O que é o GPS ?

O GPS, ou Global Positioning System (Sistema de Posicionamento Global), foi criado pelo Departamento de Defesa dos Estados Unidos e tem como função básica identificar a localização de um receptor que capte os sinais emitidos por seus satélites na superfície terrestre.

O processo de identificação de um ponto receptor a partir de sinais de satélite é o que caracteriza o GPS. O receptor capta os sinais de quatro satélites para determinar as suas próprias coordenadas, e ainda o tempo. Depois, calcula a distância entre os quatro satélites pelo intervalo de tempo entre o instante local e o instante em que os sinais foram enviados.

Decodificando as localizações dos satélites a partir dos sinais de ondas específicas e de uma base de dados interna, a partir da velocidade de propagação do sinal, o receptor pode situar-se na intersecção desses dados, permitindo identificar exatamente onde o aparelho se encontra na Terra.

O GPS tem três componentes: a espacial, a de controlo e a do utilizador.
A componente espacial é constituída por uma constelação de 24 satélites em órbita terrestre aproximadamente a 20200 km com um período de 12h siderais e distribuídos por 6 planos orbitais. Estes planos estão separados entre si por cerca de 60º em longitude e têm inclinações próximas dos 55º em relação ao plano equatorial terrestre. Foi concebida por forma a que existam no mínimo 4 satélites visíveis acima do horizonte em qualquer ponto da superfície e em qualquer altura.A componente de controle é constituída por 5 estações de rastreio distribuídas ao longo do globo e uma estação de controlo principal (MCS- Master Control Station). Esta componente rastreia os satélites, actualiza as suas posições orbitais e calibra e sincroniza os seus relógios. Outra função importante é determinar as órbitas de cada satélite e prever a sua trajectória nas 24h seguintes. Esta informação é enviada para cada satélite para depois ser transmitida por este, informando o receptor do local onde é possível encontrar o satélite.
A componente do usuário inclui todos aqueles que usam um receptor GPS para receber e converter o sinal GPS em posição, velocidade e tempo. Inclui ainda todos elementos necessários neste processo como as antenas e software de processamentoCOMO FUNCIONA?
Os fundamentos básicos do GPS baseiam-se na determinação da distância entre um ponto, o receptor, a outros de referência, os satélites. Sabendo a distância que nos separa de 3 pontos podemos determinar a nossa posição relativa a esses mesmos 3 pontos através da intersecção de 3 circunferências cujos raios são as distancias medidas entre o receptor e os satélites. Na realidade são necessários no mínimo 4 satélites para determinar a nossa posição correctamente, mas deixemos isso para depois.Cada satélite transmite um sinal que é recebido pelo receptor, este por sua vez mede o tempo que os sinais demoram a chegar até ele. Multiplicando o tempo medido pela velocidade do sinal (a velocidade da luz), obtemos a distância receptor-satélite, (Distancia= Velocidade x Tempo).
No entanto o posicionamento com auxilio de satélites não é assim tão simples. Obter a medição precisa da distância não é tarefa fácil.
A distância pode ser determinada através dos códigos modulados na onda enviada pelo satélite (códigos C/A e P), ou pela integração da fase de batimento da onda portadora.Esses códigos são tão complicados que mais parecem ser um ruído pseudo-aleatório (PRN-Pseudo-Random Noise), mas de facto eles tem uma sequência lógica. O receptor foi preparado de modo a que somente decifre esses códigos e mais nenhum, deste modo ele está imune a interferências geradas quer por fontes radio naturais quer por fontes radio intencionais, será esta uma das razões para a complexidade dos códigos.
Como o código P está intencionalmente reservado para os utilizadores autorizados pelo governo norte americano, (forças militares norte americanas e aliados) os utilizadores "civis" só podem determinar a distancia através da sintonia do código C/A.
A distancia é determinada da seguinte forma:
O código C/A é gerado por um algoritmo pseudo-aleatório com um período de 0,001 segundos e usa o tempo dado pelos relógios atómicos de alta precisão que estão no satélite, o receptor que também contem um relógio, é usado para gerar uma replica do código C/A. O código recebido é depois correlacionado com versões ligeiramente adiantadas ou atrasadas da replica local e deste modo consegue medir o tempo que o sinal levou a chegar ao receptor.
Numa situação ideal com os relógios do satélite e do receptor perfeitamente sincronizados e a propagação do sinal a ser feita no vácuo, o tempo de voo estaria perfeitamente determinado e por conseguinte a distância medida correctamente. Geralmente esta distância denomina-se por Pseudo-distância por diferir da distância verdadeira por influencia dos erros de sincronização entre os relógios do satélite e do receptor.
O outro método de determinar a distância é medindo o numero de ciclos decorridos desde o instante em que a portadora foi emitida e o instante em que foi recebida e se medir a diferença de fase.
O comprimento de onda da portadora é muito mais curto que o comprimento do código C/A daí que a medição da fase de batimento da onda portadora permita atingir um nível de precisão muito superior à precisão obtida para a distância através da pseudo-distancia. No entanto põe-se um problema: o desconhecimento da ambiguidade de ciclo, ou seja, o nº total de ciclos completos decorridos desde que o sinal deixou o satélite até ao instante da sintonia. As ambiguidades de ciclo podem ser determinadas. Existe uma ambiguidade de ciclo por cada par receptor-satélite desde que não hajam saltos de ciclo (cycle slips), i.e., perda momentânea de sinal, neste caso uma nova ambiguidade é adicionada.
Depois deste pequeno estudo podemos concluir que o problema da dessincronização dos relógios dos satélites e dos receptores é pertinente, no entanto os idealizadores do GPS arranjaram uma forma de contornar esse problema: fazer uma medição extra para outro satélite! Para determinarmos a nossa posição tridimensional correctamente temos que resolver um sistema de 3 equações a 4 incógnitas ( X,Y,Z e o tempo) então o truque é adicionar uma nova medição, ou seja, uma nova equação e temos o sistema resolvido!
Utilização :

O serviço GPS é útil em praticamente todas as situações e profissões em que seja necessário obter uma localização precisa dos envolvidos. Ele é útil para trabalhos de exploração, como expedições dentro de matas ou cavernas, além de importante para praticamente todos os veículos de vôo ou navegação, permitindo aos tripulantes saberem exatamente onde se encontram no céu ou no mar.

Uma das aplicações mais exploradas para usuários comuns é a utilização do sistema em automóveis. Ele vem incluso com mapas das cidades e locais em que o motorista estiver guiando, permitindo a ele traçar percursos e rotas com facilidade.

Curiosidades

Com receio de que usuários comuns pudessem se apropriar do uso da tecnologia GPS para ataques ao governo americano, foi induzido um erro proposital no sinal dos aparelhos, impossibilitando saber exatamente onde os aparelhos estavam localizados, em um raio de 90 metros.

Porém, o presidente Bill Clinton foi pressionado a assinar uma lei determinando o fim dessa interferência no sinal do sistema. Desse modo, entende-se que não há garantias que em tempo de guerra o serviço continue à disposição de todos.

O sistema de posicionamento global, popularmente conhecido por GPS (do acrónimo/acrônimo do original inglês Global Positioning System ou do português "geo-posicionamento por satélite"), conforme o nome diz, inclui um conjunto de satélites é um sistema de informação eletrônico que fornece via rádio a um aparelho receptor móvel a posição do mesmo com referencia as coordenadas terrestres, esse sistema que por vezes é impropriamente designado de sistema de navegação não substitui integralmente ao sistema de navegação astronômica, mas apenas informa as coordenadas do receptor e não o rumo indispensável navegação estimada faltando solicitar o recurso de um simulador integrado ao receptor. Existem atualmente dois sistemas efetivos de posicionamento por satélite; o GPS americano e o Glonass russo; também existem mais dois sistemas em implantação; o Galileo europeu e o Compass chinês e isso se faz necessário universalmente, porque o sistema americano é controlado pelo departamento de defesa dos Estados Unidos da America ,Dod , para uso exclusivo militar e, embora atualmente, encontre-se aberto para uso e civil gratuito, poucas garantias temos que em tempo de guerra continue emitindo sinais o que resultara num serio risco a navegação. O Dod , fornece dois tipos de serviços GPS: Standard e Precision.

Mais de 50 satélites como este NAVSTAR já foram lançados desde 1979.

O sistema está dividido em três partes: espacial, de controlo e utilizador. O segmento espacial é composto pela constelação de satélites. O segmento de controlo é formado pelas estações terrestres dispersas pelo mundo ao longo da Zona Equatorial, responsáveis pela monitorização das órbitas dos satélites, sincronização dos relógios atomicos de bordo dos satélites e actualização dos dados de almanaque que os satélites transmitem. O segmento do utilizador consiste num receptor que capta os sinais emitidos pelos satélites. Um receptor GPS (GPSR) descodifica as transmissões do sinal de código e fase de múltiplos satélites e calcula a sua posição com base nas distâncias a estes. A posição é dada por latitude , longitude e altitude, coordenadas geodésicas referentes ao sistema WGS84.
Descrições Técnicas :

O sistema foi declarado totalmente operacional apenas em 1995. Seu desenvolvimento custou 10 bilhões de dólares. Consiste numa constelação de 28 satélites sendo 4 sobressalentes em 6 planos orbitais. Os satélites GPS, construídos pela empresa Rockwell, foram lançados entre Fevereiro de 1978 (Bloco I), e 6 de novembrode 2004 (o 29º). Cada um circunda a Terra duas vezes por dia a uma altitude de 20200 quilómetros (12600 milhas) e a uma velocidade de 11265 quilómetros por hora (7000 milhas por hora). Os satélites têm a bordo relógios atomicos e constantemente difundem o tempo preciso de acordo com o seu próprio relógio, junto com informação adicional como os elementos orbitais de movimento, tal como determinado por um conjunto de estações de observação terrestres.

Medição com um GPS

O receptor não necessita de ter um relógio de tão grande precisão, mas sim de um suficientemente estável. O receptor capta os sinais de quatro satélites para determinar as suas próprias coordenadas, e ainda o tempo. Então, o receptor calcula a distância a cada um dos quatro satélites pelo intervalo de tempo entre o instante local e o instante em que os sinais foram enviados (esta distância é chamada pseudodistância). Descodificando as localizações dos satélites a partir dos sinais de microondas (tipo de onda electromagnética) e de uma base de dados interna, e sabendo a velocidade de propagação do sinal, o receptor, pode situar-se na intersecção de quatro calótes uma para cada satélite.

Até meados de 2000 o departamento de defesa dos EUA impunha a chamada "disponibilidade selectiva", que consistia em um erro induzido ao sinal impossibilitando que aparelhos de uso civil operassem com precisão inferior a 90 metros.

Porém, o presidente Bill Clinton foi pressionado a assinar uma lei determinando o fim dessa interferência no sinal do sistema , desse modo entende-se que não há garantias que em tempo de guerra o serviço continue a disposição ou com a atual precisão.

No cenário militar, o GPS é também usado para o direcionamento de diversos tipos de armamentos de precisão, como as bombas JDAM (Joint Direct Attack Munition) e os famosos mísseis Tomahawk. Estas bombas "inteligentes" são guiadas a seus alvos por um sistema inercial em conjunto com um GPS. Este tipo de sistema de guiamento pode ser usado em qualquer condição climática e garante um alto índice de acertos.

Aplicações :

Foto : Coordenadas com um GPS com bússola e altímetro integrado integrado.

Além de sua aplicação óbvia na aviação geral e comercial e na navegação marítima , qualquer pessoa que queira saber a sua posição, encontrar o seu caminho para determinado local (ou de volta ao ponto de partida), conhecer a velocidade e direção do seu deslocamento pode-se beneficiar com o sistema. Atualmente o sistema está sendo muito difundido em automóveis com sistema de navegação de mapas, que possibilita uma visão geral da área que você está percorrendo.

A comunidade científica utiliza-o pelo seu relógio altamente preciso. Durante experiências científicas de recolha de dados, pode-se regist(r)ar com precisão de micro-segundos (0,000001 segundo ) quando a amostra foi obtida. Naturalmente a localização do ponto onde a amostra foi recolhida também pode ser importante. Agrimensores diminuem custos e obtêm levantamentos precisos mais rapidamente com o GPS. Unidades específicas têm custo aproximado de 3.000 dórales e precisão de 1 metro , mas existem receptores mais caros com precisão de 1 centímetro. A recolha de dados por estes receptores é mais lenta.

Exemplo de um receptor GPS com mapas, instalado em um carro.

Guardas florestais, trabalhos de prospecção e exploração de recursos naturais, geólogos, arqueólogos, bombeiros, são enormemente beneficiados pela tecnologia do sistema. O GPS tem-se tornado cada vez mais popular entre ciclistas , balonistas , pescadores, ecoturistas, geocachers, vôo livre ou por aventureiros que queiram apenas orientação durante as suas viagens. Com a popularização do GPS, um novo conceito surgiu na agricultura: a agricultura de precisão. Uma máquina agrícola dotada de receptor GPS armazena dados relativos à produtividade em um dispositivo de memória que, tratados por programa específico, produz um mapa de produtividade da lavoura. As informações permitem também o(p)timizar a aplicação de corre(c)tivos e fertilizantes.

Tipos de Receptores :

Comparação entre a duração da órbita de um satélite e o período de rotação da Terra

Existem diferentes receptores GPS, desde diversas marcas que comercializam soluções "tudo-em-um", até os externos que são ligados por cabo ou ainda por bluetooh . Geralmente categorizados em termos de demandas de uso em Geodésicos, Topográficos e de Navegação. A diferenciação entre essas categorias, que a princípio pode parecer meramente de preço de aquisição é principalmente devido à precisão alcançada, ou seja a razão da igualdade entre o dado real do posicionamento, e o oferecido pelo equipamento. Sendo os mais acurados, com valores na casa dos milímetros, os receptores Geodésicos são capazes de captar as duas frequências emitidas pelos satélites (L1 e L2), possibilitando assim a eliminação dos efeitos da refracção ionosférica. Os topográficos, que tem características de trabalho semelhantes à categoria anterior, porém somente captam a portadora L1, também possuem elevada precisão, geralmente na casa dos centímetros. Ambas as categorias tem aplicações técnicas, e características próprias como o pós-processamento, o que significa que geralmente não informam o posicionamento instantaneamente (excepto os modelos RTK).

No caso da categoria de maior uso, a de navegação, embora possua menor precisão de posicionamento, tem inúmeras vantagens como o baixo preço de aquisição e inúmeras aplicações, onde vê-se uma infinidade de modelos, tanto aqueles que integram diversos equipamentos como computadores de mão, celulares, relógios, etc., como aqueles dedicados exclusivamente ao posicionamento GPS, onde também encontramos aplicações para uso do dado de posicionamento em outros equipamentos como notebooks, rastreadores de veículos, etc.

Actualmente com a convergência de dispositivos, existem muita variedade de pocket Pcs com GPS interno. Estes têm a vantagem de se poder escolher o software que se pretende utilizar com eles.
O que ter em conta ao escolher um receptor?

• Número de canais que o receptor utiliza.
• Mapas disponíveis (caso se aplique).
• Luminosidade do(a) ecrã/tela (caso se aplique).
• Autonomia.
• Robustez.
• Tempo de duração das baterias(caso se aplique).

Porque o que conta acima de tudo é a recepção de sinal, conta muito o número de canais que o GPS usa para adquirir o sinal. Actualmente existem receptores com chip SIRF III que usam 20 canais.

Futuro - Gps - Modernização :

• Dia 24 de março 2009 foi lançado o primeiro satélite GPS equipado com uma amostra de hardware funcionando em frequência L5

Entre outras novidades, este satélite será o primeiro a emitir o sinal GPS numa frequência de 1176.45 MHz (±12 MHz).

• Melhora a estrutura do sinal para melhor desempenho.
• Transmissão superior ao do L1 e L2 sinal.

A data limite para que a força aérea americana coloque um satélite GPS de forma operacional em na frequência L5 é 26 de agosto de 2009. Caso esta data seja ultrapassado, o governo dos Estados Unidos perderão o direito de empregar tal frequência em seus projetos militares/civis.

L1C é um sinal de uso civil, para ser transmitido na mesma frequência L1 (1575,42 MHz), que atualmente contém a C/ Um sinal GPS utilizados por todos os atuais usuários. O L1C estará disponível com o primeiro bloco III lançamento previsto para 2013.

Curiosidades :

• Cada satéite GPS transmite dois sinais de rádio, sendo um para uso civil, divididos em código C/A, que é utilizado nos GPS de navegação e para posicionamento global, de frotas, etc.(menos preciso), e fase da portadora, no qual subdivide-se em L1 e L2, no qual é possível alcançar e obter valores de coordenadas mais precisos de todos, porém, é através de pós-processamento (pode-se chegar a precisões e acurácias centimétricas, é utilizado em trabalhos de cartografia e levantamentos topográficos e geodésicos). E outro mais preciso que o C/A para a obtenção de coordenadas instantâneas, chamado de código P, sendo esse último com um código secreto usado somente pelos militares americanos, no qual a precisão é centimétrica.

• Atualmente há dois países onde o aparelhos receptores de GPS são proibidos, a Coreia do norte e a Síria. O Egipto suspendeu a proibição em Abril de 2009.