GPS - Divisão de Engenharia Eletrônica do ITA

ITA
Instituto Tecnológico de
Aeronáutica
PROYECTO “FORMACIÓN DE
RECURSOS HUMANOS Y
DESARROLLO DE LA
AVIACIÓN CIVIL” BRA 95/801
& 95/802-C OBJETIVO 6 – ITA
LABORATÓRIO DE SISTEMAS
DE NAVEGACIÓN GLOBAL
BASADOS EM SATÉLITES
(GNSS)
Instituto Tecnológico de Aeronáutica
Sistemas GPS:
Nociones básicas y
su futuro
Objetivos
• Importancia y historia
• Principios de empleo
• Errores más comunes
• Trabajos efectuados en esta
área por el ITA
• Efecto de la desactivación
gradual de la degradación
intencional (SA)
• Futuro
El Sistema GPS
Importancia y historia
del GPS
Referencia mundial de:
• Sist. Geodésico (datum).
• Ref. Temporal (GPS Time)
PVT ilimitado/ 24 horas / todo
tiempo
Aplicaciones:
• Estáticas y Dinámicas
• Control de Tráfico Aéreo,
Terrestre y Marítimo.
Importancia y historia del
GPS
Solicitado en 1973 por DoD y
desarrollado por el JPO.
Aplicación de tecnologías
conocidas y nuevas teorías:
• TRANSIT, OMEGA y
LORAN
• Códigos de Pseudo-Ruido
• Spread Spectrum y CDMA
• Modelaje ionosférico y
troposférico
Conocimiento público después
de la Guerra del Golfo Pérsico
(1991)
Segmentos del GPS
Segmento Espacial
Bloque II F
Bloque I
Bloque II R
• 24 satélites operando y 3 de reservas.
• 6 órbitas casi circulares con inclinación de 55° en relación a
la línea del Ecuador com separadas de 60 °.
• Altitud orbital de 20.200 km
• Períodos de 12 horas orbitales (11h58’).
• Visibilidad de máximo 11 y mínimo 4 sobre cualquier lugar
del planeta.
Bloque
Tiempo de Autonavegación AlmacenaVida
miento de
Datos
Administración Op.
URE al fin de
de Datos de
Autónoma La Operación
Navegación
Independiente
II
Producción
Inicial
7,5 años
NO
14 días
OCS
14 días
161 m
II A
Producción
Mejorada
7,5 años
NO
180 días
A bordo
180 días
<10.000 m.
IIR
10 años
Substitución
NO
210 días
A bordo
180 días
7,4 m.
* Bloque I: No analizado porque ya está fuera de servicio
Segmento de Control
Operativo (OCS)
•
•
•
•
Segmento de Control Operativo (OCS): cinco estaciones de
monitoreo y cuatro estaciones terrestres de transmisión con
capacidad para enlaces de comunicaciones con los satélites.
Las estaciones rastrean pasivamente todos los SV y acumulan
datos de distancias a partir de sus señales.
Esta información es procesada en la Estación Maestra de
Control (MCS, Master Control Station) para determinar a
situación de los relojes, de los parámetros orbitales de cada SV y
actualizan los mensajes de navegación.
La información actualizada es transmitida a los satélites por las
estaciones terrestres de comunicación que adicionalmente
transmiten y receben información sobre el estados de los
segmentos Espacial y de Control.
OCS: Interacción con IGS
y NGS
NGS
+
IGS
Efeito
Doppler
Segmento de Usuario
Señales y Interferencia
Frecuencia fundamental fo
(reloj atómico de Cs o Rb)
10,22999999543 MHz
(con corrección relativística)
Frecuencia portadora L1
Frecuencia L1
Longitud de Onda L1
154.fo
1575,42 MHz
19,05 cm.
Frecuencia portadora L2
Frecuencia L2
Longitud de Onda L2
120.fo
1227,6 MHz
24,45 cm.
Frecuencia código P (Chip Rate)
Longitud de onda del código P
Período del código P
10,23 MHz (Mbps)
29,31 m.
267 días. 7 días por satélite
Frecuencia del código C/A (Chip Rate)
Longitud de onda del código C/A
Longitud del ciclo del código C/A
1,023 MHz (Mbps)
293.1 m.
1 milisegundo
Frecuencia de la señal de datos
Longitud del ciclo del señal de datos
50 bps
30 segundos
Códigos PRN: C/A y P
Códigos PRN: C/A y P
!"
!" #
Correlación: Efecto del
Ruido (I)
Correlación: Efecto del
Ruido (II)
Correlación: Efecto de
múltiplas señales (I)
Correlación: Efecto de
múltiplas señales (II)
Recepción y Señal de
llegada
S L1 = ∑k =1
n
Apk Pk (t ) Dk (t ) cos(2π ( f L1 + ∆f k )t + φk ) +
Ack Ck (t ) Dk (t ) sin( 2π ( f L1 + ∆f k )t + φk )
$%&
$%&
R1 =
(x - x1 )2 + (y - y1 )2 + (z - z1 )2 + dTu
R2 =
(x - x 2 )2 + (y - y 2 )2 + (z - z 2 )2 + dTu
R3 =
(x - x 3 )2 + (y - y 3 )2 + (z - z 3 )2
+ dTu R 4 =
(x - x 4 )2 + (y - y 4 )2 + (z - z 4 )2 + dTu
PR = R + UERE
UERE = ∆t a c + (∆t u - ∆t s ) c
Diferencias entre Pseudo distancia y Distancia Real
Errores: Diferencias en el desvío Doppler
%
•Dilución de Precisión: Efecto de la Distribución
Geométrica de los satélites en relación al Receptor
•Disponibilidad Selectiva: Errores introducidos
artificialmente para degradar la exactitud de los
cálculos de posición:
• Efemérides Falsas
• “Clock Dithering”
•Múltiples Trayectos: efecto de las reflexiones de la
señal
O SA inició en 25/03/1990 y su desactivación gradual inició en
01/05/2000 para terminar en el año 2006.
Otras
fuentes de
imprecisión:
DOP
Otras fuentes de
imprecisión: Multitrayectos
# Trabajos del ITA
CNS-S
CNS-S ATN/ATM
ATN/ATM
Sistema de Simulación
CNS/ATM
Trabajos del ITA en el Área do GPS
• Antenas de microlínea
• Circuitos alternativos para
rastreo de código
• Circuitos de procesamiento
de señales Spread Spectrum
• Proyecto de varias
estructuras de receptores
• Estimación de la actitud de
satélites
• Sistemas de monitoreo y
control de Tráfico Aéreo
• Algoritmos de rechazo de
múltiples trayectorias
• Modelos Estadísticos de las
medidas de Pseudodistancias
• Proyecto de Pseudo-Satélites
NAVEGACIÓN
'(")*)&+",&)
La cruz roja indica la posición de la antena de
referencia GPS para Navegación diferencial
Navegación
Básica 1
Carta básica de Navegación. El punto AMARILLO
indica La posición de la antena de referencia del
GPS para Navegación Diferencial
Navegación
Básica 2
Vehículo circulan en la autopista Dutra. En el cuadro
superior se observan la velocidad y la hora del vehículo
Navegación
Básica 3
-(")*)&+"&%!"&).
Errores del GPS convencional ( amarillo) y con Correções de DGPS (rojo)
Error Horizontal
Error Vertical
N. Diferencial
3. MONITOREO
Monitoreo de cuatro vehículos ‘navegando’
por las autopistas Dutra y Ayrton Senna
de São Paulo
EXPERIMENTO
ADS
Carta digital de aproximación. Informe de las
posiciones no corregidas ADS están ‘plotadas’
ADS 1
Imagen mostrando la trayectoria (en amarillo)
realizada por una aeronave. El círculo rojo
indica la última posición de la aeronave. Los
datos de posición están indicados encima
ADS 2
Registro del primer vuelo ADS
ADS 3
ADS 4
Esta imagen presenta los planos de un trayecto
ideal ILS (Instrument Landing System) y el
informe de posición no corregida ADS
ADS 5
Desarrollo de
“HARDWARE”
Proyectos Actuales
Multitrayectos: Desarrollo de un sistema de
antenas, en micro línea, con rotación
electrónica para eliminar la interferencias
debida a varios trayectos de la misma señal
3
1
4
2
Determinación de Actitud
(avión)
GPS antennas
GPS antennas
Determinación de Actitud (avión)
Satellite
Satellite
Accelerometer,
Girometer,and
Compass
K
GPS #1
X1,Y1,Z1,∆φ
∆φ1
GPS #2
X2,Y2,Z2,∆φ
∆φ2
GPS #3
X3,Y3,Z3,∆
∆φ3
SAD
P,Q,R,Nx,Ny,Nz,ψ
ψbuss
ψ
Satellite
φ
θ
Satellite
Kalman
Filter
!
Modelao del pseudorango
del GPS usando ARIMA,
teste de KolmogorovSmirnov y función de
Autocorrelación
"
#
Tipo de Datos
Média
(m)
Coeficiente de
Variación
26,13
Desv.
Standar
(m)
4,97
Con SA
Sin SA
5,68
0,48
8,45 %
19,02 %
S
A
COMPORTAMENTO DOS ERROS DE POSIÇÃO COM E SEM S/A
SISTEMA GPS
d
o
45
D
e
s
l
a
m
e
n
t
o
30
25
20
15
10
5
35
30
25
20
E
f
e
i
t
o
35
40
d
o
40
ERROS(M)
45
15
10
5
0
0
0
5
10
15
20
25
30
35
NÚMERO DE MEDIDAS
COM S/A
SEM S/A
40
45
50
55
SV supuesto(Xs,Ys,Zs)
SV real (Xr,Yr,Zr)
Ionósfera
Tropósfera
Pós-procesamiento
Tiempo real
Referencia (ITA)
(Xu, Yu, Zu)
Procedimiento actual: Recolección de Datos
En tiempo real:
•Datos Orbitales de Efemérides difundidas.
•Pseudorangos en la antena del receptor
GPS.
En post-procesamiento:
•Datos orbitales reales del National Geodetic
Survey (NGS) y del International GPS Service
for Geodynamics (IGS).
•Distancias reales a partir de las Coordenadas de
referencia conocidas del Laboratório.
Los datos de Distancias, Pseudorangos y Errores son procesados
con modelos ARIMA.
Procedimiento actual: Diferencias o Errores
Procedimiento actual: Residuos del modelo
de Error
Procedimiento actual: Dist. Gaussiana de
los Residuos
Procedimiento actual:
Errores y Comportamiento de los satélites
Procedimiento actual:
Errores y Comportamiento de los satélites
Monitoreo del Desvío Doppler
GDOP usando “All in
View” SV
GDOP usando “All in
View” SV + PL
Integridad del Servicio GPS
Fixo de Referência
(Xr, Yr, Zr)
Integridad del Servicio GPS
Fixo de Referência
(Xr, Yr, Zr)
Pseudolite 1
(X1, Y1, Z1)
Pseudolite 2
(X2, Y2, Z2)
Procesamiento de señales y
de imágenes de radar
$%&%$
'()&$*&$%"+)$'%
&(&$',('"&(&
)$''"&('%(-&
'
#
#
&$./01
*$
&2-&3#$
4. Filtro redutor de "speckle" en imagenes SAR
Imagen original del RADARSAR (cedida por el IEAv – ESR).
SAR 1
Imagen filtrada por el procesador de textura desarrollado en el ITA.
SAR 2
Futuro: DGPS,
Sistemas de
Ampliación de Área
Local (LAAS) y
GNSS
Errores que puede ser corregidos
por el DGPS
•
•
•
•
Errores en el reloj del satélite
Errores de Efemérides
Errores de SA
Atrasos Ionosféricos y Troposféricos
Los errores corregidos por el DGPS permiten precisiones entre 5 e 30
metros, en el peor de los caso, y menos de 10m en la altura.
Empleo de los
GNSS
&(
• La próxima década tendrá mayor expansión el Sistemas
Globales de Navegación Basada en Satélites (Global
Navigation Satellite System), siendo los más importantes:
GPS, GLONASS y el proyectado GALILEO de la CEE;
• Nuevos sistemas de administración de transporte aéreo,
terrestre y marítimo serán implementados en función de
sistemas de Navegación basados en RF y/o en sensores
inerciales;
• Se procurará máxima precisión de Navegación y
Seguridad de Comunicaciones.
Uso de la GNSS: Bandas L y C
ARNS: Aeronautical Radionavigation Service
RNSS: Radionavigation Satellite Service
&(43
• Sistemas de Ampliación locales y de Área Extensa (LAAS
y WAAS) permitirán capacidad Diferencial GPS para
mejorar la Navegación y dar capacidad de aterrizaje de
Categoría III C (totalmente ciego);
• Los sistemas de radio-Navegación tradicionales serán
abandonados hasta el año 2010-2012. No serán más
necesarios, aunque continuarán operando hasta el cambio
total de la infraestructura existente como respaldo;
• El GNSS pasará a ser el principal sistema de navegación
en integración con sensores inerciales y sistemas de
comunicación convencional o satelital
5'
'''
• Correcciones Diferenciales Regionales;
• Control de la integridad de la señal de SV y de las estaciones monitoras;
• Informação adicional de Navegación y tráfico;
• Todo perfectamente sincronizado.
Base de Datos
Cartográficos
Algunos Datos Interesantes
#
'
666666
• 3 GNSS en la próxima década
• Grande mercado en sistemas asociados:
AVL, WAAS, GIS etc.
• Substitución total de otros sistemas de
Navegación: VOR, TACAN, ILS, DME
etc.
• Activación del bloque IIF: 10 años con un
costo de 2 billones de dólares.
#
'
666666
Mercados (en millones de dólares):
• Aviación:
491
• Marítimo:
2.120
• GIS-Geodesia:
1.948
• Terrestre:
9.690
• Militar:
4.040
*proyecciones hechas en 1996
#7!'
666666
Mercados:
• Air Traffic Control Market (1994-2004)
200 Billones de dólares
• ITS (Intelligent Transportation System)
600 Billones de dólares
*proyecciones hechas en 1996
Conclusiones y
Recomendaciones
Conclusiones y
Recomendaciones
• La desactivación del SA permitirá
investigar nuevas técnicas para reducir o
eliminar el error de múltiples trayectorias
• Mayor esfuerzo en:
• Formación de Recursos Humanos
• “Smart Antennas” y “Beamforming”
Adaptativos
• Sistemas de Ampliación: de Área Local
(LAAS) y de Área Extendida (WAAS)
• Control de Integridad del Servicio
Fim
EQUIPO
(en orden alfabético)
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Alessandro Anzaloni
Andréa de Fátima Carvalho Ferreira
Aníbal Dario Angelo Miranda
David Fernandes
Diego Rolando Méndez Castillo
Durval Zandonadi Jr.
Fernando T. Sakane
Fernando Walter
José C. da Silva Lacava
Luiz Carlos Laureano da Rosa
Luis H. Malizia Alves
Waldecir J. Perrella
Referencias
•
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ROSA, L.C.L., WALTER, F., MÉNDEZ CASTILLO D.R. E ZANDONADI JÚNIOR, D.
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WALTER, F., MÉNDEZ CASTILLO, D.R., BARROS, M.S.S. and ROSA, L.C.L. GPS:
Statistical Models Reproduce the Pseudoranges In Different Scenarios And Their Reliability
Evaluation. Advance Space Reseach, Inglaterra, v. 28, pp. 227-232, 2001.
•
•
PRODUCCIÓN
DEPARTAMENTO
de
TELECOMUNICACIONES
DIVISION
de
INGENIERÍA ELECTRÓNICA
&%$8)+('
• FERNANDO T. SAKANE
• FERNANDO WALTER
• DIEGO MENDEZ CASTILLO
Mail: [email protected]
ITA
Instituto Tecnológico de
Aeronáutica