Unidade 1. Viagens com GPS. Sistema de Posicionamento Global. Movimentos na Terra e no espaço MOVIMENTOS NA TERRA E NO ESPAÇO

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1 Unidade 1 MOVIMENTOS NA TERRA E NO ESPAÇO Viagens com GPS 1 Sistema de Posicionamento Global 2 O GPS é um sistema de rádio - navegação por satélites desenvolvido e controlado pelo Departamento de Defesa dos Estados Unidos da América com o objetivo de ser o principal sistema de navegação das forças armadas americanas. O sistema está dividido em três segmentos: espacial terrestre recetor 1

2 3 Constelação de satélites do GPS: tem,no mínimo, 24 satélites operacionais, a orbitar em 6 planos diferentes (4 satélites por plano), estando pelo menos 4 satélites sobre cada local da Terra. 4 O segmento espacial é composto pela constelação de 24 satélites a cerca de km de altitude média, que giram em 6 planos diferentes. 4 satélites em cada plano O Período orbital de cada satélite é 12 h Cada satélite possui quatro relógios atómicos de precisão 3 ns (0, s).. Os satélites transmitem e captam ondas eletromagnéticas na banda das microondas. 2

3 O segmento terrestre é o subsistema de controlo e é formado por 5 estações terrestres As estações terrestre são responsáveis pela monitorização e correção das órbitas, das velocidades; pela sincronização dos relógios atómicos (a bordo dos satélites) com os de quartzo dos recetores de GPS 5 6 O Recetor GPS é o segmento do utilizador. Recebe os sinais emitidos pelos satélites, descodifica-os em tempo real e processa os dados traduzindo-os em: Coordenadas de posição ( geográficas); Valores de velocidade; Cronometragem de tempo. 3

4 7 O satélite envia um sinal de radiofrequência (de microondas) que é recebido pelo recetor. O recetor compara o sinal que tem predefinido para o satélite, naquele instante, com o sinal recebido, determina o tempo que o sinal demorou a viajar (Δt), conseguindo determinar distância este si encontra e o satélite (d): d c t Método da triangulação 8 (mais corretamente, trilateração) A informação proveniente de três satélites é suficiente para permitir localizar um ponto As distâncias calculadas pelo recetor definem três esferas, cada uma centrada num dos três satélites. A posição do recetor GPS está contida numa das duas interseção das três superfícies esféricas método de triangulação. 4

5 9 Método da triangulação 10 Método da triangulação 5

6 11 Método da triangulação 12 Método da triangulação 6

7 13 O GPS utiliza a interseção de 3 esferas para determinar a posição tridimensional cujas coordenadas são a latitude, a longitude e a altitude. 14 Ao utilizar-se um quarto satélite obtém-se um único ponto de interceção, mas é desnecessário utilizá-lo, porque um dos 2 pontos (obtido com 3 satélites) é absurdo, por nunca se poder localizar na superfície da Terra. 7

8 Qualquer tipo de relógio possui duas componentes 15 Relógios 16 Nos relógios mecânicos as oscilações podem resultar do movimento de um pêndulo ou do desenrolamento de uma mola em espiral fundamentais: um mecanismo que produz oscilações regulares outro que conta as oscilações e as converte para Apresentam incertezas da ordem dos 100 ms/dia. uma unidade de tempo 8

9 17 Nos relógios de quartzo, o oscilador baseia-se em oscilações de um cristal de quartzo. Apresentam incertezas de cerca de 0,1 ms/dia. Os relógios atómicos baseiam-se na frequência das oscilações de átomos. Estes relógios são muito precisos; apresentam incertezas da ordem dos 0,1 µs/dia. Para que serve o GPS? 18 LOCALIZAR fornece dados que permitem, com a maior precisão, conhecer a localização de qualquer ponto do nosso planeta (em coordenadas geográficas). CONDUZIR AO LONGO DE UM PERCURSO informa sobre a direção e sentido que o recetor tem de tomar para seguir determinado percurso. NAVEGAR fornece informações a barcos e aviões sobre a rota pretendida. MAPEAR permite a criação de mapas mais rigorosos. MEDIR TEMPOS. ( ) 9

10 19 Exercícios 1. a) Um satélite transmite um sinal quando o seu relógio atómico marca ,000 s, o qual é recebido por um recetor de GPS quando o seu relógio de quartzo marca ,067s. A que distância está o satélite do recetor GPS? b) Se o relógio de quartzo tiver um atraso de 3 ms, qual a percentagem de erro no cálculo dessa distância? 20 Resolução 1. a) t = , ,000 = 67 ms. d = c x t = 3 x 10 8 x 67 x 10-3 = 2,01 x 10 6 m b) t (c/ atraso) = 67 3 = 64 ms, logo: d = c x t = 3 x 10 8 x 64 x 10-3 = 1,92 x 10 6 m 6 d dr 1, ,01 10 Er(%) ,01 10 d r ,48% 10