GPS (Global Positioning System) Sistema de Posicionamento Global

GPS (Global Positioning System) Sistema de Posicionamento Global 1

Sistema de Posicionamento Global é um sistema de posicionamento por satélite que permite posicionar um corpo que se encontre à superfície da Terra ou na sua órbita TÉCNICAS DE POSICIONAMENTO ABSOLUTO POSICIONAMENTO RELATIVO SISTEMA DE REFERÊNCIA 2

GPS (Global Positioning System) O Sistema de Posicionamento Global (NAVSTAR GPS NAVigation System with Time And Ranging Global Positioning System) foi criado e desenvolvido pelo Departamento de Defesa dos Estados Unidos com fins militares. Atualmente tem como objetivo garantir tempo e navegação de precisão continua e global, em tempo real e sob quaisquer condições atmosféricas. Início de funcionamento: década de 80 3

GPS (Global Positioning System) Sistema de Posicionamento Global Período de Funcionamento T = 12 horas. 4

SEGMENTOS QUE O CONSTITUEM SEGMENTO ESPACIAL Constelação de 24 satélites na órbita da Terra. SEGMENTO DO UTILIZADOR Recetor de GPS. SEGMENTO DE CONTROLO Estações de observação terrestres 5

SEGMENTOS QUE O CONSTITUEM Em cada instante, pelo menos 4 satélites estão acessíveis à comunicação de qualquer ponto da Terra. 1 - SEGMENTO ESPACIAL O sistema NAVSTAR (sigla para Navigation Satellite Timing and Ranging) é constituído por: 24 satélites, distribuídos por seis órbitas aproximadamente circulares (cada uma com 4 satélites) com raio de cerca de 26 600 km separadas entre si de 60º em longitude. período orbital - 12 horas siderais (que faz que cada satélite apareça 1 minuto mais cedo em cada dia) Emite sinais na banda das micro-ondas em intervalos de 1 ms. Inclinação orbital próxima dos 55º, relativamente ao plano equatorial terrestre. 6

FREQUÊNCIA DO SINAL f 0 = 10,23 MHz f = 1575,42 MHz f = 1227,60 MHz λ = 29,30 m λ = 19,03 cm λ = 24,42 cm Emitem radiações na gama das micro - ondas 7

SEGMENTOS QUE O CONSTITUEM 2 - SEGMENTO DE CONTROLO É uma rede constituída por cinco estações terrestres. Estas estações têm como função controlar a posição e os relógios dos satélites. Sempre que necessário efetuam correções aos relógios e às órbitas descritas pelos satélites; Fazem pequenos ajustes nos dados (posição e tempo) que os satélites GPS enviam para que a posição determinada pelos recetores seja sempre a mais precisa possível. (As alterações que se observam são devidas à atração 8 gravitacional e à pressão da radiação solar)

2 - SEGMENTO DE CONTROLO Funções: i. Verificar o funcionamento dos satélites; ii. Calcular as órbitas dos satélites para uma dada época; iii. Sincronizar os relógios dos satélites com o tempo GPS; iv. Determinar parâmetros ionosféricos; v. Controlar as manobras de substituição e de correção das órbitas; vi. Atualizar a mensagem de navegação; vii.enviar os dados necessários aos satélites. Os dados recolhidos nas estações de monitorização são enviados para a estação principal; São efetuados os cálculos necessários à atualização da mensagem de navegação. Os dados atualizados são enviados periodicamente para as estações de transmissão que posteriormente os enviam para os satélites. 9

SEGMENTOS QUE O CONSTITUEM 3 - SEGMENTO DO UTILIZADOR São os recetores GPS propriamente ditos e que permitem: - determinar a posição do utilizador conhecendo as suas coordenadas; - Receber e descodificar os sinais dos satélites; - Trocar dados com outros receptores e com computadores; - Obter mapas detalhados ou mesmo a melhor rota para um determinado local. Cada recetor ao receber o sinal emitido por um satélite identifica-o e, por comparação com o que tem registado em memória, localiza-o com exatidão. Para localizar um lugar na terra o recetor recorre ao método geométrico da triangulação após calcular a distância a 3 satélites 10

MÉTODO UTILIZADO MÉTODO GEOMÉTRICO DE TRIANGULAÇÃO O satélite envia um sinal, que é recebido pelo recetor, através de ondas eletromagnéticas. O sinal emitido por um satélite informa qual a sua posição na órbita e qual o tempo t marcado no seu relógio atómico. O recetor recebe o sinal no instante t + t, que coincide com o tempo marcado no seu relógio de quartzo determina a sua distância ao satélite através da expressão com v c d v t 8 3,0 10 m s -1 11

MÉTODO GEOMÉTRICO DE TRIANGULAÇÃO A interseção das superfícies esféricas obtidas a partir da determinação da distância a dois satélites é uma circunferência. O ponto poderá ser qualquer um pertencente à referida circunferência. Após estimada a distância a um satélite, sabemos que nos encontramos sobre uma superfície esférica com raio igual à distância ao satélite. 12

MÉTODO GEOMÉTRICO DE TRIANGULAÇÃO A interseção das superfícies esféricas obtidas a partir da determinação das esferas de raio igual a cada uma das distância do utilizador a 3 satélites reduz-se a 2 pontos. Considerando também a Terra como uma esfera, a interseção das superfícies esféricas 13 dos 3 satélites e da Terra permitirá reduzir estes 2 pontos a apenas 1 ponto.

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SINCRONIZAÇÃO Usa-se então o 4º satélite para a sincronização dos relógios dos satélites e dos recetores GPS. O recetor de GPS corrige automaticamente, adicionando ou subtraindo tempo ao seu relógio até obter distâncias aos satélites que se intersetem num único ponto. O recetor sabe agora, não só a sua localização exata sobre a Terra (x, y, z, t), mas também o tempo certo (dado pelos relógios atómicos a bordo dos satélites). 15

SÍNTESE O recetor mede a distância ao satélite 1. O navegante pode estar em qualquer ponto da superfície esférica O recetor mede a distância ao satélite 2. O navegante só pode estar nos pontos de interceção das duas superfícies esféricas O recetor mede a distância ao satélite 3. A sua posição só pode estar nos pontos de interceção das 3 superfícies esféricas A interceção com a Terra reduz os 2 pontos possíveis da interceção das 3 esferas a apenas 1 ponto e o 4º satélite permite determinar com grande precisão o intervalo t 16 e corrigir as distâncias calculadas permitindo chegar a um único ponto P.

SÍNTESE O satélite envia um sinal que contém informação sobre a sua posição na órbita e a hora t marcada no seu relógio atómico. O recetor sincroniza o seu sinal com o que é emitido por cada satélite. Determina o intervalo de tempo ( t) entre o instante em que recebeu o sinal e o instante em que ele foi enviado pelo satélite. Multiplicando o intervalo de tempo pela velocidade do sinal ( 3x10 8 ms -1 ) sabemos qual é a distância entre o recetor e o satélite. d = c x t Calculadas as distâncias aos satélites A, B e C como referido é possível determinar a posição do ponto P, onde se encontra o recetor por interceção das três superfícies esféricas marcadas. Apesar de 3 satélites serem suficientes para calcular a posição o 4º satélite de referencia tem como objetivo sincronizar os relógios atómicos (extremamente precisos) e de quartzo (menos precisos) uma vez que a determinação do intervalo t é crucial. O GPS utiliza a intersecção de esferas para determinar a posição 17 tridimensional cujas coordenadas são a latitude, a longitude e a altitude.

O Sistema de Posicionamento Global faz o posicionamento através do conhecimento das coordenadas geográficas como a: É o arco do meridiano ou o valor do ângulo ao centro da Terra, expresso em graus, medido entre o equador e o paralelo que passa pelo local. 18

Coordenadas Geográficas É o arco do equador ou o valor do ângulo ao centro da Terra, expresso em graus, medido entre o meridiano que passa pelo local considerado e o meridiano de Greenwich (em Inglaterra). 19

Coordenadas Geográficas É o comprimento do segmento compreendido entre o nível médio das águas do mar e do local considerado. 20

GPS IMPORTÂNCIA DA MEDIÇÃO DO TEMPO A posição dos satélites do sistema GPS deve ser conhecida com grande exatidão. Basta que haja um desvio de 10-6 s entre os relógios de dois satélites, para que a posição de um ponto à superfície da Terra seja afetada pela incerteza de 300 m. Utiliza-se um quarto satélite cujo sinal serve para sincronizar os relógios atómicos (altamente precisos) que estão a bordo dos satélites e os cronómetros de quartzo menos precisos dos recetores. Tipos de relógio: - mecânicos (incerteza de 100 ms/dia) - de quartzo (incerteza de 0,1 ms/dia) - atómicos (incerteza de 0,1 s/dia) 21

TIPOS DE RELÓGIOS Os relógios possuem um mecanismo de produção de oscilações regulares e outro que conta as oscilações e as converte para uma unidade de tempo. Relógios mecânicos, oscilações de um pêndulo; Relógios de quartzo, oscilações de um cristal de quartzo; Relógios de atómicos, baseiam-se na frequência das radiações emitidas, ou absorvidas, por átomos ou moléculas. 22

RELÓGIOS MECÂNICOS Relógios Mecânicos: Podem resultar do movimento de um pêndulo, do desenrolamento de um mola em espiral ou de outro mecanismo mais complexo. 23

Relógios de Quartzo: Baseiam-se nas oscilações de átomos de silício, que são muito regulares. O cristal de quartzo, quando recebe uma ddp, torna-se num oscilador. Estes relógios são muito sensíveis à temperatura. RELÓGIOS DE QUARTZO 24

Relógios Atómicos: RELÓGIOS ATÓMICOS Quando um átomo de césio recebe uma radiação (de micro-ondas), este excita-se e ocorre uma transição de eletrões entre dois níveis energéticos. Posteriormente estes átomos emitem uma radiação com uma frequência característica. É um oscilador de quartzo que regula o gerador de micro-ondas e que estabiliza com radiação emitida pelo césio, que produz os sinais do relógio atómico. 25

Recebe os sinais emitidos por quatro satélites e faz o processamento do dados traduzindo-os em: - Coordenadas de posição - Valores de velocidade - Cronometragem do tempo - Localização de qualquer ponto na Terra; - condução ao longo de um percurso fornecendo informação precisa sobre ele; - Navegação (terrestre, marítima e aérea); - Mapiação, criando mapas mais rigorosos; - Gestão de trafego e deteção de situações de emergência; - Segurança de veículos (transporte mercadorias) 26

SISTEMAS GPS - ERROS Mesmo fazendo a correção do tempo utilizando os relógios atómicos dos satélites um recetor de GPS comercial pode ter um erro até 10 m. Esses erros podem ser devidos: A más condições atmosféricas; À diminuição do número de satélites em linha de vista (devido a obstáculos); À reflexão das ondas eletromagnéticas nesses obstáculos (durante a sua propagação). 27

Projetos concorrentes do GPS O Galileo é o concorrente europeu do GPS americano, encontrando-se ainda em desenvolvimento. Quando estiver em completo funcionamento apresenta como principais vantagens: -Maior precisão; -Maior segurança; -Capacidade de testar automaticamente a sua integridade. O Glonass é o concorrente russo e tal como o GPS está a ser desenvolvido para fins civis. 28