Relatório Projeto FEUP Utilização do Espectro Eletromagnético Vamos conhecer o sistema GPS

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1 Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto Relatório Projeto FEUP Utilização do Espectro Eletromagnético Vamos conhecer o sistema GPS Projeto FEUP / Engenharia Eletrotécnica e de Computadores: Armando Sousa (Coordenador Geral) José Nuno Fidalgo (Coordenador Curso) Supervisor: Sílvio Abrantes Equipa 1MIEEC03_1: Monitor: Pedro Ferreira Estudantes & Autores: Ana Rita Carvalho up @fe.up.pt Érica Gomes up @fe.up.pt Inês Frutuoso up @fe.up.pt Tiago Abreu up @fe.up.pt Vasco Sousa up @fe.up.pt Utilização do espectro Eletromagnético - Vamos conhecer o sistema GPS. 1/32

2 Resumo A unidade curricular Projeto FEUP tem como objetivos gerais dar a conhecer os principais serviços da faculdade, formar os estudantes em Soft Skills e alertar da sua importância para um engenheiro de modo a integrar os novos estudantes no ambiente da FEUP. Deste modo, foi proposta a realização do presente relatório com o tema principal Utilização do espectro eletromagnético a vários grupos, dando assim origem ao subtema que nos foi atribuído: Vamos conhecer o sistema GPS. Neste relatório iremos explicar o que é realmente o GPS e como este funciona, passando pelo satélites que fazem parte deste sistema, pelo método de triangulação e pelos recetores de sinais. Falaremos também um pouco da história do GPS, como este surgiu e como foi implementado, e mostraremos o que se encontra no futuro deste sistema. Por fim, explicaremos algumas das suas aplicações no nosso dia-a-dia e no de outros. Palavras-Chave Global Position System; Satélites; Triangulação; GLONASS; Galileo. Utilização do espectro Eletromagnético - Vamos conhecer o sistema GPS. 2/32

3 Agradecimentos O grupo gostaria, antes de mais, de agradecer a todos os que de qualquer forma intervieram na realização do nosso trabalho de modo a produzir um relatório completo e correto. Agradecemos em especial ao professor Sílvio Abrantes, professor da unidade curricular Projeto FEUP e supervisor do projeto, e ao monitor e aluno Pedro Ferreira pelo tempo disponibilizado a nos dar conselhos, tirar qualquer tipo de dúvidas e a melhorar o nosso trabalho. Claramente, sem eles o nosso trabalho seria de uma dificuldade mais elevada. Gostaríamos de agradecer também à Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto e a todos os professores e funcionários envolvidos nas palestras a que assistimos na primeira semana do Projeto FEUP que certamente nos preparam melhor para este novo Mundo em que nos encontramos. Utilização do espectro Eletromagnético - Vamos conhecer o sistema GPS. 3/32

4 Índice Conteúdo Página 1. Lista de figuras Introdução O que é o GPS? Como funciona? Satélites Método de Triangulação Recetores GPS História do GPS Futuro do GPS Aplicações Sistemas alternativos ao GPS GLONASS Sistema de Satélites Galileo Conclusão Referências Bibliográficas.31 Utilização do espectro Eletromagnético - Vamos conhecer o sistema GPS. 4/32

5 1.Lista de figuras Nome Página Figura 1: Posicionamento dos 24 satélites do GPS Figura 2: As várias estações que compõem o segmento de controlo Figura 3: Método de Triangulação...10 Figura 4: Tipos de antenas 11 Figura 5: Monitorização de um conjunto de atividade agrícolas através do GPS...19 Figura 6: Navegação Aérea com auxílio do GPS..20 Figura 7: Pesca auxiliada pelo GPS Figura 8: Condução com auxílio da tecnologia GPS...22 Figura 9: Reparação de uma nave espacial facilitada pelo uso do GPS..23 Figura 10: Topografia com auxílio do GPS na engenharia civil..24 Figura 11: Mercado financeiro..25 Figura 12: Utilização do GPS no geocaching...26 Figura 13: Kosmos 2485, um dos satélites da constelação do GLONASS..28 Figura 14: Logótipo do programa Galileo...28 Utilização do espectro Eletromagnético - Vamos conhecer o sistema GPS. 5/32

6 2. Introdução O GPS é, nos dias que correm, uma ferramenta diária indispensável, apesar de comumente associada ao pequeno dispositivo que anda connosco no carro indicando-nos em que rua virar ou em que saída da autoestrada nos temos de dirigir, o Sistema de Posicionamento Global, ou apenas GPS é muito mais que isso. Após anos e anos de investigação, estudos, testes e projetos, de desenvolvimentos e recuos, o GPS tomou proporções nunca antes pensadas. Criado inicialmente apenas para fins militares, o sistema americano é hoje utilizado mundialmente nos mais variados ramos, desde a agricultura à aviação, da topografia ao mapeamento e do espaço à viação. O objetivo deste relatório é precisamente dar a conhecer o GPS, para tal foi realizada uma pesquisa intensiva recorrendo à internet, livros, artigos e redações, posteriormente a informação foi analisada, tratada e agrupada dando assim origem ao trabalho apresentado. Realizado no âmbito do Projeto FEUP, que tem por fim promover o trabalho de equipa e a aprendizagem de conceitos básicos como a comunicação e cooperação, este trabalho pretende elucidar o leitor quanto aos principais tópicos de interesse do GPS, nomeadamente: em que consiste e como funciona, os procedimentos e investigações levadas a cabo para o seu aparecimento, bem como perspetivas para o seu futuro, as suas aplicações no quotidiano e, por fim, falaremos brevemente de sistemas análogos desenvolvidos ou em desenvolvimento por outras nações. Utilização do espectro Eletromagnético - Vamos conhecer o sistema GPS. 6/32

7 3. O que é o GPS? O GPS - Sistema de Posicionamento Global - é um sistema geográfico desenvolvido e operado pelo Departamento de Defesa Americano com fins civis e militares de maneira a determinar uma posição tridimensional de uma forma mais eficiente. É constituído por 3 segmentos: Segmento espacial No total existem 24 satélites que emitem sinais identificadores na banda micro-ondas e utilizam relógios atómicos de alta precisão. Estão repartidos por 6 planos orbitais contendo em cada um 4 satélites que estão posicionados de forma a que sejam visíveis em qualquer local no nosso planeta (figura 1). Estes completam uma volta à Terra em 12 horas. Figura 1 - Posicionamento dos 24 satélites do GPS. Segmento de controlo A função que este desempenha é monitorizar permanentemente a órbita de cada satélite, de maneira a controlar as atualizações das mensagens de navegação e a corrigir os erros dos relógios dos satélites. Para isto existem 5 estações que o controlam: no Hawaii, em Colorado Springs, na Ilha da Ascensão, em Diego Garcia e no Kwajalein (figura 2) Utilização do espectro Eletromagnético - Vamos conhecer o sistema GPS. 7/32

8 Figura 2 - As várias estações que compõem o segmento de controlo. Segmento dos utilizadores Os 24 satélites permitem determinar a respetiva posição, velocidade e o fuso horário 24 horas por dia, em qualquer lugar na Terra, desde que se seja portador de um recetor de sinais de GPS. Este processo realiza-se com a recolha dos sinais emitidos por 4 satélites (configurados pela forma já descrita) pelos recetores de GPS que estão divididos em duas categorias: militar e civil. Quanto à sua utilidade, em termos de categoria militar, o utilizador pode informar-se sobre o deslocamento que tem de efetuar em possíveis situações de treino ou combate ou sobre a posição que apresenta num dado momento. A divisão feita dos satélites em seis planos auxiliam o GPS a calcular a latitude, altitude e longitude do local em questão. Estas coordenadas geográficas permitem saber a localização pretendida tendo como referencia o meridiano de Greenwich e o equador. A latitude define-se como a distância ao equador medida ao longo do meridiano de Greenwich ou seja, é o valor do ângulo em graus (podendo variar entre 0º e 90º, entre o Norte ou o Sul) entre o local onde estamos (paralelamente) e o equador. Quanto à longitude esta é o valor do ângulo ao centro da Terra, variando entre 0º a 180º para Este ou Oeste, ou seja, é a distância medida ao longo do Equador ao meridiano de Greenwich. Por fim a altitude é a distância medida perpendicularmente entre o local pretendido e nível médio das águas do mar. Utilização do espectro Eletromagnético - Vamos conhecer o sistema GPS. 8/32

9 4.Como Funciona? O sistema GPS funciona utilizando um processo chamado de triangulação. Este processo tem como base a utilização de, no mínimo, três satélites para determinar a sua posição. O sinal GPS enviado pelo nosso recetor de GPS envia o seu sinal para o espaço onde os satélites que se encontram em órbita, estando sempre pelo menos quatro deles ao alcance do recetor, e recebe a distância a que se encontra de cada um dos satélites. Com estes dados o recetor calcula a interceção da distância a que está de todos os satélites e obtém a distância exata a que se encontra na Terra. Embora sejam apenas necessários três satélites para determinar a localização do recetor, a existência de um quarto satélite permite uma maior precisão em relação a localização do recetor e a altitude a que o recetor GPS se encontra. 4.1 Satélites Para o sistema de GPS funcionar são necessários pelo menos três satélites e, sendo o período de translação destes de 12 horas, para este sistema funcionar, têm que existir pelo menos 24 satélites em órbita terrestre. Ainda assim, atualmente existem cerca de 30 satélites a circundar a Terra. A existência de um numero superior de satélites em relação ao necessário deve-se ao facto de no caso de ocorrer uma avaria existir sempre um satélite capaz de substituir o satélite avariado. Os satélites têm incorporado um relógio atómico que lhes permite sincronizar o pedido de receção do sinal do recetor com os outros satélites e assim dar a referência exata da sua localização. Utilização do espectro Eletromagnético - Vamos conhecer o sistema GPS. 9/32

10 4.2 Método de Triangulação A triangulação do sinal do recetor funciona num ambiente tridimensional, onde cada um dos satélites declara a distância a que se encontra do recetor, no entanto, o satélite não define especificamente a zona onde o recetor se encontra, assim, é necessário que esta informação seja cruzada com a informação dos outros satélites, sendo que do cruzamento da informação de dois satélites obtemos a área do plano onde o recetor se encontra. Do cruzamento de três satélites já obtemos uma área mais reduzida e exata do local em que efetivamente esta o recetor. Assim, com apenas três satélites é possível obter a localização do recetor porém, como já foi dito anteriormente, se obtivermos a informação de um quarto satélite, esta informação pode ainda aumentar a precisão do rastreio que estamos a efetuar já que reduz a área onde o recetor poderá se encontrar. Existe, ainda assim, dois pontos onde o nosso recetor poderá estar localizado. Um na superfície da Terra e outro na sua atmosfera, sendo depois deduzido pelo sistema do GPS o ponto localizado à superfície da Terra. Para poder calcular a sua posição no espaço, em 3 dimensões (latitude, longitude, altitude), um recetor GPS precisa de determinar, a partir dos sinais emitidos pelos satélites, as distâncias entre ele e, no mínimo, quatro satélites, sabendo as posições desses satélites. Assim, através do método da triangulação (já anteriormente enunciado e explicado neste relatório), o recetor pode obter as suas coordenadas geográficas (latitude e longitude), a sua altitude e ainda determinar com alta precisão a dimensão temporal. Figura 3 - Método de Triangulação. Utilização do espectro Eletromagnético - Vamos conhecer o sistema GPS. 10/32

11 4.3 Recetores GPS Os recetores GPS são indispensáveis para o funcionamento deste sistema de localização geográfica. Os principais componentes de um recetor GPS são (segundo Seeber, 1993): Antena com pré-amplificador; Secção de RF (radio frequência) para identificação e processamento do sinal; Microprocessador para controlo do recetor e processamento dos dados; Oscilador; Interface para o utilizador (painel de exibição e comandos); Bateria; Memória para armazenar os dados. De entre estes componentes, destacam-se pela sua importância: a antena; a secção de RF e o microprocessador. A antena deteta as ondas eletromagnéticas emitidas pelos satélites, converte a energia da onda em corrente elétrica, amplifica o sinal e envia-o para a parte eletrónica do recetor. Existem vários tipos de antenas disponíveis no mercado: Monopolo ou Dipolo, Hélice, Spiral Helix, Microstrip e Choke ring (figura 4). Figura 4 - Tipos de Antenas. Utilização do espectro Eletromagnético - Vamos conhecer o sistema GPS. 11/32

12 A secção de rádio frequência tem como função converter os sinais captados pela antena para uma frequência mais baixa, denominada de frequência intermediária (FI). O microprocessador é necessário no controlo de diversas operações do recetor (obter e processar o sinal, descodificar a mensagem de navegação, etc.), bem como para calcular posições e velocidades, além de outras funções (controlo dos dados de entrada e saída, mostrar informações, etc.). O microprocessador utiliza essencialmente dados digitais para realizar as suas funções. Os recetores GPS podem ser divididos segundo vários critérios. Um deles é de acordo com a comunidade, sendo divididos em: Recetor de uso militar; Recetor de uso civil. Podem ainda ser classificados de acordo com a sua aplicação: Recetor de navegação; Recetor geodésico; Recetor para SIG (Sistema de Informações Geográficas); Recetor de aquisição de tempo, etc. Uma outra classificação baseia-se no tipo de dados utilizados pelo recetor, ou seja: Código C/A; Código C/A e portadora LI; Código C/A e portadoras LI e L2; Códigos C/A e P e portadoras LI e L2; Portadora LI; Portadoras LI e L2. São ainda possíveis outras classificações, mas o essencial é saber a aplicação do recetor, a precisão desejada, bem como outras características indispensáveis. Utilização do espectro Eletromagnético - Vamos conhecer o sistema GPS. 12/32

13 5.História do GPS Desde a sua existência o Homem possui a necessidade de se deslocar de local em local, primeiramente por motivos de alimentação e sobrevivência e hoje em dia pelas mais variadas razões; com esta necessidade surgiu a importância do conhecimento da sua localização bem como a do destino que pretende alcançar. Apesar de tudo isto o sistema de posicionamento global (GPS) foi, inicialmente, desenhado e pensado para fins bélicos. Previamente ao GPS já existiam alguns sistemas de navegação, no entanto não recorriam a satélites para calcular a posição do utilizador, eram sistemas de posicionamento terrestres; o seu princípio de funcionamento era, por base, o mesmo que o de GPS, todavia em vez de satélites em orbita à volta da Terra eram torres de transmissão localizadas em diferentes pontos do globo que enviavam, analisavam e recebiam sinais radio elétricos; um exemplo deste sistema é o LORAN (do inglês Long Range Navigation ), constituído por uma série de torres de transmissão com um alcance aproximado de 800 km e capazes de providenciar uma localização com uma precisão absoluta que varia entre 200 e 450 metros, contudo este método apresenta algumas desvantagens, nomeadamente: a diminuição da precisão à medida que o utilizador se afasta da torre de transmissão e a baixa frequência das ondas de transmissão usada, que as torna mais suscetíveis a interferências face a tempestades e às ações da ionosfera. A idealização de um sistema de navegação por satélites tornou-se possível aquando do lançamento, por parte da União Soviética, do primeiro satélite artificial, Sputnik, em 1957; nesse mesmo ano dois físicos americanos, de nome William Guier e George Weiffenbach, do Laboratório de Física Aplicada da Johns Hopking (Johns Hopking s Applied Physics Laboratory - APL) decidiram estudar os sinais rádio enviados pelo dito satélite e rapidamente se aperceberam que, através do efeito de Doppler, conseguiam calcular a posição exata a que este se encontrava na sua órbita. No ano seguinte, a mando da Marinha Americana, foi pedido aos dois investigadores para tentar realizar o processo inverso, ou seja, tentar calcular a posição do utilizador sabendo a localização do satélite; assim nasceu o projeto que viria a desenvolver o sistema Transit, que teria um papel central no que conhecemos hoje como o GPS. Utilização do espectro Eletromagnético - Vamos conhecer o sistema GPS. 13/32

14 Tendo em conta o contexto político em que os Estados Unidos se encontravam um sistema de localização eficaz, livre de interferências, preciso e capaz de calcular a posição de tropas inimigas bem como identificar equipamentos hostis ou ameaças em solo americano era mandatário, daí a rápida e abundante mobilização de recursos por parte da marinha americana que, em 1964, paralelamente ao Transit, desenvolveu também outro sistema de navegação e localização, vulgarmente conhecido como Timation (Time Navigation). Embora o seu propósito seja comum estes dois sistemas possuíam conceitos distintos. Transit é um sistema de localização que utiliza 7 satélites em orbita polar geocêntrica de baixa altitude, que emitem sinais de rádio bastante estáveis, e várias estações de monotorização da posição dos satélites; a localização do utilizador é calculada pela mudança do sinal emitido pelos satélites segundo o efeito de Doppler. Em 1960 o sistema foi pela primeira vez testado com sucesso, em 1964 já se encontrava ao uso da marinha e 3 anos depois foi disponibilizado à população civil, sendo maioritariamente utilizado em transportes marítimos. Todavia este novo sistema possuía algumas falhas: era bastante lento na atribuição da localização do utilizador, não se adequava a veículos/objetos que se deslocassem a altas velocidades e era apenas capaz de providenciar uma posição bidimensional - tudo isto tornava-o um sistema ineficaz para aviões e submarinos. No entanto este projeto foi fulcral na história do GPS pois foi o primeiro programa capaz de provar a viabilidade de um sistema de navegação que recorresse a satélites. Em 1964 é iniciado o desenvolvimento do Timation, no âmbito deste projeto foram enviados inicialmente dois satélites teste que tinham como objetivo melhorar a navegação bidimensional, estudar o comportamento de relógios de alta estabilidade no espaço e testar a navegação tridimensional. Satélites mais recentes já possuíam relógios atómicos com uma frequência mais estável, o que tornava a determinação da sua localização mais precisa. Este programa foi um marco na história da criação e desenvolvimento do GPS, tendo os últimos dois satélites lançados servido como protótipo dos atuais satélites usados pelo GPS. Enquanto a Marinha se ocupava em desenvolver o Transit e Timation a Força Aérea Americana procurava também conceber um sistema de navegação capaz de satisfazer as Utilização do espectro Eletromagnético - Vamos conhecer o sistema GPS. 14/32

15 suas exigências e em 1960 propôs o MOSAIC (MObile System for Accurate ICBM Control) que pode ser caracterizado como um sistema LORAN tri-dimensional. No entanto o programa foi abandonado e três anos mais tarde um novo projeto, Project 621B, foi iniciado com o mesmo intuito: localizar a três dimensões (latitude, longitude e altitude) objetos que se deslocassem a altas velocidades (mais particularmente aviões). Após uma série de testes e simulações o novo sistema revelou-se assaz eficaz. Idealmente constituído por 16 satélites em órbita sincronizada em torno da Terra, capazes de fornecer informação sobre o paradeiro de qualquer utilizador em qualquer parte do globo, 24 horas por dia utilizando apenas 4 satélites no processo, o Project 621B é, em muito, semelhante ao modo de atuação e funcionamento do atual Sistema de Posicionamento Global. A par da Força Aérea e da Marinha também as Forças Armadas Americanas desenvolviam o seu próprio sistema de navegação: SECOR (SEquential COllation of Range), este pode ser considerado uma versão primária do GPS, onde três transmissores, à superfície da Terra, emitem um sinal para um satélite em órbita à volta da mesma e, a partir desses mesmos sinais, um quarto transmissor consegue saber a sua posição exata. Juntamente com o Transit, o Time Navigation e o Project 621B, o SECOR é aquilo que constitui a base do conceito de GPS; neste momento estavam reunidas todas as informações e ferramentas necessárias para a criação daquilo que hoje tão bem conhecemos e vulgarmente utilizamos: o GPS. Porém todos estes sistemas estavam divididos pelos diferentes serviços militares americanos e os seus conceitos sozinhos de pouco ou de nada serviam, houve portanto a necessidade de reunir esforços e criar apenas um sistema capaz de reunir as vantagens de cada um deles; assim, em 1968, foi criado um comité, denominado por NAVSEG (NAVigation Satellite Executive Group), onde estavam representados os três ramos militares, Marinha, Força Aérea e Exército, com vista a redigir as características do novo sistema. Apesar da participação de todos os serviços militares em Abril de 1973 a Força Aérea foi designada como a principal agência responsável pela construção de um único sistema de navegação do Departamento de Defesa que ficaria conhecido como DNSS (Defense Navigation Satellite System), de onde resultou um sistema que combinava a base estrutural e frequência de sinal do Project 621B da Força Aérea, as órbitas de satélite do Timation desenvolvido pela Marinha (aumentando apenas a sua altitude passando a possuir um período de doze horas) e os relógios atómicos, que, embora usados em ambos os Utilização do espectro Eletromagnético - Vamos conhecer o sistema GPS. 15/32

16 programas, apenas haviam sido testados pela Marinha. A este novo e melhorado sistema, resultante de um culminar de projetos, ideias e conceitos desenvolvidos e criados em paralelo, foi dado o nome de NAVSTAR - Global Positioning System, ou simplesmente GPS. Em Dezembro de 1973 o Departamento da Defesa Americano deu permissão para que se disponibilizassem os recursos e se iniciassem os procedimentos para a construção daquele que é conhecido como o GPS. Finalmente, em Agosto de 1979, com os estudos e investigações dos sistemas precedentes e após uma série de testes e melhoramentos (nomeadamente a inclusão de sensores de deteção nuclear nos satélites) foi iniciada a construção em grande escala. O acesso a civis do GPS apenas foi discutido em 1983, após um Boeing 747, Voo 007 das Linhas Aéreas Coreanas, que transportava 269 pessoas, ter sido abatido pela União Soviética por se encontrar em espaço aéreo proibido, aquando deste acidente o então presidente dos Estados Unidos, Ronald Reagan, prometeu que assim que o sistema se encontrasse completamente operacional, o disponibilizaria à comunidade mundial. O primeiro satélite foi enviado em 1989, no entanto devido a cortes orçamentais imprevistos, o vigésimo quarto apenas foi lançado em 1994, terminando assim aquilo que é denominado por constelação NAVSTAR. Utilização do espectro Eletromagnético - Vamos conhecer o sistema GPS. 16/32

17 6.Futuro do GPS O GPS já existe há largos anos, mas apenas há pouco tempo teve o seu grande desenvolvimento. Com a tecnologia cada vez mais barata e mais acessível aos civis, a sua utilização tem crescido exponencialmente. Contudo, este sistema não está livre de problemas nem é infalível. Um dos maiores problemas encontra-se no facto do sinal proveniente dos satélites chegar à Terra com uma potência muito baixa. Para resolver este e outros problemas, a British Aerospace Engineering Systems (BAE) desenvolveu uma tecnologia que promete substituir os atuais sistemas de GPS. Esta tecnologia, Navsop Navigation System, não funciona através de sinais de satélites como os atuais sistemas, mas com ondas de rádio menos suscetíveis a interferências por parte da atmosfera. O Navsop recolhe todas as ondas rádio das redondezas, obtendo a localização do utilizador através delas. Para além das ondas de rádio serem abundantes e não serem afetadas por fatores externos, este sistema possui outras vantagens. O Navsop consegue detetar um indivíduo ou objecto desde que se encontre equipado com qualquer tipo aparelho que emita ondas rádio também. Porém, por mais promissor e capaz de substituir o GPS, o principal objetivo do Navsop é complementar o GPS. "Se o sinal de GPS está la, por todos os meios, usa-se. Mas senão, com o Navsop podemos determinar a posição na mesma." (Ramsey Faragher, BAE Systems). Como já sabemos, o GPS tem inúmeras aplicações. Porém, cada vez mais cientistas, em várias partes do Mundo, desenvolvem novas aplicações e novas tecnologias com base no GPS. Utilização do espectro Eletromagnético - Vamos conhecer o sistema GPS. 17/32

18 7.Aplicações Embora tenha sido concebido há mais de 30 anos, o sistema GPS só se tornou totalmente operacional na década de 90, quando passou a funcionar com os 24 satélites previstos. Desde aí permaneceu em constante evolução, a fim de se ampliar a sua precisão e aplicabilidade. A tecnologia GPS é um elemento essencial do sistema de informação global. A sua natureza acessível, avançada e confiável tem levado ao desenvolvimento de diversas aplicações que afetam as mais diversas áreas da sociedade moderna. Apesar de esta tecnologia ter sido criada para fins militares/bélicos, existe atualmente desde em telemóveis e relógios de pulso até veículos e máquina agrícolas, contentores de mercadorias e caixas de multibanco. A utilização do GPS influencia e aumenta a produtividade de um amplo conjunto de atividades económicas entre as quais se destacam a agricultura, a construção civil, a exploração mineira, a topografia e a exploração espacial. As principais redes de comunicação global, os sistemas bancários, os mercados financeiros e as redes de produção e distribuição de energia dependem fortemente da tecnologia do GPS para sincronizar com precisão o tempo. O GPS tem, atualmente, um papel fundamental no salvamento de vidas, através da prevenção de acidentes de viação, do auxílio aos esforços de busca e salvamento e tornando mais célere e eficaz os serviços de emergência e socorro. O GPS é também utilizado na previsão meteorológica, no controlo da atividade sísmica, na proteção ambiental e ainda em diversos desportos tais como na orientação, no ciclismo e em ralis todo-oterreno. Finalmente, o GPS permanece fundamental para a segurança nacional dos EUA, e as suas aplicações são integradas em praticamente todas as áreas das operações militares. Todos os dias surgem novas aplicações para utilização desta valiosa tecnologia e a descoberta de mais e novas aplicações é apenas limitada pela necessidade e pela capacidade inventiva do ser humano. Utilização do espectro Eletromagnético - Vamos conhecer o sistema GPS. 18/32

19 Principais Aplicações GPS Embora o GPS tenha sido desenvolvido para ir de encontro às necessidades militares, logo foram desenvolvidas técnicas capazes de o tornar útil para a comunidade civil. As aplicações GPS são normalmente divididas em três categorias: geodesia (topografia, cartografia, etc), recolha de dados (agricultura, redes de distribuição de energia, etc.) e navegação (aviação, navegação marítima, etc.). Em seguida estão apresentadas as principais áreas de aplicação deste sistema com o intuito de dar uma visão global das potencialidades do GPS. Agricultura Na Agricultura, graças à combinação entre o GPS e Sistemas de Informação Geográfica (SIG) tornou-se possível o desenvolvimento e implementação da agricultura moderna de precisão (site-specific farming). Estas tecnologias permitem a união da recolha de dados em tempo real com os dados precisos de posição, levando à manipulação eficiente e a análise de grandes quantidades de dados geográficos. As diversas aplicações utilizadas na agricultura de precisão, baseadas na tecnologia GPS, permitem e auxiliam o planeamento agrícola, o mapeamento dos campos, a orientação das máquinas agrícolas, a observação pormenorizada da colheita e o mapeamento da produtividade (figura 5). Figura 5 - Monitorização de um conjunto de atividades agrícolas através do GPS. Utilização do espectro Eletromagnético - Vamos conhecer o sistema GPS. 19/32

20 Aviação Grande parte da aviação mundial utiliza o GPS para aumentar a segurança e a eficiência de voo (figura 6). Com as suas capacidades de precisão e exatidão, o GPS oferece serviços de navegação de satélite que satisfazem muitos dos requisitos para utilização segura dos diversos meios aéreos. O cálculo da posição e os sistemas de navegação permitem a determinação da posição tridimensional de todas as fases do voo, desde a descolagem até à aterragem, para qualquer sistema de aviação equipado com a tecnologia GPS. No futuro, esta tecnologia será fulcral para a próxima geração do Sistema de Transporte Aéreo (NextGen), que irá aumentar a segurança de voo e a capacidade do espaço aéreo. Figura 6 - Navegação Aérea com auxílio do GPS. Utilização do espectro Eletromagnético - Vamos conhecer o sistema GPS. 20/32

21 Mar É importante na navegação marítima conhecer a posição de uma embarcação, quer seja um navio de grandes dimensões ou um submarino, quer seja um pequeno barco de pesca. No mar a posição exata, a velocidade e o rumo são necessários para garantir a navegação de qualquer meio de transporte marítimo de forma segura, eficiente e mais económica. A necessidade de informação sobre a posição precisa, torna-se ainda mais crítica nos momentos de proximidade com a costa por parte de uma embarcação. Atualmente, desde embarcações da marinha até oceanógrafos têm vindo a usar cada vez mais os dados de GPS para levantamento e mapeamento da topografia dos oceanos (incluindo os fundos oceânicos) de forma não só a auxiliar a navegação marítima como também para aumentar o conhecimento sobre os fundos oceânicos e sobre a dinâmica dos oceanos como contributo para diversas áreas científicas como a sismologia e a biologia. As frotas pesqueiras comerciais utilizam a tecnologia GPS para navegar para locais de pesca com maior concentração de pescado, ter conhecimentos das rotas de migração das populações de peixes e para garantir a conformidade com os regulamentos de pesca mundiais (figura 7). Figura 7 - Pesca auxiliada pelo GPS. Utilização do espectro Eletromagnético - Vamos conhecer o sistema GPS. 21/32

22 Estradas e Viação A acessibilidade e a precisão do GPS oferece maior eficiência e segurança para os veículos pessoais ou coletivos que utilizam estradas e outras vias urbanas. Muitos dos problemas associados com a circulação de veículos comerciais é significativamente reduzido com a ajuda do GPS (figura 8). Isto também é verdade para a gestão dos sistemas de transporte coletivo, equipas de manutenção de estradas e veículos de emergência. A tecnologia GPS permite a localização automática de veículos desde automóveis e motociclos, até camiões de distribuição de mercadoria e transportes públicos, permitindo não só o auxilio para a circulação como também, mais recentemente, é possível através do GPS localizar uma viatura em caso de roubo, aumentando a eficiência da resposta a este tipo de crimes. Figura 8 - Condução com auxílio da tecnologia GPS. Utilização do espectro Eletromagnético - Vamos conhecer o sistema GPS. 22/32

23 Espaço A tecnologia GPS tem vindo a revolucionar as operações no espaço. Com o auxílio do GPS, hoje em dia, nas operações espaciais é possível de forma mais acessível, por exemplo, adquirir com alta precisão a determinação e controlo de diversas órbitas (por exemplo de satélites e corpos celestes), efetuar a reparação de um determinado equipamento (figura 9), efetuar uma sincronização mais eficaz entre aparelhos espaciais e as estações terrestres de controlo e ainda a prestação de serviços de cálculo de posição de forma mais precisa e automática. O GPS permite também a substituição de sensores de alto custo existentes a bordo de diversos veículos espaciais. Figura 9 - Reparação de uma nave espacial facilitada pelo uso do GPS. Utilização do espectro Eletromagnético - Vamos conhecer o sistema GPS. 23/32

24 Topografia e Mapeamento A comunidade de topografia e cartografia foi uma das primeiras a tirar proveito da tecnologia GPS, pois esta tecnologia aumentou drasticamente a precisão e qualidade dos serviços de mapeamento e topografia. O GPS suporta o mapeamento preciso e a modelização do mundo físico, desde montanhas e rios a ruas e edifícios. Os diversos recursos capturados com o auxílio do GPS podem ser exibidos em mapas e em sistemas de informação geográfica (GIS) que armazenam, manipulam, e exibem dados geograficamente referenciados. A topografia com o auxílio da tecnologia GPS é especialmente importante na área da engenharia civil devido à necessidade de nesta área se realizarem estudos exaustivos e precisos sobre as especificidades e características de um determinado terreno com vista à construção de um qualquer tipo de infraestrutura (figura 10). Figura 10 - Topografia com auxílio do GPS na engenharia civil. Utilização do espectro Eletromagnético - Vamos conhecer o sistema GPS. 24/32

25 Sincronização Além da longitude, latitude e altitude, o GPS fornece uma quarta dimensão - o tempo (que é possível calcular através da sincronização de quatro satélites da rede GPS). Cada satélite GPS contém vários relógios atómicos que contribuem com dados em tempo real muito precisos para os sinais GPS. Os recetores GPS descodificam esses sinais, sincronizando cada recetor com os relógios atómicos. Uma sincronização precisa do tempo é fundamental para uma variedade de atividades económicas em todo o mundo. Os sistemas de comunicação, as redes de energia, os mercados financeiros (figura 11) e diversos ramos empresariais dependem da precisão do tempo para sincronização e eficiência operacional. A livre disponibilidade do GPS permitiu a redução de custos para as empresas que dependem da sincronização precisa do tempo e tem levado a avanços significativos da sua capacidade operacional. Figura 11 - Mercado financeiro onde o GPS é utilizado para sincronização do tempo. Utilização do espectro Eletromagnético - Vamos conhecer o sistema GPS. 25/32

26 Desporto e Lazer A tecnologia GPS tem gerado novos desportos e atividades ao ar livre. Um exemplo disso é o geocaching, um desporto/atividade ao ar livre no qual se utiliza um recetor de navegação por satélite (como o GPS) para encontrar uma "geocache" colocada em qualquer local do mundo (figura 12). Outro novo desporto é geodashing, uma corrida de cross-country com coordenadas predefinidas pelo GPS. Para além destas atividades ao ar livre recentemente criadas graças ao GPS, diversos desportos utilizam igualmente o GPS como ferramenta de apoio para a performance desportiva. De entre os vários desportos que se fazem valer desta tecnologia, destacam-se os ralis todo terreno, tal como o Dakar e os ralis do WRC, em que o GPS é necessário para os pilotos terem conhecimento do ponto em que se encontram em cada momento e qual o melhor percurso que podem utilizar. O GPS é também utilizado no ciclismo quer de estrada quer em BTT, em que o GPS não só fornece informação sobre onde o atleta se encontra, como ainda lhe permite saber diversas características do percurso, como a distância para o fim da corrida, altitude e percentagem de inclinação. Outros desportos em que também é utilizado o GPS como auxilio à prática desportiva são a orientação, onde a noção de localização é extremamente importante, e ainda a pesca e a caça desportiva. Figura 12 - Utilização do GPS na procura de geocaches. Utilização do espectro Eletromagnético - Vamos conhecer o sistema GPS. 26/32

27 8. Sistemas alternativos ao GPS 8.1 GLONASS Apesar de ser o mais comercializado e conhecido o GPS não é o único sistema de navegação por satélite, também a Rússia, em 1976, iniciou a criação do seu próprio sistema de posicionamento, o GLONASS ( GLObalnaya NAvigatsionnaya Sputnikovaya Sistema). O sistema russo é também constituído por 24 satélites (todavia dispostos por 3 órbitas) e é, atualmente, o único capaz de ser comparado ao GPS a nível de precisão e de cobertura global. Tal como já foi referido o projeto russo nasceu em 1976, sendo que em Outubro de 1982 iniciou-se o lançamento dos 24 satélites que em 1995 iriam completar a constelação do GLONASS. Contudo um período financeiro difícil afetou o país entre o que levou a cortes orçamentais no programa, de que resultou que em 2001 apenas 6 dos 24 satélites se encontrassem operacionais. No novo milénio, sob a presidência de Vladimir Putin, a economia russa melhorou pelo que a restauração do sistema foi uma das prioridades do novo chefe de estado; era esperado que até 2009 a constelação voltasse a estar completa; foi levada a cabo uma nova série de lançamento de satélites e em 2011, 2 anos mais tarde do que o planeado, a constelação do GLONASS voltou a estar completa. Em 2006 Vladimir Putin ordenou que o sistema até então desenvolvido fosse disponibilizado à comunidade civil, sem qualquer tipo de restrições, ou seja, o sinal normalmente restrito a uso militar, com uma precisão de 10 metros, foi disponibilizado para toda a população sem qualquer custo adicional. Utilização do espectro Eletromagnético - Vamos conhecer o sistema GPS. 27/32

28 Figura 13 - Kosmos 2485, um dos satélites da constelação do GLONASS. 8.2 Sistema de Satélites Galileo Figura 14. Logótipo do programa Galileo. Galileo é um sistema de navegação por satélites em desenvolvimento desde 1998 pela União Europeia. Denominado em homenagem ao astrónomo Italiano Galileo Galilei, este sistema, ao contrário do GPS (USA) e GLONAS (Rússia), foi desenhado mais precisamente para uso civil e não militar. Face ao controlo dos Estados Unidos sobre o sistema GPS vários países europeus, nomeadamente Alemanha, França e Inglaterra, sentiram a necessidade de um sistema de posicionamento que eles próprios pudessem controlar, eliminando assim a vantagem que o Utilização do espectro Eletromagnético - Vamos conhecer o sistema GPS. 28/32

29 governo americano possuía em restringir a precisão das coordenadas fornecidas, bem como a possibilidade de restrição ao Sistema de Posicionamento Global aquando de períodos de conflito. Prevê-se que a constelação total do Galileo será concluída em 2019 e constituir-se-á por um total de 30 satélites, que, juntamente com centros de operação na Alemanha e em Itália, serão capazes de providenciar a localização do utilizador com aproximadamente 1 metro de precisão. A maior parte dos recetores encontram-se já preparados para receber sinais quer do sistema GPS quer do Galileo. Quando em atividade o Galileo terá 4 áreas de serviço principais: 1. Um serviço aberto que não terá qualquer tipo de custo e poderá ser acedido por qualquer indivíduo que possua o equipamento básico; 2. Um serviço comercial que beneficiará de uma precisão mais elevada (ao centímetro), no entanto já requererá o pagamento de uma certa verba; 3. Um serviço de salvamento (SOL - Safety-Of-Life), os satélites do Galileo estão equipados com um dispositivo capaz de retransmitir o sinal recebido do utilizador e enviá-lo a um centro de coordenação de resgate, que iniciará a operação de salvamento; ao contrário de outros sistemas de posicionamento, o Galileo tem a funcionalidade de enviar um sinal ao utilizador informando-o que a sua situação foi notificada e que uma equipa de salvamento está a ser mobilizada a fim de o socorrer; 4. Serviços públicos regulados, este serviço destina-se principalmente a membros e agências do governo e consiste numa disponibilidade contínua. Apesar de todas as suas vantagens não há que esquecer que o sistema GPS foi desenhado e projectado apenas pelos Estados Unidos, pelo que estes têm total controlo e acesso ao mesmo, é portanto natural que os restantes países do mundo queiram ter acesso livre e sem restrições a um serviço semelhante, daí que, além dos dois sistemas de posicionamento alternativos ao GPS enunciados, também a China tenha criado o seu próprio sistema de navegação, o Compass, já a India encontra-se a desenvolver o IRNSS (Indian Regional Navigational Satellite System); no entanto nenhum deles tem, pelo menos até hoje, capacidade de superar o sistema desenvolvido pelos americanos, num projecto que demorou cerca de 30 anos. Utilização do espectro Eletromagnético - Vamos conhecer o sistema GPS. 29/32

30 9. Conclusão Com a conceção deste trabalho conseguimos aprofundar os nossos conhecimentos sobre o sistema GPS, abordando vários temas desde o seu funcionamento até às suas aplicações. Hoje em dia, existe uma extrema necessidade de precisão e exatidão nas diversas atividades socioeconómicas existentes na sociedade. Desde o funcionamento dos mercados financeiros e das redes de transportes até a atividades de lazer, a precisão quer da posição quer do tempo são cruciais. Nesse âmbito a tecnologia GPS, apesar da sua origem para fins bélicos e militares, é um elemento essencial e imprescindível para a boa realização de diversas aplicações com grande importância na sociedade contemporânea. Podemos assim concluir, que a elaboração deste trabalho, permitiu-nos compreender, não só esta tecnologia, como também nos permitiu compreender a grande importância e preponderância que o sistema GPS tem no funcionamento do mundo tecnológico atual. Utilização do espectro Eletromagnético - Vamos conhecer o sistema GPS. 30/32

31 10.Referências bibliográficas [1] Informação Oficial do Governo do Estados Unidos sobre o GPS e tópicos relacionados. Disponível em: Data de acesso: 8 de Outubro de [2] Azevedo, Virgílio Cientista descobre como prever o futuro. Expresso, 11 de Julho. Disponível em: Acedido a 12 de Outubro de [3] Moskvitch, Katia BAE Systems Navsop navigation system rivals GPS. BBC News, 28 de Junho. Disponível em: Acedido a 12 de Outubro de [4] Kaplan, Elliott D. e Christopher J. Hegarty Understanding GPS Principles and Applications. Disponível em: LJqJ&sig=VK4EPsFjue0LWsl8A00HAwxdKcE&redir_esc=y#v=onepage&q&f=true. Acedido a 15 de Outubro de [5] Cooksey, Diana. Understanding the Global Positioning System (GPS). Montana State University-Bozeman. Disponível em: Acedido a 13 de Outubro de [6] Wikipedia: GLONASS. Acedido a 9 de Outubro de [7] Wikipedia: Galileo. Acedido a 9 de Outubro de [8] Tomtom: O que é o GPS?. Disponivel em: Acedido a 14 de Outubro de 2013 [9] Dilão, Rui. Sistema de Posicionamento Global. Grupo de Dinâmica Não-Linear, IST. Ciência Viva. Disponível em: Acedido a 13 de Outubro de [10] D. Machado, Jonathan. O que é o GPS?. TECMUNDO (blog), 1 de Junho de Disponível em: Acedido a 13 de Outubro de 2013 [11] Wikipedia: Global Positioning System. Disponível em: Acedido a 9 de Outubro de Utilização do espectro Eletromagnético - Vamos conhecer o sistema GPS. 31/32

32 [12] Wikipedia: Transit Satellite. Disponível em: Acedido a 9 de Outubro de [13] Wikipedia: Timation. Disponível em Acedido a 9 de Outubro de [14] Wikipedia: LORAN. Disponível em Acedido a 9 de Outubro de [15] Logsdon, Tom Understanding the Navstar, GPS, GIS, and IVHS Disponivel em: n+system+limitations&source=bl&ots=qchss7hy1_&sig=qaro-phibve10- GJMl6QY3JLA84&hl=pt- PT&sa=X&ei=g8haUoHEKvHB7AaJ1oDoAQ&ved=0CD0Q6AEwAg#v=onepage&q=transit% 20navigation%20system%20limitations&f=false. Acedido a 9 de Outubro de [16] Monico, João. Posicionamento pelo NAVSTAR-GPS - Descrição, fundamentos e aplicações. Instituto Politécnico de Beja. Disponível em: Acedido a: 12 de Outubro de [17] Reece, Mary E Global Positioning System. New Mexico Institute of Mining and Technology. Disponível em: Acedido a 12 de Outubro de 2013 [18] Mio Global (marca desenvolvedora de sistemas de GPS). History of GPS. Disponível em: Acedido a 13 de Outubro de Utilização do espectro Eletromagnético - Vamos conhecer o sistema GPS. 32/32