente.

O Pivot Pro é aprovado para campos de nível, pois a precisão pode ser degradada à medida que a inclinação aumenta. Se houver inclinação no campo, é possível que o espaço da pista do círculo e a pista da torre do pivô central não coincidam. Lembre-se de que o AutoTrac desenha o espaçamento do círculo como se o plano estivesse nivelado.

Gerenciamento de linhas de bonde
Tela do Tramline

O gerenciamento de linhas de condução oferece a oportunidade de configurar e editar certas linhas de orientação como linhas de condução. Essas linhas serão destacadas em uma cor separada na tela de orientação. O gerenciamento da linha de força está disponível no Monitor GreenStar 3 2630 nos modos de pista reta, curva AB e pista circular.

As linhas elétricas podem ser definidas e armazenadas para cada linha A-B no visor. Isso permite que o operador semeie e plante campos de maneira adequada com linhas de condução precisas definidas. Isso tornará mais fácil reduzir as entradas em todas as operações de campo seguintes, como pulverização.

NOTA: O gerenciamento da linha de bonde não está disponível atualmente nos controles do GreenStar 3 CommandCenter ™.

A trilha de troca fornece aos operadores a capacidade de alternar rapidamente os modos de orientação à medida que trabalham em campos que variam em condições geográficas. Os operadores podem mover-se facilmente da linha reta para qualquer um dos outros modos de rastreamento, conforme necessário. A trilha de troca permite que o operador alterne entre até quatro linhas de orientação diferentes dentro do mesmo talhão no Monitor GreenStar 3 2630. Os operadores também podem alterar a ordem da pista enquanto o AutoTrac está ativado.

A trilha de troca está disponível no Monitor GreenStar 3 2630.

NOTA: Trocar trilha não está disponível no GreenStar 3 CommandCenter.

Escolha entre uma variedade de opções de sistema de direção

Kits de direção AutoTrac ™ em novos tratores AutoTrac Universal para máquinas mais antigas e não John Deere

Quando emparelhado com um Receptor StarFire ™ e Monitor GreenStar ™, o kit de direção da máquina completa os componentes que dirigem a máquina automaticamente. Independentemente do kit de direção, o receptor e o visor ajudam a padronizar a experiência operacional entre as várias máquinas na operação. Isso reduz a curva de aprendizado para novos operadores e torna mais fácil para o operador se concentrar na otimização total da máquina.

Três opções diferentes estão disponíveis:

  • Kit de direção integrado
  • Kit de direção AutoTrac Universal
  • Kit de direção do controlador AutoTrac

AutoTrac - Kit de direção integrado

O kit de direção integrado é conectado diretamente ao sistema de direção da máquina e, portanto, fornece precisão ideal.

  • Integrado - para uma aparência limpa na máquina
  • Máquinas John Deere recentes
  • Equipe John Deere de precisão com máquinas John Deere para o mais alto nível de desempenho, aquisição e precisão

AutoTrac Universal

Um sistema universal não se integra ao sistema de direção existente e pode ser movido entre máquinas.

  • O sistema universal pode ser facilmente movido entre as máquinas
  • Máquinas John Deere e não John Deere
  • Boa aquisição e precisão de linha

Controlador AutoTrac

O Controlador AutoTrac é um sistema AutoTrac integrado instalado em campo que está disponível em tratores John Deere e não John Deere mais antigos.


Como calcular o erro 'fora do caminho' dos dados do GPS? - Sistemas de Informação Geográfica

Artigo por Darren Griffin

Introdução

Quando escrevi este artigo pela primeira vez em 2002, o GPS para consumidor era muito novo, muito caro e muito raro! Consequentemente, a maioria daqueles que optaram por investir em hardware de GPS tinham interesse em descobrir como essa maravilha da tecnologia funcionava. Em 2001, quando a navegação GPS baseada em mapa chegou pela primeira vez, os novos usuários não podiam acreditar que o sistema era gratuito, sem plano de serviço e sem contrato. Qual foi a captura que todos perguntaram? E assim nasceu a semente de uma ideia que se tornou esta explicação.

Mais de 6 anos no GPS é o mainstream, um item de commodity que não é mais surpreendente ou para se maravilhar. Simplesmente abrimos a caixa, ligamos e usamos sem pensar muito na tecnologia que o impulsiona. Mas ainda vale a pena explicar como uma pequena caixa preta colocada em seu painel ou segura em sua mão pode saber onde você está em qualquer lugar da superfície do planeta com uma precisão de cerca de 10m para dispositivos de nível de consumo e 10 mm para dispositivos de nível de pesquisa! Esse dispositivo em seu painel está recebendo um sinal de um satélite orbitando acima de você a uma altitude de mais de 11.000 milhas! Nada mal para um dispositivo que não está conectado a uma antena de 2m!

A rede do Sistema de Posicionamento Global (GPS) que todos usamos é chamada Navstar e é paga e operada pelo Departamento de Defesa dos Estados Unidos (DoD). Este Sistema Global de Navegação por Satélite (GNSS) é atualmente o único sistema totalmente operacional, mas a Rússia tem o GLONASS, a China tem o COMPASS e a UE tem o GALILEO, cada um em vários estágios de desenvolvimento ou teste.

Como um sistema militar, o Navstar foi originalmente projetado e reservado para uso exclusivo dos militares, mas os usuários civis tiveram acesso permitido em 1983. Naquela época, a precisão para usuários civis foi intencionalmente reduzida para +/- 100m usando um sistema conhecido como Disponibilidade Seletiva ( SA), mas isso foi eliminado em maio de 2000.

Os satélites GPS transmitem sinais para um receptor GPS. Esses receptores recebem passivamente os sinais de satélite que eles não transmitem e exigem uma visão desobstruída do céu, portanto, só podem ser usados ​​efetivamente em ambientes externos. Os primeiros receptores não tiveram um bom desempenho em áreas florestadas ou perto de edifícios altos, mas os projetos de receptores posteriores, como SiRFStarIII, MTK, etc., superaram isso e melhoraram o desempenho e a sensibilidade de forma marcante. As operações do GPS dependem de uma referência de tempo muito precisa, fornecida por relógios atômicos a bordo dos satélites.

Constelação de GPS Navstar

Cada satélite GPS transmite dados que indicam sua localização e a hora atual. Todos os satélites GPS sincronizam as operações para que esses sinais repetidos sejam transmitidos no mesmo instante. Os sinais, movendo-se à velocidade da luz, chegam a um receptor GPS em momentos ligeiramente diferentes porque alguns satélites estão mais distantes do que outros. A distância até os satélites GPS pode ser determinada estimando-se a quantidade de tempo que leva para seus sinais chegarem ao receptor. Quando o receptor estima a distância de pelo menos quatro satélites GPS, ele pode calcular sua posição em três dimensões.

Existem pelo menos 24 satélites GPS operacionais em todos os momentos, além de uma série de sobressalentes. Os satélites, operados pelo DoD dos EUA, orbitam com um período de 12 horas (duas órbitas por dia) a uma altura de cerca de 11.500 milhas viajando a 9.000 mph (3,9km / s ou 14.000kph). As estações terrestres são usadas para rastrear com precisão a órbita de cada satélite.

Aqui está uma comparação interessante. Os sinais de GPS são transmitidos com uma potência equivalente a uma lâmpada doméstica de 50 watts. Esses sinais têm que passar pelo espaço e pela nossa atmosfera antes de chegar ao seu satnav após uma viagem de 11.500 milhas. Compare isso com um sinal de TV, transmitido de uma grande torre de 10 a 20 milhas de distância, no máximo, com um nível de potência de 5 a 10.000 watts. E compare o tamanho da antena montada no teto da sua TV com o do seu GPS, geralmente escondido dentro do próprio gabinete. É uma maravilha, então, que funcione tão bem e, quando ocorrer um soluço ocasional, você pelo menos compreenderá os motivos.

Os sinais de vários satélites são necessários para calcular uma posição

Como a posição é determinada
Um receptor GPS "sabe" a localização dos satélites porque essa informação está incluída na transmissão Efemérides dados (veja abaixo). Ao estimar a distância de um satélite, o receptor também "sabe" que está localizado em algum lugar na superfície de uma esfera imaginária centrada no satélite. Ele então determina os tamanhos de várias esferas, uma para cada satélite e, portanto, sabe que o receptor está localizado onde essas esferas se cruzam.

Precisão GPS
A precisão de uma posição determinada com GPS depende do tipo de receptor. A maioria das unidades de GPS de consumo tem uma precisão de cerca de +/- 10 m. Outros tipos de receptores usam um método chamado GPS diferencial (DGPS) para obter uma precisão muito maior. O DGPS requer um receptor adicional fixado em um local conhecido próximo. As observações feitas pelo receptor estacionário são utilizadas para corrigir as posições registradas pelas unidades móveis, produzindo uma precisão superior a 1 metro.

Como o sinal é cronometrado?
Todos os satélites GPS possuem vários relógios atômicos. O sinal enviado é uma sequência aleatória, cada parte da qual é diferente uma da outra, chamada de código pseudo-aleatório. Esta sequência aleatória é repetida continuamente. Todos os receptores GPS conhecem esta sequência e a repetem internamente. Portanto, os satélites e os receptores devem estar sincronizados. O receptor capta a transmissão do satélite e compara o sinal de entrada com seu próprio sinal interno. Ao comparar o quanto o sinal do satélite está atrasado, o tempo de viagem torna-se conhecido.

Em que consiste o sinal?

Os satélites GPS transmitem dois sinais de rádio. Eles são designados como L1 e L2. Um GPS Civil usa a frequência do sinal L1 (1575,42 MHz) na banda UHF. Os sinais viajam pela linha de visão, o que significa que eles passarão por nuvens, vidro, plástico, etc., mas não por objetos sólidos, como edifícios e montanhas.

O sinal de GPS contém três bits diferentes de informação & mdash a código pseudo aleatório, dados do almanaque e dados de efemérides.

  1. O código pseudo aleatório é simplesmente um I. D.código que identifica qual satélite está transmitindo informações. Freqüentemente, você pode ver esse número na página de informações de satélite de sua unidade GPS, o número anexado a cada barra de sinal identifica de quais satélites está recebendo um sinal.
  2. Dados do Almanaque são dados que descrevem os cursos orbitais dos satélites. Cada satélite transmitirá dados do almanaque para CADA satélite. Seu receptor GPS usa esses dados para determinar quais satélites ele espera ver no céu local. Ele pode então determinar quais satélites deve rastrear. Com os dados do Almanaque, o receptor pode se concentrar nesses satélites, pode ver e esquecer aqueles que estariam no horizonte e fora de vista. Os dados do Almanaque não são precisos e podem ser válidos por muitos meses.
  3. Dados de efemérides são dados que informam ao receptor GPS onde cada satélite GPS deve estar a qualquer hora do dia. Cada satélite transmitirá seus PRÓPRIOS dados de efemérides mostrando as informações orbitais apenas para aquele satélite. Como os dados de efemérides são orbitais muito precisos e dados de correção de relógio necessários para um posicionamento preciso, sua validade é muito mais curta. É transmitido em três blocos de seis segundos repetidos a cada 30 segundos. Os dados são considerados válidos por até 4 horas, mas diferentes fabricantes os consideram válidos por diferentes períodos, com alguns tratando-os como obsoletos após apenas 2 horas.

Partidas frias e partidas quentes explicadas

Freqüentemente, os fabricantes e análises farão referência aos tempos de fábrica, partida a frio e a quente. Compreendendo o acima, isso pode ser explicado simplesmente da seguinte forma:

  • Início de fábrica
    • Todos os dados são considerados inválidos.
    • Os dados do Almanaque estão atualizados, mas o Ephemeris não está ou expirou.
    • Os dados do Almanaque e do Ephemeris são atuais.

    Para calcular uma solução PVT (tempo de velocidade de posição), o receptor procurará por satélites com base em onde ele 'pensa' que está localizado aproximadamente e o almanaque se atual. Se encontrar um ou mais dos satélites que espera ver, ele se conectará a esse satélite e começará a baixar os dados das efemérides. Assim que os dados de três satélites forem recebidos, uma posição precisa é calculada.

    Se você estiver se movendo enquanto tenta obter uma correção, esse processo pode demorar muito mais do que se você estivesse parado. Seu receptor deve completar a recepção de dados de efemérides sem erros, esses dados são transmitidos em três pacotes. Se algum pacote não for recebido completamente sem erro, ele deve ser reiniciado. Claramente, fazer isso durante a movimentação leva a taxas de erro muito mais altas e tempos de correção mais longos. Consideravelmente menos de um segundo de interrupção é suficiente para significar que o receptor terá que esperar pela próxima transmissão.

    Se você está tentando um bloqueio tendo sido realocado mais de algumas centenas de milhas desde a sua última correção, os dados de efemérides, na maioria dos casos, não serão mais válidos. O receptor estará procurando por satélites no céu que não podem ser vistos devido à sua realocação. Nesse caso, o receptor iniciará a fábrica e começará a baixar os dados do almanaque e das efemérides. Isso estenderá consideravelmente o tempo inicial de bloqueio. É por isso que o seu GPS é tão lento para calcular uma posição quando você o liga no seu carro alugado no aeroporto!

    QuickFix é um recurso fornecido por alguns fabricantes / dispositivos. Para entender o que é QuickFix, você precisa entender em detalhes como um GPS calcula sua posição.

    Para o cálculo da posição inicial, seu chipset GPS precisa encontrar pelo menos 4 satélites com um sinal forte o suficiente (28 dBHz ou mais) e deve manter esses satélites e a intensidade do sinal por aproximadamente um minuto para que possa baixar os dados do satélites que são essenciais para calcular a sua posição (são os dados das efemérides explicados anteriormente).

    Se a qualquer momento o receptor GPS perder o sinal de qualquer satélite ou o sinal cair abaixo de 28 dBHz, ele terá que começar tudo de novo e rastrear aquele satélite por mais um minuto. Em um cenário da vida real, por exemplo, você pode estar dirigindo entre prédios altos (desfiladeiros urbanos, veja abaixo) e o sinal de GPS recebido muda o tempo todo.

    O arquivo QuickFix que você baixa da Internet é parte de uma solução do fabricante do seu chip GPS. O SiRF chama sua solução de Instant Fix (I Edition) ou A-GPS (GPS assistido). O arquivo contém dados de efemérides especialmente preparados que são válidos por 7 dias que seu chip GPS usa em vez dos dados recebidos de satélites para calcular sua primeira posição.

    Isso permite que o chip ignore a etapa de & quotdownload efemérides do satélite & quot e, em vez disso, comece a calcular sua posição imediatamente após ser ligado. Isso leva cerca de 5 a 15 segundos em média. A intensidade do sinal necessária para baixar dados de efemérides de satélites é 28dbHZ, ao passo que a intensidade do sinal necessária para calcular sua posição, uma vez que o GPS tenha recebido os dados de efemérides, é muito menor, apenas 15 dBHz.

    Portanto, um arquivo QuickFix válido permite que seu dispositivo calcule sua posição em 5 a 15 segundos, em vez do minuto que levaria (se estacionário), e reduz a intensidade mínima do sinal necessária para calcular sua posição de 28 dBHz a 15 dBHz.

    Se a qualquer momento seu chipset GPS descobrir que os dados de efemérides do Quickfix são inválidos ou muito antigos, o padrão é calcular sua posição da maneira tradicional, ou seja, rastrear um mínimo de 4 satélites com sinal de 28dbHz continuamente por cerca de um minuto.

    Fontes de erro de sinal de GPS
    Fatores que podem degradar o sinal de GPS e, portanto, afetar a precisão incluem o seguinte:

    Existem muitas causas para erros de posição ou sinal baixo

    1. Atrasos na ionosfera e troposfera O sinal do satélite diminui à medida que atravessa a atmosfera. O sistema GPS usa um modelo embutido que calcula uma quantidade média de atraso para corrigir parcialmente esse tipo de erro.
    2. Caminho múltiplo de sinal Isso ocorre quando o sinal de GPS é refletido em objetos, como edifícios altos ou grandes superfícies rochosas, antes de chegar ao receptor. Isso aumenta o tempo de viagem do sinal, causando erros.
    3. Erros do relógio do receptor O relógio embutido de um receptor não é tão preciso quanto os relógios atômicos a bordo dos satélites GPS. Portanto, pode haver erros de temporização muito pequenos.
    4. Erros orbitais Também conhecidos como erros de efemérides, são imprecisões da localização informada do satélite.
    5. Número de satélites visíveis Quanto mais satélites um receptor GPS puder & quotar & quotar, melhor será a precisão.
    6. Prédios, terreno, interferência eletrônica ou, às vezes, até folhagem densa podem bloquear a recepção do sinal, causando erros de posição ou possivelmente nenhuma leitura de posição. As unidades de GPS normalmente não funcionam em ambientes internos, subaquáticos ou subterrâneos.
    7. Geometria / sombreamento do satélite Refere-se à posição relativa dos satélites em um determinado momento.
    8. A geometria de satélite ideal sai quando os satélites estão localizados em ângulos amplos em relação uns aos outros.
    9. A geometria pobre resulta quando os satélites estão localizados em uma linha ou em um agrupamento restrito.
    10. Degradação intencional do sinal de satélite Disponibilidade Seletiva (SA) é uma degradação intencional do sinal uma vez imposta pelo DoD dos EUA. SA tinha o objetivo de impedir que adversários militares usassem sinais GPS de alta precisão. O governo desligou o SA em maio de 2000, o que melhorou significativamente a precisão dos receptores GPS civis.

    Aqui estão alguns outros fatos interessantes sobre os satélites GPS:

    • Existem cerca de 2.500 satélites de todos os tipos e finalidades orbitando a Terra.
    • Existem mais de 8.000 objetos estranhos orbitando a Terra, consistindo em itens como cones de nariz e painéis de satélites antigos, uma luva de astronauta, chave inglesa e muito mais!
    • O primeiro satélite GPS foi lançado em 1978.
    • Uma constelação completa de 24 satélites foi alcançada em 1994.
    • Cada satélite é construído para durar cerca de 10 anos.
    • Substituições estão constantemente sendo construídas e lançadas em órbita.
    • Um satélite GPS pesa aproximadamente 2.000 libras e tem cerca de 5 metros de largura com os painéis solares estendidos.
    • A potência do transmissor é de apenas 50 watts ou menos.

    Para obter mais informações sobre satélites e satélites GPS em particular, visite o site da NASA onde você encontrará um miniaplicativo rastreador de satélite GPS semelhante ao abaixo que permite rastrear todos os mais de 2.500 satélites que orbitam atualmente nosso planeta, mas mais especificamente você pode rastrear o Rede de satélites Navstar e veja quais deles estão voando sobre sua localização.