GPS - Sistema de Posicionamento Global. Caio Schamber Junior 1. Caixa Postal 4515, Cascavel PR Brazil {Caio}

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1 GPS - Sistema de Posicionamento Global Caio Schamber Junior 1 1 UNIPAR - Universidade Paranaense Caixa Postal 4515, Cascavel PR Brazil {Caio} caiojunior@hotmail.com, Resumo. Este trabalho tem como finalidade demonstrar as funcionalidades do Sistema de Posicionamento Global (GPS) no qual compreende uma rede de 24 satélites posicionados na órbita terrestre, onde os mesmos circundam a Terra duas vezes ao dia transmitindo informações aos receptores GPS, quais usam estas informações juntamente com a triangulação para calcular a exata posição do usuário. O receptor de GPS deve receber um sinal de pelo menos três satélites, para calcular uma posição em 2D (latitude e longitude) e movimento de rastro. Com quatro ou mais satélites visíveis, o receptor pode determinar a posição 3D do usuário. PALAVRAS CHAVES: Latitude, Longitude, Triangulação, GPS. 1. Introdução O GPS - Global Positioning System é um sistema projetado para fornecer o posicionamento instantâneo bem como a velocidade de um ponto sobre a superfície da Terra ou próximo a ela. Este sistema foi desenvolvido pelo Departamento de Defesa dos EUA, originalmente criado com fins militares estratégicos. A partir de meados da década de setenta o seu uso foi estendido para aplicações civis, tendo passado por uma contínua evolução desde então, principalmente no que diz respeito aos equipamentos eletrônicos e programas computacionais. Seus principais objetivos são: 1. Auxílio à radionavegação em três dimensões com elevada precisão nos cálculos

2 de posição, mesmo com usuários sujeitos a altas dinâmicas; 2. Navegação em tempo real; 3. Alta imunidade a interferências; 4. Cobertura global, 24 horas por dia; 5. Rápida obtenção das informações transmitidas pelos satélites. Representa atualmente uma nova alternativa de posicionamento para a Cartografia e ciências afins, tendo o uso do GPS crescido significativamente em aplicações nas atividades agrícolas, florestais e de segurança. 2. Sistema de GPS O sistema conta com 24 satélites, sendo 03 reservas. Estes satélites denominados NAVISTAR (Navigation System with Time and Ranging) estão distribuídos em 06 órbitas distintas, a uma altitude aproximada de 20 mil km, com um plano orbital a uma inclinação de 55º em relação ao plano equatorial e um período de revolução de 12 horas siderais. Com esta configuração em qualquer ponto da superfície da Terra há no mínimo 04 satélites acima da linha do horizonte 24 horas por dia. Os satélites GPS funcionam com energia solar, possuem baterias de segurança para mantê-los em funcionamento no caso de um eclipse solar. Pequenos foguetes acoplados em cada satélite os mantém percorrendo seu curso correto. Figura 1 Posicionamento dos Satélites na Órbita Terrestre

3 2.1. Funcionamento Os satélites GPS transmitem dois sinais de rádio de baixa potência, designados L1 e L2. Os receptores GPS civis usam a freqüência L1 de 1575,42 Mhz em UHF. Estes sinais viajam até a Terra passando através de nuvens, vidro e plástico, mas não atravessam barreiras sólidas, como prédios e montanhas. Um sinal GPS contém 03 diferentes bits de informação: um código pseudo-aleatório, dados de efeméride e dados de almanaque. O código pseudo-aleatório é simplesmente um código de identificação que mostra qual satélite está transmitindo a informação. É possível ver este código (um número de dois dígitos) na página de satélite de seu receptor GPS, à medida que identifica de que satélite está recebendo um sinal. Os dados de efeméride, os quais são constantemente transmitidos por cada satélite, contém informações importantes sobre a situação de cada um deles (boa ou ruim) e também a data e hora atuais. Esta parte do sinal é essencial para determinação de uma posição. Os dados de almanaque informam ao receptor GPS onde cada satélite deveria estar em qualquer hora ao longo do dia. Cada satélite transmite dados de almanaque, enviando informações sobre sua órbita para cada satélite do sistema. Cada satélite envia os dados contendo a sua posição exata (posição e elevação) e o momento de inicio da transmissão destes dados. O receptor GPS interpreta esses dados. Com esta informação é possível medir o intervalo de tempo passado entre o momento da transmissão do sinal e a sua recepção de modo a determinar a distância que existe entre o receptor e o satélite. Calculando a distância a pelo menos 03 satélites é possível determinar a posição corrente sobre a Terra onde está colocado o receptor. 2.2 Sistema de Coordenadas A posição é definida em modo único, para o qual um ponto sobre a Terra não pode ser confundido com outro. Para fazer isto se utiliza o sistema de coordenadas que descreve as posições. O novo receptor Magellan pode utilizar 12 sistemas diferentes de coordenadas para indicar um ponto; LAT/LON (latitude e longitude), UTM (Universal Transverse Mercator), OSGB, Grelha Irlandesa, Finlandesa, Alema, Francesa, MGRS, Grelha Cliente, Grelha Suiça, TD o Grelha Sueca. O sistema de seleção (no SETUP) é determinado pelo tipo de mapa e carta que se utilizam; é comum querer ativar o receptor de modo a existir um ponto que coincida sobre o mapa.

4 2.3 Precisão do GPS Hoje os receptores GPS são muito precisos por serem fabricados com multi-canais paralelos. Os receptores GARMIN de 12 canais são rápidos na aquisição de sinais de satélite quando são ligados e se mantém "travados" mesmo numa floresta densa ou numa paisagem urbana com prédios altos. No entanto alguns fatores atmosféricos e outras fontes de erro podem afetar a precisão de um receptor GPS. Estes receptores apresentam, em média, uma precisão 15 metros. Figura 2 Sistema de Transmissão Os novos receptores GARMIN usam também o WAAS (Wide Area Augmentation System) que pode aumentar a precisão dos sinais GPS para menos de 3 metros, em média. Nenhum equipamento adicional ou pagamento de qualquer taxa é necessário para usar o WAAS. Os usuários também podem conseguir mais precisão com o GPS Diferencial (DGPS), que corrige os sinais GPS, aumentando a precisão para uma média de 3 a 5 metros. A Guarda Costeira Americana opera o serviço de correção DGPS mais comum. Este sistema consiste numa rede de torres que recebem sinais GPS e transmitem um sinal corrigido para um outro transmissor. Para usar o sinal corrigido, os usuários devem possuir um receptor diferencial e uma antena diferencial, além do receptor GPS. 2.4 Possíveis Erros Os fatores que podem degradar os sinais GPS e afetar sua precisão são os seguintes: Atrasos na ionosfera e troposfera: Os sinais dos satélites diminuem de intensidade à medida que atravessam a atmosfera. No entanto, o sistema é capaz de calcular uma média do atraso para corrigir parcialmente esse tipo de erro. Sinal com caminhos múltiplos: Isto ocorre quando o sinal GPS é refletido por

5 objetos como prédios altos ou montanhas, antes de alcançarem o receptor. Isto aumenta o tempo que o sinal leva do satélite até o receptor, causando erros. Erros do relógio do receptor: O relógio interno do receptor não é tão preciso quanto o relógio atômico dos satélites GPS. Assim, podem ocorrer pequenos erros na medição do tempo. Erros de órbita: Também conhecidos como erros de efeméride, os erros de órbita representam erros nas informações das posições dos satélites. Número de satélites visíveis: Quanto mais satélites um receptor GPS puder enxergar no céu, melhor a precisão. Prédios, terrenos, interferências eletrônicas ou uma cobertura densa de uma floresta, por exemplo, podem bloquear a recepção do sinal, causando erros de posição ou possivelmente nenhuma leitura de posição no receptor. As unidades GPS geralmente não funcionam dentro de casas ou outras coberturas, debaixo d'água ou da terra. Geometria dos satélites: Isto se refere à posição relativa dos satélites a qualquer hora. A geometria ideal dos satélites á alcançada quando estão localizados em grandes ângulos em relação a outros satélites. Uma geometria ruim de satélites ocorre quando estão alinhados em linha reta ou num grupo muito unido. Degradação intencional dos sinais dos satélites: A disponibilidade seletiva (SA - Selective Availability) é uma degradação intencional do sinal imposta pelo Departamento de Defesa americano. A disponibilidade seletiva foi criada para evitar que inimigos militares dos EUA usem um sinal GPS de alta precisão. O governo americano desabilitou o sistema que provocava a degradação intencional em maio de 2000, o que aumentou significativamente a precisão dos receptores GPS civis. 3. Conclusão Ferramenta mais precisa atualmente para localização no globo terrestre, usando uma constelação de 24 satélites para isso, usando o método de triangulação, o GPS pode informar com uma grande precisão a localização de um ponto, esse sistema é feito de maneira bem simples usando sinais digitais pseudo randômicos, para calcular o tempo que leva o sinal que sai do satélite chegar a estação, podendo assim calcular assim sua distância, achando assim suas coordenadas. Considerando o desenvolvimento da tecnologia de exclusão de erro usando modelos matemáticos, o GPS vem sendo a ferramenta mais exata para a localização no globo, nos âmbitos militares ele tem uma precisão excelente, sendo em uso civil a melhor ferramenta para navegação e localização.

6 4. Bibliografia HURN, Jeff.. Disponível em < Acessado em 01/06/2006 as FONTANA, Sandro Paulo. Disponível em < Como%20funciona%20o%20GPS.htm> acessado em 28/05/2006 as Disponível < acessado em 25/05/2006 as 12:25. em UOL, GPS. Disponível em < ult124u14724.shtml> acessado em 25/05/2006 as 23:00.