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Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto
Sistema GPS
Projeto FEUP 2013/2014 Engenharia Eletrotécnica e de Computadores:
Cordenador geral: Armando Sousa Coordenador de curso: José Nuno Fidalgo
Equipa B:Supervisor: Sílvio Abrantes Monitor: Pedro Ferreira
Estudantes & Autores:
João Pires [email protected] Pedro Miguel Rodrigues [email protected]
Pedro Adegas [email protected] Sebastião Cunha Reis [email protected]
Vasco Campos [email protected]
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ResumoCom efeito, a descoberta do sistema GPS contribuiu para um aumento da qualidade de
vida em muitas áreas fundamentais para um bom equilíbrio da sociedade. Com o objetivo de
demonstrar e especificar o seu contributo tecnológico, o nosso grupo de trabalho no âmbito
da disciplina Projeto FEUP realizou este relatório, esperando assim que os seus leitores
fiquem elucidados relativos ao tema “O Sistema GPS”.
Procuramos, através de explicações breves e concretas destacar a importância do
contributo do GPS nos mais diversos campos. Começaremos por responder à pergunta “O
que é o GPS”, onde explicaremos do que se trata este complexo e sofisticado recurso
tecnológico. Também a história desta descoberta será apresentada de uma maneira sucinta
devido à elevada importância histórica. Em seguida, explicaremos, através de uma síntese,
do funcionamento do sistema de triangulação bem como todos os restantes processos
essenciais para o seu correto uso.
Abordaremos os seus componentes fundamentais, espacial, controlo, e utilizador. Também
as suas aplicações serão enunciadas tendo em conta a sua importância económica e
social, destacandose o seu uso na cartografia,para fins militares,na navegação marítima,
aérea e terrestre.
É evidente a disparidade entre o modo de vida do passado e do presente, de facto,
representa uma descoberta revolucionária que está em continuo crescimento evolutivo, e por
isso ser tão importante a criação deste relatório.
Palavras-ChaveSatélites GPS; Receptores GPS; Sistema de Triângulação; Navegação; Mapeamento;
Eficiência ; Precisão
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Índice
1. Introdução……………………………………………………………………………………4
2. Sistema GPS………………………………………………………………………………..5
2.1 O que é o Sistema GPS?........................................................................................5
2.2 Evolução histórica do GPS…………………………………………………………...6
2.3 Constituição do Sistema GPS………………………………………………………..7
2.3.1 Segmento Espacial……………………………………………………………...7
2.3.2 Segmento de Controlo…………………………………………………………..7
2.3.3 Segmento do Utilizador………………………………………………………….8
2.4 Como funciona?.......................................................................................................9
2.4.1 Método da Triangulação………………………………………………………...9
2.5 Aplicações do Sistema GPS………………………………………………………...10
2.5.1 Mapeamento…………………………………………………………………….11
2.5.2 Uso Militar do Sistema GPS…………………………………………………...11
2.5.3 Navegação Aérea………………………………………………………………12
2.5.4 Navegação Marítima……………………………………………………………13
2.5.5 Navegação Terrestre…………………………………………………………..13
2.6 Futuro e progresso……………………………………………………………………14
3. Conclusões…………………………………………………………………………………15
4. Agradecimentos…………………………………………………………………………….16
5. Referências bibliográficas………………………………………………………………....17
6. Anexo de imagens………………………………………………………………………….18
7. Anexo de tabelas…………………………………………………………………………...23
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1. Introdução
O Sistema GPS é uma das últimas grandes invenções do Homem, de facto assumiu
esse papel com tal importância que nos dias de hoje é quase impossível viver sem ele, seja
para uso doméstico, comercial e inclusive governamental.
Nem sempre assim foi, nos seus primórdios de utilização, este Sistema estava restrito a
uma pequena parte da população, o sistema de defesa dos E.U.A. Estes criaramno ainda
nos anos 60, como mecanismo de defesa.
Com a evolução dos anos o GPS tornouse de uso público e aí teve um enorme
crescimento não só a nível tecnológico como principalmente a nível social, de repente, toda a
gente começou a utilizar este sistema.
Com uma população de utilizadores em continuo crescimento, o GPS tem passado por
vários processos inovadores, continuando ainda hoje em evolução, estando previstos para
os próximos anos a introdução de novos sistemas tais como o Galileo, COMPASS, IRNSS.
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2. Sistema GPS
2.1 O que é o Sistema GPS?
O GPS (Global Positioning System Sistema de Posicionamento Global) surgiu como
resultado de uma intensa pesquisa por parte do Departamento de Defesa dos Estados
Unidos, no qual se registou um grande progresso científico. Tratase de um sistema,
composto por satélites e dispositivos recetores, que recolhe informação acerca do
posicionamento e do tempo, o que permite uma navegação precisa e contínua em todo o
planeta, em tempo real.
Para uma informação precisa sobre a posição na Terra usase como referência o
equador e o meridiano de Greenwich, traduzindo as coordenadas em três números: a
latitude, a longitude e a altitude.
A latitude é a distância ao Equador medida ao longo do meridiano de Greenwich. Esta
distância medese em graus e varia entre os 0º e os 90º Norte ou Sul.
Figura 1 Latitude.
A longitude é a distância ao meridiano de Greenwich medida ao longo do Equador. Esta
distância medese em graus e varia entre os 0º e os 180º Este ou Oeste.
Figura 2 - Longitude.
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A altitude é a distância, medida em metros e na vertical, entre o nível médio da água do
mar e um dado lugar. É positiva quando o local se encontra acima do nível médio da água do
mar e negativa quando se encontra a baixo deste.
Figura 3 Altitude.
2.2 Evolução histórica do GPS
A primeira operação de lançamento de um satélite artificial para o espaço foi levada a
cabo pela União Soviética no ano de 1957. Em resposta a esta iniciativa, os EUA surgiram
com uma nova criação, em 1960, o sistema GPS. Mas este era apenas um modelo de teste,
e o sistema só ficou totalmente operacional em 1995 como resultado de vários ajustes e
correções. Nesta altura era utilizado somente para fins militares, e só mais tarde abrangeu a
restante população, tornando este sistema de uso civil e livre. Com o passar dos anos houve
uma globalização do sistema GPS, que se tornou uma ferramenta do uso quotidiano,
acessível a todos.
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2.3 Constituição do Sistema GPS
Para um correto funcionamento do Sistema GPS é necessário a correlação entre
três componentes, chamados de: espacial, controlo e o utilizador.
2.3.1 Segmento Espacial
O segmento espacial, ou também designado por subsistema de satélites é
constituído por 24 satélites que orbitam em torno da Terra com um período de 12h. Estes
enviam sinais de rádio das suas posições, a aproximadamente 20200km de altitude. Cada
satélite, ao estar a esta altitude, é capaz de abranger uma vasta área da superfície terrestre,
o que permite que cada recetor do GPS consiga obter informação de pelo menos 4 satélites
em qualquer ponto da Terra, sendo este o número necessário para efetuar uma localização
precisa.
Figura 4 Segmento espacial.
2.3.2 Segmento de Controlo
O segmento de controlo é constituído por várias estações terrestres. Aqui os
movimentos em órbita dos vários satélites de GPS são controlados e corrigidos, assim
como o tempo é atualizado com bastante precisão. Estas correções e atualizações
efetuadas nas estações são enviadas aos satélites para que estes possam recalcular e
corrigir a sua posição absoluta, tornando mais fiável a informação que é enviada para a
Terra.
Neste momento a operação de controlo é feita a partir de uma estação principal,
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situada em Colorado Springs nos EUA. Para além desta existem mais 12 estações de
comando e controlo das antenas, e ainda 16 locais de monitorização.
Figura 5 Localização das estações de controlo.
2.3.3 Segmento do Utilizador
O segmento do utilizador é constituído por um recetor de rádio com uma unidade de
processamento capaz de descodificar em tempo real a informação enviada por cada satélite
e capaz de calcular a sua posição exata ao longo do tempo.
De acordo com o tipo de utilizador (civil ou militar) os sinais dos vários satélites podem ser
descodificados de acordo com o fim em vista. Existem essencialmente dois modos de
descodificação do sinal GPS, o modo Preciso (para uso militar) e o modo Standard ( para
uso civil):
Modo preciso Modo Standart
Precisão na latitude e longitude 22m 100m
Precisão na altitude 27.7m 156m
Precisão no tempo 200 nanosegundos 340 nanosegundos
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No caso do sinal de GPS, este é armazenado em computador e processado
posteriormente com dados cruzados pedidos às estações de controlo fixas (segmento fixo).
Com este processo, os erros sistemáticos são eliminados e a precisão do GPS pode
chegar a ser da ordem de 1 metro. Isto é bastante útil em trabalhos de cartografia em que as
coordenadas espaciais são fixas no tempo.
2.4 Como funciona?
Os satélites GPS enviam sinais através de ondas eletromagnéticas para os
recetores existentes na terra. Esses sinais, demoram um determinado intervalo de tempo a
percorrer a distância satéliterecetor.
Os recetores GPS que se encontram na Terra possuem informação do momento
exato em que os satélites enviam os sinais.
Para calcular a distância entre o satélite e o recetor aplicase a fórmula: c=d/Δt, sendo c=300 000 km/s (velocidade de propagação da luz), d a distância e Δt o intervalo de tempo que o sinal demora a chegar desde o satélite e o recetor.
2.4.1 Método da Triangulação
É a partir do método da triangulação que podemos descobrir a posição exata de um local
na superfície terrestre através do sistema GPS.Com o auxílio da figura 6, vamos explicar
melhor este processo.
O satélite A, envia os sinais eletromagnéticos para o recetor que se encontra no ponto P.
Este, calcula a distância entre si e o recetor (da). Com isto, o recetor P poderia encontrarse
em qualquer ponto da circunferência, sendo, então, precisa a informação traduzida por outro
satélite.
O satélite B irá repetir o mesmo procedimento efetuado pelo satélite A, calculando assim
a sua distância ao ponto P (dB). Nesta situação as duas circunferências encontramse em
dois pontos, o que faz com que ainda seja necessária a presença de um novo satélite para
tornar a informação fiável e precisa.
Com o satélite C, que vai calcular a distância ao recetor (dc), faz com que as três
circunferências se intersetem em apenas um ponto. Esse ponto é a localização exata do
recetor P.
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Este método com os três satélites é possível na teoria, porém na prática poderia causar
enormes erros.
Para a informação ser credível é necessário que os relógios atómicos presentes nos
satélites estejam sincronizados, pois só assim, os valores obtidos nas distâncias estarão
corretos. Com isto é necessária a presença de um quarto satélite, que vai servir de
referência aos outros satélites. Este satélite é responsável pelo acerto dos relógios
atómicos, e por isto é denominado como satélite de referência.
Figura 6 Método da triangulação
2.5 Aplicações do Sistema GPS
Assim como a Internet, o sistema GPS é um elemento fundamental na infraestrutura
da informação global. O GPS permitiu o desenvolvimento de milhares de aplicações,
afetando todos os aspectos da vida quotidiana. A tecnologia do GPS é essencial em
diversas áreas, com principal destaque para as áreas de mapeamento, militar, navegação
marítima, aérea e terrestre.
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2.5.1 Mapeamento
A área cartográfica foi uma das primeiras a tirar proveito do sistema GPS porque este
provocou um aumento drástico no seu rigor, facilitando a leitura e construção de mapas.
Qualquer organização ou agência pode beneficiar da eficiência e da produtividade
proveniente dos aparelhos GPS.
Figura 7 Mapeamento
“A single surveyor can now accomplish in one day what once took an entire team weeks
to do.”
2.5.2 Uso Militar do Sistema GPS
O sistema GPS é critico para a segurança nacional de qualquer país, e as suas
aplicações estão presentes em massa em qualquer operação militar e de controlo espacial.
Qualquer unidade militar está hoje equipada com os mais diversos aparelhos GPS. Entre
aviões, navios, bombas e escudos de artilharia, pelo menos 100 sistemas de defesa dos
Estados Unidos dependem deste sistema.
Os sistemas GPS militares são responsáveis pelo aumento da precisão das armas,
diminuindo o número de artilharia e militares necessários para eliminar um alvo ou concluir
as missões. É usado também para localizar as unidades de patrulhamento no terreno e
permite aos soldados movimentaremse durante a noite ou em condições meteorológicas
adversas, como as tempestades de areia, frequentes em países como o Iraque e
Afeganistão.
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Figura 8 GPS uso militar
2.5.3 Navegação AéreaEm qualquer navegação aérea é usada o sistema GPS de modo a incrementar uma
maior segurança e eficiência do voo graças ao acesso a imagens de controlo em três
dimensões das áreas e percursos ao longo da viagem aérea. Nova rotas, mais favoráveis e
eficientes permitem a reserva de combustível, tempo e dinheiro. Em algumas regiões do
mundo onde as condições atmosféricas são desfavoráveis, os sinais de satélites permitem
a organização do tráfego aéreo, bem como a sua descolagem e planagem precisa e segura.
Fig 9 Navegação aérea
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2.5.4 Navegação MarítimaO sistema GPS possibilitou uma melhoria muito significativa nas operações marinhas,
principalmente nas operações de pesquisa e de salvamento. Possibilitou a utilização de
métodos mais rápidos e precisos para a determinação exata da localização e da velocidade
das embarcações, facilitando ainda a escolha da rota mais rápida e mais segura a tomar, o
que aumentou os níveis de eficiência e de segurança das navegações. Permitiu também
uma gestão mais eficiente dos portos, através do conhecimento atempado das
embarcações que se aproximam e que pretendem atracar.
2.5.5 Navegação TerrestreA avaliação e precisão do GPS resultou num aumento da eficiência e segurança para
veículos usando autoestradas, ruas e sistemas de transito.
Muitos dos problemas associados ao transporte de cargas foi bastante reduzido ou
mesmo eliminado com a ajuda do sistema GPS. Isto também se aplicou na manutenção de
estradas e veículos de emergência.
“The promise of GPS technology for increasing safety and sucing congestion, and
improving efficiency are limitless. Quite simply, GPS has become the enabling technology
for transportation.” Jeffrey N. Shane, Former Under Secretary for Policy, U.S. Department of
Transportation
Figura 10 Navegação Terrestre
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2.6 Futuro e progresso
Modernizações no atual sistema de posicionamento global são realizadas
constantemente, sendo que novas gerações de satélites têm sido lançadas para substituir
os primeiros equipamentos em órbita, além de serem implementadas novas tecnologias no
segmento de controlo.
Além do GPS, vários outros aparatos de posicionamento por satélites estão em
operação, incluindo o GLONASS da Rússia e o Beidou da China, mas estes são menos
utilizados pelo meio civil, seja por falta de padronização ou por cobrirem uma área mais
limitada.
Na Europa foi lançado a 26 de março de 2002 o Galileo, projeto que está a criar um
sistema europeu de navegação por satélite. Com este sistema os EstadosMembros da
União Europeia não estarão dependentes do sistema norteamericano (GPS). Apesar do
investimento de aproximadamente 3.6 mil milhões de euros, criará mais de 100 mil postos
de trabalho. Este também permitirá o desenvolvimento de projetos como o projeto Pernasvip,
que dará aos deficientes visuais uma mobilidade autónoma e segura através de um sistema
de guia vocal que usa como referência o posicionamento do utilizador, ou o projeto Modis,
que permitirá às famílias de pessoas idosas, ou com a doença de Alzheimer, encontrálas e
comunicar com os serviços de segurança em caso de emergência. Após alguns atrasos,
calculase que o Galileo esteja operacional no fim de 2014 mas a infraestrutura completa só
será finalizada depois.
Figura 11 Futuro e progresso
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3. Conclusão
Com a elaboração deste trabalho, podemos concluir que o Sistema GPS está tão
intrínseco na sociedade que neste momento seria deveras imprescindível para a vivência do
atual quotidiano.
As vantagens que são fornecidas pelos aparelhos de GPS são muitas e variadas,
oferecendo uma maior produtividade global e melhores condições para as diversas áreas
industriais e empresariais.
Desde o aumento da eficácia e precisão na localização e navegação à elaboração de
mapas e construção de estradas e outras infraestruturas, o GPS apresentase como
fundamental.
Respondendo ao problema inicial: “Será o GPS uma ferramenta indispensável ao ser
humano?”, é possível agora, após a realização deste projeto, afirmar com certeza e
convicção que a sociedade seria significativamente diferente sem esta grande invenção.
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4. Agradecimentos
Agradecemos a todos, que direta ou indiretamente contribuíram para a elaboração deste
trabalho, com especial importância ao supervisor Sílvio Abrantes e ao monitor Pedro
Ferreira, pela ajuda e conselhos que ao longo da realização do trabalho foram essenciais
para concluirmos este projeto.
Também não poderíamos esquecer a importância que a Faculdade de Engenharia da
Universidade do Porto teve, por todos os serviços disponibilizados, assim como todos os
restantes intervenientes que através de palestras nos transmitiram informação
indispensável.
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5. Referências bibliográficas
GPS.GOV “Official U.S. Government information about the Global Positioning System
(GPS) and related topics” . Acedido a 3 de Outubro de 2013. http://www.gps.gov/
TomTom Como funciona o GPS. Acedido a 3 de Outubro de 2013.
http://www.tomtom.com/howdoesitwork/
Carlos Correia. Sistema GPS[pdf]. 2003. Acedido a 5 de Outubro de 2013
http://paginas.fe.up.pt/~hmiranda/st2/galileu.pdf
Garmin What is GPS?. Acedido a 13 de Outubro http://www8.garmin.com/aboutGPS/
Montana State UniversityBozeman Department of Land Resources and Environmental
Sciences. Understanding the Global Positioning System (GPS). Acedido a 13 de Outubro
http://www.montana.edu/gps/understd.html
Maria Elisa Arieiro , Carlos Corrêa , Fernando Pires Basto e Noémia Almeida. 2012.
Preparação para o Exame Nacional 2012 Física e Química. Porto Editora
(http://www.gps.gov/applications/survey/) citação do mapeamento
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