Guia de bolso sobre navegação por satélite

Introdução aos sistemas de navegação por satélite

Os sistemas de navegação por satélite são essenciais para um posicionamento e navegação precisos. Eles fornecem dados essenciais para muitas aplicações, tais como:

• direção autônoma;
• sistemas autônomos não tripulados (UAS);
• transporte;
• aviação;
• agricultura;
• serviços de sincronização;
• gestão de desastres;
• serviços de segurança; e
• pesquisa científica.

Os sistemas de navegação global são compostos por vários satélites distribuídos em diversos planos orbitais, a fim de garantir cobertura e disponibilidade em todo o mundo. As órbitas dos satélites também podem ser projetadas e otimizadas para cobertura regional, de modo que o serviço de posicionamento se limite a áreas específicas.

Posicionamento por satélite

O posicionamento por satélite funciona com base no princípio da trilateração. Um receptor de satélite de navegação recebe sinais de vários satélites, cada um fornecendo a hora e localização do satélite naquele momento. O receptor pode calcular a distância até o satélite a partir do tempo de chegada (ToA), pois o sinal viaja a uma velocidade conhecida: a velocidade da luz. Uma vez calculadas as distâncias entre o receptor e três satélites, o receptor pode determinar sua própria posição tridimensional (latitude, longitude e altitude) por meio da trilateração.

Além desses três satélites, é necessário um quarto satélite para compensar as discrepâncias de tempo entre o relógio do receptor e os relógios atômicos de alta precisão dos satélites. Este princípio básico constitui a base de todos os sistemas de serviços de radionavegação por satélite (RNSS).

Existem diferentes tipos de métodos de posicionamento do GNSS:

• GNSS autônomo;
• GNSS com desempenho aumentado; e
• GNSS de alta precisão.

Todos esses métodos diferem quanto ao tipo de correção (OSR vs.SSR), ao tipo de observável (código vs. portadora), à área de cobertura (local, regional ou global), às capacidades de mitigação de erros e às precisões de posicionamento resultantes. Se for necessária uma precisão submétrica, o posicionamento baseado em portadora é obrigatório. Os métodos de GNSS de alta precisão oferecem diferentes níveis de precisão. Os serviços PPP (posicionamento por ponto preciso) oferecem precisão na ordem de dezenas de centímetros, enquanto os serviços PPP-RTK (PPP com cinemática em tempo real) proporcionam precisão superior a 10 cm. O RTK oferece a melhor precisão, na ordem de centímetros, mas requer proximidade a uma estação de referência. Para encontrar um equilíbrio entre precisão e complexidade da infraestrutura, o PPP-RTK costuma ser a opção preferida, oferecendo alta precisão com potencial de cobertura global.

Sistemas globais e regionais de navegação por satélite

GNSS significa «Sistema de Navegação Global por Satélite». Existem vários tipos diferentes de GNSS, geralmente operados por diferentes órgãos governamentais.

Por exemplo:

• GPS: operado pelos Estados Unidos, mais especificamente pelo Departamento de Defesa dos EUA. Embora tenha sido inicialmente desenvolvido para uso militar, mais tarde passou a ser disponibilizado também para uso civil.
• Galileo: operado pela União Europeia. Foi desenvolvido para uso civil e complementa os sistemas GPS e GLONASS.
• GLONASS: operado pelas Forças de Defesa Aeroespacial da Rússia. Ele foi desenvolvido para funcionar independentemente de outros sistemas de navegação.
• BeiDou: operado pela China. Inclui satélites em órbitas geoestacionárias e não geoestacionárias.
• NavIC/IRNSS: operado pela Organização de Pesquisa Espacial da Índia. Atende principalmente ao subcontinente indiano.
• QZSS: operado pelo Japão. Ele complementa o GPS, aumentando a disponibilidade e a precisão na região da Ásia-Oceania, especialmente em áreas urbanas com edifícios altos.

Um sistema de aprimoramento de sinal baseado em satélite (SBAS) é uma tecnologia geoespacial que fornece correções aos sistemas GPS, GLONASS, Galileo e BeiDou para melhorar a precisão. Ele utiliza estações de referência terrestres para calcular correções diferenciais para os satélites GNSS e transmite essas correções por meio de satélites geoestacionários.

Tecnologia de receptores GNSS

A arquitetura básica de um receptor GNSS pode ser dividida nos seguintes blocos funcionais:

• Antena: as antenas GNSS possuem polarização circular à direita (RHCP) e operam na faixa de frequência da banda L. Sua principal função é otimizar a captação de sinais de satélites em ângulos de elevação mais altos, ao mesmo tempo em que reduz o impacto dos sinais multipercurso, que geralmente provêm de ângulos mais baixos.
• Pré-amplificador: a seção do pré-amplificador pode fazer parte do equipamento da antena e consiste em um amplificador de baixo ruído (LNA), filtros para supressão de interferências intencionais (jamming) e proteção contra sobreaquecimento.
• Front-end: esta seção realiza todas as tarefas de processamento de sinais analógicos, tais como filtragem (supressão de interferências fora da banda), amplificação adicional e conversão descendente para uma frequência intermediária (IF).
• Conversão A/D: o sinal analógico de IF é digitalizado na seção do conversor A/D.
• Processamento de sinais: o processamento de sinais digitais inclui a remoção do efeito Doppler, a combinação do sinal com os códigos de telemetria e a acumulação de amostras para formar valores de correlação. A unidade de processamento de sinais fornece pseudodistância, fase da portadora e variações de distâncias como observáveis básicos do GNSS.
• Processamento de PVT: os observáveis básicos do GNSS são utilizados para calcular uma solução de posição, velocidade e tempo (PVT). Isso pode ser alcançado resolvendo-se as equações de observação do GNSS por meio de ajustes dos mínimos quadrados ou aplicando-se métodos mais avançados, como o filtro de Kalman.

Opcionalmente, podem ser incluídos sensores externos e outras fontes de dados para o cálculo de PNT.

Existem vários tipos de receptores GNSS, cada um deles projetado para aplicações específicas:

• Receptores geodésicos: levantamentos geodésicos, construção e outras aplicações que exigem precisão na ordem de centímetros
• Receptores de mapeamento: coleta de dados GIS, agricultura e silvicultura
• Receptores GNSS marítimos: especificamente para aplicações na navegação marítima e pesca
• Receptores GNSS para aviação: navegação aérea, aterrissagem e outras operações de voo
• Receptores automotivos: navegação integrada para carros e outros veículos
• Receptores pessoais/portáteis: smartphones, relógios fitness e outros dispositivos portáteis
• Receptores de sincronização: referências temporais precisas para telecomunicações, redes elétricas e outras infraestruturas
• Receptores espaciais: navegação e sincronização orbital em satélites e apoio a missões científicas

O tipo de receptor GNSS determinará suas funcionalidades específicas e características de desempenho. As especificações típicas de um receptor GNSS incluem canais, cobertura de frequência, sensibilidade, precisão, taxa de atualização, tempo até a primeira localização (TTFF) e compatibilidade com GNSS.

Ameaças e vulnerabilidades do GNSS

Interferências e influências de vários tipos podem causar degradação do sinal e erros no cálculo das informações de PVT. Isso pode até mesmo causar uma interrupção do serviço em determinadas áreas.

As causas da degradação do sinal podem ser divididas em três categorias:

• deterioração do sinal inerente ao sistema causados pelos satélites, pela infraestrutura e pela arquitetura;
• degradação do sinal ao longo do trajeto causada por camadas atmosféricas, efeito Doppler e fenômenos meteorológicos espaciais; e
• degradação do sinal devido ao ambiente do usuário, não apenas edifícios e árvores, mas também propagação por multipercurso e aparelhos de interferência (jammers).

A degradação do sinal causada pelo ambiente do usuário pode ser ainda mais diferenciada em termos de tipo, causa e efeito. A causa pode ser classificada em interferência intencional e não intencional, sendo que ambas levam à degradação do sinal ou à interrupção do serviço. Por outro lado, existem ameaças que visam enviar informações falsas sobre a posição do receptor, o que é conhecido como spoofing.

Aplicações especiais do GNSS

As aplicações especiais do GNSS envolvem técnicas avançadas para melhorar a navegação e o posicionamento:

1. As aplicações multiconstelação e multifrequência utilizam sinais de diferentes sistemas de satélites e frequências para obter maior precisão.

2. As aplicações envolvendo vários veículos permitem a navegação cooperativa.

3. As aplicações com múltiplas antenas melhoram a recepção do sinal.

4. Aplicações avançadas de combate à interferência lidam com interrupções de sinal, garantindo um funcionamento preciso e confiável do GNSS em diversos ambientes.

Simulação de GNSS e testes de receptores

Os testes de GNSS são essenciais durante o desenvolvimento de receptores e a produção de chipsets/dispositivos para garantir um desempenho ideal. Eles caracterizam o desempenho do receptor, testam recursos especiais do receptor e avaliam a resiliência contra ameaças ao GNSS, tais como interferência intencional (jamming), falsificação (spoofing) e problemas de coexistência. Testes exaustivos ajudam a manter de forma confiável e precisa as informações de posicionamento, navegação e tempo.

Os testes de GNSS podem ser realizados em condições reais, mas isso apresenta limitações, como condições desconhecidas do sistema, restrições de personalização e a impossibilidade de realizar testes reproduzíveis. Além disso, eles são demorados e caros.

É aí que a simulação entra em cena. Em uma simulação, as condições do sistema são bem definidas, e os cenários de teste podem ser repetidos quantas vezes forem necessárias. Os parâmetros de teste também podem ser configurados de acordo com as necessidades do usuário.

Há sete elementos que devem ser considerados em uma simulação de GNSS:

1. Interferências e sinais de bloqueios (jamming): para simular um ambiente GNSS real, é necessário levar em conta influências externas, como sinais de interferência e jamming. Com isso, é possível simular a presença de sinais adicionais e avaliar sua influência na recepção do sinal GNSS.

2. Simulação de distância: a distância entre o satélite e a antena receptora é a medição básica que um receptor GNSS realiza para calcular sua posição. Para uma simulação realista da distância, é necessário levar em conta 3 fatores: (a) os efeitos troposféricos e ionosféricos; (b) os erros inerentes ao sistema, como erros de relógio; e (c) erros inesperados de medição de distância.

3. Simulação da órbita de um satélite: uma simulação realista de GNSS deve permitir a simulação de diferentes classes de órbitas de satélites (LEO/MEO/GEO/IGSO), como erros de órbita e perturbações.

4. Sistemas e sinais: Atualmente, um simulador de GNSS deve ser compatível com cenários multifrequência e multiconstelação, simulando todos os sinais e sistemas relevantes em todas as bandas de frequência do GNSS simultaneamente.

5. Obstruções de sinais: os sinais de GNSS são frequentemente bloqueados por edifícios, especialmente em ambientes urbanos. Em muitos casos, a obstrução do sinal precisa ser combinada com a simulação de propagação multipercurso, uma vez que o sinal em linha reta pode estar completamente obstruído e o receptor pode processar apenas os componentes de multipercurso.

6. Veículo em movimento: muitos testes devem simular um receptor em movimento que leve em conta a situação do veículo. Para testar receptores em movimento e em condições de alta dinâmica de sinal, o simulador de GNSS deve oferecer suporte para cenários em que o usuário simulado esteja exposto a altas velocidades e acelerações.

7. Simulação de multipercurso: para testar o desempenho do receptor na presença de propagação multipercurso, um simulador de GNSS geralmente oferece várias maneiras de simular tais influências. Por exemplo, isso pode incluir modelos de atraso por derivações (tapped delay) ou de multipercurso no solo (ground multipath), modelos estatísticos de canal ou modelos determinísticos de multipercurso.

Soluções de teste de GNSS para aumentar a confiabilidade do PNT

A Rohde & Schwarz oferece geradores de sinais e softwares para simulação de GNSS, abrangendo desde cenários simples com um único satélite até constelações com vários satélites, incluindo cenários de interferência, multicanal e multifrequência. Também oferecemos opções de automação de testes de GNSS para nossos geradores de sinais, para que você possa realizar testes totalmente automatizados em condições controladas e reproduzíveis, tanto em laboratório quanto na linha de produção.

Nossos analisadores de redes vetoriais (VNA) são ferramentas essenciais para o desenvolvimento de receptores GNSS. Os VNAs são utilizados para:

• testar e otimizar o desempenho da antena;
• avaliar filtros e amplificadores quanto à resposta em frequência, ganho e linearidade;
• garantir o casamento de impedâncias correto;
• medir a figura de ruído (um indicador-chave de desempenho);
• auxiliar na caracterização dos percursos de sinal dentro do sistema do receptor; e
• determinar o isolamento entre as diferentes portas para evitar interferências.

Para testes nas fases de desenvolvimento, qualificação e produção, nós oferecemos uma ampla variedade de osciloscópios.