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GPS (Global Positioning System)
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. 3
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 6
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). 14
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. 16
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Coordenadas Geográficas
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.
Varia entre:
0 a 90º N ou 0 a 90º S.
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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).
Varia entre:
0 a 180º E ou 0 a 180º W.
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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, 10-9 ns) 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. 21
Relógios Mecânicos:
Podem resultar do movimento de um pêndulo, do desenrolamento de uma 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);
- Mapeação, criando mapas mais rigorosos;
- Gestão de trafego e deteção de situações de emergência;
- Segurança de veículos (transporte de mercadorias)
Recebe os sinais emitidos por quatro satélites e faz o processamento de 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.