UNIVERSIDADE FEDERAL DE CAMPINA GRANDE CENTRO DE TECNOLOGIA E RECURSOS HUMANOS UNIDADE ACADÊMICA DE ENGENHARIA CIVIL POSICIONAMENTO POR SATÉLITES PROF. IANA ALEXANDRA
SUMÁRIO 1. HISTÓRICO 2. COMPONENTES DO GPS 3. COMO FUNCIONA O GPS? 4. ERROS NAS OBSERVÁVEIS GPS 5. MÉTODOS DE POSICIONAMENTO 6. APLICAÇÕES
1. HISTÓRICO
LORAN (Long-Range Navigation System) Sistema de navegação de longa distância criado no início da década de 1940 Muito utilizado durante a II Guerra Mundial A posição é determinada pela análise do intervalo de tempo entre pulsos de sinais de rádio entre duas ou mais estações terrestres de coordenadas conhecidas.
Projeto SPUTNIK Um conjunto de satélites artificiais lançados a partir de 1957 pela União Soviética. SPUTNIK 1 foi o primeiro satélite artificial do mundo e era do tamanho de uma bola de basquete. Projeto VANGUARD Um conjunto satélites artificiais lançados a partir de 1958 pelos Estados Unidos. É o mais antigo equipamento feito pelo homem ainda em órbita.
OMEGA (Global Low Frequency Navigation System) Primeiro sistema de radionavegação de abrangência mundial Desenvolvido em 1968 pela Aeronáutica dos EUA para detectar bombardeiros e submarinos russos. Encerrado em 1997 devido aos altos custos de operação.
TRANSIT (Navy Navigation Satellite System - NNSS) Primeiro sistema de navegação por satélite a ser usado operacionalmente. Formado por uma constelação de 5 satélites. Inicialmente utilizado pela Aeronáutica dos Estados Unidos a partir de 1960 para obter informações precisas sobre mísseis submarinos.
GLONASS - GLObal NAvigation Satellite System Sistema de radionavegação russo criado em 1976 composto por 24 satélites. Primeiro satélite lançado em 1982. Em 2002, apenas 7 satélites em operação. GALILEO Sistema de radionavegação global criado pela União Européia em 2002.
GPS Abreviatura de Global Positioning System Sistema de radionavegação desenvolvido pelo Departamento de Defesa (DoD) do Estados Unidos que fornece posicionamento altamente preciso para usuários militares e civis Nome verdadeiro: NAVSTAR (Navigation System with Time and Ranging)
Permite a qualquer usuário saber a sua localização, velocidade e tempo, 24 horas por dia, sob quaisquer condições atmosféricas e em qualquer ponto do globo terrestre. Não necessidade de visibilidade entre as estações (métodos de levantamento convencionais) Adota como referência o elipsóide World Geodetic System de 1984 (WGS-84).
Histórico do GPS 1978, primeiro satélite lançado; 1978 a 1985, 11 satélites são lançados 1983, sistema disponível para o uso civil 1993, constelação de 24 satélites é alcançada 1995, sistema é declarado operacional 1 de maio de 2000, código SA é desativado, aumentando Precisão para uso civil de 100 m para 10 m;
2. COMPONENTES DO GPS
Componente Espacial Constelação de 24 satélites em 6 planos orbitais (4 satélites em cada plano) Altitude de cerca de 20.200 km Inclinação de 55 do Equador Concebido de forma que existam no mínimo 4 satélites visíveis acima do horizonte em qualquer ponto da superfície e em qualquer altura.
Componente Espacial Cada satélite construído para durar aproximadamente 10 anos; Constantemente estão sendo construídas substituições e lançadas em órbita.
Satélites do Bloco I Quantidade: 11 Lançamento: 1978-1985 Peso: 845 Kg Vida Útil: 4,5 anos Energia: Painéis solares (400 w) + baterias reservas Situação: desativados
Satélites do Bloco II Tipo: Bloco II A (Advanced) Quantidade: 19 Lançamento: 1990-96 Relógios Atômicos: 4 (2 Rubídio + 2 Césio) Tipos: Bloco II Quantidade: 9 Lançamento: 1998 Peso: 1500 Kg Vida Útil: 7,5 anos
Satélites do Bloco II Tipo: Bloco II R (Replenishment) Lançamento: 2005 Peso: 2 Toneladas Energia: 750 w Relógios: 3 Rubídios Valor: US$ 75 milhões
Satélites a lançar Tipo: Bloco II F (Follow on) Relógios: Maser de hidrogênio Energia: 50 w Sinais: Banda L5
Componente de Controle Responsável pelo rastreamento dos satélites, atualização de suas efemérides (posições orbitais) e calibração e sincronização dos seus relógios. Determina as órbitas de cada satélite e prevê a sua trajetória nas 24h seguintes. Esta informação é enviada para cada satélite para depois ser transmitida por este, informando o receptor do local onde é possível encontrar o satélite.
Estações 10 estações de rastreio 1 MCS (Master Control Station)
Localização das estações de controle GPS
Estações de rastreio Rastreiam satélites de sua cobertura Coletam dados dos sinais dos satélites Enviam os dados para a estação de controle principal Estações originais (até 2005) 1. Havaí 2. Ilha da Ascensão (Oceano Atlântico) 3. Kwajalein (Oceano Pacífico, nordeste de Nova Guiné) 4. Diego Garcia (Oceano Índico)
Estação de rastreio do Havaí
Estações da NGA (a partir de 2005) Em 2005, 6 novas estações da NGA (National Geospatial- Intelligence Agency) foram instaladas Cada satélite é monitorado por no mínimo 2 estações Órbitas (dados de efemérides) calculadas com maior precisão No futuro próximo, 5 novas estações NGA serão utilizadas, permitindo que cada satélite seja monitorado por no mínimo 3 estações
Estação de controle principal Localizada em Colorado Springs, EUA Processa os dados das estações de rastreio Detecta as efemérides e relógios dos satélites Calcula novas efemérides Retransmite os dados (1 ou 2 vezes ao dia) para as estações de Ascension Islands, Diego Garcia ou Kwajalein que, por sua vez, os retransmitem para os satélites via antenas de transmissão
Estação de controle principal
Componente Usuário Inclui todos aqueles que usam um receptor GPS para receber e converter o sinal GPS em posição, velocidade e tempo. Inclui ainda todos elementos necessários neste processo como as antenas e softwares de processamento
Função básicas de um receptor GPS 1. Informar as coordenadas de sua posição na Terra. 2. Dar orientação de navegação para outro ponto qualquer. Outras funções: capacidade de armazenar pontos e rotas na memória ambiente em que você vai utilizar o GPS possibilidade de conectá-lo a uma antena externa interface para PC altímetro barométrico acoplado bússola eletrônica acoplada com dados ou mapas embutidos (basemap)
Tipos de antenas
Equipamentos de antena para proteção contra multicaminhamentos Choke Ring Ground Plane
Canais Unidades eletrônicas que rastreiam os satélites visíveis Podem ser: Multicanais (canais paralelos) Rastreiam continuamente um dos satélites visíveis No mínimo 4 canais são necessário Seqüênciais Altera entre satélites dentro de intervalos regulares Multiplex Seqüências efetuadas entre satélites numa velocidade muito alta
Tipos de receptores Quanto à aplicação De navegação Geodésico Para SIG Quanto ao dados De simples freqüência (Portadora L1) De dupla freqüência (Portadoras L1 e L2)
Receptores de navegação Receptores de mão
Receptores de navegação Nokia N82 Antena integrada Software Nokia Maps Guia por voz Valor: 450 euros
Receptores de navegação Receptores em veículos
Receptores Geodésicos
Receptores para SIG Leica GPS900CS
3. COMO FUNCIONA O GPS?
Como funciona o GPS? Baseia-se na determinação da distância entre um ponto, o receptor, a outros de referência, os satélites. Sabendo a distância que nos separa de 3 pontos podemos determinar a nossa posição relativa a esses pontos através da intersecção de 3 circunferências cujos raios são as distancias medidas entre o receptor e os satélites. São necessários, no mínimo, 4 satélites para determinar a nossa posição corretamente.
Como funciona o GPS? A função de um receptor GPS é localizar 4 ou mais desses satélites, determinar a distância para cada um e utilizar esta informação para deduzir sua própria posição. Essa operação é baseada em um princípio matemático simples chamado trilateração. A trilateração em um espaço tridimensional pode parecer um pouco complicada, então começaremos explicando o que é trilateração bidimensional.
Como funciona o GPS? Imagine que você esteja em algum lugar na Paraíba e está TOTALMENTE perdido, não tem a menor idéia de onde está. Você encontra um morador local amigável e pergunta a ele: "Onde eu estou?". Ele lhe diz: "Você está a 61 km de Campina Grande, Paraíba". Uma ajuda, mas que não é tão útil sozinha. Você poderia estar em qualquer lugar ao redor de Campina Grande, desde que em um raio de 61 km, desta maneira:
Como funciona o GPS? Campina Grande
Como funciona o GPS? Você pergunta a outra pessoa onde está e ela diz: "Você está a 58 km de João Pessoa-PB". Agora você está chegando a algum lugar: se combinar esta informação com a informação anterior, você terá dois círculos que se cruzam. Agora você sabe que tem de estar em uma dessas duas interseções, já que está a 70 km de Campina e a 58 km de João Pessoa.
Como funciona o GPS? Campina Grande João Pessoa
Como funciona o GPS? Se uma terceira pessoa lhe disser que você está a 27 km de Juripiranga-PB, eliminará uma das possibilidades, pois o terceiro círculo irá se cruzar somente com um desses pontos. Assim, você saberá exatamente onde está: Cajá, Paraíba. Esse conceito funciona da mesma maneira em espaços tridimensionais, mas estamos falando de esferas ao invés de círculos. Na seção seguinte, veremos esse tipo de trilateração.
Como funciona o GPS? Campina Grande Cajá João Pessoa Juripiranga
Por que se deve ter no mínimo 4 satélites? 1 satélite Mede-se a distância d1 do satélite 1: algum lugar na superfície de uma esfera imaginária que tem seu centro no satélite.
2 satélites Mede-se a distância d1 do satélite 1 e, ao mesmo tempo, distância d2 do satélite 2: círculo onde as suas esferas se interceptam.
3 satélites Mede-se, ao mesmo tempo: as distâncias d1, d2 e d3 Somente 2 pontos A e B onde a esfera de distância d3 corta o círculo: a intercessão das esferas das distâncias d1 e d3
4 satélites Determina se o ponto correto é A ou B Na prática, o quarto satélite é desnecessário, pois, geralmente, um dos 2 pontos deverá se localizar na Terra Necessária em razão do não sincronismo entre os relógios dos satélites e do usuário
TRANSMISSÃO DE SINAIS
Cada satélite transmite um sinal que é recebido pelo receptor. O receptor mede o tempo que os sinais demoram a chegar até ele. Multiplicando o tempo medido pela velocidade do sinal (a velocidade da luz no vácuo = 300 m/s), obtemos a distância receptor-satélite. Distância = Velocidade x Tempo
Relógios dos satélites devem ser muito precisos (atômicos) porque a luz se move extremamente rápido. Exatidão de um nano segundo (0,000.000.001 segundos) Sincronizar os receptores e os satélites de modo que estejam gerando o mesmo código exatamente no mesmo tempo. Receber os códigos do satélite e identificar a diferença de tempo que o sinal levou para chegar até nós.
Característica das ondas portadoras Os satélites transmitem constantemente duas ondas portadoras na banda L (usada para rádio), geradas simultaneamente a partir de uma frequência fundamental de 10,23 MHz: Onda portadora L1 (Link one) Frequência: 1575.42 MHz (154 x 10,23 MHz) Comprimento: 19 cm Onda portadora L2 (Link two) Frequência: 1227,60 MHz (120 x 10,23 MHz) Comprimento: 24 cm
Códigos modulados sobre as portadoras Código de Aquisição Livre - C/A (Coarse Acquisition) Modulado sobre a onda portadora L1 Frequência: 1,023 MHz Comprimento: 300 m Código Preciso/Protegido - P (Precise/Protected) Modulado sobre as ondas portadoras L1 e L2 Frequência: 10,23 MHz Comprimento: 30 m
Os códigos são Pseudo-Randômicos (Pseudo-Random Noise - PRN), ou seja, emitem longa seqüência de pulsos aparentemente confusos, mas que se repete a cada milésimo de segundos, para serem comparados facilmente e de modo inequívoco. Cada satélite transmite códigos PRN únicos que permite distinguilos entre si.
Serviços disponibilizados pelo DoD dos E.U.A. SPS - Standard Positioning Service Disponível para todos os usuários; Opera apenas em L1; Aquisição de sinais através da sintonia do código C/A. PPS - Precise Positioning Service Disponível apenas para usuários autorizados pelo governo EUA; Opera em L1 e L2 Aquisição de sinais através da sintonia do código P(Y).
4. ERROS NAS OBSERVÁVEIS GPS
Erros Dependentes dos Satélites Erros nas efemérides Erros nas coordenadas dos satélites Podem chegar até 20 m Podem ser eliminados pelo posicionamento relativo Erros nos relógios dos satélites Podem chegar até 80 nano-segundos (0,000.000.08 s) o que correspode a cerca de 24 m Podem ser eliminados pelo posicionamento relativo
Erros Dependentes do receptor/antena Variação do centro de fase da antena* Em um levantamento, todas antenas devem ser calibradas Antenas devem ser orientadas numa mesma direção (norte) Modelos iguais de receptores não apresentam grandes problemas *Centro de fase é o ponto no qual as medidas dos sinais são refenciadas Geralmente não coincide com o centro geométrico da antena
Erros Dependentes do receptor/antena Erros nos relógios dos receptores Podem ser eliminados pelo posicionamento relativo Erros entre os canais Quando o sinal de cada satélite percorre canais diferentes Corrigidos automaticamente pelo receptor no início de cada levantamento
Erros de propagação dos sinais Refração da Troposfera Refração da Ionosfera
Refração da Troposfera Erros podem chegar até 30 m dependendo da densidade atmosférica (massa gasosa) e do ângulo de elevação do satélite Refração da Ionosfera Variação em função do número de elétrons presentes ao longo do caminho percorrido pelo sinal que enfraquece o sinal, podendo fazer com que o receptor perca a sintonia com o satélite Erros podem ser minimizados pelo posicionamento relativo e com o uso de receptores de dupla freqüencia
Erros de propagação dos sinais Perdas de ciclos Interrompimento na contagem do número de ciclos durante o período de observação em razão de obstrução do sinal de um ou mais satélites, impedindo que chegue até o receptor Pode ser solucionado com introdução de nova ambiguidade no modelo de ajustamento
Erros da propagação dos sinais Multicaminhamento (Multipath) Quando o receptor recebe, além do sinal que chega diretamente à antena, sinais refletidos em superfícies vizinhas a ela. Similar ao efeito fantasma de TV Para atenuar esse efeito: Antenas Choke rings Evitar levantamentos em locais propícios ao multipath
Multicaminhamento Multipath
Barreiras naturais
Diferencial GPS (DGPS) As posições absolutas, obtidas com um receptor móvel, são corrigidas por um outro receptor fixo, estacionado num ponto de coordenadas conhecidas. Esses receptores comunicam-se através de link de rádio. Precisão de 1 a 5 metros.
6. APLICAÇÕES
Transportes (logística) Esporte e Lazer Proteção Civil Topografia e Geodésia Militares Meteorologia Monitoramento de Abalos Sísmicos Roteiros de Viagens Georreferenciamento de imagens de satélite Atualização de informações cartográficas Atualização de Sistemas de Informação Geográfica
CARTOGRAFIA TELE ATLAS (www.teleatlas.com ) Empresa holandesa que disponibiliza mapas digitais 2D e 3D para navegação e serviços baseados em localização. Realizou acordo com a GOOGLE para suprimir dados para o Google Maps Oferece sistema de atualização de dados
Logística Automatic Vehicle Location (AVL) Monitoramento de veículos Transportadoras Determinar onde, por quanto e a que horas cada veículo de uma frota foi abastecido Verificar se o motorista excedeu a velocidade
Receptor Trim Trac Não utiliza antenas Funciona quando o veículo está em movimento e em intervalo pré-configurado Pode ser colocado no interior do veículo (porta-luvas) Transmissão de dados através de SMS Dimensões: 13 x 6 x 3 cm Peso:102 gramas Celular GSM triband (900/1800 e 1900 MHz) integrado
Objects Location and Management (OLM) Não apenas os veículos podem ser monitorados, mas também qualquer outro objeto Carga do caminhão; Cabeças de gado; Tornozeleiras para presidiários
Seguradoras de veículos Serviços de rastreamento Auxiliar na localização de veículos após o furto Situações de emergência EUA obrigam operadoras de telefonia móvel a localizar de onde partiram chamadas para auxiliar no serviço de emergência 911 Fim da privacidade Controle da vida das pessoas
Roteamento Lazer, esportes e viagens Traçar rotas Caminhos respeitam sentido das vias Sistema de voz para guiar motoristas Celular com mapas de localização de telefones cadastrados Serviço pago pelo clientes Receber mensagens da situação do trânsito evitando ruas congestionadas e criar novas rotas
Transportes Públicos GPS em ônibus - Projeto GEOSIT Uberlândia Monitorar a velocidade, tempo de percurso e de parada em cada ponto; Alertar em caso de acidente ou problemas mecânicos; Comunicação imediata sobre problemas no trânsito, como bloqueios ou semáforos quebrados; Fiscalizar o itinerário de cada linha de ônibus; Ajustar em tempo real dos horários de partida;
Passageiros podem acompanhar, do ponto de ônibus, quanto tempo terá que esperar até a chegada de cada ônibus; Botão de emergência em caso de assalto; Orientar a polícia na identificação de grupos criminosos e traçar com mais precisão o perfil dos assaltos ( número de ocorrências, freqüências, e localidade).
Radio-Frequency Identification (RFid) Etiquetas em peças de vestuário emitem sinais captados por antenas Sistemas semelhante ao de cobrança de pedágios em que um dispositivo colocado no vidro do carro se comunica com uma antena Jaquetas com GPS e sinal de pânico em casos de emergência