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POSICIONAMENTO POR SATÉLITES

UNIVERSIDADE FEDERAL DE CAMPINA GRANDE

CENTRO DE TECNOLOGIA E RECURSOS HUMANOS

UNIDADE ACADÊMICA DE ENGENHARIA CIVIL

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

Posicionamento por Satélites

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.


Abreviatura de Global Positioning System

GPS

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

1983, sistema disponível para o uso civil

1993, constelação de 24 satélites é alcançada

1 de maio de 2000, código SA é desativado, aumentando

Precisão para uso civil de 100 m para 10 m;

1978, primeiro satélite lançado;

1978 a 1985, 11 satélites são lançados

1995, sistema é declarado operacional


2. COMPONENTES DO GPS

Componente Espacial

Constelação de 24 satélites em 6

planos orbitais (4 satélites em

cada plano)

Concebido de forma que

existam no mínimo 4 satélites

visíveis acima do horizonte em

qualquer ponto da superfície e

em qualquer altura.

Altitude de cerca de 20.200 km

Inclinação de 55 do Equador


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.


10 estações de rastreio

1 MCS (Master Control Station)

Estações


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


• Em 2005, 6 novas estações da NGA (National Geospatial-

Intelligence Agency) foram instaladas

Estações da NGA (a partir de 2005)

• 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


• Localizada em Colorado Springs, EUA

Estação de controle principal

• 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


Inclui todos aqueles que usam um receptor GPS para receber e

converter o sinal GPS em posição, velocidade e tempo.

Componente Usuário

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


Choke Ring Ground Plane

Equipamentos de antena para proteção contra

multicaminhamentos


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


Nokia N82

Antena integrada

Software Nokia Maps

Guia por voz

Valor: 450 euros

Receptores de

navegação


Receptores

em veículos

Receptores de

navegação


Receptores

Geodésicos


Receptores

para SIG

Leica GPS900CS


3. COMO FUNCIONA O GPS?

Baseia-se na determinação da

distância entre um ponto, o receptor, a

outros de referência, os satélites.

Como funciona o GPS?

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.


• 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.


• 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:


Campina Grande


• 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.


Campina

Grande

João

Pessoa


• 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.


Campina Grande

João Pessoa

Juripiranga

Cajá


1 satélite

Mede-se a distância d1 do satélite 1: algum lugar na superfície

de uma esfera imaginária que tem seu centro no satélite .

Por que se deve ter no mínimo 4 satélites ?


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.

Distância = Velocidade x Tempo

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.


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.


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:

Característica das ondas portadoras

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 distingui-

los 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



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


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


http://www.teleatlas.com/

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


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