conceitos básicos sobre posicionamento por satélites artificiais

Metodologia de Pesquisa Cientí
Científica
CONCEITOS BÁSICOS SOBRE
POSICIONAMENTO POR SATÉLITES
ARTIFICIAIS
XIV CURSO DE USO ESCOLAR DE
SENSORIAMENTO REMOTO NO ESTUDO DO
MEIO AMBIENTE
Julio Cesar de Oliveira
Julho 2011
ONDE ESTOU??
Fonte: Google Earth
2
SUMÁ
SUMÁRIO
1 – O que é GPS
2 – Aplicaç
Aplicações do GPS
3 – Classificaç
Classificação dos receptores
4 – Divisão do sistema GPS
5 – Princí
Princípio de funcionamento
6 – Tipos de posicionamento
7 – Fontes de erros no sistema GPS
8 – Prá
Prática/Conhecendo o receptor
3
O QUE É GPS?
GPS – Global Positioning System (Sistema de Posicionamento Global)
Desenvolvido em 1973 pelo Departamento de Defesa (DoD)
DoD) dos E.U.A.
Sistema de radionavegaç
radionavegação – determina a posiç
posição bi ou tridimensional,
de um ponto qualquer sobre a superfí
superfície terrestre ou bem pró
próxima a ela
(Monico,
Monico, 2000).
Pode ser usado 24h por dia em quaisquer condiç
condições do tempo.
Em decorrência Æ velocidade,
velocidade, distâncias e direç
direções entre pontos e
áreas.
reas.
Atualmente é aberto a qualquer usuá
usuário civil.
4
COBERTURA
24 HORAS
Transmissões
contínuas
COBERTURA
GLOBAL
QUALQUER
TEMPO
Cobertura completa
desde abril de 1995
atenuação
mínima
5
APLICAÇ
APLICAÇÕES DO GPS
Aviaç
Aviação:
ão: civil e militar
Navegaç
Navegação:
ão: marí
marítima e comercial
Esportes:
Esportes: rally, balonismo,
balonismo, corrida de aventura,
aventura, etc.
Definiç
Definição de rotas (carros)
carros)
Rastreamento de frotas,
frotas, veí
veículos e animais.
animais.
Agricultura de precisão
Geodinâmica – movimento da crosta terrestre
Topografia – definiç
definição de limites,
limites, áreas,
reas, coord.,
coord., etc.
Coleta de dados para Sistema de Informaç
Informação Geográ
Geográfica
E muitas outras…
outras…
6
CLASSIFICAÇ
CLASSIFICAÇÃO DOS RECEPTORES GPS
Existem várias classificaç
classificações,
ões, mas a classificaç
classificação em funç
função da aplicaç
aplicação a
qual se objetiva é a mais importante (Monico,
Monico, 2000):
NAVEGAÇ
NAVEGAÇÃO – Receptores de mão,
mão, determinaç
determinação rápida de coord.
coord.
Precisão de ~ 10 - 30m
Utilizados para navegaç
navegação,
ão, esportes,
esportes, atividades de lazer,
lazer, levantamentos
aproximados,
aproximados, etc.
Etrex Vista CX
Etrex H
GPSMAP 60CX
Garmim 12, 12XL
GPS II, III e plus
Garmim Edge605 7
CLASSIFICAÇ
CLASSIFICAÇÃO DOS RECEPTORES GPS
TOPOGRÁ
TOPOGRÁFICOS – Posicionamento topográ
topográfico
Permitem pós-processamento e posicionamento relativo
Precisão da ordem de 1cm
GTR-A
Trimble Pro XR
Promark 2
Leica SR20
GEODÉ
GEODÉSICOS – Posicionamento geodé
geodésico
Permitem pós-processamento e posicionamento relativo
Alta precisão Æ alguns mm
Z-Xtreme
Topcon Hiper
Sokkia Stratus
Trimble 4600 LS
8
DIVISÃO DO SISTEMA GPS
Dividido em 3 segmentos:
segmentos: Espacial,
Espacial, Controle e Usuá
Usuários
SEGMENTO ESPACIAL
Constituí
Constituído por 24 saté
satélites em 6 órbitas (4 saté
satélites em cada)
cada)
Altitude aproximada de 20.200km
Mínimo 4 saté
satélites visí
visíveis em qualquer local da Terra em qualquer hora.
Constelação do Sistema GPS
Fonte: http://www.geocities.com/CapeCanaveral/Galaxy/5256/gps_introgarm.htm
9
DIVISÃO DO SISTEMA GPS
SEGMENTO DE CONTROLE
Constituí
Constituído por 5 estaç
estações principais de controle,
controle, sendo uma central
(Colorado, E.U.A)
Estações de controle GPS
Fonte: http://www.faa.gov/about/office_org/headquarters_offices/ato/service_units/techops/navservices/gnss/gps/controlsegments/
Monitoram continuamente os saté
satélites;
lites;
Determinam e atualizam as posiç
posições orbitais;
orbitais;
Prevêem a trajetó
trajetória nas pró
próximas 24h.
10
DIVISÃO DO SISTEMA GPS
SEGMENTO DE USUÁ
USUÁRIOS
RefereRefere-se a tudo que diz respeito a comunidade usuá
usuária,
ria, civil e militar.
militar.
- Receptores;
Receptores;
- Programas de processamento;
processamento;
- Métodos e técnicas de levantamentos;
levantamentos;
11
O QUE O SISTEMA FORNECE?
Z
Coordenadas Cartesianas Geocêntricas
(X,Y e Z) Æ WGSWGS-84.
P
Y
Convertidas em Latitude (Φ
(Φ) e Longitude (λ
(λ) e
altitude (H).
X
Greenwich
Latitude
Hem. N Æ 0o a 90o
Hem. S Æ 0o a -90o
Longitude Leste GW Æ0o a 180o
Ponto P
Oeste GW Æ0o a -180o
Altitude Æ em metros (elipsó
elipsóide)
ide)
INPE/IAI Æ Lat = 23o 12’
12’ 35”
35” S
Plano
Equatorial
Long= 45o 51’
51’ 43”
43”
Alt = 624m
12
PRINCÍ
PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO
D = Vp x t
D2
D1
D3
D = Distância satélite/receptor
Vp = Velocidade propagação sinal
(~300.000 km/s)
t = lapso emissão/recepção
D4
Adaptado de Freiberger Junior (2002)
Posicionamento Bidimensional Æ mínimo 3 saté
satélites;
lites;
Posicionamento Tridimensional Æ mínino 4 saté
satélites;
lites;
Exige o conhecimento da posiç
posição exata de cada saté
satélite;
lite;
13
PRINCÍ
PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO
?
?
1 medida
4 Pseudo distâncias
?
2 medidas
3 medidas
Latitude
longitude
altitude
Erros dos relógios (dT)
4 incógnitas
Precisão do Relógio:
dT = 1 µs
0,000001s
300 m
PRINCÍ
PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO
É
necessário
levar em conta os
desvios
dos
relógios
para
determinar uma
posição precisa
Série Corrigida
Série NÂO
Corrigida
DADOS TRANSMITIDOS
Cada saté
satélite transmite 2 sinais distintos:
distintos:
L1 Æ f = 1575,42Mhz, λ = 19,04cm
L2 Æ f = 1227,60Mhz, λ = 24,44cm
Transmitem os dados de navegaç
navegação Æ
posiç
posição dos saté
satélites (efemé
efemérides),
rides), tempo
de transmiç
transmição do sinal,
sinal, identificaç
identificação do saté
satélite,
lite, etc.
Permitem posicionamento mais preciso Æ utilizaç
utilização da fase.
Modulados sobre:
sobre:
L1: Código C/A – Serviç
Serviço de posicionamento padrão – usuá
usuários civis
Menor precisão Æ 10 – 30m.
L1 e L2: Código P – Restrito a usuá
usuários autorizados pelo E.U.A –
Maior precisão Æ 3 – 15m.
16
TIPOS DE POSICIONAMENTO
POSICIONAMENTO ABSOLUTO
Uso de apenas 1 receptor
Obtenç
Obtenção das coordenadas em tempo real (geralmente
(geralmente sem
processamento)
processamento)
Utiliza o código C/A – menor precisão
Precisão H/V = 10 – 30m
POSICIONAMENTO RELATIVO
Uso de um receptor base – coordenadas conhecidas
Pós-processado
Utiliza o código C/A e portadoras L1 e L2
Maior precisão – pode ser ~1mm
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AVALIAÇ
AVALIAÇÃO DO POSICIONAMENTO ABSOLUTO
Avaliado por meio do DOP (Dilution
(Dilution of Precision)
Precision) – Auxilia na indicaç
indicação da
precisão dos resultados e no planejamento das observaç
observações - depende de:
UERE (User
(User Equivalent Range Error)
Error) – Erro Equivalente do Usuá
Usuário
Efeito de todos os erros que afetam a determinaç
determinação da distância saté
satélite/receptor
lite/receptor
GEOMETRIA DA CONSTELAÇ
CONSTELAÇÃO:
RUIM
FONTE:
Albuquerque e Santos (2005)
DOP < 5 Æ BOM
DOP > 8 Æ Não deve ser utilizado
BOA
OBS:
OBS: receptores navegaç
navegação
EPE – Erro estimado da posiç
)
posição (m18
FONTES DE ERRO NO SISTEMA GPS
™
Fontes:
Fontes: saté
satélites,
lites, propagaç
propagação do sinal,
sinal, receptor/antena
receptor/antena e estaç
estação
™
SATÉ
SATÉLITES
Órbita Æ f (coordenadas
(coordenadas do saté
satélite)
lite)
Reló
Relógio Æ f (estabilidade
(estabilidade dos reló
relógios)
gios)
Relatividade Æ f (campo gravitacional e velocidade diferentes)
diferentes)
CORREÇ
CORREÇÃO Æ Uso de efemé
efemérides precisas e posicionamento relativo
19
FONTES DE ERRO NO SISTEMA GPS
™
PROPAGAÇ
PROPAGAÇÃO DO SINAL
Refraç
ção de densidade dos
Refrações Troposfé
Troposférica e Ionosfé
Ionosférica Æ f (varia
(variaç
meios em que o sinal propaga - atmosfera).
atmosfera).
Perdas de Ciclo – perda do sinal GPS Æ f (obstru
ção do sinal)
(obstruç
sinal)
Evitar construç
construções,
ões, pontes, árvores,
rvores, etc.
Multicaminhamento Æ f (reflexão
(reflexão do sinal em superfí
superfícies vizinhas)
vizinhas)
Sinal emitido pelo satélite
Sinal emitido pelo satélite
Utilizar a antena distante de superfícies
Sinal refletido
que possam refletir o sinal
Ex: casas, torres, carros, muros, etc.
20
RESUMINDO OS ERROS
Erro do reló
relógio do saté
satélite Æ 60 cm
Erro de efemé
efemérides Æ 60 cm
Erro dos receptores Æ 120 cm
Erro atmosfé
atmosférico (Ionosfera/Troposfera)
Ionosfera/Troposfera) Æ 360 cm
TOTAL = 390 cm (raiz quadrada da soma dos quadrados)
Para calcular o erro médio verdadeiro do sistema:
sistema:
MultiplicaMultiplica-se o erro “total”
total” pelo valor EPE fornecido pelo receptor
EPE x 3,9m = Erro médio verdadeiro
21
PRECISÃO ESPACIAL
Fonte : http://users.erols.com/dlwilson/gpsacc.htm
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MELHORANDO A PRECISÃO ESPACIAL
23
PRECISÃO ALTIMÉ
ALTIMÉTRICA
24
PRÁ
PRÁTICA
Imagem alta resolução
INPE
Identificação de pontos
Seguir rota
25
FUNÇ
FUNÇÕES DO TECLADO DOS RECEPTORES
POWER – liga/desliga e
Garmim 12 XL
GPS II, III
iluminaç
iluminação da tela
GOTO – ativa janela de waypoints.
waypoints.
Seleciona waypoints de
destino.
destino.
PAGE–
PAGE– transita em sequencia
pelas páginas principais.
principais.
Waypoints – ptos para navegaç
navegação.
ão.
Pré
Pré-determinados ou inseridos
MARK–
MARK– marca a posiç
posição atual.
atual.
Captura de waypoints.
QUIT – retorna a tela a
uma página anterior
Controla movimento do
cursor
ENTER–
ENTER– confirma entrada de
dados. Ativa campos em
destaque.
destaque.
26
PÁGINAS DE INFORMAÇ
INFORMAÇÕES PRIMÁ
PRIMÁRIAS
SEQUÊNCIA DE PÁ
PÁGINAS
PAGE
SATÉLITES
POSIÇÃO
MAPA
NAVEGAÇÃO
QUIT
27
PÁGINAS DE INFORMAÇ
INFORMAÇÕES PRIMÁ
PRIMÁRIAS
PÁGINA DE SATÉ
SATÉLITES – Monitoramento dos saté
satélites disponí
disponíveis
CAMPO DE STATUS:
“2D NAV”
NAV” ou “3D NAV”
NAV”
INDICADOR DE
PILHA
PRECISÃO
HORIZONTAL (ft ou m)
VISÃO ESPACIAL–
ESPACIAL– posiç
posição e
disponibilidade de saté
satélites
19
18
15
BARRA INTENSIDADE
DO SINAL
28
PÁGINAS DE INFORMAÇ
INFORMAÇÕES PRIMÁ
PRIMÁRIAS
PÁGINA DE POSIÇ
POSIÇÃO – Informaç
Informações básicas sobre a posiç
posição.
ão. Útil quando
não se tem um waypoint de destino.
destino.
INDICADOR GRÁ
GRÁFICO
DE DIREÇ
DIREÇÃO
VELOCIDADE DE
DESLOCAMENTO
ALTITUDE DA
POSIÇ
POSIÇÃO
DIREÇ
DIREÇÃO (Azimute
(Azimute))
SEGUIDA
POSIÇ
POSIÇÃO:
ODÔMETRO – Distância
Latitude e Longitude
total percorrida desde a última
inicializaç
inicialização.
ão.
RELÓ
RELÓGIO
29
PÁGINAS DE INFORMAÇ
INFORMAÇÕES PRIMÁ
PRIMÁRIAS
PÁGINA DE NAVEGAÇ
Orientações de navegaç
navegação,
ão, busca de waypoints
NAVEGAÇÃO – Orientaç
Azimute ao
waypoint
Bússola
grá
gráfica
Waypoint de
destino
Distância ao
waypoint
–
Direç
Direção que o destino
se encontra em relaç
relação
a direç
direção seguida
Velocidade de
deslocamento
Azimute seguido
ETE – Tempo estimado que resta
para atingir o destino, com base no
azimute e velocidade atuais.
30
PÁGINAS DE INFORMAÇ
INFORMAÇÕES PRIMÁ
PRIMÁRIAS
PÁGINA DE MAPA – Posiç
Posição atual do usuá
usuário e vizinhanç
vizinhança.
Campo de zoom
e PAN
Distância ao
waypoint
Azimute ao
waypoint
Posiç
Posição atual
do usuá
usuário
Azimute seguido
Velocidade de
deslocamento
31
REFERÊNCIAS
ALBUQUERQUE, P. C. G.; SANTOS, C. C. GPS para iniciantes.
iniciantes. Mini curso XII SBSR. Goiânia,
Goiânia, 1616-21
abril.
abril. São José
José dos Campos: INPE. 2005. Disponí
Disponível em:
em: <http://mtchttp://mtcm12.sid.inpe.br/col/sid.inpe.br/jeferson/2003/06.02.09.16/doc/ publicacao.pdf>.
publicacao.pdf>. Acesso em:
em: 30 de junho 2008.
BERNARDI, J.V.E. & LANDIM, P.M.B. Aplicaç
Aplicação do Sistema de Posicionamento Global (GPS) na
coleta de dados.
dados. DGA,IGCE,UNESP/Rio Claro, Lab. Geomatemá
Geomatemática,Texto Didá
Didático 10, 31 pp. 2002.
Disponí
>. Acesso em:
Disponível em <http://www.rc.unesp.br/igce/aplicada/textodi.html
<http://www.rc.unesp.br/igce/aplicada/textodi.html>.
em: 25 de junho 2008.
FREIBERGER JUNIOR, J. Aná
Análise da degradaç
degradação do posicionamento em tempo real com o emprego
do GNRT.
GNRT. 2002. 130p. Dissertaç
Dissertação (Mestrado em Ciências Geodé
Geodésicas).
sicas). Universidade Federal do
Paraná
Paraná. Curitiba. 2002.
MONICO, J. F. G. Posicionamento pelo GNSS: descriç
descrição,
ão, fundamentos e aplicaç
aplicações.
ões. São Paulo: ed.
UNESP. 2008. 480p.
32
Metodologia de Pesquisa Cientí
Científica
OBRIGADO!