Sistema Globais de
Geoposicionamento
Professora Fabricia Benda
Alegre/ES
Universidade Federal do Espírito Santo
20 de setembro de 2011
HISTÓRIA DOS SISTEMAS DE
POSICIONAMENTO
• A “arte de navegar”
• Orientada pelos astros celestes (Sol, planetas,
estrelas).
• Habilidade dos navegadores
• Condições climáticas
• Cartas marítimas existentes;
• Bússola (Chineses) – revolucionou a orientação;
• Quadrante;
• Astrolábio portátil (altura dos astros);
• Balestilha;
• A “arte de navegar”
• Posicionamento Clássico:
• Radio-goniômetro (1921);
Determinação do rumo de uma direção a partir
da recepção de ondas eletromagnéticas emitidas
por uma estação transmissora.
• Ecobatímetro (sonar) – água;
Onda emitida, interage com o alvo e recebida
pelo aparelho emissor/receptor.
• Radar (superfície);
• A “arte de navegar”
• Rastreio ótico – visual e fotográfico;
• Rastreio fotoelétrico (grava a luz emanada pelo
satélite através de uma luneta);
• Rastreio eletrônico (medida da diferença de fase
de sinais de rádio emitidos pelos satélites) –
laser, radar, doppler, secor.
Figura 1: Ilustração de uma coleta de dados GPS pelo método do rastreio eletrônico.
• A “arte de navegar”
• Laser – fotografar satélites passivos – obtém a
distância estação satélite a partir do laser
refletido.
• Estudo de movimento do pólo, altimetria por
satélite, deriva dos continentes.
• Posicionamento por rádio navegação;
• Posicionamento por diferenças de fases;
 Primeira
constelação para fins de posicionamento:
Posicionamento doppler (NNSS/TRANSIT – 1964)
Composto de 7 satélites
• Órbitas elípticas
• Altitude média de 1.100 km
• Problemas:
 não havia cobertura mundial;
 lapso de tempo considerável entre as passagens de
satélites para um mesmo ponto da terra.
•
• A “arte de navegar”
• NAVSTAR (Navigation System with Time And
Ranging) / GPS;
Figura 2: Ilustração do histórico do sistema GPS.
• GLONASSS (ex-União Soviética);
• Galileo (Europeu).
CARACTERÍSTICAS DO SISTEMA DE
POSICIONAMENTO GPS
Precisão, rapidez, versatilidade e economia
GPS
“É um sistema espacial de navegação, que foi
desenvolvido pelo departamento de defesa dos
EUA, que pode ser usado 24 horas por dia em
quaisquer condições metereológicas para satisfazer
as necessidade dos usuários civis, das forças
militares americanas e de seus aliados, de modo a
determinar posição, velocidade e tempo, em
relação a um sistema de referência definido, para
qualquer ponto sobre ou próximo a superfície da
Terra”.
Posição (coordenadas)
Tempo – velocidade, aceleração, direção de
deslocamento, etc.
Importante a contagem do tempo da propagação
do sinal desde a antena do satélite até a antena
do receptor.
• Como funciona o posicionamento com GPS?
• Posição geográfica em 3D;
• Emitem ondas de rádio (300.000 km/s)
Figura 3: Determinação de um ponto “x” pela intercessão de dois círculos.
Observação:
p e q – representam satélites.
x – representa um ponto na superfície da Terra.
Teoricamente - 3 satélites - 3D.
No campo o receptor somente nos apresenta a
posição de navegação após a obtenção de sinais de
4 satélites.
Porque?
Relógios internos dos receptores são piores que
os relógios internos dos satélites.
Receptores dependem dos relógios dos
satélites para que eles consigam se ajustar
corretamente.
4º satélite auxilia na determinação da posição do
ponto numa “quarta dimensão” dada pela
componente do tempo.
LATITUDE
LONGITUDE
ALTITUDE GEOMÉTRICA OU ELIPSOIDAL
(WGS 84 – geocêntrico)
TEMPO
Independentes (não precisa de intervisibilidade),
qualquer hora e condição climática.
Aplicações:
Navegação de frotas de caminhões, ônibus,
trens, posicionamento motorizado, funções de
controle, agricultura de precisão, mapeamento,
localização, navegação, aquisição de dados.
Superfície
terrestre
h
H
Elipsóide
N
Geóide (NMM)
H=h–N
N é a ondulação geoidal;
h elevação acima do elipsóide;
H elevação acima do geóide.
TCGEO
versão anterior
ao Mapgeo
PRECISÃO GPS
Depende:
- do tipo de observações;
- da qualidade dos receptores;
- do nível dos erros e ruídos dos receptores;
- do erro dos relógios dos satélites e/ou dos receptores;
- da variação da velocidade da luz (meio de propagação);
- da precisão de uma medida;
- da geometria dos satélites observados;
- das perturbações atmosféricas, como por exemplo a
presença de jato de elétrons;
- do multicaminhamento;
- do tipo de antena;
- dos modelos matemáticos considerados nos softwares de
processamento, etc.
PRECISÃO GPS
> número de satélites a serem captados
> precisão ponto medido
Receptores utilizam os melhores conjuntos
de 4 satélites no momento da medição para
calcular as coordenadas – precisão dada pelo
DOP.
DOP (Dilution Of Precision) = descreve o efeito da
distribuição geométrica dos satélites no espaço sobre a
precisão obtida na solução de navegação (relação entre o
desvio padrão das observações / desvio padrão associado a
posição).
  DOP *  r
< área
Figura 4: a) Posições dos satélites em relação ao ponto “x”, b) Área em que o ponto “x” pode estar
localizado a partir dos satélites “p” e “q”.
> área
Figura 5: a) Posições dos satélites em relação ao ponto “y”, b) Área em que o ponto “y” pode estar
localizado a partir dos satélites “p” e “q”.
Onde:
p e q = satélites.
x e y = pontos a serem medidos.
Lp, Lq, Lr, Ls = distância de x a p e q e de e y a r e s, respectivamente (incógnitas).
Δ = erro da distância.
DOP varia de 1 a infinito
Melhor valor = 1
 H  HDOP* r
V  VDOP *  r
 P  PDOP *  r
Combinação de todos os
fatores (3D) < 3
 T  TDOP *  r
GDOP 
 PDOP  TDOP
2
2
< 6 (ideal
de 2 e 4)
Valores altos indicam geometria ruim (satélites próximos ou afastados).
Observação: geometria varia – varia PDOP (velocidade = 232 km/mim).
PDOP = valor recíproco do V de um poliedro invertido.
GDOP >=6 – geometria pobre – solução pós-processamento ruim.
Figura 6: Ilustra a qualidade do PDOP em função da posição dos satélites.
• É um sofisticado sistema de navegação baseado numa rede de satélites
artificiais específicos que possibilitam posicionamento em 3D: latitude,
longitude e altitude;
• O princípio básico de seu funcionamento está baseado na medição de
quatro distâncias entre as antenas dos receptores e as antenas dos
satélites;
• É o melhor sistema de navegação implantado, a nível mundial, tornandose uma grande revolução na arte de posicionar qualquer objeto sobre ou
próximo a superfície terrestre;
• Fornece uma medida de velocidade em 3D;
• Oferece uma medida precisa de tempo;
• É um sistema de cobertura global;
• Está disponível 24 horas por dia;
• Sua precisão é atualizada diariamente;
• Oferece repetibilidade de medidas;
• Independe de estações de transmissão terrestre;
• Independe de visibilidade entre as estações;
• Oferece boa precisão de navegação independente das condições
atmosféricas;
• Todo o sistema de navegação é mantido por apenas um sistema, que é o
sistema espacial.
LEVANTAMENTO CONVENCIONAL
• O GPS (Sistema de Posicionamento Global) tem
muitas vantagens sobre as técnicas de
levantamentos tradicionais
 As técnicas convencionais necessitam nas
medidas de intervisibilidade entre as estações, caso
contrário terá que ser transferido até um ponto
visível;
 Tipicamente as medidas de distância são limitadas
a 5 km;
 As condições de tempo podem ser limitantes,
chuva, névoa etc.
POR QUE GPS?
• Independente das condicões de tempo;
• Não necessita de intervisibilidade de linhas;
• Dá alta acurácia geodésica (exatidão);
• Pode ser operado de noite e de dia;
• Geralmente é mais rápido;
• Têm vantagens econômicas;
• Grande área de aplicação;
• Preço competitivo.
Segmentos do sistema GPS
Segmento espacial
NAVSTAR : NAVigation
Satellite Time and Ranging
24 Satelites
20200 km
Segmento usuário
Receptor do sinal
Segmento de controle
1 Estação principal
5 Estações de Monitoramento
SEGMENTO ESPACIAL
consiste
de 24 satélites;
orbitam
a terra a 20.200 km duas vezes por dia e
emitem simultaneamente sinais de rádio codificados;
a
distribuição dos satélites é em 6 planos orbitais (4
satélites por plano);
possibilita
em qualquer posição na terra se tenha
sempre disponível de 5 a 8 satélites.
Órbitas
55o
Equator
SEGMENTO CONTROLE
É gerenciado por uma estação MASTER,
situada na Base da Força Aérea Americana de
Falcon em Colorado Springs, Colorado, que faz:
• as transmissões de atualizações de dados de
efemérides para cada satélite;
• emite comandos para correções de órbitas dos
satélites;
• bem como controla a ligação, desligamento e do
"A/S" e "S/A".
5 estações de controle, incluindo a estação
mestra
SEGMENTO USUÁRIO
•Compreende o conjunto de usuários do
sistema, os diversos tipos de receptores e
os métodos de posicionamento por eles
utilizados
O GPS fornece dois serviços de
geoposicionamento, EM TEMPO REAL, que é
comum a todos e quaisquer tipos de receptores,
o SPS e o PPS.
- SPS-" Standard Positioning Service"=
Serviço de Posicionamento Normal:
-PPS - "Precise Positioning Service"= Serviço
de Posicionamento Preciso:
(Utilizado no Míssil CRUISE)
Estrutura do Sinal GPS
• Cada satélite transmite o seu sinal;
• O sinal é composto de duas ondas
portadoras (L1 e L2) e dois códigos
modulados (C/A em L1 e P ou Y em
ambas L1 e L2) assim como as
mensagens de órbita do satélite;
Frequência
Fundamenta
10,23 MHz
x 154
x 120
50 BPS
÷ 10
L1
Código C/A
1575,42 MHz 1,023 MHz
Código P
10,23 MHz
L2
1227,60 MHz
P-Code
10,23 MHz
Mensagem do Satélite
L1:
- Código C/A ("Civilian Access" = Acesso Livre)
É utilizado para posicionamentos isolados e técnica diferencial para
topografia e navegação marítima e aérea .
Permite as seguintes precisões: Para posicionamento isolado=100m (hoje 15
m);Para posicionamento diferencial-5 a 2m (pós-processado ou com "link" de rádio).
- Código P ("Precise" ou "Protected"= protegido)
É privativo das forças armadas dos EUA e países permissionários, utilizado
para posicionamento isolado em TEMPO REAL, como precisões instantâneas de
10 a 2m.
- Código Y (Encriptamento do código P):
É a efetivação da técnica "Anti-Spoofing" A/S, usada para impedir a
utilização do código P à países não autorizados.
- Código D
É o trem de mensagem que contém as efemérides de todos satélites, i.e., o
posicionamento pré-calculado dos satélites, bem como as variações ionosféricas.
L2:
- Códigos P, Y e D
-"S/A" = "Seletive Availability“ (disponibilidade seletiva):
É a técnica de degradação da precisão, no
cálculo da posição isolada pelo código C/A, a qual
altera, aleatoriamente, o código C/A. Tem a
possibilidade de ser ligado, desligado ou modificado
por controle de terra, à critério do DoD. Até dezembro
de 1992 o S/A era ativado em períodos alternados,
notadamente nos finais de semana (precisões da
ordem de 100 metros).
• Presidente Bill Clinton desabilita S/A em 1º de
Maio de 2000.
- "A/S" = "Anti-Spoofing" (Anti-Fraude):
É a técnica de encriptamento do
código P, gerando o código Y. Desta forma,
se um receptor funciona processando o
código P, e este for encriptado, o
rastreador passa a fornecer uma falsa
posição ou mesmo não fornecer posição
nenhuma.
Princípio do GPS: distância
Distância = Tempo x Velocidade da luz
Xll
Vl
Princípio do GPS: posicionamento por ponto
R3
R1
R2
Estamos em algum lugar na esfera de raio R1
2 esferas interseccionadas em um circulo
3 esferas interseccionadas em um ponto (Latitude, Longitude e altitude)
Os satélites são como “Estações de Controle Orbital”
•As distâncias de cada satélite são estimadas utilizando o
tempo, por meio dos códigos C/A ou/e P
•Tipicamente os receptores GPS têm relógios não muito
precisos. A acurácia é bem menor do que os relógios a
bordo dos satélites
•As ondas de rádio viajam na velocidade da luz
(Distância = Velocidade x Tempo)
Considere um erro no relógio do receptor de:
1/10 segundos de erro = 30.000 km de erro
1/1.000.000 segundos de erro = 300 m de erro
Posição por ponto
4 satélites são necessários para Latitude,
Longitude, altitude e tempo
Determinação da distância por observação do código
• Pseudo distância (Código)
– Cada satélite envia um único
sinal que se repete em aprox.
1 msegundo
– O receptor compara seu sinal
gerado com o sinal recebido
– Pela diferença (DT) uma
observação de distância pode
ser determinada
– Os relógios dos receptores
devem estar sincronizados
com o dos satélites
Código
recebido pelo
satélite
Código
gerado
pelo
receptor
DT
D = V (DT)
Determinação utilizando a fase de onda portadora
• Observação de fase de onda portadora
–Comprimento de onda do sinal em L1
é de 19,05 cm e em L2 é de 24,45 cm
–Receptor compara seu próprio sinal
da onda portadora gerado com o
recebido pelo satélite
–Número de comprimentos de onda
não é conhecido no momento em que
o receptor é ligado (ambiguidade)
–Quanto mais se rastreia o satélite, a
mudança de distância pode ser
observada (a ambiguidade continua
constante)
Fase de onda
recebida pelo
satélite
Fase de
onda
gerada do
satélite
DT
D = c DT  lN
Posição por Ponto (Absoluto)
Posição por ponto com pelo menos 4 satélites
GPS com boa geometria
Posição por ponto e a Disponibilidade
seletiva (SA)

Em teoria posição por ponto
dá uma acurácia de 10 – 20
m baseada no código C/A
• O USDoD se quiser degrada a
acurácia do sinal
– Incerteza no relógio do
satélite
– Informação da órbita do
satélite
• É conhecido como (SA)
– Acurácia do posicionamento
+/-100 m (95%)
100m
20m
P
+/- 100m (95%)
P = Posição verdadeira
Acurácia do posicionamento por ponto sob SA
Acurácia 10 - 100 m
Posição por ponto sob SA:
+/- 100 m Horizontal
+/- 160 m Vertical
Erros
• Erros do satélite
– Incerteza da órbita
– Relógio do satélite
• Erros do receptor
– Relógio do receptor
• Erros de observação
– Ionosfera (atraso)
– Troposfera (atraso)
• Erros da estação
– Coordenadas da estação
– multicaminhamento
Erros quivalentes de distância para o usuário
Metros
400
300
200
100
0
Como melhorar a acurácia?
Utilizando GPS Diferencial ou
Relativo
GPS Diferencial
• É possível determinar a posição
de um receptor ‘B’ em relação a
uma referência ‘A’ conhecida
– Coordenadas de ‘A’ são
conhecida (Estação base)
– São realizadas observações
simultâneas de sinais GPS

Posicionamento diferencial
 Elimina o erro de relógio do
receptor e do satélite
 Minimiza o atraso atmosférico
 Acurácia de 5 mm - 5 m
A
B
?
Diferencial por código / portadora
• Utilizando só o Código a
acurácia na distância é
de 1 - 5 m (tipicamente
referido como DGPS)
• Se utilizar a Fase de Onda
Portadora ou o Códido &
Fase de Onda Portadora a
acurácia é da ordem de 5 10 mm + 1ppm (tipicamente
referido como relativo)
A
B
Ambigüidade inicial
• A ambigüidade inicial deve ser determinada para ser utilizada
nas medidas de distância durante o tempo de levantamento
(para o caso de utilização da portadora)
Tempo (0)
Tempo (1)
Ambiguidade
Ambiguidade
Medida inicial de fase
no tempo (0)
Medida de fase
observada no tempo (1)
Resolvendo a ambigüidade
• O efeito de se resolver a ambigüidade é mostrado
abaixo
• Uma vez a ambigüidade resolvida a acurácia da
medida não é significativamente melhorada
Acurácia (m)
1,00
Ambiguidade
não resolvida
0,10
Ambiguidade resolvida
0,01
Tempo (mins)
Estático
0
Estático ráp. 0
120
2
5
Azimute
0°
270 °
90 °
180 °
Mascara de elevação
15 °
15 °
Diluição da Precisão “Dilution of Precision” (DOP)
Uma
descrição da contribuição puramente geometrica dos
satélites na incerteza numa posição fixa
É um indicador sobre a geometria dos satélites que são avistados
na hora de medida
GDOP (Geometrico)
 Lat, Lon, Alt. e Tempo
PDOP (posicionamento em 3D)
 Lat, Lon e Alt.
HDOP (posicionamento Horizontal)
 Lat e Lon
VDOP (posicionamento Vertical)
 Altitude
Bom GDOP
GDOP ruim
Sumário do posicionamento GPS
Posicionamento por Ponto:
10 - 100 m (1 solução de uma época, depende da SA)
5 - 10 m (24 horas)
Differencial por Codigo (DGPS):
30 - 50 cm (Código P)
1 - 5 m (Código CA)
Differencial por Portadora:
5 mm + 1 ppm
3 mm + 0,5 ppm
Classificação dos Receptores GPS
Quanto ao número de canais:
(1) Monocanais: possuem um único canal
(2) Multicanais: vários canais “lidos”
Quanto ao tipo de canal
(1) Sequênciais: cada canal rastreia um único satélite
por vez
(2) Multiplexados: são análogos aos seqüenciais, com
a diferença que movem-se de um satélite para outro
com maior rapidez
Classificação dos Receptores GPS
 Quanto ao tipo de sinal observado
• Receptores de pseudo-distância pelo código (C/A)
• Receptores do código C/A e portadoras L1;
• Receptores do código C/A e portadoras L1 e L2
• Receptores de pseudo-distância C/A e P e portadoras L1 e L2
• Receptores pseudo distância pelo código P: militares
• Portadora L1;
• Portadoras L1 e L2
Quanto à aplicação:
• Receptor de navegação (geralmente código C/A)
• Receptor topográfico (geralmente códigos e L1 e/ou L1 e L2)
• Receptor para SIG (geralmente código e L1)
• Receptor Geodésico (códigos e L1 e L2)
GPS Quest - GPS GARMIN
GPS GARMIN 76 S MAP
Pathfinder Pro XRS (R$ 12.000,00)
Características:
• Receptor L1 e código C/A com 12 canais
• Precisão melhor que 50 cm em distâncias
de até 300 km da base utilizando apenas o
código C/A e 1cm + 5 ppm em
levantamentos cinemáticos com a fase da
portadora L1
• Precisão submétrica em tempo real
• Pronto para receber correções diferenciais
WAAS/EGNOS
• Robusto: resistente à água, choque e
poeira
TOPCON HIPER L1-L2
•Grava mais de 20 horas de
rastreio CA+L1+L2 com intervalo
de 15"
Magellan ProMark 3 (R$ 23.000,00)
Características:
- Receptor com 14 Canais Independentes
Rastreando a Portadora L1 e código C/A;;
- Sistema Pós-processado e em Tempo Real (L1
RTK);
- Precisão:
- Levantamento estático
-H – 0,005 m + 1 ppm
-V – 0,010 m + 2 ppm
-Tempo de observação – 4 a 40 min
(depende da distância entre receptores)
- Levantamento cinemático contínuo
-H – 0,012 m + 2,5 ppm
-V – 0,015 m + 2,5 ppm
- Levantamento cinemático stop & go
-H – 0,005 m + 1 ppm
-V – 0,010 m + 2 ppm
-Tempo de observação – 15 a 60 seg
(depende do tamanho da base)
Diferentes tipos de
operação com GPS
• Para as técnicas de levantamento de precisão é
sempre utilizado o metodologia diferencial relativo. Ou
seja, é necessário a definição de uma linha-base onde
um receptor está sob ponto de coordenada conhecida
(estação de referência) e o outro em um ponto não
conhecido.
•É realizado utilizando uma das técnicas:
- Pós-processamento
Os dados dos satélites GPS são gravados e
processados no escritório utilizando software específico
- Tempo real
O processamento é realizado durante o trabalho, dando
a posição instantânea acurada.
Posicionamento Relativo Estático
Acurácia: 5 mm + 1 ppm
• Método clássico para bases longas
– Cada linha é observada por pelo menos duas horas
– O tempo de observação é proporcional ao
comprimento da linha base
• Aplicações
– Aplicações Geodésicas
– Monitoramento de movimentos tectônicos
– Ajustamento de rede de alta acurácia
Posicionamento relativo estático rápido
Acurácia : 5 - 10 mm + 1 ppm
• Menores observações para linhas bases de até
20 km.
• 5 a 20 min de coleta
• Aplicações
– Levantamentos de controle, inventariamento para
GIS
• Vantagens
– Fácil, rápido e eficiente
– Ideal para distâncias próximas (10 km da base)
Posicionamento relativo estático rápido
• 1 na Referência e 1 móvel
• 2 na Referência e 1 móvel
5
6
7
4
8
3
Ref 1
2
Ref
9 2
1
Posicionamento relativo semicinemático
Acurácia : 5 - 10 mm + 1 ppm
• Um receptor é fixo na estação de referência (ponto
conhecido)
• Receptor móvel estaciona em cada ponto por um curto
período de tempo
• Depois de um intervalo de tempo (20-30 min) os pontos são
reocupados por um curto período de tempo
2
1
1
2
Xll
1
Vl
2
1
2
Semicinemático “Stop and Go” - 1/2
Acurácia: 10 - 20 mm + 1 ppm
• Operação
– Antes de começar o levantamento a
ambigüidade tem que ser resolvida.
Inicialização do
receptor móvel
Estação na base
Semicinemático “Stop and Go” - 2/2
• Operação
– Uma vez os dados coletados resolvam a
ambigüidade, o usuário pode mover o receptor
– Um mínimo de 4 satélites têm que ser
observado durante todo o levantamento;
– Coleta-se dados por um ou dois minutos;
– Se houver perda de ciclo o sistema tem de ser
reiniciado (p.ex. último ponto levantado)

Aplicações

Georreferenciamento de
imóveis rurais
Estação base
5
4
3
2
1
Receptor
móvel
Levantamento Cinemático
Acurácia : 10 - 20 mm + 1 ppm
• Modo parado
– O GPS móvel tem que ser inicializado
• Movendo
– Uma vez os dados coletados resolveram a ambigüidade, o usuário pode
mover o receptor
– Tem de se ter pelo menos 4 satélites sendo rastreados durante todo o
levantamento
– Os dados são gravados em um intervalo de tempo específico
– Se houver perda de sinal, o sistema deve ser reinicializado
Cinemático “On-the-Fly” - 1/2
Acurácia : 10 - 20 mm + 1 ppm
• Movimentando
– Nesta técnica não é necessário a inicialização estática
- Enquanto se movimenta, o GPS móvel obtém sinal L1 e L2 de
pelo menos 5 satélites por um período de tempo, desta forma a
ambigüidade pode ser resolvida
Cinemático “On-the-Fly” - 2/2
• Movimentando
– Quando há uma obstrução do sinal o levantamento é perdido?
– A ambigüidade é re-estabelecida uma vez que dados L1 e L2 de
5 satélites estejam sendo adquiridos (a obstrução do sinal seja
por um curto período de tempo)
Tempo Real
•Tempo Real por Código, Tempo Real por Fase de Onda Portadora
–Não necessita de pós-processamento
–Resultados são disponíveis instantaneamente
–Pode-se operar de dois modos
•RTK (Real Time Kinematic)
•RT-DGPS
A
B
OUTROS SISTEMAS
 CLONASS
(Global Navigation Satellite
System) ou GNSS
 24 satelites espaçados em 64,8o de
inclinação em relação a linha do Equador
 Altitude de 19100 km
 Duas freqüencias
L1= 1602 MHz + j x 0,5625 MHz
L1= 1246 MHz + j x 0,4375 MHz
j é o número do satélite
Georreferenciamento
de Imóveis Rurais
O que é Georreferenciamento?
Determinação das coordenadas
geodésicas ou posicionamento de um
objeto em um sistema de referência
geodésico, através do emprego de
conhecimentos científicos e tecnológicos
adequados a cada caso (Bueno, 2005).
Situação Atual