Aula 07

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Aula sobre Sistema de Posicionamento Global - GPS

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Aula 07

  1. 1. Oneide J. Pereira Topografiae Georreferenciamento Aula07 UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA MARIA - UFSM COLÉGIO AGRÍCOLA DE FREDERICO WESTPHALEN – CAFW Topografia e Georreferenciamento Aula 07 (18/06/2013) Prof. Oneide SISTEMA DE POSICIONAMENTO GLOBAL - GPS 1. Conceitos Básicos sobre Posicionamento por Satélites Artificiais Sistemade navegaçãoporsatélitesartificiais sãosistemasque oferecemuma poderosaferramentaparaa determinaçãode coordenadasde pontosnasuperfície terrestre, emâmbitoglobal. Hoje,estãooperandodoissistemasde posicionamento global: - O Global Positioning System (GPS),dosEstadosUnidosdaAméricaUSA (emcompleta operaçãodesde 1995); - O Global Navigation SatelliteSystem (GLONASS), daex UniãoSoviética,hoje sobreo controle daRussia(emcompletaoperaçãoa partir de 2015). Ambosforamprojetadosdurante aguerra friaentre osdoispaísescom propósitos militares. Outrossistemasde posicionamentoporsatélitesartificiaisestãosendodesenvolvidos para operarem,embreve.Sãoeles: - O Sistemade PosicionamentoGalileu, daUniãoEuropeia(previsão2017); - O sistemade PosicionamentoCompass,daRepúblicaPolularde China(Previsão 2020); - O Sistemade PosicionamentoIRNSS,daÍndia(previsão2015) 1.1 Comparação Entre os SistemasGPS e GLONASS Tanto os sistemasGPSe GLONASSsão descritosatravéstrêssegmentos: O segmentoespacial,osegmentode controle e osegmentodousuário. O SegmentoEspacial é compostopelaconstelaçãode satélitesde cadaumdos sistemas. O Segmentode Controle é composto pelasestaçõesmonitorasque rastreiamossatélites, Monitorame determinam suasórbitase definemasinformaçõesaseremtransmitidasaos satélites dosegmentoespacial. O Segmentode Usuárioque são aparelhosreceptoresdossinaisGPSe GLONASSdestinadosàs comunidadescivise militares.
  2. 2. Oneide J. Pereira Topografiae Georreferenciamento Aula07 Algumascaracterísticasdestesdoissistemaspodemsercomparadasnaseguinte tabela: Sistema GPS Sistema GLONASS Constelação de satélites 24 satélites Constelação de satélites 24 satélites Planos orbitais 6 Planos orbitais 3 Número de satélites em cada plano 4 Número de satélites em cada plano 8 Inclinação dos planos orbitais em relaçãoao equador terrestre 55,0° Inclinação dos planos orbitais em relação ao equador terrestre 64,8° Altura orbital 20 200 Km Altura orbital 19 000 Km Período Orbital 12 h 12 h 11 h 15’ As diferençasnascaracterísticasespaciaisdoGPSe do GLONASS,noque se refere ao númerode planosorbitais(6para o GPS e 3 para o GLONASS) e inclinaçãodasórbitas, proporcionamdiferençasnadisponibilidade de satélitesemfunçãodalatitude. OSistema GLONASSoferece melhorcoberturaemaltaslatitudesenquantoque oSistemaGPSfornece melhorcoberturaemmédiase baixaslatitudes. CONFIGURAÇÃO DOS SATÉLITES DO SISTEMA GPS Figura 01. Configuração dos Satélites do GPS
  3. 3. Oneide J. Pereira Topografiae Georreferenciamento Aula07 Figura 02. Satélite GPS CONFIGURAÇÃO DOS SATÉLITES DO SISTEMA GLONASS Figura 03. Configuração dos Satélites do GLONASS Figura 04. Satélite GLONASS
  4. 4. Oneide J. Pereira Topografiae Georreferenciamento Aula07 O Que é GPS O GPS,ou Global Positioning System(SistemadePosicionamentoGlobal),éum elaboradosistemade satélites e outros dispositivosquetem comofunçãobásicaprestar informaçõesprecisassobre o posicionamentoindividual nogloboterrestre. Foi desenvolvidoem1973 peloDepartamento de DefesadosE.U.A,doDoD e está plenamenteativodesde1995. É um sistemade radionavegaçãoque determinaaposiçãobi outridimensional, de um pontoqualquersobre asuperfície terrestre oubempróximaa ela. Neste processo,ummínimode quatrosatélitesque estejampróximosdoreceptorfica constantemente enviandosinaisde rádio,contendoaposiçãoatual dosatélite e oinstante (tempo) emque aquele pulsofoi emitido. Figura 01. Processo de Trilateração O cálculoé feitocomparandootempoem que o sinal foi enviadocomomomentoem que ele foi recebido.Considerandoque aradiofrequênciaviajanavelocidade daluze aplicandoalgumascorreções,é possível determinaradistânciaexataentre oreceptore o satélite. Cruzandoessainformaçãocom a de três outrossatélitesnaárea,obtêm-se aposição do receptor.Alémdalatitude e longitude,osistemade trilateraçãotambémpermite sabera alturado receptoremrelaçãoao nível do mar. Figura 02. Princípio de Funcionamento
  5. 5. Oneide J. Pereira Topografiae Georreferenciamento Aula07 O sistema GPS é dividido em três segmentos: a) SEGMENTO ESPACIAL: Compostoporsatélites GPS, tambémconhecidoscomo SV (SpaceVehicles- veículos espaciais). - Formado por uma constelação de 24 satélites titularese 7 reservas. - Não geostáticos(movimentam-se redordaTerra). - 6 órbitasdiferentes. - 4 satélitesporórbita. - Perfazem a órbita a cada 12 horas (2 vezesaodia). - Altitude de 20.200 Km. Figura 00. 24 satélites na altitude de 20200 Km Cada satélite do Sistema GPS possui: - Painéis solares para fornecimento de energia; - Relógio Atômico (oscilações atômicas do rubídio e do Césio); - Equipamentos de computação e comunicação; - Baterias recarregáveis para os períodos de eclipses.
  6. 6. Oneide J. Pereira Topografiae Georreferenciamento Aula07 Potência dos Sinais e Antenas Receptoras - Os sinais de rádio emitidos pelos satélites são de alta freqüência (UHF), modulados e enviados na velocidade da luz, através de duas ondas portadoras senoidais: L1 à 1.575,42 MHz (comprimento 19 cm) e L2 à 1.227,60 MHz (comprimento 24 cm), geradas pelo relógio do satélite. - Os receptores militares (mais precisos: 1 a 5 m) captam as ondas L1 e L2, enquanto os receptores civis ( 5 a m 15) só captam a onda L1. - A potência de transmissão dos sinais é de apenas 50 Watts. - Esses sinais de baixa potência que são emitidos a cada milissegundo e portam poucas informações, são captados continuamente pelos receptores GPS. - Os sinais dos satélites são captados pelos receptores GPS de várias marcas e modelos. Conteúdo Informacional dos Sinais Gerados pelos Satélites Os sinais transmitidos pelos satélites contém: - ”Código de Identidade" do satélite; - Dados de status do sistema; - Hora-padrão com precisão de relógio atômico; - Dados do "efemérides". Os dados do "efemérides" informam ao microprocessador do receptor GPS, parâmetros orbitais e onde procurar cada satélite a qualquer momento do dia.
  7. 7. Oneide J. Pereira Topografiae Georreferenciamento Aula07 b) SEGMENTO DE CONTROLE: Todos os 24 satélites são controlados pelo Segmento de Controle (estações de monitoramento) em terra. As estaçõesterrestres,sob o controle do DoD, tem o objetivo de monitorar, corrigir e garantir o perfeito funcionamento do Sistema GPS, podendo inclusive, modificar parâmetros orbitais. Figura 00. Estações terrestres de controle Os locais onde estão instaladas as estações de monitoramento são os seguintes: - Colorado(EUA - Estação Master). - Ilha de Ascención (Atlântico Sul). - Diego Garcia (Oceano Índico). - Kwajalien (Oceano Pacífico). - Cabo Kennedy (Florida - EUA). - Hawaii (EUA - Oceano Pacífico).
  8. 8. Oneide J. Pereira Topografiae Georreferenciamento Aula07 As posições geográficas das estações de monitoramento foram estrategicamente escolhidas visando oferecer um acompanhamento constante de cada satélite do sistema GPS. Figura 00. Estações de Controle do Sistema GPS c) SEGMENTO USUÁRIO: Este segmento é formado pela comunidade de usuários e pelos receptores GPS (GPS receivers) que podem variar de tamanho, modelo, fabricante e qualidade. A maioria dos receptores GPS podem rastrear até 12 satélites ao mesmo tempo. As informações fornecidas pelos receptores GPS são as seguintes: - Posição tridimensional de um ponto (latitude, longitude e altitude- coordenadas geográficas), através de um processo matemático conhecido como "triangulação". - Com 3 satélites tem-se apenas o posicionamento bidimensional (x,y) e com 4 satélites ou mais consegue-se o posicionamento tridimensional (x,y,z). - Atualmente o erro de posicionamento dos aparelhos civis em boas condições de recepção varia de 5 a 15 metros (ou até menos).
  9. 9. Oneide J. Pereira Topografiae Georreferenciamento Aula07 Figura 00. Geometria dos Satélites Vistas pelo receptor Tipos de dados transmitidos pelos  Cada satélite transmitedoissinaisdistintos: Sinal 𝐿1 → 𝑓1 = 1575,42 Mhz, 𝜆1 = 19,04 cm Sinal 𝐿2 → 𝑓2 = 1227,60 Mhz, 𝜆2 = 24,44 cm  Transmitemosdadosde navegação:Posiçãode satélites(efemérides),tempode transmissãodosinal,identificaçãodosatélite,etc.;  Permitemposicionamentomaisprecisoatravésdautilizaçãodafase daonda portadora;  Moduladossobre: 𝑳 𝟏: Código C/A – Serviçode Posicionamentopadrão - para usuárioscivis,com baixaprecisão,daordemde metros; 𝑳 𝟏 𝐞 𝑳 𝟐: Código P – Restritoa usuáriosautorizadospeloE.U.A,comaltaprecisão, da ordemde cm a mm. Limitações, erros e precisão Os errosnos sistemasGPSpodemterváriasorigens.
  10. 10. Oneide J. Pereira Topografiae Georreferenciamento Aula07 Erros nos satélites Erros nos relógiosdossatélites:apesardaenorme precisãodorelógiodossatélites,aindaé possível ocorreremerrosneles,e umerromínimotraz uma variação enorme namediçãoda posição,porissoos satélitessãoconstantementemonitoradose corrigidosporestaçõesde controle espalhadaspeloplaneta. Erros na posiçãodos satélites:aposiçãodossatélitesé calculadaapartir de de modelos matemáticosrigorosose muitoprecisos,porémossatélitespodemsofrerpequenasvariações de posiçãodevidoainúmerosfatores.Este problematambémé resolvidoatravésdasestações de controle. Erros nos receptores Erros nos relógiosdosreceptores:osrelógiosdosreceptoressãomuitomenosprecisosque os relógiosdossatélites,porissoestãomuitomaissensíveisaerros. Erros de multi-trajeto:ossinaistransmitidospelossatélitespodemsofreralgumasreflexões emobjetosnaatmosfera,comisso,a distânciacalculadasofre umerro,mas este erroé pequeno,porvoltade 50 cm. Erros no meio Atrasos na ionosfera: a velocidadede propagaçãodosinal nomeionãoé uma constante,e variado diapara a noite, emdias maisquentes,e emdiversassituações.OreceptorGPScalculaa distânciaa partirde um velocidadeconstante,oque geraalgunserrosna medição. Figura 00. Atraso Ionosférico
  11. 11. Oneide J. Pereira Topografiae Georreferenciamento Aula07 Atrasos na troposfera: Quandoo sinal GPS passapelacamada maisbaixada atmosferao sinal sofre umatraso devido principalmente aoaumentode umidade.Este atrasotambémgeraum errode medição. Figura 00. Erro troposférico Erros de multicaminho: Uma das maioresfontesde errosé o multicaminho,que sãocaminhos secundáriosque osinal percorre até chegar à antenado receptor. Figura 00. Ocorrência de munticaminho Essessinaistêma característica de serematrasados,comparadosaossinaisque vem diretamente,pois oscaminhospercorridossãomaislongos,devidosàsreflexões.
  12. 12. Oneide J. Pereira Topografiae Georreferenciamento Aula07 Essessinaistêma característica de serematrasados,comparadosaossinaisque vem diretamente,pois oscaminhospercorridossãomaislongos,devidosàsreflexões. A propagaçãodo multicaminhopode serclassificadasemtrêstipos:  Reflexãoespecular:proveniente dareflexãoemumasuperfíciesuave (lisa),sendo que a onda resultante é umacópiaatrasada do sinal direto,diferindodesteapenas emfase e amplitude;  Difração: proveniente de reflexõesnasbordase noscantos dosobjetosrefletores;  Multicaminhodifuso:proveniente dareflexãoemsuperfíciesrugosas, semelhante a várias reflexõesespeculares. Aplicações dos Sistemas de Posicionamento por Satélites (Próxima Aula)

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