GNSS-GPS

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Disciplina: Topografia Aplicada 
à Engenharia Civil
Assunto: GNSS/GPS
Profª Drª Eliane Viviani
Curso de Engenharia Civil 
GNSS
GNSS: Global Navigation Satellite Systems
Refere‐se a um conjunto de sistemas de navegação por 
satélites, como:
‐ GPS (Global Positioning System) – Estados Unidos;
‐ GALILEO – Comunidade Europeia
‐ GLONASS – (GLObal’naya NAvigatsionnaya
Sputnikovaya Sistema) – Rússia
‐ COMPASS/Beidou‐2 ‐ China
UFSCar – Topografia aplicada à Engenharia Civil – Profa Eliane Viviani
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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Detalhando o GPS
GPS:  forma  abreviada  de  se  referir  ao  sistema 
NAVSTAR  GPS  (Navigation System  with Time  And
Ranging Global Positioning System). 
Desenvolvido  pelo  Departamento  de  Defesa 
Americano  (DoD). Seu principal objetivo é oferecer a 
posição  instantânea  de  um  ponto  qualquer  sobre  a 
superfície  terrestre,  a  qualquer  momento  e  sob 
quaisquer condições atmosféricas.
Sistema que envolve uma rede de satélites artificiais, 
estruturado em  três  segmentos: Espacial, Controle e 
Usuário.
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Segmento Espacial
• Totalmente operacional em 1995
• 4  satélites  distribuídos  em  cada  um  dos  seis 
planos orbitais, a 20.183 km acima da Terra
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Segmento Espacial
Inclinados em 55o em relação ao plano equatorial
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Segmento Espacial
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Pelo menos quatro satélites são visíveis 
simultaneamente acima do horizonte, em 
qualquer lugar da superfície terrestre e em 
qualquer momento.
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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Segmento Espacial
Satélites completam uma revolução em 12 horas 
siderais  (≈ 11 horas, 58 minutos e 26  segundos 
da hora universal).
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Segmento de Controle
É constituído por uma estação de controle 
principal (Colorado/EUA) e por diversas estações 
de monitoramento
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Segmento de Controle
Satélites passam sobre as estações de monitoramento 
duas vezes ao dia, permitindo medir sua altitude, 
posição e velocidade. 
Uma vez obtida a posição do satélite, a Estação Mestre 
devolve essa informação ao satélite, que a transmitirá
para os receptores.
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Segmento de Controle
Principais funções do segmento de controle:
• monitorar e controlar continuamente o sistema 
de satélites;
• determinar o sistema de tempo GPS;
• formular os dados de navegação e calcular as 
correções dos relógios dos satélites e
• atualizar as mensagens de navegação de cada 
satélite
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Segmento do Usuário
• Compreende todas as classes de receptores GPS e seus 
respectivos componentes, além de todas as técnicas e 
processos empregados pelos usuários em suas aplicações.
• Os usuários podem ser classificados em civis e militares.
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Princípio de Posicionamento
Princípio  básico  do  posicionamento:  trilateração
eletrônica.
É possível  determinar  a  posição  de  um  ponto 
desconhecido,  desde  que  desse  ponto  sejam 
determinadas  as  distâncias  a  três  pontos  de  posições 
conhecidas.
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Princípio de Posicionamento
Por exemplo:
Admita‐se que se esteja em um ponto em que não se 
conhece a localização, mas sabe‐se que se está a 20.000 
km de distância de um satélite 1. 
Isso significa que se deve estar em algum lugar sobre 
uma superfície esférica centrada no satélite 1, com raio 
de 20.000 km 
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Princípio de Posicionamento
Sabendo‐se também que se está a 21.000 km de 
distância de um satélite 2, significa também que se está
sobre uma outra superfície esférica com raio de 21.000 
km, centrada no satélite 2.
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Entretanto, apenas um lugar pode conter simultaneamente 
a posição que fica a 20.000 km do satélite 1 e a 21.000 km 
do satélite 2, definido como a circunferência formada pela 
interseção das duas superfícies esféricas.
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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Princípio de Posicionamento
Sabendo‐se  ainda  que  a  distância  do  ponto  desconhecido 
até um terceiro satélite é 22.000 km, da mesma forma, só é
possível  estar  sobre  uma  superfície  esférica  com  raio  de 
22.000 km centrada no 3º satélite.
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Princípio de Posicionamento
Assim,  existem  apenas  dois  pontos  no  espaço  onde  se 
poderá estar: os pontos onde  essa  superfície  esférica de 
22.000 km corta a circunferência formada pela  interseção 
das superfícies esféricas de 21.000 km e de20.000 km.
Com  isso,  simultaneamente  com  o  terceiro  satélite,  se 
reduz a área de incerteza a apenas dois pontos no espaço. 
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Princípio de Posicionamento
No entanto, não se pode estar nos dois pontos ao mesmo 
tempo. Um quarto satélite define a posição entre os dois 
pontos e as quatro incógnitas (latitude, longitude, altitude 
e tempo) são resolvidas.
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Características dos sinais GPS
Os sinais GPS são constituídos de dois elementos básicos: 
Ondas Portadoras e Códigos.
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Os satélites transmitem duas ondas portadoras que 
estão na banda L (usada para rádio): 
a) onda portadora L1, com comprimento de onda 
de 19 cm, contendo dois códigos modulados: 
• o código de acesso livre C/A 
(Coarse/Acquisition), usado em receptores civis 
• o código P (Precise/Protected), código de 
acesso restrito, controlado pela estação de 
controle e de uso apenas militar
b) onda portadora L2, com comprimento de onda 
de 24 cm, contendo apenas o código P.
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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Características dos sinais GPS
Onda portadora
Código
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Os sinais emitidos pelos GPS (observáveis) são unidirecionais 
(satélites → receptor).
A informação de status de cada satélite tem a função de 
informar ao receptor a posição do satélite a cada instante.
Os sinais são transportados pelas portadoras L1 (modulada 
com os códigos C/A e P) e L2 (apenas código P)
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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Passo 1:
A posição do satélite é recebida 
pelo  receptor  através  dos  
dados  da  geometria  orbital 
(efemérides),  transmitidas 
pelos satélites.
Passo 2:
O receptor calcula o  tempo de 
trânsito  do  sinal  (defasagem 
entre  os  códigos  transmitidos 
pelos  satélites  e  suas  réplicas 
geradas no receptor).
Passo 3: 
Com o tempo de trânsito e a velocidade do sinal 
(velocidade da luz) o receptor calcula a pseudodistância.
Passo 4:
Utilizando a pseudodistância de (no mínimo) 4 satélites, 
o receptor calcula a posição do usuário.
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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Determinação da posição
Portanto,  conhecendo‐se  o  tempo  de  trânsito  do  sinal 
(satélite → receptor) e a velocidade de propagação desse 
sinal  (velocidade  da  luz  no  vácuo  =  300.000  km/s)  é
possível conhecer a distância entre o receptor e o satélite
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A precisão na medida do  tempo é fundamental para a 
obtenção de uma distância precisa.
• Os satélites possuem relógios de altíssima precisão 
(10‐9 s);
• O relógio do receptor não está sincronizado com o 
tempo GPS,  existindo  uma  incerteza  nessa medida 
(erro do  relógio), que  resulta em uma  incerteza na 
posição.
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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Determinação da posição
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A incerteza da posição é
eliminada pela leitura de 
um quarto satélite, que 
permite determinar o 
erro do relógio. Assim, o 
receptor deve coletar 
simultaneamente dados 
de, no mínimo, quatro 
satélites (deve possuir no 
mínimo 4 canais).Os 
atuais receptores são 
construídos com 12 
canais paralelos 
(rastreiam 12 satélites 
simultaneamente).
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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Posicionamento por GPS
O  posicionamento  pelo  sistema  GPS  é baseado  em 
dois tipos de medições diretas satélite/receptor:
• Medida  baseada  nos  códigos  (medidas  das 
pseudodistâncias);
• Medida  baseada  nas  ondas  portadoras  (medida  de 
fase).
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Onda portadora
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Posicionamento por GPS
O método de posicionamento com GPS pode ser:
• Absoluto
• Relativo 
• Diferencial (DGPS ‐Differential GPS)
O levantamento pode ser classificado como: 
• posicionamento estático (objeto em repouso)
• posicionamento  cinemático  (objeto  em 
movimento).
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Posicionamento por GPS
As técnicas de posicionamento podem ainda ser 
classificadas como:
• em tempo real (as coordenadas são obtidas 
praticamente no momento do posicionamento em 
campo)
• pós‐processadas (os dados são processados em 
escritório, após a coleta
em campo)
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Técnicas de Posicionamento por GPS
Método Absoluto
Emprega um único receptor (rastreando no mínimo 4 
satélites). O  posicionamento  ocorre  em  tempo  real, 
usando  a  pseudodistância derivada  do  código  C/A 
presente na portadora L1 e pode ser realizado com as 
técnicas estática  (antena em  repouso) ou  cinemática 
(antena em movimento). A precisão é da ordem de 10 
m,  sendo muito utilizado  como apoio à navegação e 
em levantamentos expeditos.
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Técnicas de Posicionamento por GPS
Método Relativo
Utiliza pelo menos dois receptores simultaneamente, 
rastreando os mesmos satélites, sendo um receptor 
instalado em um ponto de coordenadas conhecidas 
(ponto base) enquanto um receptor móvel percorre os 
pontos a serem posicionados.
O método relativo pode ser executado por diferentes 
técnicas: relativo estático, relativo dinâmico, 
cinemático, pseudo‐cinemático (‘Stop‐and‐go’)
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Técnicas de Posicionamento por GPS
Método Diferencial (DGPS ‐ Differential GPS)
Um  receptor  é colocado  em  um  ponto  de 
coordenadas conhecidas. Mediante comparação das 
coordenadas calculadas com as reais, determina‐se a 
correção  a  ser  aplicada  nos  dados  de  posição  do 
receptor móvel,  que  é enviada  ao  receptor móvel 
(link  de  rádio). Necessita  que  os  dados  na  estação 
base  e  no  receptor  móvel  sejam  coletados 
simultaneamente.  A  correção  diferencial  pode  ser 
em tempo real ou realizada após a coleta dos dados 
(DGPSpós‐processado). 
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Resumindo...
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