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Noções de Sistema de Informações Geográficas: Sistema GPS

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Curso: Teoria e Métodos em Limnologia EPAMIG, 29 de Janeiro a 1 de fevereiro, 2008. UFMG – ICB – Depto. Biologia Geral, Lab. Gestão Ambiental de Reservatórios. Noções de Sistema de Informações Geográficas: Sistema GPS. Prof. José Fernandes Bezerra Neto Prof. Ricardo Motta Pinto Coelho.

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no es de sistema de informa es geogr ficas sistema gps
Curso: Teoria e Métodos em Limnologia

EPAMIG, 29 de Janeiro a 1 de fevereiro, 2008

UFMG – ICB – Depto. Biologia Geral, Lab. Gestão Ambiental de Reservatórios

Noções de Sistema de Informações Geográficas:Sistema GPS

Prof. José Fernandes Bezerra Neto

Prof. Ricardo Motta Pinto Coelho

sistema de posicionamento global gps
Sistema de Posicionamento Global - GPS
  • O GPS (Global Positioning System) é um sofisticado sistema eletrônico de navegação desenvolvido pelo Departamento de Defesa dos EUA, baseado em uma rede de satélites que permite localização instantânea em qualquer ponto da Terra.
  • Seu desenvolvimento iniciou em 1978, tendo sido projetado inicialmente para uso militar dos EUA. Basicamente, o sistema GPS é composto de três partes denominadas segmento espacial, segmento de controle e segmento usuários.
slide3
Sistema de Posicionamento Global - GPS

1978– Satélites NAVSTAR – GPS

  • GPS: “Global Positioning System”
  • Limitado às forças militares dos E.U.A.
  • Precisão: 10 m
  • Receptor simples e leve

1983 – Acesso público limitado ao GPS

  • Precisão para civis: 100 m
    • SA: “Selected Availability”

2000 – Acesso público completo ao GPS

  • Precisão normal: 10 m
  • Precisão assistida (GPS diferencial): < 3 m
slide4
Sistema de Posicionamento Global - GPS

Garante:

    • Precisão de Navegação = 3 - 15 m
    • Cobertura mundial
    • 24 horas de acesso
    • Sistema de Coordenadas Comum
    • Datum WGS 84
  • Projetado para substituir os sistemas de navegação existentes
  • Acesso Civil e Militar
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Componentes do Sistema GPS

Segmento Espacial

27 satélites (20200 km)

4 relógios atômicos (3 back-ups) monitorados e controlados em terra

Segmento de Controle

1 Estação Master

5 Estações de monitoramento

Segmento do Usuário

Receptores de Sinal GPS

Relógio de quartzo

slide6
Segmento Controle

correção dos relógios atômicos dos satélites

definição os modelos ionosféricos

estimar parâmetros orbitais

garantir a integridade do sistema

coordenar manobras e monitorar a saúde dos satélites

receber os sinais emitidos dos satélites

coletar dados meteorológicos

transmitir dados para a Estação Master

Estação Central de Controle

Colorado Springs

Hawaii

Kwajalein

Diego Garcia

Ascención

Estações Monitoras

slide7
Funcionamento do GPS

A finalidade do GPS é determinar a posição de um objeto na superfície da Terra em 3 dimensões: longitude, latitude e e altitude.

Sinais provenientes de pelo menos três satélites fornecem esta informação.

slide8
O princípio da trilateração (2D)
  • Imagine que você esteja em algum lugar do Brasil e que esteja TOTALMENTE perdido.
  • Você encontra uma pessoa que lhe dá a seguinte informação: “Você está a 50 km de Campinas”
  • Você poderia estar em qualquer lugar em um círculo em voltada de Campinas, com um raio de 50 Km.

50 Km

Campinas

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O princípio da trilateração (2D)

Você pergunta a uma outra pessoa que lhe diz: Você está a 70 Km de Rio Claro.

70 Km

Rio Claro

50 Km

Campinas

slide10
O princípio da trilateração (2D)

Se uma terceira pessoa lhe disser que você está a 80 Km de Sorocaba você poderá determinar sua posição com precisão

70 Km

Rio Claro

50 Km

Campinas

80 Km

Sorocaba

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Funcionamento do GPS

Três esferas se interceptam em um ponto. Três distâncias para resolver a latitude, a longitude e a elevação.

slide12
Funcionamento do GPS

Uma dificuldade:

  • o relógio do receptor não é tão preciso como os relógios atômicos dos satélites. Por isso, um sinal de um quarto satélite é utilizado para averiguar da precisão do relógio do receptor.
  • Este quarto sinal permite ao receptor processar os sinais GPS com a precisão de um relógio atômico.

A 4ª medição permite resolver (remover) o erro do clock (tempo) do receptor

slide13
Funcionamento do GPS

São necessárias quatro distâncias para encontrar a latitude, a longitude, a elevação e o tempo

slide14
Funcionamento do GPS
  • Dificuldades a superar:
  • (a) os sinais trocados entre relógios a diferentes altitudes estão sujeitos aos efeitos da Relatividade Geral;
  • por outro lado, o movimento do satélite e a rotação da Terra devem ser tomados em conta;
  • (b) sem a consideração destes efeitos o GPS seria inútil.
slide15
Freqüência

fundamental10.23 MHz

÷ 10

L11575.42 MHz

Código C/A 1.023 MHz

Código P 10.23 MHz

x 154

L21227.60 MHz

Código P10.23 MHz

x 120

50 bps

Mensagens (Almanaque & Efemérides)

Estrutura do sinal GPS

  • Cada satélite transmite uma série de sinais
  • Os sinais compreendem:

- 2 ondas - L1 e L2

- 2 códigos - C/A em L1 e P em L1 e em L2 (P1 e P2)

- Mensagens sobre os satélites e sua órbita

componentes dos sinais dos sat lites
Componentes dos sinais dos satélites
  • Os satélites GPS são sistemas unidirecionais de emissão, isto é, os sinais são transmitidos somente pelos satélites. Os sinais se propagam das antenas dos satélites até as antenas dos receptores. Durante a propagação, os sinais estão sujeitos aos seguintes efeitos:
    • Atraso de propagação na ionosfera e troposfera;
    • Efeito de multi-encaminhamento;
    • Efeitos marginais de sinais, devido a posição do satélite no horizonte;
erros de observa o
19950 Km

Ionosfera

1000 Km

Troposfera

50 Km

Erros de observação
  • Os sinais GPS transmitem as informações de tempo via ondas de rádio.
  • Os sinais GPS precisam atravessar várias camadas diferentes da atmosfera.
  • A medida que elas atravessam essas camadas, o sinal sofre atraso.
  • Esses atrasos são traduzidos em erros nas distâncias usadas para calcular a posição do receptor.
  • Erros:
    • Ionosfera ~ 5.0 m;
    • Troposfera ~ 0,5 m
erros do receptor
Erros do receptor
  • Infelizmente os receptores não são perfeitos. Eles adicionam erros ao sistema.
    • Ruído interno do receptor.
    • Erro ~ 0. 3 m
    • Atraso do relógio interno
    • Erro ~ 5. 0 m
erros de multi encaminhamento
Erros de multi-encaminhamento
  • Quando um sinal GPS chega a Terra ele pode refletir-se em vários obstáculos.
  • Inicialmente a antena recebe o sinal direto do satélite, em seguida, ela recebe os sinais refletidos.
  • Erro ~ 0.6 m
gps diferencial d gps
GPS Diferencial – D-GPS
  • D-GPS envolve a cooperação de dois receptores, um que é estacionário e outro móvel;
  • O estacionário é a chave de todo processo, ele serve de referência local para as medições dos satélites.

Vetor da linha base

A

B

gps diferencial d gps1
GPS Diferencial – D-GPS
  • A idéia por trás do DGPS é simples: nós temos um receptor que mensura o erro do sinal do satélite e que transmite a correção para o transmissor móvel.
gps diferencial esta es base
GPS Diferencial – Estações-base
  • Existem uma série de estações-base públicas e privadas que transmitem correção de dados para receptores DGPS.
  • No Brasil, entre as públicas e gratuitas nós temos:

- A Rede Brasileira de Monitoramento Contínuo (RBMC), mantida pelo IBGE;

  • Rede INCRA de Bases Comunitárias do GPS
  • Estações-base da Marinha
gps diferencial dgps
GPS Diferencial - DGPS
  • Correção em tempo real via satélite
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