tema 2: sistema de posicionamento global

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Disciplina: Geografia / 1º Módulo – 2014
Professor: Diego Alves de Oliveira
Roteiro de Estudos – semipresencial 1
Data de entrega: Até 28 de novembro de 2014.
Valor: Até 1,5 pontos.
Instruções: Leia o texto, que contém uma abordagem completa sobre o tema proposto. Existem
algumas questões distribuídas ao longo das páginas, que devem ser respondidas. Entregue as
respostas de forma escrita em folha separada até a data prevista. Não é preciso entregar este texto
base. O texto e as questões foram preparados de forma que você consiga responder as questões
consultado ele e as fontes complementares (figuras, animações, vídeos), mas caso queira de
aprofundar no tema ou consultar outas referências bibliográficas, fique à vontade.
Em caso de dúvidas, consulte o professor.
TEMA 2: SISTEMA DE POSICIONAMENTO GLOBAL
Baseado na obra de:
ALBUQUERQUE, Paulo César Gurgel; SANTOS, Cláudia Cristina dos. GPS para iniciantes. São José dos
Campos: Inpe, 2003. Mini Curso - XI Simpósio Brasileiro de Sensoriamento Remoto - Belo Horizonte,
05 a 09 de abril de 2003. Disponível em: <http://geosenso.com/arquivos/GPS para iniciantes INPE.pdf>. Acesso em: 27 jun. 2014.
CARVALHO, Edilson Alves de; ARAÚJO, Paulo César de. Noções básicas de sistema de
posicionamento global GPS. Natal: EDUFRN, 2009.
BETIM - 2014
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1. Histórico de desenvolvimento:
A necessidade das pessoas localizarem objetos ou se localizarem no espaço é permanente e muito
importante para o desenvolvimento de atividades sociais ou econômicas. Durante a história, conforme
ocorria a evolução das técnicas, a sociedade foi aperfeiçoando também o modo de calcular a sua
localização na superfície; chegando, atualmente, ao Sistema de Posicionamento Global, o GPS. Este
sistema foi concebido, a princípio para uso miliar; mas em função de suas variadas aplicações, acabou
sendo utilizado com vários outros aproveitamentos, como uma importante fonte de dados para a
Cartografia.
O objetivo deste roteiro é demonstrar os conceitos básicos do Sistema de Posicionamento Global;
compreender a sua importância para a Cartografia, os seus limites de utilização e os cuidados básicos
para o seu uso a fim de garantir boa qualidade das coordenadas obtidas quando do uso dos receptores
GPS.
A história do GPS começa na década de 1960, quando a Força Aérea e a Marinha dos EUA iniciaram o
desenvolvimento de sistemas de navegação por satélite, utilizando informações em 3D (latitude,
longitude e altitude). Neste contexto, surge em 1973, pelo Departamento de Defesa dos Estados
Unidos um Sistema de Posicionamento de alvos para fins militares, conhecido como programa
NAVSTAR GPS. A partir daí este programa foi sendo desenvolvido em várias fases como o
desenvolvimento de softwares, receptores GPS e também dos satélites.
Somente a partir de 1994, o sistema começou a ser utilizado com a configuração semelhante a atual,
sendo possível sua operação também para outras necessidades apresentadas pela sociedade, logo se
tornando um forte concorrente aos tradicionais métodos de levantamentos e navegação (marítima,
aérea e terrestre).
O surgimento do GPS possibilitou também o início da prestação de novos serviços – empresas
especializadas no uso e aplicação do sistema – além da venda e manutenção dos receptores GPS.
Curiosidade: Quando foi iniciado o uso civil do sistema GPS, o Departamento de Defesa dos EUA inseriu
um erro proposital no sistema chamado “Disponibilidade Seletiva” para garantir a segurança interna
dos EUA. Este erro foi cancelado pelo Presidente Clinton no ano 2000, com esta decisão, o erro médio
de 100 metros na localização passou para 10 metros.
2. Definição do Sistema GPS
O Sistema de Posicionamento Global, conhecido popularmente como GPS (Global Positioning System)
ou NAVSTAR-GPS (Navigation Satellite with time and ranging) é um sistema de radionavegação
desenvolvido pelo Departamento de Defesa dos Estados Unidos da América que deveria ser o principal
sistema de navegação do exército americano.
Neste sistema, são fornecidas coordenadas geográficas bi ou tridimensionais de locais na superfície da
Terra, podendo gerar informações sobre velocidade e direção na qual nos deslocamos sobre o planeta.
Este sistema tem como objetivo auxiliar a navegação e a realização de levantamentos geodésicos e
topográficos, operando ininterruptamente, 24 horas por dia, independentemente das condições de
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tempo (no entanto, dependendo das condições, estas podem causar algum tipo de interferência na
qualidade dos resultados).
A programação deste sistema visa que, ao menos 4 satélites possam estar acima da linha do horizonte
a qualquer momento do dia, em qualquer parte do planeta. Por isso ele pode funcionar 24 por dia, em
qualquer lugar da Terra onde esteja o observador.
Questão 1: O Sistema de Posicionamento Global (GPS) é uma tecnologia que tem provocado grande
impacto na sociedade. O que motivou o desenvolvimento deste sistema?
3. Como funciona o sistema GPS?
O modelo adotado baseia-se na determinação da distância entre um ponto (que é o receptor –
conhecido como GPS Portátil, Geodésico ou até mesmo um smartphone) e os pontos de referência
(que neste caso são os satélites que estão no espaço).
Quando se conhece a distância entre o receptor e pelo menos três (em teoria) pontos de referência,
pode-se determinar a posição do receptor por meio da intersecção de três circunferências, cujos raios
são as distâncias medidas entre o receptor e os satélites.
Leitura complementar:
a) Veja o vídeo 1: http://youtu.be/fx9H1imJkcE
b) Fonte alternativa: Fonte: http://perceberomundo.blogs.sapo.pt/808.html
“Para podermos descobrir a posição de um lugar na Terra, através do sistema GPS, temos que utilizar o método da
triangulação. Esse método Consiste:
O satélite A, envia os sinais para o receptor P, esse, por sua vez, calcula a distância a que se encontram o satélite e o receptor
(dA ). Assim, o Ponto P poderia ser qualquer ponto da circunferência, sendo, por isso, necessário, outro satélite.
O satélite B vai repetir o processo feito em A, sendo que este calcula a distância (dB).
Estas duas circunferências encontram-se em dois pontos, o que faz com que seja necessária a presença de outro satélite.
Com o satélite C, é descoberta a distância (dC), o que faz com que estas três circunferências se cruzem todas em apenas um
ponto (P).
Esse ponto (P) é onde o receptor está localizado.
Na teoria, este método com três satélites e possível, mas na prática poderia causar grandes erros.
Os relógios atómicos presentes nos satélites têm que estar sincronizados, para os valores obtidos nas distâncias estarem
correctos. Assim, na prática é necessária a presença de um 4º satélite que vai servir de referência aos outros satélites. É o
chamado satélite de referência.”
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Exemplificação do método da triangulação.
Os princípios básicos de funcionamento do GPS são simples, apesar de esta tecnologia envolver
equipamentos complexos. Baseando-se na triangulação dos satélites, cujos sinais os vários tipos de
receptores pode receber por meio de vários satélites.
Cada satélite tem um sinal codificado que o identifica. O aparelho receptor interpreta o sinal enviado
e calcula a distância do receptor até o satélite que emitiu este sinal. Este cálculo é feito em função do
tempo que o sinal demora para sair do satélite e chegar até o receptor (viajando à velocidade da luz –
tempo demorado x 300.000 km/h = distância). Com esta alta velocidade, os satélites dispõem de
relógios atômicos, considerados atualmente como os mais precisos instrumentos de medição de
tempo.
O cálculo de cada posição é obtido com a intersecção das medições realizadas pelos satélites. Contudo,
para que o cálculo das posições seja perfeito, não podem existir erros nas medições de tempo
efetuadas (os satélites tem que ter uma sincronização de tempo). Com a intersecção de quatro
satélites, é possível obter as três dimensões (latitude, longitude e altitude). Caso ocorra algum erro
num dos cálculos, este é diluído no conjunto das quatro medições.
Para a identificação dos pontos de interesse, o GPS utiliza as coordenadas dos satélites, que estão
referenciadas a um SISTEMA GEODÉSICO – conjunto de dados e informações que permitem o cálculo
preciso da latitude, longitude e altitude a partir de diversos métodos que existem - que é o mesmo
sistema utilizado pelo receptor GPS para processar os dados e determinar as coordenadas dos pontos
de interesse.
As coordenadas dessas posições são adquiridas no sistema geodésico WGS-84. No entanto, o usuário
pode selecionar, no receptor ou no processamento, outro sistema de referência para a apresentação
das coordenadas.
4. Características do sistema GPS
Existem três segmentos distintos: espacial, controle e usuário.
O segmento espacial, é composto por 24 satélites em uso mais 4 sobressalentes, prontos para entrar
em operação caso algum pare de funcionar, além de outros que estão na superfície prontos para serem
lançados. Eles estão dispostos em 6 planos de órbitas circulares numa de aproximadamente 20.200
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km, que conseguem percorrer uma órbita em 12 horas, garantindo no mínimo, que 4 satélites estejam
visíveis a qualquer hora e em qualquer lugar do planeta.
Imagem que ilustra a distribuição dos satélites (constelação) ao redor da Terra – sem escala.
Fonte: http://www.cienciaviva.pt/equinocio/lat_long/cap5.asp
Leitura complementar:
a) Veja a animação da órbita do satélite:
http://pt.wikipedia.org/wiki/Sistema_de_posicionamento_global#mediaviewer/Ficheiro:GPS_satellit
e_orbit.gif
O segmento de controle é constituído por estações terrestres que estão sob a coordenação do
Departamento de Defesa Norte-Americano. Estas estações tem o objetivo de monitorar, corrigir e
garantir o funcionamento do sistema, existe um centro de controle e vários centros de monitoramento
de sinais dos satélites.
Fonte: http://geosenso.com/arquivos/GPS%20para%20iniciantes%20-%20INPE.pdf
O Segmento do usuário é constituído pelos receptores, que variam de tamanho, modelos, fabricantes
e principalmente, em qualidade de recepção. Este segmento está relacionado às aplicações do sistema
e também a comunidade usuária e os métodos de posicionamento por eles utilizados.
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5. Receptores
Normalmente, a figura que lembramos quando nos vem a mente a palavra GPS, faz memória a um
receptor GPS. Estes aparelhos coletam dados enviados pelos satélites, transformando-os em
coordenadas, distâncias, tempo deslocamento e velocidade por meio de processamento em tempo
real ou depois de passar por um tratamento em software específico.
As categorias de usuários dos receptores é formada por civis e militares. Para uso civil, há uma grande
disponibilidade de receptores no mercado que proporcionam diversas aplicações na Cartografia. Além
de receber e decodificar os sinais dos satélites os receptores produzem outras informações como
sistemas de medidas, armazenamento de dados, troca de informações com outros receptores ou com
computadores, podendo inserir no aparelho receptor outros mapas e imagens de satélites.
As principais funções dos receptores são o armazenamento das coordenadas obtidas pela leitura direta
de sua posição. Estes pontos também podem ser combinados formando rotas, permitindo que o
receptor analise e informe o horário provável de chegada e distância até o próximo ponto, horário do
nascer e pôr-do-sol, rumo que se deve manter para chegar ao ponto de interesse, além de as
coordenadas obtidas poderem ser recebidas no modo contínuo, definindo caminhos percorridos pelo
usuário.
A posição da antena, que é o ponto a partir do qual se identifica a coordenada, pode estar integrada
ao aparelho receptor ou estar separada, sendo externa.
Questão 2: Quantos satélites são necessários para nos fornecer uma leitura precisa da nossa posição
na superfície da Terra? Porque essa quantidade?
Questão 3: Explique o princípio de funcionamento do sistema GPS.
6. Classificação dos receptores
Os receptores podem ser classificados quanto ao tipo de uso, aplicação e o tipo de dados por eles
disponibilizado. Esta escolha deve ser feita a partir do que se deseja fazer e qual a precisão necessária
para obter tal aplicação.
Uso
Tipo do receptor
Navegação
Militar
Geodésia
Topografia
SIG
Civil
Receptor de tempo
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Um receptor GPS padrão não só nos situará no mapa em um determinado local como também irá
traçar nosso caminho por um mapa à medida que nos movemos. Se deixarmos o receptor ligado, ele
poderá permanecer em constante comunicação com os satélites GPS para ver como a nossa posição
está mudando. Com essas informações e com o seu relógio interno, o receptor pode nos dar diversas
informações importantes:
Qual a distância percorrida;
Tempo de viagem;
Velocidade atual;
Velocidade média;
Um trilha que mostra no mapa exatamente o caminho percorrido;
O tempo estimado para percorrer uma determinada distância considerando a velocidade constante.
A precisão de uma medida GPS é função de diversos fatores, relacionados às especificações do sistema,
condições operacionais, características do receptor e ao objetivo do trabalho. Para os fatores
relacionados ao sistema, existem dois tipos de serviços (dois tipos de códigos) conhecidos como:
Standard Positioning Service – SPS (Serviço de posicionamento padrão)
Precision Positioning Service – PPS (Serviço de posicionamento preciso)
O serviço disponível para todos os usuários do mundo é o SPS, que permite que o usuário possa utilizar
o sistema GPS sem pagar qualquer taxa para isso. A partir de 1º de maio de 2000, as precisões
horizontal e vertical são de aproximadamente 10 metros.
Os outros códigos utilizados pelo sistema servem para obter dados mais precisos e outros existem para
provocar erros intencionais, ou para garantir que os dados não sejam fraudados. Todos estes sinais
são ativados ou encerrados pelos EUA, que operam o sistema GPS.
As principais fontes de imprecisões nos dados obtidos pelos receptores GPS são provocados por:
Erros nos satélites relacionados a problemas com a sua órbita;
Diferença entre o relógio do satélite e do receptor;
Erros de propagação do sinal, provocados por refração atmosférica e ionosférica, sinais refletidos por
alvos vizinhos (prédios, por exemplo);
Rotação da Terra.
Estas imprecisões geram deslocamentos de coordenadas dos satélites, erros do relógio, erros de
estação (representado por erros nas coordenadas), marés terrestres, movimentos do pólo, carga dos
oceanos e pressão da atmosfera, erro de operação, entre outros.
Questão 4: As posições são calculadas com base no tempo que o sinal gasta para percorrer o espaço
entre os satélites e os receptores. Considerando que a velocidade da luz é 299.792,458 metros por
segundo ou 1.079.252.848,8 quilômetros por hora, o que você imagina que aconteceria se o relógio
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atômico de alta precisão existente nos satélites contivesse uma imprecisão de milésimos e décimos de
segundo?
Questão 5: Além da cartografia, o sistema GPS tem tido aplicação em diversas áreas do conhecimento.
Em que outras áreas esse sistema tem sido empregado com sucesso?
Para coletar dados (coordenadas geográficas) com o uso do GPS, é possível estabelecer critérios para
a escolha desses pontos:
Escolha um ponto onde não haja sombras ou obstáculos que impeçam a aquisição dos sinais
transmitidos pelos satélites;
Assegure-se de que o ponto escolhido esteja longe de estruturas que reflitam o sinal;
Procure deixar o ponto que foi medido materializado no terreno, para possível conferência ou futura
utilização;
Os pontos escolhidos devem, preferencialmente, ocupar locais de fácil acesso, que podem ser
alcançados por algum tipo de transporte;
Não realizar aquisições de dados com céu encoberto por nuvens carregadas tipo Cumulus Nimbus –
CB;
Quando for empregado GPS de mão, devemos segurá-lo com a palma da mão o mais horizontal
possível.
Questão 6: Normalmente, quando alguém nos diz que realizou um levantamento com um GPS, está se
referindo ao aparelho portátil. O aparelho é apenas uma parte do sistema, que, como vimos, é formado
por vários segmentos. Descreva esses segmentos, destacando a função de cada um deles.