Sistema de Navegação GPS

De IF-SC São José

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O “Global Positioning System”, permite a qualquer pessoa que tenha um receptor GPS, possa calcular , com extrema exatidão e em tempo real, a posição geográfica, em latitude e longitude, em que se encontra. sistema foi declarado totalmente operacional apenas em l995. Seu desenvolvimento custou 10 bilhões de dólares. Preocupados com o uso inadequado , os militares americanos implantaram duas opções de precisão: para usuários autorizados (eles mesmos) e usuários não-autorizados (civis) - sps, Standard Positioning System. Os receptores GPS de uso militar têm precisão de 1 metro e os de uso civil, de 15 a 100 metros. Cada satélite emite um sinal que contém: código de precisão (P); código geral (CA) e informação de status. Está disponível para qualquer usuário no mundo, em todas condições climáticas e de forma contínua.


Satélites do programa GPS ao redor do Globo Terrestre

O sistema GPS é composto por dois segmentos.

O primeiro segmento - espacial, formado por 24 satélites que emitem simultaneamente sinais de rádio codificados. A potência de transmissão é de apenas 50 Watts. A hora-padrão GPS é passada para o receptor do usuário. Os receptores GPS em qualquer parte do mundo mostrarão a mesma hora, minuto, segundo,... até mili-segundo. Estes satélites estáo dispostos em 6 órbitas diferentes, cada uma com 4 satélites. Por estarem perfeitamente distribuídos, possibilitam que sempre sejam vistos de qualquer ponto do globo.

O segundo segmento - terrestre, formado por sub-segmentos, um de controle, localizado nos EUA – Colorado, responsável por monitorar o rastro e desempenho dos satélites, assim como enviar ordens aos mesmos e tratar de sua manutenção à distância. Isso tudo é necessário para que pelo menos 4 satélites sempre estejam em ângulos perfeitos e, assim, possam fornecer as dimensões X, Y, Z e tempo (dados necessários na triangulação, cálculo e fornecimento dos dados). Essas 4 dimensões fazem parte de outro sub-segmento, o de usuário pois, quando os 4 satélites se alinham e fornecem esses dados, através de sua triangulação, pode-se, através de um dispositivo comum de recepção de GPS, obter exatamente as coordenadas de latitude, longitude e altitude em tempo exato, em qualquer lugar do mundo. O receptor tem que reconhecer as localizações dos satélites. Uma lista de posições, conhecida como almanaque, é transmitida de cada satélite para os receptores. Controles em terra (Segundo segmento) rastreiam os satélites e mantém seus almanaques atualizados.

Cada satélite tem códigos P e CA únicos, e o receptor pode distinguí-los. O código P é mais complexo que o CA, quase impossível de ser alterado e somente militares têm acesso garantido a ele. Receptores civis medem os lapsos de tempo entre a recepção dos sinais codificados em CA. Os receptores militares não são afetados. Existe outra fonte de erro que afeta os receptores civis: a interferência ionosférica (quando um sinal de rádio percorre os eletrons livres na ionosfera, sofre um certo atraso). Sinais de freqüências diferentes sofrem atrasos diferentes. Para detectar esse atraso, os satélites do sistema enviam o código P em duas ondas de rádio de diferentes freqüências, chamadas L1 e L2. Receptores caros rastreiam ambas as freqüências e medem a diferença entre a recepção dos sinais L1 e L2, calculam o atraso devido aos elétrons livres e fazem correções para o efeito da ionosfera. Receptores civis não podem corrigir a interferência ionosférica porque os códigos CA são gerados apenas na freqüência L1 (l575,42 MHz).


Alinhamento dos satélites para prover as 4 dimensões necessárias

O satélite GPS envia sinais com poucas informações e de baixa potência para antenas do tamanho do dedo polegar. De fato, os sinais GPS são tão fracos que não são maiores que o ruído de fundo (de rádio) inerente à Terra. Com um mínimo de três satélites, o receptor pode determinar uma posição Latitude/Longitude, que é a chamada posição fixa bi-dimensional (2D). Com a recepção de quatro ou mais satélites, um receptor pode determinar uma posição 3D, isto é, Latitude/Longitude/Altitude. Pelo processamento contínuo de sua posição, um receptor pode também determinar Velocidade e Direção do deslocamento.


Tabela de conteúdo

RECEPTORES GPS

Modelos de GPS - Trimble, Garmin e Leica

Existem receptores de diversos fabricantes disponíveis no mercado, desde os portáteis que custam pouco mais de 100 dólares, até os sofisticados computadores de bordo de aviões e navios, passando pelos que equipam muitos carros modernos. Além de receber e decodificar os sinais dos satélites, os receptores são verdadeiros computadores que permitem várias opções de: referências; sistemas de medidas; sistemas de coordenadas; armazenagem de dados; troca de dados com outro receptor ou com um computador; etc. Uma pequena tela de cristal líquido e algumas teclas permitem a interação receptor/usuário, como mostra a figura abaixo.

APLICAÇÕES

Aviação e Navegação, Civil e militar: utilizam para saber posição, rumo, trajeto percorrido, velocidade autamente precisa e etc.

Uso militar: Um exemplo clássico são as coordenadas precisas. Nos desertos o terreno parece ser sempre igual por muitos quilometros. Sem um seguro sistema de navegação, as forças norte americanas não poderiam realizar a Operação tempestade do deserto, durante a guerra do Golfo, por exemplo. Com o GPS, os soldados estavam aptos a ir para qualquer lugar até mesmo à noite e sobre tempestades de areia. Há outras utilidades como: coordenadas de ataque; navegação marítima, aérea e terrestres; orientação e controle para mísseis balísticos; marcação para artilharia; direcionamento de bombardeios de aeronaves; localização de minas; localização de radares inimigos entre outros.

GPS para celular












Celular: É muito utilizado para viajantes. O sistema de GPS nos celulares guarda registo dos dados atuais e acumulativos de um determinado trajeto tais como: o caminho, velocidade, elevação, distância e tempo decorrido. É utilizado também para guardar o caminho de volta, se por acaso o usuário não lembrar.


Ciencia em Geral: usa pelo fato de seu relógio ser muito preciso. Durante experimentos científicos podem ser obtidos de dados a cada micro-segundos ( µ-segundo). Com esse dado também é possível ver a posição da amostra.

Agricultura: Com receptores que armazenam informações, durante o processo de colheita, é feito uma análise de qual parte do território precisa ser melhor tratada com drenagens ou irrigações. Ou ainda, apartir dessa análise, mostra qual das parte produz mais. Essa é a chamada Agricultura de Precisão.

Topógrafia: Existem receptores conhecidos como não-codificados que são super atualizados. Eles desconhecem os valores do código P(explicado à cima), obtém sua precisão usando técnicas especiais de processamento: recebem por um número de dias e podem obter uma posição fixa com precisão de 10 mm. É ótimo para levantamento topográfico.

Balonistas: Os receptores são usados para ajudar na navegação e para verificar os recordes do mundo. As informações de direção e velocidade dadas pelo GPS ajudam a identificar as correntes de ar, e as informações de posição permitem aos salva-vidas encontrar rapidamente os balões em perigo.

Ciclistas, pescadores, ecoturistas ou mesmo os leigos que queiram apenas planejar e se orientar durante suas viagens também foram beneficiados com essa tecnologia.

Motoristas que possuem os receptores instalados nos carros dos países onde existem mapas digitalizados - computadores de bordo - trazem em sua memória mapas detalhados de cidades e endereços úteis como restaurantes, shoppings, hotéis, etc. Um menu permite ao motorista ativar automaticamente uma rota até o ponto desejado, seja outra cidade, outro bairro ou um endereço específico.

Monitoramento de Abalos-Sísmicos: está sendo elaborado um projeto usando as taxas de deformação dos sinais emitidos pelos satélites GPS, para calcular a probabilidade de riscos sísmicos em algumas regiões. Esse estudo está sendo feito na região metropolitana de Los Angeles(EUA). Foi descoberto abalos sísmicos provocam mudanças no campo gravitacional da região atingida e antes de acontecer o terremoto, e as ondas de rádio sofrem distorções. Assim, pode-se prever um terremoto com algumas horas de antecedência.

Localização para Resgate: O objetivo é acionar um helicóptero-médico. O serviço usa um GPS para guiar helicópteros e ambulâncias para o lugar do acidente. Este procedimento é muito usado em áreas rurais,florestais e desérticas onde a busca visual por pontos de referência são escassos e o terreno é pouco diferenciado em áreas vastas.




GPS com dados de Bússola e Altímetro

FATORES QUE AFETAM A PRECISÃO DO SISTEMA

Um dos fatores que afeta a precisão é a "Geometria dos Satélites", ou seja, a localização dos satélites em relação uns aos outros e ao receptor GPS. Se um receptor GPS estiver localizado sob 4 satélites e todos estiverem na mesma região do céu, sua geometria é pobre. Na verdade, o receptor pode não ser capaz de se localizar, porque todas as medidas surgem da mesma direção geral. Isto significa que a triangulação é pobre e a área onde o receptor busca sua posição cobre um espaço muito grande. Dessa forma, mesmo que o receptor mostre uma posição, a precisão não é precisa. Com os mesmos 4 satélites, se espalhados em todas as direções, a precisão melhora drasticamente. Suponhamos os 4 satélites separados em intervalos de 90º a norte, sul, leste e oeste. A geometria é ótima, pois as medidas surgem de várias direções. A área de busca do receptor é muito menor e a precisão muito maior. A geometria dos satélites torna-se importante quando se usa o receptor GPS próximo a edifícios ou em áreas montanhosas ou vales. Um receptor de qualidade indica não apenas os satélites disponíveis, mas também a posiçao no céu: azimute, que é uma medida angular e a elevação. Permite assim, ao operador, saber se o sinal de um satélite está sendo obstruído. Outra fonte de erro é a interferência resultante da reflexão do sinal em algum objeto, a mesma que causa a imagem "fantasma" na televisão. Como o sinal leva mais tempo para alcançar o receptor, ele "entende" que o satélite está mais longe que mostra.

Outras fontes de erro: atraso na propagação dos sinais devido aos efeitos atmosféricos e alterações do relógio interno. Nos dois casos o receptor GPS é projetado para compensar os efeitos.


ASPECTOS TÉCNICOS EM RELAÇÃO AOS SATÉLITES

Um receptor GPS rastreia um satélite pela recepção de seu sinal. Como já descrito à cima, sinais de quatro satélites são necessários para obter de uma posição fixa tridimensional, mas é desejável um receptor que rastreie mais de quatro satélites simultaneamente. Isso porque o usuário se desloca, com isso o sinal de algum satélite pode ser bloqueado repentinamente por algum obstáculo, restando apenas 3 satélites, o que não é aconselhável como já dito. A maioria dos receptores rastreia de 8 a 12 satélites ao mesmo tempo. Um receptor não é melhor que outro por rastrear mais satélites. Rastrear satélites quer dizer conhecer suas posições. Não significa que o sinal daquele satélite está sendo usado no cálculo da posição. Muitos receptores calculam a posição com quatro satélites e usam os sinais do quinto para verificar se o cálculo está correto.

Os receptores não funcionam acima de determinada velocidade de deslocamento. Depois que os sinais são captados pela antena, são direcionados para um circuito eletrônico chamado canal, que reconhece os sinais de diferentes satélites. Um receptor com um canal lê o sinal de cada satélite sucessivamente até receber os sinais de todos os satélites rastreados. A técnica é chamada "time multiplexing". Isso dura menos de um segundo para processar os dados e calcular a posição. Um receptor com mais de um canal é mais rápido, pois os dados são processados simultaneamente. O número de canais determina qual a velocidade máxima de uso. Mais canais não quer dizer maior velocidade.O que importa é a velocidade de operação.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

http://www.marinha.pt/extra/revista/ra_nov2002/pag12.html

http://www.wirelessbrasil.org/index.html

http://astro.if.ufrgs.br/GPS/gps.htm

http://pt.wikipedia.org/wiki/GPS

REFERÊNCIAS EXTERNAS

http://www.redsword.com/gps/old/sum_def.htm

http://geodesia.ufsc.br/wikidesia/index.php/GPS

http://gps.ciagri.usp.br/sobre.htm

http://www.navcen.uscg.gov/loran/default.htm

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