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O documento descreve o sistema de posicionamento global (GPS). O GPS utiliza satélites artificiais para determinar a posição de um receptor em latitude, longitude e altitude através da medição dos sinais provenientes de pelo menos 3 satélites. O documento explica o funcionamento do GPS por meio da trilateração dos sinais dos satélites, as características dos sistemas GPS, GLONASS e GALILEO, e como são determinadas as coordenadas do receptor.

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GPS
GPS
Sistema de Posicionamento
Sistema de Posicionamento
por Satélites Artificiais
por Satélites Artificiais
por Satélites Artificiais
por Satélites Artificiais
Prof. Tiago Badre Marino – Geoprocessamento
Departamento de Geociências – Instituto de Agronomia
UFRRJ
Sumário
Sumário
O QUE É GPS?
FUNCIONAMENTO DO GPS
DIFERENTES SISTEMAS
SISTEMA GNSS
SISTEMA GPS
SISTEMA GLONASS
GPS - Sistema de Posicionamento por Satélites Artificiais
2 Prof. Tiago Badre Marino – Geoprocessamento - Departamento de Geociências – Instituto de Agronomia - UFRRJ
Prof. Tiago Badre Marino – Geoprocessamento - Departamento de Geociências – Instituto de Agronomia - UFRRJ
SISTEMA GLONASS
SISTEMA GALILEO
PERTURBAÇÕES DO SINAL
Sumário
Sumário
TÉCNICAS DE MELHORA DO SINAL
DGPS
WAAS
WADGPS
EGNOS
PROCESSAMENTO GPS
GPS - Sistema de Posicionamento por Satélites Artificiais
3 Prof. Tiago Badre Marino – Geoprocessamento - Departamento de Geociências – Instituto de Agronomia - UFRRJ
Prof. Tiago Badre Marino – Geoprocessamento - Departamento de Geociências – Instituto de Agronomia - UFRRJ
PROCESSAMENTO GPS
VANTAGENS E DESVANTAGENS
UTILIDADES DE GPS
EXEMPLOS DE APLICAÇÃO
REFERÊNCIAS
O que é o GPS?
O que é o GPS?
 Uma das necessidades básicas do Homem
foi saber onde se encontrava.
 O Homem desde cedo se questionou: “em
que parte do Mundo é que eu estou?”
 GPS é o Sistema de Posicionamento Global.
 Utiliza uma tecnologia via satélite que
permite determinar a sua posição sobre a
Alguns modelos de receptor GPS
Alguns modelos de receptor GPS
GPS - Sistema de Posicionamento por Satélites Artificiais
4
permite determinar a sua posição sobre a
Terra em latitude, longitude e altitude.
 Os receptores GPS medem os sinais
provenientes de 3 ou mais satélites em
simultâneo e determinam a sua posição
através da trilateração destes sinais.
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GPS: Localização por
GPS: Localização por trilateração
trilateração
O que é o GPS?
O que é o GPS?
 Composto atualmente por 24 satélites ativos e 3
de reserva.
 Órbita a 20.200 km de altitude, distribuídos por
6 planos orbitais diferentes.
 Esta distribuição garante que qualquer ponto da superfície da
Terra está, em qualquer momento, em linha de vista com pelo
menos 4 satélites.
GPS - Sistema de Posicionamento por Satélites Artificiais
5
menos 4 satélites.
 Inicialmente criado com intuitos exclusivamente militares e
gerido pelo Departamento de Defesa do Estados Unidos.
 Definitivamente aberto à utilização pública no ano 2000.
 A partir dessa data ficou disponível para todos a capacidade de
determinação da posição geográfica e de navegação entre
quaisquer dois pontos da superfície terrestre.
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Sumário
Sumário
O QUE É GPS?
FUNCIONAMENTO DO GPS
DIFERENTES SISTEMAS
SISTEMA GNSS
SISTEMA GPS
SISTEMA GLONASS
GPS - Sistema de Posicionamento por Satélites Artificiais
6 Prof. Tiago Badre Marino – Geoprocessamento - Departamento de Geociências – Instituto de Agronomia - UFRRJ
Prof. Tiago Badre Marino – Geoprocessamento - Departamento de Geociências – Instituto de Agronomia - UFRRJ
SISTEMA GLONASS
SISTEMA GALILEO
PERTURBAÇÕES DO SINAL
Funcionamento do GPS
Funcionamento do GPS
 O GPS, bem como os seus sistemas equivalentes, o europeu
Galileu e o russo Glonass, recorrem a um processo geométrico de
trilateração (trilateration).
 Desde agosto de 2000 que, graças à introdução do WAAS (Wide-
Area Augmentation System) que a precisão do GPS é inferior a 2
metros (aviação civil - EUA).
 E com o recurso ao DGPS
GPS - Sistema de Posicionamento por Satélites Artificiais
7
 E com o recurso ao DGPS
(Differential GPS), utilizando
emissores fixos, na superfície
terrestre, essa precisão pode
atingir 1 centímetro!
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Trilateração
Trilateração
Funcionamento do GPS
Funcionamento do GPS
 Tudo se resume a medir o tempo que o sinal emitido por cada satélite demora a
atingir a nossa antena receptora.
 A velocidade a que este sinal se propaga pelo espaço vazio é cerca de 300.000
km/s. Multiplicando esta velocidade pelo tempo medido obtemos a distância.
 Para obtenção de distâncias com a precisão de 1 metro é preciso medir o tempo
com uma precisão na ordem dos 0,000000003 segundos (entre 3 e 4
nanossegundos)!
 Para medir diferenças temporais dessa ordem é necessário que os satélites e os
receptores disponham de relógios extremamente precisos.
GPS - Sistema de Posicionamento por Satélites Artificiais
8
receptores disponham de relógios extremamente precisos.
 Os satélites cumprem esse requisito pois possuem relógios atômicos caríssimos,
mas os nossos receptores dispõem apenas de relógios de quartzo (baratos
porém imprecisos).
 Para ultrapassar esse inconveniente o sistema GPS recorre a um artifício
engenhoso: faz com que o relógio do aparelho receptor seja constantemente
atualizado com a hora atômica transmitida pelos satélites do sistema GPS.
Prof. Tiago Badre Marino – Geoprocessamento - Departamento de Geociências – Instituto de Agronomia - UFRRJ
Funcionamento do GPS
Funcionamento do GPS
 Saber a que distância estamos de cada satélite é suficiente para sabermos a
nossa posição?
 Não. Primeiro é preciso sabermos onde está cada satélite.
 Cada satélite comunica ao receptor constantemente um almanaque com a sua
posição no espaço para podermos determinar nossa própria posição.
 Quantos satélites são necessários para determinar a nossa posição?
 Em teoria, três! Mas na prática são usados quatro. Vejamos melhor porquê...
 Com um satélite do qual conhecemos a distância a que está de nós, apenas nos é
possível dizer que a nossa localização é um ponto qualquer sobre uma esfera
GPS - Sistema de Posicionamento por Satélites Artificiais
9
possível dizer que a nossa localização é um ponto qualquer sobre uma esfera
imaginária com raio igual a essa distância:
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Podemos estar em
qualquer um dos
pontos sobre esta
superfície!
Funcionamento do GPS
Funcionamento do GPS
 Se conhecermos também a distância a que estamos de um segundo satélite, já
nos é possível afirmar que a nossa posição é um ponto qualquer sobre a
circunferência imaginária que resulta da intersecção das duas esferas.
 Agora as possibilidades, embora sejam ainda em número infinito, já estão
limitadas ao plano da circunferência, em duas dimensões.
GPS - Sistema de Posicionamento por Satélites Artificiais
10 Prof. Tiago Badre Marino – Geoprocessamento - Departamento de Geociências – Instituto de Agronomia - UFRRJ
Podemos estar em
qualquer um dos
pontos sobre esta
linha vermelha!
Funcionamento do GPS
Funcionamento do GPS
 Com um terceiro satélite, a intersecção desta última esfera com a
circunferência reduz a ambiguidade sobre a nossa localização a 2
pontos.
 Um dos pontos pode ser eliminado pela simples razão de se
encontrar no espaço e nós sabemos estar na superfície da Terra
está encontrada a nossa posição!
GPS - Sistema de Posicionamento por Satélites Artificiais
11 Prof. Tiago Badre Marino – Geoprocessamento - Departamento de Geociências – Instituto de Agronomia - UFRRJ
Funcionamento do GPS
Funcionamento do GPS
 Para que serve o quarto satélite ?
 Primeiro motivo: dispensa a utilização do raciocínio atrás descrito. O quarto
satélite permite escolher um dos 2 pontos anteriormente determinados e
sabermos, além da latitude e da longitude (duas dimensões), a altitude
exata da nossa localização.
 Entretanto, ainda mais importante: permite verificar se existe o essencial
sincronismo de todos os relógios.
 De fato, se as medidas que o nosso receptor fez das distâncias forem
perfeitas - com o seu relógio perfeitamente sincronizado com os dos
GPS - Sistema de Posicionamento por Satélites Artificiais
12
perfeitas - com o seu relógio perfeitamente sincronizado com os dos
satélites - então as 4 esferas intersectam-se num único ponto. Mas se as
medidas forem imperfeitas, isso não acontecerá.
 Então o receptor, alertado para o erro pela quarta medição, aplicará o fator
de correção necessário para que as 4 esferas se intersectem num único
ponto.
 E é nesta altura que passamos a ter na nossa mão, como bônus, um relógio
tão preciso quanto os mais caros relógios atômicos!
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Funcionamento do GPS
Funcionamento do GPS
 Como é determinada a posição do receptor ?
 Uma vez conhecidas as distâncias a cada um dos satélites há que calcular
as coordenadas tridimensionais da posição do receptor: XR, YR e ZR.
 c x (TS-TR) = [(XS - XR)² + (YS - YR)² + (ZS - ZR)²]1/2  Pitágoras para 3D
em que c = velocidade da luz, TS = tempo da emissão, TR = tempo da
recepção, XS, YS, ZS = posição do satélite, e XR, YR, ZR = posição do
receptor.
 Os parâmetros conhecidos são TS (a hora de emissão do sinal), XS, YS,
GPS - Sistema de Posicionamento por Satélites Artificiais
13
 Os parâmetros conhecidos são TS (a hora de emissão do sinal), XS, YS,
ZS (a posição do satélite) e, claro, a velocidade do sinal c (299792,458
km/s).
 As incógnitas são 4: XR, YR, ZR (a posição do receptor) e TR (a hora de
recepção do sinal).
 4 incógnitas  4 equações  4 satélites.
 Há que estabelecer um sistema de coordenadas comum a ambos: WGS
84.
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Sumário
Sumário
O QUE É GPS?
FUNCIONAMENTO DO GPS
DIFERENTES SISTEMAS
SISTEMA GNSS
SISTEMA GPS
SISTEMA GLONASS
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SISTEMA GLONASS
SISTEMA GALILEO
PERTURBAÇÕES DO SINAL
Histórico do sistema GNSS
Histórico do sistema GNSS
Primeiro sistema denominado Transit
Lançamento 1960, USA.
Utilizava o princípio Doppler para comunicação.
Precisão de 200m.
GPS - Sistema de Posicionamento por Satélites Artificiais
15
A determinação da posição de pontos só era possível em
um determinado período aproximado de 1 hora (2h
região equatorial, 30min nos pólos).
 Não fornecia coordenadas tridimensionais (apenas lat. e
long.).
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Histórico do sistema GPS
Histórico do sistema GPS
 NAVSTAR - NAVigation System with Timing And Ranging / Global
Positioning System
 Sistema de posicionamento desenvolvido pelo Departamento de Defesa dos
Estados Unidos (década de 60).
 Fornece a posição e o tempo de modo instantâneo e contínuo sobre toda a
superfície da Terra.
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Características do sistema GPS
Características do sistema GPS
Totalmente operacional em 1995.
Estrutura:
 27 satélites (24 + 3 sobressalentes).
 6 planos orbitais.
 55° de inclinação dos planos orbitais em relação ao
plano do equador.
GPS - Sistema de Posicionamento por Satélites Artificiais
17
plano do equador.
 20.200 km de altura acima da superfície da Terra.
 12 horas siderais para dar uma volta à Terra.
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Características do sistema GPS
Características do sistema GPS
 Arquitetura:
 Segmento espacial: constelação de satélites
 Segmento de controle: responsável pelo monitoramento do sistema de satélites e
do tempo GPS, pela predição dos elementos orbitais e pela atualização periódica da
mensagem de navegação.
 Segmento de usuário: posicionamento topográfico e geodésico, navegação aérea,
marítima e terrestre.
GPS - Sistema de Posicionamento por Satélites Artificiais
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Planos orbitais da constelação do sistema GPS Forma e dimensão do satélite do sistema GPS
Características do sistema GLONASS
Características do sistema GLONASS
Sistema Russo alternativo ao GPS, cujo governo dos EUA
eventualmente desliga para o usuário civil, como
aconteceu nas operações militares no Iraque.
1º bloco lançado em 1982. Totalmente operacional
desde 2009.
Estrutura:
GPS - Sistema de Posicionamento por Satélites Artificiais
19
Estrutura:
 24 satélites.
 3 planos orbitais.
 64.8° de inclinação dos planos orbitais em relação ao plano do
equador.
 19.100 km de altura acima da superfície da Terra.
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Características do sistema GALILEO
Características do sistema GALILEO
 Sistema europeu concebido desde o início como um projeto civil,
em oposição ao GPS americano, ao GLONASS russo e ao Compass
chinês que são de origem militar.
 Vantagens: maior precisão, maior segurança (possibilidade de
transmitir e confirmar pedidos de ajuda em caso emergência) e
menos sujeito a problemas.
 Além disso, o sistema será inter-operável com os outros dois
sistemas já existentes, permitindo uma maior cobertura de
GPS - Sistema de Posicionamento por Satélites Artificiais
20
sistemas já existentes, permitindo uma maior cobertura de
satélites.
 Totalmente operacional em 2013.
 Estrutura:
 30 satélites (27 + 3 sobressalentes).
 3 planos orbitais com 56° de inclinação em relação ao plano do equador.
 24.000 km de altura acima da superfície da Terra.
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Sumário
Sumário
O QUE É GPS?
FUNCIONAMENTO DO GPS
DIFERENTES SISTEMAS
SISTEMA GNSS
SISTEMA GPS
SISTEMA GLONASS
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SISTEMA GLONASS
SISTEMA GALILEO
PERTURBAÇÕES DO SINAL
Erros do sistema de navegação por satélite
Erros do sistema de navegação por satélite
 Ionosfera
 Troposfera
 Multicaminhamento
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 Sincronismo de relógio
 DOP
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Perturbações do Sinal: Ionosfera
Perturbações do Sinal: Ionosfera
 Todas as variações que acontecem na ionosfera são mais ou menos
previsíveis e dependem principalmente da atividade solar e do grau de
ionização que as radiações solares provocam na ionosfera. Deste modo
pode-se, com os conhecimentos atuais, prever as condições de
propagação dentro de certos limites.
 O comportamento normal da ionosfera é alterado por determinados
fenômenos que ocorrem na superfície solar como sejam explosões
solares, provocando forte perturbação das camadas ionosféricas
GPS - Sistema de Posicionamento por Satélites Artificiais
23
solares, provocando forte perturbação das camadas ionosféricas
ionizando-as na região dos pólos.
 Durante o período em que a terra está exposta a estas anomalias as
características das diversas camadas é alterada e severas perturbações
ocorrem nos sistemas de comunicação.
 Modelos ionosféricos de correção:
 Correção IONfree
 Klobuchar
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Perturbações do Sinal: Ionosfera
Perturbações do Sinal: Ionosfera
Média anual de conteúdo total de elétrons (TEC)
Média anual de conteúdo total de elétrons (TEC)
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Gráfico de atividade solar anual
Gráfico de atividade solar anual Média diária de conteúdo total de elétrons (TEC)
Média diária de conteúdo total de elétrons (TEC)
Perturbações do Sinal: Troposfera
Perturbações do Sinal: Troposfera
 A troposfera é a camada gasosa da atmosfera, que se estende da
superfície terrestre até aproximadamente 50 km de altura.
 O atraso troposférico é relativamente pequeno (cerca de 1m).
 O atraso na troposfera depende de: temperatura, umidade e
pressão que variam com a altitude local.
 Modelos troposféricos de correção:
 HOPFIELDHOPFIELD
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 SAASTAMOINEMSAASTAMOINE
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Distorção do sinal ao passar pela troposfera e ionosfera
Distorção do sinal ao passar pela troposfera e ionosfera
Perturbações do Sinal:
Perturbações do Sinal: Multicaminhamento
Multicaminhamento
 Nem sempre o sinal que chega ao receptor é o sinal diretamente
transmitido pelo satélite.
 O sinal recebido pode ser aquele rebatido de algum objeto na
superfície da Terra.
 Como o sinal refletido possui intensidade menor que o original, o
receptor pode facilmente desconsiderá-lo.
 Para minimizar o efeito do multicaminhamento existem alguns
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 Para minimizar o efeito do multicaminhamento existem alguns
modelos de antenas.
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Blindagem em antenas para bloquear sinais de
Blindagem em antenas para bloquear sinais de multicaminhamento
multicaminhamento Multicaminhamento
Multicaminhamento: Receptor recebendo diversas vezes o mesmo sinal
: Receptor recebendo diversas vezes o mesmo sinal
Perturbações do Sinal: Sincronismo dos Relógios
Perturbações do Sinal: Sincronismo dos Relógios
 Os relógios dos receptores possuem um oscilador de quartzo –
baixa precisão.
 O relógio (atômico) embarcado no satélite GPS possui um
oscilador de Césio/Rubídio – alta precisão.
 O dessincronismo no instante de transmissão e de recepção do
sinal do GPS gera um erro na medida de distância.
Ex.: 1 segundo de defasagem = 300.000 km de erro!
GPS - Sistema de Posicionamento por Satélites Artificiais
27
Ex.: 1 segundo de defasagem = 300.000 km de erro!
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Para se obter uma posição
Para se obter uma posição precisa
precisa é necessário observar no mínimo 4 satélites.
é necessário observar no mínimo 4 satélites.
Perturbações do Sinal: DOP
Perturbações do Sinal: DOP -
- Diluição da Precisão
Diluição da Precisão
 A qualidade do levantamento está relacionada também com a
geometria dos satélites na hora do rastreio.
 O DOP é um indicativo dessa geometria dos satélites rastreados,
consequentemente da qualidade dos dados a serem obtidos.
 O PDOP pode ser interpretado como o inverso do volume do
tetraedro formado pelos 4 satélites e da antena do receptor do
usuário – quanto menor DOP mais preciso.
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PDOP bom
PDOP bom PDOP ruim
PDOP ruim
Perturbações do Sinal: SA
Perturbações do Sinal: SA –
– Selective
Selective Availability
Availability
Degradação intencional do sinal imposta pelo
Departamento de Defesa Norte-Americano.
Era pretendido que o SA impedisse os adversários
militares de usar os sinais altamente precisos de GPS.
Erros da ordem de 100 metros.
O Governo do EUA retirou o SA em maio de 2000, o que
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29
O Governo do EUA retirou o SA em maio de 2000, o que
melhorou significativamente, a precisão dos receptores
de GPS civil.
Em função deste domínio e distorção imposta pelos EUA,
Europa, Rússia e outros países decidiram por lançar seus
próprios sistemas de posicionamento por satélite.
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Sumário
Sumário
TÉCNICAS DE MELHORA DO SINAL
DGPS
WAAS
WADGPS
EGNOS
PROCESSAMENTO GPS
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PROCESSAMENTO GPS
VANTAGENS E DESVANTAGENS
UTILIDADES DE GPS
EXEMPLOS DE APLICAÇÃO
REFERÊNCIAS
DGPS
DGPS –
– Posicionamento Diferencial em Tempo Real
Posicionamento Diferencial em Tempo Real
 DGPS - GPS Diferencial
 Princípio: um receptor permanece observando os
satélites em um ponto conhecido (base).
 Pode-se comparar o resultado obtido do rastreio com o
que é conhecido e assim obter uma correção.
GPS - Sistema de Posicionamento por Satélites Artificiais
31
que é conhecido e assim obter uma correção.
 Esta é aplicada ao receptor itinerante através de um link
de rádio.
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DGPS
DGPS –
– Posicionamento Diferencial em Tempo Real
Posicionamento Diferencial em Tempo Real
GPS - Sistema de Posicionamento por Satélites Artificiais
32 Prof. Tiago Badre Marino – Geoprocessamento - Departamento de Geociências – Instituto de Agronomia - UFRRJ
DGPS: Estação base recebe coordenadas do GPS, constata o erro e informa a
DGPS: Estação base recebe coordenadas do GPS, constata o erro e informa a
correção à estação móvel através de um link de rádio
correção à estação móvel através de um link de rádio
DGPS
DGPS –
– Posicionamento Diferencial em Tempo Real
Posicionamento Diferencial em Tempo Real
 RTK: Real Time Kinematic
 Esta técnica é um tipo de posicionamento relativo, porém em tempo real. É
relativo porque um receptor ocupa um ponto de coordenadas conhecidas e
calcula a diferença entre elas e as coordenadas observadas.
 Através de um rádio, transmite-se essa diferença para a estação móvel que
também possui um rádio o qual recebe esta informação.
 A sua precisão pode chegar a 1 a 2 cm. Sua precisão varia de acordo com o
local e da distância do receptor base (limitada pelo alcance do rádio).
GPS - Sistema de Posicionamento por Satélites Artificiais
33 Prof. Tiago Badre Marino – Geoprocessamento - Departamento de Geociências – Instituto de Agronomia - UFRRJ
Estação
Estação Rover
Rover Estação Base
Estação Base
DGPS
DGPS –
– Posicionamento Diferencial em Tempo Real
Posicionamento Diferencial em Tempo Real
GPS - Sistema de Posicionamento por Satélites Artificiais
34 Prof. Tiago Badre Marino – Geoprocessamento - Departamento de Geociências – Instituto de Agronomia - UFRRJ
Diagrama de operação do sistema DGPS: receptor base mensura erro e transmite correção para receptor
Diagrama de operação do sistema DGPS: receptor base mensura erro e transmite correção para receptor
WAAS
WAAS -
- Wide Area Augmentation System
Wide Area Augmentation System
 Medida de correção e aprimoramento das
coordenadas GPS.
 Implantada pelo Departamento de
Transportes dos EUA visando adequar os
requisitos para navegação marítima e
aérea.
 Composta por aproximadamente 25
estações base pelos EUA que recebem e
corrigem erros de sinais como perturbação
ionosférica, troposférica, relógio, etc.
GPS - Sistema de Posicionamento por Satélites Artificiais
35 Prof. Tiago Badre Marino – Geoprocessamento - Departamento de Geociências – Instituto de Agronomia - UFRRJ
ionosférica, troposférica, relógio, etc.
 Sua operação é análoga ao sistema DGPS.
Utilizam satélites geoestacionários para
transmitir as correções aos veículos.
 Europa (EGNOS), Japão (MSAS) e outros
países também estão desenvolvendo
programas semelhantes a fim de aproveitar
o sistema de posicionamento aplicado aos
seus sistemas de transportes.
Ilustração da operação do WAAS
Ilustração da operação do WAAS
WADGPS na América do Sul
WADGPS na América do Sul
 Link de dados envolve transmissão
via satélite/rádio, etc...
 Correções ponderadas de acordo a
localização em relação às estações
de referência.
 Sistema privado (assinatura).
 Saída RTCM e NMEA para interface
com outros sistemas.
GPS - Sistema de Posicionamento por Satélites Artificiais
36
 Precisão da correção 1-2m.
 Vantagens
 sinal permanente
 grande cobertura
 economia da base
 aumento produtividade
 navegação e locação
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Diagrama de operação do sistema WADGPS
Diagrama de operação do sistema WADGPS
EGNOS
EGNOS -
- European Geostationary Overlay Service
European Geostationary Overlay Service
A Europa também dispõe
de um serviço que tem
como objetivo melhorar a
precisão de sistema de
navegação utilizando os
sistemas de
posicionamento por
GPS - Sistema de Posicionamento por Satélites Artificiais
37
posicionamento por
satélites existentes (GPS,
GLONASS e futuramente
GALILEU).
Opera do mesmo modo
que o WADGPS.
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Área de cobertura do EGNOS
Área de cobertura do EGNOS
Funcionalidades do GPS
Funcionalidades do GPS
 A principal função do GPS é a navegação.
 O aparelho GPS disponibiliza várias informações, tais como:
 Waypoints: são coordenadas representam lugares específicos, como cidades, praças,
pontes, cruzamentos, etc.
 Trilhas: Sequência de coordenadas que registram um caminho percorrido pelo
utilizador.
 Rotas: Seqüência de waypoints que formam um percurso planeado de viagem.
 Go to: indica um ponto de destino e ele fornece a direção a ser seguida para se
chegar a esse ponto.
GPS - Sistema de Posicionamento por Satélites Artificiais
38
chegar a esse ponto.
 Track Back: voltar ao ponto de origem seguindo a trilha inicial ou pedindo ao GPS
para criar uma rota de retorno, que também levará ao ponto inicial mas
economizará alguns contornos.
 Distância entre dois pontos: esta função permite que o GPS calcule a distância entre
quaisquer waypoints que estejam gravados.
 A capacidade de cada GPS poder ou não executar uma ou outra função,
depende da sua marca e modelo.
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Sumário
Sumário
TÉCNICAS DE MELHORA DO SINAL
DGPS
WAAS
WADGPS
EGNOS
PROCESSAMENTO GPS
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39 Prof. Tiago Badre Marino – Geoprocessamento - Departamento de Geociências – Instituto de Agronomia - UFRRJ
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PROCESSAMENTO GPS
VANTAGENS E DESVANTAGENS
UTILIDADES DE GPS
EXEMPLOS DE APLICAÇÃO
REFERÊNCIAS
Vantagens
Vantagens
Extremamente preciso.
Cobertura mundial por 24hs.
Qualquer condição de tempo.
Sistema estável
 Devido à órbita elevada.
GPS - Sistema de Posicionamento por Satélites Artificiais
40
 Devido à órbita elevada.
Hora precisa
 Receptor corrige constantemente baseado no relógio
atômico dos satélites.
Serviço gratuito.
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Desvantagens
Desvantagens
Requer equipamentos adicionais para maior precisão:
 Antenas, DGPS, WAAS, etc.
3 satélites no mínimo:
 Necessita de perfeita visibilidade com os satélites acima
do horizonte (sem ocultações).
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 Interferências com o sinal (opera por radiofreqüência).
 Dificuldades de funcionamento em zonas muito
arborizadas e edificadas.
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Condições para o posicionamento por satélite
Condições para o posicionamento por satélite
Condições mínimas:
 Não estar em locais fechados.
 Visibilidade de pelo menos 4 satélites (3 para determinação da
posição e um para o problema do sincronismo dos relógios).
 Inexistência de alta atividade ionosférica (tempestade solar).
GPS - Sistema de Posicionamento por Satélites Artificiais
42
Condições ideais:
 Local de céu aberto (ausência de obstruções prédios, árvores,
etc).
 Visibilidade do maior número de satélites.
 Inexistência de alta atividade ionosférica (tempestade solar).
Prof. Tiago Badre Marino – Geoprocessamento - Departamento de Geociências – Instituto de Agronomia - UFRRJ
Sumário
Sumário
TÉCNICAS DE MELHORA DO SINAL
DGPS
WAAS
WADGPS
EGNOS
PROCESSAMENTO GPS
GPS - Sistema de Posicionamento por Satélites Artificiais
43 Prof. Tiago Badre Marino – Geoprocessamento - Departamento de Geociências – Instituto de Agronomia - UFRRJ
Prof. Tiago Badre Marino – Geoprocessamento - Departamento de Geociências – Instituto de Agronomia - UFRRJ
PROCESSAMENTO GPS
VANTAGENS E DESVANTAGENS
UTILIDADES DE GPS
EXEMPLOS DE APLICAÇÃO
REFERÊNCIAS
Utilidades do GPS
Utilidades do GPS
 Equipamentos nas viaturas da Guarda Florestal, Polícia e Bombeiros.
 Serviços para empresas monitorarem os trabalhadores (táxis).
 Aviação geral e comercial e também na navegação marítima.
 A comunidade científica utiliza-o pelo seu relógio altamente preciso.
 O GPS tem-se tornado cada vez mais popular entre os ciclistas,
balonistas, pescadores, ecologistas e até mesmo por turistas que
querem apenas orientação durante as suas viagens (alguns aparelhos
GPS - Sistema de Posicionamento por Satélites Artificiais
44
querem apenas orientação durante as suas viagens (alguns aparelhos
têm bússola, altímetro, velocímetro).
 GPS integrado ao telefone.
 Máquina fotográfica com GPS: imprime coordenadas à foto.
 GPS para levantamento topográfico de alta precisão (DGPS).
 Sistemas para aterragens de aviões com visibilidade zero.
Prof. Tiago Badre Marino – Geoprocessamento - Departamento de Geociências – Instituto de Agronomia - UFRRJ
Produtos disponíveis no mercado
Produtos disponíveis no mercado
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Sumário
Sumário
TÉCNICAS DE MELHORA DO SINAL
DGPS
WAAS
WADGPS
EGNOS
PROCESSAMENTO GPS
GPS - Sistema de Posicionamento por Satélites Artificiais
46 Prof. Tiago Badre Marino – Geoprocessamento - Departamento de Geociências – Instituto de Agronomia - UFRRJ
Prof. Tiago Badre Marino – Geoprocessamento - Departamento de Geociências – Instituto de Agronomia - UFRRJ
PROCESSAMENTO GPS
VANTAGENS E DESVANTAGENS
UTILIDADES DE GPS
EXEMPLOS DE APLICAÇÃO
REFERÊNCIAS
Exemplos de aplicação do sistema GPS
Exemplos de aplicação do sistema GPS
 Engenharia
 Navegação
 Mapeamento
 Cadastro
 Monitoramento de estruturas
 Ambiental
 Monitoramento de animais (TAMAR)
 Reflorestamento
 Transportes/Logística
GPS - Sistema de Posicionamento por Satélites Artificiais
47
 Transportes/Logística
 Controle de frotas (Autotrac)
 Bombeiros/Polícia/Resgate
 Agricultura
 Agricultura de Precisão
 Lazer
 Caminhadas
 Esportes
Prof. Tiago Badre Marino – Geoprocessamento - Departamento de Geociências – Instituto de Agronomia - UFRRJ
Exemplos de aplicação do sistema GPS
Exemplos de aplicação do sistema GPS
 Cadastramento de postes / linhas de alta-tensão
GPS - Sistema de Posicionamento por Satélites Artificiais
48 Prof. Tiago Badre Marino – Geoprocessamento - Departamento de Geociências – Instituto de Agronomia - UFRRJ
Exemplos de aplicação do sistema GPS
Exemplos de aplicação do sistema GPS
 Agricultura de Precisão
GPS - Sistema de Posicionamento por Satélites Artificiais
49 Prof. Tiago Badre Marino – Geoprocessamento - Departamento de Geociências – Instituto de Agronomia - UFRRJ
Exemplos de aplicação do sistema GPS
Exemplos de aplicação do sistema GPS
 Controle de frotas e navegação
 Carros de polícia, bombeiros, ônibus, caminhões, frotas táxis,...
GPS - Sistema de Posicionamento por Satélites Artificiais
50 Prof. Tiago Badre Marino – Geoprocessamento - Departamento de Geociências – Instituto de Agronomia - UFRRJ
Exemplos de aplicação do sistema GPS
Exemplos de aplicação do sistema GPS
 Implantação de estradas / construção civil
GPS - Sistema de Posicionamento por Satélites Artificiais
51 Prof. Tiago Badre Marino – Geoprocessamento - Departamento de Geociências – Instituto de Agronomia - UFRRJ
Exemplos de aplicação do sistema GPS
Exemplos de aplicação do sistema GPS
 Monitoramento estático e dinâmico de estruturas:
 Pontes , Viadutos , Estádios, Edifícios, Portos, Etc...
GPS - Sistema de Posicionamento por Satélites Artificiais
52 Prof. Tiago Badre Marino – Geoprocessamento - Departamento de Geociências – Instituto de Agronomia - UFRRJ
Devemos lembrar ao utilizarmos GPS que:
Devemos lembrar ao utilizarmos GPS que:
O referencial é o sistema geocêntrico WGS-84.
Nossa navegação, a cartografia e os mapas, em geral,
NÃO estão referenciados ao WGS84.
Datum mais usados no Brasil: SAD69, Córrego Alegre,
SIRGAS.
GPS - Sistema de Posicionamento por Satélites Artificiais
53
SIRGAS.
SAD69 e Córrego Alegre NÃO são coincidentes com
WGS84 e também não são geocêntricos.
A altitudes têm origem local (Ex. Marégrafo de Imbituba-
SC).
Prof. Tiago Badre Marino – Geoprocessamento - Departamento de Geociências – Instituto de Agronomia - UFRRJ
Processamento GPS
Processamento GPS
 Como foi visto o sistema GPS possui uma série de fontes que causam
erros nas medidas das distâncias entre o satélite e a antena do receptor.
 Com o uso do posicionamento relativo, seja ele estático ou cinemático,
muitos desses erros são minimizados.
 Assim, para mapeamentos que exige maior precisão, é fundamental o
processamento dos dados GPS para corrigir as posições obtidas nos
rastreios.
GPS - Sistema de Posicionamento por Satélites Artificiais
54 Prof. Tiago Badre Marino – Geoprocessamento - Departamento de Geociências – Instituto de Agronomia - UFRRJ
Posições GPS não corrigidas
Posições GPS não corrigidas Posições GPS corrigidas
Posições GPS corrigidas
Sumário
Sumário
TÉCNICAS DE MELHORA DO SINAL
DGPS
WAAS
WADGPS
EGNOS
PROCESSAMENTO GPS
GPS - Sistema de Posicionamento por Satélites Artificiais
55 Prof. Tiago Badre Marino – Geoprocessamento - Departamento de Geociências – Instituto de Agronomia - UFRRJ
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PROCESSAMENTO GPS
VANTAGENS E DESVANTAGENS
UTILIDADES DE GPS
EXEMPLOS DE APLICAÇÃO
REFERÊNCIAS
Referências
Referências
 Como funciona o GPS:
 http://www.guia4ventos.com.br/artigos/gps_comousar.htm
 Informações sobre GPS: http://tycho.usno.navy.mil/gps.html
 GALILEO home-page: www.galileo-pgm.org
 GLONASS home-page: http://www.glonass-center.ru/frame_e.htm
 Projeto SIRGAS:
GPS - Sistema de Posicionamento por Satélites Artificiais
56
 Projeto SIRGAS:
 http://www1.ibge.gov.br/home/geografia/geodesico/sirgas/principal.htm
 Dados da RBMC:
 http://www.ibge.gov.br/home/geografia/geodesico/rbmcpesq.shtm
 Rede GPS do Estado de São Paulo:
 http://www.ptr.poli.usp.br/ltg/proj/RedeSP/Rede-SP.htm
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Folder_GPS_UFRRJ.pdf

  • 1. GPS GPS Sistema de Posicionamento Sistema de Posicionamento por Satélites Artificiais por Satélites Artificiais por Satélites Artificiais por Satélites Artificiais Prof. Tiago Badre Marino – Geoprocessamento Departamento de Geociências – Instituto de Agronomia UFRRJ Sumário Sumário O QUE É GPS? FUNCIONAMENTO DO GPS DIFERENTES SISTEMAS SISTEMA GNSS SISTEMA GPS SISTEMA GLONASS GPS - Sistema de Posicionamento por Satélites Artificiais 2 Prof. Tiago Badre Marino – Geoprocessamento - Departamento de Geociências – Instituto de Agronomia - UFRRJ Prof. Tiago Badre Marino – Geoprocessamento - Departamento de Geociências – Instituto de Agronomia - UFRRJ SISTEMA GLONASS SISTEMA GALILEO PERTURBAÇÕES DO SINAL Sumário Sumário TÉCNICAS DE MELHORA DO SINAL DGPS WAAS WADGPS EGNOS PROCESSAMENTO GPS GPS - Sistema de Posicionamento por Satélites Artificiais 3 Prof. Tiago Badre Marino – Geoprocessamento - Departamento de Geociências – Instituto de Agronomia - UFRRJ Prof. Tiago Badre Marino – Geoprocessamento - Departamento de Geociências – Instituto de Agronomia - UFRRJ PROCESSAMENTO GPS VANTAGENS E DESVANTAGENS UTILIDADES DE GPS EXEMPLOS DE APLICAÇÃO REFERÊNCIAS O que é o GPS? O que é o GPS? Uma das necessidades básicas do Homem foi saber onde se encontrava. O Homem desde cedo se questionou: “em que parte do Mundo é que eu estou?” GPS é o Sistema de Posicionamento Global. Utiliza uma tecnologia via satélite que permite determinar a sua posição sobre a Alguns modelos de receptor GPS Alguns modelos de receptor GPS GPS - Sistema de Posicionamento por Satélites Artificiais 4 permite determinar a sua posição sobre a Terra em latitude, longitude e altitude. Os receptores GPS medem os sinais provenientes de 3 ou mais satélites em simultâneo e determinam a sua posição através da trilateração destes sinais. Prof. Tiago Badre Marino – Geoprocessamento - Departamento de Geociências – Instituto de Agronomia - UFRRJ GPS: Localização por GPS: Localização por trilateração trilateração
  • 2. O que é o GPS? O que é o GPS? Composto atualmente por 24 satélites ativos e 3 de reserva. Órbita a 20.200 km de altitude, distribuídos por 6 planos orbitais diferentes. Esta distribuição garante que qualquer ponto da superfície da Terra está, em qualquer momento, em linha de vista com pelo menos 4 satélites. GPS - Sistema de Posicionamento por Satélites Artificiais 5 menos 4 satélites. Inicialmente criado com intuitos exclusivamente militares e gerido pelo Departamento de Defesa do Estados Unidos. Definitivamente aberto à utilização pública no ano 2000. A partir dessa data ficou disponível para todos a capacidade de determinação da posição geográfica e de navegação entre quaisquer dois pontos da superfície terrestre. Prof. Tiago Badre Marino – Geoprocessamento - Departamento de Geociências – Instituto de Agronomia - UFRRJ Sumário Sumário O QUE É GPS? FUNCIONAMENTO DO GPS DIFERENTES SISTEMAS SISTEMA GNSS SISTEMA GPS SISTEMA GLONASS GPS - Sistema de Posicionamento por Satélites Artificiais 6 Prof. Tiago Badre Marino – Geoprocessamento - Departamento de Geociências – Instituto de Agronomia - UFRRJ Prof. Tiago Badre Marino – Geoprocessamento - Departamento de Geociências – Instituto de Agronomia - UFRRJ SISTEMA GLONASS SISTEMA GALILEO PERTURBAÇÕES DO SINAL Funcionamento do GPS Funcionamento do GPS O GPS, bem como os seus sistemas equivalentes, o europeu Galileu e o russo Glonass, recorrem a um processo geométrico de trilateração (trilateration). Desde agosto de 2000 que, graças à introdução do WAAS (Wide- Area Augmentation System) que a precisão do GPS é inferior a 2 metros (aviação civil - EUA). E com o recurso ao DGPS GPS - Sistema de Posicionamento por Satélites Artificiais 7 E com o recurso ao DGPS (Differential GPS), utilizando emissores fixos, na superfície terrestre, essa precisão pode atingir 1 centímetro! Prof. Tiago Badre Marino – Geoprocessamento - Departamento de Geociências – Instituto de Agronomia - UFRRJ Trilateração Trilateração Funcionamento do GPS Funcionamento do GPS Tudo se resume a medir o tempo que o sinal emitido por cada satélite demora a atingir a nossa antena receptora. A velocidade a que este sinal se propaga pelo espaço vazio é cerca de 300.000 km/s. Multiplicando esta velocidade pelo tempo medido obtemos a distância. Para obtenção de distâncias com a precisão de 1 metro é preciso medir o tempo com uma precisão na ordem dos 0,000000003 segundos (entre 3 e 4 nanossegundos)! Para medir diferenças temporais dessa ordem é necessário que os satélites e os receptores disponham de relógios extremamente precisos. GPS - Sistema de Posicionamento por Satélites Artificiais 8 receptores disponham de relógios extremamente precisos. Os satélites cumprem esse requisito pois possuem relógios atômicos caríssimos, mas os nossos receptores dispõem apenas de relógios de quartzo (baratos porém imprecisos). Para ultrapassar esse inconveniente o sistema GPS recorre a um artifício engenhoso: faz com que o relógio do aparelho receptor seja constantemente atualizado com a hora atômica transmitida pelos satélites do sistema GPS. Prof. Tiago Badre Marino – Geoprocessamento - Departamento de Geociências – Instituto de Agronomia - UFRRJ
  • 3. Funcionamento do GPS Funcionamento do GPS Saber a que distância estamos de cada satélite é suficiente para sabermos a nossa posição? Não. Primeiro é preciso sabermos onde está cada satélite. Cada satélite comunica ao receptor constantemente um almanaque com a sua posição no espaço para podermos determinar nossa própria posição. Quantos satélites são necessários para determinar a nossa posição? Em teoria, três! Mas na prática são usados quatro. Vejamos melhor porquê... Com um satélite do qual conhecemos a distância a que está de nós, apenas nos é possível dizer que a nossa localização é um ponto qualquer sobre uma esfera GPS - Sistema de Posicionamento por Satélites Artificiais 9 possível dizer que a nossa localização é um ponto qualquer sobre uma esfera imaginária com raio igual a essa distância: Prof. Tiago Badre Marino – Geoprocessamento - Departamento de Geociências – Instituto de Agronomia - UFRRJ Podemos estar em qualquer um dos pontos sobre esta superfície! Funcionamento do GPS Funcionamento do GPS Se conhecermos também a distância a que estamos de um segundo satélite, já nos é possível afirmar que a nossa posição é um ponto qualquer sobre a circunferência imaginária que resulta da intersecção das duas esferas. Agora as possibilidades, embora sejam ainda em número infinito, já estão limitadas ao plano da circunferência, em duas dimensões. GPS - Sistema de Posicionamento por Satélites Artificiais 10 Prof. Tiago Badre Marino – Geoprocessamento - Departamento de Geociências – Instituto de Agronomia - UFRRJ Podemos estar em qualquer um dos pontos sobre esta linha vermelha! Funcionamento do GPS Funcionamento do GPS Com um terceiro satélite, a intersecção desta última esfera com a circunferência reduz a ambiguidade sobre a nossa localização a 2 pontos. Um dos pontos pode ser eliminado pela simples razão de se encontrar no espaço e nós sabemos estar na superfície da Terra está encontrada a nossa posição! GPS - Sistema de Posicionamento por Satélites Artificiais 11 Prof. Tiago Badre Marino – Geoprocessamento - Departamento de Geociências – Instituto de Agronomia - UFRRJ Funcionamento do GPS Funcionamento do GPS Para que serve o quarto satélite ? Primeiro motivo: dispensa a utilização do raciocínio atrás descrito. O quarto satélite permite escolher um dos 2 pontos anteriormente determinados e sabermos, além da latitude e da longitude (duas dimensões), a altitude exata da nossa localização. Entretanto, ainda mais importante: permite verificar se existe o essencial sincronismo de todos os relógios. De fato, se as medidas que o nosso receptor fez das distâncias forem perfeitas - com o seu relógio perfeitamente sincronizado com os dos GPS - Sistema de Posicionamento por Satélites Artificiais 12 perfeitas - com o seu relógio perfeitamente sincronizado com os dos satélites - então as 4 esferas intersectam-se num único ponto. Mas se as medidas forem imperfeitas, isso não acontecerá. Então o receptor, alertado para o erro pela quarta medição, aplicará o fator de correção necessário para que as 4 esferas se intersectem num único ponto. E é nesta altura que passamos a ter na nossa mão, como bônus, um relógio tão preciso quanto os mais caros relógios atômicos! Prof. Tiago Badre Marino – Geoprocessamento - Departamento de Geociências – Instituto de Agronomia - UFRRJ
  • 4. Funcionamento do GPS Funcionamento do GPS Como é determinada a posição do receptor ? Uma vez conhecidas as distâncias a cada um dos satélites há que calcular as coordenadas tridimensionais da posição do receptor: XR, YR e ZR. c x (TS-TR) = [(XS - XR)² + (YS - YR)² + (ZS - ZR)²]1/2 Pitágoras para 3D em que c = velocidade da luz, TS = tempo da emissão, TR = tempo da recepção, XS, YS, ZS = posição do satélite, e XR, YR, ZR = posição do receptor. Os parâmetros conhecidos são TS (a hora de emissão do sinal), XS, YS, GPS - Sistema de Posicionamento por Satélites Artificiais 13 Os parâmetros conhecidos são TS (a hora de emissão do sinal), XS, YS, ZS (a posição do satélite) e, claro, a velocidade do sinal c (299792,458 km/s). As incógnitas são 4: XR, YR, ZR (a posição do receptor) e TR (a hora de recepção do sinal). 4 incógnitas 4 equações 4 satélites. Há que estabelecer um sistema de coordenadas comum a ambos: WGS 84. Prof. Tiago Badre Marino – Geoprocessamento - Departamento de Geociências – Instituto de Agronomia - UFRRJ Sumário Sumário O QUE É GPS? FUNCIONAMENTO DO GPS DIFERENTES SISTEMAS SISTEMA GNSS SISTEMA GPS SISTEMA GLONASS GPS - Sistema de Posicionamento por Satélites Artificiais 14 Prof. Tiago Badre Marino – Geoprocessamento - Departamento de Geociências – Instituto de Agronomia - UFRRJ Prof. Tiago Badre Marino – Geoprocessamento - Departamento de Geociências – Instituto de Agronomia - UFRRJ SISTEMA GLONASS SISTEMA GALILEO PERTURBAÇÕES DO SINAL Histórico do sistema GNSS Histórico do sistema GNSS Primeiro sistema denominado Transit Lançamento 1960, USA. Utilizava o princípio Doppler para comunicação. Precisão de 200m. GPS - Sistema de Posicionamento por Satélites Artificiais 15 A determinação da posição de pontos só era possível em um determinado período aproximado de 1 hora (2h região equatorial, 30min nos pólos). Não fornecia coordenadas tridimensionais (apenas lat. e long.). Prof. Tiago Badre Marino – Geoprocessamento - Departamento de Geociências – Instituto de Agronomia - UFRRJ Histórico do sistema GPS Histórico do sistema GPS NAVSTAR - NAVigation System with Timing And Ranging / Global Positioning System Sistema de posicionamento desenvolvido pelo Departamento de Defesa dos Estados Unidos (década de 60). Fornece a posição e o tempo de modo instantâneo e contínuo sobre toda a superfície da Terra. GPS - Sistema de Posicionamento por Satélites Artificiais 16 Prof. Tiago Badre Marino – Geoprocessamento - Departamento de Geociências – Instituto de Agronomia - UFRRJ
  • 5. Características do sistema GPS Características do sistema GPS Totalmente operacional em 1995. Estrutura: 27 satélites (24 + 3 sobressalentes). 6 planos orbitais. 55° de inclinação dos planos orbitais em relação ao plano do equador. GPS - Sistema de Posicionamento por Satélites Artificiais 17 plano do equador. 20.200 km de altura acima da superfície da Terra. 12 horas siderais para dar uma volta à Terra. Prof. Tiago Badre Marino – Geoprocessamento - Departamento de Geociências – Instituto de Agronomia - UFRRJ Características do sistema GPS Características do sistema GPS Arquitetura: Segmento espacial: constelação de satélites Segmento de controle: responsável pelo monitoramento do sistema de satélites e do tempo GPS, pela predição dos elementos orbitais e pela atualização periódica da mensagem de navegação. Segmento de usuário: posicionamento topográfico e geodésico, navegação aérea, marítima e terrestre. GPS - Sistema de Posicionamento por Satélites Artificiais 18 Prof. Tiago Badre Marino – Geoprocessamento - Departamento de Geociências – Instituto de Agronomia - UFRRJ Planos orbitais da constelação do sistema GPS Forma e dimensão do satélite do sistema GPS Características do sistema GLONASS Características do sistema GLONASS Sistema Russo alternativo ao GPS, cujo governo dos EUA eventualmente desliga para o usuário civil, como aconteceu nas operações militares no Iraque. 1º bloco lançado em 1982. Totalmente operacional desde 2009. Estrutura: GPS - Sistema de Posicionamento por Satélites Artificiais 19 Estrutura: 24 satélites. 3 planos orbitais. 64.8° de inclinação dos planos orbitais em relação ao plano do equador. 19.100 km de altura acima da superfície da Terra. Prof. Tiago Badre Marino – Geoprocessamento - Departamento de Geociências – Instituto de Agronomia - UFRRJ Características do sistema GALILEO Características do sistema GALILEO Sistema europeu concebido desde o início como um projeto civil, em oposição ao GPS americano, ao GLONASS russo e ao Compass chinês que são de origem militar. Vantagens: maior precisão, maior segurança (possibilidade de transmitir e confirmar pedidos de ajuda em caso emergência) e menos sujeito a problemas. Além disso, o sistema será inter-operável com os outros dois sistemas já existentes, permitindo uma maior cobertura de GPS - Sistema de Posicionamento por Satélites Artificiais 20 sistemas já existentes, permitindo uma maior cobertura de satélites. Totalmente operacional em 2013. Estrutura: 30 satélites (27 + 3 sobressalentes). 3 planos orbitais com 56° de inclinação em relação ao plano do equador. 24.000 km de altura acima da superfície da Terra. Prof. Tiago Badre Marino – Geoprocessamento - Departamento de Geociências – Instituto de Agronomia - UFRRJ
  • 6. Sumário Sumário O QUE É GPS? FUNCIONAMENTO DO GPS DIFERENTES SISTEMAS SISTEMA GNSS SISTEMA GPS SISTEMA GLONASS GPS - Sistema de Posicionamento por Satélites Artificiais 21 Prof. Tiago Badre Marino – Geoprocessamento - Departamento de Geociências – Instituto de Agronomia - UFRRJ Prof. Tiago Badre Marino – Geoprocessamento - Departamento de Geociências – Instituto de Agronomia - UFRRJ SISTEMA GLONASS SISTEMA GALILEO PERTURBAÇÕES DO SINAL Erros do sistema de navegação por satélite Erros do sistema de navegação por satélite Ionosfera Troposfera Multicaminhamento GPS - Sistema de Posicionamento por Satélites Artificiais 22 Sincronismo de relógio DOP Prof. Tiago Badre Marino – Geoprocessamento - Departamento de Geociências – Instituto de Agronomia - UFRRJ Perturbações do Sinal: Ionosfera Perturbações do Sinal: Ionosfera Todas as variações que acontecem na ionosfera são mais ou menos previsíveis e dependem principalmente da atividade solar e do grau de ionização que as radiações solares provocam na ionosfera. Deste modo pode-se, com os conhecimentos atuais, prever as condições de propagação dentro de certos limites. O comportamento normal da ionosfera é alterado por determinados fenômenos que ocorrem na superfície solar como sejam explosões solares, provocando forte perturbação das camadas ionosféricas GPS - Sistema de Posicionamento por Satélites Artificiais 23 solares, provocando forte perturbação das camadas ionosféricas ionizando-as na região dos pólos. Durante o período em que a terra está exposta a estas anomalias as características das diversas camadas é alterada e severas perturbações ocorrem nos sistemas de comunicação. Modelos ionosféricos de correção: Correção IONfree Klobuchar Prof. Tiago Badre Marino – Geoprocessamento - Departamento de Geociências – Instituto de Agronomia - UFRRJ Perturbações do Sinal: Ionosfera Perturbações do Sinal: Ionosfera Média anual de conteúdo total de elétrons (TEC) Média anual de conteúdo total de elétrons (TEC) GPS - Sistema de Posicionamento por Satélites Artificiais 24 Prof. Tiago Badre Marino – Geoprocessamento - Departamento de Geociências – Instituto de Agronomia - UFRRJ Gráfico de atividade solar anual Gráfico de atividade solar anual Média diária de conteúdo total de elétrons (TEC) Média diária de conteúdo total de elétrons (TEC)
  • 7. Perturbações do Sinal: Troposfera Perturbações do Sinal: Troposfera A troposfera é a camada gasosa da atmosfera, que se estende da superfície terrestre até aproximadamente 50 km de altura. O atraso troposférico é relativamente pequeno (cerca de 1m). O atraso na troposfera depende de: temperatura, umidade e pressão que variam com a altitude local. Modelos troposféricos de correção: HOPFIELDHOPFIELD GPS - Sistema de Posicionamento por Satélites Artificiais 25 SAASTAMOINEMSAASTAMOINE Prof. Tiago Badre Marino – Geoprocessamento - Departamento de Geociências – Instituto de Agronomia - UFRRJ Distorção do sinal ao passar pela troposfera e ionosfera Distorção do sinal ao passar pela troposfera e ionosfera Perturbações do Sinal: Perturbações do Sinal: Multicaminhamento Multicaminhamento Nem sempre o sinal que chega ao receptor é o sinal diretamente transmitido pelo satélite. O sinal recebido pode ser aquele rebatido de algum objeto na superfície da Terra. Como o sinal refletido possui intensidade menor que o original, o receptor pode facilmente desconsiderá-lo. Para minimizar o efeito do multicaminhamento existem alguns GPS - Sistema de Posicionamento por Satélites Artificiais 26 Para minimizar o efeito do multicaminhamento existem alguns modelos de antenas. Prof. Tiago Badre Marino – Geoprocessamento - Departamento de Geociências – Instituto de Agronomia - UFRRJ Blindagem em antenas para bloquear sinais de Blindagem em antenas para bloquear sinais de multicaminhamento multicaminhamento Multicaminhamento Multicaminhamento: Receptor recebendo diversas vezes o mesmo sinal : Receptor recebendo diversas vezes o mesmo sinal Perturbações do Sinal: Sincronismo dos Relógios Perturbações do Sinal: Sincronismo dos Relógios Os relógios dos receptores possuem um oscilador de quartzo – baixa precisão. O relógio (atômico) embarcado no satélite GPS possui um oscilador de Césio/Rubídio – alta precisão. O dessincronismo no instante de transmissão e de recepção do sinal do GPS gera um erro na medida de distância. Ex.: 1 segundo de defasagem = 300.000 km de erro! GPS - Sistema de Posicionamento por Satélites Artificiais 27 Ex.: 1 segundo de defasagem = 300.000 km de erro! Prof. Tiago Badre Marino – Geoprocessamento - Departamento de Geociências – Instituto de Agronomia - UFRRJ Para se obter uma posição Para se obter uma posição precisa precisa é necessário observar no mínimo 4 satélites. é necessário observar no mínimo 4 satélites. Perturbações do Sinal: DOP Perturbações do Sinal: DOP - - Diluição da Precisão Diluição da Precisão A qualidade do levantamento está relacionada também com a geometria dos satélites na hora do rastreio. O DOP é um indicativo dessa geometria dos satélites rastreados, consequentemente da qualidade dos dados a serem obtidos. O PDOP pode ser interpretado como o inverso do volume do tetraedro formado pelos 4 satélites e da antena do receptor do usuário – quanto menor DOP mais preciso. GPS - Sistema de Posicionamento por Satélites Artificiais 28 Prof. Tiago Badre Marino – Geoprocessamento - Departamento de Geociências – Instituto de Agronomia - UFRRJ PDOP bom PDOP bom PDOP ruim PDOP ruim
  • 8. Perturbações do Sinal: SA Perturbações do Sinal: SA – – Selective Selective Availability Availability Degradação intencional do sinal imposta pelo Departamento de Defesa Norte-Americano. Era pretendido que o SA impedisse os adversários militares de usar os sinais altamente precisos de GPS. Erros da ordem de 100 metros. O Governo do EUA retirou o SA em maio de 2000, o que GPS - Sistema de Posicionamento por Satélites Artificiais 29 O Governo do EUA retirou o SA em maio de 2000, o que melhorou significativamente, a precisão dos receptores de GPS civil. Em função deste domínio e distorção imposta pelos EUA, Europa, Rússia e outros países decidiram por lançar seus próprios sistemas de posicionamento por satélite. Prof. Tiago Badre Marino – Geoprocessamento - Departamento de Geociências – Instituto de Agronomia - UFRRJ Sumário Sumário TÉCNICAS DE MELHORA DO SINAL DGPS WAAS WADGPS EGNOS PROCESSAMENTO GPS GPS - Sistema de Posicionamento por Satélites Artificiais 30 Prof. Tiago Badre Marino – Geoprocessamento - Departamento de Geociências – Instituto de Agronomia - UFRRJ Prof. Tiago Badre Marino – Geoprocessamento - Departamento de Geociências – Instituto de Agronomia - UFRRJ PROCESSAMENTO GPS VANTAGENS E DESVANTAGENS UTILIDADES DE GPS EXEMPLOS DE APLICAÇÃO REFERÊNCIAS DGPS DGPS – – Posicionamento Diferencial em Tempo Real Posicionamento Diferencial em Tempo Real DGPS - GPS Diferencial Princípio: um receptor permanece observando os satélites em um ponto conhecido (base). Pode-se comparar o resultado obtido do rastreio com o que é conhecido e assim obter uma correção. GPS - Sistema de Posicionamento por Satélites Artificiais 31 que é conhecido e assim obter uma correção. Esta é aplicada ao receptor itinerante através de um link de rádio. Prof. Tiago Badre Marino – Geoprocessamento - Departamento de Geociências – Instituto de Agronomia - UFRRJ DGPS DGPS – – Posicionamento Diferencial em Tempo Real Posicionamento Diferencial em Tempo Real GPS - Sistema de Posicionamento por Satélites Artificiais 32 Prof. Tiago Badre Marino – Geoprocessamento - Departamento de Geociências – Instituto de Agronomia - UFRRJ DGPS: Estação base recebe coordenadas do GPS, constata o erro e informa a DGPS: Estação base recebe coordenadas do GPS, constata o erro e informa a correção à estação móvel através de um link de rádio correção à estação móvel através de um link de rádio
  • 9. DGPS DGPS – – Posicionamento Diferencial em Tempo Real Posicionamento Diferencial em Tempo Real RTK: Real Time Kinematic Esta técnica é um tipo de posicionamento relativo, porém em tempo real. É relativo porque um receptor ocupa um ponto de coordenadas conhecidas e calcula a diferença entre elas e as coordenadas observadas. Através de um rádio, transmite-se essa diferença para a estação móvel que também possui um rádio o qual recebe esta informação. A sua precisão pode chegar a 1 a 2 cm. Sua precisão varia de acordo com o local e da distância do receptor base (limitada pelo alcance do rádio). GPS - Sistema de Posicionamento por Satélites Artificiais 33 Prof. Tiago Badre Marino – Geoprocessamento - Departamento de Geociências – Instituto de Agronomia - UFRRJ Estação Estação Rover Rover Estação Base Estação Base DGPS DGPS – – Posicionamento Diferencial em Tempo Real Posicionamento Diferencial em Tempo Real GPS - Sistema de Posicionamento por Satélites Artificiais 34 Prof. Tiago Badre Marino – Geoprocessamento - Departamento de Geociências – Instituto de Agronomia - UFRRJ Diagrama de operação do sistema DGPS: receptor base mensura erro e transmite correção para receptor Diagrama de operação do sistema DGPS: receptor base mensura erro e transmite correção para receptor WAAS WAAS - - Wide Area Augmentation System Wide Area Augmentation System Medida de correção e aprimoramento das coordenadas GPS. Implantada pelo Departamento de Transportes dos EUA visando adequar os requisitos para navegação marítima e aérea. Composta por aproximadamente 25 estações base pelos EUA que recebem e corrigem erros de sinais como perturbação ionosférica, troposférica, relógio, etc. GPS - Sistema de Posicionamento por Satélites Artificiais 35 Prof. Tiago Badre Marino – Geoprocessamento - Departamento de Geociências – Instituto de Agronomia - UFRRJ ionosférica, troposférica, relógio, etc. Sua operação é análoga ao sistema DGPS. Utilizam satélites geoestacionários para transmitir as correções aos veículos. Europa (EGNOS), Japão (MSAS) e outros países também estão desenvolvendo programas semelhantes a fim de aproveitar o sistema de posicionamento aplicado aos seus sistemas de transportes. Ilustração da operação do WAAS Ilustração da operação do WAAS WADGPS na América do Sul WADGPS na América do Sul Link de dados envolve transmissão via satélite/rádio, etc... Correções ponderadas de acordo a localização em relação às estações de referência. Sistema privado (assinatura). Saída RTCM e NMEA para interface com outros sistemas. GPS - Sistema de Posicionamento por Satélites Artificiais 36 Precisão da correção 1-2m. Vantagens sinal permanente grande cobertura economia da base aumento produtividade navegação e locação Prof. Tiago Badre Marino – Geoprocessamento - Departamento de Geociências – Instituto de Agronomia - UFRRJ Diagrama de operação do sistema WADGPS Diagrama de operação do sistema WADGPS
  • 10. EGNOS EGNOS - - European Geostationary Overlay Service European Geostationary Overlay Service A Europa também dispõe de um serviço que tem como objetivo melhorar a precisão de sistema de navegação utilizando os sistemas de posicionamento por GPS - Sistema de Posicionamento por Satélites Artificiais 37 posicionamento por satélites existentes (GPS, GLONASS e futuramente GALILEU). Opera do mesmo modo que o WADGPS. Prof. Tiago Badre Marino – Geoprocessamento - Departamento de Geociências – Instituto de Agronomia - UFRRJ Área de cobertura do EGNOS Área de cobertura do EGNOS Funcionalidades do GPS Funcionalidades do GPS A principal função do GPS é a navegação. O aparelho GPS disponibiliza várias informações, tais como: Waypoints: são coordenadas representam lugares específicos, como cidades, praças, pontes, cruzamentos, etc. Trilhas: Sequência de coordenadas que registram um caminho percorrido pelo utilizador. Rotas: Seqüência de waypoints que formam um percurso planeado de viagem. Go to: indica um ponto de destino e ele fornece a direção a ser seguida para se chegar a esse ponto. GPS - Sistema de Posicionamento por Satélites Artificiais 38 chegar a esse ponto. Track Back: voltar ao ponto de origem seguindo a trilha inicial ou pedindo ao GPS para criar uma rota de retorno, que também levará ao ponto inicial mas economizará alguns contornos. Distância entre dois pontos: esta função permite que o GPS calcule a distância entre quaisquer waypoints que estejam gravados. A capacidade de cada GPS poder ou não executar uma ou outra função, depende da sua marca e modelo. Prof. Tiago Badre Marino – Geoprocessamento - Departamento de Geociências – Instituto de Agronomia - UFRRJ Sumário Sumário TÉCNICAS DE MELHORA DO SINAL DGPS WAAS WADGPS EGNOS PROCESSAMENTO GPS GPS - Sistema de Posicionamento por Satélites Artificiais 39 Prof. Tiago Badre Marino – Geoprocessamento - Departamento de Geociências – Instituto de Agronomia - UFRRJ Prof. Tiago Badre Marino – Geoprocessamento - Departamento de Geociências – Instituto de Agronomia - UFRRJ PROCESSAMENTO GPS VANTAGENS E DESVANTAGENS UTILIDADES DE GPS EXEMPLOS DE APLICAÇÃO REFERÊNCIAS Vantagens Vantagens Extremamente preciso. Cobertura mundial por 24hs. Qualquer condição de tempo. Sistema estável Devido à órbita elevada. GPS - Sistema de Posicionamento por Satélites Artificiais 40 Devido à órbita elevada. Hora precisa Receptor corrige constantemente baseado no relógio atômico dos satélites. Serviço gratuito. Prof. Tiago Badre Marino – Geoprocessamento - Departamento de Geociências – Instituto de Agronomia - UFRRJ
  • 11. Desvantagens Desvantagens Requer equipamentos adicionais para maior precisão: Antenas, DGPS, WAAS, etc. 3 satélites no mínimo: Necessita de perfeita visibilidade com os satélites acima do horizonte (sem ocultações). GPS - Sistema de Posicionamento por Satélites Artificiais 41 Interferências com o sinal (opera por radiofreqüência). Dificuldades de funcionamento em zonas muito arborizadas e edificadas. Prof. Tiago Badre Marino – Geoprocessamento - Departamento de Geociências – Instituto de Agronomia - UFRRJ Condições para o posicionamento por satélite Condições para o posicionamento por satélite Condições mínimas: Não estar em locais fechados. Visibilidade de pelo menos 4 satélites (3 para determinação da posição e um para o problema do sincronismo dos relógios). Inexistência de alta atividade ionosférica (tempestade solar). GPS - Sistema de Posicionamento por Satélites Artificiais 42 Condições ideais: Local de céu aberto (ausência de obstruções prédios, árvores, etc). Visibilidade do maior número de satélites. Inexistência de alta atividade ionosférica (tempestade solar). Prof. Tiago Badre Marino – Geoprocessamento - Departamento de Geociências – Instituto de Agronomia - UFRRJ Sumário Sumário TÉCNICAS DE MELHORA DO SINAL DGPS WAAS WADGPS EGNOS PROCESSAMENTO GPS GPS - Sistema de Posicionamento por Satélites Artificiais 43 Prof. Tiago Badre Marino – Geoprocessamento - Departamento de Geociências – Instituto de Agronomia - UFRRJ Prof. Tiago Badre Marino – Geoprocessamento - Departamento de Geociências – Instituto de Agronomia - UFRRJ PROCESSAMENTO GPS VANTAGENS E DESVANTAGENS UTILIDADES DE GPS EXEMPLOS DE APLICAÇÃO REFERÊNCIAS Utilidades do GPS Utilidades do GPS Equipamentos nas viaturas da Guarda Florestal, Polícia e Bombeiros. Serviços para empresas monitorarem os trabalhadores (táxis). Aviação geral e comercial e também na navegação marítima. A comunidade científica utiliza-o pelo seu relógio altamente preciso. O GPS tem-se tornado cada vez mais popular entre os ciclistas, balonistas, pescadores, ecologistas e até mesmo por turistas que querem apenas orientação durante as suas viagens (alguns aparelhos GPS - Sistema de Posicionamento por Satélites Artificiais 44 querem apenas orientação durante as suas viagens (alguns aparelhos têm bússola, altímetro, velocímetro). GPS integrado ao telefone. Máquina fotográfica com GPS: imprime coordenadas à foto. GPS para levantamento topográfico de alta precisão (DGPS). Sistemas para aterragens de aviões com visibilidade zero. Prof. Tiago Badre Marino – Geoprocessamento - Departamento de Geociências – Instituto de Agronomia - UFRRJ
  • 12. Produtos disponíveis no mercado Produtos disponíveis no mercado GPS - Sistema de Posicionamento por Satélites Artificiais 45 Prof. Tiago Badre Marino – Geoprocessamento - Departamento de Geociências – Instituto de Agronomia - UFRRJ Sumário Sumário TÉCNICAS DE MELHORA DO SINAL DGPS WAAS WADGPS EGNOS PROCESSAMENTO GPS GPS - Sistema de Posicionamento por Satélites Artificiais 46 Prof. Tiago Badre Marino – Geoprocessamento - Departamento de Geociências – Instituto de Agronomia - UFRRJ Prof. Tiago Badre Marino – Geoprocessamento - Departamento de Geociências – Instituto de Agronomia - UFRRJ PROCESSAMENTO GPS VANTAGENS E DESVANTAGENS UTILIDADES DE GPS EXEMPLOS DE APLICAÇÃO REFERÊNCIAS Exemplos de aplicação do sistema GPS Exemplos de aplicação do sistema GPS Engenharia Navegação Mapeamento Cadastro Monitoramento de estruturas Ambiental Monitoramento de animais (TAMAR) Reflorestamento Transportes/Logística GPS - Sistema de Posicionamento por Satélites Artificiais 47 Transportes/Logística Controle de frotas (Autotrac) Bombeiros/Polícia/Resgate Agricultura Agricultura de Precisão Lazer Caminhadas Esportes Prof. Tiago Badre Marino – Geoprocessamento - Departamento de Geociências – Instituto de Agronomia - UFRRJ Exemplos de aplicação do sistema GPS Exemplos de aplicação do sistema GPS Cadastramento de postes / linhas de alta-tensão GPS - Sistema de Posicionamento por Satélites Artificiais 48 Prof. Tiago Badre Marino – Geoprocessamento - Departamento de Geociências – Instituto de Agronomia - UFRRJ
  • 13. Exemplos de aplicação do sistema GPS Exemplos de aplicação do sistema GPS Agricultura de Precisão GPS - Sistema de Posicionamento por Satélites Artificiais 49 Prof. Tiago Badre Marino – Geoprocessamento - Departamento de Geociências – Instituto de Agronomia - UFRRJ Exemplos de aplicação do sistema GPS Exemplos de aplicação do sistema GPS Controle de frotas e navegação Carros de polícia, bombeiros, ônibus, caminhões, frotas táxis,... GPS - Sistema de Posicionamento por Satélites Artificiais 50 Prof. Tiago Badre Marino – Geoprocessamento - Departamento de Geociências – Instituto de Agronomia - UFRRJ Exemplos de aplicação do sistema GPS Exemplos de aplicação do sistema GPS Implantação de estradas / construção civil GPS - Sistema de Posicionamento por Satélites Artificiais 51 Prof. Tiago Badre Marino – Geoprocessamento - Departamento de Geociências – Instituto de Agronomia - UFRRJ Exemplos de aplicação do sistema GPS Exemplos de aplicação do sistema GPS Monitoramento estático e dinâmico de estruturas: Pontes , Viadutos , Estádios, Edifícios, Portos, Etc... GPS - Sistema de Posicionamento por Satélites Artificiais 52 Prof. Tiago Badre Marino – Geoprocessamento - Departamento de Geociências – Instituto de Agronomia - UFRRJ
  • 14. Devemos lembrar ao utilizarmos GPS que: Devemos lembrar ao utilizarmos GPS que: O referencial é o sistema geocêntrico WGS-84. Nossa navegação, a cartografia e os mapas, em geral, NÃO estão referenciados ao WGS84. Datum mais usados no Brasil: SAD69, Córrego Alegre, SIRGAS. GPS - Sistema de Posicionamento por Satélites Artificiais 53 SIRGAS. SAD69 e Córrego Alegre NÃO são coincidentes com WGS84 e também não são geocêntricos. A altitudes têm origem local (Ex. Marégrafo de Imbituba- SC). Prof. Tiago Badre Marino – Geoprocessamento - Departamento de Geociências – Instituto de Agronomia - UFRRJ Processamento GPS Processamento GPS Como foi visto o sistema GPS possui uma série de fontes que causam erros nas medidas das distâncias entre o satélite e a antena do receptor. Com o uso do posicionamento relativo, seja ele estático ou cinemático, muitos desses erros são minimizados. Assim, para mapeamentos que exige maior precisão, é fundamental o processamento dos dados GPS para corrigir as posições obtidas nos rastreios. GPS - Sistema de Posicionamento por Satélites Artificiais 54 Prof. Tiago Badre Marino – Geoprocessamento - Departamento de Geociências – Instituto de Agronomia - UFRRJ Posições GPS não corrigidas Posições GPS não corrigidas Posições GPS corrigidas Posições GPS corrigidas Sumário Sumário TÉCNICAS DE MELHORA DO SINAL DGPS WAAS WADGPS EGNOS PROCESSAMENTO GPS GPS - Sistema de Posicionamento por Satélites Artificiais 55 Prof. Tiago Badre Marino – Geoprocessamento - Departamento de Geociências – Instituto de Agronomia - UFRRJ Prof. Tiago Badre Marino – Geoprocessamento - Departamento de Geociências – Instituto de Agronomia - UFRRJ PROCESSAMENTO GPS VANTAGENS E DESVANTAGENS UTILIDADES DE GPS EXEMPLOS DE APLICAÇÃO REFERÊNCIAS Referências Referências Como funciona o GPS: http://www.guia4ventos.com.br/artigos/gps_comousar.htm Informações sobre GPS: http://tycho.usno.navy.mil/gps.html GALILEO home-page: www.galileo-pgm.org GLONASS home-page: http://www.glonass-center.ru/frame_e.htm Projeto SIRGAS: GPS - Sistema de Posicionamento por Satélites Artificiais 56 Projeto SIRGAS: http://www1.ibge.gov.br/home/geografia/geodesico/sirgas/principal.htm Dados da RBMC: http://www.ibge.gov.br/home/geografia/geodesico/rbmcpesq.shtm Rede GPS do Estado de São Paulo: http://www.ptr.poli.usp.br/ltg/proj/RedeSP/Rede-SP.htm Prof. Tiago Badre Marino – Geoprocessamento - Departamento de Geociências – Instituto de Agronomia - UFRRJ