Além do sinal de visada direta, um receptor GPS pode receber sinais provenientes de reflexão e / ou difração sendo esses sinais denominados de multicaminho. Apesar dos contínuos avanços das tecnologias dos receptores GPS e das antenas, o sinal do multicaminho continua sendo uma das principais fontes de erro na determinação da posição do usuário e para minimizá-lo é preciso entender o seu comportamento e suas características. Esta tese visa apresentar a modelagem dos sinais de multicaminho provenientes de reflexões especulares próximas à antena do receptor e propor a utilização do novo sinal civil GPS L5 e da Filtragem Espacial Digital fazendo uso do algoritmo LMS para minimizar seus efeitos. No decorrer deste trabalho serão apresentados os planos de modernização do GPS e a estrutura do sinal GPS L5 destacando-se as principais vantagens associadas ao uso deste novo sinal no receptor GPS.

A propagação de sinais GPS provenientes de satélites com baixa elevação em dutos troposféricos é simulada através de dois métodos de predição: traçado de raios e equações parabólicas. Os dutos troposféricos são geralmente esquecidos na modelagem de enlaces satélite-receptor devido ao fato dos ângulos de elevação envolvidos serem, em geral, elevados. Na situação considerada neste trabalho os ângulos de elevação são bem pequenos, situação na qual os mecanismos de propagação anômala são dominantes e não podem ser descartados. As simulações permitem observar a potência e o ângulo de elevação do sinal confinado no duto, e análises são feitas para averiguar se existe a possibilidade de que a presença de dutos no enlace satélite-receptor possa trazer problemas ao cálculo da posição do usuário GPS.

A indústria aeroespacial investe grandes somas em seus processos de manufatura, especialmente nas ferramentas específicas e em dispositivos de precisão para verificação dimensional de grandes partes estruturais como dianteira, centrais, asas, empenagens, posicionamento e alinhamento de asas, fuselagem, diedros de semi-asas e empenagem horizontal, distâncias relativas entre asa e empenagens e superfícies móveis. Por serem construídos para usos e processos específicos, a flexibilidade da aplicação dos mesmos fica limitada, sendo necessária a criação de um novo dispositivo a cada novo processo. É estudada a viabilidade de uso do sistema GPS Indoor, assim como do Laser, através de sensores previamente localizados nas superfícies das aeronaves, na verificação precisa da posição relativa entre superfícies móveis, asas e alinhamento da fuselagem. Esses registros, conhecidos como pontos de triangulação, poderão ser utilizados tanto na inspeção final da aeronave para liberação de entrega, como para o operador verificar as condições dimensionais da mesma quando houver suspeita de perdas dimensionais em casos de pequenos acidentes, como o pouso duro, a derrapagem em pista e o pouso de barriga, entre outros.

Esta tese trata do desenvolvimento de um Sistema de Trajetografia, com a utilização de uma instrumentação instalada na aeronave conjuntamente com um sistema de recepção GPS Diferencial com medição da fase da portadora. Este trabalho, apresenta a base teórica e prática da arquitetura proposta a qual foi desenvolvida e testada experimentalmente, utilizando como plataforma de ensaio a aeronave XT-27, FAB 1321 pertencente à Divisão de Ensaios em Vôo, deste Centro. O resultado deste trabalho foi a implantação de um Sistema de Trajetografia com boa precisão, alta cadência de amostragem e custo baixo capaz de atender a maioria das campanhas de ensaios em vôo de aeronaves.

Este trabalho trata da determinação preliminar da órbita de um satélite com um receptor GPS a bordo. O método proposto, baseado no Filtro de Kalman Discreto, usa quatro medidas da pseudodistância e da sua variação temporal. O programa computacional ASAP da JPL é utilizado para simular as órbitas dos 24 satélites GPS e do satélite usuário. Para modelo do sistema, foi considerada uma órbita kepleriana. As equações de medida foram determinadas em função dos elementos orbitais dos quatro satélites GPS e do satélite usuário. Duas versões do Filtro de Kalman Discreto Linearizado foram implementadas: uma convencional, envolvendo inversão de matrizes, e a outra de forma seqüencial. A solução numérica foi analisada para os seis parâmetros orbitais do satélite usuário e para o erro de seu relógio. Os dados da órbita simulada são comparados com os dados do filtro a fim de verificar a precisão da solução numérica.

Este trabalho apresenta o projeto e construção de um barco inteligente, ou seja, com a capacidade de aprendizado e autônomo. Neste trabalho foi desenvolvida uma plataforma náutica dotada de sensores de posicionamento e de orientação visando gerar uma solução de navegação autônoma capaz de seguir uma trajetória pré-definida por um usuário. O barco foi construído a partir de uma estrutura náutica do tipo catamarã usando como sistema de propulsão rodas d';água impulsionadas por motores elétricos de corrente contínua. Foi projetado e instalado no barco um módulo embarcado contendo um computador de bordo, a eletrônica de acionamento dos motores, o sistema de comunicação e os seguintes sensores: plataforma inercial (composta por acelerômetros, girômetros e magnetômetros) e receptor GPS. O módulo embarcado se comunica com uma estação de controle em terra enviando a telemetria dos sensores e recebendo os comandos para o acionamento dos propulsores. A estação de controle foi escrita no ambiente de desenvolvimento MATLAB e implementa a solução de navegação autônoma do barco em uma interface gráfica amigável realizando os seguintes passos: 1) estimação do estado atual do barco usando fusão sensorial (INS/GPS e Bússola) baseada em Filtro de Kalman, 2) geração do comando para os propulsores por consulta à tabela de acionamento. A técnica de aprendizado por reforço Learning Automata foi usada em um ambiente de simulação, juntamente com o modelo dinâmico do barco, para gerar a tabela de acionamento dos propulsores. A solução proposta foi implementada e testada no barco real. Os resultados experimentais mostram que o barco segue uma trajetória pré-definida pelo usuário de forma autônoma com pequeno erro.

Sistemas de navegação inercial (INS) solidários fazem uso de medidas discretas no tempo de incrementos angulares e de velocidade, oriundas, respectivamente, da integração de girômetros e acelerômetros para estimar atitude, posição e velocidade com relação à Terra. A taxa de amostragem dos algoritmos que processam as medidas dos sensores é relacionado com a acurácia requerida e a carga computacional demandada. De modo a obter-se uma solução de navegação com boa acurácia e carga computacional reduzida, os algoritmos precisam ser executados em múltiplas taxas de amostragem e sistemas de coordenadas distintos - a saber, o do corpo B e da horizontal local NED. Independentemente das taxas de amostragem empregadas pelos algoritmos, os erros de navegação tendem a crescer indefinidamente com o tempo quando o INS opera em modo autônomo (stand-alone). Neste trabalho, foram analisados diversos algoritmos de navegação inercial distintos, comparando-se a carga computacional demandada e acurácia em modo autônomo que se obtêm com cada um. Com relação à solução de navegação fornecida pelos algoritmos, para que os erros tornem-se limitados, viabilizando operações de longa duração, sensores adicionais não inerciais devem ser utilizados. Assumida a disponibilidade de medidas de GPS e câmera, a acurácia da navegação pode ser melhorada por meio da fusão de dados provindos de nós de processamento locais, os quais fornecem, respectivamente, os resultados da integração INS/GPS e da INS/câmera. Neste trabalho, foram investigadas as fusões por federação de filtros - cuja otimalidade requer conhecimento da correlação entre os nós de processamento local - e por interseção de covariâncias (IC), que é subótima, mas não diverge quando há correlação desconhecida entre os sinais a serem fundidos. Para ambos métodos de fusão analisados, o INS e os nós locais são corrigidos periodicamente de acordo com o resultado da fusão, visando melhorar a acurácia da solução de navegação. A acurácia das fusões é avaliada comparando-se com o desempenho obtido por um filtro de Kalman global, o qual processa todas as medidas de todos os sensores simultaneamente.

A determinação da atitude baseada em GNSS constitui uma extensão do método de posicionamento diferencial, no qual é possível obter a posição relativa, com exatidão de $mm$, entre um par de antenas, desde que as grandezas envolvidas sejam conhecidas. Entretanto, é necessário o uso de múltiplos receptores e uma configuração especial das antenas, conhecida como sistema multi antena GNSS. Duas linhas de base definidas por três antenas determinam completamente os ângulos de Euler associados à atitude do veículo. Para que as linhas de base sejam calculadas, é necessário resolver o problema da ambiguidade de fase da onda portadora e técnicas baseadas em Mínimos Quadrados (MQ) são as mais utilizadas para este propósito. Dois algoritmos baseados em MQ foram implementados, a saber MILES e Decomposição de Cholesky, e avaliados no processo de determinação da atitude utilizando dados simulados e reais. A partir dos dados simulados efetuou-se a análise da implementação e a robustez dos métodos de busca, livre de perturbações desconhecidas. Com o conjunto de dados reais a atitude também foi calculada e comparada com a obtida a partir de um navegador de alta precisão. Os resultados obtidos apresentaram um bom desempenho para ambos os métodos de busca avaliados assim como potencial para utilização em aplicações que exijam o processamento da atitude em tempo real.

Sistemas de navegação inercial (INS) possuem erros de posição, velocidade e atitude divergentes com o tempo em uma taxa dependente da precisão dos sensores inerciais. Por outro lado, as taxas divergentes da INS, sistemas de posicionamento global por satélites (GNSS) e dispositivos imageadores (SD) fornecem medidas de posição, velocidade e desalinhamento com erros limitados e em baixas frequências. A complementariedade das características dos sistemas motiva a fusão de dados. A estratégia tradicional de integração é o filtro de Kalman extendido (EKF) como estimador do vetor de erros. Sob certas condições, o filtro de Kalman é o estimador ótimo sob ampla variedade de critérios. Essas condições necessitam de uma modelagem acurada da dinâmica da planta e da sintonia das estatísticas do ruído de modelo e sensores. Portanto, erros de modelagem e sintonia impossibilitam otimalidade e consistência estatística do erro de estimação do filtro e ainda podem levá-lo à divergência. O presente trabalho aborda o problema de buscar a consistência estatística na operação do filtro de Kalman estendido através de técnicas de sintonia automática do ruído de modelagem, a saber, Estimação Adaptativa baseada em Inovação (IAE) e Escalonamento do Ruído de Modelo (SPN). Será experimentalmente demonstrado que IAE falha ao sintonizar o filtro. Será proposta uma alteração na estratégia IAE, a saber, Estimação Adaptativa baseada em Inovação Parcial (IAEP), que deixará o filtro consistente e habilitado a fornecer uma solução de navegação satisfatória. Resultados são obtidos por simulações, onde um veículo aéreo não-tripulado voa uma trajetória conhecida com medidas de sensores inerciais corrompidas por um modelo de constante aleatória e ruído branco. Erros de posição e velocidade, desalinhamento, bias de acelerômetro, deriva de girômetro e erros de relógio GNSS são estimados através da fusão INS/GNSS/SD e testados para consistência estatística em diversos cenários. Adicionalmente, o algoritmo de navegação inercial operando autonomamente é avaliado através de dados reais obtidos em um experimento em montanha-russa.

Nesta tese é abordada a utilização de observáveis específicas, formadas pela combinação linear de fases da portadora e pseudodistâncias, obtidas por dois receptores GPS em duas épocas distintas. O objetivo é obter estimativas das alterações no vetor linha-base entre os receptores com o passar do tempo, processo denominado, neste trabalho, de posicionamento relativo no tempo (PRT), balanceando simplicidade, precisão e baixa demanda computacional. Para o método proposto, apesar de ser necessário que ocorra rastreio contínuo da fase durante medidas consecutivas, nenhum procedimento de resolução de ambiguidades é necessário. A abordagem resulta em uma solução mais simples de computar do que as soluções obtidas pelo método Real-Time Kinematic (RTK), um dos mais acurados existentes hoje, com uma pequena deterioração na precisão, num sentido de PRT, para períodos e linhas-base curtos. Isso leva a aplicações em casos onde o deslocamento relativo a partir de uma posição inicial do usuário é de maior interesse do que sua posição absoluta num referencial terrestre, e quando a demanda computacional é restrita, como no caso da determinação e análise, em tempo real, de trajetórias de veículos aéreos não tripulados (VANTs). Para isso, primeiramente é adotada como observável principal uma combinação de fases, com a qual, através de ajustamentos sucessivos pelo método dos mínimos quadrados, se realiza o PRT. Uma análise teórica de erros para a adoção desta observável é realizada, seguida pela validação dos resultados, utilizando dados reais de gravações de receptores GPS. Por fim uma outra observável, baseada também em pseudodistâncias, é proposta e avaliada.