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3040 50 Curso de Formação Continuada em Georreferenciamento Prof. Geraldo Passos Amorim Prof. José Aguilar Pilon Curso de Formação Continuada em Georreferenciamento.

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1 Curso de Formação Continuada em Georreferenciamento Prof. Geraldo Passos Amorim Prof. José Aguilar Pilon Curso de Formação Continuada em Georreferenciamento Aplicado ao Cadastro de Imóveis Rurais Módulo 4: GPS CEFETES – Centro Federal de Educação Tecnológica do ES

2 Curso de Formação Continuada em Georreferenciamento Sumário Apresentação Histórico e Características dos Sistemas de Posicionamento Características do Sistema de Posicionamento GPS Segmentos do Sistema GPS Sistemas Geodésicos de Referência Receptores GPS Observáveis GPS Posicionamento de Pontos Métodos de Observação Levantamento GPS de acordo com a norma do INCRA Processamento de Dados GPS

3 Curso de Formação Continuada em Georreferenciamento Apresentação (1/3) G lobal P ositioning S ystem GPS, acrônimo de G lobal P ositioning S ystem, tornou-se uma ferramenta extremamente útil e inovadora para uma série de atividades que necessitam de informação espacial. Comparada com métodos convencionais, essa ferramenta permitiu aumentar a produtividade, associada à melhoria na precisão, além da redução de custos. Esperamos que este material possa ser útil àqueles que de uma forma direta ou indireta venham a empregar o GPS na implantação dos pontos de apoio básico e no levantamento do perímetro, para o georreferenciamento de imóveis rurais. Vitória, setembro de 2004

4 Curso de Formação Continuada em Georreferenciamento Apresentação (2/3)

5 Curso de Formação Continuada em Georreferenciamento Apresentação (3/3)

6 Curso de Formação Continuada em Georreferenciamento Histórico e Características dos Sistemas de Posicionamento (1/9 ) Posicionar um objeto nada mais é do que atribuir-lhe coordenadas. Embora hoje se trate de uma tarefa que pode ser realizada com relativa simplicidade, utilizando-se, por exemplo, satélites artificiais apropriados para este fim, este foi um dos primeiros problemas científicos que o ser humano procurou solucionar. O homem, desde sua criação, sempre teve interesse no conhecimento da terra onde vive. A busca por alimentos, o espírito de novas aventuras e o ímpeto da criatura humana por conquistas de novos territórios, foram algumas das razões que levaram os povos da antigüidade a desbravar novas fronteiras. A habilidade dos navegadores e as condições climáticas eram fundamentais para o sucesso ou o insucesso de uma expedição (Dotori & Negraes, 1997).

7 Curso de Formação Continuada em Georreferenciamento Histórico e Características dos Sistemas de Posicionamento (2/9) como determinar a posição de uma embarcação em alto-mar? O surgimento da bússola, inventada pelos chineses, proporcionou uma verdadeira revolução na navegação. Mas ainda perdurava um problema: como determinar a posição de uma embarcação em alto-mar? O astrolábio possibilitava a determinação da latitude, sujeita a grandes erros e a medição só podia ser feita à noite desde que com boa visibilidade. A determinação da longitude foi considerada o maior problema científico do século XVIII. Mesmo com a astronomia a posição era obtida com uma incerteza muito grande. Com o avanço da eletrônica, alguns sistemas foram desenvolvidos, mas mesmo esses apresentavam algum tipo de deficiência. Como exemplo temos os sistemas DECCA, LORAN e Ômega.

8 Curso de Formação Continuada em Georreferenciamento Histórico e Características dos Sistemas de Posicionamento (3/9)

9 Curso de Formação Continuada em Georreferenciamento Após o lançamento do primeiro satélite artificial, 4 de outubro de 1957, ocorreu uma transformação no conceito do posicionamento através da concepção da navegação apoiada em sinais de rádio emitidos por satélites artificiais. Um grupo de trabalho da Universidade John Hopkins, chefiado pelos Drs. W. Guier e G. Weiffenbach observaram a ocorrência do efeito Doppler quando da transmissão de mensagens de rádio do SPUTINIK I para as estações terrestres. Eles concluíram que a medida da variação do efeito Doppler é comparável à medida da variação da distância entre os satélites emissores e as estações receptoras dos sinais. A partir desta constatação, notaram que a ocupação de pontos de coordenadas conhecidas poderia gerar a determinação das órbitas dos satélites. Histórico e Características dos Sistemas de Posicionamento (4/9)

10 Curso de Formação Continuada em Georreferenciamento Depois destas conclusões, o Dr. Mclure, também da Universidade John Hopkins, demonstrou que a técnica proposta pelos Drs. Guier e Weiffenbach poderia ser utilizada de outra maneira, ou seja, se as órbitas dos satélites fossem conhecidas a posição da estação rastreadora poderia ser determinada a partir de observações da variação do efeito Doppler. Como resultado prático deste desenvolvimento teórico, a marinha norte- americana desenvolveu um sistema de posicionamento que usava o efeito Doppler. Iniciava-se, assim, o desenvolvimento do primeiro sistema de posicionamento por satélites. Ele foi batizado como o nome de N avy N avigational S atellite S ystem (NNSS), também conhecido como Sistema TRANSIT. Histórico e Características dos Sistemas de Posicionamento (5/9)

11 Curso de Formação Continuada em Georreferenciamento O sistema TRANSIT tornou-se operacional em 1964, tornando-se possível o seu uso para a comunidade civil apenas a partir de O sistema foi composto inicialmente por 7 satélites com altitudes próximas de 1100km, com órbitas aproximadamente circulares, sendo necessário um mínimo de 4 satélites para que o sistema se torne operacional. Histórico e Características dos Sistemas de Posicionamento (6/9)

12 Curso de Formação Continuada em Georreferenciamento O sistema TRANSIT apresentava certas limitações em função do número reduzido de satélites e da sua baixa altitude. Assim em 1973, o DoD juntamente com as Forças Armadas, iniciou estudos para a criação de um novo sistema de posicionamento por satélites. A U.S. Air Force apresentou o Sistema 621B e a Marinha Americana o Sistema Timation. Da fusão desses sistemas surgiu o NAVSTAR-GPS ( NAV igation S atellite with T ime A nd R anging - G lobal P ositioning S ystem). O DoD foi o primeiro a usar o sistema GPS, e a primeira aplicação foi suprir as necessidades militares, mas pouco tempo depois o Congresso Americano, sob orientação da Presidência da República, autorizou o uso do sistema pela comunidade civil. Histórico e Características dos Sistemas de Posicionamento (7/9)

13 Curso de Formação Continuada em Georreferenciamento Histórico e Características dos Sistemas de Posicionamento (8/9) Figura 1.3 – Evolução dos sistemas de posicionamento

14 Curso de Formação Continuada em Georreferenciamento Histórico e Características dos Sistemas de Posicionamento (9/9) Ao contrário do sistema TRANSIT, o GPS oferece dados de navegação continuamente, em tempo-real, para todo o planeta. Os avanços tecnológicos nos últimos 20 anos significaram uma melhoria na precisão do GPS com relação ao TRANSIT.

15 Curso de Formação Continuada em Georreferenciamento Características do Sistema de Posicionamento GPS (1/22) Indubitavelmente, o sistema GPS é o maior avanço tecnológico, das últimas décadas, na navegação e no posicionamento desde o advento da bússola. O Sistema Global de Posicionamento (GPS) é um sistema espacial de navegação desenvolvido pelo Departamento de Defesa dos EUA. Ele pode ser usado 24 horas por dia em quaisquer condições meteorológicas por usuários civis e militares para determinar a posição, a velocidade e o tempo, em relação a um sistema de referência definido, de qualquer ponto sobre ou próximo da superfície da Terra.

16 Curso de Formação Continuada em Georreferenciamento Características do Sistema de Posicionamento GPS (2/22) O princípio básico de posicionamento pelo GPS consiste na medida de distância entre o usuário e quatro satélites. Conhecendo as coordenadas dos satélites num sistema de referência apropriado, é possível calcular as coordenadas da antena do usuário no mesmo sistema de referência dos satélites. Do ponto de vista geométrico, apenas três distâncias, desde que não pertencentes ao mesmo plano, seriam suficientes. Nesse caso, o problema se reduziria à solução de um sistema de três equações e três incógnitas. A quarta medida é necessária devido ao não sincronismo entre os relógios do satélites e do receptor (uma incógnita a mais ao problema).

17 Curso de Formação Continuada em Georreferenciamento Princípio de funcionamento do GPS: distância Xll Vl Xl lll l ll lV V Vll Vlll X lX Características do Sistema de Posicionamento GPS (3/22)

18 Curso de Formação Continuada em Georreferenciamento Xll Vl Xl lll l ll lV V Vll Vlll X lX Características do Sistema de Posicionamento GPS (4/22) Princípio de funcionamento do GPS: distância

19 Curso de Formação Continuada em Georreferenciamento Xll Vl Xl lll l ll lV V Vll Vlll X lX Características do Sistema de Posicionamento GPS (5/22) Princípio de funcionamento do GPS: distância

20 Curso de Formação Continuada em Georreferenciamento Xll Vl Xl lll l ll lV V Vll Vlll X lX Distância = Tempo x Velocidade da luz Características do Sistema de Posicionamento GPS (6/22) Princípio de funcionamento do GPS: distância

21 Curso de Formação Continuada em Georreferenciamento Em algum lugar na esfera de raio, R1 R1 Princípio de funcionamento do GPS: Posição Características do Sistema de Posicionamento GPS (7/22)

22 Curso de Formação Continuada em Georreferenciamento Duas esferas se interceptam gerando um círculo R1 R2 Características do Sistema de Posicionamento GPS (8/22) Princípio de funcionamento do GPS: Posição

23 Curso de Formação Continuada em Georreferenciamento Três esferas se interceptam em um ponto 3 distâncias para resolver a Latitude, a Longitude e a Elevação R1 R2 R3 Características do Sistema de Posicionamento GPS (9/22) Princípio de funcionamento do GPS: Posição

24 Curso de Formação Continuada em Georreferenciamento 4 distâncias para encontrar a Latitude, a Longitude, a Elevação e o Tempo. É um problema similar ao problema da reseção espacial. Características do Sistema de Posicionamento GPS (10/22) Princípio de funcionamento do GPS: Posição

25 Curso de Formação Continuada em Georreferenciamento Características do Sistema de Posicionamento GPS (11/22) No sistema GPS há dois tipos de serviço que são conhecidos como: SPS ( Standard Positioning Service – Serviço de Posicionamento Padrão) PPS ( Precise Positioning Service – Serviço de Posicionamento Preciso). O SPS é um serviço padrão de posicionamento e de tempo que está disponível para todos os usuários, sem cobrança de qualquer taxa. Até o dia 1/5/2000 a exatidão horizontal e vertical desse serviço era de 100m e 140m, respectivamente, e 340 ns (nano-segundos) nas medidas de tempo (nível de confiança de 95%), através da implementação da SA (Selective Availability). O PPS proporciona melhores resultados (10m a 20m), mas é restrito ao uso militar.

26 Curso de Formação Continuada em Georreferenciamento Características do Sistema de Posicionamento GPS (12/22)

27 Curso de Formação Continuada em Georreferenciamento Características do Sistema de Posicionamento GPS (13/22) Vários testes realizados no ponto BASE-CEFETES mostraram uma variação absoluta da precisão horizontal na ordem de 5m a 15m. Esta variação é decorrente da geometria da constelação durante a observação. A retirada do efeito SA não pode ser encarada como definitiva, pois não se tem nenhuma garantia de que o governo americano jamais reativará a SA. Acredita-se que em função de situações que comprometam a soberania nacional americana, o DoD poderá novamente incrementar este efeito de degradação de sinal. O órgão gestor do GPS ( NIMA – National Imagery and Mapping Agency ) atribui ao posicionamento isolado um nível de precisão de 22m (2DRMS). O manual de georreferenciamento de Imóveis rurais do INCRA não admite o uso do posicionamento isolado nas atividades de georreferenciamento, portanto, é necessário um posicionamento que possibilite a correlação espacial para a redução significativa de parte dos erros. Este posicionamento é denominado relativo e diferencial.

28 Curso de Formação Continuada em Georreferenciamento Características do Sistema de Posicionamento GPS (14/22) A precisão das observações com os satélites GPS depende: 1.do tipo de observações: pseudodistância (fase do código) ou fase da portadora; uso de receptores de simples ou de dupla freqüência; 2.da qualidade dos receptores: do nível dos erros e ruídos dos receptores; do erro dos relógios dos satélites e/ou dos receptores; 3.da geometria dos satélites observados: das perturbações atmosféricas, como por exemplo a presença de jato de elétrons na ionosfera; 4.do multicaminhamento; 5.do tipo de antena ; 6.dos modelos matemáticos considerados nos softwares de processamento.

29 Curso de Formação Continuada em Georreferenciamento Características do Sistema de Posicionamento GPS (15/22) Quadro resumo com os erros do sistema GPS

30 Curso de Formação Continuada em Georreferenciamento Características do Sistema de Posicionamento GPS (16/22) Anomalia Equatorial (Ionosfera)

31 Curso de Formação Continuada em Georreferenciamento Características do Sistema de Posicionamento GPS (17/22) No levantamento de precisão com GPS, deseja-se medidas precisas dos vetores entre dois ou mais receptores GPS. Em geral, quanto maior o número de satélites possíveis de ter seus sinais rastreados, no horizonte da antena receptora, maior será a precisão das coordenadas do ponto medido. Para descrever a contribuição da configuração geométrica dos satélites no posicionamento, de um determinado ponto, foi definido um índice denominado DOP ( Diluition Of Precision ). O DOP representa a relação entre o desvio padrão da posição x e o desvio padrão associado as observações r. O escalar DOP descreve o efeito da distribuição geométrica dos satélites no espaço sobre a precisão obtida na solução de navegação.

32 Curso de Formação Continuada em Georreferenciamento Características do Sistema de Posicionamento GPS (18/22) Matematicamente, o DOP é estimado pela seguinte equação: x = DOP. r O melhor valor possível para o DOP é igual a 1 e o pior é igual a infinito. Existem diferentes tipos de definições para o fator DOP : H = HDOP. r para o posicionamento horizontal; V = VDOP. r para o posicionamento vertical; P = PDOP. r para o posicionamento em 3D; T = TDOP. r para a determinação do tempo. O PDOP é uma combinação dos fatores de posição HDOP e VDOP relacionados à precisão. Hoje com o sistema totalmente operacional, o valor do PDOP não é tão crítico e, normalmente, apresenta valores inferiores a 3. Deve-se evitar observações no período em que o PDOP for superior a este valor.

33 Curso de Formação Continuada em Georreferenciamento Características do Sistema de Posicionamento GPS (19/22) Valores elevados do fator DOP podem ser uma fonte de erros que influencia a precisão do posicionamento. Os valores do fator DOP podem ser monitorados durante a coleta dos dados, ou previstos de acordo com a localização do ponto. A escolha da hora da coleta dos dados é um fator muito importante para a obtenção de baixos valores de DOP.

34 Curso de Formação Continuada em Georreferenciamento Características do Sistema de Posicionamento GPS (20/22) A combinação do PDOP e TDOP gera um novo tipo de DOP denominado, o GDOP ( G eometric D ilution o f P recision), que é definido por: O valor do GDOP constitui-se num fator que reflete a influência da geometria dos satélites no espaço, combinada com a precisão do posicionamento e do tempo. Normalmente, considera-se bom valor de GDOP, valores inferiores a 6 (ideais entre 2 e 4). Valores superiores a 6 devem ser evitados. A precisão do posicionamento pode ser obtida multiplicando-se o valor do GDOP pelo URE (User Ranger Error). A Norma do INCRA para Levantamento de Apoio Básico por GPS estabelece um valor de GDOP inferior a 8, durante o período de rastreamento.

35 Curso de Formação Continuada em Georreferenciamento Características do Sistema de Posicionamento GPS (22/22) Principais características do sistema GPS: sistema sofisticado de navegação baseado em uma rede de satélites artificiais específicos que possibilitam posicionamento em 3D: latitude, longitude e altitude; o princípio básico de seu funcionamento baseia-se na medição de quatro distâncias entre as antenas dos receptores e as antenas dos satélites; Atualmente, é o melhor sistema de navegação implantado, constituindo-se uma grande revolução na arte de posicionar qualquer objeto, sobre ou próximo a superfície terrestre; é um sistema de cobertura global; está disponível 24 horas por dia; sua precisão é atualizada diariamente; oferece repetibilidade de medidas; independe de visibilidade entre as estações.

36 Curso de Formação Continuada em Georreferenciamento Segmentos do Sistema GPS (1/25) O sistema GPS pode ser dividido em três segmentos:

37 Curso de Formação Continuada em Georreferenciamento Segmentos do Sistema GPS (2/25) SEGMENTO ESPACIAL O segmento espacial tem por objetivo fornecer, de maneira precisa e constante, as efemérides dos satélites. Estas efemérides são transmitidas aos receptores dos usuários, de modo que os usuários possam utilizá-las para calcular posições, velocidades e tempo. As efemérides são compostas por 16 constantes físicas mais 4 coeficientes polinomiais. A partir de vários esquemas, definiu-se uma constelação de 21 satélites (mais 3 de reservas) alocados em órbitas elípticas (semi- eixo maior igual a km) com período de 11h 57 58,3 (tempo sideral), a uma altitude média aproximada de km, acima da superfície terrestre, e a órbita com inclinação igual a 55° em relação ao Equador, distribuídos em seis planos orbitais.

38 Curso de Formação Continuada em Georreferenciamento Segmentos do Sistema GPS (3/25)

39 Curso de Formação Continuada em Georreferenciamento Segmentos do Sistema GPS (4/25) Os satélites movimentam-se a uma velocidade aproximada de 3,87km/s. Cada satélite pesa aproximadamente 860Kg (Bloco I) e tem uma envergadura, considerando os painéis solares, da ordem de 8,7m. Os satélites são lançados a bordo dos foguetes Delta II da base Kennedy Spaceflight Center, na Flórida-EUA..

40 Curso de Formação Continuada em Georreferenciamento Segmentos do Sistema GPS (5/25) Cada satélite está equipado com relógios atômicos, de modo a transmitir, com precisão, pulsos binários de tempo e efemérides, definindo suas órbitas. A propósito, os relógios dos satélites são ditos atômicos não por usarem energia atômica, mas porque os relógios utilizam paarticulas atômicas em seus osciladores. Cada um dos seis planos orbitais (denominados de A, B, C, D, E e F), possuem 4 satélites. Os satélites não são igualmente espaçados dentro do plano orbital. Esta distribuição busca garantir a máxima cobertura terrestre. A separação da ascensão reta, entre dois planos orbitais é de 60º. Este espaçamento foi planejado para maximizar a probabilidade dos receptores GPS captarem sinais de ao menos quatro satélites com pequenos valores de PDOP, 24 horas por dia.

41 Curso de Formação Continuada em Georreferenciamento Segmentos do Sistema GPS (6/25) A identificação dos satélites é feita de várias maneiras: quanto ao número seqüencial do lançamento SVN ( Space Vehicle Number - número do veículo espacial); quanto ao código PRN ( Pseudo Random Noise - ruído falsamente aleatório), quanto ao código da NASA; e quanto a uma identificação internacional. Os satélites do sistema GPS foram classificados por blocos de acordo com as características físicas definidas no projeto. Historicamente foram e são assim classificados: Bloco I: satélites de desenvolvimento e pesquisa do SVN1 até SVN12. Ultimo satélite deste bloco foi desativado no final de 1995; Bloco II: satélites de produção (operação) do SVN13 até SVN21. Estes satélites armazenam os dados de navegação por 14 dias;

42 Curso de Formação Continuada em Georreferenciamento Segmentos do Sistema GPS (7/25) Bloco IIA (Advanced): satélite SVN22 até SVN40. Estes satélites têm como características a comunicação recíproca entre eles e a capacidade de armazenar os dados de navegação por 180 dias; Bloco IIR (Replenishment): satélites construídos para operação e reposição dos blocos anteriores, com lançamentos programados a medida que forem necessárias reposições satelite SVN41 até SVN62. Apresentam por características a capacidade de medir distâncias entre eles (cross link ranges) e calculam suas efemérides transmitindo-as para as estações de controle terrestre e entre os satélites ativos; Bloco IIF (Follow-on): satélite SVN63 a SVN96. Satélites de reposição, com lançamentos programados a partir de 2005.

43 Curso de Formação Continuada em Georreferenciamento Segmentos do Sistema GPS (8/25)

44 Curso de Formação Continuada em Georreferenciamento Segmentos do Sistema GPS (9/25)

45 Curso de Formação Continuada em Georreferenciamento Segmentos do Sistema GPS (10/25) Uma das características principais dos satélites GPS é o fato de todos os satélites da constelação emitirem sinais com a mesma freqüência e com as mesmas informações básicas. Estas informações são relativas a um determinado tempo de emissão, ou seja, é conhecido o exato momento em que o sinal é emitido pela antena do satélite. A posição de uma antena receptora é obtida a partir do acesso as informações contidas nos sinais emitidos. Todas estas informações podem ser obtidas a partir das efemérides transmitidas (broadcast ephemerides) pelos satélites no instante do rastreamento ou através das efemérides precisas calculadas por várias instituições que compõem a rede do IGS. As efemérides precisas não são obtidas em tempo real pela antena receptora do usuário. Neste caso, pode-se adquiri-las pela Internet, como por exemplo pelo endereço O tipo de efeméride a ser utilizado é função da precisão do posicionamento desejado.http://igscb.jpl.nasa.gov

46 Curso de Formação Continuada em Georreferenciamento Segmentos do Sistema GPS (11/25) O que garante a precisão e exatidão do GPS é o fato de que todos os componentes dos sinais são precisamente controlados por relógios de partículas atômicas. A exatidão da freqüência padrão do sistema é um fator importantíssimo, pois essa freqüência é considerada como o coração do sistema. A freqüência fundamental do GPS é 10,23MHz. A portadora principal, L 1, é modulada por dois tipos de códigos falsamente aleatórios – PRN ( Pseudo Random Noise codes ), um com 1,023MHz chamado de código-C/A ( Coarse Acquisition – fácil aquisição), e outro com 10,23MHz chamado de código-P ( Precise – preciso). A portadora L2, é modulada apenas pelo código-P. O código-P ou militarmente classificado como código-Y foi projetado para uso militar ou para usuários autorizados.

47 Curso de Formação Continuada em Georreferenciamento Frequência fundamental MHz Frequência fundamental MHz x 154 x 120 L MHz L MHz Código C/A MHz Código P MHz ÷ BPS Mensagens (Almanaque & Efemérides) Segmentos do Sistema GPS (12/25)

48 Curso de Formação Continuada em Georreferenciamento Segmentos do Sistema GPS (13/25) Os códigos que formam o PRN são modulados, em fase, sobre as portadoras L1 e L2. Essa técnica permite realizar medidas de distâncias a partir do tempo de propagação da modulação (Leick, 1995). Um PRN é uma seqüência binária +1 e -1, ou 0 e 1, que parece ter característica aleatória. Como é gerado por um algoritmo, pode ser univocamente identificado. A modulação bifásica (mudança de sinal) é realizada pela inversão de 180° na fase da portadora, situação em que ocorre a alteração nos estados.

49 Curso de Formação Continuada em Georreferenciamento Segmentos do Sistema GPS (14/25) É importante dizer que cada satélite estabelece o seu próprio código-C/A e o código-P, o que os distingue dos demais. Os códigos têm duas importantes funções: identificação do satélite. Os códigos são únicos para cada satélite e podem ser comparados com os respectivos códigos gerados pelos receptores; medida da propagação do tempo. Isto é, do tempo necessário para que o sinal percorra a distância entre o satélite e a antena receptora. O código-C/A, também designado como S tandard P ositioning S ervice ( SPS ), é disponível para a comunidade civil. A freqüência do código C/A repete-se a cada milissegundo, com um comprimento efetivo de onda 293,1 metros e é modulada somente na portadora L 1. O código-P (ou código-Y, também designado como P recise P ositioning S ervice ( PPS ), tem sido reservado apenas para uso das forças armadas americanas e para usuários autorizados.

50 Curso de Formação Continuada em Georreferenciamento Segmentos do Sistema GPS (15/25)

51 Curso de Formação Continuada em Georreferenciamento Segmentos do Sistema GPS (16/25) A mensagem de navegação é transmitida a razão de 50 bits por segundo (bps), com duração de 30 segundos. A mensagem de navegação é superposta nas duas freqüências, contendo informações tais como: efemérides, correções do relógio do satélite, órbitas dos satélites, saúde dos satélites e outras correções de dados. As informações que fazem parte da mensagem apresentam um total de 1500 bits que é denominado de um bloco de dados. Estas informações são utilizadas para o posicionamento e a navegação. Este sinal é formatado em 5 blocos com 6 segundos de duração

52 Curso de Formação Continuada em Georreferenciamento Segmentos do Sistema GPS (17/25)

53 Curso de Formação Continuada em Georreferenciamento Segmentos do Sistema GPS (18/25) Cada bloco é formado por 10 palavras com 30 bits cada. A primeira palavra em cada bloco é uma palavra telemétrica (telemetry word: TLM). A segunda palavra em cada bloco é uma palavra do código HOW, que contém, entre outras informações, o número do contador-Z. As oito palavras finais são geradas pelo seguimento de controle. Resumidamente, a mensagem de navegação (efemérides) é composta pelas seguintes informações: informações do código-C/A, usada no posicionamento por navegação; informações do código-P, usado por usuários autorizados; informações de navegação dos satélites, dados dos sinais e informações relativas à componente tempo; informações das fases das portadoras que podem ser usadas num posicionamento de maior precisão; informações a respeito do sistema GPS. Estas informações são conhecidas como almanaque. A partir das informações do almanaque, é possível executar um planejamento de observações com a finalidade de obter dados a partir de uma boa geometria dos satélites.

54 Curso de Formação Continuada em Georreferenciamento Segmentos do Sistema GPS (19/25) SEGMENTO DE CONTROLE TERRESTRE Quando o sistema GPS estava sendo estudado para sua implantação, alguns dos projetos propostos consideravam que os satélites seriam guiados por bases terrestres, utilizando raio lasers. No entanto, a solução final definiu que os satélites transmitiriam, constantemente, informações relativas as suas posições e então as bases terrestres usariam estas informações de modo a obter o posicionamento dos mesmos. O propósito do segmento de controle terrestre é: rastrear os satélites GPS e fornecer suas posições periodicamente; corrigir as efemérides transmitidas e os erros dos relógios; determinar o tempo GPS; predizer as efemérides e o comportamento dos relógios dos satélites; atualizar, periodicamente, a mensagem de navegação para cada satélite em particular.

55 Curso de Formação Continuada em Georreferenciamento Segmentos do Sistema GPS (20/25) O segmento de controle é basicamente composto por 5 estações de monitoramento sendo que uma delas recebe o status de Estação Master de Controle. Três estações de monitoramento acumulam as funções de serem também estações de antenas terrestres que mantêm contato contínuo com os satélites. A Figura 3.9 apresenta uma ilustração deste segmento.

56 Curso de Formação Continuada em Georreferenciamento Segmentos do Sistema GPS (21/25) A Estação Master de Controle está localizada em Colorado Springs, Colorado, EUA. A sua função é coletar os dados das estações monitoras e calcular as órbitas, os parâmetros dos relógios dos satélites e futuras posições dos mesmos. Estes resultados são então enviados para uma das três estações de antenas terrestres para que sejam remetidos para os satélites. Isto é realizado a cada oito horas ou pelo ao menos uma vez ao dia; a partir daí, estas correções passam a fazer parte das efemérides transmitidas pelos satélites (mensagem de navegação). O controle dos satélites e de todo sistema operacional é também de responsabilidade da estação Master de controle. Existem 5 Estações de monitoramento. Estas estações são equipadas com receptores de dupla freqüência, múltiplos-canais e com relógios de partículas atômicas. Além disso, é realizada a tarefa da coleta de dados meteorológicos locais que são aplicados na determinação de parâmetros relativos a correção do atraso da troposfera e ionosfera.

57 Curso de Formação Continuada em Georreferenciamento Segmentos do Sistema GPS (22/25) As Estações de controle terrestre exercida pelas antenas terrestres de Ascenção, Diego Garcia e Kwajalein, estão em comunicação permanente com os satélites. Estas antenas parabólicas possuem um diâmetro aproximado de 10 metros e são usadas para a transmissão de mensagens de navegação ou outro tipo quaisquer de comando para os satélites.

58 Curso de Formação Continuada em Georreferenciamento Segmentos do Sistema GPS (23/25)

59 Curso de Formação Continuada em Georreferenciamento Segmentos do Sistema GPS (24/25) SEGMENTO DOS USUÁRIOS O segmento dos usuários é constituído pelas antenas receptoras localizadas na superfície terrestre, no ar, a bordo de navios e de alguns satélites etc. As antenas captam sinais de quatro ou mais satélites, simultaneamente ou seqüencialmente, processam os dados determinando a posição, a velocidade e a medida de tempo dos pontos observados. Existem duas categorias básicas de usuários do sistema GPS: militares e civis. É importante salientar que o interesse em desenvolver o sistema de posicionamento global nasceu para atender aos interesses militares americanos.

60 Curso de Formação Continuada em Georreferenciamento Segmentos do Sistema GPS (25/25)

61 Curso de Formação Continuada em Georreferenciamento Sistemas Geodésicos de Referência (1/11) A Terra não é uma superfície homogênea. O campo gravitacional terrestre varia ponto a ponto, pois depende da distribuição de massa terrestre. Para definir a forma do planeta, foi convencionado efetuar o prolongamento dos mares em calma, sob os continentes. A superfície resultante recebeu o nome de Geóide. Contrariamente ao que se imagina, esta superfície não é regular. O Geóide é gerado por um líquido em repouso, e portanto perpendicular à direção da vertical em cada ponto topográfico, e as variações de intensidade e direção da gravidade implicam imperfeições dessa superfície, tal como mostra a figura abaixo, produzida pela NASA..

62 Curso de Formação Continuada em Georreferenciamento Sistemas Geodésicos de Referência (2/11) As irregularidades do Geóide não seguem uma lei matemática, sendo portanto, impossível determinar uma fórmula que o descreva com exatidão. Devido à complexidade de modelar matematicamente o geóide, os geodesistas concluíram que a forma física da Terra pode ser modelada por um Elipsóide de Revolução. A superfície elipsoidal é conveniente como referência e facilita as operações matemáticas. Esta é a razão porque o elipsóide é largamente utilizado em projeções cartográficas e no estabelecimento de coordenadas horizontais nas redes geodésicas. A superfície elipsoidal é menos usada como superfície de referência para as coordenadas verticais (altitudes), já que não reflete uma superfície física de nível, mas uma superfície geométrica.

63 Curso de Formação Continuada em Georreferenciamento Sistemas Geodésicos de Referência (3/11) Um S istema G edésico de R eferência – SGR é um sistema de coordenadas associado a algumas características terrestres. A implantação de um SGR é dividida em duas partes: definição e materialização na superfície terrestre. A definição compreende a adoção de um elipsóide de revolução, sobre o qual são aplicadas injunções de posição e orientação espacial. No Brasil se emprega dois SGR s um horizontal e outro vertical. Os SGRs horizontal utilizados no Brasil, através de metodologias clássicas são: Córrego Alegre, Chuá Astro-Datum e SAD69. Atualmente o IBGE realizada estudos para a mudança do referencial Geodésico. A expectativa é que a partir do ano de 2005 tenhamos um novo SGR denominado SIRGAS 2000 ( S istema de R eferência G eocêntrico para as A mérica S ) com campanha realizada de 10 a 19 de maio de 2000.

64 Curso de Formação Continuada em Georreferenciamento Sistemas Geodésicos de Referência (4/11) Sup. Topográfica O2O2 O1O1 EuropaN. America S. America Africa NN Sistema de Referência Clássico Sistema de Referência Moderno

65 Curso de Formação Continuada em Georreferenciamento Sistemas Geodésicos de Referência (5/11) O SGR adotado pelo GPS é o WGS84 ( W orld G eodetic S ystem ), com as modificações implantadas em 1994 (WGS84-G730), 1997 (WGS 84-G873) e 2000 (WGS 84-G1150). O WGS84 é um sistema de referência geocêntrico, através do qual as efemérides transmitidas e as precisas são fornecidas.

66 Curso de Formação Continuada em Georreferenciamento Sistemas Geodésicos de Referência (6/11)

67 Curso de Formação Continuada em Georreferenciamento Sistemas Geodésicos de Referência (7/11) É importante salientar que a altura determinada com GPS toma como referência o elipsóide. Portanto para se conhecer a altitude é necessário conhecer a ondulação geoidal (N).

68 Curso de Formação Continuada em Georreferenciamento Sistemas Geodésicos de Referência (8/11) O sistema de referência oficial no Brasil é o SAD69, que não tem origem geocêntrica e cujos os parâmetros definidores do elipsóide de referência diferem do WGS84. Trata-se, portanto de superfícies de referências distintas tanto na forma quanto na origem. Para resolver este problema IBGE sentiu a necessidade de editar parâmetros oficiais de transformação entre os sistemas SAD69 e WGS84. Neste sentido, foi realizada uma campanha de rastreamento no VT-CHUÁ com o objetivo de obter dados para o cálculo e posterior obtenção dos parâmetros de transformação. A campanha foi realizada durante 24 dias. Os parâmetros de transformação WGS84 e SAD 69 são os seguintes:

69 Curso de Formação Continuada em Georreferenciamento Sistemas Geodésicos de Referência (9/11) O maior avanço na área de Geodésia dado pelo IBGE recentemente foi o estabelecimento de uma rede de monitoramento ativo denominada R ede B rasileira de M onitoramento C ontínuo - RBMC.

70 Curso de Formação Continuada em Georreferenciamento Sistemas Geodésicos de Referência (10/11) O Instituto Nacional de Colonização e Reforma Agrária (INCRA) com o objetivo de atender as necessidades de posicionamento implantou uma rede de referência denominada de R ede I NCRA de Ba ses C omunitárias - RIBaC. Na presente data o INCRA está realizado observações com equipamentos de duas freqüência em seus pontos para homologação junto ao IBGE.

71 Curso de Formação Continuada em Georreferenciamento Sistemas Geodésicos de Referência (11/11) O CEFETES em parceria com o CREA-ES está promovendo debates com o objetivo de densificar a Rede Geodésica em nosso estado.

72 Curso de Formação Continuada em Georreferenciamento Receptores GPS (1/10) Os receptores GPS podem ser manuais ou instalados em bases fixas (estações) ou móveis (carros, aviões, embarcações, tanques etc.). Estes receptores detectam, geram sinais internamente e processam sinais emitidos pelos satélites. Existem mais de uma centena de modelos disponíveis no mercado. Os receptores GPS evoluíram bastante desde os primeiros modelos que foram lançados no mercado no início da década de 80. Os primeiros receptores eram muito pesados e hoje em dia um receptor geodésico não excede a 3kg. Paralelo a isto, os métodos de posicionamento e a eletrônica dos componentes também evoluíram bastante resultando no surgimento de equipamentos de diferentes precisões para diferentes tipos de aplicações práticas.

73 Curso de Formação Continuada em Georreferenciamento Receptores GPS (2/10) Os principais componentes de um receptor GPS, tal como mostrado na Figura 5.1, são (Cf. Seeber,1993): antena com pré-amplificador; seção de RF (radiofreqüência) para identificação e processamento do sinal; microprocessador para controle do receptor, amostragem e processamento dos dados; oscilador; interface para o usuário, painel de exibição e comandos; provisão de energia; e memória para armazenar os dados.

74 Curso de Formação Continuada em Georreferenciamento Receptores GPS (3/10)

75 Curso de Formação Continuada em Georreferenciamento Receptores GPS (4/10) A antena detecta as ondas eletromagnéticas emitidas pelos satélites, converte a energia da onda em corrente elétrica, amplifica o sinal e envia para a parte eletrônica do receptor. Para levantamentos geodésicos, a antena deve garantir alta estabilidade do seu centro de fase em relação ao seu centro geométrico, e proteção contra multicaminhamento. Na seção de RF os sinais que entram no receptor são convertidos para uma freqüência mais baixa, denominada freqüência intermediária (FI), a qual é mais fácil de ser tratada nas demais partes do receptor. Isso é realizado pela combinação do sinal recebido pelo receptor com um sinal senoidal gerado pelo oscilador do receptor. O canal de um receptor é considerado a sua unidade eletrônica primordial, podendo o receptor possuir um ou mais canais. os tipos de canais podem ser divididos em multicanais (canais dedicados), seqüênciais e multiplexados.

76 Curso de Formação Continuada em Georreferenciamento Receptores GPS (5/10) O microprocessador é necessário no controle das operações do receptor (obter e processar o sinal, decodificar a mensagem de navegação), bem como para calcular posições e velocidades, além de outras funções (controle dos dados de entrada e saída, mostrar informações). A interface com o usuário proporciona a interação com o usuário. As teclas podem ser usadas para entrar com comandos visando selecionar as mais variadas opções de coleta de dados, monitoramento das atividades do receptor, mostrar coordenadas calculadas, além de outros detalhes. Na memória do receptor ficam armazenadas as observações (pseudodistância e medidas de fase da portadora) e das efemérides transmitidas. O suprimento de energia foi um fator crítico nos receptores da primeira geração, em razão do alto consumo. Atualmente os receptores são concebidos para que tenham um consumo mínimo de energia.

77 Curso de Formação Continuada em Georreferenciamento Receptores GPS (6/10) Os receptores GPS podem ser classificados em: Quanto ao número de freqüências: simples freqüência: estes tipos de instrumentos recebem somente a freqüência L 1. Todo acesso produzido para o código-C/A é dado pela correlação entre o sinal proveniente do satélite com uma réplica gerada no receptor; dupla freqüência: estes tipos de instrumentos recebem as duas freqüências L 1 e L 2. Podem ter acesso aos códigos-C/A e/ou código-P. Quando somente o código-C/A é usado num receptor de dupla freqüência, a portadora L 2 é quadrada para remover a modulação desconhecida do código-P, resultando num comprimento efetivo de onda para a L 2 de 12cm. Os receptores de dupla freqüência, que fornecem o acesso ao código-P, realizam esta tarefa através da correlação do código, permitindo assim, um comprimento cheio da portadora L 2 com comprimento de onda de 24cm.

78 Curso de Formação Continuada em Georreferenciamento Receptores GPS (7/10 Quanto ao número de canais: monocanais : são receptores que possuem apenas um canal que se move rapidamente de um satélite para outro. Estes tipos de receptores são construídos com um número reduzido de circuitos e por isso são mais baratos. As desvantagens deste tipo de instrumento são: lentos na atualização das coordenadas, imprecisos e são mais susceptíveis a perda de ciclos durante a observação; multicanais : são receptores que possuem vários canais independentes para rastrear, simultaneamente, cada satélite visível no horizonte. Isto proporciona a obtenção de coordenadas mais precisas e estes instrumentos são menos susceptíveis a ocorrência de perdas de ciclo. Uma outra vantagem destes tipos de receptores é que possibilitam uma recuperação do sinal mais rápida em situações que provoquem perdas de ciclos.

79 Curso de Formação Continuada em Georreferenciamento Receptores GPS (8/10) Quanto ao tipo de canais: seqüenciais : nestes tipos de receptores cada canal rastreia um único satélite de cada vez, passando a captar dados de outro satélite tão logo tenha armazenado dados suficientes para o cálculo das coordenadas do ponto; multiplexados : são receptores que têm funcionamento semelhante aos receptores de canais seqüenciais, mas apresentam a vantagem de serem mais rápidos na mudança para a captação dos dados de outros satélites. Estes tipos, caracterizam-se por possuírem circuitos eletrônicos mais complexos e, por isso, consequentemente são mais precisos e mais caros.

80 Curso de Formação Continuada em Georreferenciamento Receptores GPS (9/10) Quanto ao tipo de sinal observado: receptores que utilizam a pseudodistância através do código-C/A : estes aparelhos caracterizam-se por serem pequenos e leves e o posicionamento gerado apresenta a precisão dada pelo SPS; receptores da portadoras L 1 e do código-C/A : estes tipos de instrumentos são normalmente utilizados nos trabalhos geodésicos de precisão. Tem como limitação o comprimento da linha base (~15km); receptores que utilizam a pseudodistância através dos códigos- C/A e P e utilizam as portadoras L 1 e L 2 : são os receptores mais completos e conseqüentemente os mais caros. A aplicação destes tipos de instrumentos é justificada nos trabalhos geodésicos de alta precisão.

81 Curso de Formação Continuada em Georreferenciamento Receptores GPS (10/10) O tipo de dado coletado pelo receptor tem um impacto direto na precisão alcançada, e, geralmente, influencia no custo final da operação. Os receptores mais baratos disponíveis no mercado são aqueles que fornecem o posicionamento em tempo real, baseado somente no código- C/A com precisão SPS, ou seja da ordem de 22m 2DRMS.

82 Curso de Formação Continuada em Georreferenciamento Observáveis GPS (1/12) Os dados observados com GPS são deduzidos a partir da medição do tempo ou da diferença de fase entre os sinais recebidos dos satélites e os gerados internamente pelos receptores. O diagrama de blocos para um sinal genérico, em um receptor, é apresentado na Figura abaixo. Nesta figura, existem diferentes caminhos para o código e para a portadora.

83 Curso de Formação Continuada em Georreferenciamento Observáveis GPS (2/12) Basicamente, existem dois tipos importantes de dados observados com o GPS: a pseudodistância (através de um dos códigos) e a fase da portadora. Estes dois tipos de medidas refletem a distância entre os satélites e o receptor. Estas medidas são utilizadas para uma variedade de aplicações de posicionamentos, por exemplo: navegação, posicionamento diferencial estático, posicionamento diferencial cinemático, navegação de alta precisão, determinação da órbita dos satélites, transferência de tempo etc.

84 Curso de Formação Continuada em Georreferenciamento Observáveis GPS – Pseudodistância (3/12) WELLS et al. (1987) definem a observação da pseudodistância, como sendo a diferença entre o tempo de transmissão (na escala de tempo do satélite) e o tempo de chegada (na escala de tempo do receptor) de um particular tipo de sinal transmitido pelo satélite, multiplicado pela velocidade da luz. Esta diferença de tempo é determinada comparando-se uma réplica do código, gerado pelo receptor, com o código real emitido por um particular satélite. Para essa medição, este tempo é defasado, de modo que, a posição dos dois códigos tenha o máximo de correlação Figura 6.2.

85 Curso de Formação Continuada em Georreferenciamento Observáveis GPS – Pseudodistância (4/12)

86 Curso de Formação Continuada em Georreferenciamento Observáveis GPS – Pseudodistância (5/12) Os satélites GPS dispõem de padrões atômicos de alta precisão (osciladores), operando no sistema de tempo do satélite (t s ), no qual todos os sinais gerados e transmitidos são referenciados. Os receptores, normalmente, dispõem de osciladores de menor qualidade, que operam no chamado sistema de tempo do receptor (t r ). É nesta escala de tempo que os sinais recebidos são referenciados. Esses dois sistemas de tempo, satélite e receptor, podem ser relacionados com o sistema de tempo GPS (t GPS ) a partir das seguintes expressões:

87 Curso de Formação Continuada em Georreferenciamento Observáveis GPS – Pseudodistância (6/12) A pseudidistância (PD) é igual à diferença entre o tempo t r registrado no receptor no instante de recepção do sinal, e o tempo t s, registrado no satélite, no instante de transmissão do sinal, multiplicado pela velocidade da luz no vácuo. A PD pode ser obtida via correlação com o código P (correlação do código Y) sobre as portadoras L1 e L2 e/ ou com o código C/A, sobre a portadora L1 (Teunissen & Kleusberg, 1996). r S é o tempo de propagação do sinal, contado desde sua geração no satélite até a correlação no receptor, c é a velocidade da luz e PD r S é o erro da medida de pseudodistância.

88 Curso de Formação Continuada em Georreferenciamento Observáveis GPS – Pseudodistância (7/12) O tempo de propagação r S multiplicado pela velocidade da luz no vácuo, não resulta na distância geométrica r S, entre a antena do satélite e do receptor, em razão, entre outros fatores, da refração atmosférica (ionosfera ( I r S ) e troposférica ( T r S )) e de efeitos de multicaminhamento (multipath = dm). Uma forma mais adequada para a equação da pseudodistância será:

89 Curso de Formação Continuada em Georreferenciamento Observáveis GPS – Fase da Portadora (8/12) Uma observável muito mais precisa que a pseudodistância é a fase da onda portadora, observável básica para a maioria das atividades geodésicas. Essa observável é, na realidade, a fase de batimento da onda portadora. A fase da onda portadora r s é igual à diferença entre a fase do sinal do satélite, recebido no receptor s, e a fase do sinal gerado no receptor r, ambas no instante de recepção t. A fase observada r s, em ciclos, é dada por (cf. King et al., 1998):

90 Curso de Formação Continuada em Georreferenciamento Observáveis GPS – Fase da Portadora (9/12) Os receptores medem a parte fracional da portadora e efetuam a contagem do número de ciclos que entram no receptor a partir de então, resultando numa medida contínua. O termo N n s da equação representa o número inteiro de ciclos (inteiros), da primeira época de observação, entre as antenas do satélite e receptor, e é denominado ambigüidade. Ele é estimado no ajustamento, conjuntamente com os demais parâmetros. A medida da parte fracional da fase da onda portadora tem precisão da ordem de até 1/1000 do ciclo.

91 Curso de Formação Continuada em Georreferenciamento Observáveis GPS – Fase da Portadora (10/12) Time (0) Ambiguity Initial Phase Measurement at Time (0) Ambiguity Time (1) Measured Phase Observable at Time (1)

92 Curso de Formação Continuada em Georreferenciamento Observáveis GPS – Erros Envolvidos nas Observáveis (11/12) As observáveis GPS, tal como todas as outras observáveis envolvidas nos processos de medidas, estão sujeitas aos erros aleatórios, sistemáticos e grosseiros. Para obter resultados confiáveis, o modelo matemático (funcional e estocástico) estabelecido deve ser válido para a realidade física que se tenta descrever, e capaz de detectar problemas. Dessa forma, as fontes de erros envolvidas nos processos de medidas devem ser bem conhecidas. Os diversos erros, agrupados pelas possíveis fontes, são apresentados na Tabela a seguir.

93 Curso de Formação Continuada em Georreferenciamento Observáveis GPS – Erros Envolvidos nas Observáveis (12/12)

94 Curso de Formação Continuada em Georreferenciamento Posicionamento de Pontos (1/11) O termo posicionamento diz respeito à posição de objetos relativos a um dado referencial. Quando o referencial é o centro de massa da Terra ( geocentro ), diz-se que o posicionamento é absoluto. Quando o referencial é materializado por um ou mais pontos de coordenadas conhecidas, diz-se que o posicionamento é relativo. Quando o objeto a ser posicionado está em repouso, diz-se que o posicionamento é estático e quando o objeto está em movimento diz-se que o posicionamento é cinemático. No que concerne ao posicionamento que utiliza GPS, pode-se ter posicionamento absoluto estático ou posicionamento absoluto cinemático. O mesmo se pode dizer com respeito ao posicionamento relativo.

95 Curso de Formação Continuada em Georreferenciamento Posicionamento de Pontos (2/11) Existem dois modos fundamentais de posicionamento com o GPS: Posicionamento absoluto ou isolado. A norma do INCRA denomina este posicionamento de GPS1 e não admite o mesmo nos trabalhos de georreferenciamento; Para os trabalhos de georreferenciamento só é admitido os posicionamentos relativos GPS3 e GPS4.Posicionamento relativo e diferencial. A norma do INCRA denomina estes posicionamentos de GPS2, GPS3 e GPS4. Para os trabalhos de georreferenciamento só é admitido os posicionamentos relativos GPS3 e GPS4.

96 Curso de Formação Continuada em Georreferenciamento Posicionamento de Pontos – Posicionamento Relativo (3/11) No posicionamento relativo, tanto as observações de código quando as da fase das portadoras podem ser tratadas a partir de pelo menos duas estações que observem os mesmos satélites. Esta consideração proporciona a minimização, ou até mesmo o cancelamento, dos efeitos de alguns erros sistemáticos que incidem de forma semelhante em ambas estações. Vetor da linha base B A

97 Curso de Formação Continuada em Georreferenciamento Posicionamento de Pontos – Posicionamento Relativo (4/11) Para realizar posicionamento relativo, conforme comentado anteriormente, o usuário deve dispor de dois ou mais receptores. No entanto, com o advento dos chamados Sistemas de Controle Ativos (SCA) 1, tal afirmativa não é verdadeira. Um usuário que disponha de apenas um receptor poderá efetuar posicionamento relativo. Deverá para tal, acessar os dados de uma ou mais estações pertencentes ao SCA. No do Brasil temos a RBMC (IBGE), a RIBaC (INCRA) e SCAs de órgãos públicos ou empresas particulares. Para atender a Norma do INCRA as coordenadas das SCAs deverão ser previamente homologadas pelo IBGE. 1 Num SCA, receptores rastreiam continuamente os satélites visíveis e os dados podem ser acessados via sistema de comunicação.

98 Curso de Formação Continuada em Georreferenciamento Posicionamento de Pontos – Posicionamento Relativo (5/11) A observável normalmente adotada no posicionamento relativo estático, é a dupla diferença de fase de batimento da onda portadora, muito embora possa também utilizar a dupla diferença da diferença da pseudodistância, ou ambas. Os casos em que se têm as duas observáveis proporcionam melhores resultados em termos de acurácia. Nesse tipo de posicionamento, dois ou mais receptores rastreiam, simultaneamente, os satélites visíveis por um período de tempo que pode variar de alguns minutos, até algumas horas. O posicionamento relativo permite obter precisão da ordem de 1,0 a 0,1 ppm, ou melhor que isso. No entanto, nas redes geodésicas em que as linhas de bases envolvidas forem longas (maiores que 10 a 15 km) e a precisão requerida melhor que 1 ppm, é imprescindível o uso de receptores de dupla freqüência.

99 Curso de Formação Continuada em Georreferenciamento Posicionamento de Pontos – Posicionamento Relativo (6/11) No posicionamento relativo, com o emprego da fase da onda portadora, as observações são combinadas linearmente, dando origem as seguintes observações derivadas: simples diferença: cancelam-se os erros dos relógios dos satélites; dupla de diferença: cancelam-se os erros dos relógios dos satélites e dos receptores; tripla diferença: cancelam-se os erros dos relógios dos satélites, dos receptores e as ambigüidades. Das combinações acima, a mais empregada é a dupla diferença de fase, por corresponder ao modelo matemático que fornece a melhor rigidez geométrica para a solução. A tripla diferença, por não conter parâmetros, por não conter parâmetros associados às ambigüidades, é utilizada às vezes em determinações relativas de longas linhas de base (100km), quando a qualidade dos resultados das duplas diferenças não se mostra satisfatória.

100 Curso de Formação Continuada em Georreferenciamento Posicionamento de Pontos – Posicionamento Diferencial (7/11) No posicionamento diferencial também chamado de DGPS a solução é baseada no código C/A ou Y, com correção das pseudo-distâncias no padrão RTCM SC-104 em tempo real. Incluem-se nesta técnica as soluções obtidas através de links MSK (rádio faróis) e DGPS por satélite (Racal e Ominisat). Este tipo de posicionamento é largamente utilizado em navegação marítima. Neste posicionamento não é permitido a vinculação das observações ao sistema Geodésico Brasileiro uma vez que o equipamento mável só recebe a correção diferencial para determinar a sua posição. Esta técnica não é admitida para os trabalhos de georreferenciamento. O impedimento de sua utilização é decorrente da impossibilidade de se alcançar a precisão de 0,50m na determinação das coordenadas.

101 Curso de Formação Continuada em Georreferenciamento Posicionamento de Pontos – Posicionamento Diferencial (8/11) Solução DGPS

102 Curso de Formação Continuada em Georreferenciamento Posicionamento de Pontos – Posicionamento Diferencial (9/11) R DGPS - Radio Farol (Beacon)

103 Curso de Formação Continuada em Georreferenciamento Posicionamento de Pontos – Posicionamento Diferencial (10/11) R DGPS - Sistema RACAL

104 Curso de Formação Continuada em Georreferenciamento Posicionamento de Pontos – Posicionamento Diferencial (11/11) R Solução RTK ( link de comunicação para solução em tempo real)

105 Curso de Formação Continuada em Georreferenciamento Métodos de Observação (1/13) A escolha do método de observação nos levantamentos com GPS depende das necessidades do projeto, especialmente quanto a precisão desejada. Os levantamentos com GPS são relativamente simples e produzem bons resultados, desde que certos cuidados sejam levados em consideração. Portanto é necessário conhecimentos básicos de: planejamento; observações em campo; processamento dos dados; análise dos resultados.

106 Curso de Formação Continuada em Georreferenciamento Métodos de Observação (2/13) Para alcançar os objetivos com o GPS é necessário realizar um prévio planejamento, o qual se tratando de um levantamento geodésico envolve três fatores: economia, precisão e confiabilidade (Teunissen, 1989). Dentro deste contexto, um levantamento ideal deve apresentar confiabilidade e precisão máxima a um custo mínimo. Outro fator importante no planejamento será a escolha dos pontos de apoio. É bom lembrar que a Norma só admite pontos da rede clássica, desde que os mesmos tenham sido reocupados com GPS, uma vez que o erro sistemático presente em cada um desses vértices é, geralmente, superior a precisão requerida nos levantamentos par fins de registro de terra. No planejamento um fator que se reveste de vital importância é a escolha dos horários apropriados a observação. Isto é feito através de um software de planejamento.

107 Curso de Formação Continuada em Georreferenciamento M étodos de Observação – Planejamento (3/13)

108 Curso de Formação Continuada em Georreferenciamento Métodos de Observação – Observações em campo (4/13) A coleta dos dados deve ser realizada com todo o cuidado e de acordo com o planejado. Mas mesmo assim, vários fatores externos afetam a qualidade das observações. Conforme já comentamos o posicionamento dos pontos para o georreferenciamento deve ser relativo, quer seja utilizando a observável fase da onda portadora ou pseudodistância. Os métodos de levantamento e georreferenciamento, através do GPS, estão sendo permanentemente aprimorados. Os métodos mencionados a seguir descrevem apenas aqueles mais conhecidos. Método Estático Dois ou mais receptores fixos observam os mesmos satélites durante um determinado período de tempo, sendo determinadas as componentes do(s) raio(s) vetor(es) definido(s) pelas estações com uma precisão de 1 a 2ppm. Segundo a norma do INCRA este método deve ser empregado preferencialmente para o levantamento dos pontos de controle, com tempo mínimo de observação de 30min (Tabela 9).

109 Curso de Formação Continuada em Georreferenciamento Métodos de Observação – Observações em campo (5/13) Para atender a Norma do INCRA, a rede resultante, obtida pelo método estático, deve ser ajustada pelo processo dos mínimos quadrados, assegurando ao final do ajustamento a existência de dois vetores independentes para cada ponto de apoio de controle determinado.

110 Curso de Formação Continuada em Georreferenciamento Métodos de Observação – Observações em campo (6/13) Método Stop and Go Um receptor é mantido fixo enquanto outro(s) é(são) móvel(is). Na observação da fase da onda portadora o(s) equipamento(s) móvel(is) necessita de uma inicialização, em torno de 15min. Após este tempo o equipamento móvel ocupa cada uma das posições que configuram o limite do imóvel. Remoto Base

111 Curso de Formação Continuada em Georreferenciamento 23 : 10 :22 23 : 10 :24 23 : 10 :26 23 : 10 :27 23 : 10 : : 10 :30 23 : 10 :12 23 : 10 :14 23 : 10 :16 23 : 10 :18 23 : 10 : : 10 :14 23 : 10 :16 23 : 10 :18 23 : 10 : : 10 :22 23 : 10 :24 23 : 10 :26 23 : 10 :27 23 : 10 : : 10 :30 23 : 10 :12 23 : 10 :14 23 : 10 :16 23 : 10 :18 23 : 10 : : 10 :12 23 : 10 :14 23 : 10 :16 23 : 10 :18 23 : 10 : 20 Método Cinemático: Após a inicialização do remoto, pode-se mover a antena É necessário ter pelo menos 4 satétlites em rastreio todo o tempo O remoto grava pontos em intervalos de tempo predefinidos. Se o sistema perde os satélites, a medição deve ser reinicializada (código + fase L1) ou o operador pode continuar o trabalho sem início estático (medições com apenas código ou com código e fase L1+L2). Métodos de Observação – Observações em campo (7/13)

112 Curso de Formação Continuada em Georreferenciamento Métodos de Observação – Observações em campo (8/13)

113 Curso de Formação Continuada em Georreferenciamento Em Geodésia, quando se objetiva dispor de informações de qualidade de um levantamento, o mesmo deve ser ajustado. Para tanto, deve-se dispor de redundância de observações. Logo, parece evidente que no levantamento de uma propriedade deve existir redundância. Como proceder então diante desta afirmativa? O Prof. Galera em seu artigo Controle de Qualidade em Levantamentos no contexto da Lei n o , apresenta algumas soluções para o problema: 1.Irradiação a partir de duas estações base. Esse tipo de procedimento permitirá avaliar a precisão de cada um dos vértices a partir da repetibilidade das observações e não somente a partir da qualidade interna da tecnologia GPS, que é muito otimista. Métodos de Observação – Observações em campo (9/13)

114 Curso de Formação Continuada em Georreferenciamento 1.Irradiação a partir de duas estações base Métodos de Observação – Observações em campo (10/13)

115 Curso de Formação Continuada em Georreferenciamento 2.Levantamento dos vértices da propriedade a partir de uma poligonal. Neste caso, dois vértices, que podem ser os que delimitam a propriedade, devem ser ligados ao SGB, independentemente, e a partir deles determinam-se às linhas bases dos vértices da poligonal. Cada estação que delimita a propriedade é ocupada sucessivamente, até fechar a poligonal. Neste caso, o levantamento também apresenta redundância, sendo possível realizar a ajustamento. Métodos de Observação – Observações em campo (11/13)

116 Curso de Formação Continuada em Georreferenciamento Métodos de Observação – Observações em campo (12/13) 3.Combinação de irradiação e poligonal GPS. Trata-se de uma metodologia que combina os procedimentos 1 e 2, sendo que também apresenta redundância.

117 Curso de Formação Continuada em Georreferenciamento Métodos de Observação – Observações em campo (13/13) Segundo Galera, é importante lembrar que o levantamento de uma linha de base GPS, em que os dados coletados são a fase da onda portadora, pode proporcionar precisão de poucos centímetros; portanto de qualidade muito superior ao exigido pela legislação. Nesse caso, efetuar um levantamento com redundância não levaria a despender recursos mais do que o necessário? Esse realmente é um outro ponto que merece uma discussão mais aprofundada e está diretamente relacionada com a confiabilidade na solução da ambigüidade.

118 Curso de Formação Continuada em Georreferenciamento Levantamento GPS de acordo com a norma do INCRA (1/3) Em geral os levantamentos GPS são caracterizados por diversos fatores, tais como: código e/ou faseTipo de observável (código e/ou fase); absoluto ou relativoTipo de posicionamento (absoluto ou relativo); em tempo real ou a posterioriModalidade de tratamento dos dados (em tempo real ou a posteriori); estático ou cinemáticoModalidade do posicionamento (estático ou cinemático).

119 Curso de Formação Continuada em Georreferenciamento Levantamento GPS de acordo com a norma do INCRA (2/3) Segundo a norma do INCRA o levantamento GPS será empregado nos seguintes serviços: levantamento de apoio básico [...] para a determinação de pontos de apoio básico deverá ser utilizada apenas a técnica de posicionamento relativo, através da correlação da fase de batimento das ondas portadoras [...]. [...] cada ponto de apoio do controle básico deverá ser determinado a partir de, no mínimo, duas estações ativas receptoras de sinais do GPS, permitindo a construção de um polígono, ou rede, com no mínimo três vértices [...]. [...] a rede resultante deve ser ajustada pelo processo dos mínimos quadrados, assegurando ao final do ajustamento a existência de dois vetores independentes para cada ponto de apoio de controle determinado [...].

120 Curso de Formação Continuada em Georreferenciamento Levantamento GPS de acordo com a norma do INCRA (3/3) levantamento de perímetro Para este tipo de levantamento a norma não admite a solução por navegação nem tão pouco por DGPS. Soluções baseadas nos códigos C/A e/ou Y só serão admitidas quando o equipamento permitir a suavização do código através da portadora. [...] no levantamento por GPS a precisão posicional é verificada pelo resultado do ajustamento vetorial (MMQ), que pode ser proporcionado pelo respectivo módulo de ajustamento dos próprios programas de processamento de dados, ou por programas específicos para este fim [...]. De acordo com a norma, o mais recomendado, para levantamento de perímetro é GPS4.

121 Curso de Formação Continuada em Georreferenciamento Processamento Formato de Dados Cada receptor e cada programa tem seu formato próprio de dados, quando o usuário pretende processar os dados com outro programa, torna-se necessário realizar as devidas conversões de formato. Uma tentativa de padronizar os formatos foi feito com Receiver INdependent Exchange (RINEX) O RINEX usa a seguinte convenção para nomear os arquivos: ssssdddf.yyt. Os quatro primeiros caracteres identificam a estação rastreada, os próximos dígitos (ddd) o dia Juliano e o oitavo caractere (f) indica o número da sessão observada. Os dois primeiros dígitos da extensão (yy) denotam os últimos dígitos do ano observado e o ultimo (t) denota o tipo de arquivo. P o Dia do ano Identificação do ponto Ano Tipo de arquivo

122 Curso de Formação Continuada em Georreferenciamento 2 OBSERVATION DATA G RINEX VERSION / TYPE SKI Pro :01 PGM / RUN BY / DATE OBSERVER / AGENCY PT PIRASSUNUNGA MARKER NAME PT PIRASSUNUNGA MARKER NUMBER 5182 LEICA SR REC # / TYPE / VERS AT502 Pilar ANT # / TYPE APPROX POSITION XYZ ANTENNA: DELTA H/E/N L1PhaOff: L2PhaOff: COMMENT 1 1 WAVELENGTH FACT L1/2 4 C1 L1 P2 L2 # / TYPES OF OBSERV TIME OF FIRST OBS TIME OF LAST OBS 13 LEAP SECONDS 8 # OF SATELLITES Processamento

123 Curso de Formação Continuada em Georreferenciamento Processamento

124 Curso de Formação Continuada em Georreferenciamento Processamento

125 Curso de Formação Continuada em Georreferenciamento Parâmetros do Processamento Ângulo de Corte Normalmente se usa 15º Modelo Troposférico Modelos mais usados: Hopfield ou o modelo Sasstamoinen Modelo Ionosférico Modelo Padrão: baseado modelo ionosférico em função do ângulo horário do sol. Modelo computacional: Modelo baseado na diferença dos sinais das portadoras L1 e L2. A vantagem do uso desta estratégia é que os cálculos são feitos a partir das condições predominantes do tempo na posição das medidas. Ionosfera Livre:os efeitos ionosféricos podem ser eliminados pela avaliação de um modelo de combinação linear L1 e L2, definida como sendo L3. Processamento

126 Curso de Formação Continuada em Georreferenciamento Parâmetros do Processamento Efemérides Efemérides transmitidas: usadas para base curtas Efemérides Precisas: Base longas Efemérides Opções de processamento Code and phase Code only Phase only RMS a priori Análise do Resultado da linha base Processamento

127 Curso de Formação Continuada em Georreferenciamento Exemplo de um Software de Processamento Satélites Desabilitados

128 Curso de Formação Continuada em Georreferenciamento Exemplo de um Software de Processamento

129 Curso de Formação Continuada em Georreferenciamento Exemplo de um Software de Processamento

130 Curso de Formação Continuada em Georreferenciamento Exemplo de um Software de Processamento

131 Curso de Formação Continuada em Georreferenciamento Exemplo de um Software de Processamento

132 Curso de Formação Continuada em Georreferenciamento Exemplo de um Software de Processamento

133 Curso de Formação Continuada em Georreferenciamento Exemplo de um Software de Processamento Tempo de Observação Dos Satélites Numero Do Satélite Ponto Ocupado

134 Curso de Formação Continuada em Georreferenciamento Exemplo de um Software de Processamento

135 Curso de Formação Continuada em Georreferenciamento Exemplo de um Software de Processamento

136 Curso de Formação Continuada em Georreferenciamento Exemplo de um Software de Processamento

137 Curso de Formação Continuada em Georreferenciamento Exemplo de um Software de Processamento

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