Aula 9 – Global Positioning System - GPS

1. Aula 9 – Global Positioning System - GPS O GPS foi desenvolvido pelo Departamento de Defesa dos EUA, tendo em vista dotar os militares norte-americanos de meios precisos e seguros para posicionamento e movimentação no terreno. No entanto, desde logo se constatou da grande utilidade do GPS para múltiplas utilizações civis. O sistema conta com 24 satélites operacionais, que permanentemente possibilitam, em quaisquer condições climatéricas, o posicionamento e a movimentação no terreno, em qualquer local do Planeta. • O GPS é composto por três segmentos • espacial • utilizadores • de controlo O segmento espacial é constituído pelos satélites, que transmitem sinais em duas frequências moduladas. As transmissões são controladas com grande rigor por relógios atómicos de rubídio e césio, instalados nos satélites. Transmitem também mensagens de navegação que contêm elementos sobre a identificação e a órbita dos satélites, necessárias para calcular a posição dos mesmos. O segmento de controlo está sediado na Falcon Air Force Base, em Colorado Springs (EUA), onde está situada a Master Control Station. Há outras estações de monitoragem em diversos locais do Planeta. A função deste segmento de controlo é acompanhar permanentemente os sinais enviados pelos satélites, tendo em vista verificar as órbitas dos mesmos, o funcionamento dos relógios atómicos e actualizar, sempre que necessário, as mensagens de navegação.

2. Por fim, o segmento dos utilizadores limita-se a captar os sinais de alguns dos satélites e, com auxílio de um software adequado, aplicar alguns algoritmos para a determinação da posição, da velocidade e da hora. Os satélites GPS orbitam a 19 300 km de altitude e a uma velocidade de 11 300 km/hora, perfazendo duas voltas completas por dia ao Planeta. Os receptores GPS captam os sinais dos satélites, interpretam-nos e através de triangulações determinam a posição do utilizador. É basicamente por comparação do atraso entre a emissão do sinal, pelo satélite, e a sua captação, no receptor, que é determinada a distância entre satélite e receptor. Com a recepção simultânea de sinais de três satélites é possível determinar uma posição 2D (latitude e longitude); com quatro ou mais satélites, uma posição 3D (latitude, longitude e altitude). Depois de determinada a posição do receptor, o software do mesmo pode completar a informação com outras indicações, como velocidade, azimute, itinerário percorrido, distância percorrida, distância até um determinado local de coordenadas conhecidas, hora de nascer e pôr-do-Sol, etc. Em condições normais, o nível de precisão do sistema de posicionamento GPS é da ordem dos 15 metros. A correcçãodiferencial pode elevar o nível de precisão para 3 a 5 metros, e alguns equipamentos conseguem níveis de precisão significativamente superiores (centímetros). • A degradação do posicionamento pode ter diversas causas, isoladas ou simultâneas • atrasos da propagação do sinal na ionosfera e na troposfera • perturbações na progressão do sinal, causadas por edifícios, escarpas rochosas, etc • desajustes nos relógios dos receptores GPS • erros de órbita, dos próprios satélites • número de satélites “visíveis” pelo receptor • posição dos satélites na abóbada celeste • degradação intencional do sinal, originada pelo Departamento de Defesa dos EUA

3. Um marco na história do GPS foi o dia 8 de Dezembro de 1993, quando a capacidade operacional inicial (IOC - initial operational capability) foi declarada, após se constatar que 24 satélites (grupos I, II e IIA) estavam a operar com sucesso. Posteriormente, a 31 de Janeiro de 1994, foi assumida a capacidade operacional efectiva (FOC - full operational capability), logo que se verificou o funcionamento regular de 24 satélites II e IIA, já que o grupo I era apenas de carácter experimental e utilizado durante a instalação da constelação de satélites. Actualmente, o segmento espacial é composto por satélites de grupos II, IIA, IIR e IIF. O primeiro satélite operacional do grupo II foi lançado em Fevereiro de 1989, enquanto que o primeiro satélite do grupo IIA foi lançado em Novembro de 1990. A vida útil média destes satélites está prevista entre sete e dez anos; assim, a partir de 1996 começou a ser lançada uma série de satélites de substituição, designada de grupo IIR, e uma nova geração desde o ano 2000, o grupo IIF. Os satélites movimentam-se em seis planos orbitais, designados de A a F, homogeneamente espaçados entre si e fazendo um ângulo de 55º com o Equador. Cada plano orbital dispõe de quatro satélites que, para optimizar a visibilidade dos mesmos, não estão equidistantes entre si. O período orbital de cada satélite é levemente inferior a 12 horas e cada satélite completa duas revoluções orbitais enquanto a Terra cumpre um dia sideral. Isto quer dizer que cada satélite chega cerca de 4 minutos mais cedo por dia; mas como o período orbital é submúltiplo do de rotação da Terra, a projecção da trajectória de cada satélite repete-se diariamente. GPS Guide for beginners Garmin, 2000 http://www.garmin.com/aboutGPS/manual.html

4. ReNEP Rede Nacional de Estações Permanentes GPS • Objectivos • Amplo leque de utilizações, de natureza técnica e científica, em todas as áreas de actividade que carecem da determinação da posição à superfície da Terra. Destacam-se • infra-estrutura do Serviço Nacional de Difusão de Dados GPS para • apoio à navegação- posicionamento de precisão • vigilância do nível médio do mar • apoio a estudos na área da geodinâmica • infra-estrutura da rede geodésica virtual Localização das Estações operacionais CASCAIS, 1997 (estação integrada na rede EUREF)GAIA, 1999 (estação integrada na rede EUREF)LAGOS, 1999 (estação integrada na rede EUREF)PONTA DELGADA, 1999 (estação integrada na rede EUREF)BEJA, 2001 MIRANDELA, 2001 www.ipcc.pt/portuguese/produtos/geodesia/ReNEP.html • Disponibilização de dados • por Internet • IPCC (ftp://ftp.ipcc.pt/pub/gpsdata/)- BKG (ftp://igs.ifag.de/gpsdata) • No IPCC os dados estão 1 mês online. • A partir de 1 mês são disponibilizados a pedido. Estação Permanente GPS - Cascais • apoio à elaboração de cartografia e à execução do cadastro predial • apoio à execução de levantamentos topográficos

5. Utilização prática de um GPS Garmin V O GPS Garmin V é um aparelho destinado a utilizadores de perfil muito diversificado; está, assim, dotado de múltiplas e diversas funções. Tamanho: 12,7 x 5,9 x 4,1 cm Peso: 255 g (c/ pilhas) Display: 5,6 x 3,8 cm, 256 x 160 pixels, high-contrast FSTN with bright backlighting, switchable orientation Caixa: Fully gasketed, high-impact plastic alloy, waterproof to IEC 529 IPX7 standards Temperatura de funcionamento: –15° C to 70° C Armazenamento das informações do utilizador: indefinite, no memory battery required O GPS é operado através de um conjunto de nove botões. este botão permite ligar e desligar o aparelho e também regular o contraste do display e a retro-iluminação

6. Depois de ligado o GPS, o utilizador consulta e utiliza as distintas informações e funções através de um conjunto de displays a que se vai acedendo através dos botões e Inicialmente surgem os displays de abertura e warnings. Segue-se o display de informação dos sinais de satélite recebidos, do número e qualidade dos sinais, e do grau de precisão do posicionamento indicado pelo receptor. • O botão MENU permite aceder a diversas funções: • Use Indoors • Track Up • New Elevation • New Location

7. A página seguinte é a MAP PAGE A MAP PAGE localiza, através de um triângulo negro, o receptor GPS num mapa, que pode ser visualizado em distintas escalas (botões IN e OUT) e com distintos níveis de informação (botão MENU). À direita ou em cima são apresentadas informações diversas, que podem ser seleccionadas no MENU. A MAP PAGE pode ser utilizada apenas para posicionamento, ou para deslocação até a um ponto (Waypoint) de destino. As informações marginais ao mapa são distintas, consoante a opção em uso. A opção deslocação até a um ponto de destino pode ser escolhida através do botão FIND ou através do botão central, que movimenta uma pequena seta no display, e do botão ENTER.

8. A terceira página é a TRIP INFORMATION PAGE A TRIP INFORMATIONPAGE é particularmente adequada para deslocações longas, em automóvel, moto, barco ou outros veículos... Indica permenentemente a posição, rumo que está a ser seguido, velocidade, altitude, distância percorrida, duração da deslocação, data e hora, etc. O conteúdo de cada uma das seis células pode ser escolhido pelo utilizador. O RESET da TRIP INFORMATION PAGE é feito através do botão MENU. Com o botão FIND é possível escolher um ponto de destino. Se estiver a ser usada a opção deslocação até a um ponto do destino é possível que surjam indicações relativas às estradas a seguir, aos cruzamentos, etc...

9. Waypoints - Routes - Tracks Os WAYPOINTS são locais cuja localização está armazenada na memória do GPS. Em geral a informação relativa a cada WAIPOINT é adquirida e armazenada quando o utilizador está no local em questão, mas podem também ser inseridos e memorizados “à distância”. O GPS Garmin V pode armazenar até 500waypoints. Para adquirir e armazenar “in loco” um WAYPOINT pressionar e manter premido o botão surge então o displayMark Waypoint, com a indicação do número do Waypoint, um símbolo associado, as coordenadas e a altitude. A designação (número) e o símbolo podem ser alterados pelo utilizador... O Waypoint é armazenado em memória através da opção OK.

10. Waypoints - Routes - Tracks Para registar um Waypoint “à distância” pressionar duas vezes o botão e escolher a opção Mark. O utilizador pode então alterar o símbolo, a designação (número), as coordenadas e a altitude; por fim, através da opção OK, memoriza o Waypoint. A recuperação de WAYPOINTS em memória é feita através do botão Waypoints - Routes - Tracks As ROUTES são itinerários estabelecidos para atingir um determinado local de destino. Podem ser routes automáticas – um único local de destino final – ou routes manuais – com um ou mais pontos intermédios de passagem, até se atingir o destino final. As routes automáticas são escolhidas através do botão e é possível seleccionar o itinerário mais rápido, o itinerário mais curto ou um itinerário livre (Off Road). Os dois primeiros recorrem a diversas informações armazenadas em memória...

11. As routes manuais são programadas no MENU PRINCIPAL, opção ROUTES, seleccionando-se o local de partida, os locais intermédios e o local de destino. O GPS Garmin V pode ter em memória 20 routes diferentes. cada route pode ser “navegada” no seu sentido original ou em sentido inverso (REVERSE ROUTE) Waypoints - Routes - Tracks • Um TRACK é um itinerário que fica registado na memória do GPS, • à medida que o utilizador se vai deslocando livremente no terreno. • O GPS Garmin V pode ter em memória 10 tracks diferentes, • embora a cada um só seja afectada uma determinada memória. • um track é registado segundo uma de três opções, escolhida através da opção Setup Track Log • distância • tempo • automático • mas para evitar qualquer perda de informação, quando a memória disponível esteja • totalmente ocupada, é possível activar a opção Wrap When Full • nestas condições, a opção de registo é automaticamente alterada sempre que necessário • à semelhança das routes, os tracks podem ser “navegados” em sentido original ou inverso

12. Trabalhos práticos 1. Uso prático de um GPS 2. Download de GPS Guide for beginners (GARMIN) http://www.garmin.com/aboutGPS/manual.html