Introdução ao GPS

1. Introdução ao GPS Prof. Dr. Nelson Wellausen Dias

2. Histórico • Primeiros estudos começaram na década de 1960. • Primeiro satélite foi lançado em 1978. • O sistema só se tornou completo em abril de 1995. Universidade de Taubaté – Departamento de Ciências Sociais e Letras – Curso: Geografia – Disciplina: Cartografia – Série: 2 – Prof. Dr. Nelson W.Dias

3. Como funciona o sistema GPS Segmento espacial • São três segmentos Segmento do Usuário Segmento de Controle Antenas em terra Estações de monitoramento Estação Central Universidade de Taubaté – Departamento de Ciências Sociais e Letras – Curso: Geografia – Disciplina: Cartografia – Série: 2 – Prof. Dr. Nelson W.Dias

4. Segmento espacial: constelação de 24 satélites • 6 planos orbitais • Inclinação de 55o em relação ao Equador • 20.200 km de altitude • 4 satélites por plano • Órbita de 12 horas

5. Resultado: em qualquer lugar do mundo, em qualquer momento haverá no mínimo 4 satélites de GPS “visíveis” ao receptor.

6. Cada satélite tem um relógio atômico (césio) e transmissores de rádio Acurácea do relógio atômico: 1 s a cada 100 000 anos • Gera sinais de rádio em duas freqüências

7. Ondas são moduladas por códigos binários que contém informações de navegação do satélite Sinal leva informações sobre data/horário (relógio) e efemérides do satélite

8. Segmento de controle • 5 estações de controle ao redor do mundo, sendo uma delas a principal (Colorado, EUA) • Monitoramento dos satélites: efemérides, correção dos relógios, previsão de órbitas, etc

9. Estação Central Estação de Monitoramento Antenna em Terra Como funciona o sistema GPS Comando Espacial EUA Cabo Canaveral Hawai Atol Kwajalein Diego Garcia Ilhas Ascenção Universidade de Taubaté – Departamento de Ciências Sociais e Letras – Curso: Geografia – Disciplina: Cartografia – Série: 2 – Prof. Dr. Nelson W.Dias

10. Como funciona o sistema GPS • Militar • Busca e resgate • Ajuda humanitária em desatres naturais • Levantamentos de campo • Navegação marinha, aeronáutica e terrestre • Controle remote de veículos e robôs • Posicionamento e controle de satélites • Serviços de remessa e entrega de produtos • Sistemas de Informação Geográfica (SIG). • Recreacional • Segmento usuário Universidade de Taubaté – Departamento de Ciências Sociais e Letras – Curso: Geografia – Disciplina: Cartografia – Série: 2 – Prof. Dr. Nelson W.Dias

11. GPS: os 3 segmentos Segmento Espacial Segmento Usuário Segmento de Controle

12. Quatro funções básicas do GPS • Coordenadas e posição • Distância e direção entre quaisquer dois pontos • Informações sobre o progresso da viagem • Medição precisa do tempo Universidade de Taubaté – Departamento de Ciências Sociais e Letras – Curso: Geografia – Disciplina: Cartografia – Série: 2 – Prof. Dr. Nelson W.Dias

13. O sinal deixa o satélite no tempo “T” • A posição é determinada pelo Tempo. O sinal é recebido pelo receptor no tempo “T + 3” T + 3 A distância entre o satélite e o receptor = “3 vezes a velocidade da luz” Universidade de Taubaté – Departamento de Ciências Sociais e Letras – Curso: Geografia – Disciplina: Cartografia – Série: 2 – Prof. Dr. Nelson W.Dias

14. Diferença de Tempo • Código de Ruído Pseudo Aleatório (CRPA) CRPA do Satélite CRPA do Receptor Universidade de Taubaté – Departamento de Ciências Sociais e Letras – Curso: Geografia – Disciplina: Cartografia – Série: 2 – Prof. Dr. Nelson W.Dias

15. Qual é o Tempo Horário Coordenado Universal Horário Zulu Horário GPS + 13* Horário Médio de Greenwich Horário Local: AM ou PM (ajustado para o fuso horário local) Horário Militar (horário local contado em 24 horas) * Horário GPS está a frente do UTC em aproximadamente 13 segundos Universidade de Taubaté – Departamento de Ciências Sociais e Letras – Curso: Geografia – Disciplina: Cartografia – Série: 2 – Prof. Dr. Nelson W.Dias

16. Sinal de UM satélite O receptor está em algum lugar desta esfera. Universidade de Taubaté – Departamento de Ciências Sociais e Letras – Curso: Geografia – Disciplina: Cartografia – Série: 2 – Prof. Dr. Nelson W.Dias

17. Se o receptor calcula que ele está a X km de um satélite, então sabemos que ele pode estar em qualquer lugar de uma esfera imaginária que tem o satélite por centro e o raio mede x km

18. Sinal de DOIS satélites Universidade de Taubaté – Departamento de Ciências Sociais e Letras – Curso: Geografia – Disciplina: Cartografia – Série: 2 – Prof. Dr. Nelson W.Dias

19. Com um segundo satélite, o receptor calcula duas esferas , uma para cada satélite. Agora sabemos que o receptor está localizado apenas onde as duas superfícies das duas esferas se interceptam

20. A intercepção entre as duas esferas é um anel . Sabemos que o receptor está em algum ponto desse anel.

21. Sinal de TRÊS satélites (2-D) Universidade de Taubaté – Departamento de Ciências Sociais e Letras – Curso: Geografia – Disciplina: Cartografia – Série: 2 – Prof. Dr. Nelson W.Dias

22. Os dois possíveis pontos de intersecção entre as três esferas

23. Sinal de QUATRO satélites (3-D) Universidade de Taubaté – Departamento de Ciências Sociais e Letras – Curso: Geografia – Disciplina: Cartografia – Série: 2 – Prof. Dr. Nelson W.Dias

24. Por que um quarto satélite é utilizado? Embora matematicamente, 3 satélites solucionem o posicionamento do receptor, um quarto satélite é utilizado para refinar o cálculo e evitar erros decorrentes das imprecisões geradas pelo relógio do receptor Se outros satélites estiverem visíveis, eles também são utilizados no cálculo da posição do receptor, refinando ainda mais o posicionamento

25. Disponibilidade Seletiva (S/A) • O Departamento de Defesa dos EUA diminuiu a qualidade da mensagem de tempo, reduzindo a precisão (ou melhor, acuracidade) para alguns usuários de GPS. • A intensão era evitar que inimigos dos EUA utilizassem essa tecnologia contra eles. • Em maio de 2000 o Pentágono reduziu o erro causado pelo S/A para zero metros. • Mas os S/A pode ser reativado a qualquer momento. Universidade de Taubaté – Departamento de Ciências Sociais e Letras – Curso: Geografia – Disciplina: Cartografia – Série: 2 – Prof. Dr. Nelson W.Dias

26. Causas de erros no GPS • Serviço de Posicionamento Padrão (SPS ): Usuários Civis • FonteErros (metros) • Relógios dos Satélites: 1.5 to 3.6 • Erros de órbita: < 1 • Ionosfera: 5.0 to 7.0 • Troposfera: 0.5 to 0.7 • Ruído do receptor: 0.3 to 1.5 • Multi-caminho: 0.6 to 1.2 • Erros operacionais • (dos usuários): até 1.000 ou mais • Os erros são cumulativos e aumentam com o PDOP. Universidade de Taubaté – Departamento de Ciências Sociais e Letras – Curso: Geografia – Disciplina: Cartografia – Série: 2 – Prof. Dr. Nelson W.Dias

27. Defeitos do sistema = < 9 metros Erros operacionais = +- 1 km Erros do receptor são cumulativos Universidade de Taubaté – Departamento de Ciências Sociais e Letras – Curso: Geografia – Disciplina: Cartografia – Série: 2 – Prof. Dr. Nelson W.Dias

30. Atmosfera terrestre Fontes de interferência no sinal Estruturas sólidas Campos eletromagnéticos Metal Universidade de Taubaté – Departamento de Ciências Sociais e Letras – Curso: Geografia – Disciplina: Cartografia – Série: 2 – Prof. Dr. Nelson W.Dias

31. E X E R C Í C I O