Aula 07

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.

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

Figura 02. Satélite GPS
CONFIGURAÇÃO DOS SATÉLITES DO SISTEMA GLONASS
Figura 03. Configuração dos Satélites do GLONASS
Figura 04. Satélite GLONASS

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

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.

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.

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).

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).

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.

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

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.

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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