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POSICIONAMENTO POR POSICIONAMENTO POR SATÉLITESSATÉLITES
UNIVERSIDADE FEDERAL DE CAMPINA GRANDECENTRO DE TECNOLOGIA E RECURSOS HUMANOS
UNIDADE ACADÊMICA DE ENGENHARIA CIVIL
PROF. IANA ALEXANDRA
SUMÁRIO
1. HISTÓRICO2. COMPONENTES DO GPS3. COMO FUNCIONA O GPS?4. ERROS NAS OBSERVÁVEIS GPS5. MÉTODOS DE POSICIONAMENTO6. APLICAÇÕES
1. HISTÓRICO1. HISTÓRICO
Posicionamento por Satélites
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.
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 emoperação.
GALILEO
Sistema de radionavegação global criado pela União Européia em 2002.
Posicionamento por Satélites
Abreviatura de Global Positioning System
GPS
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
1983, sistema disponível para o uso civil
1993, constelação de 24 satélites é alcançada
1 de maio de 2000, código SA é desativado, aumentando Precisão para uso civil de 100 m para 10 m;
1978, primeiro satélite lançado;
1978 a 1985, 11 satélites são lançados
1995, sistema é declarado operacional
Posicionamento por Satélites
2. COMPONENTES DO GPS2. COMPONENTES DO GPS
Componente Espacial
Constelação de 24 satélites em 6 planos orbitais (4 satélites em cada plano)
Concebido de forma que existam no mínimo 4 satélites visíveis acima do horizonte em qualquer ponto da superfície e em qualquer altura.
Altitude de cerca de 20.200 km Inclinação de 55° do Equador
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
• Localizada em Colorado Springs, EUA
Estação de controle principal
• 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
Inclui todos aqueles que usam um receptor GPS para receber e
converter o sinal GPS em posição, velocidade e tempo.
Componente Usuário
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
Choke Ring Ground Plane
Equipamentos de antena para proteção contra multicaminhamentos
Posicionamento por Satélites
Tipos de receptores
Quanto à aplicação
De navegação GeodésicoPara 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
Nokia N82
Antena integradaSoftware Nokia MapsGuia por vozValor: 450 euros
Receptores de navegação
Posicionamento por Satélites
Receptores em veículos
Receptores de navegação
Posicionamento por Satélites
Receptores Geodésicos
Posicionamento por Satélites
Receptores para SIG
Leica GPS900CS
Posicionamento por Satélites
Posicionamento por Satélites
3. COMO FUNCIONA O GPS?3. COMO FUNCIONA O GPS?
Baseia-se na determinação da distância entre um ponto, o receptor, a outros de referência, os satélites.
Como funciona o GPS?
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
• A função de um receptor GPS é localizar 4 ou mais A função de um receptor GPS é localizar 4 ou mais desses satélites, determinar a distância para cada um e desses satélites, determinar a distância para cada um e utilizar esta informação para deduzir sua própria posição.utilizar esta informação para deduzir sua própria posição.
• Essa operação é baseada em um princípio matemático Essa operação é baseada em um princípio matemático simples chamado simples chamado trilateraçãotrilateração..
• A trilateração em um espaço tridimensional pode A trilateração em um espaço tridimensional pode parecer um pouco complicada, então parecer um pouco complicada, então começaremos explicando o que é trilateração começaremos explicando o que é trilateração bidimensional. bidimensional.
Como funciona o GPS?
• Imagine que você esteja em algum lugar na Imagine que você esteja em algum lugar na Paraíba e está TOTALMENTE perdido, não tem a Paraíba e está TOTALMENTE perdido, não tem a menor idéia de onde está. Você encontra um menor idéia de onde está. Você encontra um morador local amigável e pergunta a ele: "Onde morador local amigável e pergunta a ele: "Onde eu estou?". Ele lhe diz: "Você está a eu estou?". Ele lhe diz: "Você está a 61 km de 61 km de Campina GrandeCampina Grande, Paraíba"., Paraíba".
•
• Uma ajuda, mas que não é tão útil sozinha. Você Uma ajuda, mas que não é tão útil sozinha. Você poderia estar em qualquer lugar ao redor de poderia estar em qualquer lugar ao redor de Campina Grande, desde que em um raio de 61 Campina Grande, desde que em um raio de 61 km, desta maneira: km, desta maneira:
Como funciona o GPS?
Campina Grande
Como funciona o GPS?
• Você pergunta a outra pessoa onde está e ela Você pergunta a outra pessoa onde está e ela diz: "Você está a diz: "Você está a 58 km de João Pessoa-PB58 km de João Pessoa-PB". ". Agora você está chegando a algum lugar: Agora você está chegando a algum lugar: se combinar esta informação com a informação se combinar esta informação com a informação anterior, você terá dois círculos que se cruzam.anterior, você terá dois círculos que se cruzam.
• Agora você sabe que tem de estar em uma Agora você sabe que tem de estar em uma dessas duas interseções, já que está a dessas duas interseções, já que está a 70 km 70 km de Campina e a 58 km de João Pessoade 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 Se uma terceira pessoa lhe disser que você está a a 27 km de Juripiranga-PB27 km de Juripiranga-PB, eliminará uma das , eliminará uma das possibilidades, pois o terceiro círculo irá se cruzar possibilidades, pois o terceiro círculo irá se cruzar somente com um desses pontos. Assim, somente com um desses pontos. Assim, você saberá exatamente onde está: Cajá, você saberá exatamente onde está: Cajá, Paraíba. Paraíba.
• Esse conceito funciona da mesma maneira em Esse conceito funciona da mesma maneira em espaços tridimensionais, mas estamos falando de espaços tridimensionais, mas estamos falando de esferas ao invés de círculos. Na seção seguinte, esferas ao invés de círculos. Na seção seguinte, veremos esse tipo de trilateração. veremos esse tipo de trilateração.
Como funciona o GPS?
Campina Grande
João Pessoa
Juripiranga
Cajá
Como funciona o GPS?
1 satélite
Mede-se a distância d1 do satélite 1: algum lugar na superfície de uma esfera imaginária que tem seu centro no satélite .
Por que se deve ter no mínimo 4 satélites ?
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 ondea esfera de distância d3 cortao 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.
Distância = Velocidade x Tempo
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.
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
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:
Característica das ondas portadoras
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 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 satélitesPodem 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 ringsEvitar levantamentos em locais propícios ao multipath
Posicionamento por Satélites
MulticaminhamentoMulticaminhamentoMultipathMultipath
Barreiras naturaisBarreiras 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. APLICAÇÕES6. 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 rastreamentoAuxiliar 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 privacidadeControle da vida das pessoas
Posicionamento por Satélites
Roteamento
Lazer, esportes e viagens
Traçar rotasCaminhos respeitam sentido das viasSistema de voz para guiar motoristasCelular 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