Neste primeiro artigo de nossa série "Dominando a precisão", exploraremos os sistemas de satélites de navegação global (GNSS) e suas precisões autônomas, levando em conta o GNSS e suas fontes de erro
O que é um sistema GNSS?
Os sistemas de posicionamento por satélite, como o GPS, tornaram-se onipresentes, guiando-nos em nossas viagens de carro e em nossas caminhadas. Eles também desempenham um papel fundamental em várias aplicações tão diversas quanto veículos autônomos, agricultura e topografia.
No entanto, é importante passar do termo "GPS" para o termo mais abrangente "GNSS" (Sistema Global de Navegação por Satélite), que engloba todas as constelações de satélites além do GPS.
Há quatro constelações globais de satélites em operação (GPS, GLONASS, GALILEO, BEIDOU). Além disso, há constelações suplementares que atendem a regiões locais, como o IRNSS da Índia, ou complementam as globais, como o QZSS do Japão.
Além dos satélites, um sistema GNSS é composto por outros segmentos essenciais:
- O segmento de satélite, que compreende a constelação de satélites.
- O segmento de controle, que consiste em estações e equipamentos de controle em terra. Eles são responsáveis por monitorar as constelações, determinar a posição dos satélites e garantir sua operação contínua e correta.
- O segmento do usuário, que envolve o equipamento usado para calcular uma posição com base nos sinais recebidos dos satélites.
Princípio fundamental do GNSS: Trilateração
O GNSS determina a posição e o tempo de um receptor por meio da trilateração, usando sinais de vários satélites.
Para calcular uma posição, o sistema deve resolver quatro variáveis: latitude, longitude, altitude e tempo. Esse processo requer pelo menos quatro satélites, embora satélites adicionais aumentem a precisão e a confiabilidade.
A imagem a seguir ilustra o funcionamento da trilateração. Cada satélite define uma esfera em torno de si mesmo, representando as possíveis distâncias até o receptor.
Um segundo satélite restringe as possíveis soluções à interseção dessas duas esferas. Um terceiro satélite refina ainda mais a solução, permitindo que o sistema identifique um único local. Em aplicações reais, o sistema também deve levar em conta o tempo, o que exige um quarto satélite.
Sinal emitido pelos satélites
Os satélites GNSS transmitem sinais em várias bandas de frequência, como L1, L2, L5, entre outras. Há três componentes básicos dos sinais GNSS:
- Dados de navegação (baixa frequência): computados pelo segmento de controle, esses dados incluem informações essenciais, como dados de efemérides (parâmetros orbitais keplerianos necessários para calcular as posições do satélite), dados de correção do relógio e informações suplementares. Carregados para o satélite e transmitidos globalmente para os receptores GNSS.
- Código de ruído pseudo-aleatório ou código PRN: Cada satélite transmite um código de ruído pseudo-aleatório (PRN) exclusivo, uma sequência determinística de alta frequência de 0s e 1s projetada com um padrão previsível para que o receptor possa replicá-la. A principal vantagem de adicionar o código PRN é que ele permite que vários satélites transmitam sinais na mesma frequência simultaneamente e sejam reconhecidos pelo receptor. Essa técnica, conhecida como CDMA (Code Division Multiple Access, acesso múltiplo por divisão de código), atribui a cada satélite um código pseudo-aleatório exclusivo. Somente o Glonass usa FDMA (Acesso Múltiplo por Divisão de Frequência), em que cada satélite tem uma frequência ligeiramente diferente.
- Onda portadora de RF: um sinal senoidal originalmente projetado para transportar o sinal combinado de dados de navegação e o código PRN. Veremos mais adiante como esse componente evolui para se tornar a base do sinal GNSS, permitindo precisão de posicionamento em nível centimétrico.
Medição da distância até o satélite: código e fase da portadora
Originalmente, o sistema GPS foi projetado para que o receptor utilizasse uma réplica de código PRN e técnicas de autocorrelação para calcular o alcance entre o satélite e o receptor com precisão submilimétrica. Entretanto, a onda portadora, inicialmente destinada à transmissão do código PRN, provou ser um recurso valioso.
A medição da fase da portadora, embora mais precisa, introduziu ambiguidade na determinação da distância entre o satélite e o receptor. A seguir, apresentamos uma análise mais aprofundada de ambas as medições.
Cálculo do alcance entre o satélite e o receptor com o código PRN
O receptor GNSS usa um processo chamado "Delay Lock Loop" para determinar o atraso de tempo entre o código transmitido e o código recebido. Esse atraso, que corresponde ao tempo de propagação do sinal, é então convertido em uma distância multiplicando-o pela velocidade da luz.
Entretanto, devido à falta de sincronização dos relógios do receptor e do satélite, a distância resultante é chamada de pseudodistância. Além do erro de sincronização do relógio, a pseudodistância é afetada por vários outros erros relacionados ao ambiente de propagação (atmosfera, hardware etc.), que serão discutidos mais adiante neste artigo.
Melhoria do alcance entre o satélite e o receptor: Medição da fase da portadora
A distância entre o satélite e o receptor também pode ser determinada pela contagem do número de ciclos de fase decorridos entre a emissão e a recepção do sinal e pela multiplicação desse número pelo comprimento de onda da portadora.
Essa medição é duas ordens de magnitude mais precisa do que o código, mas um número inteiro desconhecido e constante de ciclos (também conhecido como ambiguidade) afeta sua precisão absoluta. Para determinar a evolução precisa da fase da portadora, o receptor GNSS acumula os deslocamentos de frequência Doppler na onda portadora, causados pelo movimento relativo entre o satélite e o receptor.
Em caso de interrupção do sinal, esse processo de acumulação não pode levar em conta o movimento real e podem ser observados saltos abruptos na medição, também conhecidos como "cycle slips".
O tratamento correto dos cycle slips e da ambiguidade são aspectos desafiadores e fundamentais das técnicas de posicionamento preciso, como RTK (Real Time Kinematics) e PPP (Precise Point Positioning).
O diagrama a seguir mostra a onda portadora do sinal, o código e suas respectivas resoluções.
Fontes de erros no GNSS
A precisão inicial do GPS para o público em geral (não militar) era de cerca de 100 m. Após vários anos de evolução (remoção da disponibilidade seletiva, implantação de novas constelações e sistemas SBAS, novos satélites e novas frequências), a precisão do GNSS autônomo está agora entre 5 m para receptores GNSS de nível básico e 1 m para receptores de alto nível.
Erros de satélite
- Erros de relógio: Embora os relógios atômicos dos satélites GNSS sejam altamente precisos, eles sofrem pequenos desvios. Infelizmente, até mesmo um pequeno desvio no relógio do satélite pode levar a uma discrepância substancial na posição calculada pelo receptor. Por exemplo, um erro de relógio de apenas 10 nanossegundos se traduz em um erro de posição de 3 metros na medição de alcance!
- Erros de órbita: Embora os satélites GNSS sigam órbitas altamente precisas e bem documentadas, essas órbitas sofrem pequenas variações, semelhantes às dos relógios dos satélites. Assim como as imprecisões do relógio, até mesmo uma pequena alteração na órbita do satélite pode causar um erro significativo na posição calculada. Os erros residuais na órbita persistem, contribuindo para possíveis erros de posição de até ±2,5 metros.
Erros atmosféricos
- Atraso ionosférico: Situada entre 50 e 1.000 km acima da Terra, a ionosfera contém íons carregados que afetam a transmissão do sinal de rádio, causando erros de posição (normalmente ±5 metros, mais alto durante a atividade ionosférica elevada). O atraso ionosférico varia de acordo com a atividade solar, o dia, a estação e o local, o que torna as previsões desafiadoras.
- Atraso troposférico: A camada atmosférica imediata da Terra, a troposfera, apresenta variações no atraso devido a mudanças na umidade, temperatura e pressão atmosférica.
Erros do receptor
O relógio interno do receptor, que é menos preciso em comparação com o relógio atômico do satélite, juntamente com outros erros de hardware e software, adiciona ruído e distorção às medições.
| Atraso | Origem | Magnitude |
|---|---|---|
| Erro de posição | Satélite | 5m |
| Operador de relógio | Satélite | 0-300 km |
| Atraso instrumental | Satélite | 1-10 m |
| Efeito relativístico | Satélite | 10 m |
| Atraso ionosférico | Caminho (50-1000 km) | 2-50 m |
| Atraso troposférico | Caminho (0-12 km) | 2-10 m |
| Atraso Instrumental | Receptor | 1-10 m |
| Deslocamento do relógio | Receptor | 0-300 km |
Para garantir uma navegação ideal, o sistema deve levar em conta esses erros, atenuá-los usando um modelo de erro específico ou estimá-los por meio do filtro de navegação.
O cálculo da posição também deve considerar muitos outros termos de erro não listados neste artigo, como efeitos de maré e efeitos relativísticos.
Várias fontes de erro influenciam o desempenho da tecnologia GNSS, que fornece posicionamento, navegação e cronometragem altamente precisos.
Fatores como atrasos atmosféricos, erros de relógio e efemérides de satélite, interferência de múltiplos caminhos e ruído do receptor podem degradar a precisão. Embora as técnicas de correção modernas (GNSS diferencial, RTK e PPP) ajudem a atenuar o GNSS e suas fontes de erro, a compreensão de suas origens continua sendo essencial para otimizar o desempenho do GNSS.
À medida que os avanços no processamento de sinais, na fusão de sensores e no aprendizado de máquina continuarem a evoluir, os sistemas GNSS se tornarão ainda mais robustos, garantindo maior confiabilidade em diversas aplicações.