INTRODUO AO SISTEMA DE POSICIONAMENTO GLOBAL GPS Luciana

INTRODUÇÃO AO SISTEMA DE POSICIONAMENTO GLOBAL - GPS

Luciana Suaid Tomazi Vasco – IBGE lutomazi@ibge. gov. br

Por que GPS?

HISTÓRICO Senso natural de orientação do Homem Orientação por recursos naturais: Sol, estrelas, acidentes topográficos, ventos. . .

Rosa dos Ventos de 600 AC até sec. XV N W E S Bússola

l Desenvolvimento da Geodésia e da cartografia – Computadores – Estações totais – Sistemas de informações geográficas (SIG) – Cad’s – Sistema de Posicionamento Global (GPS)

Observações de satélites artificiais l Iniciada nos anos 60 l Navegação l. O e Posicionamento que ser quer: posição de um ponto

Conceitos Básicos Terra

Cartografia Ciência e a arte de expressar graficamente, por meio de mapas e cartas, o conhecimento humano da superfície terrestre.

Geodésia Ciência que determina, através de observações, a forma e o tamanho da terra, as coordenadas dos pontos, comprimentos e direções de linhas da superfície terrestre, e as variações da gravidade terrestre.

A Geodésia é divida em: – Geodésia geométrica – Geodésia física – Geodésia por satélite ou celeste

Superfície física, Geóide e Elipsóide Superfície Física Geóide Elipsóide

Elipsóide de Revolução b a Equador

Coordenadas Geográficas Posição de ponto: Latitude e Longitude l Latitude (F) l Longitude (l) – Medida pelos paralelos – Medida pelos meridianos – 0° na linha do Equador – 0° no Meridiano de – Varia de +90° à -90° – Ao norte do Equador: + – Ao sul do Equador : - Greenwich – Varia de +180° à -180° – Oeste de Greenwich : – Leste de Greenwich : +

Esquema da Latitude e Longitude PN Latitude F l Longitude Equador Meridiano de Greenwich

Referencial Altimétrico

Coordenadas Cartesianas Ao elipsóide está associado um sistema cartesiano ortogonal, formado pelos eixos X, Y e Z. Um ponto sobre a superfície terrestre tem coordenadas cartesianas geocêntricas, que podem ser expressadas em latitude, longitude e altitude e viceversa.

Coordenadas Cartesianas e Geodésicas

Sistemas de Referência Datum Superfície de Referência Datum Horizontal Datum Vertical Datum Horizontal um ponto de referência IBGE um elipsóide e Sistema Geodésico Brasileiro SGB (www. ibge. gov. br/geodesia)

l Datum Oficial Brasileiro (1977) – SAD 69 – Elipsóide ERI 67 (Elipsóide de Referência Internacional de 1967) – Vértice : Chuá – MG ( geóide = elipsóide) SIRGAS 2000 Decreto Nº 5334/2005, assinado em 06/01/2005 Elipsóide GRS 80 (Sistema de Referência Geodésico de 1980) Consistente, global e geocêntrico Centro do Elipsóide = centro de massa da Terra

Nos próximos 10 anos serão Datuns oficiais : SIRGAS, SAD 69 e Córrego Alegre (só para o SCN) Datum GPS – WGS 84 Elipsóide GRS 80 (Sistema de Referência Geodésico de 1980) Consistente, global e geocêntrico Centro do Elipsóide = centro de massa da Terra

l Sistema de Referência Altimétrico – Imbituba – SC usado por quase todo Brasil Porto de Santana – utilizado pelo Amapá (dificuldades de expandir a rede altimétrica nesta área do país)

Representações Cartográficas Sistemas de Projeção Cilindro Carta ou Mapa Terra Cone Modelo (Esfera /Elipsóide) Esfera Modelo Plano Tangente

Temos três diferentes tipos de projeção quanto às propriedades: l Projeção equivalente conserva as áreas eqüidistante conserva as distâncias l Projeção conforme ou ortomorfa conserva os ângulos l Projeção

SISTEMA DE PROJEÇÃO UNIVERSAL TRANSVERSO DE MERCATOR (UTM) l Criado para aplicação mundial pelos militares para um sistema de coordenadas planas l Em 1951 a Associação de Geodésia e Geofísica Internacional (AGGI) recomendou o sistema UTM para o mundo inteiro l No Brasil - sistema adotado pela Diretoria do Serviço Geográfico (DSG) e IBGE, desde de 1955 para o mapeamento sistemático do país.

Meridiano extremo Meridianos de secância PN PS Meridiano Central

l. O elipsóide é dividido em 60 fusos de 6 de longitude l Cada fuso tem um sistema de coordenadas parcial Cada fuso terá um meridiano central l A amplitude de 6 para os fusos no sistema UTM coincide com os fusos da Carta Internacional ao Milionésimo. l

l. A interseção com o equador é a origem do sistema l Os fusos são limitados por duas longitudes múltiplas de seis l As l. O latitudes limites vão de 80 N a 80 S sistema UTM não é utilizado para representar regiões polares.

l Os fusos de sistema de projeção UTM são numerados de 1 a 60 contados a partir do antimeridiano de Greenwich no sentido anti-horário. l N do fuso = 30 – ( /6), para pontos a oeste de Greenwich. l N do fuso = 30 + ( /6), para pontos a leste de Greenwich.

Eixos coordenados do sistema UTM e origem no hemisfério Sul N N N 3 3 E E E meridiano central 6 6°(668 km)

Fundamentos do GPS Sistema TRANSIT – Primeiro sistema de satélites artificiais Objetivo de navegação Idéia básica: localização sobre a Terra Cálculo da posição baseado no Efeito Doppler Desvantagens: longos períodos de observação e baixa precisão

Sistema de Posicionamento Global – GPS NAVSTAR-GPS (Navigation Satellite Time And Rancing) Criado para substituir o TRANSIT Estudos iniciados em 1973 – Desenvolvido e operado pelo Departamento de Defesa dos Estados Unidos da América - Do. D Sistema de rádio navegação Concebido para fins exclusivamente militares

O GPS foi projetado de forma que em qualquer lugar do globo e a qualquer momento existam pelo menos quatro satélites acima do plano do horizonte do observador.

Em razão de sua precisão e do grande desenvolvimento da tecnologia dos receptores, surgiram aplicações para uso civil, tais como: ü Navegação ü Geodésia ü Topografia ü Sinais de tempo ü Outros

SPS (Standard Positioning Service) l Serviço l Uso l 24 de Posicionamento Padrão civil horas por dia l Em qualquer lugar l Componente temporal (data e hora) l Coordenadas (lat. , long. , altitude)

SPS l Precisão nominal: – 20 m componente horizontal – 30 m componente vertical l 95% do tempo l Sistema degradado intencionalmente (SA) – 100 m componente horizontal – 156 m componente vertical l Precisão no posicionamento relativo – 5 m à 5 mm

GPS posição de pontos, coordenadas TEMPO velocidade direção do deslocamento aceleração

Sistema de controle de tempo l Extremamente importante l O GPS baseia-se na medida simultânea da distância entre o receptor e pelo menos quatro satélites

l. A distância entre o receptor e os satélites se obtém por meio do atraso temporal, entre o sinal que o satélite emite até o momento em que o sinal é recebido pelo receptor

Segmentos do Sistema GPS l Espacial l Controle l Usuário

Segmento Espacial l 24 satélites l Altura de 20. 200 km da superfície terrestre l 6 planos orbitais l Órbitas com 55° de inclinação em relação ao Equador l Período de 12 horas siderais l Satélites NAVSTAR ou Space Vehicles (SVs)

Segmento de Controle l 5 estações rastreadoras fixas l Localizadas nas proximidades da linha do Equador l Movimento orbital dos satélites constantemente monitorado l Estação mestre – Colorado Springs l Correção das efemérides e dos relógios

Segmento do Usuário Constituído pelos receptores GPS e comunidade de usuários. Os receptores convertem os sinais dos satélites (SVs) em estimativas de posições, velocidade e tempo.

Sistema de Tempo GPS l GPS mede intervalo de tempo de propagação do sinal l Tempo GPS – Início 0 h de 06/01/80

l Tempo GPS contado – número de semanas – número de segundos desde o início l Semanas GPS (GPS Week Number) – Varia de 0 – 1023 (aproxim. 20 anos) l N° de segundos - contador TOW (Time Of Week – Tempo da Semana ) – Varia de 0 – 604. 800

Sinais GPS l Satélites GPS são sistemas unidirecionais de emissão l A observação fundamental é a medida do tempo de percurso do sinal entre a antena do satélite e a antena do receptor l freqüência fundamental fo de 10, 23 Mhz

ESTRUTURA DO SINAL GPS

CÓDIGOS PRN Pseudo Randon Noise

Determinação das Coordenadas

Erros das medidas GPS l Erros do relógio do satélite l Atmosfera l Multitrajetória ou Multicaminhamento l Erros de recepção l Disponibilidade Seletiva - SA (Selective Avaibility) l Anti-spoofing (AS)

Diluição da Precisão (DOP) HDOP: Para o posicionamento horizontal VDOP: Para o posicionamento vertical TDOP: Para a determinação do tempo PDOP: Para o posicionamento tridimensional. RDOP: Para o posicionamento relativo (relative)

Valores de PDOP < 4 – ótimo 4 < PDOP < 6 – aceitável 6 < PDOP < 8 – compromete o resultado > 8 – inaceitável para posicionamento (geodésico ou topográfico)

Tipos de receptores GPS l Os receptores + baratos – posicionamento em tempo real sem correção – baseado somente no código C/A – precisão SPS da ordem de 20 m na horizontal e 40 m na vertical l Receptores usam para suas soluções a observação da fase da portadora, em vez da pseudodistância são mais precisos e apresentam como resolução comprimento de onda da portadora com valores bem inferiores.

Classificação dos Receptores pelo tipo de dado - Código C/A e portadora L 1 - Código C/A e portadoras L 1/L 2

Principais componentes dos receptores GPS Antena com pré-amplificador; l Unidade de alta freqüência para sintonizar os sinais provenientes de diversos satélites, de preferência simultaneamente e com canais independentes; l Unidades capacitadoras para receber os códigos dos satélites, para fins de identificação, obtenção das efemérides, sinais de tempo, catálogo, etc; l

l Osciladores internos de alta precisão; l Porta de entrada e saída de dados; l Fonte de energia própria, por bateria, e ou externa, via rede domiciliar; l Memória residente para armazenamento dos dados de rastreamento. l Interface com o usuário, painel de exibição de comandos;

Métodos de Posicionamento l Posicionamento por Ponto ou Absoluto l Posicionamento Diferencial (DGPS) l Posicionamento Relativo

Classificação quanto à mobilidade do receptor: l Estático – receptores base e remoto ficam estacionados – dependendo do comprimento da base a ser medida e da precisão que se quer alcançar

l Cinemático – permite a movimentação do receptor remoto; – período de tempo maior no ponto inicial, visando determinar as ambigüidades; – fator restritivo - cycles slips (perda momentânea do sinal de um ou mais satélites)

Correção do Posicionamento l Em Tempo Real l Pós-processado

Redes de Monitoramento Contínuo l Rede Brasileira de Monitoramento Contínuo do Sistema GPS (RBMC – IBGE) l Rede INCRA de Bases Comunitárias l Rede de Rádio Faróis da Marinha l Redes SIGHT e Santiago & Cintra

RBMC - IBGE

RIBa. C - INCRA

Rede de Rádios Faróis da Marinha

RINEX l Cada fabricante tem seu formato binário proprietário para os dados GPS l Dados diferentes não podem ser processados juntos num mesmo programa l Criado formato único: Receiver Independent Exchange Format - RINEX (Formato de Intercâmbio Independente de Receptor)

RINEX (continuação) Visa intercâmbio de dados l Composto por três arquivos ASCII: l – um arquivo de observações – dados meteorológicos (opcional) – mensagem de navegação RINEX 2 – versão mais completa l Programas disponíveis na internet l http: \www. unvaco. ucar. edu

Outros Sistemas de Posicionamento por Satélite l GLONASS – GLONASS - GLObal NAvigation Satelitte System – Sistema Russo equivalente ao GPS – 3 planos orbitais com 8 satélites cada ( 24 satélites) – Altura 19. 000 km; período 11: 15 h – Satélites transmitem em freqüências diferentes: – L 1 = 1602 MHz + N 0. 5625 MHz – L 2 = 1246 MHz + N 0. 4375 MHz (N: canal) – SA não implementada

– TUC GLONASS diferente da TUC GPS – Datum PZ 90 (Parametros Zemli 1990)

l GALILEO – – – GNSS (GLOBAL NAVIGATION SATELLITE SYSTEM) União Européia Controle Civil Compatível com GPS e GLONAS 4 portadoras da Banda L Em fase de desenvolvimento

ALGUMAS ORIENTAÇÕES NO USO DO GPS l Os receptores GPS foram concebidos para funcionar quando não existirem barreiras entre os satélites e a antena do receptor l Quando existem barreiras entre o receptor e os satélites, há degradação ou interrupções dos sinais.

l. O aparelho a ser utilizado vai depender da precisão necessária para o trabalho l. O erro na altitude é 150% maior do que o erro na determinação da latitude e longitude

l Os receptores utilizam internamente o sistema WGS 84 e podem exportar os dados em diversos outros sistemas. l. O usuário deve ter o cuidado de registrar os pontos nas coordenadas e DATUM usados no projeto em trabalho. l Quando os Estados Unidos ativam o erro SA, a precisão da determinação de pontos absolutos pode chegar a 100 m.

l Na determinação de divisas de propriedades, talhões, canais de irrigação, construções, poços e etc. o posicionamento absoluto não satisfaz às necessidades de precisão, neste caso deve-se utilizar o DGPS l Os dados armazenados no receptor podem ser utilizados para alimentar Sistemas de Informações Geográficas ou Mapeamento Digital de forma precisa, rápida e extremamente barata

l Conhecendo-se as coordenadas de pontos de interesse pode-se preparar uma rota na qual o GPS auxilia o navegador a chegar a diversos lugares. l No mundo atual o GPS é utilizado desde grandes trabalhos científicos até momentos de lazer.

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