Introducao - GPS

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1 O GPS E AS GEOTECNOLOGIAS
Antes de continuarmos propriamente o assunto GPS vamos procurar esclarecer algumas dúvidas que temos percebido durante os cursos que ministramos. Trata-se da definição e do inter-relacionamento entre alguns segmentos das geotecnologias. Neste capítulo pretendemos prestar alguns esclarecimentos, embora de modo superficial e muito resumido, sobre quatro destes segmentos: geoprocessamento, Sistema de Informações Geográficas (SIG), GPS e sensoriamento remoto.
Definimos o geoprocessamento como sendo o conjunto de ferramentas computacionais (softwares e equipamentos), que propicia o desenvolvimento e implantação dos SIGs. Portanto, os softwares de geoprocessamento, entre eles o SPRING, o ArcView, o ArcInfo, o MGE, etc, definidos como SIGs, na verdade não são. Trata-se apenas de ferramentas de geoprocessamento, (o “apenas” é usado somente no sentido restritivo pois são excelentes ferramentas). SIGs são os produtos gerados por estas ferramentas. Por meio delas pode-se desenvolver todo tipo de SIG: Sistema de Informações Geográficas do Meio Ambiente, Sistema de Informações Geográficas da Malha Viária Brasileira, Sistema de Informações Geográficas doAgronegócio, Sistema de Informações Geográficas de Monitoramento da Dengue, e por diante. Estes sim são SIGs. Todos eles têm bancos de dados, características e informações próprias e específicas. Os softwares de geoprocessamento existem independentemente da existência de informações, portanto não são Sistemas de Informações Geográficas. Poderíamos até dizer que os softwares de geoprocessamento estão implícitos nos SIGs como o componente lógico dos mesmos, mas isoladamente esses softwares não são SIGs.
Este conceito não é inédito, ele sempre existiu na informática. As ferramentas computacionais da informática sempre viabilizaram o desenvolvimento e implantação dos Sistemas de Informações: Sistema de Informações de Recursos Humanos, Sistema de Informações de Controle de Estoque, Sistema de Informações Previdenciárias, etc. Todos eles, assim como os SIGs, são constituídos de bancos de dados e informações específicas. Os softwares, equipamentos e linguagens que propiciam o desenvolvimento e implantação destes Sistemas sempre foram e continuam sendo ferramentas, e nunca Sistemas de Informações. Por analogia, os softwares de geoprocessamento também não são SIGs. Geoprocessamento é informática, uma informática especializada para tratar adequadamente informações espacializadas.
Uma instituição ou uma entidade qualquer pede ter geoprocessamento sem, no entanto, ter SIG algum.
No âmbito operacional vale ressaltar que, entre outras funções, o geoprocessamento possibilita integrar, em um só sistema, informações espacializadas (mapas) e informações convencionais (bancos de dados alfanuméricos). Uma característica que distingue bastante o geoprocessamento da informática convencional são suas funções topológicas. Tais funções permitem realizar operações de pertinência, proximidade e interseção entre os elementos de mapas distintos. Exemplos: quais rodovias cruzam um determinado rio; quais armazéns estão a um distância menor que 100 km de uma agroindústria, etc. Os mapas podem ser sobrepostos em camadas, veja figura abaixo, permitindo uma visualização integrada dos vários planos de informação. Em inglês esses planos são conhecidos por layers.
Uma vez implantados, os SIGs com o suporte do geoprocessamento proporcionam inumeráveis aplicações no ambiente geoespacializado. Um SIG do Agronegócio, por exemplo, permite mapear as regiões produtoras identificando o quê, quanto, quando e onde serão colhidos os principais produtos agrícolas; acessar e mapear os municípios que produzem acima de um determinado volume /ano, onde ficam os armazéns e as agro-indústrias, para onde deverá ser escoada a produção em função das demandas regionais e internacionais, quais são as rotas mais adequadas para o escoamento, cruzar mapas meteorológicos e regiões produtoras, e assim por diante. Um SIG do Meio Ambiente permite localizar e quantificar focos de queimadas; mapear áreas desmatadas e sua evolução temporal; mapear áreas de preservação identificando sua cobertura vegetal, corpos d’água e outras feições terrestres; monitorar o rastreamento de animais; localizar pontos de lançamento de dejetos e materiais poluentes nos rios, lagos e oceano; auxiliar no manejo sustentável dos recursos naturais; e muitos outras potencialidades. Um SIG para aplicações urbanas pode auxiliar em praticamente todas tarefas da administração municipal: mapeamento de áreas de risco de inundações, assoreamento e deslizamento de encostas, impróprias portanto, para edificações; cadastramento de imóveis, avaliação e controle do IPTU; mapeamento das redes de água, esgoto, elétrica, telefônica e viária; cruzamento de mapas para derivação de outros mapeamentos como identificação das ruas asfaltadas onde ainda não exista rede de esgoto; gerenciamento de infra-estruturas da saúde e da educação, mapeando as demandas por serviçoes de saúde, localizando os hospitais, postos de saúde e escolas, identificando áreas deficitárias destes serviços; e uma infinidade de outras aplicações. São poucas as áreas de atividades humanas relacionadas ao geoespaço não beneficiadas com o uso de SIGs. Há quem diga que em futuro próximo todos os Sistemas de Informações serão Geográficos. Um exemplo: um cadastro de empregados de uma empresa poderia ter as coordenadas geográficas da residência dos funcionários, o que poderia auxiliar, por meio de um SIG, na otimização do transporte dos mesmos. Enfim o geoprocessamento, através dos SIGs, vem provocando uma revolução nos Sistemas de Informações. Os objetos e feições terrestres no ambiente SIG podem, a grosso modo e dependendo da escala, ser representados por
meio de:
· pontos – para elementos pontuais como: uma árvore, uma ponte, um silo, um poste, um foco de incêndio etc;
· linhas – para elementos lineares: um rio, uma estrada, uma linha de transmissão de energia, etc;
· polígonos – para áreas fechadas: uma propriedade agrícola, um município, um lago, uma área com possibilidades de chuva, etc, (polígonos são também considerados linhas fechadas);
· imagem – para representação de feições superficiais contínuas e variáveis no espaço: cobertura vegetal, solos, relevo contínuo (modelo numérico do terreno), etc.
No ambiente computacional, pontos, linhas e polígonos são armazenados em arquivos digitais, cujos formatos de arquivo são denominados de estrutura vetorial. As imagens constituem os arquivos digitais matriciais também conhecidos por estrutura raster.
Nesse contexto entram em cena o GPS e o sensoriamento remoto. O GPS é na atualidade o instrumento mais eficiente para coleta de informações espacializadas pontuais, lineares e poligonais. É a tarefa conhecida como georrefenciamento. Georreferenciar os pés de pequi em um cerrado, significa obter as coordenadas geográficas de cada uma das árvores; georreferenciar um curso de água, consiste em percorrê-lo coletando toda a rota; georreferenciar uma lavoura consiste delinear seus limites formando um polígono. São tarefas típicas para uso de GPS. Todos os dados coletados por meio do GPS são convertidos em arquivos vetoriais que alimentam os SIGs, (arquivos vetoriais são estruturas de arquivos digitais que possibilitam armazenar dados de objetos pontuais, lineares e poligonais). O GPS pode ser definido como ferramenta de coleta de dados para os SIGs, mas não apenas isto, o GPS é também utilizado para fins de navegação. Por exemplo, um pescador na Serra da Mesa que se desloca por um labirinto de ilhas, a uma rasoável distância de seu acampamento, pode, em caso de se perder, encontrar seu caminho de volta com ajuda de um GPS, sem nunca ter ouvido falar em SIG ou geoprocessamento.
Apenas para ilustrar pode-se dizer que, em termos de utilidade, o GPS está para o geoprocessamento assim como o sistema de código de barras está para o processo de controle de estoques e preços. Embora para aplicações totalmente diferentes, a finalidade é a mesma:coletar dados para atualização dos Sistemas de Informações, Geográfico no caso do GPS e Convencional (controle de estoque, preços e venda de produtos) no caso do código de barras.
O sensoriamento remoto, outro importante segmento das geotecnologias, possibilita a obtenção das imagens, sejam a partir de satélites orbitais ou de aeronaves. O SR pode ser definido como o processo de captação de informações dos fenômenos e feições terrestres, por meio de sensores, sem contato direto com os mesmos. No contexto dos SIGs, o SR da mesma forma que o GPS, pode também ser considerado como uma ferramenta de coleta de dados. As imagens disponibilizadas pelo SR têm viabilizado aplicações em inúmeras áreas tais como agricultura, meio ambiente, recursos hídricos, florestas, geologia, energia, meteorologia, etc. É importante mencionar que em alguns casos o SR pode se beneficiar dos recursos do GPS e do próprio geoprocessamento, como por exemplo, nos processos de registro e correção geométrica de imagens.
2 – INTRODUÇÃO AO GPS
O NAVSTAR GPS (NAVigation System with Time And Ranging - Global Positioning System) é um sistema de rádio navegação por satélite que fornece, a usuários que possuam equipamento apropriado, coordenadas precisas de posicionamento tridimensional e informação sobre a navegação e o tempo. Traduzido para o Português, o Sistema de Posicionamento Global também é conhecido como Sistema de Posicionamento por Satélite. Foi desenvolvido pelo Departamento de Defesa dos Estados Unidos da América – DoD (Departmento of Defense), com o propósito de ser o principal sistema de navegação das forças armadas americanas. Em razão da alta acurácia proporcionada e do alto nível tecnológico embutido nos aparelhos receptores GPS, uma grande comunidade de usuários do sistema, surgiu dos mais variados segmentos do meio civil, (navegação, posicionamento geodésico, agricultura, meio ambiente, controle de frotas, etc.)
Como o nome sugere, o GPS é um sistema de abrangência global. Tem facilitado todas atividades que necessitam de posicionamento, permitindo que concepções antigas e que de certa forma ficaram estagnadas no tempo, pudessem ser colocadas em prática. Um exemplo disto, é o que vem ocorrendo com a agricultura de precisão, um conceito estabelecido por volta de 1929, que só agora vem sendo colocado em prática, graças à integração de várias geotecnologias, dentre elas o GPS.
A concepção do sistema GPS permite que um usuário, em qualquer ponto da superfície terrestre, ou próximo a ela, tenha sempre a disposição, no mínimo 4 satélites para serem rastreados, permitindo navegação em tempo real, sob quaisquer condições meteorológicas.
O princípio básico de navegação pelo GPS, é relativamente simples. Consiste na medida das distâncias entre o usuário a cada um dos satélites rastreados. Conhecendo-se as coordenadas dos satélites em um sistema de referência apropriado, é possível calcular as coordenadas da antena do receptor em terra, no mesmo sistema de referência dos satélites. Do ponto de vista geométrico, apenas três distâncias, não pertencentes ao mesmo plano, seriam suficientes para se determinar o posicionamento do usuário. Neste caso, o problema se reduziria à solução de um sistema de três equações a três incógnitas, coforme será detalhado em outra parte desta apostila. Uma quarta medida é necessária em razão do não sincronismo entre os relógios dos satélites e dos receptores em poder dos usuários, o que adiciona um incógnita ao problema. Toda esta questão envolvendo distâncias e tempo será esclarecida mais adiante.
O GPS disponibiliza dois tipos de serviços, conhecidos por: SPS (Standard Positioning Service – Serviço de Posicionamento Padrão) e PPS (Precise Positioning Service – Serviço de Posicionamento Preciso). O SPS é um serviço de posicionamento e tempo padrão que está disponível a todos usuários do globo, sem cobrança de qualquer taxa. O PPS proporciona melhores resultados, mas é restrito ao uso militar e a usuários autorizados.
Na verdade, o sistema sempre teve capacidade de propiciar bons níveis de acurácia, mas ao que tudo indica, isto não era de interesse do Departamento de Defesa Americano. O Sistema que foi originalmente projetado para uso militar, foi liberado para uso geral, em 1980, por decisão do então presidente Ronald Reagan. Na época, o DoD americano implantou um erro proposital no Sistema, com a finalidade de resguardar a segurança interna do país, uma vez que o GPS poderia ser utilizado, para fins militares, por nações inimigas. Dessa forma, a limitação da acurácia era imposta pela adoção dos recursos: AS (Anti-spoofing) e SA (Selective Availability – Disponibilidade Seletiva). O AS é um processo de criptografia de um dos códigos utilizados no GPS para realizar medidas de distâncias (denominado código P), visando proteger seu uso por usuários não autorizados. Pela SA ocorre manipulação das mensagens de navegação e da freqüência dos relógios dos satélites, implicando em erros de posicionamento da ordem de 100 a 140 m. Para grande surpresa e em benefício da comunidade de usuários, o processo de deterioração da acuracidade foi abolido à 0 h (zero hora, tempo universal), do dia 2 de maio de 2000, melhorando a acurácia de posicionamento em aproximadamente 10 vezes.
3 - SEGMENTOS DO GPS
O funcionamento do GPS é suportado por 3 segmentos principais: o Segmento Espacial, constituído pela constelação dos satélites e toda a tecnologia de comunicação de dados a partir dos mesmos; o Segmento de Controle, formado por um conjunto de estações terrestres onde funciona toda a inteligência e controle do Sistema; e, o Segmento de Usuários, constituído pelos receptores GPS e todos as técnicas e processos, empregados pelos usuários em suas aplicações. SEGMENTO ESPACIAL 
SEGMENTO DE CONTROLE
 SEGMENTO DE USUÁRIOS 
Os segmentos do GPS
3.1 – Segmento Espacial
3.1.1 – A constelação de satélites
O Segmento Espacial consiste de 24 satélites ativos, distribuídos em 6 órbitas elípticas (quase circulares), cujos planos orbitais são inclinados 55º em relação ao equador e espaçados longitudinalmente em 60º. Em cada órbita viajam 4 satélites, com defasagem de 90º ao longo da órbita, a uma altitude média de 20.200 km e período orbital de 12 horas siderais, que corresponde a aproximadamente 11h : 58 minutos do tempo solar médio. A velocidade tangencial do satélite é de aproximadamente 14.000 km/h. Neste movimento a posição dos satélites se repete a cada dia, 4 minutos antes da passagem do dia anterior. Essa configuração da constelação dos satélites garante que, no mínimo 4 satélites sejam visíveis, 24 horas por dia, em qualquer ponto da superfície terrestre. As figuras abaixo ilustram a constelação dos satélites e a distribuição dos mesmos nos planos orbitais.Equador
315º
270º
225º
180º
135º
90º
45º
0º
Constelação dos satélites GPS Distribuição orbital dos satélites GPS
3.1.2 – Os blocos de satélites
Originalmente quatro conjuntos de satélites fizeram parte do projeto NAVSTAR-GPS. São denominados satélites dos blocos I, II, IIA e IIR.
Os satélites do bloco I foram protótipos e todos os 11 satélites planejados foram lançados. O último deles foi desativado no final de 1995. Os blocos II e IIA (“A” refere-se a Advanced – avançado), têm juntos 28 satélites. Trata-se dos satélites operacionais, projetados para compor a configuração mínima de 24 satélites ativos. Em relação aos do bloco II, os satélites do bloco IIA, têm a capacidade de comunicação recíproca. Além disso, enquanto os satélites do bloco II podem armazenar 14 dias de dados de navegação, os do bloco IIA têm capacidade para até 180 dias. Os satélites destes dois blocos foram fabricados pela companhia Rockwell International. O primeiro satélite deste grupo pesava mais de 1.500 kg, a um custo unitário estimado em 50 milhões de dólares americanos. O sistema foi declarado operacional, em 27 de abril de 1995.
Os satélites do bloco IIR (“R” refere-se a Replenishment – reabastecimento), considerados a terceira geração de satélites GPS,substituirão, na medida em que for necessário, os satélites dos blocos II e IIA. Os satélites do bloco IIR têm alguns recursos adicionais comparados aos seus antecessores: capacidade de medir distância entre eles e de calcular efemérides (dados do posicionamento orbital), no próprio satélite, além de transmitir estas informações entre eles e para as estações de controle terrestre. O primeiro lançamento falhou, mas o segundo satélite lançado em 20 de julho de 1997, entrou em operação em 31 de janeiro de 1998. Os satélites deste bloco foram fabricados pela companhia Martin Marieta. Seu peso é superior a
2.000 kg, com custo unitário da ordem de 25 milhões de dólares americanos.
A quarta geração de satélites, e que substituirá os do bloco IIR, denomina-se bloco IIF (“F” refere-se a Follow-on – continuação), e será composta de 33 satélites. Esta geração deverá incorporar as futuras modernizações do sistema.
4.1.3 – O tempo GPS
Como será visto mais adiante, o sincronismo do tempo entre os relógios dos satélites e dos receptores, é de extrema importância no processo de posicionamento. Portanto, cada satélite carrega padrões de freqüência altamente estáveis (baseados nos pulsos atômicos do Césio e do Rubídio), com estabilidade entre 10-12 e 10-13 segundos por dia, constituindo uma referência de tempo extremamente precisa, denominada de tempo GPS. Os satélites dos blocos II e IIA estão equipados com dois osciladores atômicos de Césio e dois de Rubídio, enquanto os do bloco I eram equipados apenas com osciladores de quartzo, muito menos precisos. Os satélites do bloco IIR estão sendo equipados com osciladores de Rubídio, e os do bloco IIF poderão utilizar o MASER de hidrogênio (Microwave Amplification by Stimulated Emisson of Radiation), o que há de melhor nos dias atuais, em termos de padrão de freqüência.
4.1.4 – Identificação dos satélites
Existem alguns padrões de identificação dos satélites GPS, mas o mais utilizado é conhecido como PRN (Pseudo Random-Noise – em português poderia ser traduzido como ruído falsamente aleatório) ou SVID (Space Vehicle Identification
– identificação do veículo espacial). Este é o número que aparece no visor da maioria dos aparelhos receptores GPS, para identificar os satélites que estão sendo rastreados. Publicações e distribuição de informações técnicas sobre os satélites, inclusive na internet, normalmente utilizam o PRN como identificador.
4.1.5 Os sinais transmitidos
4.1.6 O sinais transmitidos pelos satélites, também denominados de observáveis, têm estrutura complexa em razão da necessidade de segurança, mantendo as transmissões livres de interferência ou acesso indevido, fundamentais em se tratando de um sistema de uso militar.
Cada satélite transmite duas portadoras, (ondas senoidais), denominadas L1 e L2. São geradas a partir da freqüência fundamental de 10,23 MHz que multiplicadas por 154 e 120, respectivamente, dão origem as seguintes freqüências e comprimentos de onda:
L1 = 1575,42 MHz e comprimento de onda = 19 cm
L2 = 1227,60 MHz e comprimento de onda = 24 cm
O sinais GPS devem ser entendidos como um conjunto de informações, transportado pelas ondas portadoras. Este conjunto de informações pode ser identificado e captado pelos receptores GPS que estejam situados em local onde não haja obstáculo em linha direta para o satélite.
As duas freqüências acima são geradas simultaneamente, permitindo eliminar, quase que totalmente, os efeitos decorrentes da refração ionosférica. Mais adiante este assunto será abordado mais detalhadamente.
4.1.7 – Códigos e mensagens transmitidas
Os códigos que formam o PRN são modulados, em fase, sobre essas duas portadoras. Essa técnica permite realizar medidas de distâncias a partir da medida do tempo de propagação da onda, do satélite ao receptor. Um PRN é um seqüência binária de +1 e –1, ou 0 e 1, que parece ter característica aleatória, mas por ser gerado através de um algoritmo, pode ser univocamente identificado. Os códigos do PRN são basicamente o código C/A (Coarse Aquisition – fácil aquisição) e o código P (Precise ou Protected – preciso ou protegido).
O código C/A faz parte de uma família de códigos, que tem como característica básica a baixa correlação entre seus membros, (cada satélite tem seu código). Isto possibilita a rápida distinção dos sinais recebidos simultaneamente de vários satélites, pelos receptores. Este código é modulado somente sobre a onda portadora L1. É a partir do C/A que os usuários civis obtêm as medidas de distâncias que permitem o posicionamento com a acuracidade estipulada no SPS (Standard Positioning Service). Ele não é criptografado, embora possa ter eventualmente sua precisão novamente degradada, como acontecia até maio de 2000.
O código P tem sido reservado para uso dos militares americanos e dos usuários autorizados e possibilita posicionamentos mais precisos que aqueles realizados por meio do código C/A. O código P é modulado nas portadoras L1 e L2, sendo único para cada satélite, podendo assim ser identificado, embora todos os satélites transmitam na mesma freqüência. Este código é criptografado quando o sistema está operando no modo AS (Anti-spoofing - anti-fraude), passando a ser denominado código Y, não disponível para usuários civis. Trata-se de ma versão segura do código P. O propósito principal é evitar que inimigos consigam fraudá-lo, mediante geração de uma réplica do mesmo. Somente usuário autorizado tem acesso às informações desta estrutura de código.
Além dos códigos C/A e P as portadoras levam aos receptores, a mensagem de navegação, também conhecida como efemérides. Esta mensagem tem essencialmente a função de informar, ao receptor, a posição do satélite a cada instante. Cada satélite transmite sua própria mensagem de navegação, previamente processada pelo Segmento de Controle Terrestre, e injetada várias vezes ao dia em cada satélite.
Uma vez conhecidas as posições dos satélites, torna-se possível determinar as coordenadas do local onde se encontra o usuário, desde que sejam conhecidas também, a distância do receptor a cada um dos satélites, a um dado instante. Além dos parâmetros orbitais ( elementos keplerianos e suas variações), integram também a mensagem de navegação: os elementos essenciais a correções devidas as interferências meteorológicas, coeficientes de ajuste do relógio do satélite, ao tempo GPS. Entre estes dados, existe um conjunto de informações denominado almanaque que propicia ao receptor calcular as posições aproximadas dos satélites, mesmo daqueles que não estejam sendo rastreados.
4.2 – Segmento de Controle
As principais tarefas do segmento de controle são:
· monitorar e controlar continuamente o sistema de satélites;
· determinar o sistema de tempo GPS;
· predizer as efemérides dos satélites, calcular as correções dos relógios dos satélites; e
· atualizar periodicamente as mensagens de navegação de cada satélite.
O sistema de controle, (figura 4.4), é composto de: 1 estação de controle central (MCS – Master Control Station), localizada em Colorado Springs, Colorado; 5 estações monitoras (Hawaii, Colorado Springs, Ascension Island, Diego Garcia e Kwajalein), as 3 últimas possuem antenas para transmissão de dados para os satélites. As 5 estações de monitoramento pertencem à AAF (American Air Force). Adicionalmente, um conjunto de 7 estações do NIMA (National Imagery and Mapping Agency), formam, com as 5 anteriormente mencionadas, o conjunto total das estações monitoras do GPS.
Cada estação monitora é equipada com oscilador externo de alta precisão e receptor de dupla freqüência, que rastreia todos os satélites visíveis e transmite os dados para a MCS, via sistema de comunicação. Os dados são processados na MCS para determinação das órbitas dos satélites, que, juntamente com as correções dos relógios dos satélites, são transmitidos, para fins de atualização periódica das mensagens de navegação. Os dados de determinação das órbitas são denominados efemérides (ephemeris em inglês). O IGS (International GPS Service - Serviço GPS Internacional),estabelecido pela IAG (International Association of Geodesy – Associação Internacional de Geodésia), tem capacidade de produzir efemérides com precisão da ordem de poucos centímetros em cada uma das coordenadas do satélite, permitindo atender à maioria das aplicações que exige alta precisão. Essas efemérides ficam disponíveis aos usuários no prazo de 1 semana a partir da coleta dos dados. O IGS produz também efemérides preditas, com precisão da ordem de 1 m, disponibilizando-as, para a comunidade de usuários, poucas horas antes do início de sua validade.
Uma vez que satélites dão uma volta completa em torno do planeta a cada 12 horas, os satélites do GPS passam sobre algumas estações de monitoramento do Segmento de Controle, duas vezes ao dia possibilitando medir a sua altitude, posição e velocidade. As variações encontradas são, geralmente, causadas por fatores tais como: atração gravitacional da Lua e do Sol e pressão da radiação solar sobre o satélite. Uma vez obtida a posição do satélite, a Estação Mestre devolve essa informação para o próprio satélite que a transmitirá para os receptores.
4.3 – Segmento de Usuários
O segmento de usuários é constituído pelos receptores GPS e todas as técnicas e processos, empregados pelos usuários em suas aplicações. Quanto a categoria, os usuários pode ser divididos em civis e militares.
Os militares fazem uso dos receptores GPS para estimar suas posições e deslocamentos quando realizam manobras de combate e de treinamento. Durante a operação Tempestade no Deserto, na Guerra do Golfo, em 1991, vários receptores GPS foram utilizados para auxiliar no deslocamento de tropas e comboios nas regiões desérticas, onde praticamente não existe feições terrestres que possibilitem a orientação e localização em mapa. Muitas outras atividades militares fazem uso do posicionamento pelo GPS, como por exemplo, a navegação e direcionamento de mísseis em tempo real.
A grande quantidade e variedade de receptores disponíveis no mercado civil, para as mais diversas aplicações, limitadas apenas pela imaginação dos usuários, demonstra que o GPS realmente atingiu sua maturidade. Uma descrição detalhada dos aparelhos disponíveis é quase impossível, pela grande variedade existente, além do que ficaria ultrapassada rapidamente, em razão do grande números de novos e diferentes modelos de receptores desenvolvidos e lançados no mercado anualmente.
4.3.1 – Descrição dos receptores GPS
4.3.1.1 - Componentes
Os principais componentes de um receptor GPS são:
· antena com pré-amplificador;
· seção de radiofreqüência (RF) para identificação e processamento do sinal;
· microprocessador para controle do receptor, amostragem e processamento dos dados;
· oscilador;
· interface para o usuário, painel de exibição dos comandos; de descarga de dados;
· memória para armazenamento dos dados; e
· provisão de energia.
a) Antena
A antena capta as ondas eletromagnéticas emitidas pelos satélites, converte a energia da onda em corrente elétrica, amplifica o sinal e envia para a parte eletrônica do receptor. Devido a estrutura dos sinais GPS, todas as antenas devem ser polarizadas circularmente à direita. A antena deve ter boa sensibilidade, para garantir a recepção do sinal, que é muito fraco, e o padrão de ganho deve permitir recepção em todas as elevações e azimutes visíveis. Vários tipos de antenas estão disponíveis no mercado, mas um dos mais utilizados é a antena microstrip, sendo muito pequenas, são ideais para aparelhos de pequeno porte, como os GPS de navegação.
Para levantamentos de alta precisão, a antena deve garantir alta estabilidade do seu centro de fase em relação ao seu centro geométrico e proteção contra multicaminhamento dos sinais refletidos em obstáculos. Neste caso, a antena deve captar as duas ondas portadoras, L1 e L2.
Os sinais GPS sofrem interferências quando passam através da maioria das estruturas. Algumas combinações de antena/receptor são capazes de captar sinais recebidos dentro de casas de madeira, sobre o painel de veículos e na janela de aviões. Sob folhagem densa, particularmente quando úmidas ou cujas folhas têm alto percentual de água, os sinais são atenuados, dificultando a recepção dos sinais. É sempre recomendável que a antena do GPS seja posicionada em um amplo ângulo de visada sem obstrução.
b) Seção de Rádio Freqüência (RF)
Os sinais que entram no receptor são convertidos, na seção de RF, para uma freqüência mais baixa, denominada freqüência intermediária, que é mais fácil de ser tratada nas demais partes do receptor. Esta conversão é realizada pela combinação do sinal recebido com o sinal senoidal gerado pelo oscilador do receptor. O sinal de freqüência mais baixa é passado para os canais.
c) Canais
O canal de um receptor, ou processador de sinal, é considerado a sua unidade eletrônica primordial. Normalmente os receptores possuem mais de um canal. Os tipos de canais podem ser divididos em multicanais (canais dedicados), seqüenciais e multiplexados.
Nos receptores multicanais, também denominados canais paralelos, cada canal rastreia continuamente um dos satélites visíveis. Nestes receptores, no mínimo 4 canais são necessários para obter posição e correção do relógio em tempo real. Os receptores modernos costumam ter até 12 canais.
Nos receptores seqüenciais, um único canal alterna entre satélites dentro de intervalos regulares. Normalmente não são coincidentes com a transmissão dos dados, fazendo com que a mensagem do satélite, só seja recebida completamente depois de várias seqüências.
Na técnica multiplex, seqüências são alternadas entre satélites numa freqüência muito alta, e quando for o caso, nas duas portadoras. A freqüência de troca é bem sincronizada com as mensagens de navegação, permitindo que elas sejam captadas rapidamente. Uma vantagem desta técnica, sobre a de multicanais, é a não necessidade de considerar os efeitos sistemáticos entre os canais. Receptores com esta técnica, assim como os de multicanais, realizam o primeiro cálculo de posição em aproximadamente 30 segundos.
Os receptores com um único canal são de baixo custo, mas, pela lentidão na aquisição de dados, ficam restritos às aplicações de baixa velocidade.
d) Microprocessador
O microprocessador é a unidade central de processamento do receptor. Neste componente são realizadas e controladas as operações do receptor: receber e processar o sinal; decodificar a mensagem de navegação; calcular posições e velocidades; controlar a entrada e saída de dados.
e) Unidade de comandos e apresentação dos dados
A unidade de comando e display proporciona a interação com o usuário. As teclas possibilitam comandos de seleção das funções do receptor: a entrada de dados; as diversas forma de configuração do aparelho; a apresentação das coordenadas e de outras informações geradas no receptor. Alguns aparelhos dispõem de um padrão de operação preestabelecido, não requerendo ou restringindo a intervenção do usuário.
f) Memória
De certa forma, pode-se dizer que um receptor GPS é um microcomputador especializado. À semelhança dos microcomputadores os receptores também têm memória interna para armazenamento de dados. Na memória são armazenados dados das efemérides transmitidas pelos satélites, dados gerados e utilizados temporariamente no processamento, bem como as coordenadas de posicionamento de pontos de interesse do usuário. Nos GPS de navegação estes pontos são denominados “way points”. Alguns aparelhos possuem, além da memória interna, a capacidade de gravação em cartões (PCMCIA), e em discos de microcomputadores conectados ao receptor. A transferência de dados para micros, exige porta serial do tipo RS-232 e programas específicos no computador.
g) Descarregador de dados
Esta unidade cuida da interface para descarga dos dados do equipamento para o computador. Esta operação necessita de cabo de conexão e de software.
h) Suprimento de energia
A alimentação de energia foi problema crítico nos primeiros receptores GPS, devido o alto consumo. Os aparelhos modernos são projetados para consumo mínimode energia. A maioria dos receptores de navegação operam com pilhas comuns, além de ter opção de alimentação externa, via cabo, como o acendedor de cigarros de veículos.
4.3.1.2 – Classificação
Os receptores GPS podem ser classificados de várias maneiras:
a) Quanto à comunidade de usuários:
· receptores de uso militar;
· receptores de uso civil.
b) Quanto à aplicação:
· receptores de navegação;
· receptores geodésicos;
· receptores de sistema de informações geográficas;
· receptores de aquisição de tempo.
c) Quanto ao tipo de dados recebidos:
· código C/A;
· portadora L1;
· código C/A e portadora L1;
· portadoras L1 e L2;
· código C/A e portadoras L1 e L2;
· códigos C/A e P e portadoras L1 e L2.
Outras classificações são possíveis, mas o importante é que o usuário tenha conhecimento claro de sua aplicação, precisão desejada e outras características necessárias ao bom levantamento dos dados inerentes ao seu trabalho. Isto certamente ajudará na escolha mais apropriada do aparelho que lhe dará melhor relação custo/benefício.
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