UNIVERSIDADE FEDERAL DE CAMPINA GRANDE
CENTRO DE TECNOLOGIA E RECURSOS HUMANOS
UNIDADE ACADÊMICA DE ENGENHARIA CIVIL
POSICIONAMENTO POR SATÉLITES
PROF. IANA ALEXANDRA
SUMÁRIO
1. HISTÓRICO
2. COMPONENTES DO GPS
3. COMO FUNCIONA O GPS?
4. ERROS NAS OBSERVÁVEIS GPS
5. MÉTODOS DE POSICIONAMENTO
6. APLICAÇÕES
1. HISTÓRICO
LORAN (Long-Range Navigation System)
Sistema de navegação de longa distância criado no início da década
de 1940
Muito utilizado durante a II Guerra Mundial
A posição é determinada pela análise do intervalo de tempo entre
pulsos de sinais de rádio entre duas ou mais estações terrestres de
coordenadas conhecidas.
Posicionamento por Satélites
Projeto SPUTNIK
Um conjunto de satélites artificiais lançados a partir de 1957 pela
União Soviética. SPUTNIK 1 foi o primeiro satélite artificial do
mundo e era do tamanho de uma bola de basquete.
Projeto VANGUARD
Um conjunto satélites artificiais lançados a partir de 1958 pelos
Estados Unidos. É o mais antigo equipamento feito pelo homem
ainda em órbita.
Posicionamento por Satélites
OMEGA (Global Low Frequency Navigation System)
Primeiro sistema de radionavegação de abrangência mundial
Desenvolvido em 1968 pela Aeronáutica dos EUA para detectar
bombardeiros e submarinos russos.
Encerrado em 1997 devido aos altos custos de operação.
Posicionamento por Satélites
TRANSIT (Navy Navigation
Satellite System - NNSS)
Primeiro sistema de navegação
por satélite a ser usado
operacionalmente.
Formado por uma constelação
de 5 satélites.
Inicialmente utilizado pela
Aeronáutica dos Estados
Unidos a partir de 1960 para
obter informações precisas
sobre mísseis submarinos.
Posicionamento por Satélites
GLONASS - GLObal NAvigation
Satellite System
Sistema de radionavegação russo
criado em 1976 composto por 24
satélites. Primeiro satélite lançado em
1982. Em 2002, apenas 7 satélites em
operação.
GALILEO
Sistema de radionavegação global criado
pela União Européia em 2002.
Posicionamento por Satélites
GPS
Abreviatura de Global Positioning System
Sistema de radionavegação desenvolvido pelo Departamento de
Defesa (DoD) do Estados Unidos que fornece posicionamento
altamente preciso para usuários militares e civis
Nome verdadeiro: NAVSTAR (Navigation System with Time and
Ranging)
Posicionamento por Satélites
Permite a qualquer usuário saber a sua localização, velocidade
e tempo, 24 horas por dia, sob quaisquer condições
atmosféricas e em qualquer ponto do globo terrestre.
Não necessita de de visibilidade entre as estações (métodos
de levantamento convencionais)
Adota como referência o elipsóide World Geodetic System de
1984 (WGS-84).
Posicionamento por Satélites
Histórico do GPS
1978, primeiro satélite lançado;
1978 a 1985, 11 satélites são lançados
1983, sistema disponível para o uso civil
1993, constelação de 24 satélites é alcançada
1995, sistema é declarado operacional
1 de maio de 2000, código SA é desativado, aumentando
Precisão para uso civil de 100 m para 10 m;
Posicionamento por Satélites
2. COMPONENTES DO GPS
Componente Espacial
Constelação de 24 satélites em 6
planos orbitais (4 satélites em
cada plano)
Altitude de cerca de 20.200 km
Inclinação de 55° do Equador
Concebido de forma que
existam no mínimo 4 satélites
visíveis acima do horizonte em
qualquer ponto da superfície e
em qualquer altura.
Posicionamento por Satélites
Componente Espacial
Cada satélite construído
para durar aproximadamente
10 anos;
Constantemente estão
sendo construídas
substituições e lançadas em
órbita.
Posicionamento por Satélites
Componente de Controle
Responsável pelo rastreamento dos satélites, atualização de
suas efemérides (posições orbitais) e calibração e sincronização
dos seus relógios.
Determina as órbitas de cada satélite e prevê a sua trajetória nas
24h seguintes. Esta informação é enviada para cada satélite para
depois ser transmitida por este, informando o receptor do local
onde é possível encontrar o satélite.
Posicionamento por Satélites
Localização das estações de controle GPS
Posicionamento por Satélites
Estações de rastreio
Rastreiam satélites de sua cobertura
Coletam dados dos sinais dos satélites
Enviam os dados para a estação de controle principal
Estações originais (até 2005)
1. Havaí
2. Ilha da Ascensão (Oceano Atlântico)
3. Kwajalein (Oceano Pacífico, nordeste de Nova Guiné)
4. Diego Garcia (Oceano Índico)
Posicionamento por Satélites
Estação de rastreio do Havaí
Posicionamento por Satélites
Estação de controle principal
•
Localizada em Colorado Springs, EUA
•
Processa os dados das estações de rastreio
•
Detecta as efemérides e relógios dos satélites
•
Calcula novas efemérides
•
Retransmite os dados (1 ou 2 vezes ao dia) para as estações de
Ascension Islands, Diego Garcia ou Kwajalein que, por sua vez,
os retransmitem para os satélites via antenas de transmissão
Posicionamento por Satélites
Estação de controle principal
Posicionamento por Satélites
Componente Usuário
Inclui todos aqueles que usam um receptor GPS para receber e
converter o sinal GPS em posição, velocidade e tempo.
Inclui ainda todos elementos necessários neste processo como
as antenas e softwares de processamento
Posicionamento por Satélites
Função básicas de um receptor GPS
1. Informar as coordenadas de sua posição na Terra.
2. Dar orientação de navegação para outro ponto qualquer.
Outras funções:
•
•
•
•
•
•
•
capacidade de armazenar pontos e rotas na memória
ambiente em que você vai utilizar o GPS
possibilidade de conectá-lo a uma antena externa
interface para PC
altímetro barométrico acoplado
bússola eletrônica acoplada
com dados ou mapas embutidos (basemap)
Posicionamento por Satélites
Tipos de antenas
Posicionamento por Satélites
Equipamentos de antena para proteção contra
multicaminhamentos
Choke Ring
Ground Plane
Posicionamento por Satélites
Tipos de receptores
Quanto à aplicação
De navegação
Geodésico
Para SIG
Quanto ao dados
De simples freqüência (Portadora L1)
De dupla freqüência (Portadoras L1 e L2)
Posicionamento por Satélites
Receptores de
navegação
Receptores de mão
Posicionamento por Satélites
Receptores de
navegação
Nokia N82
Antena integrada
Software Nokia Maps
Guia por voz
Valor: 450 euros
Posicionamento por Satélites
Receptores de
navegação
Receptores
em veículos
Posicionamento por Satélites
Receptores
Geodésicos
Posicionamento por Satélites
Receptores
para SIG
Leica GPS900CS
Posicionamento por Satélites
Posicionamento por Satélites
3. COMO FUNCIONA O GPS?
Como funciona o GPS?
Baseia-se na determinação da
distância entre um ponto, o receptor, a
outros de referência, os satélites.
Sabendo a distância que nos separa
de 3 pontos podemos determinar a
nossa posição relativa a esses
pontos através da intersecção de 3
circunferências cujos raios são as
distancias medidas entre o receptor
e os satélites.
São necessários, no mínimo, 4
satélites para determinar a nossa
posição corretamente.
Posicionamento por Satélites
Como funciona o GPS?
•
A função de um receptor GPS é localizar 4 ou mais
desses satélites, determinar a distância para cada um e
utilizar esta informação para deduzir sua própria posição.
•
Essa operação é baseada em um princípio matemático
simples chamado trilateração.
•
A trilateração em um espaço tridimensional pode
parecer
um
pouco
complicada,
então
começaremos explicando o que é trilateração
bidimensional.
Como funciona o GPS?
• Imagine que você esteja em algum lugar na
Paraíba e está TOTALMENTE perdido, não tem a
menor idéia de onde está. Você encontra um
morador local amigável e pergunta a ele: "Onde
eu estou?". Ele lhe diz: "Você está a 61 km de
Campina Grande, Paraíba".
•
• Uma ajuda, mas que não é tão útil sozinha. Você
poderia estar em qualquer lugar ao redor de
Campina Grande, desde que em um raio de 61
km, desta maneira:
Como funciona o GPS?
Campina Grande
Como funciona o GPS?
• Você pergunta a outra pessoa onde está e ela
diz: "Você está a 58 km de João Pessoa-PB".
Agora você está chegando a algum lugar:
se combinar esta informação com a informação
anterior, você terá dois círculos que se cruzam.
• Agora você sabe que tem de estar em uma
dessas duas interseções, já que está a 70 km
de Campina e a 58 km de João Pessoa.
Como funciona o GPS?
Campina
Grande
João
Pessoa
Como funciona o GPS?
• Se uma terceira pessoa lhe disser que você está
a 27 km de Juripiranga-PB, eliminará uma das
possibilidades, pois o terceiro círculo irá se cruzar
somente com um desses pontos. Assim,
você saberá exatamente onde está: Cajá,
Paraíba.
• Esse conceito funciona da mesma maneira em
espaços tridimensionais, mas estamos falando de
esferas ao invés de círculos. Na seção seguinte,
veremos esse tipo de trilateração.
Como funciona o GPS?
Campina Grande
João Pessoa
Cajá
Juripiranga
Por que se deve ter no mínimo 4 satélites ?
1 satélite
Mede-se a distância d1 do satélite 1: algum lugar na superfície
de uma esfera imaginária que tem seu centro no satélite .
Posicionamento por Satélites
2 satélites
Mede-se a distância d1 do satélite 1 e, ao mesmo tempo, distância
d2 do satélite 2: círculo onde as suas esferas se interceptam.
Posicionamento por Satélites
3 satélites
Mede-se, ao mesmo tempo:
as distâncias d1, d2 e d3
Somente 2 pontos A e B onde
a esfera de distância d3 corta
o círculo: a intercessão das
esferas das distâncias d1 e d3
Posicionamento por Satélites
4 satélites
Determina se o ponto
correto é A ou B
Na prática, o quarto satélite
é desnecessário, pois,
geralmente, um dos 2
pontos deverá se localizar
na Terra
Necessária em razão do
não sincronismo entre os
relógios dos satélites e do
usuário
Posicionamento por Satélites
TRANSMISSÃO DE SINAIS
Posicionamento por Satélites
Cada satélite transmite um sinal que é recebido pelo receptor.
O receptor mede o tempo que os sinais demoram a chegar até ele.
Multiplicando o tempo medido pela velocidade do sinal (a velocidade
da luz no vácuo = 300 m/s), obtemos a distância receptor-satélite.
Distância = Velocidade x Tempo
Posicionamento por Satélites
Relógios dos satélites devem ser muito precisos (atômicos) porque a
luz se move extremamente rápido.
Exatidão de um nano segundo (0,000.000.001 segundos)
Sincronizar os receptores e os satélites de modo que estejam
gerando o mesmo código exatamente no mesmo tempo.
Receber os códigos do satélite e identificar a diferença
de tempo que o sinal levou para chegar até nós.
Posicionamento por Satélites
Característica das ondas portadoras
Os satélites transmitem constantemente duas ondas portadoras
na banda L (usada para rádio), geradas simultaneamente a
partir de uma frequência fundamental de 10,23 MHz:
Onda portadora L1 (Link one)
Frequência: 1575.42 MHz (154 x 10,23 MHz)
Comprimento: 19 cm
Onda portadora L2 (Link two)
Frequência: 1227,60 MHz (120 x 10,23 MHz)
Comprimento: 24 cm
Posicionamento por Satélites
Códigos modulados sobre as portadoras
Código de Aquisição Livre - C/A (Coarse Acquisition)
Modulado sobre a onda portadora L1
Frequência: 1,023 MHz
Comprimento: 300 m
Código Preciso/Protegido - P (Precise/Protected)
Modulado sobre as ondas portadoras L1 e L2
Frequência: 10,23 MHz
Comprimento: 30 m
Posicionamento por Satélites
4. ERROS NAS OBSERVÁVEIS GPS
Erros Dependentes dos Satélites
Erros nas efemérides
Erros nas coordenadas dos satélites
Podem chegar até 20 m
Podem ser eliminados pelo posicionamento relativo
Erros nos relógios dos satélites
Podem chegar até 80 nano-segundos (0,000.000.08 s) o
que correspode a cerca de 24 m
Podem ser eliminados pelo posicionamento relativo
Posicionamento por Satélites
Erros Dependentes do receptor/antena
Variação do centro de fase da antena*
Em um levantamento, todas antenas devem ser calibradas
Antenas devem ser orientadas numa mesma direção (norte)
Modelos iguais de receptores não apresentam grandes problemas
*Centro de fase é o ponto no qual as medidas dos sinais são refenciadas
Geralmente não coincide com o centro geométrico da antena
Posicionamento por Satélites
Erros Dependentes do receptor/antena
Erros nos relógios dos receptores
Podem ser eliminados pelo posicionamento relativo
Erros entre os canais
Quando o sinal de cada satélite percorre canais diferentes
Corrigidos automaticamente pelo receptor no início de cada
levantamento
Posicionamento por Satélites
Erros de propagação dos sinais
Refração da Troposfera
Refração da Ionosfera
Posicionamento por Satélites
Erros da propagação dos sinais
Multicaminhamento (Multipath)
Quando o receptor recebe, além do sinal que chega diretamente à
antena, sinais refletidos em superfícies vizinhas a ela.
Similar ao efeito fantasma de TV
Para atenuar esse efeito:
Antenas Choke rings
Evitar levantamentos em
locais propícios ao
multipath
Posicionamento por Satélites
Multicaminhamento
Multipath
Barreiras naturais
Diferencial GPS (DGPS)
As posições absolutas, obtidas com um receptor móvel, são corrigidas por
um outro receptor fixo, estacionado num ponto de coordenadas conhecidas.
Esses receptores comunicam-se através de link de rádio.
Precisão de 1 a 5 metros.
Posicionamento por Satélites
6. APLICAÇÕES
Transportes (logística)
Esporte e Lazer
Proteção Civil
Topografia e Geodésia
Militares
Meteorologia
Monitoramento de Abalos Sísmicos
Roteiros de Viagens
Georreferenciamento de imagens de satélite
Atualização de informações cartográficas
Atualização de Sistemas de Informação Geográfica
Posicionamento por Satélites
CARTOGRAFIA
TELE ATLAS (www.teleatlas.com )
Empresa holandesa que disponibiliza mapas
digitais 2D e 3D para navegação e serviços
baseados em localização.
Realizou acordo com a GOOGLE para suprir
dados para o Google Maps
Oferece sistema de atualização de dados
Posicionamento por Satélites
Logística
Automatic Vehicle Location (AVL)
Monitoramento de veículos
Transportadoras
Determinar onde, por quanto e a que horas cada veículo de uma
frota foi abastecido
Verificar se o motorista excedeu a velocidade
Posicionamento por Satélites
Objects Location and Management (OLM)
Não apenas os veículos podem ser monitorados, mas
também qualquer outro objeto
Carga do caminhão;
Cabeças de gado;
Tornozeleiras para presidiários
Posicionamento por Satélites
Seguradoras de veículos
Serviços de rastreamento
Auxiliar na localização de veículos após o furto
Situações de emergência
EUA obrigam operadoras de telefonia móvel a localizar de onde
partiram chamadas para auxiliar no serviço de emergência 911
Fim da privacidade
Controle da vida das pessoas
Posicionamento por Satélites
Roteamento
Lazer, esportes e viagens
Traçar rotas
Caminhos respeitam sentido das vias
Sistema de voz para guiar motoristas
Celular com mapas de localização de
telefones cadastrados
Serviço pago pelo clientes
Receber mensagens da situação do
trânsito evitando ruas congestionadas
e criar novas rotas
Posicionamento por Satélites
Transportes Públicos
GPS em ônibus - Projeto GEOSIT Uberlândia
• Monitorar a velocidade, tempo de percurso e de parada em
cada ponto;
• Alertar em caso de acidente ou problemas mecânicos;
• Comunicação imediata sobre problemas no trânsito, como
bloqueios ou semáforos quebrados;
• Fiscalizar o itinerário de cada linha de ônibus;
• Ajustar em tempo real dos horários de partida;
Posicionamento por Satélites
• Passageiros podem acompanhar, do ponto de ônibus,
quanto tempo terá que esperar até a chegada de cada ônibus;
• Botão de emergência em caso de assalto;
• Orientar a polícia na identificação de grupos criminosos e
traçar com mais precisão o perfil dos assaltos ( número de
ocorrências, freqüências, e localidade).
Posicionamento por Satélites
Radio-Frequency Identification (RFid)
Etiquetas em peças de vestuário emitem sinais captados por antenas
Sistemas semelhante ao de cobrança de pedágios em que um
dispositivo colocado no vidro do carro se comunica com uma antena
Jaquetas com GPS e sinal
de pânico em casos de
emergência
Posicionamento por Satélites