Em um cenário cotidiano, a precisão do Sistema Global de Navegação por Satélite(GNSS) autônomo é mais do que suficiente para ajudar alguém a encontrar seu caminho, mas muitas aplicações exigem uma precisão maior. Muitas tecnologias de correções diferenciais foram desenvolvidas para melhorar a precisão do GNSS em até 1 cm, possibilitando uma ampla gama de novas aplicações.
Para obter essa precisão, é necessário prestar atenção ao quadro de referência usado para cálculos e resultados de posicionamento, um tópico abordado em Geodesia e transformações de datum, que está além do escopo deste artigo.
Correções de GNSS
O aprimoramento da precisão do GNSS depende da correção de vários erros.
Há muitos tipos de correções que oferecem diferentes níveis de cobertura e desempenho.
Os principais estão detalhados na tabela abaixo. Neste artigo, abordaremos os conceitos básicos das correções mais comuns: uma breve explicação do DGNSS, seguida de explicações detalhadas do SBAS e do RTK; e descreveremos os benefícios do PPK.
O próximo artigo desta série abordará mais detalhadamente o Ionoshield e o PPP.
GNSS diferencial (DGNSS)
O DGNSS tradicional baseado em código faz uma suposição simples: supõe-se que os erros de satélite e os erros atmosféricos locais sejam os mesmos em pequenas áreas. Um par de receptores GPS pode então ser usado para cancelar os erros atmosféricos (ionosféricos e troposféricos) e de satélite, melhorando assim o desempenho da navegação.
Nesse modo de operação, um receptor GNSS de estação base é instalado a poucos quilômetros do alcance operacional do receptor GNSS do rover. A estação base transmite um conjunto de correções para o receptor do rover usando um modem RF ou GSM. O receptor do rover pode então usar essas correções para calcular uma posição diferencial (em relação à estação base).
Essa técnica pode melhorar a precisão da navegação até o nível submétrico, mas agora está obsoleta, pois o RTK se tornou o padrão para posicionamento de alta precisão.
SBAS (Sistema de Aumento Baseado em Satélite)
O SBAS foi desenvolvido para permitir a navegação segura de aeronaves civis. Desde então, ele tem sido usado para muitas outras aplicações de usuários finais que exigem maior precisão do que um receptor GNSS autônomo.
O conceito do SBAS é usar uma rede de estações de referência para calcular correções que possam melhorar o desempenho do GPS em uma área ampla (cobertura continental).
Essas correções são então transmitidas por satélites geoestacionários SBAS dedicados. Os receptores GNSS modernos podem rastrear essas correções diretamente por meio de sua antena GNSS regular e usá-las em seu mecanismo de posicionamento, como o SBAS, que oferece uma precisão de 1 metro.
O principal objetivo de todas as constelações SBAS não é atingir a precisão máxima, mas permitir que o GNSS atinja a precisão mínima para a aplicação pretendida (navegação e aterrissagem de aeronaves) com um conceito adicional de integridade (medição precisa do erro de posição).
Os SBAS atualmente em uso incluem:
- WAAS para países da América do Norte
- EGNOS para a Europa
- GAGAN para a Índia
- MSAS para o Japão
No entanto, a maioria dos SBAS atuais fornece apenas correções para a constelação de GPS, o que os torna subótimos para a navegação terrestre. As futuras soluções SBAS (por exemplo, EGNOS V2) fornecerão correções para várias constelações.
Tecnologia por trás do SBAS
As várias soluções SBAS usam a mesma tecnologia subjacente para fornecer correções. Elas fornecem correções para:
- Erros no relógio do satélite
- Desvios da órbita do satélite
- Erros atmosféricos
O SBAS também fornece informações sobre a integridade dos satélites, que podem ser usadas para rejeitar dados de satélites com mau funcionamento.
As correções atmosféricas também são computadas usando a rede de estações base para fornecer um padrão dos erros atmosféricos. O valor do erro transferido corresponde ao atraso vertical introduzido pela atmosfera em determinados pontos chamados IGP (Ionospheric Grid Points). O receptor pode então corrigir o atraso para os diferentes sinais de cada satélite.
Usando as informações fornecidas pelo SBAS, o receptor pode corrigir os erros na medição baseada em pseudodistância, melhorando a precisão da posição para aproximadamente 1,2 m RMS horizontal e 1,6 m RMS vertical. Essa é uma melhoria significativa em relação ao GNSS autônomo, especialmente para o componente vertical.
Cinemática em tempo real (RTK) e cinemática pós-processada (PPK)
A tecnologia RTK foi introduzida pela primeira vez para aplicações de levantamento em meados da década de 1990. Assim como o Sistema de Posicionamento Global Diferencial (DGPS) tradicional, o RTK depende de uma estação base localizada com precisão e de receptores GNSS rover.
Duas etapas de computação importantes permitem um posicionamento com precisão centimétrica:
- Dupla diferença
- Medição da fase da portadora e correção de ambiguidade
Dupla diferença
O DGPS geralmente usa apenas medições de código e diferença única.
Por outro lado, o RTK adiciona medições de fase e usa uma abordagem de "diferença dupla". Nesse método, as medições da base são subtraídas das medições do rover e todas as medições do satélite de navegação são subtraídas de um satélite pivô.
Essa abordagem pode compensar todos os erros induzidos pelo satélite, os erros induzidos pelo receptor, bem como os erros atmosféricos que se supõe serem constantes nas proximidades da estação base.
A partir desse cálculo, obtemos:
- A posição do veículo espacial (latitude/longitude/altitude) no datum da estação base
- O tempo do veículo espacial
A distância entre a estação base e o rover é chamada de linha de base e é um fator essencial no RTK. À medida que a linha de base aumenta, o orçamento de erro aumenta marginalmente porque os erros atmosféricos comuns e os erros comuns da órbita do satélite não são completamente cancelados. Esse é o típico "+1ppm" visto nas especificações de precisão da posição RTK.
Medição da fase da portadora e correção de ambiguidade
A medição da fase da portadora, apresentada em nosso artigo anterior, é necessária para reduzir os erros ao nível de centímetro.
O desafio das medições da fase da portadora é que elas são inerentemente ambíguas (ou incompletas). Há um número inteiro de ciclos de fase da portadora faltando na medição. Essa parte faltante também é conhecida como "ambiguidade".
O processo de posicionamento RTK (Real-Time Kinematic) começa com a estimativa dessas ambiguidades. Esse processo também é conhecido como modo "RTK Float". Nesse modo, as ambiguidades convergem lentamente, mas não são valores inteiros. Isso permite que o receptor suavize a posição e obtenha uma precisão de aproximadamente um decímetro.
Para obter o máximo de precisão e robustez, a próxima etapa é identificar o valor inteiro de cada uma dessas ambiguidades em tempo real. Esse processo é chamado de resolução de ambiguidade inteira.
O resultado da resolução de ambiguidade maximiza a precisão do RTK e proporciona maior robustez. Isso é comumente chamado de modo "RTK Fixo".
Se o rastreamento de fase para um determinado satélite for interrompido, ocorrerá um evento de "deslizamento de ciclo" e a ambiguidade inteira para esse satélite deverá ser resolvida novamente. Por esse motivo, muitos deslizamentos de ciclo (e especialmente deslizamentos de ciclo em todos os satélites ao mesmo tempo) têm um efeito negativo no desempenho do RTK. Uma boa antena, um bom posicionamento da antena e um ambiente de RF limpo são essenciais para limitar esses eventos.
Cinemática de pós-processamento
Como vimos, o RTK é a aplicação dessas correções "em tempo real", o que significa que o rover deve ter uma conexão de link de dados com a estação base para calcular o processamento do RTK no campo.
Algumas aplicações não precisam da trajetória em tempo real, mas podem se beneficiar de uma precisão maior ou de uma configuração mais simples. O Post Processing Kinematic (PPK) pode atender a essas necessidades. Com o PPK, o rover coleta seus próprios dados GNSS brutos durante a coleta de dados sem receber correções em tempo real. Posteriormente, esses dados são pós-processados usando informações precisas de uma estação base ou de uma rede de estações de referência.
O PPK permite mais flexibilidade na coleta de dados porque não depende de correções em tempo real. Ele é frequentemente usado em cenários em que a comunicação em tempo real é difícil ou desnecessária, como mapeamento aéreo, levantamento por drone ou pesquisa científica.
Vantagens de usar o PPK para correções diferenciais.
O PPK oferece os seguintes benefícios principais ao processar GNSS:
- Melhoria do fluxo de trabalho em campo: Um dos principais custos de uma missão baseada em RTK é garantir que uma estação base esteja próxima, configurar uma estação base, se necessário, garantir uma conexão de dados confiável, etc. A Qinertia tem um grande número de redes CORS integradas e acesso direto a redes de terceiros. Isso elimina a complexidade de garantir a disponibilidade de uma base e de estabelecer uma conexão de dados confiável.
- Melhoria do controle de qualidade: Muitos indicadores de qualidade ajudam a avaliar o desempenho real de um processamento. Eles incluem estatísticas avançadas, separação (diferença entre a posição/attitude calculada durante o processamento anterior e posterior), bem como indicadores de sinais GNSS.
- Melhor desempenho geral: A resolução da ambiguidade do RTK pode levar algum tempo (de alguns segundos a alguns minutos, dependendo da distância até a estação base e das condições atmosféricas). Isso pode ser significativo no início de uma aquisição ou em condições GNSS desafiadoras. O PPK atenua esses efeitos processando nas direções para frente e para trás para maximizar a taxa de correção. O desempenho também pode ser aprimorado com o uso de algoritmos mais avançados ou com o uso de efemérides de satélite precisas.