Noções de Sistema de Informações Geográficas: Sistema GPS

Noções de Sistema de Informações Geográficas:

Sistema GPS

UFMG – ICB – Depto. Biologia Geral, Lab. Gestão Ambiental de Reservatórios

Curso: Teoria e Métodos em LimnologiaEPAMIG, 29 de Janeiro a 1 de fevereiro, 2008

Prof. José Fernandes Bezerra Neto Prof. Ricardo Motta Pinto Coelho

Developed by: Host Updated: 10.20.04 U4-m16.2-s2UFMG – ICB – Depto. Biologia Geral, Lab. Gestão Ambiental de Reservatórios

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.


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



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



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


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


Funcionamento do GPS

•A finalidade do GPS é determinar a posição de um objeto na superfície da Terra em 3 dimensões: longitude, latitude e e altitude.

•Sinais provenientes de pelo menos três satélites fornecem esta informação.


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)


Campinas

50 Km

Rio Claro

70 Km

Você pergunta a uma outra pessoa que lhe diz: Você está a 70 Km de Rio Claro.



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




Três esferas se interceptam em um ponto. Três distâncias para resolver a latitude, a longitude e a elevação.


A 4ª medição permite resolver (remover) o erro do clock (tempo) do receptor


Uma dificuldade:

o relógio do receptor não é tão preciso como os relógios atômicos dos satélites. Por isso, um sinal de um quarto satélite é utilizado para averiguar da precisão do relógio do receptor.

Este quarto sinal permite ao receptor processar os sinais GPS com a precisão de um relógio atômico.


São necessárias quatro distâncias para encontrar a latitude, a longitude, a elevação e o tempo



Dificuldades a superar:

(a) 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;

(b) sem a consideração destes efeitos o GPS seria inútil.



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


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


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.

Erros: Ionosfera ~ 5.0 m; Troposfera ~ 0,5 m

19950 Km

50 KmTroposfera

Ionosfera1000 Km

Erros de observação


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


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


D-GPS 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 base

Vetor da linha baseBAA

GPS Diferencial – D-GPS


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 – D-GPS


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


Correção em tempo real via satélite

GPS Diferencial - DGPS

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