Topografia
APLICAÇÃO DO SISTEMA DE POSICIONAMENTO GLOBAL (GPS) NA COLETA DE DADOS JOSE 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/Ri0 Claro UNESP/campus de Rio Claro Departamento de Geologia Aplicada – IGCE — Laboratório de Geomatemática — Texto Didático 10 2002 to next;Ege Reprodução autoriza 5023-2000/ABNT ( h & LANDIM, P. M. B. AP Global (GPS) na colet nte Norma ERNARDI, J. . E. sicionamento ESP/Rio Claro, Lab. Geomatemática,Texto Did tico 10, 31 pp. 2002. Disponível em
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 fo’ 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 2 J. V. E. Bernardi e P. M. B. Landim existam pelo menos quatro satélites acima do plano horizontal do observador (BLITZKOW, 1995). Desde o lançamento dos primeiros receptores GPS no mercado, tem havido um crescente número de aplicações nos levantamentos topográficos, cartográficos e de navegação, face às vantagens oferecidas pelo sistema quanto à preclsão, rapidez, versatilidade e economia.
Com o desenvolvimento da navegação espacial adjunto ao surgimento do Sistema de Posicionamento Global (GPS), vem se observando um grande interesse científico na criação de bancos de dados georreferenciados com extrema recisão, pois o sistema é uma grande ferramenta para estudos geodésicos, devido a sua precisão, além de permitir em tempo real o posicionamento em 3D.
Figura 2- Número de satélites necessário para o posicionamento 30 Este sistema espacial de navegação, que continua sendo desenvolvido pelo Departamento de Defesa dos E-IJA (DoD), pode ser usado em quaisquer c orológicas satisfazendo PAGF 30 meteorológicas satisfazendo as necessidades das forças militares, de modo a determinar, conforme já mencionado, a posição, velocidade e tempo em relação a um sistema de referência efinido para qualquer ponto da Terra.
Esse sistema, entretanto, possui restrições para o uso civil, o que explica a degradação da qualidade dos sinais provocada pelo Departamento de Defesa dos EUA (MONICO, 2000). Para o uso civil, os serviços disponíveis são chamados Standard Positioning Sepu’ice (SPS). Ainda para uso civil existe o serviço, com restrição, denominado Precise Positioning Service (PPS). A precisão do posicionamento de pontos depende do tipo de 3 Aplicação do Sistema de posicionamento Global (GPS) na Coleta 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 nÁ/el 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 ão 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 Ilmltantes do p 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 clvil o Selective Availability (SA). O AS é um processo de criptografia do código P, um dos ódigos utilizados no GPS para realizar medidas de distância, visando protegêlo de imitações por usuários nao autorizados. O SA é capaz de diminuir a acurácia por meio da manipulação das mensagens de navegação (técnica épsilon/E) e da freqüência dos relógios dos satélites (técnica dithe/6).
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 LI e L 2. Atualmente a precisão dos GPS geodésicos que trabalham com as duas portadoras é da ordem de 1 mm na horizontal e de Smm 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). 4 J. v. E. Bernardi e P. M. B. Landim 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. 00 Km, distribuídos em seis planos orbitais com uma inclinação de 550 em rela ao ao equador, e c 0 distribuídos em seis planos orbitais com uma inclinação de 550 em relação ao equador, e com um periodo 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 Bloco de 24 (+4) satélites 6 Planos Orbitais Altitude Média de 20. 200 km Inclinação Orbital de 55a (Equador) Período de 11h57’58. 3″ (tempo sideral) Figura 4- Planos orbitais dos atélites da constelação GPS Essa configuração garante que, no mínimo, quatro satélites GPS sejam visíveis em qualquer local da superfície terrestre ou acima dela, a qualquer hora do dia (MONICO, 2000).
O projeto NAVSTAR-GPS em sua concepç¿o original possui quatro blocos de satélites denominados Bloco l, II, ‘IA, ‘IR e IIE Os satélites do Bloco I foram desativados em 1995, e os satélites dos Blocos II e IIA, são compostos por 28 satélites, os quais se referem, respectivamente, a primeira e segunda geraçao de satélites GPS (MONICO, 2000). com relaçao aos satélites do Bloco IIA, estes têm comunicação recíproca uma maior capacidade de armazenamento de dados de navegação.
Estes satélites já estão sendo substituídos pelos do Bloco IIR, que pertencem à terceira geração de satélites, cujas características principais, que os diferem dos Blocos anteriores, é que são capazes de medlr distâncias entre eles e ainda calcular as efemérides no próprio satélite, transmitindo essas informações entre os satélites e para o sistema de controle em Terra (SEEBER, 1993). Uma quarta geração irá subst PAGF s 0 1993).
Uma quarta geração irá substituir os satélites do Bloco IIR. Estes 6 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 frequência altamente estáveis, oriundos de osciladores atômicos de césio e rubídio e os do Bloco IIF poderão carregar osciladores Maser de hidrogénio, considerados até o momento os melhores osciladores (MONICO, 2000).
As fotos abaixo mostram os satélites dos blocos l, II, IIA e IIR. Bloco Bloco II e IIA Bloco IIR 7 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 À— 19 cm (LI) e 1227,60 Mhz e comprimento de onda À 24 cm (L2). Modulados em fase portadoras, sendo os códigos +1 e -1, emitidos a freqüências de 1,023 Mhz (código CIA) 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 ain sendo gerado, entretanto PAGF 6 30 Comprimento de onda LI —À—19 cm *154 Frequência fundamental 10,23 MHz *120 CIA e Figura 5- Esquema e características dos Sinais GPS As pseudodistâncias bem como as fases de ondas portadoras ou iferenças de fase medidas pelos sinais emitidos dos satélites são consideradas as observáveis básicas do GPS (SEEBER, 1993). ? através das observáveis que os receptores GPS 8 J. V. E. Bernardi e P. M. B. Landim convertem em posicionamento, velocidade e tempo estes sinais eletromagnéticos oriundos dos satélites. O segmento de controle (Figura 6) tem como pnncpais tarefas monitorar e controlar continuamente o sistema de satélites, determinar o tempo GPS, calcular as correções dos relógios dos satélites, predizer as efemérides dos satélites e atualizar periodicamente as mensagens de navegação de cada satélite.
Esse sistema é composto por cinco estações de monitoramento mundial que estão localizadas nos seguintes locais: Hawai (EUA), Atol Kwajalein (Oceano Pacifico Norte), Ilha de Ascension (Oceano Atlântico Sul), Ilha de Diego Garcia (Oceano Indico Sul) e Colorado Springs (EUA); três delas com antenas para transmitir os dados para os satélites (Ilha Ascension, Ilha de Diego Garcia e Atol de Kwajalein); e uma estação de controle central (Master Control Station) localizada em Colorado Springs. Figura 6- Estações de Controle e Monitoramento GPS Estas cinco estações de monitoramen à American Air Force.
Em PAGF 7 0 s estações monitoras GPS do DOD. Estas estações são equipadas com receptores de dupla frequência, múltiplos canais e com relógios atômicos. O Serviço Internacional de Geodinâmica (IGS), hoje g 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 asslrn atender à maioria das aplicações que exijam alta precisão.
O GPS é um sistema multipropósitos, que permite aos usuários determinar suas osições expressa em latitude, longitude e altura geométrica ou elipsoidal em função das coordenadas cartesianas X, Y e Z em relaçao ao centro de massa da -rerra (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, nde os receptores GPS foram usados para o deslocamento de tropas e na navegação de mísseis até o alvo inimigo. 10 j. V. E. Bernardi e P. M. B. Landim Existem, contudo, equipamentos para usuários autorizados, que permitem a obtenção de uma precisão e acuracia da ordem de milímetros, tanto na horiz autorizados, que permitem a obtenção de uma precisão e acurácia da ordem de milimetros, tanto na horizontal quanto na vertical. Estes receptores são utilizados em estudos geodésicos. Exemplos de segmentos de usuários civis e militares.
Segmento de Usuários •Navegaçao para aviões, carros, navios e outros meios de ransporte • Posicionamento de objetos e dados no espaço • Caminhamentos • Movimentos de placas tectônicas • Esportes Radicais • Correção geométrica de aerofotos e imagens de satélite Usuários Militares e Autorizados Soldados Norte Americanos (Guerra do Afeganistão) Pesquisa Geodésica A Figura 8 representa o esquema dos principais componentes de um receptor GPS são: 1- Antena com pré-amplificador; 2- Seção de RF (radiofrequência) para identificação e processamento do sinal; 3- microprocessador para controle do receptor, amostragem e processamento dos dados; 4- Oscilador; 5- Interface para o usuário, painel de exibição e comandos; 6- Memória para armazenar os dados e 7- Provisão de energia. 12 Aplicação do Sistema de Posicionamento Global (GPS) na Coleta 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 slnais em todas as elevações e azimutes.
Existem vários tlpos 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 ais apropriada para GPS de navegação é a microstrip. Para levantamentos geodésicos, a antena utilizada deve permitir a recepção de duas ondas portadoras (LI 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, slnais refletidos. O modelo de antena mais adequado para a precisão geodésica é o Choke ring. 13 Tipos de Antenas Microstrip Monopole Helix Spiral Helix Choke ring Geodésica Zephyr Geodésica mod. 5700 Figura 9- Tipos de antenas para receptores GPS Dipolo Na seção RF os sinais que eptor são convertidos