Sistema Globais de Geoposicionamento Professora Fabricia Benda Alegre/ES Universidade Federal do Espírito Santo 20 de setembro de 2011

História dos Sistemas de Posicionamento

A “arte de navegar” Orientada pelos astros celestes (Sol, planetas, estrelas). Habilidade dos navegadores Condições climáticas Cartas marítimas existentes; Bússola (Chineses) – revolucionou a orientação; Quadrante; Astrolábio portátil (altura dos astros); Balestilha;

A “arte de navegar” Posicionamento Clássico: Radio-goniômetro (1921); Determinação do rumo de uma direção a partir da recepção de ondas eletromagnéticas emitidas por uma estação transmissora. Ecobatímetro (sonar) – água; Onda emitida, interage com o alvo e recebida pelo aparelho emissor/receptor. Radar (superfície);

Rastreio ótico – visual e fotográfico; A “arte de navegar” Rastreio ótico – visual e fotográfico; Rastreio fotoelétrico (grava a luz emanada pelo satélite através de uma luneta); Rastreio eletrônico (medida da diferença de fase de sinais de rádio emitidos pelos satélites) – laser, radar, doppler, secor. Figura 1: Ilustração de uma coleta de dados GPS pelo método do rastreio eletrônico.

A “arte de navegar” Laser – fotografar satélites passivos – obtém a distância estação satélite a partir do laser refletido. Estudo de movimento do pólo, altimetria por satélite, deriva dos continentes. Posicionamento por rádio navegação; Posicionamento por diferenças de fases;

Primeira constelação para fins de posicionamento: Posicionamento doppler (NNSS/TRANSIT – 1964) Composto de 7 satélites Órbitas elípticas Altitude média de 1.100 km Problemas:  não havia cobertura mundial;  lapso de tempo considerável entre as passagens de satélites para um mesmo ponto da terra.

Figura 2: Ilustração do histórico do sistema GPS. A “arte de navegar” NAVSTAR (Navigation System with Time And Ranging) / GPS; GLONASSS (ex-União Soviética); Galileo (Europeu). Figura 2: Ilustração do histórico do sistema GPS.

Características do Sistema de Posicionamento GPS

Precisão, rapidez, versatilidade e economia GPS “É um sistema espacial de navegação, que foi desenvolvido pelo departamento de defesa dos EUA, que pode ser usado 24 horas por dia em quaisquer condições metereológicas para satisfazer as necessidade dos usuários civis, das forças militares americanas e de seus aliados, de modo a determinar posição, velocidade e tempo, em relação a um sistema de referência definido, para qualquer ponto sobre ou próximo a superfície da Terra”.

Posição (coordenadas) Tempo – velocidade, aceleração, direção de deslocamento, etc. Importante a contagem do tempo da propagação do sinal desde a antena do satélite até a antena do receptor.

Como funciona o posicionamento com GPS? Posição geográfica em 3D; Emitem ondas de rádio (300.000 km/s) Figura 3: Determinação de um ponto “x” pela intercessão de dois círculos. Observação: p e q – representam satélites. x – representa um ponto na superfície da Terra.

Teoricamente - 3 satélites - 3D. No campo o receptor somente nos apresenta a posição de navegação após a obtenção de sinais de 4 satélites. Porque? Relógios internos dos receptores são piores que os relógios internos dos satélites. Receptores dependem dos relógios dos satélites para que eles consigam se ajustar corretamente. 4º satélite auxilia na determinação da posição do ponto numa “quarta dimensão” dada pela componente do tempo.

ALTITUDE GEOMÉTRICA OU ELIPSOIDAL LATITUDE LONGITUDE ALTITUDE GEOMÉTRICA OU ELIPSOIDAL (WGS 84 – geocêntrico) TEMPO Independentes (não precisa de intervisibilidade), qualquer hora e condição climática. Aplicações: Navegação de frotas de caminhões, ônibus, trens, posicionamento motorizado, funções de controle, agricultura de precisão, mapeamento, localização, navegação, aquisição de dados.

N é a ondulação geoidal; h elevação acima do elipsóide; Superfície terrestre h H Elipsóide N Geóide (NMM) H = h – N N é a ondulação geoidal; h elevação acima do elipsóide; H elevação acima do geóide.

TCGEO versão anterior ao Mapgeo

PRECISÃO GPS Depende: do tipo de observações; - da qualidade dos receptores; - do nível dos erros e ruídos dos receptores; - do erro dos relógios dos satélites e/ou dos receptores; - da variação da velocidade da luz (meio de propagação); - da precisão de uma medida; - da geometria dos satélites observados; - das perturbações atmosféricas, como por exemplo a presença de jato de elétrons; - do multicaminhamento; - do tipo de antena; - dos modelos matemáticos considerados nos softwares de processamento, etc.

PRECISÃO GPS > número de satélites a serem captados > precisão ponto medido Receptores utilizam os melhores conjuntos de 4 satélites no momento da medição para calcular as coordenadas – precisão dada pelo DOP. DOP (Dilution Of Precision) = descreve o efeito da distribuição geométrica dos satélites no espaço sobre a precisão obtida na solução de navegação (relação entre o desvio padrão das observações / desvio padrão associado a posição).

x e y = pontos a serem medidos. < área Figura 4: a) Posições dos satélites em relação ao ponto “x”, b) Área em que o ponto “x” pode estar localizado a partir dos satélites “p” e “q”. > área Figura 5: a) Posições dos satélites em relação ao ponto “y”, b) Área em que o ponto “y” pode estar localizado a partir dos satélites “p” e “q”. Onde: p e q = satélites. x e y = pontos a serem medidos. Lp, Lq, Lr, Ls = distância de x a p e q e de e y a r e s, respectivamente (incógnitas). Δ = erro da distância.

DOP varia de 1 a infinito Melhor valor = 1 Combinação de todos os fatores (3D) < 3 < 6 (ideal de 2 e 4) Valores altos indicam geometria ruim (satélites próximos ou afastados). Observação: geometria varia – varia PDOP (velocidade = 232 km/mim). PDOP = valor recíproco do V de um poliedro invertido. GDOP >=6 – geometria pobre – solução pós-processamento ruim.

Figura 6: Ilustra a qualidade do PDOP em função da posição dos satélites.

É um sofisticado sistema de navegação baseado numa rede de satélites artificiais específicos que possibilitam posicionamento em 3D: latitude, longitude e altitude; O princípio básico de seu funcionamento está baseado na medição de quatro distâncias entre as antenas dos receptores e as antenas dos satélites; É o melhor sistema de navegação implantado, a nível mundial, tornando-se uma grande revolução na arte de posicionar qualquer objeto sobre ou próximo a superfície terrestre; Fornece uma medida de velocidade em 3D; Oferece uma medida precisa de tempo; É um sistema de cobertura global; Está disponível 24 horas por dia; Sua precisão é atualizada diariamente; Oferece repetibilidade de medidas; Independe de estações de transmissão terrestre; Independe de visibilidade entre as estações; Oferece boa precisão de navegação independente das condições atmosféricas; Todo o sistema de navegação é mantido por apenas um sistema, que é o sistema espacial.

Levantamento convencional O GPS (Sistema de Posicionamento Global) tem muitas vantagens sobre as técnicas de levantamentos tradicionais As técnicas convencionais necessitam nas medidas de intervisibilidade entre as estações, caso contrário terá que ser transferido até um ponto visível; Tipicamente as medidas de distância são limitadas a 5 km;  As condições de tempo podem ser limitantes, chuva, névoa etc.

Não necessita de intervisibilidade de linhas; Por que GPS? Independente das condicões de tempo; Não necessita de intervisibilidade de linhas; Dá alta acurácia geodésica (exatidão); Pode ser operado de noite e de dia; Geralmente é mais rápido; Têm vantagens econômicas; Grande área de aplicação; Preço competitivo.

Segmentos do sistema GPS Segmento espacial NAVSTAR : NAVigation Satellite Time and Ranging 24 Satelites 20200 km Segmento de controle 1 Estação principal 5 Estações de Monitoramento Segmento usuário Receptor do sinal

consiste de 24 satélites; Segmento Espacial consiste de 24 satélites; orbitam a terra a 20.200 km duas vezes por dia e emitem simultaneamente sinais de rádio codificados; a distribuição dos satélites é em 6 planos orbitais (4 satélites por plano); possibilita em qualquer posição na terra se tenha sempre disponível de 5 a 8 satélites.

Órbitas Equator 55o

Segmento Controle É gerenciado por uma estação MASTER, situada na Base da Força Aérea Americana de Falcon em Colorado Springs, Colorado, que faz: as transmissões de atualizações de dados de efemérides para cada satélite; emite comandos para correções de órbitas dos satélites; bem como controla a ligação, desligamento e do "A/S" e "S/A".

5 estações de controle, incluindo a estação mestra

Segmento Usuário Compreende o conjunto de usuários do sistema, os diversos tipos de receptores e os métodos de posicionamento por eles utilizados

O GPS fornece dois serviços de geoposicionamento, EM TEMPO REAL, que é comum a todos e quaisquer tipos de receptores, o SPS e o PPS. - SPS-" Standard Positioning Service"= Serviço de Posicionamento Normal: -PPS - "Precise Positioning Service"= Serviço de Posicionamento Preciso: (Utilizado no Míssil CRUISE)

Estrutura do Sinal GPS Cada satélite transmite o seu sinal; O sinal é composto de duas ondas portadoras (L1 e L2) e dois códigos modulados (C/A em L1 e P ou Y em ambas L1 e L2) assim como as mensagens de órbita do satélite;

÷ 10 x 154 x 120 Frequência Fundamenta 10,23 MHz L1 1575,42 MHz Código C/A 1,023 MHz Código P 10,23 MHz P-Code 10,23 MHz ÷ 10 50 BPS Mensagem do Satélite

L1: - Código C/A ("Civilian Access" = Acesso Livre) É utilizado para posicionamentos isolados e técnica diferencial para topografia e navegação marítima e aérea . Permite as seguintes precisões: Para posicionamento isolado=100m (hoje 15 m);Para posicionamento diferencial-5 a 2m (pós-processado ou com "link" de rádio). - Código P ("Precise" ou "Protected"= protegido) É privativo das forças armadas dos EUA e países permissionários, utilizado para posicionamento isolado em TEMPO REAL, como precisões instantâneas de 10 a 2m. - Código Y (Encriptamento do código P): É a efetivação da técnica "Anti-Spoofing" A/S, usada para impedir a utilização do código P à países não autorizados. - Código D É o trem de mensagem que contém as efemérides de todos satélites, i.e., o posicionamento pré-calculado dos satélites, bem como as variações ionosféricas. L2: - Códigos P, Y e D

-"S/A" = "Seletive Availability“ (disponibilidade seletiva): É a técnica de degradação da precisão, no cálculo da posição isolada pelo código C/A, a qual altera, aleatoriamente, o código C/A. Tem a possibilidade de ser ligado, desligado ou modificado por controle de terra, à critério do DoD. Até dezembro de 1992 o S/A era ativado em períodos alternados, notadamente nos finais de semana (precisões da ordem de 100 metros). Presidente Bill Clinton desabilita S/A em 1º de Maio de 2000.

- "A/S" = "Anti-Spoofing" (Anti-Fraude): É a técnica de encriptamento do código P, gerando o código Y. Desta forma, se um receptor funciona processando o código P, e este for encriptado, o rastreador passa a fornecer uma falsa posição ou mesmo não fornecer posição nenhuma.

Princípio do GPS: distância Distância = Tempo x Velocidade da luz Xll Vl Xl lll l ll lV V Vll Vlll X lX Xll Vl Xl lll l ll lV V Vll Vlll X lX Xll Vl Xl lll l ll lV V Vll Vlll X lX Xll Vl Xl lll l ll lV V Vll Vlll X lX

Princípio do GPS: posicionamento por ponto Estamos em algum lugar na esfera de raio R1 2 esferas interseccionadas em um circulo 3 esferas interseccionadas em um ponto (Latitude, Longitude e altitude)

Os satélites são como “Estações de Controle Orbital” As distâncias de cada satélite são estimadas utilizando o tempo, por meio dos códigos C/A ou/e P Tipicamente os receptores GPS têm relógios não muito precisos. A acurácia é bem menor do que os relógios a bordo dos satélites As ondas de rádio viajam na velocidade da luz (Distância = Velocidade x Tempo) Considere um erro no relógio do receptor de: 1/10 segundos de erro = 30.000 km de erro 1/1.000.000 segundos de erro = 300 m de erro

4 satélites são necessários para Latitude, Longitude, altitude e tempo Posição por ponto 4 satélites são necessários para Latitude, Longitude, altitude e tempo

Determinação da distância por observação do código Pseudo distância (Código) Cada satélite envia um único sinal que se repete em aprox. 1 msegundo O receptor compara seu sinal gerado com o sinal recebido Pela diferença (DT) uma observação de distância pode ser determinada Os relógios dos receptores devem estar sincronizados com o dos satélites Código recebido pelo satélite Código gerado pelo receptor DT D = V (DT)

Determinação utilizando a fase de onda portadora Observação de fase de onda portadora Comprimento de onda do sinal em L1 é de 19,05 cm e em L2 é de 24,45 cm Receptor compara seu próprio sinal da onda portadora gerado com o recebido pelo satélite Número de comprimentos de onda não é conhecido no momento em que o receptor é ligado (ambiguidade) Quanto mais se rastreia o satélite, a mudança de distância pode ser observada (a ambiguidade continua constante) Fase de onda recebida pelo satélite Fase de onda gerada do satélite DT D = c DT + lN

Posição por Ponto (Absoluto) Posição por ponto com pelo menos 4 satélites GPS com boa geometria

Posição por ponto e a Disponibilidade seletiva (SA) Em teoria posição por ponto dá uma acurácia de 10 – 20 m baseada no código C/A 100m 20m O USDoD se quiser degrada a acurácia do sinal Incerteza no relógio do satélite Informação da órbita do satélite É conhecido como (SA) Acurácia do posicionamento +/-100 m (95%) P +/- 100m (95%) P = Posição verdadeira

Acurácia do posicionamento por ponto sob SA Acurácia 10 - 100 m Posição por ponto sob SA: +/- 100 m Horizontal +/- 160 m Vertical

Erros Erros do satélite Incerteza da órbita Relógio do satélite Erros do receptor Relógio do receptor Erros de observação Ionosfera (atraso) Troposfera (atraso) Erros da estação Coordenadas da estação multicaminhamento

Erros quivalentes de distância para o usuário 400 300 Metros 200 100 Ionosfera Troposfera Efemérides Relogio do Satélite Ruído do Recepto Multicaminhamento Relógio do receptor

Como melhorar a acurácia? Utilizando GPS Diferencial ou Relativo

GPS Diferencial É possível determinar a posição de um receptor ‘B’ em relação a uma referência ‘A’ conhecida Coordenadas de ‘A’ são conhecida (Estação base) São realizadas observações simultâneas de sinais GPS Posicionamento diferencial Elimina o erro de relógio do receptor e do satélite Minimiza o atraso atmosférico Acurácia de 5 mm - 5 m Vetor da linha-base A B ?

Diferencial por código / portadora Utilizando só o Código a acurácia na distância é de 1 - 5 m (tipicamente referido como DGPS) Se utilizar a Fase de Onda Portadora ou o Códido & Fase de Onda Portadora a acurácia é da ordem de 5 - 10 mm + 1ppm (tipicamente referido como relativo) Vetor da linha base A B

Ambigüidade inicial A ambigüidade inicial deve ser determinada para ser utilizada nas medidas de distância durante o tempo de levantamento (para o caso de utilização da portadora) Tempo (0) Tempo (1) Ambiguidade Ambiguidade Medida inicial de fase no tempo (0) Medida de fase observada no tempo (1)

Resolvendo a ambigüidade O efeito de se resolver a ambigüidade é mostrado abaixo Uma vez a ambigüidade resolvida a acurácia da medida não é significativamente melhorada Acurácia (m) 1,00 Ambiguidade não resolvida 0,10 Ambiguidade resolvida 0,01 Tempo (mins) Estático 0 120 Estático ráp. 0 2 5

Azimute 0 ° Azimute 45 ° 270 ° 90 ° Azimute 250 ° 180 °

Mascara de elevação 15 ° 15 °

Diluição da Precisão “Dilution of Precision” (DOP) Uma descrição da contribuição puramente geometrica dos satélites na incerteza numa posição fixa É um indicador sobre a geometria dos satélites que são avistados na hora de medida GDOP (Geometrico)  Lat, Lon, Alt. e Tempo PDOP (posicionamento em 3D)  Lat, Lon e Alt. HDOP (posicionamento Horizontal)  Lat e Lon VDOP (posicionamento Vertical)  Altitude

Bom GDOP

GDOP ruim

Sumário do posicionamento GPS Posicionamento por Ponto: 10 - 100 m (1 solução de uma época, depende da SA) 5 - 10 m (24 horas) Differencial por Codigo (DGPS): 30 - 50 cm (Código P) 1 - 5 m (Código CA) Differencial por Portadora: 5 mm + 1 ppm 3 mm + 0,5 ppm

Classificação dos Receptores GPS Quanto ao número de canais: Monocanais: possuem um único canal Multicanais: vários canais “lidos” Quanto ao tipo de canal (1) Sequênciais: cada canal rastreia um único satélite por vez (2) Multiplexados: são análogos aos seqüenciais, com a diferença que movem-se de um satélite para outro com maior rapidez

Classificação dos Receptores GPS  Quanto ao tipo de sinal observado Receptores de pseudo-distância pelo código (C/A) Receptores do código C/A e portadoras L1; Receptores do código C/A e portadoras L1 e L2 Receptores de pseudo-distância C/A e P e portadoras L1 e L2 Receptores pseudo distância pelo código P: militares Portadora L1; Portadoras L1 e L2 Quanto à aplicação: Receptor de navegação (geralmente código C/A) Receptor topográfico (geralmente códigos e L1 e/ou L1 e L2) Receptor para SIG (geralmente código e L1) Receptor Geodésico (códigos e L1 e L2)

GPS Quest - GPS GARMIN GPS GARMIN 76 S MAP

Pathfinder Pro XRS (R$ 12.000,00) Características: • Receptor L1 e código C/A com 12 canais • Precisão melhor que 50 cm em distâncias de até 300 km da base utilizando apenas o código C/A e 1cm + 5 ppm em levantamentos cinemáticos com a fase da portadora L1 • Precisão submétrica em tempo real • Pronto para receber correções diferenciais WAAS/EGNOS • Robusto: resistente à água, choque e poeira

TOPCON HIPER L1-L2 Grava mais de 20 horas de rastreio CA+L1+L2 com intervalo de 15"

Magellan ProMark 3 (R$ 23.000,00) Características: Receptor com 14 Canais Independentes Rastreando a Portadora L1 e código C/A;; - Sistema Pós-processado e em Tempo Real (L1 RTK); Precisão: Levantamento estático H – 0,005 m + 1 ppm V – 0,010 m + 2 ppm Tempo de observação – 4 a 40 min (depende da distância entre receptores) Levantamento cinemático contínuo H – 0,012 m + 2,5 ppm V – 0,015 m + 2,5 ppm Levantamento cinemático stop & go Tempo de observação – 15 a 60 seg (depende do tamanho da base)

Diferentes tipos de operação com GPS

É realizado utilizando uma das técnicas: - Pós-processamento Para as técnicas de levantamento de precisão é sempre utilizado o metodologia diferencial relativo. Ou seja, é necessário a definição de uma linha-base onde um receptor está sob ponto de coordenada conhecida (estação de referência) e o outro em um ponto não conhecido. É realizado utilizando uma das técnicas: - Pós-processamento Os dados dos satélites GPS são gravados e processados no escritório utilizando software específico - Tempo real O processamento é realizado durante o trabalho, dando a posição instantânea acurada.

Posicionamento Relativo Estático Acurácia: 5 mm + 1 ppm Método clássico para bases longas Cada linha é observada por pelo menos duas horas O tempo de observação é proporcional ao comprimento da linha base Aplicações Aplicações Geodésicas Monitoramento de movimentos tectônicos Ajustamento de rede de alta acurácia

Posicionamento relativo estático rápido Acurácia : 5 - 10 mm + 1 ppm Menores observações para linhas bases de até 20 km. 5 a 20 min de coleta Aplicações Levantamentos de controle, inventariamento para GIS Vantagens Fácil, rápido e eficiente Ideal para distâncias próximas (10 km da base)

Posicionamento relativo estático rápido 1 na Referência e 1 móvel 2 na Referência e 1 móvel 6 5 7 4 8 3 Ref 1 Ref 2 9 2 1

Posicionamento relativo semicinemático Acurácia : 5 - 10 mm + 1 ppm Um receptor é fixo na estação de referência (ponto conhecido) Receptor móvel estaciona em cada ponto por um curto período de tempo Depois de um intervalo de tempo (20-30 min) os pontos são reocupados por um curto período de tempo 2 1 1 1 2 2 Xll Vl Xl lll l ll lV V Vll Vlll X lX Xll Vl Xl lll l ll lV V Vll Vlll X lX 1 2

Inicialização do receptor móvel Semicinemático “Stop and Go” - 1/2 Acurácia: 10 - 20 mm + 1 ppm Operação Antes de começar o levantamento a ambigüidade tem que ser resolvida. Inicialização do receptor móvel Estação na base

Semicinemático “Stop and Go” - 2/2 Operação Uma vez os dados coletados resolvam a ambigüidade, o usuário pode mover o receptor 5 4 Um mínimo de 4 satélites têm que ser observado durante todo o levantamento; Coleta-se dados por um ou dois minutos; Se houver perda de ciclo o sistema tem de ser reiniciado (p.ex. último ponto levantado) 3 2 1 Aplicações Georreferenciamento de imóveis rurais Receptor móvel Estação base

Levantamento Cinemático Acurácia : 10 - 20 mm + 1 ppm Modo parado O GPS móvel tem que ser inicializado Movendo Uma vez os dados coletados resolveram a ambigüidade, o usuário pode mover o receptor Tem de se ter pelo menos 4 satélites sendo rastreados durante todo o levantamento Os dados são gravados em um intervalo de tempo específico Se houver perda de sinal, o sistema deve ser reinicializado 23 : 10 :22 23 : 10 :24 23 : 10 :26 23 : 10 :27 23 : 10 : 28 23 : 10 :30 23 : 10 :12 23 : 10 :14 23 : 10 :16 23 : 10 :18 23 : 10 : 20

Cinemático “On-the-Fly” - 1/2 Acurácia : 10 - 20 mm + 1 ppm Movimentando Nesta técnica não é necessário a inicialização estática - Enquanto se movimenta, o GPS móvel obtém sinal L1 e L2 de pelo menos 5 satélites por um período de tempo, desta forma a ambigüidade pode ser resolvida 23 : 10 :12 23 : 10 :12 23 : 10 :14 23 : 10 :16

Cinemático “On-the-Fly” - 2/2 Movimentando Quando há uma obstrução do sinal o levantamento é perdido? A ambigüidade é re-estabelecida uma vez que dados L1 e L2 de 5 satélites estejam sendo adquiridos (a obstrução do sinal seja por um curto período de tempo) 23 : 10 :12 23 : 10 :14 23 : 10 :16 23 : 10 :18 23 : 10 :22 23 : 10 :24 23 : 10 :26 23 : 10 :27 23 : 10 : 28 23 : 10 :30 23 : 10 :12 23 : 10 :14 23 : 10 :16 23 : 10 :18 23 : 10 :12 23 : 10 :14 23 : 10 :16 23 : 10 :18 23 : 10 : 20 23 : 10 :22 23 : 10 :24 23 : 10 :26

Tempo Real Tempo Real por Código, Tempo Real por Fase de Onda Portadora Não necessita de pós-processamento Resultados são disponíveis instantaneamente Pode-se operar de dois modos RTK (Real Time Kinematic) RT-DGPS B A

Outros Sistemas CLONASS (Global Navigation Satellite System) ou GNSS 24 satelites espaçados em 64,8o de inclinação em relação a linha do Equador Altitude de 19100 km Duas freqüencias L1= 1602 MHz + j x 0,5625 MHz L1= 1246 MHz + j x 0,4375 MHz j é o número do satélite

Georreferenciamento de Imóveis Rurais

O que é Georreferenciamento? Determinação das coordenadas geodésicas ou posicionamento de um objeto em um sistema de referência geodésico, através do emprego de conhecimentos científicos e tecnológicos adequados a cada caso (Bueno, 2005).

Situação Atual