O EFEITO DO MULTICAMINHO ESTÁTICO NAS MEDIDAS DA FASE DAS PORTADORAS GPS

Resumo

O multicaminho atua de diferentes maneiras no sistema GPS. Uma delas,
em nível de receptor, distorce a função de correlação prejudicando a detecção do
seu pico no delay-lock tracking loop, o que provoca um erro na medida da
distância receptor-satélite e demais estimativas dela originadas. O multicaminho
também atua na fase da portadora, levando o receptor a medir uma fase alterada em
comparação à réplica internamente gerada pelo receptor, causando erros não
somente na distância receptor-satélite medida, como fornecendo medidas da fase da
portadora alteradas quando as mesmas forem usadas em trabalhos diferenciais por
parte de outros usuários, gerando posicionamentos imprecisos por parte dos
mesmos, e que não são evitados pela técnica diferencial. Talvez por isso o
multicaminho continue sendo a maior fonte de erro nos posicionamentos de alta
precisão, tanto cinemáticos como estáticos, o que o torna limitante em muitas
aplicações. Melhoras em nível de receptor e no que tange à fabricação e localização
de antenas, além de modelamentos usando a repetibilidade dia-a-dia do
multicaminho tem alcançado melhoras na solução deste problema, principalmente
para o multicaminho de alta freqüência e, geralmente, menor intensidade,
provocados por objetos distantes da antena. Para os demais casos, entretanto, essas
conquistas ainda não estão em um nível satisfatório. O presente trabalho objetiva
chegar a uma avaliação do multicaminho usando o pressuposto da baixa variação
angular dos satélites e da geometria do ambiente em medidas próximas no espaço e
no tempo, usando-se apenas um receptor e duas antenas. A metodologia baseia-se
no uso de medidas de simples diferença de fase da portadora L1 para alimentar um Filtro Estendido de Kalman, estimador de parâmetros do multicaminho, a partir dos
quais pode-se chegar a uma melhor estimativa e atenuação do mesmo. Acredita-se
que este procedimento possa ser adotado também para análise do multicaminho nas
medidas da fase da portadora L2, embora isto não tenha sido feito neste trabalho.
Analisou-se o multicaminho nas antenas em relação a vários satélites com diferentes
azimutes e ângulos de elevação e em dias consecutivos com a mesma geometria nos
cenários em relação aos satélites. A alta repetibilidade dia-a-dia do sinal foi usada
para confirmação de tratar-se realmente de um sinal de multicaminho. Os resultados
mostram pouca variação na efetividade do método para os diferentes satélites,
chegando a atingir uma média de 64,9% de eficiência quando leva-se em conta o
percentual do multicaminho estimado em comparação com o multicaminho medido.
Conclui-se que o pressuposto da baixa variação do multicaminho para intervalos
curtos de tempo pode ser usado para explorar os objetivos propostos. Chega-se a
boas estimativas do multicaminho na fase da portadora em ambientes estacionários,
tornando-se uma alternativa especialmente para casos de escassez de recursos
materiais. O mesmo é válido não somente para ser implantado em estações de
referência como em caso de usuário, fornecendo medidas mais confiáveis, como
também em trabalhos de pesquisa, análise e modelamento do multicaminho em
determinados cenários, separadamente.

The Effect of Static Multipath Over GPS Measurements

Abstract

Multipath affects the Global Positioning System measurements in
different ways. For example, in the receiver, multipath distorts the correlation
function hampering its peak detection in the delay lock loop, with a consequent
error in the pseudorange and its derived products. It also takes a toll in the carrier
phase, causing the receiver to measure a distorted phase, with deleterious
consequences in differential applications. Maybe for these reasons, multipath
remains a major source of error in both static or kinematic high accuracy
positioning, and a limiting factor in various applications. Improvements in receiver
and antenna technologies, in addition to models based on daily repeatability, have
resulted in a better handling of this problem. This is particularly true for high
frequency multipath, in general the one with less intensity, provoked by objects
farther away from the antenna. For other situations, these improvements are not yet
at a satisfactory level. Some authors have shown that multipath is highly correlated
for an array of closely spaced antennas. This thesis develops a methodology aimed
at evaluating multipath by introducing a temporal factor in the measurements. The
methodology makes use of the assumption that multipath parameters and satellite
geometry have a slow variation space and in short periods of time. The method uses
L1 single difference carrier phase measurements that have been collected by two
closely spaced antennas. These observables feed a Extended Kalman Filtering that
estimates multipath parameters, with consequent multipath mitigation. We believe
that he same procedure may be adopted for the L2 carrier phase. Multipath was
analysed for various satellites at different azimuth and elevation angles over consecutive days using the same scenario. The high daily repeatability was used to
ascertain the presence of multipath. The results show a short variation in the
efficiency of the method, i.e., the percentage between the estimated multipath vis-àvis
the measured one. Generally, the efficiency reached 64,9%. It is concluded that
the assumption of the low variation of the multipath parameters over a short period
of time can be used to explore the proposed objectives. We believe that very good
carrier phase multipath estimates were obtained. This means the method is an
interesting alternative for reference stations, users and also for research, analysis,
and modelling of multipath by using different scenarios.