posicionamento por satÉlites universidade federal de campina grande centro de tecnologia e recursos...

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.


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.


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.


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.


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)


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).


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


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


Componente Espacial

Cada satélite construído para durar aproximadamente 10 anos;

Constantemente estão sendo construídas substituições e lançadas em órbita.


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.


Localização das estações de controle GPS


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)


Estação de rastreio do Havaí


• 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


Estação de controle principal


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


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)


Tipos de antenas


Choke Ring Ground Plane

Equipamentos de antena para proteção contra multicaminhamentos


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)


Receptores de navegação

Receptores de mão


Nokia N82

Antena integradaSoftware Nokia MapsGuia por vozValor: 450 euros



Receptores em veículos



Receptores Geodésicos


Receptores para SIG

Leica GPS900CS


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.


• 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.


• 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:


Campina Grande


• 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. .


Campina Grande

João Pessoa


• 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.


Campina Grande

João Pessoa

Juripiranga

Cajá


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 ?


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.


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


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


TRANSMISSÃO DE SINAIS


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.


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.


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


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


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



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


Erros Dependentes do receptor/antena

Erros nos relógios dos receptores


Erros entre os canais

Quando o sinal de cada satélite percorre canais diferentes

Corrigidos automaticamente pelo receptor no início de cada

levantamento


Erros de propagação dos sinais

Refração da Troposfera

Refração da Ionosfera


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


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.


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


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


http://www.teleatlas.com/

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


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


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


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


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;


• 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).


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


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