9 - GPS

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GPS – Global Positioning System 
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GPS – Global Positioning System
 
 Introdução:
 O GPS é um sistema de navegação baseado em informações de transferência de tempo via rádio vindas do espaço desenvolvido e mantido pelo governo dos EUA. 
 O GPS se tornou operacional em 17 julho de 1995, aumentou sua popularidade em uma taxa que ninguém previa, principalmente devido a sua habilidade de fornecer a posição e a velocidade com bastante precisão a um custo baixo custo.
O sistema fornece este serviço 24 horas por dia a um número ilimitado de usuários corretamente equipados. 
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GPS – Global Positioning System
 
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GPS – Global Positioning System
 
 O espaço: 
 O segmento “Espaço” consiste no seguinte:
 24 Satélites NAVSTAR
 5 Reservas
 6 Órbitas circulares a 55º do plano do equador
 12 Horas para completar a volta a terra
Os satélites são posicionados de modo que um mínimo de 5 deles estejam sempre com visada para os usuários em qualquer lugar no mundo. Os satélites transmitem continuamente sinais de rádio para navegação que são usados pelos receptores de GPS para calcular a informação exata de suas posições.
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GPS – Global Positioning System
 
 Alguns dados sobre os satélites NAVSTAR: 
Altitude: 10.900 Nm
 Velocidade: 7.000 Mph
 Peso: 2,000 Lbs
 Tamanho: 18 ft (2,25m) com os painéis estendidos.
 Potencia dos Transmissores: 50 watts ou menos.
 Mínimo de 3 satélites para a navegação
Cada satélite faz transmissão constante de sinais de rádio com informação de hora e localização exata.
As antenas de solo e o centro de controle monitoram e ajustam as informações quando necessário.
 
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GPS – Global Positioning System
 
 O Espaço:
Os GPS transmitem dois sinais de rádio de baixa freqüência : 
L1 – Utilização Civil - de 1575.42 MHz 19,05 cm comprimento de onda.
L2 - Uso Militar - de 1227,60 MHz e 24,45 cm comprimento de onda
O sinal passa em nuvens, vidro plástico mas não penetra montanha e nem concreto.
 
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GPS – Global Positioning System
 
 O Espaço:
O sinal transmitido pelo satélite contem 3 informações Básicas:
1. Código Pseudo-randômico – ID que identifica o satélite que esta transmitindo;
2. Informação Ephemerica - Status do Satélite, data e hora Esta parte é essencial para determinar a posição;
3. Informação de Almanaque - Onde cada satélite deve estar a cada hora do dia. Cada satélite transmite esta informação dizendo a órbita dele e de todos os outros satélites do sistema.
 
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 O Controle:
 5 Estações de monitoramento,
 3 Antenas de terra para up-link,
 1 Estação de controle mestra situada na base da força aérea americana em Colorado Springs, Colorado.
Em conjunto elas fazem o controle das rotas dos satélites e calculam posições precisas da órbita de cada um. A partir desta informação, a estação de controle mestra emite as mensagens de atualização de rota para cada satélite, mantendo desse modo o sinal de posição o mais exato do possível.
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GPS – Global Positioning System
 
 O Controle:
 Cada satélite possui em si um relógio atômico que deve estar perfeitamente sincronizado com os demais para que as informações de posição tenham um máximo de precisão. 
 Um fato interessante é que a gravidade da terra distorce o tempo espaço de forma que, o tempo na terra passa mais devagar do que no espaço. Tal fato faz com que os relógios dos satélites tem que ser atrasados para que estejam perfeitamente sincronizados com os relógios dos receptores GPS em terra. Caso isso não ocorra, haverá um erro de aproximadamente 10 km por dia no sistema GPS. 
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GPS – Global Positioning System
 
http://www.youtube.com/watch?v=EOwMkFsJXRI
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GPS – Global Positioning System
 
 O Usuário:
 O segmento do usuário inclui o seguinte:
 Antena
 Receptor
 Processador
 Eles usam a posição e os sinais de tempo transmitidos pela constelação de satélites para calcular a posição, a velocidade e o tempo, com precisão para pilotos, navegadores e operadores de terra.
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GPS – Global Positioning System
 
 Funcionamento:
 O receptor do GPS estabelece uma posição do ponto de intercessão das LDP's. Combinando o sincronismo da transmissão do sinal original de cada satélite visível, a unidade do GPS mede o tempo para que cada sinal alcance o receptor para determinar a sua distância. As medidas coletadas simultaneamente de três satélites podem produzir uma posição bidimensional. Para determinar uma posição tridimensional, são necessários os sinais de um mínimo de quatro satélites. 
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GPS – Global Positioning System
 
 Funcionamento:
 Para a medida de distancia, o receptor necessita dos dois sinais que contêm os códigos:
 C/A-Code
 P-Code
O receptor gera o mesmo código que o satélite e calcula o tempo para receber o sinal sincronizando-os. Este tempo dará a distancia do receptor ao satélite. Sabendo-se a localização de cada satélite em cada momento através das informações de almanaque, o processador irá calcular a localização do receptor: 
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GPS – Global Positioning System
 
 Funcionamento:
 Recebendo o sinal de 1 satélite o receptor é capaz de determinar a região de sua localização – A superfície de uma esfera cujo centro seja o satélite recebido e o raio a distancia calculada.
 Recebendo o sinal de 2 satélites o receptor é capaz de diminuir a região de possibilidades de sua localização – Esta região é o circulo de interseção entre as superfícies das 2 esferas uma de cada satélite recebido.
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 Funcionamento:
 Recebendo o sinal de 3 satélites o receptor é capaz de diminuir a região de possibilidades de sua localização, reduzindo-a a 2 pontos no espaço.
 
Isto significa que o receptor pode ainda estar em dois pontos sem a definição. Se você estiver no solo ou em uma altura conhecida, um destes pontos é descartado já que não está neste plano. Por isto a navegação bidimensional só precisa receber 3 satélites.
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 Funcionamento:
 Recebendo o sinal de 4 satélites o receptor define qual dos dois pontos está sobre a superfície da 4ª esfera e define completamente sua posição no espaço e a navegação tridimensional é possível.
http://www.youtube.com/watch?v=tboy0uNInjc
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GPS – Global Positioning System
 
 Receptores:
 O sistema GPS tem por finalidade única informar a localização exata do receptor a cada momento. Todas as outras atribuições dos equipamentos modernos variam com os recursos agregados como navegação mapas armazenamento e outras facilidades.
 Com a redução dos custos a utilização de GPS, antes só viável na aviação e marinha, passou para várias áreas profissionais, amadoras e esportivas. 
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GPS – Global Positioning System
 
 Receptores:
 Há muitos tipos de receptores do GPS no mercado hoje, variando dos smartphones e unidades portáteis de baixo custo usadas para a navegação de VFR, ao mais caro e mais sofisticado para ser montado em painéis às unidades usadas para a navegação IFR.
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GPS – Global Positioning System
 
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 Receptores:
 Características:
 Triangulação como base
 Mínimo de 3 satélites para a navegação bidimensional 2D.
 Mínimo de 4 satélites para a navegação tridimensional 3D.
 Cada satélite faz transmissão constante de sinais de rádio
com informação de hora e localização exata.
 As antenas de solo e o centro de Controle monitoram e
ajustam as informações quando necessário.
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GPS – Global Positioning System
 
 Fontes de Erro:
 Atrasos da Ionosfera e Troposfera: O sinal de satélite atrasa quando atravessa a atmosfera. O GPS tem um dispositivo interno que calcula este atraso e corrige parcialmente este erro.
 Reflexão de Sinal: Ocorre quando
o sinal captado é refletido em prédios e grandes rochas ou montanhas antes de chegar no receptor.
 Relógio do Receptor: A precisão do relógio do receptor não é tão grande quanto a do relógio atômico do satélite isto pode causar um pequeno lapso de tempo.
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GPS – Global Positioning System
 
 Fontes de Erro:
 Erro de Órbita: Também conhecido como erro efemérico, é um erro de precisão do anuncio da rota informada.
 Número de Satélites: Quanto maior o número de satélites recebidos maior a precisão. O GPS não funcionam indoor, dentro d’água, nem subterrâneo e mesmo as folhagens mais densas podem impedir o seu funcionamento.
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GPS – Global Positioning System
 
 Fontes de Erro:
Geometria do Satélite: Refere-se ao posicionamento dos satélites recebidos. O ideal é que não estejam alinhados ou com ângulos bem abertos entre eles.
 Degradação Intencional: Disponibilidade Seletiva (SA) Foi desligado em Maio de 2000. 
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GPS – Global Positioning System
 
 Precisão:
100 metros: Precisão do GPS Original quando era sujeito ao programa de Disponibilidade (SA).
 15 metros: Precisão do GPS sem SA.
3 - 5 meters: Precisão do Differential GPS (DGPS).
 menos de 3 metros: Precisão do WAAS position accuracy.
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GPS – Global Positioning System
 
 DGPS (Differential GPS):
 O DGPS, de forma simplificada, é uma correção dos erros do GPS realizada por uma estação fixa na superfície terrestre (uma antena de VOR por exemplo). 
 A estação DGPS capta o sinal do satélite, e calcula o erro com base no posicionamento conhecido da estação e envia a correção do sinal do satélite para os receptores GPS próximos aquela localidade.
 Esse sistema melhora a precisão do sinal para 3 a 5 metros.
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GPS – Global Positioning System
 
 WAAS (Wide Area Augmentation System):
 Basicamente, é um sistema de satélites e de estações de terra (25 nos EUA) que fornecem correções do sinal do GPS, dando lhe maior exatidão de posição.
 Um receptor capaz de receber WAAS pode dar-lhe uma exatidão de posição melhor do que três metros durante 95% do tempo. 
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GPS – Global Positioning System
 
 WAAS (Wide Area Augmentation System):
 A administração federal da aviação (FAA) e o departamento de transporte (DOT) estão desenvolvendo o programa de WAAS para o uso em voo de aproximações de precisão. 
 Atualmente, o GPS sozinho não se encontra com as exigências da navegação do FAA para a exatidão, a integridade, e a disponibilidade. O WAAS corrige os erros do sinal do GPS causados por distúrbios da ionosfera, por sincronismo, e por erros de órbita dos satélite e fornece a informação vital de integridade a respeito da saúde de cada satélite do sistema.
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GPS – Global Positioning SysteM
 Futuro:
 Atualmente o sistema NAVSTAR GPS americano é o único que atende aos requisitos da ICAO para navegação aérea. 
O sistema de navegação por satélites russo GLONASS foi declarado operacional mas não teve sua devida manutenção, não atendendo aos requisitos atuais.
 A união europeia enviou seu primeiro satélite teste do sistema Galileo em 2005 .
China, Japão, Canadá e Índia também já possuem seus projetos de sistema de navegação global por satélites. 
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GPS – Global Positioning SysteM
 Futuro:
 No futuro os receptores GPS no solo serão capazes de receber os sinais de satélite de todos os sistemas de navegação global.
 Um usuário será capaz de tomar uma posição com o mesmo receptor de qualquer um dos satélites em qualquer combinação .
 Tal fato permitirá uma cobertura mais ampla, com maior precisão e sob qualquer circunstância. 
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