O sistema de navegação e posicionamento por satélite captura e analisa os sinais de uma constelação de satélites . Os sistemas mais conhecidos são GPS , GLONASS , Galileo e Beidu . Apesar da aparente simplicidade da técnica, o processamento dos sinais e o cálculo da posição de um receptor são complexos. O receptor aqui descrito refere-se ao sistema GPS , mas a descrição pode ser generalizada para outros sistemas.
Os satélites transmitem continuamente em duas frequências L1 (1.575,42 MHz ) e L2 (1.227,60 MHz ). Eles são modulados em fase pela combinação de dados digitais e dois códigos; esta combinação é uma adição do módulo 2. Os códigos são um código C / A pseudo-aleatório (acrônimo para aquisição grosseira , aquisição grosseira ) que é uma sequência em 1,023 Mbit / se período de 1 milissegundo e um código pseudo-aleatório P, para precisão , a 10,23 Mbit / s com um período de 280 dias. O primeiro é de livre acesso, o segundo é reservado para usuários autorizados; na maioria das vezes é criptografado .
Para sinais de acesso livre, a portadora L1 é usada. Cada satélite GPS transmite o código de aquisição C / A e os dados nesta operadora. O código C / A é único para cada satélite entre um conjunto de 31. Os dados transmitidos a 50 bits / s incluem informações sobre o conjunto da constelação GPS: efemérides que permitem calcular a posição dos satélites, correção do relógio, dados para correção ionosférica, bem como mensagens especiais do sistema. Os dados do satélite são transmitidos em um quadro a cada 30 segundos. O tempo necessário para transmitir o almanaque do sistema completo é de 12,5 minutos.
A efeméride contém os parâmetros orbitais detalhados de todos os satélites. Os dados das efemérides mudam de hora em hora, mas são válidos por aproximadamente quatro horas. A parte de controle do quadro GPS atualiza o almanaque do sistema todas as semanas e atualiza as efemérides a cada hora por meio de três estações de controle de solo. Em operação normal contínua, um receptor GPS atualiza essas efemérides armazenadas em sua memória continuamente e frequentemente a cada 30 minutos.
A posição do receptor é calculada a partir dos dados digitais do almanaque e da marcação de tempo dos momentos característicos das sequências de código C / A. Os receptores atuais podem rastrear um grande número de satélites simultaneamente em tantos canais dedicados; 12 canais é um número comum. O desempenho de um receptor GPS quando ligado é determinado em grande parte pelos satélites em vista e pela disponibilidade na memória do receptor de um almanaque do sistema GPS.
Da mesma forma, é trazido um segundo satélite que conhece a distância que o separa do receptor GPS. A interseção das duas esferas forma um círculo. Este círculo representa todas as posições que o receptor GPS pode ter.
O termo inicialização a frio descreve o desempenho de um receptor GPS quando é ligado quando não há dados de navegação disponíveis, por exemplo, quando é colocado em serviço pela primeira vez. O cold start significa que o receptor ainda não possui um almanaque atualizado em memória, nem dados sobre as órbitas dos satélites, nem posição geográfica inicial, nem tempo de referência.
Durante a inicialização a frio, o receptor escolhe automaticamente um conjunto de satélites e dedica um canal individual para pesquisar o sinal de cada satélite na constelação, aplicando opcionalmente deslocamentos Doppler a essas frequências. Se nenhum dos satélites for adquirido após um período predeterminado, denominado time out , o receptor escolhe um novo conjunto de busca de satélite e então repete o processo até que os dados de um primeiro satélite sejam adquiridos.
Conforme os satélites são adquiridos, o receptor coleta automaticamente os dados do almanaque que começa a registrar. O receptor usa as informações obtidas na aquisição de dados de um satélite específico para, é claro, eliminar satélites abaixo do horizonte do conjunto de busca. Esta estratégia melhora a aquisição de dados de satélites adicionais necessários para realizar o primeiro cálculo de uma posição. Conjuntos de busca de inicialização a frio são estabelecidos para garantir que pelo menos três satélites sejam adquiridos durante os primeiros dois períodos de desligamento. Assim que quatro satélites são adquiridos, o receptor calcula uma primeira localização. Um receptor GPS normalmente executa uma inicialização a frio em menos de dois minutos.
Não é necessário um almanaque de sistema completo para realizar o primeiro posicionamento. Posteriormente, será gravado na íntegra. O almanaque é usado nas seguintes partidas a quente e para facilitar a aquisição de satélites GPS visíveis.
Na inicialização a quente, o receptor tem um almanaque atualizado, uma primeira posição, a menos de 3.000 quilômetros de distância, e o tempo preciso, dentro de cinco minutos, armazenado na memória. Para forçar uma inicialização a quente, o almanaque , a hora e a posição inicial devem ser baixados pelo receptor.
Durante uma partida a quente, o receptor identifica os satélites que espera receber, usando dados do almanaque, posição inicial e hora. O receptor calcula a altitude e o efeito Doppler de cada satélite neste conjunto planejado e atribui a seus diferentes canais uma busca paralela por esses satélites. Se o erro do oscilador interno for conhecido, o receptor compensa esse deslocamento para otimizar a pesquisa. Se o deslocamento não for conhecido, os algoritmos de pesquisa são ampliados para levar em conta a tolerância do oscilador, envelhecimento e erros relacionados à temperatura.
Se o receptor tiver um almanaque e uma primeira posição, mas não tiver a hora atual, ele aciona uma busca a frio até que o primeiro satélite seja adquirido. Uma vez que esses dados do primeiro satélite são adquiridos, o receptor GPS pode obter um tempo aproximado e então muda para o modo de inicialização a quente para adquirir os satélites adicionais. Embora o tempo para a primeira aquisição seja um pouco mais longo neste caso, é significativamente mais curto do que uma partida a frio completa. O tempo de inicialização na primeira aquisição geralmente é inferior a 50 segundos.
Se o receptor não coletar todos os dados dos satélites planejados dentro de alguns minutos durante uma inicialização a quente, por exemplo, porque a antena GPS está em um ambiente obstruído, um dos canais é atribuído para conduzir uma pesquisa no modo de inicialização a frio . Essa estratégia minimiza o tempo de aquisição na primeira posição nos casos em que o almanaque, a posição e o tempo armazenados são inválidos.
Uma estratégia de inicialização a quente se aplica quando os dados de almanaque, posição, hora e efemérides (dados efêmeros) na memória são válidos. A estratégia de pesquisa de inicialização a quente é semelhante a uma inicialização a quente, mas como os dados na memória são considerados atuais e válidos, o tempo de aquisição é normalmente inferior a 30 segundos.
A precisão da posição GPS é degradada pela influência nos sinais de cruzamento da ionosfera e da troposfera , desvios do relógio de satélite, erros do relógio do receptor, reflexos parasitas. A disponibilidade seletiva não é aplicada desde 2000 .
Modelos foram desenvolvidos para corrigir o máximo possível o impacto dos efeitos troposféricos e ionosféricos. O impacto dos desvios do relógio do satélite é minimizado pela incorporação dos dados de correção transmitidos para cada satélite usado na determinação da posição. O cálculo da posição do receptor também tem como consequência escravizar a frequência de seu oscilador interno na frequência dos sinais recebidos, ou seja, na frequência dos osciladores internos ou relógios dos satélites. Os dados contidos no almanaque permitem que o receptor calcule e exiba a hora UTC ou a hora legal.
Um receptor GNSS de dupla frequência ajuda a melhorar a precisão, especialmente nas cidades. O primeiro chip de dupla frequência para dispositivos de consumo (especialmente smartphones) foi lançado pela Broadcom no final de 2017 com o nome BCM47755. O Xiaomi Mi 8 é o primeiro smartphone a integrá-lo. A Qualcomm e a HiSilicon seguiram no final de 2018 com o modem Snapdragon X24 LTE integrado no Snapdragon 855 e Kirin 980, respectivamente.
A posição é expressa por padrão em um formato que fornece a latitude, longitude e altitude no sistema WGS84 . Essas coordenadas podem ser facilmente convertidas em outro sistema de referência específico para o país onde o receptor está localizado. Os receptores comuns normalmente oferecem uma escolha de mais de 170 sistemas.
Um receptor GPS atualiza sua posição a cada segundo ou mais (até 100 Hz ).
Os limites de operação dinâmica para os vários projetos de receptor são identificados abaixo. Esses limites operacionais presumem que o receptor GPS está instalado corretamente e que todo o sistema GPS foi projetado para operar nas mesmas condições dinâmicas.
Quando um sinal de um determinado satélite é momentaneamente interrompido durante a operação normal, o receptor continua a procurar o sinal perdido na última freqüência conhecida do satélite. Se o sinal perdido ainda não for adquirido em 15 segundos, o receptor inicia uma busca de frequência mais ampla. O receptor usa as informações mais recentes conhecidas para estabelecer a frequência central e o alcance da pesquisa. Por exemplo, a cada 15 segundos, até que o sinal perdido seja restaurado, uma nova frequência central com sua faixa de pesquisa é calculada. Cada faixa de frequência é pesquisada em etapas de 500 Hz .
Se os dados das efemérides ou do almanaque ainda estiverem disponíveis para o satélite momentaneamente perdido, a velocidade do satélite será incluída no cálculo da freqüência central da portadora. A idade de um almanaque é levada em consideração pela largura do intervalo de pesquisa. Se os dados das efemérides ou almanaques ainda não estiverem disponíveis, o receptor procura por dois minutos com a última informação de satélite válida obtida antes de o sinal ser perdido.
Se o satélite não tiver sido readquirido pela antena GPS, o último sinal recebido é pesquisado na frequência Doppler, com base na dinâmica do satélite por no máximo dois minutos.
Se a posição atual não for exatamente conhecida, a largura do intervalo de pesquisa é alargada. Os tempos de reaquisição para sinais de GPS perdidos momentaneamente são normalmente menores do que alguns segundos.
Um receptor GPS típico incorpora um processador de sinal digital DSP , que opera na frequência L1 (1575,42 MHz ). Os sinais recebidos dos satélites pela antena são filtrados e amplificados por um pré-amplificador e então alimentam um conversor RF / IF. Este tratamento geralmente é feito no nível da antena. Um circuito processa a frequência recebida, adquire o código C / A do sinal recebido de vários satélites simultaneamente. Os receptores atuais podem processar simultaneamente os sinais recebidos de doze satélites. O microprocessador usa os dados e realiza cálculos de navegação, além de controlar os canais DSP. O todo é controlado pelo oscilador de cristal do receptor.