introduÇÃo ao sistema de posicionamento global - gps

INTRODUÇÃO AO SISTEMA INTRODUÇÃO AO SISTEMA DE POSICIONAMENTO DE POSICIONAMENTO

GLOBAL - GPSGLOBAL - GPS

Luciana Suaid Tomazi Vasco – IBGELuciana Suaid Tomazi Vasco – IBGE

lutomazi@ibge.gov.brlutomazi@ibge.gov.br

Por que GPS?Por que GPS?

HISTÓRICOHISTÓRICO

Senso natural de orientação do Homem

Orientação por recursos naturais:

Sol, estrelas, acidentes topográficos,

ventos...

Rosa dos Ventos de 600 AC até sec. XV

Bússola

N

E

S

W

Desenvolvimento da Geodésia e da cartografia

– Computadores

– Estações totais

– Sistemas de informações geográficas (SIG)

– Cad’s

– Sistema de Posicionamento Global (GPS)

Observações de satélites Observações de satélites artificiaisartificiais

Iniciada nos anos 60

Navegação e Posicionamento

O que ser quer: posição de um ponto

Conceitos BásicosConceitos Básicos

Terra

CartografiaCartografia

Ciência e a arte de expressar graficamente, por meio de mapas e cartas, o conhecimento humano da superfície terrestre.

GeodésiaGeodésia

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 Superfície física, Geóide e ElipsóideElipsóide

Superfície Física

Geóide

Elipsóide

Elipsóide de RevoluçãoElipsóide de Revolução

ba

Equador

Coordenadas GeográficasCoordenadas Geográficas

Latitude ()– Medida pelos paralelos– 0° na linha do Equador

– Varia de +90° à -90°– Ao norte do Equador:+– Ao sul do Equador : -

Longitude ()– Medida pelos meridianos– 0° no Meridiano de

Greenwich– Varia de +180° à -180°– Oeste de Greenwich : -– Leste de Greenwich : +

Posição de ponto: Latitude e Longitude

Equador

Meridiano de Greenwich

PN

Latitude

Longitude

Esquema da Latitude e Longitude

Referencial AltimétricoReferencial Altimétrico

Coordenadas CartesianasCoordenadas 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 ReferênciaSistemas de Referência

Datum Superfície de Referência

Datum Horizontal

Datum Vertical

Datum Horizontal um elipsóide e

um ponto de referência

IBGE Sistema Geodésico Brasileiro SGB (www.ibge.gov.br/geodesia)

Datum Oficial Brasileiro (1977) – SAD 69Elipsóide ERI 67 (Elipsóide de Referência Internacional de 1967)

Vértice : Chuá – MG ( geóide = elipsóide)

SIRGAS 2000Decreto 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 84Elipsóide 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 CartográficasRepresentações Cartográficas Sistemas de ProjeçãoSistemas de Projeção

Terra

Modelo

(Esfera /Elipsóide)Esfera Modelo

Cilindro

Cone

Plano Tangente

Carta ou Mapa

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 SISTEMA DE PROJEÇÃO UNIVERSAL TRANSVERSO DE MERCATOR (UTM)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.

PN

PS

Meridiano extremo

Meridianos de secância

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 centralA 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 anti-meridiano de Greenwich no sentido anti-horário.

N do fuso = 30 – (/6), para pontos a oeste de Greenwich.

N do fuso = 30 + (/6), para pontos a leste de Greenwich.

Eixos coordenados do sistema UTM e Eixos coordenados do sistema UTM e

origem no hemisfério Sulorigem no hemisfério Sul

6

3 3

meridiano central

N

E

6°(668km)

N

E

N

E

Fundamentos do GPSFundamentos do GPS

Sistema TRANSITPrimeiro 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

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

Sistema de Posicionamento Global – GPS

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: NavegaçãoGeodésia TopografiaSinais de tempoOutros

SPS SPS (Standard Positioning Service(Standard Positioning Service))

Serviço de Posicionamento PadrãoUso civil24 horas por diaEm qualquer lugarComponente temporal (data e hora)Coordenadas (lat., long., altitude)

SPSSPS 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

aceleração

direção do deslocamento

Sistema de controle de tempo Sistema de controle de tempo

Extremamente importanteO 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 GPSSegmentos do Sistema GPS

Espacial

Controle

Usuário

Segmento EspacialSegmento Espacial

24 satélitesAltura de 20.200km da superfície terrestre6 planos orbitaisÓrbitas com 55° de inclinação em relação

ao EquadorPeríodo de 12 horas sideraisSatélites NAVSTAR ou Space Vehicles

(SVs)

Segmento de ControleSegmento de Controle

5 estações rastreadoras fixasLocalizadas nas proximidades da linha do

Equador Movimento orbital dos satélites

constantemente monitoradoEstação mestre – Colorado SpringsCorreção das efemérides e dos relógios

Segmento do UsuárioSegmento 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 GPSSistema 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 GPSSinais 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 PRNPseudo Randon Noise

Determinação das CoordenadasDeterminação das Coordenadas

Erros das medidas GPSErros 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 GPSTipos 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 ReceptoresClassificação dos Receptorespelo tipo de dadopelo tipo de dado

- Código C/A

- Código C/A e portadora L1

- Código C/A e portadoras L1/L2

Principais componentes Principais componentes dos receptores GPSdos 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 PosicionamentoMétodos de Posicionamento

Posicionamento por Ponto ou Absoluto

Posicionamento Diferencial (DGPS)

Posicionamento Relativo

Classificação quanto à Classificação quanto à mobilidade do receptor: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)

Em Tempo Real

Pós-processado

Correção do Posicionamento

Redes de Monitoramento Redes de Monitoramento ContínuoContínuo

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

RINEXRINEX

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 RINEX (continuação)(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 Outros Sistemas de Posicionamento por SatélitePosicionamento 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 GPSALGUMAS 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!

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