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Noções de Sistema de Informações Geográficas:
Sistema GPS
José Fernandes Bezerra Neto, [email protected]
UFMG – ICB – Depto. Biologia Geral, Lab. Gestão Ambiental de Reservatórios
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Sistema de Posicionamento Global - GPS
O GPS (Global Positioning System) é um sofisticado sistema eletrônico de navegação desenvolvido pelo Departamento de Defesa dos EUA, baseado em uma rede de satélites que permite localização instantânea em qualquer ponto da Terra.
Seu desenvolvimento iniciou em 1978, tendo sido projetado inicialmente para uso militar dos EUA. Basicamente, o sistema GPS é composto de três partes denominadas segmento espacial, segmento de controle e segmento usuários.
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1978 – Satélites NAVSTAR – GPS
• GPS: “Global Positioning System”
• Limitado às forças militares dos E.U.A.
• Precisão: 10 m
• Receptor simples e leve
1983 – Acesso público limitado ao GPS
• Precisão para civis: 100 m
• SA: “Selected Availability”
2000 – Acesso público completo ao GPS
• Precisão normal: 10 m
• Precisão assistida (GPS diferencial): < 3 m
Sistema de Posicionamento Global - GPS
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Garante: Precisão de Navegação = 3 - 15 m Cobertura mundial 24 horas de acesso Sistema de Coordenadas Comum Datum WGS 84
Projetado para substituir os sistemas de navegação existentes
Acesso Civil e Militar
Sistema de Posicionamento Global - GPS
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Segmento Espacial
27 satélites (20200 km)
4 relógios atômicos (3 back-ups) monitorados e controlados em terra
Segmento do Usuário
Receptores de Sinal GPS
Relógio de quartzo
Segmento de Controle
1 Estação Master
5 Estações de monitoramento
Componentes do Sistema GPS
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Estação Central de Controle
Estações Monitoras
Hawaii
Ascención
Diego Garcia
Kwajalein
Colorado Springs
• correção dos relógios atômicos dos satélites
• definição os modelos ionosféricos
• estimar parâmetros orbitais
• garantir a integridade do sistema
• coordenar manobras e monitorar a saúde dos satélites
• receber os sinais emitidos dos satélites
• coletar dados meteorológicos
• transmitir dados para a Estação Master
Segmento Controle
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A finalidade do GPS é determinar a posição de um objecto na superfície da Terra em 3 dimensões: longitude, latitude e e altitude.
Sinais provenientes de 3 satélites fornecem esta informação.
Funcionamento do GPS
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Campinas
50 Km
Imagine que você esteja em algum lugar do Brasil e que esteja TOTALMENTE perdido.
Você encontra uma pessoa que lhe dá a seguinte informação: “Você está a 50 km de Campinas”
Você poderia estar em qualquer lugar em um círculo em voltada de Campinas, com um raio de 50 Km.
O princípio da trilateração (2D)
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Campinas
50 Km
Rio Claro
70 Km
Você pergunta a uma outra pessoa que lhe diz: Você está a 70 Km de Rio Claro.
O princípio da trilateração (2D)
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Campinas
50 Km
Rio Claro
70 Km
Sorocaba
80 Km
Se uma terceira pessoa lhe disser que você está a 80 Km de Sorocaba você poderá determinar sua posição com precisão
O princípio da trilateração (2D)
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Funcionamento do GPS
Três esferas se interceptam em um ponto. 3 distâncias para resolver a Latitude, a Longitude e a Elevação.
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A 4ª medição permite resolver (remover) o erro do clock (tempo) do receptor
Funcionamento do GPS
Uma dificuldade: o relógio do receptor não é tão preciso como os relógios atômicos dos satélites. Por isso, um sinal de um 4º satélite é utilizado para averiguar da precisão do relógio do receptor. Este 4º sinal permite ao receptor processar os sinais GPS com a precisão de um relógio atômico.
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4 distâncias para encontrar a Latitude, a Longitude, a Elevação e o Tempo
Funcionamento do GPS
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Dificuldades a superar: os sinais trocados entre relógios a diferentes altitudes estão sujeitos aos efeitos da Relatividade Geral; por outro lado, o movimento do satélite e a rotação da Terra devem ser tomados em conta.
Sem a consideração destes efeitos o GPS seria inútil.
Funcionamento do GPS
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Cada satélite transmite uma série de sinais Os sinais compreendem:
- 2 ondas - L1 e L2) - 2 códigos - C/A em L1 e P em L1 e em L2 (P1 e P2)- Mensagens sobre os satélites e sua órbita
Freqüência fundamental10.23 MHz
Freqüência fundamental10.23 MHz
x 154
x 120
L11575.42 MHz
L11575.42 MHz
L21227.60 MHz
L21227.60 MHz
Código C/A 1.023 MHz
Código C/A 1.023 MHz
Código P 10.23 MHz
Código P 10.23 MHz
Código P10.23 MHz
Código P10.23 MHz
÷ 10
50 bps 50 bps Mensagens (Almanaque & Efemérides) Mensagens (Almanaque & Efemérides)
Estrutura do sinal GPS
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Os satélites GPS são sistemas unidirecionais de emissão, isto é, os sinais são transmitidos somente pelos satélites. Os sinais se propagam das antenas dos satélites até as antenas dos receptores. Durante a propagação, os sinais estão sujeitos aos seguintes efeitos: Atraso de propagação na ionosfera e troposfera; Efeito de multi-encaminhamento; Efeitos marginais de sinais, devido a posição do
satélite no horizonte;
Componentes dos sinais dos satélites
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Os sinais GPS transmitem as informações de tempo via ondas de rádio.
Os sinais GPS precisam atravessar várias camadas diferentes da atmosfera.
A medida que elas atravessam essas camadas, o sinal sofre atraso.
Esses atrasos são traduzidos em erros nas distâncias usadas para calcular a posição do receptor.
Erro – Ionosfera ~ 5.0 m; Troposfera ~ 0,5 m
19950 Km
50 KmTroposfera
Ionosfera1000 Km
Erros de observação
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Infelizmente os receptores não são perfeitos. Eles adicionam erros ao sistema.
Ruído interno do receptor. Erro ~ 0. 3 m Atraso do relógio interno Erro ~ 5. 0 m
F1 F2 F3 F4 F5 F6
ESC SFT CE
Erros do receptor
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Quando um sinal GPS chega a Terra ele pode refletir-se em vários obstáculos.
Inicialmente a antena recebe o sinal direto do satélite, em seguida, ela recebe os sinais refletidos.
Erro ~ 0.6 m
Erros de multi-encaminhamento
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DGPS envolve a cooperação de dois receptores, um que é estacionário e outro móvel;
O estacionário é a chave de todo processo, ele serve de referência local para as medições dos satélites.
Vetor da linha baseVetor da linha base
BAA
GPS Diferencial - DGPS
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A idéia por trás do DGPS é simples: nós temos um receptor que mensura o erro do sinal do satélite e que transmite a correção para o transmissor móvel.
GPS Diferencial - DGPS
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Existem uma série de estações-base públicas e privadas que transmitem correção de dados para receptores DGPS.
No Brasil, entre as públicas e gratuitas nós temos:
- A Rede Brasileira de Monitoramento Contínuo (RBMC), mantida pelo IBGE;
- Rede INCRA de Bases Comunitárias do GPS
- Estações-base da Marinha
GPS Diferencial – Estações-base
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Correção em tempo real via satélite
GPS Diferencial - DGPS