introduÇÃo ao sistema de posicionamento global - gps
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INTRODUÇÃO AO SISTEMA DE POSICIONAMENTO GLOBAL - GPS. Luciana Suaid Tomazi Vasco – IBGE [email protected]. Por que GPS?. HISTÓRICO. Senso natural de orientação do Homem Orientação por recursos naturais: Sol, estrelas, acidentes topográficos, ventos. N. - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
INTRODUÇÃO AO SISTEMA INTRODUÇÃO AO SISTEMA DE POSICIONAMENTO DE POSICIONAMENTO
GLOBAL - GPSGLOBAL - GPS
Luciana Suaid Tomazi Vasco – IBGELuciana Suaid Tomazi Vasco – IBGE
[email protected]@ibge.gov.br
Por que GPS?Por que GPS?
HISTÓRICOHISTÓRICO
Senso natural de orientação do Homem
Orientação por recursos naturais:
Sol, estrelas, acidentes topográficos,
ventos...
Rosa dos Ventos de 600 AC até sec. XV
Bússola
N
E
S
W
Desenvolvimento da Geodésia e da cartografia
– Computadores
– Estações totais
– Sistemas de informações geográficas (SIG)
– Cad’s
– Sistema de Posicionamento Global (GPS)
Observações de satélites Observações de satélites artificiaisartificiais
Iniciada nos anos 60
Navegação e Posicionamento
O que ser quer: posição de um ponto
Conceitos BásicosConceitos Básicos
Terra
CartografiaCartografia
Ciência e a arte de expressar graficamente, por meio de mapas e cartas, o conhecimento humano da superfície terrestre.
GeodésiaGeodésia
Ciência que determina, através de observações, a forma e o tamanho da terra, as coordenadas dos pontos, comprimentos e direções de linhas da superfície terrestre, e as variações da gravidade terrestre.
A Geodésia é divida em:
– Geodésia geométrica
– Geodésia física
– Geodésia por satélite ou celeste
Superfície física, Geóide e Superfície física, Geóide e ElipsóideElipsóide
Superfície Física
Geóide
Elipsóide
Elipsóide de RevoluçãoElipsóide de Revolução
ba
Equador
Coordenadas GeográficasCoordenadas Geográficas
Latitude ()– Medida pelos paralelos– 0° na linha do Equador
– Varia de +90° à -90°– Ao norte do Equador:+– Ao sul do Equador : -
Longitude ()– Medida pelos meridianos– 0° no Meridiano de
Greenwich– Varia de +180° à -180°– Oeste de Greenwich : -– Leste de Greenwich : +
Posição de ponto: Latitude e Longitude
Equador
Meridiano de Greenwich
PN
Latitude
Longitude
Esquema da Latitude e Longitude
Referencial AltimétricoReferencial Altimétrico
Coordenadas CartesianasCoordenadas Cartesianas
Ao elipsóide está associado um sistema cartesiano ortogonal, formado pelos eixos X, Y e Z. Um ponto sobre a superfície terrestre tem coordenadas cartesianas geocêntricas, que podem ser expressadas em latitude, longitude e altitude e vice-versa.
Coordenadas Cartesianas e Geodésicas
Sistemas de ReferênciaSistemas de Referência
Datum Superfície de Referência
Datum Horizontal
Datum Vertical
Datum Horizontal um elipsóide e
um ponto de referência
IBGE Sistema Geodésico Brasileiro SGB (www.ibge.gov.br/geodesia)
Datum Oficial Brasileiro (1977) – SAD 69Elipsóide ERI 67 (Elipsóide de Referência Internacional de 1967)
Vértice : Chuá – MG ( geóide = elipsóide)
SIRGAS 2000Decreto Nº 5334/2005, assinado em 06/01/2005
Elipsóide GRS 80 (Sistema de Referência Geodésico de 1980)
Consistente, global e geocêntrico
Centro do Elipsóide = centro de massa da Terra
Nos próximos 10 anos serão Datuns oficiais :
SIRGAS, SAD 69 e Córrego Alegre (só para o SCN)
Datum GPS – WGS 84Elipsóide GRS 80 (Sistema de Referência Geodésico de 1980)
Consistente, global e geocêntrico
Centro do Elipsóide = centro de massa da Terra
Sistema de Referência Altimétrico Imbituba – SC usado por quase todo Brasil
Porto de Santana – utilizado pelo Amapá (dificuldades de expandir a rede altimétrica nesta área do país)
Representações CartográficasRepresentações Cartográficas Sistemas de ProjeçãoSistemas de Projeção
Terra
Modelo
(Esfera /Elipsóide)Esfera Modelo
Cilindro
Cone
Plano Tangente
Carta ou Mapa
Temos três diferentes tipos de projeção quanto às propriedades:
Projeção equivalente conserva as áreas
Projeção eqüidistante conserva as distâncias
Projeção conforme ou ortomorfa conserva os ângulos
SISTEMA DE PROJEÇÃO UNIVERSAL SISTEMA DE PROJEÇÃO UNIVERSAL TRANSVERSO DE MERCATOR (UTM)TRANSVERSO DE MERCATOR (UTM)
Criado para aplicação mundial pelos militares para um sistema de coordenadas planas
Em 1951 a Associação de Geodésia e Geofísica Internacional (AGGI) recomendou o sistema UTM para o mundo inteiro
No Brasil - sistema adotado pela Diretoria do Serviço Geográfico (DSG) e IBGE, desde de 1955 para o mapeamento sistemático do país.
PN
PS
Meridiano extremo
Meridianos de secância
Meridiano Central
O elipsóide é dividido em 60 fusos de 6 de longitude
Cada fuso tem um sistema de coordenadas parcial
Cada fuso terá um meridiano centralA amplitude de 6 para os fusos no sistema
UTM coincide com os fusos da Carta Internacional ao Milionésimo.
A interseção com o equador é a origem do sistema
Os fusos são limitados por duas longitudes múltiplas de seis
As latitudes limites vão de 80 N a 80 S
O sistema UTM não é utilizado para representar regiões polares.
Os fusos de sistema de projeção UTM são numerados de 1 a 60 contados a partir do anti-meridiano de Greenwich no sentido anti-horário.
N do fuso = 30 – (/6), para pontos a oeste de Greenwich.
N do fuso = 30 + (/6), para pontos a leste de Greenwich.
Eixos coordenados do sistema UTM e Eixos coordenados do sistema UTM e
origem no hemisfério Sulorigem no hemisfério Sul
6
3 3
meridiano central
N
E
6°(668km)
N
E
N
E
Fundamentos do GPSFundamentos do GPS
Sistema TRANSITPrimeiro sistema de satélites artificiais
Objetivo de navegação
Idéia básica: localização sobre a Terra
Cálculo da posição baseado no Efeito Doppler
Desvantagens: longos períodos de observação e baixa precisão
NAVSTAR-GPS (Navigation Satellite Time And Rancing)
Criado para substituir o TRANSIT
Estudos iniciados em 1973
Desenvolvido e operado pelo Departamento de Defesa dos Estados Unidos da América - DoD
Sistema de rádio navegação
Concebido para fins exclusivamente militares
Sistema de Posicionamento Global – GPS
O GPS foi projetado de forma que em qualquer lugar do globo e a qualquer momento existam pelo menos quatro satélites acima do plano do horizonte do observador.
Em razão de sua precisão e do grande desenvolvimento da tecnologia dos receptores, surgiram aplicações para uso civil, tais como: NavegaçãoGeodésia TopografiaSinais de tempoOutros
SPS SPS (Standard Positioning Service(Standard Positioning Service))
Serviço de Posicionamento PadrãoUso civil24 horas por diaEm qualquer lugarComponente temporal (data e hora)Coordenadas (lat., long., altitude)
SPSSPS Precisão nominal:
– 20m componente horizontal
– 30m componente vertical
95% do tempo Sistema degradado intencionalmente (SA)
– 100m componente horizontal
– 156m componente vertical
Precisão no posicionamento relativo – 5m à 5mm
GPS posição de pontos, coordenadas
TEMPO
velocidade
aceleração
direção do deslocamento
Sistema de controle de tempo Sistema de controle de tempo
Extremamente importanteO GPS baseia-se na medida simultânea da
distância entre o receptor e pelo menos quatro satélites
A distância entre o receptor e os satélites se obtém por meio do atraso temporal, entre o sinal que o satélite emite até o momento em que o sinal é recebido pelo receptor
Segmentos do Sistema GPSSegmentos do Sistema GPS
Espacial
Controle
Usuário
Segmento EspacialSegmento Espacial
24 satélitesAltura de 20.200km da superfície terrestre6 planos orbitaisÓrbitas com 55° de inclinação em relação
ao EquadorPeríodo de 12 horas sideraisSatélites NAVSTAR ou Space Vehicles
(SVs)
Segmento de ControleSegmento de Controle
5 estações rastreadoras fixasLocalizadas nas proximidades da linha do
Equador Movimento orbital dos satélites
constantemente monitoradoEstação mestre – Colorado SpringsCorreção das efemérides e dos relógios
Segmento do UsuárioSegmento do Usuário
Constituído pelos receptores GPS e comunidade de usuários. Os receptores convertem os sinais dos satélites (SVs) em estimativas de posições, velocidade e tempo.
Sistema de Tempo GPSSistema de Tempo GPS
GPS mede intervalo de tempo de propagação do sinal
Tempo GPS – Início 0h de 06/01/80
Tempo GPS contado desde o início– número de semanas – número de segundos
Semanas GPS (GPS Week Number) – Varia de 0 – 1023 (aproxim. 20 anos)
N° de segundos - contador TOW (Time Of Week – Tempo da Semana )– Varia de 0 –604.800
Sinais GPSSinais GPS
Satélites GPS são sistemas unidirecionais de emissão
A observação fundamental é a medida do tempo de percurso do sinal entre a antena do satélite e a antena do receptor
freqüência fundamental fo de 10,23 Mhz
ESTRUTURA DO SINAL GPS
CÓDIGOS PRNPseudo Randon Noise
Determinação das CoordenadasDeterminação das Coordenadas
Erros das medidas GPSErros das medidas GPS
Erros do relógio do satélite
Atmosfera
Multitrajetória ou Multicaminhamento
Erros de recepção
Disponibilidade Seletiva - SA (Selective Avaibility)
Anti-spoofing (AS)
Diluição da Precisão (DOP)
HDOP: Para o posicionamento horizontal
VDOP: Para o posicionamento vertical
TDOP: Para a determinação do tempo
PDOP: Para o posicionamento tridimensional.
RDOP: Para o posicionamento relativo (relative)
Valores de PDOP
< 4 – ótimo
4 < PDOP < 6 – aceitável
6 < PDOP < 8 – compromete o resultado
> 8 – inaceitável para posicionamento
(geodésico ou topográfico)
Tipos de receptores GPSTipos de receptores GPS Os receptores + baratos
– posicionamento em tempo real sem correção– baseado somente no código C/A – precisão SPS da ordem de 20 m na horizontal e
40 m na vertical
Receptores usam para suas soluções a observação da fase da portadora, em vez da pseudodistância são mais precisos e apresentam como resolução comprimento de onda da portadora com valores bem inferiores.
Classificação dos ReceptoresClassificação dos Receptorespelo tipo de dadopelo tipo de dado
- Código C/A
- Código C/A e portadora L1
- Código C/A e portadoras L1/L2
Principais componentes Principais componentes dos receptores GPSdos receptores GPS
Antena com pré-amplificador; Unidade de alta freqüência para sintonizar os
sinais provenientes de diversos satélites, de preferência simultaneamente e com canais independentes;
Unidades capacitadoras para receber os códigos dos satélites, para fins de identificação, obtenção das efemérides, sinais de tempo, catálogo, etc;
Osciladores internos de alta precisão;
Porta de entrada e saída de dados;
Fonte de energia própria, por bateria, e ou externa,
via rede domiciliar;
Memória residente para armazenamento dos dados
de rastreamento.
Interface com o usuário, painel de exibição de
comandos;
Métodos de PosicionamentoMétodos de Posicionamento
Posicionamento por Ponto ou Absoluto
Posicionamento Diferencial (DGPS)
Posicionamento Relativo
Classificação quanto à Classificação quanto à mobilidade do receptor:mobilidade do receptor:
Estático
– receptores base e remoto ficam estacionados
– dependendo do comprimento da base a ser medida e da precisão que se quer alcançar
Cinemático– permite a movimentação do receptor remoto;
– período de tempo maior no ponto inicial,
visando determinar as ambigüidades;
– fator restritivo - cycles slips (perda
momentânea do sinal de um ou mais satélites)
Em Tempo Real
Pós-processado
Correção do Posicionamento
Redes de Monitoramento Redes de Monitoramento ContínuoContínuo
Rede Brasileira de Monitoramento
Contínuo do Sistema GPS (RBMC – IBGE)
Rede INCRA de Bases Comunitárias
Rede de Rádio Faróis da Marinha
Redes SIGHT e Santiago & Cintra
RBMC - IBGE
RIBaC - INCRA
Rede de Rádios Faróis da Marinha
RINEXRINEX
Cada fabricante tem seu formato binário proprietário para os dados GPS
Dados diferentes não podem ser processados juntos num mesmo programa
Criado formato único: Receiver Independent Exchange Format - RINEX (Formato de Intercâmbio Independente de Receptor)
RINEX RINEX (continuação)(continuação)
Visa intercâmbio de dados Composto por três arquivos ASCII:
– um arquivo de observações– dados meteorológicos (opcional)– mensagem de navegação
RINEX 2 – versão mais completa Programas disponíveis na internet
http:\\www.unvaco.ucar.edu
Outros Sistemas de Outros Sistemas de Posicionamento por SatélitePosicionamento por Satélite
GLONASS– GLONASS - GLObal NAvigation Satelitte System– Sistema Russo equivalente ao GPS– 3 planos orbitais com 8 satélites cada ( 24 satélites)– Altura 19.000km; período 11:15h– Satélites transmitem em freqüências diferentes:– L1 = 1602MHz + N 0.5625MHz– L2 = 1246MHz + N 0.4375MHz (N: canal)– SA não implementada
– TUC GLONASS diferente da TUC GPS– Datum PZ90 (Parametros Zemli 1990)
GALILEO
– GNSS (GLOBAL NAVIGATION SATELLITE SYSTEM)
– União Européia– Controle Civil– Compatível com GPS e GLONAS– 4 portadoras da Banda L– Em fase de desenvolvimento
ALGUMAS ORIENTAÇÕES NO USO DO GPSALGUMAS ORIENTAÇÕES NO USO DO GPS
Os receptores GPS foram concebidos para funcionar quando não existirem barreiras entre os satélites e a antena do receptor
Quando existem barreiras entre o receptor e os satélites, há degradação ou interrupções dos sinais.
O aparelho a ser utilizado vai depender da precisão necessária para o trabalho
O erro na altitude é 150% maior do que o erro na determinação da latitude e longitude
Os receptores utilizam internamente o sistema WGS 84 e podem exportar os dados em diversos outros sistemas.
O usuário deve ter o cuidado de registrar os pontos nas coordenadas e DATUM usados no projeto em trabalho.
Quando os Estados Unidos ativam o erro SA, a precisão da determinação de pontos absolutos pode chegar a 100m.
Na determinação de divisas de propriedades, talhões, canais de irrigação, construções, poços e etc. o posicionamento absoluto não satisfaz às necessidades de precisão, neste caso deve-se utilizar o DGPS
Os dados armazenados no receptor podem ser utilizados para alimentar Sistemas de Informações Geográficas ou Mapeamento Digital de forma precisa, rápida e extremamente barata
Conhecendo-se as coordenadas de pontos de interesse pode-se preparar uma rota na qual o GPS auxilia o navegador a chegar a diversos lugares.
No mundo atual o GPS é utilizado desde grandes trabalhos científicos até momentos de lazer.
OBRIGADA!
www.ibge.gov.br