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Mapas de navegabilidade para condução autónoma no Campus UA

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Conhecimento Extra sobre GPS

Revendo o conceito de trilateração, referido no post anterior, se o recetor tiver sincronizado a quatro satélites ele pode determinar a distancia a que estes se encontram dele. Com isto o problema da localização é reduzido a um simples problema de geometria. Segue uma ilustração a explicar o processo de trilateração.

 

  1. O recetor GPS sincroniza com um satélite e determina que este se encontra num ponto interior de uma esfera, centrada no satélite e de raio 18,000 Km. Esta informação ajuda a limitar a localização do recetor. De mencionar que pontos nessa esfera podem localizam-se na terra ou no espaço.

    figure1.PNG

  2. Após o ponto anterior, o recetor sincroniza com um segundo satélite e determina que este se encontra a uma distancia de 19,000 Km. Da mesma forma que foi concluído com o primeiro satélite, o segundo localiza o recetor num ponto interior de uma esfera com raio de 19,000 Km e centrada no satélite numero dois. Logo, com esta nova informação, pode ser concluído que o recetor encontra-se num ponto comum à esfera do primeiro e do segundo satélite.

    figure2.PNG

  3. Por fim se o recetor determinar uma possível terceira localização, uma terceira esfera centrada noutro satélite. Com a informação já recolhida, as possíveis localizações para o recetor são reduzidas para dois pontos. De notar que, o aparelho normalmente consegue descartar um dois dois pontos pois este não se encontra na Terra.

    figure3.PNG

  4. O quarto satélite, normalmente, é para correções no clock.

    .

Com a localização determinada é necessário ver até que ponto essa conclusão é precisa em que, existem varias fontes de erro determinação. Devido à complexidade da correção das fontes de erros externos, estes só serão mencionados e não poderão ser corrigidos no decorrer do trabalho. Relativamente ás fontes erros internos de cada recetor GPS, com o uso de mais que um recetor, estes erros poderão ser controlados. Algo que já foi investigado, e que, se encontra documentado no paper do seguinte link: http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=6166295

 

 Erros externos podem ser provenientes de :

  • Ephemeris data - Os satélites são colocados em órbitas precisas e , por consequencia, elas são previsíveis. Devido a forças externas, desde forças gravitacionais, pressão e radiação solar, e entre outras, os satélites podem sofrer alterações nas órbitas em que se encontram. Devido ao que foi dito, a localização transmitida pelo satélite poderá estar errada.

 

  • Clock do Satélite - Mesmo os satélites possuindo relógios de precisão elevada (relógios atómicos, de césio e de rubídio), estes não são perfeitos. Um exemplo dado é de que, um atraso de 1 nanossegundo resulta num erro de 30 cm para o recetor.

 

  • Ionosfera - No vácuo do espaço a velocidade do sinal é a da luz, mas quando este atinge as varias camadas atmosféricas ele varia. Especialmente nesta primeira camada da atmosfera, o sinal do satélite é afectado devido a conter partículas carregadas que o atrasam.

 

  • Troposfera - Esta camada afecta bastante o sinal vindo do satélite devido ás componentes secas e húmidas. Sendo que, a componente húmida afecta em maior efeito devido ao vapor de água que nela existe.

    figure4.PNG

  • Multicaminho - Reflexão da onda portadora do sinal, isto devido a obstáculos naturais ou artificiais.

     

    figure5.PNG

Erros internos podem ser provenientes de:

  • Antena - Variações do centro de fase da antena podem causar erros na ordem de centímetros. Estes erros existem devido ás características da antena e do angulo do sinal observado.

 

  • Recetor - Um recetor não é perfeito e devido a ruído nas medições, isto é, interferência elétrica, interferência térmica ou erros do clock podem induzir erro na medida.

 

É também de mencionar sobre o Acesso Seletivo (SA - Selective Availability) que foi desactivado em Maio de 2000. Ele foi introduzido pela US DoD (United States Department of Defence) para limitar a precisão do sistema para os utilizadores de SPS (Standard Positioning Service). Com a ideia de melhorar as defesas do país, foi introduzido artificialmente valores de clock e localizações erradas dos satélites em que, provocava erros até 100 metros.

 

Serão mencionadas duas formas de diminuir os erros externos:

  1. Correções diferenciais em tempo real - O recetor base, com os sinais vindos dos satélites em vista, determina a sua posição com a maior precisão que lhe é permitida. Sabendo também a sua exacta posição, ele consegue determinar os erros associados a fontes externas. Com isto se o recetor que se encontra num robô a realizar reconhecimento, e este encontra-se num raio de alguns quilómetros, ele estará a sofrer os mesmo efeitos externos. A correção das distancias são transmitidas por radio frequência para o recetor em reconhecimento.

    figure6.PNG

  2. Correcções diferenciais de pós-processamento - Neste caso ambos os recetores são usados sem considerar correções. Após o reconhecimento, os dados de ambos os recetores são processados para reduzir os efeitos inerentes aos erros. Este processo tem a vantagem de não ser necessário a comunicação entre o recetor base e o em reconhecimento, mas tem a desvantagem do recetor em reconhecimento não saber, de maneira precisa, a sua posição. Por consequencia este método é invalido para a navegação com uma precisão de nível elevado. É de mencionar que os recetores GPS que conseguem armazenar dados, são usualmente caros.

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