Noções de Sistema de Informações Geográficas: Sistema GPS José Fernandes Bezerra Neto, MSc. joseneto@icb.ufmg.br UFMG – ICB – Depto. Biologia Geral, Lab. Gestão Ambiental de Reservatórios

Sistema de Posicionamento Global - GPS O GPS (Global Positioning System) é um sofisticado sistema eletrônico de navegação desenvolvido pelo Departamento de Defesa dos EUA, baseado em uma rede de satélites que permite localização instantânea em qualquer ponto da Terra. Seu desenvolvimento iniciou em 1978, tendo sido projetado inicialmente para uso militar dos EUA. Basicamente, o sistema GPS é composto de três partes denominadas segmento espacial, segmento de controle e segmento usuários.

Sistema de Posicionamento Global - GPS 1978 – Satélites NAVSTAR – GPS GPS: “Global Positioning System” Limitado às forças militares dos E.U.A. Precisão: 10 m Receptor simples e leve 1983 – Acesso público limitado ao GPS Precisão para civis: 100 m SA: “Selected Availability” 2000 – Acesso público completo ao GPS Precisão normal: 10 m Precisão assistida (GPS diferencial): < 3 m

Sistema de Posicionamento Global - GPS Garante: Precisão de Navegação = 3 - 15 m Cobertura mundial 24 horas de acesso Sistema de Coordenadas Comum Datum WGS 84 Projetado para substituir os sistemas de navegação existentes Acesso Civil e Militar

5 Estações de monitoramento Componentes do Sistema GPS Segmento Espacial 27 satélites (20200 km) 4 relógios atômicos (3 back-ups) monitorados e controlados em terra Segmento de Controle 1 Estação Master 5 Estações de monitoramento Segmento do Usuário Receptores de Sinal GPS Relógio de quartzo

Segmento Controle Estação Central de Controle Colorado Springs Hawaii correção dos relógios atômicos dos satélites definição os modelos ionosféricos estimar parâmetros orbitais garantir a integridade do sistema coordenar manobras e monitorar a saúde dos satélites Estação Central de Controle Colorado Springs Hawaii Kwajalein Diego Garcia Ascención receber os sinais emitidos dos satélites coletar dados meteorológicos transmitir dados para a Estação Master Estações Monitoras

Funcionamento do GPS A finalidade do GPS é determinar a posição de um objecto na superfície da Terra em 3 dimensões: longitude, latitude e e altitude. Sinais provenientes de 3 satélites fornecem esta informação.

O princípio da trilateração (2D) Imagine que você esteja em algum lugar do Brasil e que esteja TOTALMENTE perdido. Você encontra uma pessoa que lhe dá a seguinte informação: “Você está a 50 km de Campinas” Você poderia estar em qualquer lugar em um círculo em voltada de Campinas, com um raio de 50 Km. 50 Km Campinas

O princípio da trilateração (2D) Você pergunta a uma outra pessoa que lhe diz: Você está a 70 Km de Rio Claro. 70 Km Rio Claro 50 Km Campinas

O princípio da trilateração (2D) Se uma terceira pessoa lhe disser que você está a 80 Km de Sorocaba você poderá determinar sua posição com precisão 70 Km Rio Claro 50 Km Campinas 80 Km Sorocaba

Funcionamento do GPS Três esferas se interceptam em um ponto. 3 distâncias para resolver a Latitude, a Longitude e a Elevação.

Funcionamento do GPS Uma dificuldade: o relógio do receptor não é tão preciso como os relógios atômicos dos satélites. Por isso, um sinal de um 4º satélite é utilizado para averiguar da precisão do relógio do receptor. Este 4º sinal permite ao receptor processar os sinais GPS com a precisão de um relógio atômico. A 4ª medição permite resolver (remover) o erro do clock (tempo) do receptor 38

Funcionamento do GPS 4 distâncias para encontrar a Latitude, a Longitude, a Elevação e o Tempo

Funcionamento do GPS Dificuldades a superar: os sinais trocados entre relógios a diferentes altitudes estão sujeitos aos efeitos da Relatividade Geral; por outro lado, o movimento do satélite e a rotação da Terra devem ser tomados em conta. Sem a consideração destes efeitos o GPS seria inútil.

Mensagens (Almanaque & Efemérides) Estrutura do sinal GPS Cada satélite transmite uma série de sinais Os sinais compreendem: - 2 ondas - L1 e L2) - 2 códigos - C/A em L1 e P em L1 e em L2 (P1 e P2) - Mensagens sobre os satélites e sua órbita Freqüência fundamental 10.23 MHz x 154 x 120 L1 1575.42 MHz L2 1227.60 MHz Código C/A 1.023 MHz Código P 10.23 MHz Código P 10.23 MHz ÷ 10 50 bps Mensagens (Almanaque & Efemérides)

Componentes dos sinais dos satélites Os satélites GPS são sistemas unidirecionais de emissão, isto é, os sinais são transmitidos somente pelos satélites. Os sinais se propagam das antenas dos satélites até as antenas dos receptores. Durante a propagação, os sinais estão sujeitos aos seguintes efeitos: Atraso de propagação na ionosfera e troposfera; Efeito de multi-encaminhamento; Efeitos marginais de sinais, devido a posição do satélite no horizonte;

Erros de observação Os sinais GPS transmitem as informações de tempo via ondas de rádio. Os sinais GPS precisam atravessar várias camadas diferentes da atmosfera. A medida que elas atravessam essas camadas, o sinal sofre atraso. Esses atrasos são traduzidos em erros nas distâncias usadas para calcular a posição do receptor. Erro – Ionosfera ~ 5.0 m; Troposfera ~ 0,5 m 19950 Km Ionosfera 1000 Km Troposfera 50 Km

Erros do receptor Infelizmente os receptores não são perfeitos. Eles adicionam erros ao sistema. Ruído interno do receptor. Erro ~ 0. 3 m Atraso do relógio interno Erro ~ 5. 0 m

Erros de multi-encaminhamento Quando um sinal GPS chega a Terra ele pode refletir-se em vários obstáculos. Inicialmente a antena recebe o sinal direto do satélite, em seguida, ela recebe os sinais refletidos. Erro ~ 0.6 m

GPS Diferencial - DGPS DGPS envolve a cooperação de dois receptores, um que é estacionário e outro móvel; O estacionário é a chave de todo processo, ele serve de referência local para as medições dos satélites. Vetor da linha base A B

GPS Diferencial - DGPS A idéia por trás do DGPS é simples: nós temos um receptor que mensura o erro do sinal do satélite e que transmite a correção para o transmissor móvel.

GPS Diferencial – Estações-base Existem uma série de estações-base públicas e privadas que transmitem correção de dados para receptores DGPS. No Brasil, entre as públicas e gratuitas nós temos: - A Rede Brasileira de Monitoramento Contínuo (RBMC), mantida pelo IBGE; Rede INCRA de Bases Comunitárias do GPS Estações-base da Marinha

GPS Diferencial - DGPS Correção em tempo real via satélite