AULA_3_GNSS_2020_PowerPoint

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GLOBAL NAVEGATION
SATELLITE SYSTEMS 
(GNSS)
Prof. Dr. Peterson Ricardo Fiorio
Dep. Eng. de Biossistemas – ESALQ/USP
GLOBAL POSITIONING SYSTEMS
O termo Global Positioning System(GPS) é aplicado
para sistemas que realizam o posicionamento
baseado por satélites operacionalizado pelo
Departamento de Defesa dos Estados Unidos.
O atual GNSS é o resultado da junção dos Sistemas
GPS, GLONASS e GALILEO com a finalidade de
garantir melhoria na geometria, disponibilidade
para todas as regiões do globo terrestre, integridade
e confiança aos usuários.
Necessidade intrínseca do Homemsaber onde está e onde
vai!
� Inicialmente posicionava-se pelas estrelas
(navegação celeste);
INTRODUÇÃO
No século XIV utilizado em
navegação (cartografia náutica) e
mapeamento das novas rotas
marítimas e do novo mundo;
N
S
LW
Com a evolução tecnológica houve
avanços no sistema de
posicionamento;
�1957 Sputnik 
�1958 Vanguard
Rastreamento de 
Satélites
GPS
GUERRA
FRIA
� O sistema GPS foi projetado para se obter o
posicionamento instantâneo bemcomo a velocidade de
um ponto na superfície da terra ou próximo a ela
� Disponibilidade contínua 24 horas / dia
� Cobertura Global
� Latitude / Longitude / Altitude / Data-hora
� Precisão ≤ 100 metros 95% do tempo
� Precisão diferencial sub-centimétrica 
CARACTERÍSTICAS
CARACTERÍSTICAS
Linha de visada não é necessária!
� O sistema GPS é dividido em 
três segmentos principais:
1. O segmento espacial, 
constituído pelos satélites que 
transmitem os sinais usados no 
posicionamento GPS;
2. O segmento de controle, que é 
responsável pela manutenção 
do sistema;
3. O segmento de usuários, 
contendo todas as aplicações e 
tipos de receptores.
CARACTERÍSTICAS
� 24/25 satélites na constelação 
final
– 6 planos com inclinação 55°
– em cada plano 4 satélites
� Órbita muito alta
– 20.183 km,12.545 milhas
– período aprox. 12 horas
– grande autonomia
– cobertura global
SEGMENTO ESPACIAL
Equador
F
280º
320º
40º
80º
120º
160º
EDCBPlano A
200º
240º
265,7º205,7º145,7º85,7º25,7º325,7º
Ascenção Reta
do Nodo
 Ascendente
Distribuição dos satélites GPS nos planos 
orbitais (Monico, 2000) 
SEGMENTO ESPACIAL
� Bloco I: foram lançados 11 satélites (pesando 845
kg), considerados protótipos, o primeiro foi lançado
em 22/02/1978 e o último em 09/10/1985. O último
satélite operacional desta série (PRN 12) foi
desativado no final de 1995 . Autonomia de 3,5 dias,
sensores que detectavam explosões nucleares
ocorridas na atmosfera ou no espaço, além de
realizar o posicionamento na terra
SEGMENTO ESPACIAL
� Bloco II: Nesta classe, foram lançados 9 satélites
(pesando 1500 kg) pela Air Force Base (AFB), entre
1989-1990, do Centro Espacial Presidente Kennedy
(Cabo Canaveral, Flórida), com foguetes Delta II.
� Bloco IIA: (A significa advanced ou avançado): nesta
classe, os satélites passaram a ter capacidade de
comunicação mútua. Foram lançados entre 1990 e
1997 e mantêm as demais especificações daqueles do
Bloco II.
SEGMENTO ESPACIAL
� Bloco IIR (R significa replacement ou
substituição): os satélites desta classe começaram
a ser lançados em 1997; atualmente há 8 deles
em órbita. As principais inovações são:
1. são equipados com osciladores de hidrogênio,
que são pelo menos uma ordem de grandeza mais
precisos que os osciladores de césio;
2. melhorias na parte de comunicação e predição de
órbita a bordo;
3. pesam mais de 2.000 kg, mas custam a metade
dos anteriores.
SEGMENTO ESPACIAL
SEGMENTO ESPACIAL
� Satélites Bloco IIR-M1: operacionais em 2005
� 18/09/2007 � abolida definitivamente degradação
� 2009 � segundo sinal civil em operação L2C
� 2010 � Satélites Bloco IIF e terceiro sinal civil L5
� 16/05/2014 � 6º satélite do bloco IIF colocado em 
órbita
� 2016 � Satélites GPS III
A cargo do DoD (Departament of Defense) - USA
Tarefas:
- Determinação da órbita precisa de cada satélite;
- Modelagem matemática para predição destas 
órbitas;
- Sincronização dos sistemas de relógio dos satélites;
- Controle de degradação dos sinal - (1997);
- Correção do posicionamento dos satélites;
- Controle de lançamentos de novos satélites;
� Estação Mestra: Base Falcon (USAF) - Colorado Springs 
� Estações de Monitoramento : Hawai, Atlântico Sul, Oceano
Índico e Pacífico
SEGMENTO ESPACIAL
� Portadoras e códigos
� Conjunto de Usuários do 
Sistema
� Diversos Tipos de Receptores
SEGMENTO DO USUÁRIO
Frequência Fundamental – 10,23 MHZ
L1 = 10,23 MHZ × 154 = 1575,42 MHz, com λ ≈ 19 cm
L2 = 10,23 MHZ × 120 = 1227,60 MHz, com λ ≈ 24 cm
Portadoras:
Código P: (precision code) com freqüência de 10.23MHz. (L1 e L2)
Código C/A: (coarsel /aquisition code) com freqüência de 1.023MHz (L1)
Código Y ou AS: (anti spoofing) gerada a partir de uma equação 
secreta e tinha função controlar o uso do sistema. (1997)
Códigos:
Característica do Sinal
� As portadoras trazem também moduladas as
mensagens de navegação que contém os parâmetros
orbitais, os dados para a correção da propagação
ionosférica, os parâmetros para correção do erro dos
relógios dos satélites, informações sobre a saúde dos
satélites, etc.
� Com esta breve explanação, pode-se observar que há
três tipos de sinais envolvidos no GPS: a portadora,
os códigos e os dados (navegação, relógio, etc). Esta
estrutura permite não só medir a fase da portadora e
sua variação, mas também o tempo de propagação.
(Monico, 2000).
CARACTERÍSTICA DO SINAL
CARACTERÍSTICA DO SINAL
Uma das boas idéias do GPS: 
� Usar o mesmo código no satélite e no receptor;
� Sincronizar satélite e receptor, gerando o mesmo 
código ao mesmo tempo;
� Quando o código chega do satélite se conhece quanto 
tempo atrás o receptor gerou o mesmo código;
do satélite
do receptor
tempo medido
diferença entre as mesmas
partes do código
OS NOVOS SINAIS 
� L2C: é o segundo sinal civil GPS, projetado
especificamente para atender às necessidades
comerciais.
� Para os usuários que operam com a dupla
frequência existente (L1 e L2), L2C proporciona
aquisição mais rápida do sinal e maior
confiabilidade.
� Transmissões L2C são melhores do que o sinal L1-
C/A, sendo possível receber este sinal debaixo de
árvores e até mesmo dentro de casa.
OS NOVOS SINAIS
� L5: é o terceiro sinal de GPS civil, projetado para
atender aplicações de alta performance, como o
transporte seguro de passageiros.
� A frequência de rádio usada pelo sinal é 1176 MHz.
� A frequência L5 tem sido transmitida em uma banda
de rádio reservada exclusivamente para os serviços
de segurança da aviação.
� Futuramente será utilizada nos levantamentos
topográficos e geodésicos.
� Fórmula simples: Distância = Velocidade X Tempo
– Distância = Distância ao satélite (Pseudorange)
– Tempo = tempo de percurso do sinal satélite-receptor
�Quando o sinal deixou o satélite?
�Quando o sinal chegou no receptor?
– Velocidade = Velocidade da luz
Tempo receptor
Tempo SV
Tempo SV
PRINCIPIO DE FUNCIONAMENTO
Tempo SV-3
Princípio de Funcionamento
Tempo receptor (D=V.T)
Tempo SV-1
Tempo SV-2
Tempo SV-4
3 satélites – X, Y
4 satélites – X, Y e Z
D2-D3
� A partir de distâncias a vários satélites pode-se obter a 
posição por meio de uma equação matemática.
� Uma medição fornece a posição sobre a superfície de 
uma esfera.
Princípio de Funcionamento
� Uma segunda medição fornece como solução a
interseção entre duas esferas: uma circunferência.
Princípio de Funcionamento
�Na prática 3 medições são suficientes para
determinar a posição. Um dos pontos (solução) é
descartado já que é uma solução impossível, no
espaço ou em alta velocidade.
Princípio de Funcionamento
�A 4ª medição permite resolver (remover) o erro do
relógio (tempo) do receptor
Princípio de Funcionamento
QUAIS SÃO OS PRINCIPAIS ERROS DO SISTEMA GNSS (GPS)?
- Erros do relógio
- Efemérides
- Atraso na atmosfera (ionosfera)
- Multicaminhamento
- PDOP 
ERRO NA PRECISÃODE POSICIONAMENTO
- Atraso na atmosfera (ionosfera)
ERRO NA PRECISÃO DE POSICIONAMENTO- MULTICAMINHAMENTO
Sinal Direto
Sinal Refletido
15 o
Evitar proximidade a locais como, estações de transmissão de 
microondas, radares, antenas de rádio – repetidoras e linhas de alta 
voltagem, as quais representam fontes de erros para os sinais GPS. 
Incluí-se aqui coberturas vegetais densas.
ERRO NA PRECISÃO DO POSICIONAMENTO LOCAL
ERROS NA PRECISÇÃO DO POSICIONAMENTO-
DOP (DILUITION OF PRECISION) PDOP
� O posicionamento, que consiste da determinação da
posição de objetos, parado ou em movimento, na
superfície terrestre ou próximo a ela, utilizando GPS
pode ser realizado na forma absoluta, relativa ou
DGPS (Differential GPS).
Métodos de posicionamento
Método Absoluto
Método Relativo ou Diferencial
� Apenas de umreceptor. Método de posicionamento muito utilizado
em navegação de baixa precisão e emlevantamentos expeditos.
� O posicionamento instantâneo de umponto, usando o código C/A
presente na portadora L1, apresentava, até o dia 1º de maio de2000,
precisão planimétrica melhor que 100 m e altimétrica de 140 m, 95%
do tempo (Monico, 2000).
� Com a desativação da SA, houve uma melhora de 10 vezes nos
resultados.
� Esse método não atende os requisitos de precisão intrínsecos ao
posicionamento topográfico e geodésico (Monico, 2000).
Métodos de posicionamento
Método Absoluto
Tempo receptor (D=V.T)
Tempo SV-1
3 satélites – X, Y
4 satélites – X, Y e Z
Métodos de posicionamento
Tempo SV-3Tempo SV-2
Tempo SV-4D2-D3
Com - SA Sem - SA
Métodos de posicionamento
Método Absoluto
Métodos de posicionamento
Método Absoluto
 
 
Métodos de posicionamento
Método Absoluto - Receptores
Métodos de posicionamento
Método Relativo ou Diferencial
� Realizado por meio dopós-processamento, ou em tempo
real.
� Um receptor é instalado no ponto cujas coordenadas são
conhecidas (Base), e umreceptor móvel (Rover) percorre
os pontos para coleta de dados. (2 receptores)
� Neste método a posição de umponto é determinada em
relação à de outro(s), cujas coordenadas são conhecidas.
O posicionamento relativo pode ser feito por meio dos
métodos: estático, estático-rápido, cinemático e semi-
cinemático, etc.
Métodos de posicionamento
Receptor Base (XB ,YB ,ZB )
Receptor Rover (X,Y,Z)?
Tempo 1 – Ponto 1 (X1 ,Y1 ,Z1 )
Tempo 2 – Ponto 2 (X2 ,Y2 ,Z2 )
Tempo 3 – Ponto 3 (X3 ,Y3 ,Z3 )
Tempo 1 – Ponto 1 (X1 ,Y1 ,Z1 )
Tempo 2 – Ponto 2 (X2 ,Y2 ,Z2 )
Tempo 3 – Ponto 3 (X3 ,Y3 ,Z3 )
Analisando os dados da Base
Pontos X (W) Y (S) Z
T1P1 230.012,568 7.485.890,711 534,701
T2P2 230.013,072 7.485.890,432 534,507
T3P3 230.012,924 7.485.890,036 534,800
T4P4 230.011,976 7.485.889,918 534,060
T5P5 230.011,923 7.485.890,240 533,821
T6P6 230.012,136 7.485.890,561 531,688
Dados da Base (230.012,434; 7.485.890,290)
Métodos de posicionamento
Método Relativo ou Diferencial
Dados da Base (230.012,434; 7.485.890,290)
1
2
3
4
5
6
∆X
∆Y
0,271-0,298T6P6
-0,050-0,511T5P5
-0,372-0,458T4P4
-0,2540,490T3P3
0,1420,638T2P2
0,4210,134T1P1
∆Y∆XPontos
3120 17’ 00”
2640 24’ 41”
2300 54’ 56”
1170 24’ 03”
770 27’ 08”
170 39’ 21”
Az.
0,403
0,514
0,590
0,552
0,654
0,442
DH
DADOS DOS VETORES DE ERRO EM RELAÇÃO A BASE
Métodos de posicionamento
Método Relativo ou Diferencial
1
2
3
4
5
6
Métodos de posicionamento
Método Relativo ou Diferencial
Métodos de posicionamento
Receptor Base (XB ,YB ,ZB ) Receptor Rover (X,Y,Z)?
Tempo 1 – Ponto 1 (X1 ,Y1 ,Z1 )
Tempo 2 – Ponto 2 (X2 ,Y2 ,Z2 )
Tempo 3 – Ponto 3 (X3 ,Y3 ,Z3 )
Tempo 1 – Ponto 1 (X1 ,Y1 ,Z1 )
Tempo 2 – Ponto 2 (X2 ,Y2 ,Z2 )
Tempo 3 – Ponto 3 (X3 ,Y3 ,Z3 )
X,Y,Z Corrigido
Métodos de posicionamento
Método Relativo ou Diferencial
Georreferenciamento de imóveis rurais - 20 km (Base e Rover)
� Método Estático:
� L1 ou L1/L2 – C/A
� 60 minutos de observação 
(recomendado)
� Uma ocupação (estação) por 
arquivo de dados
� Dados normalmente 
gravados a cada 15 
segundos - taxa de 
sincronismo 
Métodos de posicionamento
Método Relativo ou Diferencial
� Método Estático Rápido:
� L1/L2 com código C/A
� Tempo de ocupação varia entre 5-20 minutos, 
dependendo do número de SV’s
� Ocupação múltipla é possível num só arquivo 
de dados
� Dados normalmente gravados a taxa de 
sincronismo de 5 ou 15 segundos
Métodos de posicionamento
Método Relativo ou Diferencial
� Método Cinemático:
� L1 é suficiente (C/A)
� Varias estações num só arquivo de dados 
� Taxa de sincronismo normalmente 2 - 5 segundos (ou até 15 
segundos, dependendo da velocidade da antena)
Métodos de posicionamento
Método Relativo ou Diferencial
Métodos de posicionamento
Método Relativo ou Diferencial - DGPS
Métodos de posicionamento
Método Relativo - Receptores
Aparelhos: Sub-métricos
Aparelhos: Geodésicos 
 
Ponto Média Desvio Padrão Variância 
Erro Padrão 
Médio 
 X Y Z X Y Z X Y Z X Y Z 
P1 211244,76 7294200,13 443,22 1,17 0,89 1,71 1,37 0,80 2,93 0,28 0,21 0,40 
P2 211234.58 7295106,07 414,32 1,08 0,88 1,74 1,18 0,78 3,02 0,25 0,21 0,41 
P3 210981,92 7294920,95 416,45 1,07 0,88 1,71 1,15 0,77 2,94 0,25 0,21 0,40 
P4 210974,39 7294236,59 439,69 1,10 0,88 1,71 1,22 0,77 2,93 0,26 0,21 0,40 
P5 211244,69 7294200,13 443,24 1,14 0,88 1,72 1,30 0,78 2,96 0,27 0,21 0,40 
BASE 211558,99 7293493,73 414,86 1,07 0,89 1,70 1,14 0,79 2,90 0,25 0,21 0,40 
 
GPS – SUB-MÉTRICO – Método Relativo
 
Pontos Antena Média Desvio Padrão Variância Erro Padrão 
Médio 
 X Y Z X Y Z X Y Z X Y Z 
CA 211197,92 7294120,05 414,49 11,99 12,44 2,17 143,77 154,67 4,72 2,75 2,85 0,49 P1 
SA 211197,14 7294151,82 411,95 11,46 12,79 3,40 131,38 163,59 11,57 2,63 2,93 0,78 
CA 211187,71 7295056,64 386,88 11,99 12,09 1,54 143,97 146,29 2,38 2,75 2,77 0,35 
P2 
SA 211187,28 7295056,14 384,75 14,21 13,04 2,23 201,92 169,98 4,96 3,26 2,99 0,51 
CA 210934,98 7294870,89 388,78 11,35 12,62 1,77 128,87 159,22 3,13 2,60 2,89 0,41 P3 SA 210934,83 7294871,21 387,32 11,35 12,47 1,76 128,81 155,64 3,09 2,60 2,86 0,40 
CA 210928,17 7294186,15 411,61 10,92 12,04 2,20 119,17 144,93 4,85 2,50 2,76 0,50 
P4 
SA 210926,20 7294188,05 409,42 11,38 12,59 2,38 129,63 150,98 5,66 2,61 2,82 0,54 
CA 211198,51 7294149,90 415,49 11,88 12,48 2,42 141,11 155,87 5,84 2,72 2,86 0,55 
P5 
SA 211196,99 7294151,81 413,50 11,58 12,01 2,05 134,03 144,29 4,20 2,65 2,75 0,47 
 
GPS – NAVEGAÇÃO – Método Absoluto
x
11,99 m
12,44 m
y
x
43°56̈
11,99 m
12,44 m
y
x
43°56̈
12,44 m
11,46 m
y
x
47°20̈
11,46 m
y
x11,46 m
y
x
47°20̈
x
0,89 m
1,17 m
y
37°20̈
0,89 m
1,17 m
y
37°20̈
P1 Sub
P1 Nav CA
P1 Nav SA
GPS Sub: 208.042,219 m2
GPS Nav CA: 211.879,869 m2
GPS Nav SA: 220.878,978 m2
Área Teodolito: 208.089,769 m2
Teodolito - GPS Sub = 47,55 m2
Teodolito - GPS Nav CA = 3.790,10 m2
Teodolito - GPS Nav SA = 12.789,21 m2
GPS SA - GPS CA = 8.999,11 m2
APLICAÇÕES DO GNSS
AGRICULTURA DE PRECISÃO
AGRICULTURA DE PRECISÃO
AGRICULTURA DE PRECISÃO
AGRICULTURA DE PRECISÃO
Strabeli & Vargas Posada, 2014
TOPOGRAFIA E GEODÉSICA
TOPOGRAFIA E GEODÉSICA
TOPOGRAFIA E GEODÉSICA
TOPOGRAFIA E GEODÉSICA
TOPOGRAFIA E GEODÉSICA
TOPOGRAFIA E GEODÉSICA
523 .02
522 .96
522 .95
5 23 .01
52 2 .93
522 .88
522 .94
5 23 .08 523 .24
52 3 .08
523 .34
5 24 .54
524 .56
52 4 .58524 .46
524 .30
524 .22
524 .20
524 .12
52 5 .01
525 .11
525 .29
525 .25
525 .49 525 .59 525 .69
525 .65
527 .08
5 27 .1152 7 .09
527 .30
526 .79
526 .63
526 .46
527 .25
527 .54
52 7 .81
5 27 .83 528 .07
528 .21
529 .35
529 .27529 .19
529 .14
528 .87
52 8 .53
529 .41
5 29 .79
53 0 .28 530 .45
530 .65
531 .345 31 .00
530 .98
531 .57
53 2 .19
532 .31
532 .12
5 32 .93
52 3 .73
5 24 .86
525 .47
526 .83
528 .00
529 .04
529 .83
530 .93
531 .53
532 .06
532 .83
532 .85
532 .25
5 31 .86
531 .13
5 31 .23
530 .91
52 9 .70
530 .00
529 .12
5 28 .91
527 .41
527 .55
527 .98
526 .45
5 25 .72
5 25 .49
525 .34
52 5 .3752 3 .81
523 .73
5 23 .83
5 23 .88
523 .95
524 .27
525 .55
52 6 .93
5 26 .94
528 .28
5 29 .31
5 30 .33
532 .86
532 .89
533 .01
5 32 .85
53 2 .09
5 31 .46
531 .06
529 .53
530 .39
5 29 .58
528 .81
5 27 .11
525 .40
5 27 .08
5 28 .17
5 27 .65
528 .63
530 .13
531 .04
529 .46
5 30 .39
531 .11
532 .53
535 .53
535 .11
534 .72
534 .34
5 34 .20
5 34 .15
5 34 .14
533 .91
5 33 .295 33 .24
5 34 .54
5 34 .85
5 35 .92
535 .06
534 .74
53 4 .10
5 34 .06
533 .92
533 .81
533 .58
5 33 .29
5 33 .25
53 3 .20 533 .13 53 3 .06
532 .95
532 .33 5 32 .13
531 .76
53 3 .19
53 3 .15
53 1 .43
5 31 .09
531 .12
5 30 .05
531 .08
5 31 .68
532 .95
5 33 .12
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Levantam ento Plan ia lt im étrico - G PS G eodésico
TOPOGRAFIA E GEODÉSICA
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Levantam ento Planialtim étrico - GPS N avegação
ZOOTECNIA DE PRECISÃO
MONITORAMENTO DE ANIMAIS
MONITORAMENTO DE ANIMAIS
NAVEGAÇÃO
MONITORAMENTO AMBIENTAL
MONITORAMENTO E RASTREAMENTO DE 
VEÍCULOS
COLHEITA
Strabeli e Vargas 
Posada, 2014
Outras Aplicações em Ciências Agrárias
� Dentre as aplicações do GNSS em Ciências Agrárias,
podem ser citados:
a. mapeamentos cadastrais;
b. agricultura de precisão;
c. elaboração de mapas temáticos;
d. georreferenciamento de imóveis rurais;
e. mapeamentos com a finalidade de venda de madeira;
f. levantamentos de áreas silvestres;
g. mapeamentos de estradas e trilhas;
h. determinação de pontos de controle para imagens de
satélites;
i. detecção e mapeamento de incêndios florestais;
j. atualização das bases de dados cartográficos.
Aplicações do GNSS