Sistema global de navegação por satélite

Frequências dos diferentes GNSS

Um sistema de navegação global por satélite ( Inglês Global Navigation Satellite System ) ou GNSS é um sistema de posicionamento e navegação no chão e no ar pela recepção de sinais de satélites de navegação e pseudo satélites .

GNSS é um termo coletivo para o uso de sistemas de satélite globais existentes e futuros, como

e vários sistemas suplementares na Europa, EUA, Japão e Índia . O NAVSTAR GPS está totalmente funcional desde 1995, o GLONASS desde 1996, mas depois perdeu quase metade dos satélites devido à idade nos anos seguintes. O GLONASS está totalmente operacional novamente desde 2011. A expansão total de Beidou e Galileo é esperada por volta de 2020.

Método de trabalho

Intersecção de três superfícies esféricas

Os satélites da constelação de satélites GNSS comunicam sua posição e hora exatas por meio de códigos de rádio. Para determinar a posição, um receptor deve receber sinais de pelo menos quatro satélites ao mesmo tempo. Os tempos de propagação do pseudo sinal são medidos no dispositivo receptor (dos satélites à antena receptora, incluindo os erros do relógio do receptor) e a posição atual (incluindo altitude) e os erros do relógio são determinados a partir disso.

Em uma órbita de aproximadamente 25.000 km, uma constelação de 24 a 30 satélites é usada. Isso é para garantir que os dispositivos receptores - mesmo que a visão do horizonte não seja totalmente livre - possam sempre receber sinais de pelo menos quatro satélites ao mesmo tempo (com GPS há 6 a 12 satélites).

A precisão da posição pode ser melhorada por estações de recepção estacionárias . Eles transmitem sinais de correção ( DGPS ) para os usuários. O sistema SAPOS alemão é operado pelos escritórios de pesquisa estaduais . SAPOS fornece três serviços de sinal diferentes que alcançam uma precisão de menos de 1 cm.

Os sistemas auxiliares baseados em satélite , English Satellite-Based Augmentation System (SBAS) , são o europeu EGNOS , o US WAAS , o japonês MSAS e o indiano GAGAN , que emitem os sinais de correção via satélites geoestacionários. O sistema Beidou chinês ainda está em construção, o sistema IRNSS indiano ainda está sendo planejado.

Detalhes da tecnologia usada no GPS também podem ser encontrados nos artigos GPS technology and hyperbola navigation ; os outros sistemas mencionados acima diferem disso em vários graus.

Prática de medição

A localização do satélite muda constantemente (com GPS em quase 3,9 km / s) e com isso a distância do satélite a um determinado ponto na terra. No entanto, o usuário pode calcular as localizações dos satélites para cada ponto no tempo a partir dos dados de órbita ( efemérides ) contidos nos sinais de satélite . Esses dados orbitais (GPS e Galileo são elementos orbitais do Kepler , GLONASS são vetores de coordenadas, velocidade e aceleração) são regularmente comparados pelas estações terrestres (aproximadamente a cada duas horas com GPS).

A distância do satélite ao observador resulta do tempo de propagação do sinal. Cada satélite transmite continuamente seu código individual, a hora atual e seus dados de órbita individual. Com GPS e GLONASS, esta sequência é repetida a cada milissegundo. O receptor usa um loop de bloqueio de fase para lidar com as mudanças de tempo e frequência causadas por efeitos de atraso e Doppler .

Com relógios precisamente sincronizados no satélite e no receptor, a mudança de tempo medida dessa forma corresponderia ao tempo de trânsito dos sinais do satélite. A multiplicação desse tempo de trânsito pela velocidade do sinal (quase a velocidade da luz ) resulta na distância do satélite ao receptor.

Para uma precisão de rota de três metros, os tempos de trânsito devem ser determinados com uma precisão de dez nanossegundos. Em vez de equipar o receptor com um relógio atômico de alta precisão correspondente , o erro no relógio do receptor é determinado e levado em consideração no cálculo da posição. Para determinar as quatro incógnitas (três coordenadas espaciais e erros do relógio do receptor), são necessários quatro satélites. Isso leva a quatro equações com quatro incógnitas.

As coordenadas determinadas referem-se ao sistema de coordenadas do respectivo sistema de navegação; com GPS, por exemplo, em WGS84 . O tempo determinado também é definido pelo sistema de navegação; então z. B. a hora GPS a partir da hora universal UTC em alguns segundos , uma vez que os segundos intercalados não são considerados na hora do sistema GPS. Eles foram adicionados aproximadamente a cada dois anos desde 1980, de modo que o desvio é atualmente (em janeiro de 2017) de 18 segundos.

A longitude geográfica, latitude geográfica e a altura acima do elipsóide de referência definido podem ser calculadas a partir das coordenadas espaciais . Deve-se notar, entretanto, que os sistemas de coordenadas usados ​​podem se desviar de outros sistemas de coordenadas comuns, de modo que a posição determinada pode se desviar da posição em muitos mapas, especialmente os mais antigos, em até algumas centenas de metros. A altura determinada pelo GNSS e a altura "acima do nível do mar" também podem divergir do valor real ( geóide ) em vários metros.

Erros de medição

Corte de moagem
Erro de tempo de execução devido à refração
Erros de tempo de execução devido a ângulos

Tal como acontece com a triangulação, o volume do tetraedro que os satélites medem com o observador no topo deve ser o maior possível; caso contrário, a precisão de posição alcançável ( diluição de precisão , DOP) é reduzida . Se os satélites estiverem no mesmo plano que o receptor, ou seja, aparentemente em uma linha vista pelo observador, nenhuma determinação de posição é possível. No entanto, tal constelação praticamente nunca ocorre.

A atmosfera muda o tempo de propagação do sinal. Em contraste com a troposfera, a influência da ionosfera é dependente da frequência. Pode ser parcialmente corrigido se o receptor avaliar os sinais que o satélite envia em diferentes frequências ( receptor de dupla frequência ). Apenas um sinal está disponível para os receptores GPS atualmente (2020) comuns no mercado de lazer.

O intervalo de flutuação do número de elétrons livres na ionosfera causa um erro espacial de até 30 m. Para reduzi-lo a menos de 10 m, os satélites GPS transmitem seis parâmetros que descrevem o estado atual da ionosfera. No entanto, as cintilações de curto prazo não podem ser corrigidas com ele.

Precisão de posição com valores medidos não corrigidos ( Erro de Faixa do Usuário , URE):

fonte Erro de tempo Erro de localização
Posição do satélite 6-60 ns 1-10 m
Deriva do tempo 0-9 ns 0-1,5 m
ionosfera 0-180 ns 0-30 m
Troposfera 0-60 ns 0-10 m
Efeito de múltiplas vias 0-6 ns 0-1 m

Os erros relacionados ao satélite , ou seja, a posição do satélite e a medição do tempo, são referidos em inglês como Sinal no Espaço - Erro de Alcance do Usuário (SIS-URE), os erros na propagação do caminho Erro de Alcance Equivalente do Usuário (UERE).

A precisão aumenta quando mais de quatro satélites podem ser recebidos. Essa medição é então chamada de "localização sobredeterminada". Os erros podem ser reduzidos posteriormente a alguns centímetros , comparando-os com as medições de referência . Esse tipo de correção é conhecido como Sistema Global de Navegação por Satélite Diferencial (DGNSS). Ela encontra o GPS diferencial (DGPS) em tempo real , se os dados de referência online estiverem disponíveis.

Se você também avaliar as fases dos sinais de satélite, também podem ser alcançadas precisões relativas dinâmicas de alguns centímetros.

Sistemas

Número de satélites GNSS lançados de 1978 a 2014

Os sistemas militares dos EUA NAVSTAR-GPS (abreviadamente GPS ) e o GLONASS russo são chamados de sistemas de primeira geração . Após a atualização com novos satélites, o GPS de segunda geração está disponível. Será comparável ao Galileo , que também pertencerá à segunda geração . No jargão da ESA , GNSS-1 significa os sistemas originais GPS e GLONASS, GNSS-2 para Galileo e sistemas da segunda geração. O termo GPS III descreve a revisão completa de todos os componentes do sistema. Esse redesenho durará até que a segunda geração seja finalmente construída e resultará em melhorias de qualidade em muitas áreas.

O sistema de satélite japonês quase zenital (QZSS) tem como objetivo melhorar o posicionamento nos cânions urbanos japoneses. Vinte satélites do chinês Beidou sistema já estão em órbita. Na Índia , pelo menos um satélite (GSAT-8) da ISRO tem apoiado GAGAN ( GPS Aided Geo Augmented Navigation ) desde meados de 2011 .

Outros usos

Os satélites GNSS não enviam apenas um sinal de rádio, mas também a posição exata do transmissor. A localização da fonte do sinal e uma comparação com a posição conhecida fornecem informações sobre a natureza do meio de propagação.

Usando a rádio-ocultação , as observações da atmosfera terrestre podem ser realizadas com sinais GNSS e observações sobre a refletividade das superfícies da água com GNSS-R .

Veja também

literatura

  • Manfred Bauer: Levantamento e posicionamento com satélites. Global Navigation Systems (GNSS) e outros sistemas de navegação por satélite. 6ª edição. Wichmann, Berlin 2011, ISBN 978-3-87907-482-2 .
  • Werner Mansfeld: Posicionamento e navegação por satélite. Noções básicas, modos de operação e aplicação de sistemas globais de navegação por satélite. 3. Edição. Vieweg, Wiesbaden 2010, ISBN 978-3-8348-0611-6 .
  • Hans Dodel, Dieter Häupler: Navegação por satélite. 2ª Edição. Springer, Berlin 2010, ISBN 978-3-540-79443-1 .

Links da web

Wikcionário: navegação por satélite  - explicações de significados, origens das palavras, sinônimos, traduções

Evidência individual

  1. ↑ Análise de Desempenho do QZSS SIS-URE e Precisão de Posicionamento do usuário com GPS e QZSS ( Memento de 30 de dezembro de 2011 no Arquivo da Internet )
  2. ↑ Lista de satélites de navegação
  3. ↑ Satélite Geo-Estacionário: GSAT-8. ( Memento de 13 de outubro de 2011 no Internet Archive )