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GPS (Global Positioning System)

Sistema de Posicionamento Global

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TÉCNICAS DE POSICIONAMENTO

ABSOLUTO

RELATIVO

POSICIONAMENTO

SISTEMA DE REFERÊNCIA

Sistema de Posicionamento Global é um sistema de posicionamento por satélite que permite posicionar um

corpo que se encontre à superfície da Terra ou na sua órbita

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O Sistema de Posicionamento Global (NAVSTAR GPS NAVigation System with Time And Ranging Global Positioning System) foi criado e desenvolvido pelo Departamento de Defesa dos Estados Unidos com fins militares .

Atualmente tem como objetivo garantir tempo e navegação de precisão continua e global, em tempo real e sob quaisquer condições atmosféricas. Início de funcionamento: década de 80

GPS (Global Positioning System)

GPS (Global Positioning System)

Sistema de Posicionamento Global

Período de Funcionamento

T = 12 horas. 4

SEGMENTO ESPACIAL Constelação de 24 satélites na órbita da Terra.

SEGMENTO DE CONTROLO Estações de observação terrestres

SEGMENTO DO UTILIZADOR

Recetor de GPS.

SEGMENTOS QUE O CONSTITUEM

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1 - SEGMENTO ESPACIAL

• O sistema NAVSTAR (sigla para

Navigation Satellite Timing and

Ranging) é constituído por:

• 24 satélites, distribuídos por seis

órbitas aproximadamente circulares

(cada uma com 4 satélites) com raio de

cerca de 26 600 km separadas entre si

de 60º em longitude.

• período orbital - 12 horas siderais (que

faz que cada satélite apareça 1 minuto

mais cedo em cada dia)

• Emite sinais na banda das micro-ondas

em intervalos de 1 ms.

• Inclinação orbital próxima dos 55º,

relativamente ao plano equatorial

terrestre.

Em cada instante, pelo

menos 4 satélites estão

acessíveis à comunicação

de qualquer ponto da Terra.

SEGMENTOS QUE O CONSTITUEM

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FREQUÊNCIA DO SINAL

f0 = 10,23 MHz

f = 1575,42 MHz

f = 1227,60 MHz 7

λ = 29,30 m

λ = 19,03 cm

λ = 24,42 cm

Emitem radiações na

gama das micro - ondas

2 - SEGMENTO DE CONTROLO

É uma rede constituída por cinco estações terrestres. Estas estações têm como função controlar a posição e os relógios dos satélites. Sempre que necessário efetuam correções aos relógios e às órbitas descritas pelos satélites;

Fazem pequenos ajustes nos dados (posição e tempo) que os satélites GPS enviam para que a posição determinada pelos recetores seja sempre a mais precisa possível. (As alterações que se observam são devidas à atração gravitacional e à pressão da radiação solar)

SEGMENTOS QUE O CONSTITUEM

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Funções: i. Verificar o funcionamento dos satélites; ii. Calcular as órbitas dos satélites para uma dada época; iii. Sincronizar os relógios dos satélites com o tempo GPS; iv. Determinar parâmetros ionosféricos; v. Controlar as manobras de substituição e de correção das órbitas; vi. Atualizar a mensagem de navegação; vii.Enviar os dados necessários aos satélites.

Os dados recolhidos nas estações de monitorização são enviados para a estação principal; São efetuados os cálculos necessários à atualização da mensagem de navegação. Os dados atualizados são enviados periodicamente para as estações de transmissão que posteriormente os enviam para os satélites.

2 - SEGMENTO DE CONTROLO

3 - SEGMENTO DO UTILIZADOR

• São os recetores GPS propriamente ditos e que permitem:

- determinar a posição do utilizador conhecendo as suas coordenadas;

- Receber e descodificar os sinais dos satélites;

- Trocar dados com outros receptores e com computadores;

- Obter mapas detalhados ou mesmo a melhor rota para um determinado local.

Cada recetor ao receber o sinal emitido por um satélite identifica-o e, por comparação com o que tem registado em memória, localiza-o com exatidão.

Para localizar um lugar na terra o recetor recorre ao método geométrico da triangulação após calcular a distância a 3 satélites

SEGMENTOS QUE O CONSTITUEM

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O satélite envia um sinal, que é recebido pelo recetor, através de ondas eletromagnéticas. O sinal emitido por um satélite informa qual a sua posição na órbita e qual o tempo t marcado no seu relógio atómico.

O recetor recebe o sinal no instante t + ∆t, que coincide com o tempo marcado no seu relógio de quartzo determina a sua distância ao satélite através da expressão

tvd

1-8 sm 100,3 cv

com

MÉTODO UTILIZADO MÉTODO GEOMÉTRICO DE

TRIANGULAÇÃO

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MÉTODO GEOMÉTRICO DE TRIANGULAÇÃO

Após estimada a distância a um satélite, sabemos que nos encontramos sobre uma superfície esférica com raio igual à distância ao satélite.

A interseção das superfícies esféricas obtidas a partir da determinação da distância a dois satélites é uma circunferência. O ponto poderá ser qualquer um pertencente à referida circunferência.

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MÉTODO GEOMÉTRICO DE TRIANGULAÇÃO

A interseção das superfícies esféricas obtidas a partir da determinação das esferas de raio igual a cada uma das distância do utilizador a 3 satélites reduz-se a 2 pontos. Considerando também a Terra como uma esfera, a interseção das superfícies esféricas dos 3 satélites e da Terra permitirá reduzir estes 2 pontos a apenas 1 ponto.

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SINCRONIZAÇÃO

Usa-se então o 4º satélite para a sincronização dos relógios dos satélites e dos recetores GPS. O recetor de GPS corrige automaticamente, adicionando ou subtraindo tempo ao seu relógio até obter distâncias aos satélites que se intersetem num único ponto.

O recetor sabe agora, não só a sua localização exata sobre a Terra

(x, y, z, t), mas também o tempo certo (dado pelos relógios

atómicos a bordo dos satélites). 15

O recetor mede a distância ao satélite 1. O navegante pode estar em

qualquer ponto da superfície esférica

O recetor mede a distância ao satélite 2. O navegante só pode estar nos pontos de interceção das duas

superfícies esféricas

O recetor mede a distância ao satélite 3. A sua posição só pode estar nos pontos

de interceção das 3 superfícies esféricas

A interceção com a Terra reduz os 2 pontos possíveis da interceção das 3 esferas a apenas 1 ponto e o 4º satélite permite determinar com grande precisão o intervalo ∆t

e corrigir as distâncias calculadas permitindo chegar a um único ponto P.

SÍNTESE

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SÍNTESE

Calculadas as distâncias aos satélites A, B e C como referido é possível determinar a posição do ponto P, onde se encontra o recetor por interceção das três superfícies esféricas marcadas. Apesar de 3 satélites serem suficientes para calcular a posição o 4º satélite de referencia tem como objetivo sincronizar os relógios atómicos (extremamente precisos) e de quartzo (menos precisos) uma vez que a determinação do intervalo ∆t é crucial.

O satélite envia um sinal que contém informação sobre a sua posição na órbita e a “hora” t marcada no seu relógio atómico. O recetor sincroniza o seu sinal com o que é emitido por cada satélite.

Determina o intervalo de tempo (t) entre o instante em que recebeu o sinal e o instante em que ele foi enviado pelo satélite.

Multiplicando o intervalo de tempo pela velocidade do sinal (≃3x108 ms-1) sabemos qual é a distância entre o recetor e o satélite.

d = c x t

O GPS utiliza a intersecção de esferas para determinar a posição tridimensional cujas coordenadas são a latitude, a longitude e a altitude. 17

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O Sistema de Posicionamento Global faz o

posicionamento através do conhecimento das

coordenadas geográficas como a:

É o arco do meridiano ou o valor do ângulo ao centro da Terra, expresso em graus, medido entre o equador e o paralelo que passa pelo local.

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Coordenadas Geográficas

É o arco do equador ou o valor do ângulo ao centro da Terra, expresso em graus, medido entre o meridiano que passa pelo local considerado e o meridiano de Greenwich (em Inglaterra).

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Coordenadas Geográficas

É o comprimento do segmento compreendido entre o nível médio das águas do mar e do local considerado.

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GPS – IMPORTÂNCIA DA MEDIÇÃO

DO TEMPO

A posição dos satélites do sistema GPS deve ser conhecida com grande exatidão.

Basta que haja um desvio de 10-6 s entre os relógios de dois satélites, para que a posição de um ponto à superfície da Terra seja afetada pela incerteza de 300 m .

Utiliza-se um quarto satélite cujo sinal serve para sincronizar os relógios atómicos (altamente precisos) que estão a bordo dos satélites e os cronómetros de quartzo menos precisos dos recetores.

Tipos de relógio:

- mecânicos (incerteza de 100 ms/dia)

- de quartzo (incerteza de 0,1 ms/dia)

- atómicos (incerteza de 0,1 s/dia)

TIPOS DE RELÓGIOS

Os relógios possuem um mecanismo de produção de oscilações regulares e outro que conta as oscilações e as converte para uma unidade de tempo.

Relógios mecânicos, oscilações de um pêndulo;

Relógios de quartzo, oscilações de um cristal de quartzo;

Relógios de atómicos, baseiam-se na frequência das radiações emitidas, ou absorvidas, por átomos ou moléculas. 22

Relógios Mecânicos:

Podem resultar do movimento de um pêndulo, do desenrolamento de um mola em espiral ou de outro mecanismo mais complexo.

RELÓGIOS MECÂNICOS

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Relógios de Quartzo:

Baseiam-se nas oscilações de átomos de silício, que são muito regulares.

O cristal de quartzo, quando recebe uma ddp, torna-se num oscilador.

Estes relógios são muito sensíveis à temperatura.

RELÓGIOS DE

QUARTZO

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Relógios Atómicos:

Quando um átomo de césio recebe uma radiação (de micro-ondas), este excita-se e ocorre uma transição de eletrões entre dois níveis energéticos. Posteriormente estes átomos emitem uma radiação com uma frequência característica.

É um oscilador de quartzo que regula o gerador de micro-ondas e que estabiliza com radiação emitida pelo césio, que produz os sinais do relógio atómico.

RELÓGIOS ATÓMICOS

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- Localização de qualquer ponto na Terra;

- condução ao longo de um percurso fornecendo informação precisa sobre ele;

- Navegação (terrestre, marítima e aérea);

- Mapiação, criando mapas mais rigorosos;

- Gestão de trafego e deteção de situações de emergência;

- Segurança de veículos (transporte mercadorias)

Recebe os sinais emitidos por quatro satélites e faz o processamento do dados traduzindo-os em:

- Coordenadas de posição

- Valores de velocidade

- Cronometragem do tempo

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Mesmo fazendo a correção do tempo utilizando os relógios atómicos dos satélites um recetor de GPS comercial pode ter um erro até 10 m. Esses erros podem ser devidos:

A más condições atmosféricas; À diminuição do número de satélites em linha de vista (devido a obstáculos); À reflexão das ondas eletromagnéticas nesses obstáculos (durante a sua propagação).

SISTEMAS GPS - ERROS

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Projetos concorrentes do GPS

O Galileo é o concorrente europeu do GPS americano, encontrando-se ainda em desenvolvimento. Quando estiver em completo funcionamento apresenta como principais vantagens:

-Maior precisão;

-Maior segurança;

-Capacidade de testar automaticamente a sua integridade.

O Glonass é o concorrente russo e tal como o GPS está a ser desenvolvido para fins civis.