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APLICAÇÃO DO SISTEMA DE POSICIONAMENTO
GLOBAL (GPS) NA COLETA DE DADOS
JOSÉ VICENTE ELIAS BERNARDI
Professor Associado
Universidade Federal de Rondônia
PAULO M. BARBOSA LANDIM
Professor Emérito da Universidade Estadual Paulista Professor Voluntário do Depto. Geologia Aplicada UNESP/Rio Claro
UNESP/campus de Rio Claro Departamento de Geologia Aplicada - IGCE ― Laboratório de Geomatemática ― Texto Didático 10 2002
Reprodução autorizada desde que citada a fonte
Norma 6023-2000/ABNT ( http://www.abnt.org.br):
BERNARDI, J.V.E. & LANDIM, P.M.B. Aplicação do Sistema de Posicionamento Global (GPS) na coleta de dados. DGA,IGCE,UNESP/Rio Claro, Lab. Geomatemática,Texto Didático 10, 31 pp. 2002. Disponível em < http://www.rc.unesp.br/igce/aplicada/textodi.html >. Acesso em:....
J.V.E. Bernardi e P.M.B. Landim APLICAÇÃO DO SISTEMA DE POSICIONAMENTO GLOBAL NA COLETA DE DADOS
Histórico e funcionamento do Sistema de Posicionamento Global (GPS)
Com o lançamento do satélite Sputinik I pelos russos em 1957, começou a utilização de satélites para o posicionamento geodésico. Em 1958 os americanos lançaram o satélite Vanguard tendo assim o início do desenvolvimento do sistema Navstar ( Navigation satellite with Timing and Ranging ). A partir de 1967 foi liberado para uso civil, o sistema denominado Navy Navigation Satellite System (NNSS) também chamado de Transit. Em 1973 iniciou-se o desenvolvimento do Global Positioning System (GPS) (Figura 1), projetado pelo Departamento de Defesa dos Estados Unidos da América (EUA) para oferecer a posição instantânea, bem como a velocidade e o horário de um ponto qualquer sobre a superfície terrestre ou bem próxima a ela num referencial tridimensional (LETHAM, 1996).
Figura 1- Satélite do Bloco II R do Sistema de Posicionamento Global (GPS)
O sistema GPS entrou em operação em 1991 e em 1993 a constelação dos satélites utilizados pelo sistema foi concluída. Este sistema representado na figura 2 foi projetado de forma que em qualquer lugar do mundo e a qualquer momento
J.V.E. Bernardi e P.M.B. Landim serviço usado pelo usuário. A U.S. Coast Gard informa pela Navigation Information Service Bulletin Board que a precisão alcançada pelos usuários do SPS até a data de primeiro de maio de 2000 era da ordem de 100m na horizontal, 145m na vertical e 340 nano-segundos nas medidas de tempo, com nível de confiança de 95% (MONICO, 2000). A precisão no PPS era da ordem de 10 a 20m. Após a liberação este erro caiu para em torno de 1 a 5m, com o mesmo nível de confiança do SPS, mas este serviço é restrito ao uso militar e a usuários autorizados. Na realidade o sistema DoD pode oferecer uma melhor acurácia e precisão, porem ao que tudo indica não há interesse em oferecer um serviço mais preciso, pois isso poderia pôr em risco a segurança dos EUA. Para garantir a segurança do sistema os militares nortes americanos criaram uma forma de deteriorar a acurácia e precisão adotando, para isto, dois processos limitantes do posicionamento dos sinais emitidos pelos satélites do sistema. Para a freqüência de uso militar foi criado o Anti-Spoofing (AS) e para uso civil o Selective Availability (SA). O AS é um processo de criptografia do código P, um dos códigos utilizados no GPS para realizar medidas de distância, visando protegê- lo de imitações por usuários não autorizados. O SA é capaz de diminuir a acurácia por meio da manipulação das mensagens de navegação ( técnica épsilon/ ε) e da freqüência dos relógios dos satélites ( técnica dithe/ δ). A partir de 2 de maio de 2000, essa técnica de deterioração da acurácia para o uso civil foi abolida, melhorando algo em torno de dez vezes o seu nível de acurácia. Os receptores capazes de trabalhar com os dois códigos de correção são chamados de dupla freqüência com as portadoras L1 e L2. Atualmente a precisão dos GPS geodésicos que trabalham com as duas portadoras é da ordem de 1 mm na horizontal e de 5mm na vertical e tal precisão é extremamente importante para estudos geodésicos e espaciais em micro e macro escala. O GPS consiste de três segmentos principais: espacial, controle e de usuário (Figura 3).
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Figura 3- Segmentos do Sistema de Posicionamento Global (GPS) fonte Dana, P.H. 1996
Os satélites que compõem o segmento espacial do sistema GPS orbitam ao redor da Terra distribuídos em seis órbitas distintas, a uma altitude de 20.200 Km, distribuídos em seis planos orbitais com uma inclinação de 55 o^ em relação ao equador, e com um período de revolução de 12 horas siderais. Isso vem acarretar uma repetição na configuração dos satélites com uma repetição de quatro minutos mais cedo diariamente em um mesmo local (Figura 4).
J.V.E. Bernardi e P.M.B. Landim satélites denominados de Bloco IIF será composto por 33 satélites que deverão incorporar a modernização do sistema. Os satélites do grupo IIR carregam padrões de freqüência altamente estáveis, oriundos de osciladores atômicos de césio e rubídio e os do Bloco IIF poderão carregar osciladores Maser de hidrogênio, considerados até o momento os melhores osciladores (MONICO, 2000). As fotos abaixo mostram os satélites dos blocos I, II, IIA e IIR.
Bloco I
Bloco II e IIA
Bloco IIR
J.V.E. Bernardi e P.M.B. Landim Resumidamente, os satélites do sistema GPS (Figura 5) emitem ondas portadoras de 1575,42 Mhz e comprimento de onda λ ≅ 19 cm (L1) e 1227,60 Mhz e comprimento de onda λ ≅ 24 cm (L2). Modulados em fase portadoras, sendo os códigos +1 e –1, emitidos a freqüências de 1,023 Mhz (código C/A ) e 10,23 Mhz (código P ). O código C/A ( coarse/acquisition code ) se repete a cada milissegundo, enquanto o código P ( precision code ), a cada 267 dias. Além desses códigos, existe ainda o código Y , sendo gerado, entretanto a partir de uma equação secreta ( anti-spoofing ). A portadora L1 é modulada com os códigos C/A e P (ou Y ), enquanto L2 apenas com o código P (ou Y ) (SEGANTINE, 1999).
Figura 5- Esquema e características dos Sinais GPS
As pseudodistâncias bem como as fases de ondas portadoras ou diferenças de fase medidas pelos sinais emitidos dos satélites são consideradas as observáveis básicas do GPS (SEEBER, 1993). É através das observáveis que os receptores GPS
Características dos Sinais GPS
• Ondas portadoras (L1 e L2)
• Comprimento de onda L1 →λ = 19 cm→C/A e
Freqüência fundamental 10,23 MHz
J.V.E. Bernardi e P.M.B. Landim denominado Serviço GPS Internacional, estabelecido pela Associação Internacional de Geodésia (IAG) tem capacidade de produzir efemérides com precisão da ordem de poucos centímetros em cada uma das coordenadas do satélite, permitindo assim atender à maioria das aplicações que exijam alta precisão. O GPS é um sistema multipropósitos, que permite aos usuários determinar suas posições expressa em latitude, longitude e altura geométrica ou elipsoidal em função das coordenadas cartesianas X, Y e Z em relação ao centro de massa da Terra (Figura 7) (SEGANTINE, 1999).
Figura 7- Posicionamento GPS baseado no centro de massa da Terra
A categoria dos usuários pode ser dividida em civil e militar, sendo que para o uso civil existe restrição quanto à precisão. Os militares americanos fazem uso dos receptores GPS para estimar suas posições e deslocamentos quando realizam manobras de combate e de treinamento. Como exemplos podem ser citados a Guerra do Golfo e, mais recentemente, a Guerra do Afeganistão, onde os receptores GPS foram usados para o deslocamento de tropas e na navegação de mísseis até o alvo inimigo.
J.V.E. Bernardi e P.M.B. Landim Existem, contudo, equipamentos para usuários autorizados, que permitem a obtenção de uma precisão e acurácia da ordem de milímetros, tanto na horizontal quanto na vertical. Estes receptores são utilizados em estudos geodésicos. Exemplos de segmentos de usuários civis e militares.
Segmento de Usuários
- • NNaavveeggaaççããoo ppaarraa aavviiõõeess,, ccaarrrrooss,, nnaavviiooss ee oouuttrrooss mmeeiiooss ddee trtraannssppoorrttee
- • PPoossiicciioonnaammeennttoo ddee oobbjjeettooss ee ddaaddooss nnoo eessppaaççoo
- • (^) CCaammiinnhhaammeennttooss
- • (^) MMoovviimmeennttooss ddee ppllaaccaass tteeccttôônniiccaass
- • EEssppoorrtteess RRaaddiiccaaiiss
- • CCoorrrreeççããoo ggeeoommééttrriiccaa ddee aaeerrooffoottooss ee iimmaaggeennss ddee ssaattéélliittee
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Figura 8- Esquema geral de receptores GPS
A antena detecta as ondas eletromagnéticas emitidas pelos satélites, converte a energia da onda em corrente elétrica, amplifica o sinal e o envia para a parte eletrônica do receptor. Em razão do tipo de sinal GPS e de sua estrutura, todas as antenas devem ser polarizadas circularmente à direita (RHCP- Rigth-Hand Circularly Polarised ). A antena deve ter boa sensibilidade para receber sinais mais fracos e ainda receber sinais em todas as elevações e azimutes. Existem vários tipos de antenas no mercado de acordo com a necessidade do usuário, entre estas podem ser citadas: Monopole ou Dipole, Hilex, Spiral Hilex, Microstrip e Choke ring (Figura 9). O modelo de antena mais apropriada para GPS de navegação é a microstrip. Para levantamentos geodésicos, a antena utilizada deve permitir a recepção de duas ondas portadoras (L1 e L2) e garantir alta estabilidade entre o centro de fase e o seu centro geométrico, além de ter uma proteção contra multicaminhamento, isto é, sinais refletidos. O modelo de antena mais adequado para a precisão geodésica é o Choke ring.
Descrição dos Receptores GPS
Principais Componentes do Receptor
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Figura 9- Tipos de antenas para receptores GPS
Na seção RF os sinais que entram no receptor são convertidos para uma freqüência mais baixa, denominada de freqüência intermediária (FI). Esta redução de freqüência é feita pela combinação da onda com um sinal senoidal gerado pelo oscilador. Geralmente os osciladores dos receptores GPS são de quartzo e alguns modelos geodésicos são externos com padrão atômico. A diferença entre a onda recebida e a gerado no oscilador é denominada de freqüência de batimento da onda portadora. Os receptores atuais utilizam múltiplos estágios para reduzir a freqüência de entrada. Após estas etapas o sinal FI é trabalhado nos rastreadores do sinal ( signal trackers ), ou seja, nos canais.
Tipos de Antenas
Monopole
Microstrip Helix
Spiral Helix
Choke ring Geodésica mod. 5700
Geodésica Zephyr (^) Dipolo
J.V.E. Bernardi e P.M.B. Landim de outras funções conforme o modelo. A informação obtida é transferida para o display onde o usuário pode fazer visualizar todas as funções do receptor. Microprocessador
Controle das operações do receptor
Obtenção Processamento
Decodificação de Navegação Mensagens
Calculo de posição e velocidade Figura 11- Esquema de entrada do microprocessador GPS
A interface com o usuário é feita por meio de comandos e do display que proporcionam as interações entre ambas as partes. A maioria dos receptores dispõe de um padrão de operação preestabelecido, não requerendo intervenção do usuário. Os receptores dispõem também de uma memória interna para armazenamento das posições, distância e outros dados, que são capazes de serem descarregados através de uma porta serial do tipo RS-232, com auxilio de programas específicos. O suprimento de energia para os GPS da primeira geração foi um fator crítico, entretanto nos aparelhos modernos foram concebidos para terem um consumo mínimo de energia. Alguns chegam mesmo a operar com pilhas, embora possam ter bateria interna recarregável. Os receptores GPS (Figura 12) podem ser classificados de três formas segundo critérios específicos: para uso da comunidade usuária militar ou civil; para aplicação em navegação, geodésia e uso direto em Sistemas de Informações Geográficas (SIG) (Sistema de Informação Geográfica) e, por ultimo, segundo os diferentes tipos de receptores e dados proporcionados como é o caso dos receptores com código C/A;
J.V.E. Bernardi e P.M.B. Landim código C/A e portadora L1; código C/A e portadoras L1 e L2; código C/A e P e portadoras L1 e L2; portadora L1 e portadoras L1 e L2. Estas divisões ajudam os usuários na identificação do receptor adequado às suas necessidades, independentemente da classificação adotada.
Figura 12- Tipos de receptores GPS
As técnicas de processamento dos sinais são necessárias para estudos geodésicos, como é o caso da aplicação em redes com bases longas ou em regiões com forte atividade ionosférica. Quando se tem problema dessa ordem é necessário o uso das duas portadoras (L1 e L2) e ainda acesso ao código P. A técnica normalmente aplicada para acessar a portadora L1, para a correção do Anti-Spoofing (AS) é a correlação do código. A portadora L2 tem modulado sobre ela apenas o código P, o qual é sujeito ao AS, sendo então possível acessá-la pelas técnicas: quadratura do sinal; correlação do código quadrado; correlação cruzada e Z tracking (Figura 13).
Trimble Estação Total mod 5700 Garmin mod. etrex Garmin mod. 48
Data Log mod 5700 Data Log mod. ProXR Power TSC
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Figura 14- Projeções, datum e escalas usadas em mapas Com a utilização deste sistema, torna-se conveniente transformar os dados quando se deseja trabalhar em outro sistema geodésico como é o caso do SAD-69 ( South America Datum de 1969) ou ainda o nacional Córrego Alegre Datum. Estes dois sistemas são usados no Brasil, sendo o Córrego Alegre adotado nas cartas do DSG (Diretoria de Serviço Geográfico) e o SAD-69 utilizado pelo IBGE (Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística). O IBGE em cooperação com outras instituições latino-americanas e internacionais, sob o patrocínio do IAG ( International Association of Geodesy ), criou em 1993 o Projeto de Referência Geocêntrico para a América do Sul denominado de SIRGAS, com o principal objetivo de estabelecer um sistema de referência para a América do Sul. O Brasil tem participado ativamente para o estabelecimento de redes de GPS de alta precisão no continente associados à criação de um banco de dados e centros de processamento. O estabelecimento das Redes de Monitoramento Contínuo do Sistema GPS (RBCM), foi um passo de grande importância para a geodésia a nível nacional (Figura 15). Esta rede é composta atualmente por treze estações, sendo nove delas coincidentes com as estações SIRGAS, fornecendo assim todas as informações necessárias para a integração do
Projeção, Datum e Escala Projeção, Datum e Escala
DATUMDATUM HORIZONTAL Córrego Alegre - MG SAD- WGS-
VERTICAL Imbituba
ProjeçãoProjeção Plana ou azimutal Cônica Cilíndrica
Azimutal Gnomônica
Cônica Conformal de Lambert Mercator
(Superfície de Referência ou Nível) EscalaEscala 1:1.000.0001:1.000. 1:50.0001:50. 1:2.0001:2.
J.V.E. Bernardi e P.M.B. Landim Sistema Geodésico Brasileiro (SGB) aos sistemas de referências terrestres internacionais que serão adotados no Brasil.
Figura 15- Localização das Redes de Monitoramento Contínuo no Brasil
Técnicas de posicionamento do GPS: fundamentos e descrições Independentemente do estado do objeto, podem-se ter posicionamentos absoluto e relativo, e combinações com a presença ou ausência de movimento. Posicionamento é definido como sendo a posição de objetos com relação a um referencial específico. O método de posicionamento pode ser classificado como absoluto, quando as coordenadas de um objeto estão associadas diretamente ao geocentro, e relativo, quando as
