[Tecnologia e futuro] Sistemas de posicionamento por satélite

posicionamento por satélite
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Na semana passada, vimos como nossos smartphones podem detectar, em uma vasta arsenal de sensores, muitos dados sobre o ambiente ao seu redor e, claro, sobre seus usuários. Uma das informações mais importantes para o funcionamento de muitos aplicativos, no entanto, não pode ser medida por um simples sensor, mas requer, a montante, a existência de um grande (e caro) rede de satélites artificiais.

Referimo-nos naturalmente ao localização que, por sua natureza, necessita de sistema de referência externa ao dispositivo a ser determinado. Assim como os antigos navegadores se orientavam no mar graças à luz das estrelas, portanto, os smartphones modernos (e não só) contam com um sinal eletromagnético emitidos pelos actuais sistemas de posicionamento por satélite para determinar as suas coordenadas.

GNSS
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Hoje vamos falar sobre os deuses Sistema Global de Navegação por Satélite (GNSS), dos princípios físicos que fundamentam seu funcionamento e, claro, a implementação dos receptores em nossos dispositivos. Dado o substancial estabilidade da tecnologia utilizada (que em grande parte foi desenvolvida para fins militares na década de setenta do século passado) e a falta de alternativas Além disso, acreditamos que tentaremos lidar plenamente com o tópico deste artigo, deixando o espaço na quinta-feiraáudio de nossos dispositivos.

Sistemas de posicionamento por satélite: a teoria

Para que o conceito de posição faça sentido, é necessário, como já dissemos, um referencial que permita sua mensuração. Se quiséssemos desenhar uma cruz em um ponto muito preciso de uma folha de papel comum, por exemplo, poderíamos usar um sistema clássico de Machados cartesianos (formado por duas linhas retas ortogonais) ou, entre as alternativas, poderíamos escolha dois cantos da folha e declarar a distância da cruz destes.

O conjunto de pontos que está localizado a uma certa distância de um dos cantos, na verdade, formará um circunferência que, cruzando com aquele formado por pontos equidistantes do outro canto, vai determinar dois pontos. Finalmente, por construção, apenas um deles será encontrado na folha, e representará a posição da nossa cruz.

trilateration
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De uma maneira completamente semelhante, é possível associar três pontos e três distâncias uma posição espaço se você estabelecer a priori, por exemplo, que está abaixo dos pontos que compõem o sistema de referência. Essa técnica, conhecida como trilateration, é usado pelos dispositivos GNSS atuais para medi-los posição em relação aos satélites e, graças a cálculos simples, em coordenadas geográficas.

Todo satélite artificial, em particular, transmite à Terra um sinal de rádio que contém o seu efemérides ed il tempo onde o próprio sinal foi emitido (medido peloAtomic Clock presente a bordo). O primeiro são tabelas que permitem identificar o posição do satélite em relação ao nosso planeta, enquanto o último é transmitido através de um Código PRN(ruído pseudo-aleatório) e permite medir a distância entre o satélite e o receptor.

prn
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Como o sinal de rádio viaja para velocidade da luz, na verdade, seria suficiente medir o diferença entre o tempo de emissão e o tempo de recepção (que é da ordem de microssegundos) para saber a distância percorrida. O tempo de emissão é detectado comparando o PRN recebidos com um gerado no local, que coincidem apenas quando foram calculados usando o mesmo tempo que a entrada. O horário da recepção, no entanto, não pode ser medido de relógios clássicos quartzo (que não são precisos o suficiente para este uso).

Nossos aparelhos, não possuindo relógios atômicos, portanto utilizam o sinal de quatro satélites determinar (através de equações apropriadas) suas coordenadas espaciais e trovoadas. O cálculo também leva em consideração os dados fornecidos pelo satélite sobre correções relativísticas e naqueles devido à presença de ionosfera. Usando um maior número de satélitesentão aumenta o redundância informação e, assim, permite a melhoria do precisão na determinação da posição.

trilateration
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Observando oefeito doppler no sinal (a mudança de frequência que ocorre se a fonte e o sensor estiverem em movimento relativo, de que um exemplo clássico ocorre quando um veículo de emergência passa com as sirenes ativas), finalmente, nossos smartphones podem calcular o seus velocidade em comparação com a terra.

GPS e GLONASS

Agora que vimos os princípios de operação nos quais todo GNSS se baseia, podemos finalmente nos aprofundar na parte mais íntima dessa tecnologia. GPS que, até hoje, é o mais utilizado no mundo.

Il Sistema de Posicionamento Global atualmente ele pode contar com uma constelação de Satélites 32 artificial, disposto em 6 planos orbitais inclinado cerca de 55 graus em relação ao equador da Terra e distante poco mais do que 20000 Km do chão. Cada satélite possui alguns painéis solares, uma bateria e algumas antenas que transmitem em duas frequências diferentes (banda L1 a 1.57542 GHz e L2 a 1.2276 GHz) com uma potência de aprox 25 Watt.

satélite
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GPS nasceu para fins militares (para conduzir mísseis, aviões e submarinos nucleares), é mantido pela aviação dos EUA e reservar ainda algumas das suas capacidades para o setor de defesa apenas. Por este motivo, as duas bandas são povoadas por sinais diferentes, dos quais apenas alguns estão disponíveis para os consumidores. O uso da freqüência L2, por exemplo, tem sido reservado apenas para receptores militares, e alguns anos se passaram desde o lançamento dos primeiros satélites projetados para emitir um sinal civil também nesta banda (L2c).

Sempre que um dos satélites da constelação GPS passa sobre o território americano (o que acontece duas vezes ao dia), por outro lado, o estações terrestres eles controlam sua órbita e, se necessário, atualizam suas efemérides e a sincronização do relógio atômico. O lançamento de novos satélites para substituir os mais obsoletos, então, é financiado inteiramente pelos Estados Unidos, e a construção dos próprios módulos é realizada por empresas nacionais.

cdma
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A presença de vários sinais na mesma frequência, no entanto, é possível graças ao uso de códigos PRN que, de fato, representam um sistema de comunicação CDMA (Acesso Múltiplo por Divisão de Código). Na verdade, cada canal é codificado usando um algoritmo distintivo também conhecido pelo receptor: é como se dos satélites chegassem mensagens escritas em diferentes idiomas, que pode ser facilmente classificado pelos nossos dispositivos.

O outro GNSS atualmente em operação, então, está GLONASS (Sistema Globalnaya navigatsionnaya sputnikovaya), a resposta russa ao GPS. Este sistema também nasceu para fins militares e, após um período de abandono devido à queda do regime soviético, hoje pode contar com uma nova geração de satélites que o permitem performances semelhantes à versão americana e cobertura global.

A constelação russa conta Satélites 28 gerido por forças aeroespaciais, localizado em três planos orbitais inclinados diferentes de 64.8 graus comparado ao equador a uma distância de aprox. 19000 Km da superfície da terra. Essa configuração, em particular, garante maior cobertura do que o GPS para altas latitudes, isto é, para os lugares mais próximos dos pólos.

GLONASS
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Também neste caso os satélites usam duas bandas de frequência (L1 a 1602 MHz e L2 a 1246 MHz), dos quais o segundo foi inicialmente dedicado apenas para uso militar de alta precisão. Em vez de um sistema CDMA, no entanto, GLONASS usa um FDMA, o que permite que cada satélite tenha um própria sub-banda freqüência na qual transmitir. A codificação PRN (que está presente), portanto, é usada apenas para melhorar a recepção do sinal apesar da baixa potência das antenas (que também neste caso chega a 500W).

Finalmente, os modelos mais recentes (do 2008) do satélite GLONASS começaram a transmitir também em CDMA na banda L3 (em 1202.025 MHz). Uma expansão adicional do serviço com esta tecnologia está planejada no futuro para permitir a construção de módulos GNSS econômicos compatível também com GPS e Galileo.

O módulo receptor

Neste ponto, podemos finalmente descer da órbita da Terra e retornar dentro de nossos smartphones para ver o que acontece quando usamos um aplicativo que requer conhecimento do localização. Se uma baixa precisão fosse suficiente, nosso terminal poderia obtê-la, por exemplo, questionando as torres de rádio mais próximo de sua identidade ou, em caso de ausência de sinal telefônico, identificando redes WiFi na área.

Se uma necessidade fosse necessáriaalta precisão, no entanto, o dispositivo deve necessariamente usar o posicionamento por satélite. O sinal recebido da antena, em particular, viria amplificado (de um amplificador de baixo ruído, LMA) antes de passar de Filtro MEMS. Este último componente, na verdade, consiste em um sistema acústico que só pode ressoar em uma faixa de frequência estreita.

BAW e SAW
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O filtro, em particular, será do tipo BAW se as oscilações ocorrerem dentro do chipe digite SAW se em vez disso eles acontecem acima dela. Os cristais piezoelétrico inseridos nesses elementos, em seguida, transformam o sinal elétrico em ondas de som que, se estou em ressonância, ficam mais fortes e são convertidos de volta em eletricidade. As ondas que estão fora de ressonância são, obviamente, suprimidas pelo sistema.

Neste ponto o sinal está pronto para ser processado pelo módulo GNSS real que, na maioria dos smartphones modernos, está integrado diretamente no SoC. Isso então precisa de um oscilador muito confiável (oscilador de cristal de temperatura controlada, TXCO) para garantir correção rápida do sinal.

Módulo GPS
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No módulo o sinal é processado de acordo com o modelo que já descrevemos, ou seja, vem demodulado comparar o PRN recebido com um gerado no local. A velocidade deste processo pode ser aumentada usando o posicionamento assistido (como o A-GPS) que, usando informação enviada através da rede celular, permite que o módulo receptor saiba aproximadamente o lista de satélites à vista e sua posição garantindo uma consistente diminuição do tempo da primeira correção.

Os módulos mais avançados no mercado usam ambas as constelações de satélites (GPS e GLONASS), dependem de dados de acelerômetros e giroscópios para prever a posição futura do módulo e, finalmente, explorar sistemas de Aumento GNSS para melhorar a velocidade e precisão da fixação.

EGNOS
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Finalmente, os sistemas de aumento GNSS (como o EGNOS europeu) usam satélites geoestacionários bases terrestres corrigir os erros frequentes das redes GNSS devido, por exemplo, à variabilidade das condições atmosféricas. Esses sistemas, portanto, simplesmente transmitem deuses dados adicionais que são úteis para corrigir a posição calculada por satélite e permitem, já hoje, reduzir para apenas um metro o erro do GNSS comercial.

Galileo, BeiDou e alternativas futuras

O mundo da navegação por satélite, como você deve ter entendido, se move muito lentamente e é escravo da disponibilidade de grandes constelações colocado em órbita pelos estados maiores e mais ricos. Isso significa, por um lado, que nenhuma empresa pode atuar sozinha tiros tecnológicos relevantes na corrida à precisão e, em segundo lugar, que os planos para o futuro deste componente são conhecido há muito tempo.

Primeiro, devemos, portanto, relatar a existência do programa Galileo com o qual a Europa, syn de 2003, visa criar um sistema GNSS militar e comercial de alta precisão sempre disponível para seus usuários com a máxima precisão. A constelação, em particular, contará totalmente Satélites 30 que voará por aí 24000 Km do solo em três planos orbitais inclinados de cerca de 56 graus para o equador.

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O sistema representa uma versão evoluída do GPS e será interoperável e compatível com o rival americano. Del. Estará presente mensagens de integridade para evitar erros de posicionamento, e o aumento da velocidade de transmissão (que passará de 50-100 sps de GPS para 1000 sps) permitirá o envio global ou local de Posts segurança, Tempo, atualizações de mapas e informações de trânsito.

Finalmente, a compatibilidade esperada com o GPS "antigo" e as características orbitais o tornarão particularmente útil nas áreas de anúncio alta latitude (como o norte da Europa) e no cidadãos do desfiladeiro. Os dois sistemas GNSS atuais também começaram a atualizar seus sistemas, o que os tornará cada vez mais compatível com o novo sistema europeu.

Beidou-GPS-Galileo
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Não podemos esquecer então BeiDou 2 (já conhecido como COMPASS), a resposta chinesa ao GNSS Ocidental. Neste caso, infelizmente, eu Satélites artificiais 35 que estará em órbita em 2020 eles não permitirão que os consumidores obtenham o mesmo desempenho dedicado aos militares, mas limitarão a precisão comercial para apenas medidores 10. É, no entanto, uma peça importante que aumentará ainda mais a redundância e precisão de sistemas de posicionamento por satélite.

Concluímos este artigo citando i sistemas regionais que, embora atualmente não visível na Europa, poderia um dia se estender globalmente. Além BeiDou, que já planejou o grande passo, devemos, portanto, mencionar o índio IRNSS e os japoneses QZSS. O conjunto deste grande número de satélites, que estarão em órbita de acordo com as estimativas atuais por 2020, permitirá no futuro produzir módulos GNSS capazes de detectar um número muito alto de sinais e, conseqüentemente, calcular a posição com grande precisão e velocidade!