NAVEGANDO COM GPS

 

Uma rede de satélites que transmite continuamente informações codificadas, o que permite identificar com precisão locais na Terra medindo a distância dos satélites.
Conforme declarado na definição acima, GPS significa Sistema de Posicionamento Global e refere-se a um grupo de satélites do Departamento de Defesa dos EUA que circulam constantemente a Terra. Os satélites transmitem sinais de rádio de potência muito baixa, permitindo que qualquer pessoa com um receptor GPS determine sua localização na Terra.

Composição do GPS

O sistema NAVSTAR (sigla para Navigation Satellite Timing and Ranging, o nome oficial do Departamento de Defesa dos EUA para GPS) consiste em:

1. um segmento espacial (os satélites),
2. um segmento de controle (as estações terrestres), e
3. um segmento de usuário (você e seu receptor GPS

O Segmento Espacial

O segmento espacial, que consiste em pelo menos 24 satélites (21 ativos mais 3 sobressalentes operacionais) é o coração do sistema. Os satélites estão no que é chamado de “órbita alta” cerca de 12.000 milhas acima da superfície da Terra. Operar em uma altitude tão alta permite que os sinais cubram uma área maior. Os satélites são organizados em suas órbitas para que um receptor de GPS na Terra possa sempre receber pelo menos quatro deles a qualquer momento.
Os satélites estão viajando a uma velocidade de 11.000 quilômetros por hora, o que lhes permite dar uma volta ao redor da Terra uma vez em 12 horas. Eles são alimentados por energia solar e são construídos para durar cerca de 10 anos. Se a energia solar falhar (eclipses, etc.), eles têm baterias de backup a bordo para mantê-los funcionando. Eles também têm pequenos propulsores de foguetes para mantê-los voando no caminho correto.
Os primeiros satélites GPS foram lançados ao espaço em 1978. Uma constelação completa de 24 satélites foi alcançada em 1994, completando o sistema. O dinheiro está no orçamento do Departamento de Defesa dos EUA para continuar comprando novos satélites, enviando-os para manter o sistema funcionando nos próximos anos.
Cada satélite transmite sinais de rádio de baixa potência em várias frequências (designadas LI, L2, etc.). Os receptores GPS civis “escutam” na frequência LI de 1575,42 MHz na banda UHF. O sinal viaja “linha de visão”, o que significa que passará por nuvens, vidro e plástico, mas não passará pela maioria dos objetos sólidos, como edifícios e montanhas.

Para lhe dar uma ideia de onde o sinal LI está no dial do rádio, sua estação de rádio FM favorita transmite em uma frequência entre 88 e 108 MHz (e soa muito melhor!). Os sinais de satélite também são sinais de baixíssima potência, da ordem de 20-50 watts. Sua estação de rádio FM local tem cerca de 100.000 watts. Imagine tentar ouvir uma estação de rádio de 50 watts transmitindo a 12.000 milhas de distância! É por isso que é importante ter uma visão clara do céu ao usar seu GPS.
O LI contém dois sinais “pseudo-aleatórios” (um padrão complexo de um código digital), o código Protegido (P) e o código Grosso/Aquisição (C/A). Cada satélite transmite um código único, permitindo que o receptor GPS identifique os sinais. “Anti-spoofing” refere-se à codificação do P-code para impedir o seu acesso não autorizado. O código P também é chamado de código “P (Y)” ou “Y”.
O principal objetivo desses sinais codificados é permitir o cálculo do tempo de viagem do satélite ao receptor GPS na Terra. Esse tempo de viagem também é chamado de Hora de Chegada. O tempo de viagem multiplicado pela velocidade da luz é igual ao alcance do satélite (distância do satélite ao receptor GPS). A Mensagem de Navegação (a informação que os satélites transmitem a um receptor) contém as informações orbitais e do relógio do satélite e mensagens gerais de status do sistema e um modelo de atraso ionosférico. Os sinais de satélite são cronometrados usando relógios atômicos altamente precisos.

O segmento de controle

O segmento de “controle” faz o que o nome indica – ele “controla” os satélites GPS rastreando-os e fornecendo-lhes informações orbitais e de relógio (tempo) corrigidas. Existem cinco estações de controle localizadas em todo o mundo – quatro estações de monitoramento não tripuladas e uma “estação de controle principal”. As quatro estações receptoras não tripuladas recebem constantemente dados dos satélites e, em seguida, enviam essas informações para a estação de controle principal. A estação de controle mestre “corrige” os dados do satélite e, juntamente com outros dois sites de antenas, envia (“uplinks”) as informações para os satélites GPS.

O Segmento de Usuário

O segmento do usuário consiste simplesmente em você e seu receptor GPS. Como mencionado anteriormente, o segmento de usuários é composto por velejadores, pilotos, caminhantes, caçadores, militares e qualquer pessoa que queira saber onde está, onde esteve ou para onde vai.

Como funciona o GPS?

Vamos primeiro ver como o receptor GPS sabe onde os satélites estão localizados no espaço. O receptor GPS capta dois tipos de informações codificadas dos satélites. Um tipo de informação, chamado de dados de “almanaque”, contém as posições aproximadas (localizações) dos satélites. Esses dados são continuamente transmitidos e armazenados na memória do receptor GPS para que ele conheça as órbitas dos satélites e onde cada satélite deve estar. Os dados do almanaque são atualizados periodicamente com novas informações à medida que os satélites se movem.
Qualquer satélite pode viajar um pouco fora de órbita, de modo que as estações de monitoramento terrestre rastreiam as órbitas, altitude, localização e velocidade do satélite. As estações terrestres enviam os dados orbitais para a estação mestre de controle, que por sua vez envia os dados corrigidos para os satélites. Esses dados de posição corrigida e exata são chamados de dados de “efemérides” (pronuncia-se: i-'fe-me-res), que são válidos por cerca de quatro a seis horas e são transmitidos na informação codificada para o receptor GPS.
Assim, tendo recebido os dados de almanaque e efemérides, o receptor GPS conhece a posição (localização) dos satélites o tempo todo.

Tempo é essencial

Embora o receptor GPS conheça a localização precisa dos satélites no espaço, ele ainda precisa saber a que distância os satélites estão (a distância) para poder determinar sua posição na Terra. Existe uma fórmula simples que informa ao receptor a que distância está de cada satélite:
Sua distância de um determinado objeto de satélite é igual à velocidade do sinal transmitido multiplicado pelo tempo que o sinal leva para chegar até você (velocidade x tempo de percurso = distância). .
Lembra quando criança, como você poderia descobrir a que distância uma tempestade estava de você? Quando você viu um relâmpago, você contou o número de segundos até ouvir o trovão. Quanto mais longa a contagem, mais distante estava a tempestade. O GPS funciona com o mesmo princípio, chamado “Hora de Chegada”.

Usando a mesma fórmula básica para determinar a distância, o receptor já conhece a velocidade. É a velocidade de uma onda de rádio - 186.000 milhas por segundo (velocidade da luz), menos qualquer atraso enquanto o sinal viaja pela atmosfera da Terra.
Agora o receptor GPS precisa determinar a parte do tempo da fórmula. A resposta está nos sinais codificados que os satélites transmitem. O código transmitido é chamado de “código pseudo-aleatório” porque se parece com um sinal de ruído. Quando um satélite está gerando o código pseudoaleatório, o receptor GPS está gerando o mesmo código e tenta combiná-lo com o código do satélite. O receptor então compara os dois códigos para determinar quanto precisa atrasar (ou deslocar) seu código para corresponder ao código do satélite. Este tempo de atraso (shift) é multiplicado pela velocidade da luz para obter a distância.
O relógio do seu receptor GPS não mantém a hora tão precisa quanto os relógios dos satélites. Colocar um relógio atômico em seu receptor GPS o tornaria muito maior e muito caro! Portanto, cada medição de distância precisa ser corrigida para levar em conta o erro do relógio interno do receptor GPS. Por esta razão, a medição da faixa é chamada de “pseudo-alcance”. Para determinar a posição usando dados de pseudo alcance, um mínimo de quatro satélites deve ser rastreado e as quatro posições devem ser recalculadas até que o erro do relógio desapareça.

Chegando ao Círculo Completo

Agora que temos a localização e a distância do satélite, o receptor pode determinar uma posição. Digamos que estamos a 11.000 milhas de um satélite. Nossa localização seria em algum lugar de uma esfera imaginária que tem o satélite no centro com um raio de 11.000 milhas. Então, digamos que estamos a 12.000 milhas de outro satélite. A segunda esfera cruzaria a primeira esfera para criar um círculo comum. Se adicionarmos um terceiro satélite, a uma distância de 13.000 milhas, agora temos dois pontos comuns. Embora existam duas posições possíveis, elas diferem muito em posição de latitude/longitude E altitude. Para determinar qual dos dois pontos comuns é a sua posição real, você precisará inserir sua altitude aproximada no receptor GPS. Isso permitirá que o receptor calcule uma posição bidimensional (latitude, longitude). No entanto, adicionando um quarto satélite, o receptor pode determinar sua posição tridimensional (latitude, longitude, altitude). Digamos que nossa distância de um quarto satélite seja de 10.000 milhas. Agora temos uma quarta esfera interceptando as três primeiras esferas em um ponto comum.

 

Almanaque Dados

A unidade armazena dados sobre onde os satélites estão localizados em um determinado momento. Esses dados são chamados de almanaque. Às vezes, quando a unidade GPS não é ligada por um período de tempo, o almanaque pode ficar desatualizado ou “frio”.
Quando o receptor GPS está “frio”, pode levar mais tempo para adquirir satélites. Um receptor é considerado “quente” quando os dados foram coletados dos satélites nas últimas quatro a seis horas. Quando você está procurando uma unidade GPS para comprar, você pode ver as especificações de tempo de aquisição “frio” e “quente”. Se o tempo que a unidade GPS leva para localizar os sinais e calcular uma posição é importante para você, certifique-se de verificar os tempos de aquisição.
Uma vez que o GPS tenha bloqueado satélites suficientes para calcular uma posição, você está pronto para começar a navegar! A maioria das unidades exibirá uma página de posição ou uma página mostrando sua posição em um mapa (tela de mapa) que o ajudará em sua navegação.

Erros de GPS

1. Atraso ionosférico e troposférico: Devido às ondas de rádio irradiadas pelo satélite ao passar pelas diferentes camadas da ionosfera e da troposfera, a velocidade das ondas varia, o que afeta a medição da diferença de tempo e a correção não será precisa.

2. Erro do relógio do usuário, se o relógio do usuário não estiver perfeitamente sincronizado com o relógio do satélite, a medição do alcance não será precisa e a medição do alcance junto com o erro do relógio é conhecida como pseudo alcance. Este erro pode ser eliminado dentro do receptor a bordo obtendo o pseudo alcance de três satélites e é feito automaticamente dentro do receptor.

3. Erro do relógio do satélite: Este erro é causado devido a um erro no relógio do satélite em relação ao horário do GPS. Isso é monitorado pelos segmentos terrestres e quaisquer erros no relógio do satélite fazem parte da mensagem de navegação de 30 segundos.

4. Diluição geométrica da precisão: A geometria da posição do satélite determina o ângulo de corte que por sua vez rege a qualidade da posição obtida. Quanto maior a separação angular entre os satélites, mais precisa é a correção, pois a interseção será quase em ângulos retos.

Quanto menor o valor de GDPP, maior a precisão da correção e esse valor de GDPP é indicado na unidade de exibição.

5. Erro de multicaminho Este erro é causado por sinais de satélite que chegam à antena do navio diretamente do satélite e refletidos por alguns outros objetos.

6. Desvio do satélite do caminho previsto: Os satélites são monitorados e seus caminhos são previstos por segmento terrestre. No entanto, entre dois monitoramentos consecutivos dos mesmos satélites, pode haver pequenos desvios de seus caminhos previstos, resultando em pequena imprecisão de posição.

DGPS (GPS Diferencial)

GPS Diferencial: o sistema é usado para aumentar a precisão do sistema GPS normal para que ele possa ser usado para levantamento, perfuração, oceanografia, etc. Onde maior precisão de fixação de posição é necessária.

A estação de referência DGPS está situada em um local fixo e a partir desta posição o receptor GPS rastreia todos os satélites dentro de seu local, obtém dados deles e calcula a correção com base na posição obtida do GPS e sua posição real. Essas correções são então transmitidas aos usuários de GPS para melhorar sua precisão posicional.

O princípio fundamental do DGPS é a comparação do ponto fixo, referido como a estação de referência com a posição obtida de um receptor GPS naquele ponto.

Como a estação de referência conhece sua localização exata, ela pode determinar os erros nos sinais de satélite. Ele faz isso medindo os alcances de cada satélite usando os sinais recebidos e comparando esses alcances medidos com os alcances reais calculados a partir de sua posição conhecida. A diferença entre o alcance medido e calculado ou cada satélite em vista torna-se uma “correção diferencial”.As correções diferenciais para cada satélite rastreado são formatadas em uma mensagem de correção e transmitidas aos receptores DGPS. Essas correções diferenciais são então aplicadas aos cálculos do receptor GPS, removendo muitos dos erros comuns e melhorando a precisão. O nível de precisão obtido é função do receptor GPS e da similaridade de seu “ambiente” com o da estação de referência, principalmente sua proximidade com a estação. O receptor da estação de referência determina os componentes do erro e fornece correções ao receptor GPS em tempo real. As correções podem ser transmitidas por frequências de rádio FM, por satélite ou por transmissores de farol mantidos pela Guarda Costeira dos EUA. A precisão típica do DGPS é de 1 a 5 metros (cerca de 3 a 16 pés).