INTRODUÇÃO AO SISTEMA DE POSICIONAMENTO GLOBAL - GPS

Luciana Suaid Tomazi Vasco – IBGE lutomazi@ibge.gov.br

Por que GPS?

HISTÓRICO Senso natural de orientação do Homem Orientação por recursos naturais: Sol, estrelas, acidentes topográficos, ventos...

Rosa dos Ventos de 600 AC até sec. XV Bússola N W E S

Desenvolvimento da Geodésia e da cartografia Computadores Estações totais Sistemas de informações geográficas (SIG) Cad’s Sistema de Posicionamento Global (GPS)

Observações de satélites artificiais Iniciada nos anos 60 Navegação e Posicionamento O que ser quer: posição de um ponto

Conceitos Básicos Terra 

Cartografia Ciência e a arte de expressar graficamente, por meio de mapas e cartas, o conhecimento humano da superfície terrestre.

Geodésia Ciência que determina, através de observações, a forma e o tamanho da terra, as coordenadas dos pontos, comprimentos e direções de linhas da superfície terrestre, e as variações da gravidade terrestre.

A Geodésia é divida em: Geodésia geométrica Geodésia física Geodésia por satélite ou celeste

Superfície física, Geóide e Elipsóide

Elipsóide de Revolução b a Equador

Coordenadas Geográficas Posição de ponto: Latitude e Longitude Latitude (F) Medida pelos paralelos 0° na linha do Equador Varia de +90° à -90° Ao norte do Equador:+ Ao sul do Equador : - Longitude (l) Medida pelos meridianos 0° no Meridiano de Greenwich Varia de +180° à -180° Oeste de Greenwich : - Leste de Greenwich : +

Esquema da Latitude e Longitude Equador Meridiano de Greenwich l PN F Latitude Longitude

Referencial Altimétrico

Coordenadas Cartesianas Ao elipsóide está associado um sistema cartesiano ortogonal, formado pelos eixos X, Y e Z. Um ponto sobre a superfície terrestre tem coordenadas cartesianas geocêntricas, que podem ser expressadas em latitude, longitude e altitude e vice-versa.

Coordenadas Cartesianas e Geodésicas

Sistemas de Referência Datum Superfície de Referência Datum Horizontal Datum Vertical Datum Horizontal um elipsóide e um ponto de referência IBGE Sistema Geodésico Brasileiro SGB (www.ibge.gov.br/geodesia)

Datum Oficial Brasileiro (1977) – SAD 69 Elipsóide ERI 67 (Elipsóide de Referência Internacional de 1967) Vértice : Chuá – MG ( geóide = elipsóide) SIRGAS 2000 Decreto Nº 5334/2005, assinado em 06/01/2005 Elipsóide GRS 80 (Sistema de Referência Geodésico de 1980) Consistente, global e geocêntrico Centro do Elipsóide = centro de massa da Terra

Nos próximos 10 anos serão Datuns oficiais : SIRGAS, SAD 69 e Córrego Alegre (só para o SCN) Datum GPS – WGS 84 Elipsóide GRS 80 (Sistema de Referência Geodésico de 1980) Consistente, global e geocêntrico Centro do Elipsóide = centro de massa da Terra

Sistema de Referência Altimétrico Imbituba – SC usado por quase todo Brasil Porto de Santana – utilizado pelo Amapá (dificuldades de expandir a rede altimétrica nesta área do país)

Representações Cartográficas Sistemas de Projeção Terra Modelo (Esfera /Elipsóide) Esfera Modelo Cilindro Cone Plano Tangente Carta ou Mapa

Temos três diferentes tipos de projeção quanto às propriedades: Projeção equivalente  conserva as áreas Projeção eqüidistante  conserva as distâncias Projeção conforme ou ortomorfa  conserva os ângulos

SISTEMA DE PROJEÇÃO UNIVERSAL TRANSVERSO DE MERCATOR (UTM) Criado para aplicação mundial pelos militares para um sistema de coordenadas planas Em 1951 a Associação de Geodésia e Geofísica Internacional (AGGI) recomendou o sistema UTM para o mundo inteiro No Brasil - sistema adotado pela Diretoria do Serviço Geográfico (DSG) e IBGE, desde de 1955 para o mapeamento sistemático do país.

Meridianos de secância Meridiano extremo PN  PS Meridiano Central

O elipsóide é dividido em 60 fusos de 6 de longitude Cada fuso tem um sistema de coordenadas parcial Cada fuso terá um meridiano central A amplitude de 6 para os fusos no sistema UTM coincide com os fusos da Carta Internacional ao Milionésimo.

A interseção com o equador é a origem do sistema Os fusos são limitados por duas longitudes múltiplas de seis As latitudes limites vão de 80 N a 80 S O sistema UTM não é utilizado para representar regiões polares.

Os fusos de sistema de projeção UTM são numerados de 1 a 60 contados a partir do anti-meridiano de Greenwich no sentido anti-horário. N do fuso = 30 – (/6), para pontos a oeste de Greenwich. N do fuso = 30 + (/6), para pontos a leste de Greenwich.

Eixos coordenados do sistema UTM e origem no hemisfério Sul 6 3 meridiano central 500 Km 10.000 km N E 6°(668km)

Fundamentos do GPS Sistema TRANSIT Primeiro sistema de satélites artificiais Objetivo de navegação Idéia básica: localização sobre a Terra Cálculo da posição baseado no Efeito Doppler Desvantagens: longos períodos de observação e baixa precisão

Sistema de Posicionamento Global – GPS NAVSTAR-GPS (Navigation Satellite Time And Rancing) Criado para substituir o TRANSIT Estudos iniciados em 1973 Desenvolvido e operado pelo Departamento de Defesa dos Estados Unidos da América - DoD Sistema de rádio navegação Concebido para fins exclusivamente militares

O GPS foi projetado de forma que em qualquer lugar do globo e a qualquer momento existam pelo menos quatro satélites acima do plano do horizonte do observador.

Em razão de sua precisão e do grande desenvolvimento da tecnologia dos receptores, surgiram aplicações para uso civil, tais como: Navegação Geodésia Topografia Sinais de tempo Outros

SPS (Standard Positioning Service) Serviço de Posicionamento Padrão Uso civil 24 horas por dia Em qualquer lugar Componente temporal (data e hora) Coordenadas (lat., long., altitude)

SPS Precisão nominal: 95% do tempo 20m componente horizontal 30m componente vertical 95% do tempo Sistema degradado intencionalmente (SA) 100m componente horizontal 156m componente vertical Precisão no posicionamento relativo – 5m à 5mm

GPS posição de pontos, coordenadas TEMPO velocidade direção do deslocamento aceleração

Sistema de controle de tempo Extremamente importante O GPS baseia-se na medida simultânea da distância entre o receptor e pelo menos quatro satélites

A distância entre o receptor e os satélites se obtém por meio do atraso temporal, entre o sinal que o satélite emite até o momento em que o sinal é recebido pelo receptor

Segmentos do Sistema GPS Espacial Controle Usuário

Segmento Espacial 24 satélites Altura de 20.200km da superfície terrestre 6 planos orbitais Órbitas com 55° de inclinação em relação ao Equador Período de 12 horas siderais Satélites NAVSTAR ou Space Vehicles (SVs)

Segmento de Controle 5 estações rastreadoras fixas Localizadas nas proximidades da linha do Equador Movimento orbital dos satélites constantemente monitorado Estação mestre – Colorado Springs Correção das efemérides e dos relógios

Segmento do Usuário Constituído pelos receptores GPS e comunidade de usuários. Os receptores convertem os sinais dos satélites (SVs) em estimativas de posições, velocidade e tempo.

Sistema de Tempo GPS GPS mede intervalo de tempo de propagação do sinal Tempo GPS – Início 0h de 06/01/80

Tempo GPS contado desde o início número de semanas número de segundos Semanas GPS (GPS Week Number) Varia de 0 – 1023 (aproxim. 20 anos) N° de segundos - contador TOW (Time Of Week – Tempo da Semana ) Varia de 0 –604.800

Sinais GPS Satélites GPS são sistemas unidirecionais de emissão A observação fundamental é a medida do tempo de percurso do sinal entre a antena do satélite e a antena do receptor freqüência fundamental fo de 10,23 Mhz

ESTRUTURA DO SINAL GPS

CÓDIGOS PRN Pseudo Randon Noise

Determinação das Coordenadas

Erros das medidas GPS Erros do relógio do satélite Atmosfera Multitrajetória ou Multicaminhamento Erros de recepção Disponibilidade Seletiva - SA (Selective Avaibility) Anti-spoofing (AS)

Diluição da Precisão (DOP) HDOP: Para o posicionamento horizontal VDOP: Para o posicionamento vertical TDOP: Para a determinação do tempo PDOP: Para o posicionamento tridimensional. RDOP: Para o posicionamento relativo (relative)

4 < PDOP < 6 – aceitável Valores de PDOP < 4 – ótimo 4 < PDOP < 6 – aceitável 6 < PDOP < 8 – compromete o resultado > 8 – inaceitável para posicionamento (geodésico ou topográfico)

Tipos de receptores GPS Os receptores + baratos posicionamento em tempo real sem correção baseado somente no código C/A precisão SPS da ordem de 20 m na horizontal e 40 m na vertical Receptores usam para suas soluções a observação da fase da portadora, em vez da pseudodistância são mais precisos e apresentam como resolução comprimento de onda da portadora com valores bem inferiores.

Classificação dos Receptores pelo tipo de dado - Código C/A - Código C/A e portadora L1 - Código C/A e portadoras L1/L2

Principais componentes dos receptores GPS Antena com pré-amplificador; Unidade de alta freqüência para sintonizar os sinais provenientes de diversos satélites, de preferência simultaneamente e com canais independentes; Unidades capacitadoras para receber os códigos dos satélites, para fins de identificação, obtenção das efemérides, sinais de tempo, catálogo, etc;

Osciladores internos de alta precisão; Porta de entrada e saída de dados; Fonte de energia própria, por bateria, e ou externa, via rede domiciliar; Memória residente para armazenamento dos dados de rastreamento. Interface com o usuário, painel de exibição de comandos;

Métodos de Posicionamento Posicionamento por Ponto ou Absoluto Posicionamento Diferencial (DGPS) Posicionamento Relativo

Classificação quanto à mobilidade do receptor: Estático receptores base e remoto ficam estacionados dependendo do comprimento da base a ser medida e da precisão que se quer alcançar

Cinemático permite a movimentação do receptor remoto; período de tempo maior no ponto inicial, visando determinar as ambigüidades; fator restritivo - cycles slips (perda momentânea do sinal de um ou mais satélites)

Correção do Posicionamento Em Tempo Real Pós-processado

Redes de Monitoramento Contínuo Rede Brasileira de Monitoramento Contínuo do Sistema GPS (RBMC – IBGE) Rede INCRA de Bases Comunitárias Rede de Rádio Faróis da Marinha Redes SIGHT e Santiago & Cintra

RBMC - IBGE

RIBaC - INCRA

Rede de Rádios Faróis da Marinha

RINEX Cada fabricante tem seu formato binário proprietário para os dados GPS Dados diferentes não podem ser processados juntos num mesmo programa Criado formato único: Receiver Independent Exchange Format - RINEX (Formato de Intercâmbio Independente de Receptor)

RINEX (continuação) Visa intercâmbio de dados Composto por três arquivos ASCII: um arquivo de observações dados meteorológicos (opcional) mensagem de navegação RINEX 2 – versão mais completa Programas disponíveis na internet http:\\www.unvaco.ucar.edu

Outros Sistemas de Posicionamento por Satélite GLONASS GLONASS - GLObal NAvigation Satelitte System Sistema Russo equivalente ao GPS 3 planos orbitais com 8 satélites cada ( 24 satélites) Altura 19.000km; período 11:15h Satélites transmitem em freqüências diferentes: L1 = 1602MHz + N 0.5625MHz L2 = 1246MHz + N 0.4375MHz (N: canal) SA não implementada

TUC GLONASS diferente da TUC GPS Datum PZ90 (Parametros Zemli 1990)

GALILEO GNSS (GLOBAL NAVIGATION SATELLITE SYSTEM) União Européia Controle Civil Compatível com GPS e GLONAS 4 portadoras da Banda L Em fase de desenvolvimento

ALGUMAS ORIENTAÇÕES NO USO DO GPS Os receptores GPS foram concebidos para funcionar quando não existirem barreiras entre os satélites e a antena do receptor Quando existem barreiras entre o receptor e os satélites, há degradação ou interrupções dos sinais.

O aparelho a ser utilizado vai depender da precisão necessária para o trabalho O erro na altitude é 150% maior do que o erro na determinação da latitude e longitude

Os receptores utilizam internamente o sistema WGS 84 e podem exportar os dados em diversos outros sistemas. O usuário deve ter o cuidado de registrar os pontos nas coordenadas e DATUM usados no projeto em trabalho. Quando os Estados Unidos ativam o erro SA, a precisão da determinação de pontos absolutos pode chegar a 100m.

Na determinação de divisas de propriedades, talhões, canais de irrigação, construções, poços e etc. o posicionamento absoluto não satisfaz às necessidades de precisão, neste caso deve-se utilizar o DGPS Os dados armazenados no receptor podem ser utilizados para alimentar Sistemas de Informações Geográficas ou Mapeamento Digital de forma precisa, rápida e extremamente barata

Conhecendo-se as coordenadas de pontos de interesse pode-se preparar uma rota na qual o GPS auxilia o navegador a chegar a diversos lugares. No mundo atual o GPS é utilizado desde grandes trabalhos científicos até momentos de lazer.

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