SISTEMA GLOBAL DE NAVEGAÇÃO POR SATÉLITE GNSS SISTEMA GLOBAL DE NAVEGAÇÃO POR SATÉLITE Há exatamente 50 anos a humanidade enviou o primeiro satélite artificial para a órbita da Terra. O Sputnik foi lançado por um foguete R7 no dia 4 de outubro de 1957, pela União Soviética, e deu início à corrida espacial.

Posicionamento O homem sempre procurou por um modo simples de saber onde se encontrava e para onde ele estava indo. Antigos viajantes marcavam seus caminhos com pilhas de pedras. Ao explorar os oceânos, o problema piorou porque não existia lugar para empilhar as pedras e sem marcos geográficos para se referenciar. A única coisa com que se podia contar eram as estrelas.

O que é GNSS O GNSS (Sistema Global de Navegação por Satelites) é uma das tecnologias mais avançadas que surgiuda recentemente. Um dos principais componentes do GNSS é o GPS (Global Positioning System), desenvolvido pelos Estados Unidos, que se encontra em plena operação, Outro sistema similar ao GPS é GLONASS, desenvolvido na antiga URSS, e hoje sendo de responsabilidade da República da Rússia.

O que é GNSS Em dezembro de 2005 foi lançado o primeiro satélite (teste), do Galileo; O Galileo está sendo desenvolvido pela União Européia, devendo entrar em operação em 2010. Receptores para captar sinais dos três sistemas já estão sendo desenvolvidos, devendo entrar em breve no mercado. São os três G (GGG).

O que é GNSS Recentemente a China anunciou que vai construir seu próprio sistema de navegação por satélites que incluirá até 35 satélites; E que deverá estar funcionando para a região asiática a partir de 2008. Chamado "Beidu", o sistema incluirá cinco satélites geoestacionários e trinta satélites de órbita média. A expectativa é de que o sistema cubra a China e regiões vizinhas até 2008, para então se expandir para uma constelação global

O que é GPS NAVSTAR GPS (NAVSTAR GPS- NAVigation System with Time And Ranging Global Positioning System). É um sistema de radionavegação baseado em satélites; Desenvolvido e controlado pelo departamento de defesa dos Estados Unidos da América (U.S.DoD); Permite que qualquer usuário saber a sua localização, velocidade e tempo, 24 horas por dia.

DESENVOLVIMENTO DO GPS

Segmentos do GPS

Segmento Espacial ,

Segmento Espacial

Segmento Espacial Os satélites movimentam-se a uma velocidade aproximada de 3,87km/s. Cada satélite pesa aproximadamente 860Kg (Bloco I); Tem uma envergadura, considerando os painéis solares, da ordem de 8,7m.

Segmento Espacial

Segmento de controle O segmento de controle é constituído por 5 estações de rastreio; Distribuídas ao longo do globo e uma estação de controle principal (Master Control Station). ; Este segmento rastreia os satélites, atualiza as suas posições orbitais e calibra e sincroniza os seus relógios. Outra função importante é determinar as órbitas de cada satélite e prever a sua trajectória 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.

Segmento de controle

Segmento de controle

Segmento do usuário Antenas GPS

Segmento do usuário Navegação Mapeamento Topográfico GIS Geodésico

Uso Civil do GPS Satellite: Efemérides, Tempo Power Grid Interfaces Navegação pessoal Topografia e Mapeamento Transportes Rede de Comunicação Aviação Recreação Ferrovia Navegação e Pesca Exploração de Petróleo 9 5

Como funciona o GPS? Os fundamentos básicos do GPS baseiam-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 3 pontos através da intersecção de 3 circunferências cujos raios são as distâncias medidas entre o receptor e os satélites. Na realidade, são necessários no mínimo 4 satélites para determinar a nossa posição corretamente.

Como se sabe quando o sinal partiu do satélite? O grande truque para medir o tempo de viagem do sinal de rádio é saber exatamente quando o sinal partiu do satélite. Para conseguir isto, os projetistas do GPS apareceram com uma idéia inteligente: sincronizar os receptores e os satélites de modo que estejam gerando o mesmo código exatamente ao mesmo tempo. Então tudo que necessitamos fazer é receber os códigos do satélite e então olhar para ver quanto tempo trás nosso receptor gerou o mesmo código. Esta diferença de tempo significa quanto tempo o sinal levou para chegar até nós.

Códigos pseudo-randômicos Tanto os satélites como os receptores geram um conjunto muito complicado de códigos digitais. Os códigos são complicados de propósito para que possam ser comparados facilmente e de modo inequívoco. De qualquer modo, os códigos são tão complicados que quase parecem com uma longa seqüência de pulsos randômicos (aleatórios). Eles não são realmente randômicos, são uma seqüência cuidadosamente escolhida de códigos pseudo- randômicos que se repetem a cada milisegundo.

Determinação da distância

Determinação da distância

Determinação da distância

Determinação da distância

Distância pela portadora (fase)‏ Time (0)‏ Ambiguity Initial Phase Measurement at Time (0)‏ Time (1)‏ Measured Phase Observable at Time (1)‏

Determinação da posição receptor

Determinação da posição receptor

Determinação da posição receptor

Qualidade dos Relógios Os relógios têm que ser muito bons com tempos pequenos porque a luz se move extremamente rápida (300.000km/s). Se um satélite de GPS estivesse exatamente acima de nós, necessitaria cerca de 6/100 de segundo para que a mensagem de rádio chegasse até nós. Então, de uma certa maneira, o GPS é um filho da revolução eletrônica. O tipo de exatidão necessária para se obter a hora certa somente é possível porque relógios eletrônicos muito precisos são agora relativamente baratos.

Qualidade dos Relógios Estamos todos familiarizados com relógios de quartzo de valor $20,00 que mantém a precisão hora de modo inacreditável. Mas, os satélites GPS tem a bordo 4 relógios com oscilador atômico, que custam em torno de $100.000,00 cada um. O fato é que muitos receptores podem medir o tempo com uma exatidão de um nano-segundo. Isto significa 0,000000001 do segundo. Vamos falar mais como isto é feito em um momento.

Como obter a hora certa A luz viaja a 300.000 km/s milhas. Se o satélite e um receptor estiverem fora de sincronismo mesmo que seja 1/1000 do segundo, a medição da distância pode ser deslocada por 300 km. Como podemos saber que nosso receptor e o satélite estão realmente gerando seus códigos exatamente ao mesmo tempo? Podemos utilizar relógios com exatidão moderada em nossos receptores, entretanto o precisamos da medição a um quarto satélite. Uma medição de uma distância extra pode resolver um sincronismo imperfeito de nossa parte.

Porque uma medição extra elimina o desvio do relógio? Suponha que o relógio do nosso receptor não é perfeito como um relógio atômico. Suponha que o relógio do receptor esteja um pouco adiantado, de modo que quando se pensa que é meio-dia, é realmente 11:59:59 da manhã. Ao invés de trabalhar com distância, usaremos o tempo. Desse modo será bem mais fácil se perceber como os erros do relógio podem afetar nossa posição.

Porque uma medição extra elimina o desvio do relógio? Suponha que estamos a quatro segundos do satélite A e a seis segundos do satélite B. Em duas dimensões, estes dois intervalos seriam suficientes para nos localizar em um ponto "X" "X" é onde realmente é a posição que obteríamos se todos os relógios estivessem funcionando perfeitamente. Caso, os relógios estivessem sincronizados.

Porque uma medição extra elimina o desvio do relógio? Quando utilizamos nosso receptor "imperfeito", o qual está um segundo adiantado? Isto nos daria a distância até o satélite A como cinco segundos e a distância até o satélite B como sete segundos. E isto faz com que os dois círculos se interceptem em um diferente ponto: "XX". Com dois receptor, não sincronizado.

Porque uma medição extra elimina o desvio do relógio? Quando utilizamos nosso receptor "imperfeito", o qual está um segundo adiantado? Isto nos daria a distância até o satélite A como cinco segundos e a distância até o satélite B como sete segundos. E isto faz com que os dois círculos se interceptem em um diferente ponto: "XX". "XX" onde o nosso receptor imperfeito nos colocaria. E nos pareceria como uma resposta perfeitamente correta.

Porque uma medição extra elimina o desvio do relógio? Acrescentando outra medição nos nossos cálculos. No nosso exemplo de duas dimensões, isso significa um terceiro satélite Se tivéssemos relógios perfeitos, o satélite C está a oito segundos de nossa posição. A situação seria similar a indicada na figura abaixo. "X" onde o nosso receptor perfeito nos colocaria.

Porque uma medição extra elimina o desvio do relógio? As linhas pontilhadas mostram os "pseudo-intervalos" causados pelo nosso relógio adiantado. Note que enquanto as horas adiantadas de A e de B ainda se interceptam em XX, a hora adiantada de C não está nada perto desse ponto. Não existe nenhum ponto que possa estar realmente a cinco segundos de A, sete segundos de B e nove segundos de C.

Descoberta do Erro Os pequenos computadores dos nossos receptores GPS são programados de modo tal que quando obtém uma série de medições que não conseguem interseção em um único ponto, percebem que alguma coisa está errada. E assumem que a causa é o seu relógio interno - que tem algum desvio. Então o computador começa subtraindo (ou adicionando) tempo, a mesma quantidade de tempo de todas as medições. Ele continua ajustando o tempo de todas as medições até que consiga uma resposta que deixe todos os intervalos no mesmo ponto. Nesse exemplo, ele "descobre" que subtraindo um segundo de todas as medições pode-se fazer todos os círculos se interceptarem em um ponto. E assim conclui que seu relógio está um segundo mais adiantado.

Resumo Hora exata é a chave para medir distâncias até os satélites. Satélites são exatos, porque eles tem quatro relógio atômico embarcado neles. Os relógios dos receptores não precisam ser perfeitos, porque um medindo a distância a quarto satélite extra pode cancelar erros do relógio do receptor . Necessidade de quatro medições afetam o desenho do receptor

Posicionamento Existem dois modos fundamentais de posicionamento com o GPS: Posicionamento absoluto ou isolado Posicionamento relativo e diferencial.

Precisão do Posicionamento Absoluto

Posicionamento Absoluto x14 y14 z14 X23 y23 z23 x19 y19 z19 x21 y21 z21 d14 d19 d23 d21 Medido: x y z

Posicionamento Relativo 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

Posicionamento Diferencial x14 y14 z14 X23 y23 z23 x19 y19 z19 x21 y21 z21 Medido: x y z Verdadeiro: x y z Medido: x y z ______________ Delta: x y z Delta: x y z _________ Correções aplicadas após as observações Verdadeiro: x y z

Posicionamento Diferencial em Tempo- Real x14 y14 z14 X23 y23 z23 x19 y19 z19 x21 y21 z21 Medido: x y z Delta: x y z _________ Correções aplicadas Durante a medição Verdadeiro: x y z Verdadeiro: x y z Medido: x y z ______________ Delta: x y z

Posicionamento relativo em tempo-real

Sistemas de Controle Ativos Para realizar posicionamento relativo, o usuário deve dispor de dois ou mais receptores. Mas, hoje, existem Sistemas de Controle Ativos (SCA); Num SCA, receptores rastreiam continuamente os satélites visíveis e os dados podem ser acessados via sistema de comunicação. Assim, o usuário com 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 SCA’s de órgãos públicos ou empresas particulares.

Vértice RBMC - CEFETES

Vértice RBMC - CEFETES

Monitoramento da RIBAC (INCRA)‏

Monitoramento da RIBAC (INCRA)‏

Posicionamento Relativo DGPS (Código)‏

DGPS – Rádio Farol

DGPS – Sistema RACAL

Estações de Referência Passivas Rede construida pelo CEFETES em parceria com o CREA, INCRA e IBGE