Capítulo III OS SISTEMAS “AUTOMATIC VEHICLE LOCATION” (AVL)
3.2 Módulo de Posicionamento
3.2.1 Técnicas de posicionamento
3.2.1.1 Conceito e funcionamento do GPS
3.2.1.1.2 Tipos de Posicionamento
Por posicionamento tem-se a determinação da localização de um objeto, ou seja, o conhecimento das coordenadas desse objeto, num sistema de coordenadas
específico350. O princípio fundamental do posicionamento utilizando-se GNSS (Global
Navigation Satellite Systems – classe na qual se inclui o sistema GPS) tem por base
estimar, com precisão, a distância entre um emissor, de coordenadas conhecidas, e o
receptor, cujas coordenadas se pretendem estimar351. Mais especificamente, o
posicionamento usando sistemas de navegação baseados em satélites artificiais é obtido a partir de sinais transmitidos pelos satélites em órbita e recebidos por receptores na superfície da Terra, sendo que, de acordo com o tratamento efetuado a esses sinais, que permite distintos níveis de precisão, foi realizada a classificação nos seguintes tipos de posicionamento: o posicionamento absoluto, o posicionamento
relativo e o posicionamento diferencial.
Analisemos cada um desses métodos:
a) Posicionamento Absoluto: caracteriza-se pelo fato das coordenadas da posição de
um objeto estarem associadas diretamente ao geocentro352, sendo também denominado
“Posicionamento Pontual Simples”(vinculado à sigla SPP, do inglês Single Point
349MONICO, João Francisco Galera. Posicionamento pelo Navstar-GPS. Descrição, fundamentos e
aplicações. São Paulo: Editora Unesp, 2.000, p.157.
350 MORUJÃO, Daniela Maria Barbosa. Resolução instantânea da ambigüidade da fase no posicionamento
cinemático preciso com os sistemas globais de navegação por satélite. Tese de doutoramento em
ciências geofísicas e da geoinformação junto à Universidade de Lisboa, 2009, p.1. 351
Ibidem, p.1.
Positioning)353 ou “Posicionamento por Ponto”354. Com base nesse método, estima-se
a localização de um receptor com base no método da trilateração – se medirem-se as
três distâncias entre o receptor e três satélites com posicões conhecidas, as
coordenadas tridimensionais do receptor podem ser calculadas-355, como se verifica da
figura 19. No posicionamento absoluto necessita-se apenas de um receptor, sendo um
método utilizado em navegação de baixa precisão356, alcançando, em média, uma
precisão horizontal de 13 a 25 metros357.
Figura 19. Posicionamento Absoluto
Fonte:HASEGAWA, Julio Kiyoshi; GALO, Mauricio; MONICO, João Francisco Galera; IMAI, Nilton Nabuhiro. Sistema de localização e navegação apoiado por GPS.
b) Posicionamento Relativo: caracteriza-se pelo fato da posição de um receptor ser determinada relativamente à posição de outro receptor, denominado receptor de
353
MORUJÃO, Daniela Maria Barbosa. Resolução instantânea da ambigüidade da fase no posicionamento
cinemático preciso com os sistemas globais de navegação por satélite. Tese de doutoramento em
ciências geofísicas e da geoinformação junto à Universidade de Lisboa, 2009, p. 60.
354 MONICO, João Francisco Galera. Posicionamento pelo Navstar-GPS. Descrição, fundamentos e aplicações. São Paulo: Editora Unesp, 2.000, p. 182.
355
MORUJÃO, Daniela Maria Barbosa. op. cit., p.60. 356 MONICO, João Francisco Galera. op.cit, p. 184.
357 KRUEGER, Cláudia Pereira; HUINCA, Suelen Cristina Movio; MAIA, Oriana Carneiro. Método de
Posicionamento Absoluto, qual precisão pode ser obtida atualmente? Trabalho apresentado no III
Simpósio Brasileiro de Ciências Geodésicas e Tecnologias de Geoinformação realizado no Recife/PE entre os dias 27 e 30 de julho de 2010. Disponível em: < http://www.ufpe.br/cgtg/SIMGEOIII/IIISIMGEO_CD/artigos/Cad_Geod_Agrim/Geodesia%20e%20Agrimen sura/A_11.pdf>. Acesso em 10. Mai.2011.
referência, cujas coordenadas são conhecidas358, conforme figura 20. O receptor cujas coordenadas se pretende determinar pode estar fixo ou móvel, já o receptor de referência, normalmente encontra-se fixo359. Para realizar posicionamento relativo, o usuário deveria dispor de dois ou mais receptores. No entanto, com o advento dos
chamados Sistemas de Controle Ativos (SCA)360, tal afirmativa não é mais verdadeira,
vez que um usuário que disponha de apenas um receptor poderá efetuar posicionamento relativo, desde que, para tal, acesse os dados de uma ou mais estações pertencentes ao SCA, sendo que no Brasil tais estações pertencem à RBMC (Rede Brasileira de Monitoramento Contínuo) e, nesse caso, o sistema de referência do SCA será introduzido na solução do usuário através das coordenadas das estações utilizadas como estação de referência361.
Figura 20. Posicionamento Relativo
Fonte:HASEGAWA, Julio Kiyoshi; GALO, Mauricio; MONICO, João Francisco Galera; IMAI, Nilton Nabuhiro. Sistema de localização e navegação apoiado por GPS.
358 MORUJÃO, Daniela Maria Barbosa. Resolução instantânea da ambigüidade da fase no posicionamento
cinemático preciso com os sistemas globais de navegação por satélite. Tese de doutoramento em
ciências geofísicas e da geoinformação junto à Universidade de Lisboa, 2009, p.64. 359 Idem.
360 Em Sistema de Controle Ativos, receptores rastreiam continuamente os satélites visíveis e os dados podem ser acessados via sistema de comunicação (como afirma MONICO, João Francisco Galera. Posicionamento pelo
Navstar-GPS. Descrição, fundamentos e aplicações. São Paulo: Editora Unesp, 2.000, p.205).
361 MONICO, João Francisco Galera. Posicionamento pelo Navstar-GPS. Descrição, fundamentos e aplicações. São Paulo: Editora Unesp, 2.000, p.205.
Existem várias espécies de posicionamento relativo, sendo que, para bem entendermos cada uma dessas variações da técnica do posicionamento relativo, necessitamos dominar as formas de combinações lineares das observáveis GPS entre diferentes estações que permitem eliminar ou reduzir o efeito de alguns erros presentes nas observações GPS, quais sejam: diferenças simples, diferenças duplas e diferenças
triplas , com as seguintes características:
- Diferenças simples: se duas estações efetuarem, simultaneamente, observações do
mesmo tipo para o mesmo satélite, pode-se obter “diferença simples” entre as estações
(também denominada de diferença simples entre receptores) a partir das observações básicas, fazendo-se a diferença entre as duas observações do mesmo tipo efetuadas, simultaneamente, pelos dois receptores, para um mesmo satélite, conforme figura 21.
Figura 21. Formação da Diferença Simples
Fonte: MONICO, João Francisco Galera. Posicionamento pelo Navstar-GPS. Descrição, fundamentos
e aplicações. São Paulo: Editora Unesp, 2.000, p. 172
- Diferenças duplas: é a diferença entre duas diferenças simples (figura 22), envolvendo, portanto, dois receptores e dois satélites362.
362 MONICO, João Francisco Galera. Posicionamento pelo Navstar-GPS. Descrição, fundamentos e aplicações. São Paulo: Editora Unesp, 2.000, p.173.
Figura 22. Formação da Diferença Dupla
Fonte: MONICO, João Francisco Galera. Posicionamento pelo Navstar-GPS. Descrição, fundamentos
e aplicações. São Paulo: Editora Unesp, 2.000, p. 174
- Diferenças Triplas: é dada pela diferença entre duas duplas diferenças, envolvendo
os mesmos receptores e satélites, mas em tempos (épocas) distantes363.
A literatura especializada aponta para a existência de várias espécies de posicionamento relativo, quais sejam: o posicionamento relativo estático, o
posicionamento relativo estático rápido, o posicionamento relativo semicinemático e o
posicionamento relativo cinemático. Passamos a analisar cada uma dessas espécies:
b.1) Posicionamento relativo estático: baseia-se na observável “dupla diferença da fase de batimento da onda portadora”, embora também possa basear-se na dupla diferença da pseudodistância ou em ambas364. Nessa técnica de posicionamento, as antenas dos receptores estão estacionadas em posições fixas durante o período de observação (período esse denominado sessão de observação), cuja duração depende da distância entre os dois receptores, do número de satélites visíveis, da qualidade dos receptores e da precisão pretendida365.
363 MONICO, João Francisco Galera. Posicionamento pelo Navstar-GPS. Descrição, fundamentos e aplicações. São Paulo: Editora Unesp, 2.000, p. 175.
364 Ibidem, p.207. 365
MORUJÃO, Daniela Maria Barbosa. Resolução instantânea da ambigüidade da fase no posicionamento
cinemático preciso com os sistemas globais de navegação por satélite. Tese de doutoramento em
b.2) Posicionamento relativo estático rápido: parte do mesmo princípio do
posicionamento relativo estático, tendo como diferença fundamental o período de ocupação da estação de interesse. Nesse caso, as ocupações não excedem a 20 minutos, enquanto que no posicionamento estático podem durar várias horas. O
posicionamento relativo estático rápido propicia alta produtividade, mas há muitas obstruções entre as estações a serem levantadas366.
b.3) Posicionamento relativo semicinemático: baseia-se no fato de que a solução do vetor de ambiguidades, presente numa linha base a determinar, requer que a geometria envolvida entre as duas estações dos satélites não se altere, possibilitando que sejam coletados dados de pelo menos dois curtos períodos na mesma estação, sendo que tais coletas devem estar separadas por um intervalo de tempo suficientemente longo (entre 20 e 30 minutos) para proporcionar alteração na geometria dos satélites. Tal método requer que o receptor continue rastreando os mesmos satélites durante as visitas às estações367.
b.4) Posicionamento relativo cinemático: caracteriza-se por ter como observável fundamental a fase da onda portadora, muito embora o uso da pseudodistância seja muito importante na solução do vetor de ambigüidades, sendo certo que os dados desse tipo de posicionamento podem ser processados após a coleta (denominando-os como
pós-processados) ou durante a própria coleta (processados em tempo real)368.
No posicionamento relativo cinemático pós-processado, um receptor ocupa
uma estação de coordenadas conhecidas enquanto o outro se desloca sobre as feições de interesse. As observações simultâneas dos dois receptores geram as duplas diferenças onde vários erros envolvidos nas observáveis são reduzidos. Nessa
366
MONICO, João Francisco Galera. Posicionamento pelo Navstar-GPS. Descrição, fundamentos e aplicações. São Paulo: Editora Unesp, 2.000, p.212.
367
Ibidem, p.213. 368 Ibidem, p.216.
modalidade o processamento dos dados obtidos é realizado num laboratório ou escritório, após a coleta de dados369.
O posicionamento relativo cinemático em tempo real tem sua razão de
existência em muitas aplicações que obteriam grande benefício se as coordenadas da antena do receptor fossem determinadas em tempo real, como no caso do rastreamento de veículos. Para que tal constatação em tempo real seja possível, é preciso que os dados coletados na estação de referência sejam transmitidos para a estação móvel, necessitando-se de um link de rádio370.
c) Posicionamento Diferencial: também denominada “DGPS”, trata-se de técnica de posicionamento desenvolvida com o objetivo de contornar a degradação da precisão
do posicionamento absoluto devido ao “Acesso Seletivo”371 e de diminuir o efeito dos
outros erros presentes nas observações GPS372. Com a desativação do “Acesso
Seletivo” em maio de 2000, a principal fonte de erro do posicionamento absoluto desapareceu, no entanto, o Posicionamento Diferencial continua a ter lugar entre os tipos de posicionamento baseados em GPS nas aplicações com maiores exigências de
precisão373. Essa técnica envolve o uso de um receptor estacionário numa estação com
coordenadas conhecidas, rastreando todos os satélites visíveis, sendo que o processamento dos dados nessa estação permite que se calculem as correções posicionais, bem como das pseudodistâncias e da fase portadora, o que é possível
369
MONICO, João Francisco Galera. Posicionamento pelo Navstar-GPS. Descrição, fundamentos e aplicações. São Paulo: Editora Unesp, 2.000, p. 216-217.
370
Ibidem, p.217.
371 A “Selective Avaliability” (que atende pela sigla S/A e significa, em português “Acesso Seletivo”) é considerada a maior fonte de erros do sistema GPS. Trata-se de uma degradação intencional impostas aos sinais GPS, que é realizada através da manipulação dos dados das efemérides transmitidas e dos relógios satélites. Tal técnica foi implementada pela primeira vez em março de 1990, mas foi desativada em agosto do mesmo ano, durante a Guerra do Golfo. Em novembro de 1991 foi reativada, sendo novamente desativada em 01 de maio de 2000 (conforme SILVEIRA, Augusto Cesar da. Avaliação de Desempenho de Aparelhos Receptores
GPS. Dissertação de mestrado em Engenharia Agrícola na UNICAMP – Universidade Estadual de Campinas, em janeiro de 2004, tendo como orientador o Prof. Dr. Nelson Luis Cappelli, p.28).
372 MORUJÃO, Daniela Maria Barbosa. Resolução instantânea da ambigüidade da fase no posicionamento
cinemático preciso com os sistemas globais de navegação por satélite. Tese de doutoramento em
ciências geofísicas e da geoinformação junto à Universidade de Lisboa, 2009, p.73. 373 Ibidem, p.73-74.
graças ao conhecimento das coordenadas da estação-base374, como se verifica da figura 23.
Figura 23. Formação da Diferença Dupla
Fonte: MONICO, João Francisco Galera. Posicionamento pelo Navstar-GPS. Descrição, fundamentos e
aplicações. São Paulo: Editora Unesp, 2.000, p. 221
Finalmente, após a leitura das principais obras disponíveis a respeito do funcionamento do sistema GPS e das pesquisas que vêm sendo realizadas, tanto no Brasil quanto no exterior, com o objetivo de aprofundar a análise de erros possíveis no sistema, garantindo métodos de correção eficazes, pode-se afirmar que o sistema GPS é, no atual estado da técnica375, um método altamente eficaz de apontamento da localização exata ou muito aproximada de um determinado objeto na superfície terrestre, garantindo informações fidedignas em tempo real e de perfeita aplicação ao módulo de posicionamento dos equipamentos AVL (Automatic Vehicle Location).