GPS (Global Positioning System) (Sistema de Posicionamento Global)

GPS
(Global Positioning System)
(Sistema de Posicionamento Global)
O GPS é um sistema de posicionamento geográfico
que nos dá as coordenadas de um lugar na Terra, desde
que tenhamos um receptor de sinais de GPS. Este
sistema foi desenvolvido pelo Departamento de Defesa
Americano para ser utilizado com fins civis e
militares.
A nossa posição sobre a Terra é referenciada em
relação ao equador e ao meridiano de Greenwich e
traduz-se por três números: A latitude, a longitude e a
altitude. Assim, para saber a nossa posição na Terra
basta saber a latitude a longitude e a altitude. Por
exemplo, os aeroportos têm as três coordenadas bem
determinadas, que, aliás, estão escritas em grandes
cartazes perto das pistas. Os sistemas automáticos de
navegação aérea utilizam esta informação para
calcular as trajectórias entre aeroportos.
Devido ao desenvolvimento das tecnologias associadas
aos satélites artificiais, hoje em dia, é possível haver
um sistema de posicionamento global. São ao todo 24
satélites que dão uma volta à Terra em cada 12 horas e
que enviam continuamente sinais de rádio. Em cada
ponto da Terra estão sempre visíveis quatro satélites e
Latitude
A latitude é a distância ao Equador
medida ao longo do meridiano de
Greenwich. Esta distância mede-se em
graus, podendo variar entre 0º e 90º
para Norte ou para Sul. Por exemplo,
Lisboa está à latitude de 38º 4´N, o Rio
de Janeiro à latitude de 22º 55´S e
Macau à latitude de 22º 27´N.
com
os
diferentes
sinais desses quatro
satélites o receptor
GPS calcula a latitude,
longitude e altitude do
lugar onde se encontra.
Longitude
A longitude é a distância ao meridiano
de Greenwich medida ao longo do
Equador. Esta distância mede-se em
graus, podendo variar entre 0º e 180º
para Este ou para Oeste. Por exemplo,
Lisboa está à longitude de 9º 8´W, o
Rio de Janeiro à longitude de 34º 53´W
e Macau à longitude de 113º 56´E.
Altitude
A Terra é aproximadamente esférica, com um ligeiro achatamento nos pólos. Para se
definir a altitude de um ponto sobre a Terra define-se uma esfera --- geóide --- com
um raio de 6378 km. A altitude num ponto da Terra é a distância na vertical à
superfície deste geóide. Por exemplo, a altitude média do Aeroporto de Lisboa é de
114 m, mas a altitude média da Holanda é negativa.
Existem algumas páginas na Internet com a informação relativa à latitude e longitude
de cidades:
http://www.realestate3d.com/gps/world-latlong.htm
O Sistema GPS
A infra-estrutura tecnológica associada ao sistema GPS é constituída por três subsistemas:
1- sub-sistema de satélites --- segmento aéreo.
2- sub-sistema de controlo --- segmento terrestre.
3- sub-sistema do utilizador.
1- O sub-sistema de satélites é constituído pelos 24 satélites que dão duas voltas à
Terra por dia, a uma altitude de 20200 km. As órbitas dos satélites foram escolhidas
de modo que de qualquer ponto da Terra se possam ver entre 5 e 8 satélites. No
entanto, para calcular com precisão a nossa posição na Terra basta apenas receber em
boas condições o sinal de quatro destes satélites. Cada satélite da constelação GPS
tem um relógio atómico e a informação sobre a hora local de cada satélite é difundida
em várias frequências através de sinais de rádio. Esta informação é suficiente para
calcular a posição do ponto de recepção.
2- O sub-sistema de controlo é constituído por várias estações terrestres. Nestas
estações terrestres são observadas as trajectórias dos vários satélites GPS e é
actualizado com grande precisão o tempo. Esta informação é transmitida aos satélites.
Com estes dados, o sistema informático em cada um dos satélites recalcula e corrige a
sua posição absoluta e corrige a informação que é enviada para a Terra. A estação
primária de controlo da constelação GPS está localizada nos Estados Unidos, no
estado do Colorado.
3- O sub-sistema do utilizador é constituído por um receptor de rádio com uma
unidade de processamento capaz de descodificar em tempo real a informação enviada
por cada satélite e calcular a posição. Cada satélite envia sinais de características
diferentes em intervalos de 30 em 30 segundos e de 6 em 6 segundos. Para haver uma
determinação precisa da posição são necessários pelo menos 12 minutos e 30
segundos de boa recepção dos vários tipos de sinais enviados. Na informação enviada
pelos satélites estão envolvidas técnicas matemáticas que permitem recuperar a
informação perdida na transmissão devido a más condições atmosféricas e
ionosféricas (60-400 km). Mesmo assim, nos períodos de grande actividade solar a
maior parte da informação enviada pelos satélites perde-se não sendo fiável a
informação processada pelos receptores do sinal GPS.
De acordo com o tipo de utilizador (civil ou militar) os sinais dos vários satélites
podem ser descodificados de acordo com o fim em vista. Existem essencialmente dois
modos de descodificação do sinal GPS. O modo Preciso (militar) e o modo Standard
(civil): A precisão destes dois modos de posicionamento é a seguinte:
Modo Preciso:
Precisão na latitude e longitude: 22 m*
Precisão na altitude: 27.7 m
Precisão no tempo: 200 nanosegundos
Modo Standard:
Precisão na latitude e longitude: 100 m
Precisão na altitude: 156 m
Precisão no tempo: 340 nanosegundos
* 2 m desde 2000; 1cm em modo
diferencial.
O GPS pode ainda funcionar em modo diferencial, sistema DGPS. Neste caso, o sinal
de GPS é armazenado em computador e processado posteriormente com dados
cruzados pedidos às estações de controlo fixas (segmento fixo). Com este processo,
eliminam-se erros sistemáticos e a precisão do GPS pode chegar a ser da ordem de 1
metro. Isto é particularmente útil em trabalhos de cartografia em que as coordenadas
espaciais são fixas no tempo.
Existe uma vasta literatura na Internet sobre os detalhes técnicos do sistema GPS. Os
mais importantes são:
http://www.colorado.edu/geography/gcraft/notes/gps/gps_f.html
http://www.trimble.com/gps/
http://www.gpsworld.com/gpsworld/
http://realestate3d.com/gps/
http://en.wikipedia.org/wiki/Main_Page
Rui Dilão
Grupo de Dinâmica Não-Linear, IST