GPS, Navegação

1. INTRODUÇÃO AO SISTEMA
DE POSICIONAMENTO
GLOBAL - GPS

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

3. Por que GPS?

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

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

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

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

8. Conceitos Básicos
Terra 

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

10. 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.

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

12. Superfície física, Geóide e
Elipsóide
Superfície
Física
Geóide
Elipsóide

13. Elipsóide de Revolução
b
a
Equador

14. Coordenadas Geográficas
 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 : +
Posição de ponto: Latitude e Longitude

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

16. Referencial Altimétrico

17. 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.

18. Coordenadas Cartesianas e Geodésicas

19. 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)

21. 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

22. 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

23. 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)

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

25. 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

26. 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.

27. l
PN
PS
Meridiano
extremo
Meridianos de secância
Meridiano Central

28.  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.

29.  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.

30.  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 – (l/6), para pontos a oeste
de Greenwich.
 N do fuso = 30 + (l/6), para pontos a leste de
Greenwich.

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

32. 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

33. 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
Sistema de Posicionamento Global – GPS

34. 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.

35. 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

36. 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)

37. SPS
 Precisão nominal:
– 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

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

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

40.  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

41. Segmentos do Sistema GPS
 Espacial
 Controle
 Usuário

42. 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)

44. 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

46. 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.

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

48.  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

49. 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

50. ESTRUTURA DO SINAL GPS

51. CÓDIGOS PRN
Pseudo Randon Noise

52. Determinação das Coordenadas

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

55. 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)

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

58. 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.

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

60. 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;

61.  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;

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

63. 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

64.  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)

65.  Em Tempo Real
 Pós-processado
Correção do Posicionamento

66. 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

67. RBMC - IBGE

68. RIBaC - INCRA

69. Rede de Rádios Faróis da Marinha

70. 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)

71. 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

72. 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

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

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

75. 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.

76.  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

77.  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.

78.  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

79.  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.

80. OBRIGADA!
www.ibge.gov.br