AULA 5 Sistema de Posicionamento Global (Global Positioning System – GPS)

Geotecnologias: São o conjunto de tecnologias para coleta, processamento, análise e disponibilização de informação com referência geográfica. GPS SIG PDI Geoestatística

Resumo da história do GPS Ano Evento 1958 Lançamento do satélite VANGUARD e início do sistema NAVSAT (Navigation Satellite with Timing and Ranging) 1964 Início de operação do NNSS (Navy Navigation Satellite System) também conhecido como TRANSIT 1967 O Sistema TRANSITé liberado para a sociedade civil e torna-se eficiente apoio para a geodésia 1973 Início do desenvolvimento do NAVSTAR Global Positioning System 1991 O GPS entra em operação 1993 A constelação de satélites é concluída

INTRODUÇÃO Definição : O GPS (Global Positioning System) é um sistema de navegação para a determinação - de maneira precisa - de sua posição, velocidade e tempo em um sistema de referência comum em qualquer lugar da Terra; Projetado e desenvolvido pelo Departamento de Defesa dos Estados Unidos. Custo : Estimado em 12 bilhões de dólares.

ESPECIFICAÇÕES DO SISTEMA GPS O sistema consiste de 24 satélites distribuídos em seis planos orbitais igualmente espaçados com 4 satélites em uma altitude aproximada de 20.200 km e inclinação de 55 graus em relação ao Equador, o que garante no mínimo 4 satélites visíveis, em qualquer lugar e em qualquer hora do planeta.

INTRODUÇÃO AO GPS USOS GERAIS Localização; Navegação; Rastreamento; Mapeamento; Correção de Tempo.

VANTAGENS DE SE USAR GPS Posição Precisa XYZ (Lat. /Long. /Alt.) Usuários Ilimitados Disponível 24 Horas Uso Simultâneo Posicionamento Dinâmico Cobertura Mundial Sob Quaisquer Condições Climáticas Gratuito Giordano Automare

COMO FUNCIONA O GPS ? Composição : 03 segmentos (espacial, controle e usuário).

COMO FUNCIONA O GPS ? O funcionamento do GPS pode ser explicado em 05 passos : 1º- Triangulação (trilateração) de satélites; 2º- Medição de distâncias através do tempo de propagação de sinais de rádio; 3º- Sincronização; 4º- Localização dos satélites em órbita; 5º- Correção de erros.

1 – Triangulação de satélites No GPS os satélites são utilizados como pontos de referência; Conceito geométrico: 1- Medindo nossa distância em relação a um único satélite, reduzimos nossa posição a algum lugar na superfície de uma esfera;

Triangulação de satélites 2- Utilizando 02 satélites, nos encontraríamos em algum lugar do círculo formado pela interseção das duas esferas;

Triangulação de satélites 3- Com 03 satélites reduziríamos nossa posição a dois pontos. Estes pontos correspondem ao local onde a terceira esfera intersecta o círculo formado pelo encontro das duas primeiras.

2 - Medindo distâncias

Medindo Distâncias A base da triangulação é o estabelecimento da distância entre o receptor e os satélites; Cada satélite possui um Pseudo Random Code (Código Pseudo Aleatório) distinto, transmitido na mesma freqüência, permitindo ao receptor identificar cada satélite; O PRC é um código extremamente complexo (seqüência de pulsos), restringindo o acesso ao sistema e evitando interferências indesejadas.

3 - Estabelecendo uma sincronização perfeita É necessário uma sincronização perfeita para que o GPS efetue o cálculo das distâncias; Porém os satélites usam relógio atômico e os receptores usam relógio de cristal . Por isso o relógio da Terra do receptor tem uma pequena defasagem do tempo verdadeiro do GPS. O receptor resolve este problema medindo a distância para quatro satélites. Cada equação terá quatro incógnitas: as três coordenadas do ponto de distância (latitude, longitude e altura) mais o erro do relógio.

4. Posição dos Satélites Para que utilizemos satélites como pontos de referência, além da distância deveremos saber onde se encontram exatamente; As órbitas dos satélites, à grande altitude (24.000 Km), são matematicamente bastante previsíveis; As pequenas variações nas órbitas dos satélites (Ephemeris Errors) são monitoradas pelo Departamento de Defesa dos E.U.A; As informações sobre eventuais erros são enviadas aos satélites para que corrijam suas posições; Posteriormente as informações de posição, de cada satélite, serão enviadas juntamente com o P.R.C (código D), aos receptores em terra, que as armazenarão em seu “Almanaque”.

5. Corrigindo Erros O GPS está exposto à diversas fontes de erros os quais poderão influenciar negativamente na precisão do sistema; A grande maioria destes erros relacionam-se a problemas na propagação dos sinais assim que estes entram na atmosfera; A atmosfera (Troposfera e Ionosfera) causa um “retardo” gradativo na propagação dos sinais, visto que a velocidade da luz somente é constante no vácuo; Os erros provenientes do “retardo de propagação” podem ser minimizados através de duas técnicas: a modelagem atmosférica e o GPS de dupla freqüência.

Corrigindo Erros Ao chegar à superfície os sinais poderão ser desviados, antes de chegarem aos receptores, por inúmeras obstruções no local. Este tipo de erro é conhecido como multipath (multicaminhamento) sendo semelhante às imagens “fantasmas” da TV; Os receptores GPS utilizam técnicas de rejeição de sinais (1º sinal captado) para minimizar este erro; Outra fonte importante de erros do GPS era a chamada “Disponibilidade Seletiva - D/S” (*), uma degradação deliberada dos sinais gerada pelo Departamento de Defesa americano; (*) A D/S foi “teoricamente” abolida em maio de 2000 (Erro alcançava cerca de 60 a 100m de distância);

Corrigindo Erros Exemplos de operação de GPS, sob influência de erros;

Corrigindo Erros A geometria da constelação de satélites pode ampliar os valores destes erros através de um conceito chamado de “Dilution of Precision - DOP” (diluição da precisão) o qual é baseado no arranjo da geometria dos satélites. DOP pode ser considerado um índice de precisão do sistema. Quando o valor de DOP é 1 a precisão é a melhor possível. Isto acontece quando um satélite está em prumo e os outros três estão próximos da linha do horizonte bem separados entre si.

Corrigindo Erros A precisão esperada para o código-C/A (para fins civis) do GPS operacionalmente consegue precisão na faixa de 15 a 40 m. A disponibilidade seletiva – AS (Selective Availability) opera hoje com grande precisão (menos de 10m) . Por exemplo, encontra-se hoje no mercado receptores manuais com precisão inferiores a 1m após correção diferencial. As posições horizontais estabelecidas pelo GPS são de 02 a 05 vezes mais precisas que as verticais associadas. A maior parte dos erros incidentes (exceto o multipath) pode ser eliminada por uma técnica chamada “GPS Diferencial - DGPS”.

Corrigindo Erros Cada fonte de erro é responsável por uma parcela do valor total de degradação da precisão do GPS; Fontes de Erro do GPS Erros Típicos (metros) GPS DGPS Relógio dos Satélites 0.5 0 Erros de Órbita 0.8 0 Ionosfera 1.6 0.1 Troposfera 0.1 0.06 Ruído no Sinal 0.1 0.1 Multipath 0.6 0.6 TOTAL 3.7 0.8

Métodos de Posicionamento Posicionamento autônomo (código C/A): - Precisão de 10 a 30 metros Giordano Automare

Métodos de Posicionamento Posicionamento DGPS (código C/A): Estação Base - Precisão de 01 a 05 metros Giordano Automare

Métodos de Posicionamento Posicionamento DGPS (Processamento de Fase): Estação Base Precisão de menos de 50 centímetros Obs: Depende do período de rastreio. Giordano Automare

Métodos de Posicionamento Onde você precisa estar? 15m 0.5m 1-5m 1cm Giordano Automare

O GPS Diferencial Tipos de Erros Porcentagem aproximada S/A 60% Erros atmosféricos 20% Erros de relógio e erros efêmeros 10% Multicaminhamento 5% “Ruído” O DGPS é a forma de corrigirmos as diversas fontes de erro incidentes no sistema. Visando contornar alguns deste problemas, incluindo o do S/A, foi desenvolvido o sistema de posicionamento diferencial (DGPS).Envolve a operação de dois receptores: um estacionário (Base) e outro em deslocamento; Os receptores GPS utilizam sinais de vários satélites (mínimo 03) para o calculo de posições. Cada sinal terá um erro, conforme os obstáculos que tenha encontrado. Como os erros variam de sinal para sinal, podemos dizer que o cálculo de posições pelo GPS é uma “composição de erros”.

O GPS Diferencial A solução encontra-se nas dimensões do sistema: - A grande altitude dos satélites faz com que as distâncias na superfície sejam insignificantes; - Sinais que alcançarem receptores próximos uns dos outros na superfície, viajarão pela mesma porção da atmosfera, assim podemos dizer que estes sinais estarão sujeitos aos mesmos erros; O DGPS utiliza um receptor estacionário para determinar os erros incidentes no sistema, provenientes de todos os satélites visíveis; O receptor estacionário deverá estar em um ponto de posição conhecida, desta forma ao invés de utilizar a medição de tempo para estipular a posição, utilizará a posição para determinar o tempo.

O GPS Diferencial Móvel Base Conhecida Satélites Utilizados 1 2 3 4 O GPS Diferencial Base Conhecida Satélites Observados 1 2 3 4 5 6 Giordano Automare

O GPS Diferencial DGPS em tempo real (Real Time DGPS) O erro de posicionamento pode ser estimado por meio da comparação entre os valores calculados pelo receptor fixo de GPS e as coordenadas conhecidas do ponto e pode ser transmitido, via rádio, para o receptor móvel, o qual fará a leitura da correção enviada pela base, e o valor da posição a ser armazenado pode ser, então, previamente corrigido (Stabile & Balastreire, 2006).

O GPS Diferencial DGPS pós processado (Post Processed DGPS) O receptor GPS deve ter a capacidade de armazenar todas as observações fornecidas pelos satélites da rede GPS, para que estes dados sejam confrontados em um processamento com o sinal rastreado por uma estação base de rastreamento GPS.

O GPS Diferencial Espalhadas pelo território, as estações ficam 24h armazenando dados de rastreio dos satélites da rede GPS. Estas estações servem basicamente de referência para procedimentos de levantamentos pós-processados, pois fornecem dados rastreados na forma de arquivos. Os levantamentos pós-processados podem ter precisões submétricas se forem tomados certos cuidados quanto ao planejamento da missão de rastreio. Tipicamente as precisões conseguidas são melhores que 1 metro considerando-se os cuidados com o raio de abrangência. Bases DGPS (SCNet, Santiago e Cintra)

COMPONENTES DO GPS Receptores: Registro e armazenamento de posições; 1-) Navegação (Código C/A): Baixo Custo; Baixa Precisão; Bloqueio inconstante; Próprio para ambientes hostis. 2-) Geodésico e Topográfico (Carrier Phase e L1 /L2): Alto Custo; Bloqueio constante; Múltiplos receptores (Phase); Maiores períodos; Maior precisão (linha base).

Componentes do GPS Softwares (programas): - Planejar coleta de dados; - Organizar os dados coletados; - Criar e editar “dicionários de dados”; - Transferir arquivos; - Editar dados coletados; - Corrigir diferencialmente DGPS; - Exportar em formato GIS.

OPERAÇÃO DE RECEPTORES E COLETORES GPS PARÂMETROS SECUNDÁRIOS - Fase 1 – Pré-levantamento Parâmetros secundários: São parâmetros que afetarão a visualização dos dados coletados, geralmente uma vez configurados não serão mais alterados. PARÂMETROS SECUNDÁRIOS PARÂMETRO VALOR PADRÃO OBSERVAÇÕES Altura da Antena 1m (um metro) Regular conforme a altura Registro de DOPS OFF Auxilia na correção de erros Registro de Velocidade Coordenadas Geográficas (Latitude /Long) Selecione UTM Datum WGS-84 Selecione SAD69 - Brazil Unidades Métricas - Data e Tempo UTC Offset – 03:00 h (Inverno) Saúde do Satélite ALL Não altere Média de Waypoints No (não) Selecione Yes para >precisão Giordano Automare

OPERAÇÃO DE RECEPTORES E COLETORES GPS Modelos de representação da superfície terrestre Geóide Elipsóide a b Sujeito à alterações; Difícil representação e cálculo. Revolução; Modelo fixo; Fácil representação e cálculo.

OPERAÇÃO DE RECEPTORES E COLETORES GPS Altitude Ortométrica (H) Altitude Elipsoidal (h) Ondulação Geoidal (n) (H = h - n)

ALTITUDES Para converter altitude elipsoidal, obtida através de GPS (h) utiliza-se a equação H = h-N, na qual N é a ondulação geoidal fornecida pelo “Mapa Geoidal do Brasil”

OPERAÇÃO DE RECEPTORES E COLETORES GPS Estabelecendo uma Estação Base: A maior parte dos receptores e coletores de dados GPS de nível profissional permitem que os utilizemos como Estações Base temporárias, bastando que configuremos alguns parâmetros secundários adicionais: Receptores e coletores, como bases temporárias não possuem grande capacidade de armazenamento interno. A posição de referência deverá ser preferencialmente um marco geodésico;

Como nós tratamos nossa base geodésica ...

OPERAÇÃO DE RECEPTORES E COLETORES GPS b-) Dicionários de dados: É um arquivo descritivo de características e atributos que estrutura e controla a coleta de dados. - Característica: é um objeto ou evento físico no mundo real do qual necessitamos coletar informações de posição, descrição além de representá-los graficamente. Existem três tipos básicos: - Pontos; - Linhas; - Áreas;

OPERAÇÃO DE RECEPTORES E COLETORES GPS - Fase 01 – Pré-levantamento - Atributos: São informações descritivas sobre as características, podemos definir um conjunto de atributos para cada características, cada um com seu respectivo valor. - Característica: Banco - Característica: Estrada - Característica: Lago - Atributo: Material - Valores: Madeira Metal NDA - Atributo: Pavimento - Valores: Asfalto Terra Pedra - Atributo: Origem - Valores: Natural Artificial

OPERAÇÃO DE RECEPTORES E COLETORES GPS - Fase 2 – Levantamento a-) Obter uma visão desobstruída do céu: - Minimizar obstruções; - Antena direcionada para cima; - Manter receptor nivelado (centro de fase); - Sinais não atravessam superfícies metálicas, edifícios, troncos e similares; - Sinais são enfraquecidos por folhas, vidro, plástico e similares. 

OPERAÇÃO DE RECEPTORES E COLETORES GPS - Fase 3 – Pós-levantamento Transferir dados coletados para o computador; Corrigir diferencialmente os dados coletados; Visualizar dados coletados; Editar os dados coletados; Exportar dados para formato GIS; Plotar ou imprimir croqui dos dados (opcional).

Utilizando o GPS para coletar dados para um SIG Aplicação para a área de SIG é indiscutível; Dificilmente se trabalha em um projeto que não tenha que coletar dados de campo; O GPS representa uma redução nos custos operacionais de coleta de dados; Mapas analógicos podem ser usados em conjunto com pontos geográficos conhecidos como cruzamento, prédio, pontes; Atualização de mapas analógicos. Por exemplo, refazer estradas devido a desatualização da base cartográfica disponível; O nível de precisão alcançado pelo GPS permite que o utilizemos para verificar os demais materiais do GIS.