NP2 GEODESIA

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Módulo 6 - 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. 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 uma 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 frequência 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. 
Módulo 7 - Técnicas de Levantamento GPS
O GPS possibilita a utilização de várias técnicas de levantamento, condicionadas à finalidade e ao tipo do equipamento disponível. Em uma classificação simplificada as técnicas podem ser Estáticas e Dinâmicas. 
Estáticas 
Trata-se de uma técnica onde é necessário que a antena do receptor, permaneça coletando dados em um mesmo ponto por um período mínimo de alguns minutos podendo chegar a várias horas. No posicionamento estático pode-se agrupar os levantamentos em absolutos e relativos. 
Absoluto 
Neste caso utiliza-se um único equipamento que permanece imóvel durante o período de aquisição dos dados. Utilizando apenas o código C/A, este tipo de posicionamento chega a uma precisão da ordem de 20 m, com a S.A. desativada, praticamente independente do tempo de rastreamento. É aplicado em reconhecimentos, determinações expeditas e principalmente navegação. Usado em aparelhos de baixo custo (~ US$ 250). 
Relativo 
Pelo menos dois equipamentos são operados simultaneamente. 
a) Com utilização dos códigos (C/A ou Y): Para equipamentos que têm capacidade de armazenar dados, pode ser realizado o pós-processamento desses dados, com resultados cuja precisão pode variar entre 0,5 e 3,0 m. No modo diferencial em tempo real, é necessário a ligação via rádio entre o aparelho que fica estacionado na base e o(s) receptor(es) que coleta(m) os dados nos locais de interesse. 
b) Com utilização da fase da portadora: É a técnica de maior precisão proporcionada pelo GPS. Utilizado para aplicações em Geodésia, Geodinâmica, Engenharia e projetos de alta precisão. Tempo de ocupação entre 30 minutos e várias horas. Normalmente utiliza a dupla frequência de fase das portadoras, L1 e L2. Precisão da ordem de 1 cm + 2 ppm. Custo do equipamento entre US$ 10.000 a US$ 30.000 
Dinâmicas 
Os levantamentos dinâmicos, em geral, baseiam-se na utilização de uma estação fixa (referência) e no deslocamento contínuo de um ou mais equipamentos itinerantes. O posicionamento pode ser obtido em tempo real ou pós-processado. Possibilitam aquisição mais rápida dos dados e são bastante utilizados em levantamentos cadastrais. Algumas das técnicas normalmente utilizadas em levantamentos dinâmicos são: 
Cinemático Stop & GO baseado na fase da portadora 
Aplicação em Geodésia, Topografia e Cadastro. O equipamento se desloca sem perder a sintonia com pelo menos 4 satélites, (sendo recomendável 5 ou mais), com permanência de alguns minutos em cada um dos pontos a serem levantados. Precisão da ordem de 1 a 10 ppm. Custo dos equipamentos entre US$ 10.000 e U$ 15.000. 
Cinemático contínuo baseado na fase da portadora 
Aplicação em Topografia e Cadastro. O equipamento se desloca sem perder a sintonia com pelo menos 4 satélites, (sendo recomendável 5 ou mais). A perda da sintonia implica na necessidade de reinicialização. Há necessidade de resolução das ambiguidades antes do levantamento. As coordenadas são determinadas continuamente durante o levantamento. Precisão da ordem de 1 a 10 ppm. Custo dos equipamentos entre US$ 10.000 e U$ 15.000. 
Pseudo-Cinemático baseado na fase da portadora 
Baseia na fase da portadora. Utilizado em Geodésia, Topografia e Cadastro. O equipamento ocupa cada ponto por aproximadamente 5 minutos, podendo ser desligado durante o trajeto, repetindo a ocupação no mínimo 1 hora após a ocupação precedente. Não é necessário a resolução prévia das ambiguidades. Precisão da ordem de 2 a 20 ppm. Distância entre base e aparelho itinerante menor que 20 km. Custo dos equipamentos entre US$ 10.000 e U$ 15.000. 
Rápido estático 
Utiliza as fases das portadoras L1 e L2. Aplicação em Geodésia, Topografia e Cadastro. Tempo de rastreio entre 5 e 20 minutos, dependendo da quantidade de satélites, sendo recomendável 5 oumais. Durante a permanência nos pontos de levantamentos, não pode ocorrer perda de sinal, mas o equipamento pode ser desligado durante os deslocamentos. Baseia no código P (Y) para resolução das ambiguidades. Precisão da ordem de 1 a 10 ppm. Limitado a distâncias inferiores a 15 km entre a estação de referência e o aparelho móvel. Custo dos equipamentos entre US$ 10.000 e 30.000. 
Cinemático em tempo real 
Aplicação Geodésia, Topografia, Engenharia, Geofísica e Cadastro. Utiliza link de rádio. Resolve as ambiguidades em tempo real. Precisão da ordem de 2 a 10 cm. Restrito a distâncias menores que 20 km. Custo dos equipamentos maior que US$ 30.000. 
DGPS – Diferential GPS (GPS Diferencial) 
O conceito de DGPS envolve o uso de um receptor estacionário numa estação com coordenadas conhecidas, rastreando todos os satélites visíveis. O processamento dos dados nesta estação permite calcular correções posicionais, das pseudo-distâncias e da fase da portadora. Estas correções são aplicadas ao posicionamento calculado no(s) equipamento(s) itinerante(s) em tempo real ou pós-processado. É necessário que os dados, na estação base e no(s) receptor(es) móvel(is), sejam coletados simultaneamente. Os cálculos realizados no DGPS só é possível se os dados dos satélites, coletados em todos os receptores, forem os mesmos. Aplicado em Navegação, Cadastro Rural e Engenharia. Pode atingir precisão melhor que 0,5 m. Distância entre base e móvel até 500 km. Custo dos equipamentos entre US$ 3.000 e U$ 15.000.
Módulo 8 - O GPS e a Engenharia
O sistema GPS traz importantes benefícios e avanços para a engenharia. Em grandes obras civis, o sistema facilita a implantação de apoio topográfico para a locação da obra, permite levantar planimetricamente uma obra existente, contribui no monitoramento e no controle de grandes estruturas e finalmente auxilia no cadastro e no controle de entidades as mais diversas. O transporte aéreo, marítimo e terrestre receberam igualmente um benefício surpreendente com a facilidade de posicionamento do sistema GPS. O resultado é a melhoria do planejamento e da logística no transporte e na entrega de mercadorias. 
APOIO TOPOGRÁFICO 
Os trabalhos de apoio conduzidos através dos processos topográficos, hoje valendo-se de estações totais eletrônicas, exigem o conhecimento de um ponto de partida com coordenadas conhecidas e de uma direção com um azimute estabelecido. Esta tarefa ficou tremendamente facilitada com o sistema GPS. Utilizando receptores geodésicos de uma ou duas frequências as coordenadas podem ser transportadas em distâncias de centenas ou até milhares de quilômetros com precisão de poucos centímetros em um intervalo de 2 h ou até menos. Desta forma, é fácil implantar dois pontos de apoio numa área de interesse transportando as coodenadas desde uma estação pertencente a uma rede qualquer de referência. Isto satisfaz a exigência da topografia em relação às coordenadas e ao azimute. A condição fundamental para a perfeita operação do GPS é um horizonte razoavelmente desobstruído relativo à antena do receptor. Com isso, o próprio levantamento topográfico na área de interesse fica restrito aos pontos que apresentem deficiência de visibilidade aos satélites devido a obstáculos como: vegetação, edificação, etc. O levantamento total de uma obra já existente também se vale da combinação do sistema GPS com os métodos topográficos. Neste caso o GPS supre igualmente a tarefa para todos os pontos com uma visibilidade favorável. 
O monitoramento de grandes estruturas é fundamental para a segurança. Diversos controles são necessários, entre eles a deformação e o deslocamento. O controle do deslocamento implica em utilizar como referência um ponto com uma estabilidade confiável, de modo que uma possível variação nas coordenadas ou na distância em relação à referência possa realmente ser atribuída a um deslocamento da estrutura. Quando o ponto de referência está próximo à estrutura e, portanto, na área de influência da mesma, ele pode estar sofrendo algum tipo de deslocamento simultâneo com a estrutura. O GPS traz um grande aporte para este problema permitindo observações desde um ponto remoto com uma estabilidade recomendável. 
Em diversos processos, na área operacional, faz-se necessário proceder a um cadastro de entidades que, ou precisam ser periodicamente monitoradas, ou entram na avaliação para implementação de mudanças, atualizações ou mesmo implantação de novas tecnologias. Exemplos práticos são as torres ou postes de transmissão de energia, estações de retransmissão de sinais de micro-ondas (telefonia), residências para implementação de novas tecnologias (TV a cabo), etc. A obtenção de coordenadas nestes entes para eventual implementação um um sistema de informação geográfica (SIG) é possível e rápida com um receptor GPS. Igualmente aí a precisão exigida irá apontar a técnica recomendável e o equipamento adequado. 
O GPS NO TRANSPORTE 
O sistema GPS foi desenvolvido com um objetivo básico: atender à navegação aérea. Com isso ele realiza basicamente todo o tipo de posicionamento de veículos em movimento. A precisão exigida varia em função do objetivo do posicionamento do ente em movimento. O uso simples do código C/A fornece um erro máximo de ± 30 m. Isto é suficiente para posicionar uma aeronave em rota ou um navio em um cruzeiro em alto mar. Mas há inúmeros casos que um erro de 30 m pode não ser desejável. Por exemplo, uma aeronave no procedimento de aproximação para pouso, uma navegação costeira mais cuidadosa, um levantamento marinho para fins de pesquisa e estudo, etc. Neste caso o DGPS constitui uma alternativa promissora. 
O sistema GPS vem se constituindo numa componente importante do transporte rodoviário de cargas. Um veículo de carga equipado com um receptor GPS e um sistema de transmissão pode ter seu movimento monitorado por uma central de controle. Esta facilidade tem reflexo no planejamento do transporte, no monitoramento das condições de operação do veículo e na segurança da operação. Nas aplicações mais gerais o receptor GPS pode operar simplesmente com o código C/A. A transmissão das informações, do veículo para uma central de controle, pode ser via um "link" de rádio ou utilizando um satélite de comunicação. No primeiro caso, fica-se restrito à área ou corredor atendido pelo "link". O satélite viabiliza transmissões em longas distâncias, possibilitando operações de carater nacional e até continental. 
Os sistemas de monitoramento de carga, numa versão mais simples, contemplam a transmissão da posição do veículo para uma central de controle, sem numhuma interferência do motorista, que mantém uma conveniente vigilância sobre o seu deslocamento. Um passo mais avançado é dado quando o veículo dispõe de uma unidade de controle com algumas teclas que, quando acionadas, dão conhecimento à central de simples mensagens pré-formatadas, tais como: emergência, acidente, tráfego interrompido, etc. A central pode, eventualmente, transmitir mensagens mais completas para o motorista que as lê na unidade do veículo. Uma interação maior entre o motorista e o veículo é conseguida se a unidade de controle do veículo for mais completa e permitir que o motorista digite informações e as transmita para a central, assim como, receba respostas da central. A sofisticação do sistema como um todo pode aumentar se o mesmo contemplar a colocação de sensores no veículo, tais como: temperatura e rotação do motor, velocidade do veículo, consumo de combustível, abertura do compartimento de carga, etc. Estas informações, sendo transmitidas para a central com uma freqüência desejável, resultam numa maior assistência e monitoramento. A abertura do compartimento de carga pode inclusive ter a opção de ser acionada somente pela central de controle.