GPS e GNSS

SAVE OFFLINE

UNIP – UNIVERSIDADE PAULISTA CURSO : ENGENHARIA CIVIL

GEODÉSIA

GPS E GNSS

• GPS – Global Positioning System – sofisticado sistema eletrônico de navegação em uma rede de satélites que permite localização instantânea, em qualquer ponto da Terra, com uma precisão quase perfeita. • Sistema GPS disponíveis para o uso no meio civil NAVSTAR - desenvolvido pelo EUA. • Dois sistemas, com mesmas finalidades , desenvolvidos pelas maiores potências militares - tecnologia de guerra, desenvolvida na época da Guerra Fria. • Tornou-se de conhecimento público durante a Guerra do Golfo : mísseis atingiam seus alvos com a chamada “precisão cirúrgica”. Mísseis e tropas militares, navios e tanques de guerra : deslocavam-se na imensidão do deserto, sob a orientação do NAVSTAR – GPS.

• Sistema tão importante e necessário no meio militar : torna-se disponível para o meio civil , mas, por questões estratégicas, não com a mesma eficácia.

NAVSTAR – GPS : Navigation System with Timing and Ranging • 24 satélites que orbitam ao redor da Terra duas vezes ao dia em trajetórias muito precisas e transmitem informações de posicionamento. • Calcula posições desconhecidas da Terra, mar e ar a partir de posições conhecidas desses satélites no espaço. • Objetivos : - determinação instantânea de navegação de um objeto; - coordenação precisa do tempo.

• NAVSTAR GPS : é um “sistema de navegação baseado em um sistema espacial sob o desenvolvimento do Departamento de Defesa da América do Norte para satisfazer as necessidades das Forças Armadas na determinação, de maneira precisa, de sua posição, velocidade e tempo em um sistema de referência comum, em qualquer lugar da Terra ou próximo dela de maneira contínua.” (Hofmann-Wellenhof, 1997) • Iniciativa militar, mas o Congresso da América do Norte, atendendo a uma solicitação do presidente , liberou o uso do sistema para fins civis. • Utilizando um diretório (uma tabela com o número do satélite e sua órbita) armazenado na memória do receptor – determina distância e posição de qualquer satélite e estas informações são utilizadas para calcular – posição atual.

ESTRUTURA DO SISTEMA Segmento Espacial ; Segmento de Controle ; Segmento do Usuário 1- Segmento Espacial : NAVSTAR – 24 satélites dispostos em 6 órbitas diferentes , altitude de 20200 km. • Distribuição no espaço : em qualquer lugar do mundo e a qualquer momento - pelo menos quatro satélites disponíveis acima do plano do horizonte do usuário. • Satélites transmitem para os GPS sinais de rádio – processados , permitem o cálculo do posicionamento do usuário. Rádios nos satélites : transmitem sinais em 2 bandas – L1 e L2.

L1 – freqüência de 1575,42 MHz , carrega 2 códigos : “ Coarse/ Aquisition” (C/A) e código preciso (P). L2 – freqüência de 1227,6 MHz , carrega apenas código P (recebido apenas por aparelhos militares). • Sinal livre para civis : C/A – Serviço de Posicionamento Padrão (SPS). • Uso das duas bandas, mais códigos por elas produzidos – Serviço Preciso de Posicionamento – PPS : utilizado pelas Forças Armadas EUA e seus aliados.

L2C: é o segundo sinal civil GPS, projetado especificamente para atender às necessidades comerciais. Para os usuários que operam com a dupla frequência existente (L1 e L2), L2C proporciona aquisição mais rápida do sinal e maior confiabilidade. Transmissões L2C são melhores do que o sinal L1-C/A, sendo possível receber este sinal debaixo de árvores e até mesmo dentro de casa. L5: é o terceiro sinal de GPS civil, projetado para atender aplicações de alta performance, como o transporte seguro de passageiros. A frequência de rádio usada pelo sinal é 1176 MHz. A frequência L5 tem sido transmitida em uma banda de rádio reservada exclusivamente para os serviços de segurança da aviação. Futuramente será utilizada nos levantamentos topográficos e geodésicos.

EXATIDÃO DO SISTEMA

2 – Segmento de Controle : • Estações terrestres, gerenciadas pelo Departamento de Defesa dos EUA. • Responsáveis : monitoramento dos satélites ; correções de órbitas; identificação de defeitos; acertos dos relógios atômicos dos satélites. • Vitais para o bom funcionamento do sistema. • Os receptores GPS, por questões de custo, usam um relógio de cristal em seu interior, que não estão acertados precisamente com o relógio atômico a bordo do satélite, causando uma leve defasagem no tempo.

3 – Segmento Usuário: • Receptores GPS disponíveis no mercado : R$ 400,00 até mais de R$ 3000,00 , dependendo dos recursos e aplicações. • Funções : captar sinais de rádio transmitidos pelos satélites, decodificá-los e através de cálculos de geometria esférica, determinar a posição do usuário ; além das funções de : referências, sistemas de medidas, sistemas de coordenadas, armazenagem de dados, troca de dados.

FUNCIONAMENTO DO SISTEMA • Cada satélite envia continuadamente sinais contendo sua posição e uma medida de tempo. Receptor do usuário : mede o tempo para que o sinal percorra a distância entre o satélite e a antena desse receptor (cálculo utilizando a velocidade da luz “c” : 300.000.000 m/s. O receptor mede o tempo “t” que o sinal levou para chegar até ele e calcula assim a distância “d” ao satélite : d = c.t • Como calcular o tempo que o sinal levou para deixar o satélite até ser captado pelo receptor do usuário? O receptor de GPS emite continuamente os mesmos códigos transmitidos pelos satélites – sincronia entre satélites e receptores calcula há quanto tempo atrás esse mesmo sinal foi gerado pelo satélite.

• Conhecendo os valores de Tempo e Velocidade , obtém-se a Distância que o satélite se encontra do receptor e através de cálculos de triangulação o equipamento obtém a Posição Geográfica. • Se distância do satélite ao receptor e localização do satélite são conhecidas – o receptor está em algum lugar na superfície da Terra cujo centro é o satélite. Procedimento repetido para cada um dos satélites que o receptor capta – determinando o local que as esferas se cruzam no espaço. • Encontro de duas esferas: círculo; três esferas : dois pontos e quatro determinam um ponto – receptor tem sua posição geográfica determinada.

Fórmula simples: D = V*T Distância = Velocidade X Distância = Distância ao satélite (Pseudorange) Tempo = tempo de percurso do sinal satélite-receptor •Quando o sinal deixou o satélite? •Quando o sinal chegou no receptor? Velocidade = Velocidade da luz

A partir de distâncias a vários satélites pode-se obter a posição por meio de uma equação matemática. Uma medição fornece a posição sobre a superfície de uma esfera.

Quatro satélites definem as quatro incógnitas Latitude Longitude, Altitude e Tempo.

PRECISÃO DE POSICIONAMENTO • Maio 2000 – eliminada pelo Departamento de Defesa dos EUA a principal fonte de erro na precisão do GPS : “ Erro Devido à Disponibilidade Seletiva” (SA – Selective Avaiability). • Erro aleatório inserido pelo Departamento de Defesa dos EUA ao sistema na forma de um ruído no relógio do satélite para limitar o uso do GPS por forças hostis durante guerras ou crises armadas. * O Departamento pode até desligar todo o sistema, deixando ativo somente os canais militares. • Com a eliminação da SA, o erro médio de posicionamento que era da ordem de 50 a 100 metros, agora varia de 10 a 20 metros. • Precisão de uma posição fornecida pelo GPS – variar de menos de 1 cm até mais de 20 metros , dependendo : tipo de processamento utilizado e conhecimento do usuário sobre a operação do sistema.

• Coordenadas horizontais (X e Y) são de 2 a 5 vezes mais precisas que a coordenada vertical (Z) – precisão horizontal na ordem de 1 cm medida vertical : 2 a 5 cm. Fatores que Interferem na Precisão do Posicionamento : 1- Erros nos relógios dos satélites e do receptor : pequena defasagem entre os relógios dos satélites e receptores. Os receptores captam no mínimo 4 satélites – eliminam erro do relógio com procedimentos externos. 2- Órbita dos satélites : não há efeito da atmosfera da Terra sobre satélites, mas forças gravitacionais da lua e sol e pressão da radiação solar criam pequenos desvios nas órbitas. Com o tempo : erros se acumulam e tornam-se significativos. A cada 12 horas: órbita dos satélites rastreada e corrigida pela estação mestre de controle, não impede erro médio de 0,6 m.

3 – Interferências Atmosféricas : vapores d´água na troposfera e íons na ionosfera causam atrasos na propagação dos sinais emitidos pelos satélites , podendo resultar em erro no cálculo da distância receptor – satélite. Alguns equipamentos : recursos para corrigir ou reduzir essa fonte de erro. 4 – Reflexão do Sinal : erro formado pela sobreposição de sinais. Pode ocorrer quando operamos o GPS próximo a grandes superfícies líquidas (lagos, represas), grandes superfícies metálicas ou sólidas – causam reflexão do sinal enviado pelo satélite. Erros de 1 a 2 m. 5 – Geometria dos Satélites : boa geometria é definida por um grupo de satélites igualmente distribuídos e bem espaçados na calota acima do receptor, facilitando a intersecção das esferas imaginárias que permitem o cálculo da posição. Satélites muito próximos uns dos outros : má geometria.

• Qualidade da geometria dos satélites : quantificada pelo índice GDOP (Diluição Geométrica de Posição), composto pelos fatores: - Diluição de Precisão Horizontal (HDOP) – interfere na latitude e longitude. -Diluição de Precisão Vertical (VDOP) – interfere na altitude. -Diluição de Precisão na Posição (PDOP) – interfere nas 3 dimensões. Mais utilizado. Quanto menor o PDOP, melhor a geometria, desaconselhável trabalhar com PDOP acima de 5 ou 6 ; melhor valor é 1. Trabalhos de campo : PDOP entre 1,5 a 3,5. -Diluição de Precisão no tempo (TDOP). •Esses erros reduzem a acurácia do receptor de GPS para 20 a 30m – insuficiente para Agricultura de Precisão ou mapeamentos com maior índices de precisão (áreas de talhões, mapeamento de rodovias,...). CORREÇÃO DIFERENCIAL – melhorar acurácia do equipamento.

CORREÇÃO DIFERENCIAL • Utilização de um receptor fixo em um local de coordenadas conhecidas para cálculo do erro instantâneo na posição fornecida pelo GPS. Após determinado, esse erro é utilizado na correção das medidas do receptor do usuário, que é sempre móvel. • Reduz ou elimina maiores fontes de erros de GPS comuns : podem cair da ordem de 30 metros para apenas 0,4 metros. • Erros de reflexão, relógio do satélite,órbita do satélite e disponibilidade seletiva são praticamente eliminados. • Existem 5 alternativas para correção diferencial do sinal do GPS – 3 disponíveis no Brasil.

1 – Correção por Pós Processamento dos Dados : sistema composto por uma base fixa de posição conhecida (onde é instalado um GPS e um computador para armazenagem de dados) e o receptor móvel, com o qual vai-se a campo e faz-se a coleta de dados. Após a coleta, retorna-se ao escritório onde é feito seu processamento, cruzando-se os dados do GPS de campo com os erros determinados pela base fixa. • Válida para levantamentos cartográficos e topográficos, ou produção de mapas de colheita. • Órgãos públicos e empresas já disponibilizam esse tipo de serviço. ESALQ/USP e Santiago & Cintra : disponibilizam bases fixas para fornecimento de dados de correção em pós processamento. Dados em formato “.ssf”, específico de um dos fornecedores de GPS. • Guarda Costeira de muitos países : transmissores de correção diferencial (por meio de rádio AM) ao longo da costa e mesmo em rios navegáveis. Utilizados pelos agricultores que estão dentro da área de cobertura. Brasil dispõe na costa atlântica – não atinge áreas continentais e agrícolas.

• Alguns países : redes privadas de serviço para o fornecimento do sinal de correção via ondas de FM. 2 – Correção pela Instalação de uma Base Fixa Própria : aquisição de um receptor de GPS, um rádio emissor e um rádio receptor em UHF. Base montada em uma torre central em relação à área de cobertura. Sinal de GPS captado pelo receptor da torre – transmitido pelo rádio emissor e captado pelo rádio receptor localizado no veículo de campo que também está equipado com GPS. A correção é processada pelo equipamento de campo em tempo real. • Limitação do sistema : alcance do sinal de rádio – máximo 25 a 40 km de raio, dependendo da potência do rádio e do relevo local. • Boa solução para usuários coletivos – podem ser utilizado tantos receptores móveis quanto se queira e assim diluir o custo da aquisição e manutenção da estação fixa.

3 – Sinal Obtido Via Satélite de comunicação Geoestacionário Específico para esse Fim : sinal continental, dirigido a qualquer usuário de GPS. O sistema utiliza o satélite de comunicação e estações de referência de longo alcance (centenas de km). O sistema gera uma base virtual dentro do receptor de DGPS. • Sinal bloqueado, disponível para usuários que o adquirirem – taxa anual, normalmente. • Correção via satélite geoestacionário,sinais de GPS e meios de comunicação – sofrendo forte influência vinda do Sol , com maior emissão de energia e ondas eletromagnéticas. Acontecimentos imprevisíveis e que atrapalham muito a execução de trabalhos pré- planejados, por falta de sinal.

Referências Bibliográficas Fundamentos de Sistemas de Informação Geográficas José Iguelmar Miranda – EMBRAPA Informação Tecnológica – EMBRAPA , Brasília, 2005. 425p. Sistemas de Informações Geo-referenciadas – Conceitos e Fundamentos. Ardemírio Barros. Editora UNICAMP. Campinas, 1999. 236p. Apostila Cartografia UFES – Instituto de Tecnologia e Ciências Astronomia e Astrofísica 2a Ed. - Kepler de Oliveira, Maria de Fatima Saraiva