INTRODUÇÃO AO SISTEMA
DE POSICIONAMENTO
GLOBAL - GPS
Luciana Suaid Tomazi Vasco – IBGE
[email protected]
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
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
Iniciada nos anos 60
Navegação e Posicionamento
O 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

Latitude (F)

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 vice-versa.
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)
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
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:
 Projeção equivalente  conserva as áreas

Projeção eqüidistante  conserva as
distâncias

Projeção conforme ou ortomorfa 
conserva os ângulos
SISTEMA DE PROJEÇÃO UNIVERSAL
TRANSVERSO DE MERCATOR (UTM)

Criado para aplicação mundial pelos militares para
um sistema de coordenadas planas

Em 1951 a Associação de Geodésia e Geofísica
Internacional (AGGI) recomendou o sistema UTM
para o mundo inteiro

No Brasil - sistema adotado pela Diretoria do
Serviço Geográfico (DSG) e IBGE, desde de 1955
para o mapeamento sistemático do país.
Meridianos de secância
Meridiano
extremo
PN
l
PS
Meridiano Central

O elipsóide é dividido em 60 fusos de 6 de
longitude

Cada fuso tem um sistema de coordenadas
parcial

Cada fuso terá um meridiano central
 A amplitude de 6 para os fusos no sistema
UTM coincide com os fusos da Carta
Internacional ao Milionésimo.

A interseção com o equador é a origem do
sistema

Os fusos são limitados por duas longitudes
múltiplas de seis

As latitudes limites vão de 80 N a 80 S

O sistema UTM não é utilizado para
representar regiões polares.

Os fusos de sistema de projeção UTM são
numerados de 1 a 60 contados a partir do antimeridiano de Greenwich no sentido anti-horário.

N do fuso = 30 – (l/6), para pontos a oeste
de Greenwich.

N do fuso = 30 + (l/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°(668km)
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 - DoD
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:
 Navegação
 Geodésia
 Topografia
 Sinais de tempo
 Outros
SPS
(Standard Positioning Service)

Serviço de Posicionamento Padrão

Uso civil

24 horas por dia

Em qualquer lugar

Componente temporal (data e hora)

Coordenadas (lat., long., altitude)
SPS

Precisão nominal:
– 20m componente horizontal
– 30m componente vertical

95% do tempo

Sistema degradado intencionalmente (SA)
– 100m componente horizontal
– 156m componente vertical

Precisão no posicionamento relativo – 5m à 5mm
GPS
posição de pontos, coordenadas
TEMPO
velocidade
direção do
deslocamento
aceleração
Sistema de controle de tempo

Extremamente importante
 O GPS baseia-se na medida simultânea da
distância entre o receptor e pelo menos
quatro satélites

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

Espacial

Controle

Usuário
Segmento Espacial

24 satélites
 Altura de 20.200km da superfície terrestre
 6 planos orbitais
 Órbitas com 55° de inclinação em relação
ao Equador
 Período de 12 horas siderais
 Satélites NAVSTAR ou Space Vehicles
(SVs)
Segmento de Controle

5 estações rastreadoras fixas
 Localizadas nas proximidades da linha do
Equador
 Movimento orbital dos satélites
constantemente monitorado
 Estação mestre – Colorado Springs
 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

GPS mede intervalo de tempo de
propagação do sinal

Tempo GPS – Início 0h de 06/01/80

Tempo GPS contado desde o início
– número de semanas
– número de segundos

Semanas GPS (GPS Week Number)
– Varia de 0 – 1023 (aproxim. 20 anos)

N° de segundos - contador TOW (Time Of
Week – Tempo da Semana )
– Varia de 0 –604.800
Sinais GPS

Satélites GPS são sistemas unidirecionais de
emissão
 A observação fundamental é a medida do
tempo de percurso do sinal entre a antena
do satélite e a antena do receptor

freqüência fundamental fo de 10,23 Mhz
ESTRUTURA DO SINAL GPS
CÓDIGOS PRN
Pseudo Randon Noise
Determinação das Coordenadas
Erros das medidas GPS
Erros do relógio do satélite
Atmosfera
Multitrajetória ou Multicaminhamento
Erros de recepção
Disponibilidade Seletiva - SA (Selective
Avaibility)
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

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

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
- Código C/A e portadora L1
- Código C/A e portadoras L1/L2
Principais componentes dos
receptores GPS

Antena com pré-amplificador;
 Unidade de alta freqüência para sintonizar os
sinais provenientes de diversos satélites, de
preferência simultaneamente e com canais
independentes;
 Unidades capacitadoras para receber os códigos
dos satélites, para fins de identificação, obtenção
das efemérides, sinais de tempo, catálogo, etc;

Osciladores internos de alta precisão;

Porta de entrada e saída de dados;

Fonte de energia própria, por bateria, e ou externa,
via rede domiciliar;

Memória residente para armazenamento dos dados
de rastreamento.

Interface com o usuário, painel de exibição de
comandos;
Métodos de Posicionamento

Posicionamento por Ponto ou Absoluto

Posicionamento Diferencial (DGPS)

Posicionamento Relativo
Classificação quanto à
mobilidade do receptor:

Estático
– receptores base e remoto ficam estacionados
– dependendo do comprimento da base a ser
medida e da precisão que se quer alcançar

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

Em Tempo Real

Pós-processado
Redes de Monitoramento
Contínuo

Rede Brasileira de Monitoramento
Contínuo do Sistema GPS (RBMC – IBGE)

Rede INCRA de Bases Comunitárias

Rede de Rádio Faróis da Marinha

Redes SIGHT e Santiago & Cintra
RBMC - IBGE
RIBaC - INCRA
Rede de Rádios Faróis da Marinha
RINEX

Cada fabricante tem seu formato binário
proprietário para os dados GPS

Dados diferentes não podem ser
processados juntos num mesmo programa

Criado formato único: Receiver Independent
Exchange Format - RINEX (Formato de
Intercâmbio Independente de Receptor)
RINEX (continuação)

Visa intercâmbio de dados
 Composto por três arquivos ASCII:
– um arquivo de observações
– dados meteorológicos (opcional)
– mensagem de navegação
RINEX 2 – versão mais completa
 Programas disponíveis na internet

http:\\www.unvaco.ucar.edu
Outros Sistemas de
Posicionamento por Satélite

GLONASS
– GLONASS - GLObal NAvigation Satelitte System
– Sistema Russo equivalente ao GPS
– 3 planos orbitais com 8 satélites cada ( 24 satélites)
– Altura 19.000km; período 11:15h
– Satélites transmitem em freqüências diferentes:
– L1 = 1602MHz + N 0.5625MHz
– L2 = 1246MHz + N 0.4375MHz (N: canal)
– SA não implementada
– TUC GLONASS diferente da TUC GPS
– Datum PZ90 (Parametros Zemli 1990)

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

Os receptores GPS foram concebidos para
funcionar quando não existirem barreiras
entre os satélites e a antena do receptor

Quando existem barreiras entre o receptor e
os satélites, há degradação ou interrupções
dos sinais.

O aparelho a ser utilizado vai depender da
precisão necessária para o trabalho

O erro na altitude é 150% maior do que o
erro na determinação da latitude e
longitude

Os receptores utilizam internamente o
sistema WGS 84 e podem exportar os
dados em diversos outros sistemas.

O usuário deve ter o cuidado de registrar os
pontos nas coordenadas e DATUM usados
no projeto em trabalho.

Quando os Estados Unidos ativam o erro
SA, a precisão da determinação de pontos
absolutos pode chegar a 100m.

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

Os dados armazenados no receptor podem ser
utilizados para alimentar Sistemas de Informações
Geográficas ou Mapeamento Digital de forma
precisa, rápida e extremamente barata

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.

No mundo atual o GPS é utilizado desde
grandes trabalhos científicos até momentos
de lazer.
OBRIGADA!
www.ibge.gov.br