8.1 INTRODUÇÃO AO GPS – GLOBAL POSITIONING SYSTEM

GPS (Global Positioning System) [19] é o conjunto de 24 satélites artificiais responsáveis pela transmissão contínua de informações a receptores, que estão fixos ou móveis, permitindo que estes calculem suas posições com notável precisão. Esse sistema foi concebido pelo Departamento de Defesa dos EUA no início da década de l960, sob o nome de "projeto NAVSTAR-GPS - Navigation Satellite with Time and Ranging-Global

Positioning System, que tinha como finalidade unificar esforços em vários sistemas de

posicionamento por satélites num único sistema. No início o projeto era apenas de uso militar, mas a partir de 1980, governo americano disponibilizou o sistema para uso civil. O sistema consiste basicamente de três segmentos:

a) O Segmento Espacial, que consiste nos satélites que orbitam a terra numa distância de aproximadamente 22.200 km de altitude e que dão duas voltas ao redor do globo em 24 horas. Eles enviam sinais especificados (civil e militar) pelos gestores do GPS. A constelação do projeto é de 24 satélites, o que permite a visibilidade de pelo menos 4 satélites em qualquer hora do dia de qualquer lugar da Terra, porém, em um dia de boa visibilidade, podem ser vistos até 6 ou 7 satélites. Os 24 satélites GPS [20] no espaço viajam a velocidades de aproximadamente 7.000 milhas por hora. Satélites de GPS são alimentados por energia solar. Eles têm baterias de backup para os manterem funcionando no caso de um eclipse solar, ou quando não houver sol. Pequenos propulsores de foguete em cada satélite os mantêm voando no caminho correto. Aqui estão alguns fatos interessantes sobre os satélites GPS:

• O primeiro satélite de GPS foi lançado em 22 de fevereiro de 1978.

• Os satélites GPS foram construídos pela empresa Rockwell e lançados entre fevereiro de 1978 (Bloco I), e 6 de novembro de 2004 (o 29º).

• Uma constelação de 24 satélites foi alcançada em 1994.

• O sistema foi declarado totalmente operacional apenas em l995. • Seu desenvolvimento custou 10 bilhões de dólares.

• Cada satélite é construído para durar aproximadamente 10 anos. Constantemente estão sendo construídas substituições e lançadas em órbita. • Mais de 50 satélites já foram lançados desde 1978.

• Um satélite de GPS pesa aproximadamente 2.000 libras ou 900 kg e aproximadamente 17 pés ou 8 metros com os painéis solares estendidos. • O poder do transmissor é de só 50 watts ou menos.

• Os sinais dos satélites não penetram em vegetação densa, vales estreitos, cavernas ou na água. Montanhas altas ou edifícios próximos também afetam sua precisão.

Figura 8.1 - O segmento espacial de satélites GPS.

b) O Segmento de Controle [19], composto por 5 estações na Terra além de algumas antenas de comunicação com os satélites, responsável por dirigir todo o sistema. Este segmento é controlado pelo Departamento de Defesa Norte-Americano. Ele é constituído por uma estação de controle principal, localizada em Colorado Springs e por quatro estações monitoras, localizadas em Ascension, Diego Garcia, Kwajalein e Hawaii. As estações monitoras de Ascension, Diego Garcia, Kwajalein são chamados de transmissoras porque são as que enviam os dados aos satélites.

As estações monitoras recolhem os dados provenientes dos satélites e enviam-nos para a estação de controle principal. Nesta estação são processados os dados e são geradas as efemérides, parâmetros da correção ionosférica e informação de tempo, que serão ejetados nos satélites pelas estações transmissoras. Não há muitas informações sobre este segmento, visto o fato dele ser estratégico.

c) O Segmento Usuário, composto pelos usuários dos diversos receptores GPS espalhados pela Terra, seja em sua forma civil (SPS - Standard Positioning

System) ou militar (PPS - Precise Positioning System). O PPS se encontra

disponível apenas para militares norte-americanos e para nações consideradas amigas. O Brasil não faz parte destas.

Testes realizados [21] em 1972 mostraram que a pior precisão do sistema era de 15 metros. A melhor, 1 metro. Preocupados com o uso inadequado, os militares americanos implantaram duas opções de precisão: para usuários autorizados (eles mesmos) e usuários não-autorizados (civis). Os receptores GPS de uso militar apresentavam precisão de 1 metro e os de uso civil, de 15 a 100 metros. Cada satélite emite um sinal que contém: código de precisão (P) código geral (CA) e informação de status. Como outros sistemas de rádio-navegação, todos os satélites enviam seus sinais de rádio exatamente ao mesmo tempo, permitindo ao receptor avaliar o lapso entre emissão/recepção. A hora-padrão GPS é passada para o receptor do usuário. Receptores GPS em qualquer parte do mundo mostrarão a mesma hora, minuto, segundo, e até milissegundo. A hora-padrão é altamente precisa, porque cada satélite tem um relógio atômico, com precisão de nano segundo. É a referência de tempo mais estável e exata jamais desenvolvida. Chama-se atômico por usar as oscilações de um átomo como "metrônomo".

O receptor tem que reconhecer as localizações dos satélites. Uma lista de posições conhecida como almanaque, é transmitida de cada satélite para os receptores. Controles em terra rastreiam os satélites e mantém seus almanaques acurados.

Cada satélite tem códigos P e CA únicos, e o receptor pode distingui-los. O código P é mais complexo que o CA, quase impossível de ser alterado e somente militares tem acesso garantido a ele. Receptores civis medem os lapsos de tempo entre a recepção dos sinais codificados em CA. O conceito da rádio-navegação depende inteiramente da transmissão simultânea de rádio-sinais. O controle de terra pode interferir, fazendo com que alguns satélites enviem seus sinais CA ligeiramente antes ou depois dos outros. A interferência deliberada introduzida pelo Departamento de Defesa dos EUA é a fonte da Disponibilidade Seletiva – Selective Availability (AS). Os receptores de uso civil desconhecem o valor do erro, que é alterado aleatoriamente e estão entre 15 e 100 metros. Os receptores militares não são afetados. Existe outra fonte de erro que afeta os receptores civis: a interferência ionosférica. Quando um sinal de rádio percorre os elétrons livres na ionosfera, sofre certo atraso. Sinais de freqüências diferentes sofrem atrasos diferentes. Para detectar esse atraso, os satélites do sistema enviam o código P em duas ondas de rádio de diferentes freqüências, chamadas L1 e L2. Receptores caros rastreiam ambas as freqüências e medem a diferença entre a recepção dos sinais L1 e L2, calculam o atraso devido aos elétrons livres e fazem correções para o efeito da ionosfera. Receptores civis não podem corrigir a interferência ionosférica porque os códigos CA são gerados apenas na freqüência L1 (l.575,42 MHz).

Existem receptores específicos, conhecidos como não-codificados, que são super acurados. Como desconhecem os valores do código P, obtém sua precisão usando técnicas especiais de processamento. Eles recebem e processam o código P por um número de dias e podem obter uma posição fixa com precisão de 10 mm. É ótimo para levantamento topográfico. O sinal gerado pelos satélites contém um "código de identidade" (ou pseudo-randômico), dados efêmeros (de status) e dados do almanaque. O código de identidade (Pseudo-

Random Code – PRN) identifica qual satélite está transmitindo. Usam-se como referência

dos satélites seus PRN, de 1 a 32. O código pseudo-randômico permite que todos os satélites do sistema compartilhem a mesma freqüência sem interferências. É um sistema engenhoso que torna o GPS prático e relativamente barato de se usar. Ao contrário dos satélites de TV, que estão em órbitas geosíncronas (estacionários no céu) e transmitem

poderosos sinais para refletores parabólicos em terra, o satélite GPS envia sinais com poucas informações e de baixa potência para antenas do tamanho do dedo polegar. De fato, os sinais GPS são tão fracos que não são maiores que o ruído de fundo (de rádio), inerente a Terra. O princípio do código pseudo-randômico, que significa literalmente "aparentemente aleatório", se baseia em uma comparação realizada em muitos ciclos de um sinal, que é demorada e incômoda se comparada com um sinal de TV. O padrão para comparação do código pode ser alterado (apenas código CA), permitindo que o governo americano controle o acesso ao sistema do satélite.

Os dados efêmeros (de status) são constantemente transmitidos e contêm informações de status do satélite (operacional ou não): hora, dia, mês e ano. Os dados de almanaque dizem ao receptor onde procurar cada satélite a qualquer momento do dia. Com um mínimo de três satélites, o receptor pode determinar uma posição Lat/Long – que é chamada posição fixa 2D – bi-dimensional. (Deve-se entrar com o valor aproximado da altitude para melhorar a precisão). Com a recepção de quatro ou mais satélites, um receptor pode determinar uma posição 3D, isto é, Lat/Long/Altitude.Pelo processamento contínuo de sua posição, um receptor pode também determinar velocidade e direção do deslocamento.

Essencialmente, o receptor de GPS compara o tempo em que um sinal foi transmitido por um satélite, com o tempo que foi recebido. A diferença de tempo é transmitida para o receptor de GPS, que calcula o quão longe o satélite está.

Com medidas de distância de mais alguns satélites, o receptor pode determinar a posição do usuário e pode exibir isto no mapa eletrônico da unidade.

Um receptor de GPS deve receber um sinal de pelo menos três satélites, para calcular uma posição 2D (latitude e longitude) e movimento de rastro. Com quatro ou mais satélites visíveis, o receptor pode determinar a posição 3D do usuário (latitude, longitude e altitude). Uma vez que a posição do usuário foi determinada, a unidade de GPS pode calcular outras informações, como: velocidade, proa, rastro, distância de viagem, distância ao destino, tempo de viagem, nascer e pôr-do-sol e muito mais.

Os receptores de GPS atuais são extremamente precisos, graças ao design de multi-canais paralelos. Os receptores de 12 canais paralelos são mais rápidos para localizar os satélites.

Certos fatores atmosféricos e outras fontes de erro podem afetar a precisão de receptores de GPS. Os receptores de 12 canais são precisos numa faixa de 15 metros em média.

Os receptores de GPS mais modernos vêm equipados com WAAS (Sistema de Aumento de Ampliação de Área), que tem a capacidade de melhorar a precisão, a menos de três metros em média. Não é exigido nenhum equipamento adicional ou pagamento de taxas, para utilização do WAAS. Os usuários também podem melhorar a precisão com o GPS Diferencial (DGPS), que corrige os sinais de GPS para uma média de três a cinco metros.

A Guarda Costeira Norte-Americana, opera comumente com DGPS. Este sistema consiste em uma rede de torres que recebem os sinais de GPS e transmitem os sinais corrigidos, através de transmissores de rádio.