gps global positioning system. objetivo mostrar o funcionamento do sistema gps apresentar os tipos...

GPSGPSGlobal Positioning SystemGlobal Positioning System

ObjetivoObjetivo

Mostrar o funcionamento do sistema GPS Apresentar os tipos de equipamentos GPS Mostrar os métodos de levantamento GPS para

Topografia e Geodésia.

DesenvolvimentoDesenvolvimento

1 Introdução1 Introdução

2 Funcionamento do Sistema2 Funcionamento do Sistema

2.1 Estrutura2.1 Estrutura

2.2 Estrutura dos Sinais GPS2.2 Estrutura dos Sinais GPS

2.3 Posicionamento pelo Método GPS2.3 Posicionamento pelo Método GPS

2.4 Ângulo de Máscara2.4 Ângulo de Máscara

2.5 O Sistema de Referência GPS2.5 O Sistema de Referência GPS

2.6 Principais Erros do Sistema GPS2.6 Principais Erros do Sistema GPS

3 Tipos de Receptores3 Tipos de Receptores

4 Aplicações do Sistema 4 Aplicações do Sistema

5 Métodos de Levantamento GPS em Geodésia e Topografia.5 Métodos de Levantamento GPS em Geodésia e Topografia.

1 Introdução1 Introdução

A geodésia utilizava-se de ângulos e distâncias para resolver seus A geodésia utilizava-se de ângulos e distâncias para resolver seus problemasproblemas

Surgimento dos satélites artificiais, utilização como pontos espaciais Surgimento dos satélites artificiais, utilização como pontos espaciais geodésicos de referênciageodésicos de referência

O primeiro sistema de satélites colocado a disposição no meio civil foi O primeiro sistema de satélites colocado a disposição no meio civil foi o TRANSIT em 1967. Necessitava várias semanas de rastreamentoo TRANSIT em 1967. Necessitava várias semanas de rastreamento

Esta situação melhorou com o aparecimento do sistema NAVSTAR Esta situação melhorou com o aparecimento do sistema NAVSTAR GPS (Navigation Satellite with Time and Ranging) que permitiu GPS (Navigation Satellite with Time and Ranging) que permitiu alcançar melhores precisões num menor tempo de rastreamentoalcançar melhores precisões num menor tempo de rastreamento

O sistema NAVSTAR GPS foi desenvolvido pelo Departamento de O sistema NAVSTAR GPS foi desenvolvido pelo Departamento de Defesa Norte Americano, inicialmente para navegação com propósitos Defesa Norte Americano, inicialmente para navegação com propósitos militaresmilitares

O sistema GPS consiste de 27 satélites distribuídos em 6 planos de O sistema GPS consiste de 27 satélites distribuídos em 6 planos de órbita cada um com 55º com o plano do Equador, a aprox.20200 km órbita cada um com 55º com o plano do Equador, a aprox.20200 km de altitude, 12h siderais de período, até 5h acima do horizonte.de altitude, 12h siderais de período, até 5h acima do horizonte.

2 Funcionamento do sistema 2 Funcionamento do sistema

2.1 Estrutura2.1 Estrutura

- Segmento Espacial- Segmento Espacial

- Segmento de Controle- Segmento de Controle

- Segmento do Usuário.- Segmento do Usuário.

manter uma escala de tempo bastante precisa ( 4 relógios atômicos – 2 manter uma escala de tempo bastante precisa ( 4 relógios atômicos – 2 césio e 2 rubídio)césio e 2 rubídio)

emitir sinais ultra-estáveis em duas freqüências moduladas L1 = 1575,42 emitir sinais ultra-estáveis em duas freqüências moduladas L1 = 1575,42 MHz e L2 = 1227.60 MHz MHz e L2 = 1227.60 MHz

Receber, armazenar e processar informações provenientes do segmento Receber, armazenar e processar informações provenientes do segmento de controlede controle

efetuar manobras orbitaisefetuar manobras orbitais Transmitir mensagens ao solo:Transmitir mensagens ao solo:

- as efemérides do satéliteas efemérides do satélite- as correções do relógio do satélite as correções do relógio do satélite - parâmetros atmosféricos parâmetros atmosféricos - parâmetros orbitais de todos os satélites (almanaque) parâmetros orbitais de todos os satélites (almanaque) - outros dados relevantes sobre o sistema em geral.outros dados relevantes sobre o sistema em geral.

2 Funcionamento do sistema 2 Funcionamento do sistema 2.1 Estrutura 2.1 Estrutura

Segmento EspacialSegmento Espacial

- É constituído pelos satélites GPS, com as seguintes funções:- É constituído pelos satélites GPS, com as seguintes funções:

- Registra os sinais GPS a seu alcanceRegistra os sinais GPS a seu alcance- Recebe dados das 4 Estações de MonitoramentoRecebe dados das 4 Estações de Monitoramento- Efetua medições meteorológicasEfetua medições meteorológicas- Processa os dados e os transmite para as estações de Processa os dados e os transmite para as estações de

monotoramentomonotoramento- Envia dados para os SV’s a seu alcance;Envia dados para os SV’s a seu alcance;


Segmento de ControleSegmento de Controle

- É constituído por 1 Estação Master e 4 Estações de Monitoramento- É constituído por 1 Estação Master e 4 Estações de Monitoramento Estação MasterEstação Master

- Registra os sinais GPS Registra os sinais GPS - Envia e recebe dados da Estação MasterEnvia e recebe dados da Estação Master- Efetua medições meteorológicasEfetua medições meteorológicas- Envia dados para os SV’s.Envia dados para os SV’s.

Estações de MonitoramentoEstações de MonitoramentoHAWAIIHAWAII

COLORADO COLORADO SPRINGSSPRINGS

ASCENCIONASCENCION DIEGO GARCIADIEGO GARCIA

KWAJALEINKWAJALEIN

(Estação Master)(Estação Master)

ReceptoresReceptores AlgoritmosAlgoritmos SoftwaresSoftwares


Segmento do UsuárioSegmento do Usuário

- Compreende o conjunto de usuários civis e militares do sistema - Compreende o conjunto de usuários civis e militares do sistema GPS, incluindo :GPS, incluindo :

Segmento de Controle

Estação Master(Colorado Springs)

Estações de MonitoramentoDiego GarciaHawaiiAscension Is.Kwajalein

Segmento Espacial

Segmento do Usuário


- Onda Eletromagnética- Onda Eletromagnética

- Duas freqüências portadoras- Duas freqüências portadoras L1 - 1575,42 MHz – L1 - 1575,42 MHz – λλ=19,05cm (=19,05cm (λλ=c/f)=c/f) L2 - 1227,60 MHz – L2 - 1227,60 MHz – λλ=24,45cm (=24,45cm (λλ=c/f);=c/f);

- Dois códigos- Dois códigos C/A (Clear Access): Código civil, dura 1msC/A (Clear Access): Código civil, dura 1ms

L1 (fase seno);L1 (fase seno); P (Precise Code): Código militar, dura 7diasP (Precise Code): Código militar, dura 7dias

L1 (fase cosseno)L1 (fase cosseno) L2 (fase cosseno);L2 (fase cosseno);

- Mensagem- Mensagem São codificadas e acrescidas aos códigos C/A e P.São codificadas e acrescidas aos códigos C/A e P.

2 Funcionamento do sistema 2 Funcionamento do sistema 2.2 A Estrutura dos Sinais 2.2 A Estrutura dos Sinais

λ

2 Funcionamento do sistema 2 Funcionamento do sistema 2.3 Posicionamento pelo método GPS2.3 Posicionamento pelo método GPS

Tipo de medições:Tipo de medições:

- Medida baseada no código C/A (pseudo-distância)- Medida baseada no código C/A (pseudo-distância)

- Medida baseada na onda portadora (medida de fase).- Medida baseada na onda portadora (medida de fase).


Medida baseada no código C/A (pseudo-distância):Medida baseada no código C/A (pseudo-distância):

etcZZYYXXPD RRR .21

21

21

1

etcZZYYXXPD RRR .22

22

22

2

etcZZYYXXPD RRR .23

23

23

3

etcZZYYXXPD RRR .24

24

24

4

etcZZYYXXPD RRR .25

25

25

5

Resultado 1: equações 1, 2, 3, 4Resultado 1: equações 1, 2, 3, 4




........


Medida baseada na onda portadora (medida de fase):Medida baseada na onda portadora (medida de fase):

Fλ

Ciclo Fase

...

λλ

Fp

Fc

.111 nFcFpD

.222 anFcFpD

.333 bnFcFpD

Ambigüidade Ambigüidade InteiraInteira

t 1

t 2

t 3


Medida baseada na onda portadora (medida de fase):Medida baseada na onda portadora (medida de fase):

23

23

23

3RRR ZZYYXXD

21

21

21

1RRR ZZYYXXD

22

22

22

2RRR ZZYYXXD

- Matematicamente bastariam 3 satélites para calcular a posição utilizando a Matematicamente bastariam 3 satélites para calcular a posição utilizando a medida de fasemedida de fase

- Mas para se resolver as ambigüidades inteiras, teremos que saber a Mas para se resolver as ambigüidades inteiras, teremos que saber a Pseudo-distância pelo código C/A, portanto o mínimo de SV’s continua Pseudo-distância pelo código C/A, portanto o mínimo de SV’s continua sendo 4sendo 4

- Como para se calcular a ambigüidade inteira deve-se rastrear várias Como para se calcular a ambigüidade inteira deve-se rastrear várias épocas, teremos várias soluções para um mesmo ponto, melhorando a épocas, teremos várias soluções para um mesmo ponto, melhorando a precisão.precisão.


Tipos de Posicionamento:Tipos de Posicionamento:

- Posicionamento Absoluto- Posicionamento Absoluto

- Posicionamento Relativo.- Posicionamento Relativo.


- Medição com código C/AMedição com código C/A

- Usado em navegaçãoUsado em navegação

Posicionamento Relativo:Posicionamento Relativo:- Medição de fase da portadora e/ou código C/AMedição de fase da portadora e/ou código C/A

- Vetor Diferencial a partir de um ponto baseVetor Diferencial a partir de um ponto base

(XR, YR, ZR) medido

ROVER

Linha BaseROVERBASE

(XR, YR, ZR)medido(XB, YB, ZB) medido(DX, DY, DZ,)(XB, YB, ZB) conhecido (XB, YB, ZB) calculado

Posicionamento Absoluto:Posicionamento Absoluto:


Tipos de Levantamento:Tipos de Levantamento:

- Pós-processado- Pós-processado

- Processamento em Tempo Real.- Processamento em Tempo Real.


Pós-processado:Pós-processado:

- Logística de campo reduzida- Logística de campo reduzida

- Coleta de dados brutos (código e/ou fase)- Coleta de dados brutos (código e/ou fase)

- Tratamento dos Dados (Ajustamento de Redes)- Tratamento dos Dados (Ajustamento de Redes)

- Tempo de processamento- Tempo de processamento

- Falta de Controle dos Dados.- Falta de Controle dos Dados.


Pós-processado:Pós-processado:


Processamento em Tempo Real:Processamento em Tempo Real:

- Logística de campo complexa- Logística de campo complexa

- Coleta de dados finais (N, E, H)- Coleta de dados finais (N, E, H)

- Tempo de processamento- Tempo de processamento

- Controle dos Dados em Campo;- Controle dos Dados em Campo;

2 Funcionamento do sistema 2 Funcionamento do sistema 2.4 Ângulo de Máscara2.4 Ângulo de Máscara

É o ângulo que indica o posicionamento em relação ao horizonteÉ o ângulo que indica o posicionamento em relação ao horizonte Também conhecido como “cut-off-angle”Também conhecido como “cut-off-angle” Os fabricantes de receptores GPS indicam que se considere Os fabricantes de receptores GPS indicam que se considere

apenas os satélites localizados 15º acima do horizonte. apenas os satélites localizados 15º acima do horizonte.

15º15º

2 Funcionamento do sistema 2 Funcionamento do sistema 2.5 O sistema de referência GPS2.5 O sistema de referência GPS

Cada país ou região, adota um datum geodésico;Cada país ou região, adota um datum geodésico; O SGB adota o SAD-69 (South American Datum of 1969)O SGB adota o SAD-69 (South American Datum of 1969) O sistema GPS adota o sistema de referência global, denominado O sistema GPS adota o sistema de referência global, denominado

“World Geodetic System de 1984” (WGS-84)“World Geodetic System de 1984” (WGS-84)

Semi-eixo maiorSemi-eixo maior

Semi-eixo menorSemi-eixo menoraa

bb

DATUM WGS-84 SAD-69DATUM WGS-84 SAD-69

a 6.378.137,000m 6.378.160,000ma 6.378.137,000m 6.378.160,000m

b 6.356.752,310m 6.356.774,719mb 6.356.752,310m 6.356.774,719m

f=(a-b)/a 1/298,257m 1/298,25mf=(a-b)/a 1/298,257m 1/298,25m

Altimetria:Altimetria: Para o SGB o referencial coincide com a superfície equipotencial que contém o Para o SGB o referencial coincide com a superfície equipotencial que contém o

nível médio do mar, definido por observações maregráficas tomadas na baía de nível médio do mar, definido por observações maregráficas tomadas na baía de Imbituba, litoral do estado de Santa Catarina (Geóide). As altitudes são Ortométricas Imbituba, litoral do estado de Santa Catarina (Geóide). As altitudes são Ortométricas também chamadas de Altitudes Geoidaistambém chamadas de Altitudes Geoidais

Para o sistema GPS, as altitudes são relacionadas ao Elipsóide, ou seja Altitude Para o sistema GPS, as altitudes são relacionadas ao Elipsóide, ou seja Altitude Geométrica ou ainda Altitude Elipsoidal.Geométrica ou ainda Altitude Elipsoidal.

ElipsóideElipsóide

GeóideGeóideDistância Geoidal - NDistância Geoidal - N

SuperfícieSuperfícieTopográficaTopográfica Altitude Geométrica - hAltitude Geométrica - h

Altitude Altitude OrtométricaOrtométrica - H - H

ElipsóidElipsóidee

GeóideGeóide


Conversão de Altitude Elipsoidal em Altitude Geoidal:Conversão de Altitude Elipsoidal em Altitude Geoidal: O Mapa Geoidal do Brasil possui escala muito pequena para uma interpolação O Mapa Geoidal do Brasil possui escala muito pequena para uma interpolação

segurasegura Deve-se utilizar modelos matemáticos geoidais para convertê-lasDeve-se utilizar modelos matemáticos geoidais para convertê-las No Brasil é publicado pelo IBGE o software Mapgeo, mas ele é muito pouco No Brasil é publicado pelo IBGE o software Mapgeo, mas ele é muito pouco

preciso:preciso:- Precisão Absoluta = +/- 3m- Precisão Absoluta = +/- 3m

- Precisão Relativa = +/-1cm/kmPrecisão Relativa = +/-1cm/km

Deve-se então fazer o posicionamento relativoDeve-se então fazer o posicionamento relativo


- A Disponibilidade Seletiva “Selective Availability” (S/A)- A Disponibilidade Seletiva “Selective Availability” (S/A)

- - Degradação do Código C/A:Degradação do Código C/A:

Até 02/05/2000 erro +/-100mAté 02/05/2000 erro +/-100m

Após 02/05/2000 erro +/-15mApós 02/05/2000 erro +/-15m

2 Funcionamento do sistema 2 Funcionamento do sistema 2.6 Principais Erros do Sistema GPS2.6 Principais Erros do Sistema GPS

- Coeficientes DOP (Diluition of Precision)- Coeficientes DOP (Diluition of Precision) Índices que indicam a diluição da precisão dos dados coletadosÍndices que indicam a diluição da precisão dos dados coletados A melhor disposição espacial é um satélite no zênite e outros igualmente espaçadosA melhor disposição espacial é um satélite no zênite e outros igualmente espaçados

DOP ruimDOP ruim DOP bomDOP bom

Tipos de DOP:Tipos de DOP:GDOP – GeometriaGDOP – Geometria HDOP – HorizontalHDOP – Horizontal

PDOP – Posição 3DPDOP – Posição 3D VDOP – Vertical.VDOP – Vertical.

TDOP – TempoTDOP – Tempo


- Multi-caminhamento- Multi-caminhamento É a reflexão provocada por superfícies próximas das antenasÉ a reflexão provocada por superfícies próximas das antenas Muitos receptores identificam o multi-caminhamento pela Muitos receptores identificam o multi-caminhamento pela

deformação do sinaldeformação do sinal


- Prédios, casas, muros, postes, e - Prédios, casas, muros, postes, e outros obstáculos sólidos, outros obstáculos sólidos, merecem atençãomerecem atenção

- Caso a antena não tenha plano de - Caso a antena não tenha plano de terra interno ou adaptado, deve-se terra interno ou adaptado, deve-se ter o cuidado especialmente em ter o cuidado especialmente em lâminas d’água ou pisos cerâmicos lâminas d’água ou pisos cerâmicos e cimentadose cimentados

Plano de Terra

- Ionosfera- Ionosfera A ionosfera compreende a camada de 200Km entre as altitudes 50km e 250kmA ionosfera compreende a camada de 200Km entre as altitudes 50km e 250km A camada Ionosfera, principalmente com a incidência solar, carrega-se A camada Ionosfera, principalmente com a incidência solar, carrega-se

negativamente as suas partículas, provocando atrasos ou adiantos nos sinaisnegativamente as suas partículas, provocando atrasos ou adiantos nos sinais Quanto maior a distância entre os receptores, maior será o atraso ou o adianto dos Quanto maior a distância entre os receptores, maior será o atraso ou o adianto dos

sinaissinais A Ionosfera interfere diferentemente em freqüências diferentes, ou seja, atua A Ionosfera interfere diferentemente em freqüências diferentes, ou seja, atua

diferente em L1 e L2diferente em L1 e L2 Se utilizarmos um receptor de dupla freqüência, podemos detectar quais são os Se utilizarmos um receptor de dupla freqüência, podemos detectar quais são os

atrasos ou adiantos ocorridosatrasos ou adiantos ocorridos Em virtude disso, o uso de receptores de monofreqüência tem limite de distância.Em virtude disso, o uso de receptores de monofreqüência tem limite de distância.


Dd

D>d

Ionosfera

Troposfera


ORIGEM DO ERRO ABSOLUTO

PSEUDO-DISTÂNCIA

RELATIVO

PSEUDO-DISTÂNCIA

Relógio Satélite 1m

Efemérides Satélite 1m

S/A 10m

Troposfera 1m

Ionosfera 10m

Ruído na Pseudo-Dist. 1m 1m

Ruído no Receptor 1m 1m

Multicaminhamento 0,5m 0,5m

RMS 15,5m 1,6m

RMS*PDOP=2 31m 3,2m


3.4 Topográfico3.4 Topográfico

3.2 GIS3.2 GIS

3.4 Geodésico3.4 Geodésico

3.1 Navegação3.1 Navegação 3.3 Mapeamento3.3 Mapeamento


Equipamento Naveg. GIS (C/A)

GIS (fase) Mapeam.

(C/A)

Mapeam.

(fase)

Mapeam.

(DGPS)

Topográf. Topográf.

(RTK)

Geodésico

Tipo de Posic. Absoluto Relativo Relativo Relativo Relativo Relativo Relativo Relativo Relativo

Tipo de Medição C/A C/A C/A+Fase C/A C/A+Fase C/A+Fase Fase Fase Fase

Freqüência L1 L1 L1 L1 L1 L1 L1

L1/L2 L1/L2

L1

L1/L2

Armazenamento Coord. C/A C/A+Fase C/A C/A+Fase Coord. Fase Coord. Fase

Contr./coletor Não Não Não Sim Sim Sim Sim Sim Não

Precisão

Stop and go

15m 5m 3m 1m 0,1 1m 15mm+1ppm

10mm+1ppm 10mm+2ppm

Máx. Linha

Base S&G (Km)

- - - 500 500 500 20

30 15

Precisão Estático

3m 1m 0,5 1cm 1m 5mm+1ppm

3mm+1ppm

5mm+1ppm

3mm+1ppm

Máx. Linha Base Estático (Km)

- 500 500 15 500 50

-

50

-

Preço (R$) 700 (1) 7000 (1) 20000(1) 35000(1) 40000(1) 80000(1) 70000(2)

110000(2) 170000(2)

40000(2)

80000(2)

4 Aplicações do Sistema4 Aplicações do Sistema

Levantamentos Geodésicos Levantamentos Geodésicos Levantamentos TopográficosLevantamentos Topográficos MapeamentoMapeamento GIS GIS ReconhecimentoReconhecimento GeodinâmicaGeodinâmica Monitoramento de VeículosMonitoramento de Veículos Exploração de PetróleoExploração de Petróleo Navegação TerrestreNavegação Terrestre Navegação Marítima e AéreaNavegação Marítima e Aérea Orientação de Máquinas.Orientação de Máquinas.

5 Métodos de Levantamento GPS em 5 Métodos de Levantamento GPS em Geodésia e TopografiaGeodésia e Topografia

5.1 Método Estático5.1 Método Estático

5.2 Método Rápido Estático5.2 Método Rápido Estático

5.3 Método Stop-and-go5.3 Método Stop-and-go

5.4 Método Cinemático5.4 Método Cinemático

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