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Tecnologias utilizadas na agricultura de precisão. Os sistemas GPS.

A determinação da variabilidade espacial de uma dada característica do solo, cultura,

ou meio ambiente, implica conhecer a localização geográfica dos pontos da

amostragem pelo que estes sistemas são fundamentais na AP.

Os sistemas de georeferenciação (GPS) permitem conhecer a posição de um dado

ponto, no ar ou em terra, utilizando, para o efeito, um conjunto de três satélites.

Considerando as "interferências" existentes na transmissão da informação é

necessário mais um GPS e um sinal de correção para se localizar, com precisão, o

ponto desejado; com esta correção o sistema designa-se por dGPS ou GPS diferencial.

Departamento de Agronomia

UNIVERSIDADE DE TRÁS-OS-MONTES E ALTO DOURO

Constituição e funcionamento:

O GPS é constituído por:

- um conjunto de satélites (segmento espacial) que enviam sinais de rádio;

- um recetor que recebe esses sinais;

- um sistema de controlo constituído por uma estação mestre localizada em

Colorado Spring e várias estações de monitorização espalhadas pelo mundo.





Segmento espacial. A constelação do sistema (GPS ou GLONASS)

Segmento espacial - o sistema de satélites

Este sistema é composto por 24 satélites NAVSTAR (Navigation by Satellite Timing and

Ranging) que giram, em 6 órbitas, à volta da terra, percorrendo 1 órbita a cada 12

horas, e que enviam para os recetores e recebem das estações de controlo, ondas

rádio. A localização destes satélites permite que, pelo menos 4, sejam “visíveis” de

qualquer ponto da terra.


Configurações do GPS e do GLONASS

GPS:

O GPS - Global Position System, pertence ao Departamento de Defesa dos EUA, utiliza

24 satélites (seis órbitas) e permite a receção de sinal de 4 satélites, em qualquer

ponto da superfície terrestre.

GLONASS:

O GLONASS - Global Navigation Satellite System, pertencente à Rússia, utiliza

24 satélites (três órbitas) e não apresenta, atualmente qualquer distorção, mas tem

alguns problemas de fiabilidade e continuidade.

A opção por um destes sistemas deve ser feita tendo em consideração a precisão

oferecida, a compatibilidade com o equipamento disponível, custos, etc.



GPS - NAVSTAR GLONASS

Designação

Global Positioning System-

NAVigation System by Time

And Range

GLObal NAvigation Satelite

System

Proprietário USA Rússia

Satélites 24 24

Órbitas 6 3

Altitude (km) 20183 19100

Coordenadas WGS 84 (*) SGS 85 (*)

Precisão aproximada (m) 100 35

Características dos Sistemas GPS e GLONASS




Segmento espacial - o sistema de satélites Sistemas de Navegação Global por Satélites GNSS (*)

GPS: rede americana (militar)

• Ano: 1978

• Satélites: 31 (24+3); 8 visiveis

• Altitude: 20 180 km; 6 planos orbitais

GLONASS: rede russa (militar)

• Ano: 1982

• Satélites: 24 (9+4);

• Altitude: 19 100 km; 3 planos orbitais

Galileu: rede europeia (civil)

• Ano: 2005

• Satélites: 1 (27+3); 12 visiveis

• Altitude: 23 200 km; 3 planos orbitales

Combinação de sistemas: GNSS *

• Satélites: 48 (média: 14 visibles)Correção diferencial com um ponto fixo

GPS fixo



O segmento do utilizador



Output do GPS

• Latitude e Longitude

• Latitude - posição Norte (+)/Sul (-)

• Longitude - posição Este (+)/Oeste (-)

•Dados, em graus decimais, da Qta S.Lurdes:latitude 41.286104

Longitude -7.738231

Dados do GPS

• O GPS grava os dados que são depoisdescarregados para um computador, aoqual o GPS se liga diretamente.

• Os interfaces do GPS em agricultura são:

- Monitores de produção

- Equipamentos VRT

- Sistemas de apoio à condução

Recetor GPS




PDA com o sistema operativo Windows CE



O segmento de controlo

O sistema de controlo é constituído por uma estação mestre situada em Colorado

Spring (Colorado, EUA) e várias estações de monitorização espalhadas pelo mundo.



Utilização do GNSS na agricultura de precisão

- identificação de pontos

- medição de distâncias e áreas

- elaboração de mapas topográficos

- na utilização de pivot centrais em irrigação (localização do pivot central e

controlo do alinhamento do pivot)

- nos equipamentos VRT

- elaboração de mapas de produção

- apoio à condução

- controlo de animais

- na deteção remota

- outros.



Funcionamento do GPS

Cada satélite é equipado com emissores e recetores para enviar e receber ondas de

rádio.

Os satélites giram a ± 20 200 km da Terra com um período de 12 horas.

Os sinais de rádio são transmitidos a uma frequência elevada (1200-1500 MHz)

navegando, em vácuo, à velocidade da luz (300 000 km/s *) mas, na atmosfera, devido

às interferências, a velocidade é menor.

O recetor de sinais possui um recetor rádio, um relógio e o software próprio para

efetuar os cálculos necessários à determinação da sua localização.

Conhecendo-se a localização dos satélites e a hora exata do envio do sinal é possível

determinar, pela diferença da hora da emissão e da receção, a distância ao recetor.

Para determinar a posição exata do recetor é necessário conhecer a distância de,

pelo menos, quatro satélites ao recetor.



No espaço, o conjunto de pontos equidistantes de um outro ponto, forma uma esfera;

a interceção de duas esferas forma uma circunferência; as interceções de três esferas

são dois pontos; a interceção de quatro esferas é um ponto.

Dos dois pontos resultantes da interceção de três esferas, um deles fica demasiado

longe da superfície da terra, pelo que pode ser eliminado.

Sendo a velocidade máxima a que se deslocam as ondas rádio de 300 000 km/s, para

determinar a distância entre os satélites e o recetor GPS, basta saber a sua localização,

determinada pelo conhecimento da hora exata a que foi emitido o sinal pelos

satélites e recebido pelo recetor.



A localização e hora exata, dada por relógios atómicos, a que foi emitido o sinal são

dados transmitidos pelos sinais de rádio, sendo a hora de receção dada pelos

relógios dos recetores.

Sendo os relógios dos recetores menos precisos que os atómicos é necessário utilizar

um satélite adicional para os acertar.

O tempo gasto para que a onda de rádio chegue ao recetor é dado por:

d = c * t

em que:

- d é a distância do satélite ao recetor;

- c a velocidade da luz;

- t é o tempo gasto



Posicionamento por satélite

Posicionamento por satélite

d2d1

d3

d4 Distância dos satélites, em movimento, ao recetor.



Localização de um receptor GPS





Medida das distâncias. Sistema NAVSTAR-GPS



Solução matemática para o GPS

C = velocidade da luz

Determinação das coordenadas x, y e Z



Como determinar o tempo que o sinal rádio demora a percorrer a distância do

satélite ao receptor



Coordenadas

cartesianas

Coordenadas

geográficas



Sistema UTM

Portugal Continental: Fuso 29, Datum europeu

Portugal distribui-se por 2 “faixas” - 29T e 29S (29 refere-se aos eixo dos XX e T e S ao eixo dos YY)



Principais data geodésicos: (pontos de fixação)

• Castelo S. Jorge, Lisboa (atual):

- Latitude: 38º 42’ 43.631’’

- Longitude: 9º 07’ 54.862’’ WGrw (*)

- Altitude: 111.229 m

Nota: em coordenadas naturais, a altitude é relativa à referência altimétrica do

marégrafo de Cascais (designado datum altimétrico).



Principais data geodésicos:(pontos de fixação)

• Vértice geodésico Melriça:

- Latitude: 39º 41’ 37.300’’ (4 395 341.79 m N) (1)

- Longitude: 8º 07’ 53.310’’ WGrw (574 790.91 m W) (2)

- Altitude: 591.38 m

Nota: em coordenadas naturais, a altitude é relativa à referência altimétrica do

marégrafo de Cascais (designado datum altimétrico).



Correção diferencial (dGPS)

Nos satélites, para além do erro associado à variação da velocidade de transmissão

do sinal devido às variações das condições atmosféricas, há outras fontes de erro

como, por exemplo, os relacionadas com os relógios e com as órbitas.

Estes erros são monitorizados e corrigidos pelo Departamento de Defesa Americano.

Nos recetores os erros devem-se a interferências elétricas, imprecisões matemáticas,

obstáculos existentes na proximidade, etc.

Para correção dos erros (correções diferenciais) utiliza-se um recetor GPS

estacionário (estação base), colocado numa posição com coordenadas conhecidas.

Conhecendo-se a distância exata desta estação aos satélites (distância real), e a

medida pelos recetores (distância com erro) tem-se, com esta diferença, o erro das

medições efetuadas com o GPS.

(cont)



(cont)

As correções diferenciais - diferença entre a distância real e a distância com erro, são

utilizadas para corrigir os erros associados às medições efetuadas pelos recetores

GPS móveis, que se encontram na proximidade da estação base;

Para que o dGPS funcione é necessário que o recetor e a estação base consigam

“ver”, em simultâneo, os mesmos satélites.

Para que as correções se façam em tempo real é necessário que a estação base

transmita a informação relativa às correções diferenciais, para o recetor GPS.



Em Portugal existem duas estações - base, uma em Lisboa e outra no Porto, que

disponibilizam informação para utilização livre e que fazem as correções diferenciais

que não são disponibilizadas por via rádio mas apenas na Internet.

Entre os principais métodos de correção diferencial tem-se:

- pós - processamento;

- torre local via rádio UHF;

- torre regional via rádio AM;

- estações aéreas;

- rede via rádio FM;

- satélite geoestacionário (público ou privado);

- telefonia celular (GSM);

- algoritmos internos.



Correção com torre local via rádio UHF

Receptormóvel

Estação base que transmite a correção via rádio



Correção via satélite geoestacionário



Correção com torre local via rádio UHF (*)

With local correction 2 cm accuracy



Correção por algoritmos internos



Definição da receção do GPS e fatores envolvidos:

Exatidão (acurácia) (2) - grau de aproximação da grandeza medida em relação ao valor

verdadeiro.

Precisão - repetibilidade (número de medições) mais ou menos próxima das medições

de uma dada grandeza (concentração dos pontos). Depende da posição dos satélites (DOP)

Resolução - intervalo de leitura (menor intervalo maior resolução)



Como expressar a acurácia de um GPS (R)



Como expressar a acurácia de um GPS

Baixa Alta

Baixa concentração

das medições

Alta concentração

das medições



Precisão (repetibilidade mais ou menos próxima na medição de uma dada grandeza)

Diluição da precisão (quando os satélite estão muito próximos)

- diluição de precisão horizontal (HDOP), interfere nas coordenadas latitude e

longitude;

- diluição de precisão vertical (VDOP), interfere na altitude;

- diluição de precisão na posição (PDOP), interfere nas três dimensões;

- diluição de precisão no tempo (TDOP).

Precisão - repetibilidade na medição de uma dada grandeza



Satélites muito juntos Satélites bem distribuídos

Poor (high) DOP Good (low) DOP

Mede o impacto da geometria da configuração da posição dos satélites

*

Acurácia (precisão) (1) dos vários sistemas





Acurácia (precisão) em vários sistemas (1)



Antena RTK – Precisão (1)

Antena RTK

Precisão: 1-2 cm

Correção cinemática em tempo real

(RTK - Real Time Kinematic)

Base situada a 3-5 km;

Cálculo do número de ciclos de onda

(simples e dupla frequência);

Precisão até 1 cm nas três dimensões



Relação entre preços e acurácia (precisão)



A largura da sobreposição das faixas entre passagens consecutivas vai diminuindo

(mesmo ano e entre anos)



Diferentes tipos de erros

Erro do relógio do satélite:

- um atraso de 1 s a cada 160 000 anos (um nanosegundo a cada 58.4 dias) equivale a

um erro de ± 20 m;

- os satélites são constantemente monitorizados pela estação de controlo que ajusta

os relógios e reduz o erro para ± 0.6 m.

Erro do relógio do recetor:

- os erros do relógio do recetor induzem a um erro de 1 - 2 m;

- os recetores mais caros têm relógios mais precisos e melhores, com menor ruído

interno e maior precisão matemática

Erro de órbita:

- a cada 12 h a órbita dos satélites é rastreada e corrigida pela estação de controle o

que não impede um erro de ± 0.6 m.



Composição do erro com S/A

Erro introduzido

->

<- Disponibilidade

seletiva



Erro de reflexão



Erro de refração:

- atrasos nas ondas que ocorrem na ionosfera (camada carregada eletricamente) que

tem uma espessura de 80 a 400 km sobre a Terra;

- a troposfera, camada abaixo da ionosfera, também pode atrasar os sinais, pois tem

partículas de água;

- este erro pode ser de ± 4 m.

Erro resultante da atividade solar

- a ionosfera pode ser afetada pela atividade solar.



Disponibilidade seletiva / Anti- engano

Selective Availabilty/Anti-Spoofing

• Disponibilidade selectiva

(Selective Availabilty (S/A)) (1)

- Impede a acurácia total dos GPS à

sociedade civil (Denies Civilians

full accuracy of GPS)

- Perturbação com o tempo

(Dithering with Time)

- Tabelas indicativas da posição dos

satélites não reais (Ephemeris not

real)

- Desligado (Turned Off)

• Anti - engano

(Anti-Spoofing (A-S)) (2)

- Impede a acurácia total dos GPS à

sociedade civil (Denies Civilians

full accuracy of GPS)

- Encripta parte do código dos

satélites (Encrypts part of the

Satellite Code)



Sistemas públicos: EGNOS, WAAS, MSAS, …



Sistema EGNOS

European

Geostationary

Navigation

Overlay

Service



WAAS - Wide Area Augmentation System

- É um sistema de satélites e estações de controlo que fornece correcções de sinais

GPS, melhorando a acurácia do sistema.

- A acurácia é superior a 3 m em 95 % das vezes

- Não necessita outro equipamento para além dos GPS com acesso ao WAAS

- WAAS é um serviço grátis acessível à maioria dos receptores GPS

crager_xmastree1; CursoGPS;

../crager_xmastree1.ppt

../CursoGPS.ppt



Ficheiros relacionados:

07handout – Applications of GIS in Precision Agriculture

08AP-03 - Introduction to Remote Sensing

08Cartografia_nacional - Cartografia nacional

09GPS2 - Global Positioning System

09GPSGISTechnologies – Integrating GPS and GIS Technologies into 4-H Youth Programs

10GNSSforPrecisionAgriculture – GNSS for Precision Agriculture

10gps in machinery - GPS puts the “Position” in Precision Agriculture

11CursoGPS - Oficina de aplicações de GPS de Navegação na Agricultura

11Intro_to_PA – Introduction to Precision Agriculture

14Guísamo-final – Presente y futuro de la Agricultura de Precisión - Luis Marques

../07handout.ppt

../08AP-03.ppt

../08Cartografia_nacional.ppt

../09GPS2.ppt

../09GPSGISTechnologies.ppt

../10GNSSforPrecisionAgriculture.ppt

../10gps in machinery.ppt

../11CursoGPS.ppt

../11Intro_to_PA.ppt

../14Guísamo-final.ppt



https://www.youtube.com/watch?v=H-VhzCEGp8k

https://www.youtube.com/watch?v=yW6zoyPs_ZM

https://www.youtube.com/watch?v=Lb1ZyeB16zI

https://www.youtube.com/watch?v=FU_pY2sTwTA

https://www.youtube.com/watch?v=FgciX_upBSg

Videos - pesquisar:

gps videos youtube agriculture

https://www.youtube.com/watch?v=H-VhzCEGp8k

https://www.youtube.com/watch?v=yW6zoyPs_ZM

https://www.youtube.com/watch?v=Lb1ZyeB16zI

https://www.youtube.com/watch?v=FU_pY2sTwTA

https://www.youtube.com/watch?v=FgciX_upBSg

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