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Sistema Geodésico de Referência, Projeções Cartográficas e GPS Prof. Rovane Marcos de França Material Disponível em www.vector.agr.br/rovane 1 Sup. Terrestre Elipsóide Geóide 13.3 ELEMENTOS GEODÉSICOS 13.3.1 Superfície Topográfica – superfície do terreno com seus vales, fundo do mar e montanhas sobre a qual as medidas são executadas 13.3.2 Geóide – vocábulo que significa o formato geométrico da Terra. Considerado como a superfície de nível de altitude igual a zero e coincidente com o nível médio dos mares; referência para as altitudes 13.3.3 Gravimetria – é um método da geodésia física para determinar os níveis do campo gravitacional da Terra e, com isto, determinar o geóide. O Geóide pdoe ser determinado com precisão de poucos centímetros, através de medições gravimétricas de pontos bem distribuídos sobre a Terra. A densidade de pontos é muitíssimo importante para a determinação do geóide. 13.3.4 Elipsóide de revolução – superfície matemática adotada como referência para o cálculo de posições, distâncias, direções e outros elementos geométricos da mensuração • Se ajusta ao Geóide com uma aproximação de primeira ordem • Para um bom ajuste, cada país ou região adotou um Elipsóide de referência diferente e que melhor ajustou às suas dimensões a = semi-eixo maior; b = semi-eixo menor; f = a/(a-b) = achatamento O Elipsóide pode ser definido por 2 dos 3 parâmetros. A forma mais comum é utilizar o “a” e o “f”. O elipsóide de revolução difere do geóide em até ± 50 metros. b a Geóide Elipsóide 1 Elipsóide 2 Sistema Geodésico de Referência, Projeções Cartográficas e GPS Prof. Rovane Marcos de França Material Disponível em www.vector.agr.br/rovane 2 13.3.5 Datum Horizontal • É a superfície de referência para o posicionamento horizontal • Contém a forma e tamanho de um Elipsóide • Contém a posição do elipsóide relativa ao geóide – Topocêntrico: vértice na superfície terrestre que serve para a amarração do elipsóide – Geocêntrico: amarrado ao centro da terra; • Contém os parâmetros de conversão para o Datum Internacional WGS-84 (World Geodetic System of 1984) – Delta X, Delta Y, Delta Z – Rotação e escala O referencial planimétrico ou Datum Horizontal Oficial no Brasil é o SIRGAS-2000 (Sistema de Referência Geocêntrico para as Américas de 2000) e até 2014 poderá ser utilizado o SAD-69 (South American Datum of 1969). Datum Elipsóide Tipo Raio Equatorial semi-eixo maior a Raio Polar semi-eixo menor b f ∆X ∆Y ∆Z Córrego Alegre Hayford Topocêntrico 6378388 6356912,00000 1/297 -205,57 +168,77 -4,12 SAD69/1996 UGGI-67 Topocêntrico 6378160 6356774,71920 1/298,25 -66,87 +4,37 -38,52 SAD69/2005 UGGI-67 Topocêntrico 6378160 6356774,71920 1/298,25 -67,35 +3,88 -38,22 WGS84(G1150) WGS84 Geocêntrico 6378137 6356752,31425 1/298,257223563 0,00 0,00 0,00 SIRGAS2000 GRS80 Geocêntrico 6378137 6356752,31414 1/298,257222101 0,00 0,00 0.00 Astro Chuá Hayford Topocêntrico 6378388 6356912,00000 1/297 -143,87 243,37 -33,52 13.4 SISTEMAS GEODÉSICOS 13.4.1 Coordenadas Terrestres 13.4.1.1 Cartesianas Geocêntricas Sistema Geodésico de Referência, Projeções Cartográficas e GPS Prof. Rovane Marcos de França Material Disponível em www.vector.agr.br/rovane 3 A Superfície de referência para as Coordenadas Cartesianas é o Elipsóide. As Projeções X, Y e Z possuem origem no centro do Datum. Este sistema de coordenadas é o sistema de origem para os cálculos geodésicos. O plano X,Y coincide com o Equador. O eixo Z coincide com o eixo da Terra. O eixo X passa no meridiano de Greenwich. 13.4.1.2 Geodésicas A superfície de referência para as Coordenadas Geodésicas é o Elipsóide. É um sistema de projeção esférico, definindo um ponto a partir de 2 ângulos de referência: Latitude (F) e Longitude (l). A Latitude é um ângulo medido a partir do equador até a normal do ponto (direção que passa pelo ponto perpendicular ao elipsóide). Além da dimensão angular, deve ser especificado o hemisfério, se N ou S, ou ainda através dos sinais positivo e negativo, respectivamente. 13.4.1.3 Geográficas ou Astronômicas A superfície de referência para as Coordenadas Geográficas é o Geóide. É um sistema de projeção esférico, definindo um ponto a partir de 2 ângulos de referência: Latitude (F) e Longitude (l). A Latitude é um ângulo medido a partir do equador até a vertical do ponto (direção que passa pelo ponto perpendicular ao geóide). Além da dimensão angular, deve ser especificado o hemisfério, se N ou S, ou ainda através dos sinais positivo e negativo, respectivamente. As coordenadas Geográficas são determinadas Astronomicamente, não sendo possível determinar com precisão através de métodos de medição com equipamentos topográficos. Sistema Geodésico de Referência, Projeções Cartográficas e GPS Prof. Rovane Marcos de França Material Disponível em www.vector.agr.br/rovane 4 Sup. Topog. Geóide Elipsóide P Desvio de Vertical Normal Vertical do lugar Sistema Geodésico de Referência, Projeções Cartográficas e GPS Prof. Rovane Marcos de França Material Disponível em www.vector.agr.br/rovane 5 13.4.1.4 Plano Topográfico Horizontal A superfície de referência é um plano horizontal (paralelo geóide) formado a partir do ponto de partida do levantamento com coordenadas arbitrárias. Coincide com o plano horizontal definido pelo equipamento. A orientação do sistema de coordenadas pode ser qualquer Norte. 13.4.1.5 Plano Topográfico Local A superfície de referência é um plano horizontal (paralelo geóide) formado a partir do ponto de partida do levantamento que deve estar Georreferenciado. Coincide com o plano horizontal definido pelo equipamento. A orientação do sistema de coordenadas deve ser o Norte Verdadeiro (Geográfico) Sistema Geodésico de Referência, Projeções Cartográficas e GPS Prof. Rovane Marcos de França Material Disponível em www.vector.agr.br/rovane 6 13.4.2 Redução de distâncias As Distâncias na Topografia são medidas de forma inclinada (DI) com um Medidor Eletrônico de Distância (Estação Total ou Distanciômetro) e calculada na Horizontal (DH) com o ângulo vertical lido da visada. Pode também ser medido diretamente sobre o plano Topográfico (DH) utilizando uma trena. Após se obter a Distância Horizontal (DH), temos que rebatê-la sobre o Geóide (Dn) e em seguida sobre o Elipsóide (De) para que todas as distâncias fiquem num mesmo referencial. frDHDn .= Rm HmFr −= 1 ( )153 10..027,1 −+= DnDnDe Para distâncias menores que 5km, poderemos fazer De=Dn, pois a mudança é desprezível. 13.4.3 Sistemas de Projeções Cartográficas 13.4.3.1 Tipos de Projeção Projeção Cartográfica é a técnica de projetar a superfície da Terra, admitida como esférica ou elipsóidica, em um plano. A projeção cartográfica é definida por um Modelo da Superfície Terrestre (Datum) e pelo plano de projeção. O problema da cartografia consiste na tentativa de representar a superfície terrestre, modelada como esfera ou elipsóide, no plano. Esses modelos são superfícies não-desenvolvíveis, ou seja, não é possível sua perfeita planificação. Portanto, qualquer sistema projetivo apresenta distorções de formas, de áreas, de ângulos ou de distâncias. O tipo de projeção adotado em um mapa deve ser aquele que melhor conservar propriedades de interesse do usuário. Elipsóide SistemaPlano-retangular Geóide Plano Topográfico Sistema Geodésico de Referência, Projeções Cartográficas e GPS Prof. Rovane Marcos de França Material Disponível em www.vector.agr.br/rovane 7 Projeção Plana Projeção Cônica Projeção Cilíndrica De acordo com o tipo de projeção, classificamos elas em: - Eqüidistante: sem deformações lineares em uma ou algumas direções - Equivalente (eqüiárea): sem deformações de área (dentro de certos limites) - Conforme (ortomórfica): sem deformações de ângulos (dentro de certos limites) - Afilática: não conserva propriedades, mas minimiza as deformações em conjunto 13.4.3.2 Sistemas de Projeção TM (Transversa de Mercator) 13.4.3.2.1 Generalidades Gerhard Kremer Mercátor (1512-1594) matemático e cartógrafo belga, é o autor das projeções TM, atualmente considerado o pai da Cartografia Moderna. Foi o introdutor do uso de projeção cilíndrica e também da confecção de mapas para navegação. Somente em 1950 foi adotado a formatação do sistema como é hoje. Vários sistemas de projeções, como o Gauss, Gauss Krüger e Gauss Tardi foram desenvolvidos com base em estudos de Mercator. Recomendado pela União Geodésica e Geofísica Internacional. 13.4.3.2.2 Características Ocorre deformação apenas nas distâncias (projeção Conforme) e conseqüentemente nas áreas. Os ângulos se deformam tão pouco que cartograficamente são desprezíveis. Fuso utilizado na projeção Projeção Transversa Sistema Geodésico de Referência, Projeções Cartográficas e GPS Prof. Rovane Marcos de França Material Disponível em www.vector.agr.br/rovane 8 13.4.3.2.3 Fator de Escala Ocorre deformação apenas nas distâncias (projeção Conforme) e conseqüentemente nas áreas. Os Portanto, para projetarmos a DH para o Plano TM, teremos que executar os seguintes passos: Fr De=Dn (5km) K DH Dn De DTM Para facilitar os cálculos, podemos calcular um Fator que junta o Fr e o K. Chamaremos de Kr. Kr=K.Fr Fr De=Dn (5km) K DH Dn De DTM Kr 13.4.3.2.4 Orientação do Sistema Norte Verdadeiro ou Geográfico: Direção ao Pólo Norte Físico da Terra. Não podemos considerar as direções ao Norte Verdadeiro como sendo paralelo em qualquer ponto do sistema. Norte Geodésico: Direção ao Pólo Norte do Datum. O Datum sendo geocêntrico, o Norte Geodésico é igual ao Norte Verdadeiro. Não podemos considerar as direções ao Norte Geodésico como sendo paralelo em qualquer ponto do sistema. Norte Magnético: Direção ao Pólo Norte Magnético, pólo este que concentra um enorme campo magnético e atrai as bússolas indicando sua direção. Não podemos considerar as direções ao Norte Magnético como sendo paralelo em qualquer ponto do sistema. Norte de Quadrícula: Norte utilizado no sistema TM, pois é paralelo quem qualquer lugar do fuso. e TM D DK = Cilindro Secante Elipsóide K0 K=1 K=1 K<1 K>1 K>1 De DTM DTM De KDD eTM .= Sistema Geodésico de Referência, Projeções Cartográficas e GPS Prof. Rovane Marcos de França Material Disponível em www.vector.agr.br/rovane 9 NG NM NQ POLO NORTE MAGNÉTICO POLO NORTE GEOGRÁFICO NG NM NQ POLO NORTE MAGNÉTICO POLO NORTE GEOGRÁFICO O ângulo formado a partir do Norte Verdadeiro até o Norte Magnético chama-se Declinação Magnética. A Declinação Magnética varia com a posição geográfica e com a data. O Norte magnético está em constante mutação. Ao realizar qualquer medição com bússola, é conveniente que fique registrado a data da medição, para que em uma data futura possa se atualizar esta direção que não é estática. Geodesicamente as direções ao Norte verdadeiro não são paralelas entre si. Elas convergem para um ponto da superfície (Pólo Norte). Para que possamos gerar um sistema de coordenadas Plano Retangular, precisamos de uma direção norte de referência que seja paralelo em qualquer ponto da projeção. Este norte próprio dos sistemas TM é denominado Norte de Quadrícula. O ângulo formado a partir do Norte Verdadeiro até o Norte de Quadrícula chama-se Convergência Meridiana (c). NQ NV c c é negativo NQ NV c c é positivo NQ NV c c é negativo NQ NV c c é positivo Equador MC NQ NV c c é negativo NQ NV c c é positivo NQ NV c c é negativo NQ NV c c é positivo Equador MC Para o cálculo da Convergência Meridiana, podemos utilizar a fórmula abaixo. É uma aproximação que normalmente fica na ordem do segundo. c =∆λ senϕ onde: c = convergência meridiana ∆λ = diferença de longitude entre o ponto dado e a longitude do meridiano central ϕ = latitude do ponto dado Sabendo a Convergência Meridiana (c) e a Declinação Magnética (d), podemos aplicar as fórmulas abaixo para calcular os azimutes: Sistema Geodésico de Referência, Projeções Cartográficas e GPS Prof. Rovane Marcos de França Material Disponível em www.vector.agr.br/rovane 10 AZV=AZQ+c AZM=AZV-d Sabemos que uma boa bússola, nos dá uma precisão de alguns graus. Portanto o cálculo do AZV nunca deve ser feito partindo-se do AZM medido com bússola. 13.4.3.3 UTM (Universal Transversa de Mercator) • É o sistema mais utilizado para a confecção de mapas (Recomendado pela UGGI) • Sua amplitude é de 6º, formando um conjunto de 60 fusos UTM no recobrimento terrestre total Cada Fuso é mapeado separadamente no Hemisfério Sul e no Hemisfério Norte • Os Fusos são numerados a partir do Anti- meridiano de Greenwich (longitude -180º) e de oeste para leste • No Brasil temos o fuso 18 passando pela ponta do Acre até o fuso 25 passando por Fernando de Noronha • Apenas os estados de SC, ES, SE e CE estão totalmente dentro de um único fuso • Em casos de áreas abrangidas por 2 fusos tem-se 2 soluções: • 1) trabalhar como 2 mapeamentos distintos, caso a área seja muito grande, pois os fusos mapeados não são contíguos • 2) extrapolar o fuso em até 30' na tentativa de abranger toda a área, que no Equador 30’ equivalem a aproximadamente 55km; • Os limites de atuação dos fusos na latitude são 80ºS e 80ºN. Além destes limites a UTM não é indicada, devido a repetições das áreas mapeadas nos fusos Para calcular o fuso em função da longitude de um ponto qualquer, utilize a equação 31 6 int + = λF Para calcular o MC em função da longitude de um ponto qualquer, utilize a equação 36. 6 int + = λMC Para calcular o MC em função do fuso, utilize a equação 36).31( +−= FMC Sistema Geodésico de Referência, Projeções Cartográficas e GPS Prof. Rovane Marcos de França Material Disponível em www.vector.agr.br/rovane 11 Exercício 1 Calcule o Fuso e o MC do sistema de projeção UTM, dos pontos abaixo: a) F= 8º31’45,09274”S e l= 72º05’40,93481”W (resposta: F=18 e MC=75ºW) b) F= 3º04’03,12840”N e l= 62º29’30,45621”W (resposta: F=20 e MC=63ºW) c) F= 27º06’51,32663”S e l= 49º59’55,10003”E (resposta: F=39 e MC=39ºE) Exercício 2 a) Calcule a distância UTM com os dadosabaixo. (resposta: 999,604) DHR-J=1000,000 HR=734,082 HJ=784,992 K=0,99972303 b) Num Relatório de rastreamento GPS, as coordenadas informadas foram as seguintes: Sistema de Projeção UTM Datum SAD69/2005 Hemisfério Sul Fuso 21 Com a estação total, o topógrafo mediu DH=182,108. Ele afirma que a diferença foi muito grande e desconfia do rastreamento GPS... Calcule a diferença entre a medição da Estação Total X GPS. (resposta: dif=6mm) 13.4.3.4 RTM (Regional Transversa de Mercator) • Sistema pouco utilizado no Brasil • Sua amplitude é de 2º, formando um conjunto de 180 fusos RTM no recobrimento terrestre total • Cada Fuso é mapeado separadamente no Hemisfério Sul e no Hemisfério Norte • Os Fusos são numerados a partir do Anti-meridiano de Greenwich (longitude -180º) e de oeste para leste • Em Santa Catarina temos o fuso 64 passando pelo Extremo Oeste até o fuso 66 passando pelo Litoral • Em casos de áreas abrangidas por 2 fusos tem-se 2 soluções: • 1) trabalhar como 2 mapeamentos distintos, caso a área seja muito grande, pois os fusos mapeados não são contíguos • 2) extrapolar o fuso em até 10' na tentativa de abranger toda a área, que no Equador 10’ equivalem a aproximadamente 18km; Ponto N E H 1 7099655,1440 746208,8812 297,698 2 7099811,5336 746302,3029 310,153 Sistema Geodésico de Referência, Projeções Cartográficas e GPS Prof. Rovane Marcos de França Material Disponível em www.vector.agr.br/rovane 12 • Os limites de atuação dos fusos na latitude são 80ºS e 80ºN. Além destes limites a RTM não é indicada. Para calcular o fuso em função da longitude de um ponto qualquer, utilize a equação 91 2 int + = λF Para calcular o MC em função da longitude de um ponto qualquer, utilize a equação 12. 2 int + = λMC MC K= 1 K<1 K<1 K>1 Ko = 0, 99 99 95 K= 1 Bo rd o do Fu so Bo rd o do Fu so K>1 Equador 1º 2º Y=0m Y=5.000.000m X= 40 0. 00 0m K ~1 ,000152 K ~1 ,000152 1º MC K= 1 K<1 K<1 K>1 Ko = 0, 99 99 95 K= 1 Bo rd o do Fu so Bo rd o do Fu so K>1 Equador 1º 2º Y=0m Y=5.000.000m X= 40 0. 00 0m K ~1 ,000152 K ~1 ,000152 1º 13.4.3.5 LTM (Regional Transversa de Mercator) • Sistema utilizado no Brasil para projetos • Sua amplitude é de 1º, formando um conjunto de 360 fusos LTM no recobrimento terrestre total • Cada Fuso é mapeado separadamente no Hemisfério Sul e no Hemisfério Norte • Os Fusos são numerados a partir do Anti-meridiano de Greenwich (longitude -180º) e de oeste para leste • Em Santa Catarina temos o fuso 127 passando pelo Extremo Oeste até o fuso 132 passando pelo Litoral • Em casos de áreas abrangidas por 2 fusos tem-se 2 soluções: • 1) trabalhar como 2 mapeamentos distintos, caso a área seja muito grande, pois os fusos mapeados não são contíguos • 2) extrapolar o fuso em até 5' na tentativa de abranger toda a área, que no Equador 5’ equivalem a aproximadamente 9km; • Os limites de atuação dos fusos na latitude são 80ºS e 80ºN. Além destes limites a LTM não é indicada. Sistema Geodésico de Referência, Projeções Cartográficas e GPS Prof. Rovane Marcos de França Material Disponível em www.vector.agr.br/rovane 13 Para calcular o fuso em função da longitude de um ponto qualquer, utilize a equação 181)int( += λF Para calcular o MC em função da longitude de um ponto qualquer, utilize a equação '30)int( += λMC MC K= 1 K<1 K<1 K>1 Ko = 0, 99 99 95 K= 1 Bo rd o do Fu so Bo rd o do Fu so K>1 Equador 30’ 1º Y=0m Y=5.000.000m X= 20 0. 00 0m K ~1 ,000037 K ~1 ,000037 30’ MC K= 1 K<1 K<1 K>1 Ko = 0, 99 99 95 K= 1 Bo rd o do Fu so Bo rd o do Fu so K>1 Equador 30’ 1º Y=0m Y=5.000.000m X= 20 0. 00 0m K ~1 ,000037 K ~1 ,000037 30’ 13.4.4 Transformação de Coordenadas CONVERSÃO DE TM ���� PTL a) Definir um ponto de origem com coordenadas TM (não precisa estar materializado) b) Calcular os AZQ e DTM do ponto origem para os demais pontos c) Arbitrar coordenadas de partida no PTL para o ponto de origem d) Converter as DTM em DH, do ponto origem para os demais pontos e) Converter os AZQ em AZV, do ponto origem para os demais pontos f) Calcular as coordenadas no PTL dos pontos CONVERSÃO DE PLANO TOPOGRÁFICO ���� TM a) Definir um ponto de origem (O) no PTL que possua coordenadas TM b) Definir um ponto de referência (R) no PTL que possua coordenadas TM Sistema Geodésico de Referência, Projeções Cartográficas e GPS Prof. Rovane Marcos de França Material Disponível em www.vector.agr.br/rovane 14 c) Calcular DH e AZ do ponto origem (O) para os demais pontos, inclusive para o ponto de referência (R) d) Converter DTM do ponto Origem para os demais pontos e) Calcular AZQO-R f) Calcular a Rotação (ROT), fazendo ROT= AZQO-R - AZO-R g) Calcular os AZQ, fazendo AZQ=AZ+ROT h) Calcular as coordenadas UTM dos pontos 13.4.5 Legislação Vigente A legislação no Brasil ainda é muito pobre em relação à legislação dos sistemas de projeção utilizados. A NBR14166 especifica que se deve utilizar o PTL como referência. Já o INCRA, define como sendo o sistema UTM. O IBGE utiliza para a cartografia sistemática nacional, a projeção UTM. Cada órgão acaba por definir a seu critério, o sistema de projeção que acha mais conveniente. 13.5 Datum Vertical Datum vertical é uma Superfície de referência para as altitudes. As altitudes podem ser do tipo Ortométrica ou Geométrica: 13.5.1 Altitude Ortométrica (geoidal): – São as altitudes referenciadas ao geóide (nível médio do mar). – Cada região ou país banhado por um oceano pesquisa em sua costa lugares onde a variação de marés é mínima – Nestes locais são instalados instrumentos que medem a variação das marés, denominados Marégrafos – Um destes marégrafos é escolhido como referência denominado de Datum de Controle Vertical – O referencial altimétrico ou Datum Vertical Oficial é o Datum Imbituba definido por observações maregráficas tomadas na baía de Imbituba, no litoral do Estado de Santa Catarina, entre os anos de 1949 e 1957 – Caso Particular: Datum Porto de Santana, que é referência para o Estado do Amapá, tomado entre os anos de 1957 e 1958. – Os Marcos de Referência de Nível são transportados a partir de Nivelamentos geométricos e trigonométricos 13.5.2 Altitude Geométrica (Elipsoidal): – São as altitudes referenciadas ao elipsóide (calculadas geometricamente) – Mudando de Datum, mudaremos de altitude geométrica – Obtido a partir de sistemas de posicionamentos via satélite h=H+N, sendo H: altitude ortométrica (geoidal) h: altitude geométrica (elipsoidal) N: ondulação geoidal, ou altura geoidal ou ainda distância geoidal Geóide Elipsóide H h N (-) H h N (+) N=0 H=h Superf. Topogr. Sistema Geodésico de Referência, Projeções Cartográficas e GPS Prof. Rovane Marcos de França Material Disponível em www.vector.agr.br/rovane 15 13.5.3 Mapa Geoidal O Mapa Geoidal apresenta as ondulações geoidais. Porém, o mapa possui escala muito pequena para fazer interpolação. Para a obtenção de N, utilizamos softwares para interpolação. No Brasil, o software utilizado para fazer esta conversão é o Mapgeo 2004, disponibilizado peloIBGE. Mas no Brasil o modelo ainda não tem grande precisão: Absoluto = ±0,5m (em alguns locais o erro pode chegar a 2m) Relativo = ±1cm/km 13.5.4 Conversão de Altitudes Como vimos, a conversão da altitude geométrica em ortométrica é feita pela equação H=h-N. O Problema é na determinação de N, pois o geóide no Brasil não é bem determinado, pois temos poucos pontos gravimétricos. Sistema Geodésico de Referência, Projeções Cartográficas e GPS Prof. Rovane Marcos de França Material Disponível em www.vector.agr.br/rovane 16 3. GNSS 3.1 Generalidades A geodésia sempre se utilizou de ângulos e distâncias para resolver seus problemas e implantar pontos geodésicos de referência. Com o surgimento dos satélites artificiais, começou o desenvolvimento de métodos para a utilização deles como pontos espaciais geodésicos de referência. O primeiro sistema de satélites colocado a disposição no meio civil foi o TRANSIT em 1967. Necessitava várias semanas de rastreamento para a determinação de 1 ponto. Este sistema foi ssado pelo IBGE até 1991. Com a criação do sistema NAVSTAR GPS (Navigation Satellite with Time and Ranging) em 1973, que permitiu alcançar melhores precisões num menor tempo de rastreamento. Usado pelo IBGE a partir de 1991 e até 2004 implantados mais de 1400 vértices O sistema NAVSTAR GPS foi desenvolvido pelo Departamento de Defesa Norte Americano, inicialmente para navegação com propósitos militares O sistema GPS consiste de 29 satélites distribuídos em 6 planos de órbita cada um com 55º com o plano do Equador Altitude aprox. 20200 km 12h siderais de período espacial (4’ a menos por dia) Aproximadamente 5h acima do horizonte. Imagem LandSat a uma altitude de 20200km com Florianópolis ao Centro Rede Implantada com método Clássico (década de 40) 3.2 Estrutura do Sistema 3.2.1 Segmento Espacial É constituído pelos satélites GPS, com as seguintes funções: • manter uma escala de tempo bastante precisa ( 4 relógios atômicos – 2 césio e 2 rubídio) • emitir sinais ultra-estáveis em duas freqüências moduladas L1 = 1575,42 MHz e L2 = 1227.60 MHz • Receber, armazenar e processar informações provenientes do segmento de controle • efetuar manobras orbitais • Transmitir mensagens ao solo: o as efemérides do próprio satélite o Almanaque (efemérides de todos os satélites) o as correções do relógio do satélite o parâmetros atmosféricos o outros dados relevantes sobre o sistema em geral. Sistema Geodésico de Referência, Projeções Cartográficas e GPS Prof. Rovane Marcos de França Material Disponível em www.vector.agr.br/rovane 17 3.2.2 Segmento de Controle É constituído por 1 Estação Master e 4 Estações de Monitoramento • Estação Master o Registra os sinais GPS a seu alcance o Recebe dados das 4 Estações de Monitoramento o Processa os dados e os transmite para as estações de monitoramento o Envia dados para os SV’s a seu alcance; • Estações de Monitoramento o Registra os sinais GPS o Envia e recebe dados da Estação Master o Efetua medições meteorológicas o Envia dados para os SV’s. 3.2.3 Segmento do Usuário Compreende o conjunto de usuários civis e militares do sistema GPS, incluindo: • Receptores • Algoritmos • Softwares Sistema Geodésico de Referência, Projeções Cartográficas e GPS Prof. Rovane Marcos de França Material Disponível em www.vector.agr.br/rovane 18 Sistema Completo 3.3 Estrutura do Sinal - Onda Eletromagnética - Duas freqüências portadoras • L1 - 1575,42 MHz – λ=19,05cm (λ=c/f) • L2 - 1227,60 MHz – λ=24,45cm (λ=c/f); - Dois códigos � C/A (Clear Access): Código civil, dura 1ms, L1 � P (Precise Code): Código militar, dura 7dias, criptografado para evitar sabotagem (AS - Anti-Spoofing) criando o código Y, L1 e L2 - Mensagem � São codificadas e acrescidas aos códigos C/A e P. Sistema Geodésico de Referência, Projeções Cartográficas e GPS Prof. Rovane Marcos de França Material Disponível em www.vector.agr.br/rovane 19 3.4 Matemática do Posicionamento Sabemos que a interseção de 4 esferas gera um único ponto, desde que saibamos as coordenadas dos centros e os raios delas. Veja nas ilustrações abaixo como a interseção se comporta. Interseção de 2 esferas Círculo Resultante da Interseção Interseção de 3 esferas 2 Pontos Resultantes da Interseção Interseção de 4 esferas 1 Ponto Resultante da Interseção Trazendo este conceito matemático para o GPS, o ponto a ser conhecido é o receptor, os 4 centros das esferas coordenados são os satélites e os raios as distâncias entre o receptor e os satélites. Veremos em seguida como obter as distâncias. Analisaremos agora apenas a geometria. Perceba que o uso de 3 satélites, gera 2 pontos. Teoricamente precisaríamos da 4ª esfera para definir um ponto, mas se considerarmos que o receptor estará próximo a superfície terrestre, mesmo que em grandes altitudes, um dos dois pontos estará muito próximo à terra e outro muito longe. Isso é válido pelo fato da distância do receptor até o satélite ser muito grande e que todos os satélites estão acima do horizonte. Por esta exclusão do ponto improvável, podemos definir as coordenadas do receptor até mesmo com apenas 3 satélites, geometricamente falando. 3.5 Métodos de Medida 3.5.1 Código C/A Baseando-se no Movimento Retilíneo Uniforme, poderemos obter a distância sabendo apenas o tempo, pois a velocidade de uma onda eletromagnética é a velocidade da luz. Portanto a equação D=v.t é válida. Considerando que v=c~300000km/s , portanto teremos D=c.t. Para descobrirmos o t, teremos que gerar os mesmo código gerado no satélite no receptor e então comparar o horário que ele foi gerado com o horário que ele chegou. Desta forma, descobrimos o tempo de trânsito do sinal do satélite até o receptor. Obs: O tempo mostrado na figura é meramente ilustrativo Sistema Geodésico de Referência, Projeções Cartográficas e GPS Prof. Rovane Marcos de França Material Disponível em www.vector.agr.br/rovane 20 Para que este tempo esteja correto, é necessário que o relógio do receptor e do satélite estejam sincronizados, mas sabemos que isso é impossível, pois o relógio do receptor não é atômico e mesmo se fosse, teríamos ainda uma pequena diferença. Portanto, o tempo tem aí um erro (et) e a equação passa a ser D=c.(t+et), mas aí não poderemos chamá-la de Distância e sim de Pseudo-distância (falsa distância). A equação passa a figurar PD=c.t+c.et, ou ainda PD=D+c.et. Analiticamente sabemos que a distância entre 2 pontos é 222 ZYXD ∆+∆+∆= . Portanto a equação fica da seguinte forma. ( ) ( ) ( ) etcZZYYXXPD RRR .2121211 +−+−+−= sendo, PD1 : Pseudo-distância do receptor para o satélite 1, calculada pelo tempo medido (X1 Y1 Z1) : Coordenadas do satélite 1 obtidas pelas efemérides (XR YR ZR) : Coordenadas do receptor que desejamos Temos portanto 1 equação e 4 variáveis (XR YR ZR e et), matematicamente impossível de se calcular. Precisamos então incluir mais satélites para gerar mais equações, desde que seja num mesmo intante para o erro do tempo ser o mesmo para os demais satélites. ( ) ( ) ( ) etcZZYYXXPD RRR .2121211 +−+−+−= ( ) ( ) ( ) etcZZYYXXPD RRR .2222222 +−+−+−= ( ) ( ) ( ) etcZZYYXXPD RRR .2323233 +−+−+−= ( ) ( ) ( ) etcZZYYXXPD RRR .2424244 +−+−+−= Utilizando4 satélites num mesmo instante, poderemos saber o valor de et e as Coordenadas do receptor. Por esse motivo é fundamental que se tenha no mínimo 4 satélites e não 3 pela análise geométrica. Com mais de 4 satélites poderemos calcular várias posições utilizando as combinações possíveis e aumentando a precisão. Em função do erro das efemérides, falta de sincronismo dos relógios dos satélites e outras variáveis do sistema, a posição acaba por ter a precisão de ±15m com 95% de confiabilidade (2s). 3.5.2 Fase da Portadora Vimos que utilizando o Código C/A, obrigatoriamente precisaremos utilizar o tempo para o cálculo das distâncias entre os satélites e o receptor. E aí está a grande fonte de erros. O método de medição da fase da portadora visa calcular estas distâncias sem o uso do tempo. Chamamos de Fase da portadora quando um ciclo é fracionado. λ.111 nFcFpD ++= ( )λ.222 anFcFpD +++= ( )λ.333 bnFcFpD +++= Onde, D1 : Distância do satélite ao receptor no t1 Fp1 : Fase de Partida no satélite no t1 Fc1 : Fase de Chegada no receptor no t1 N : número de ciclos a : número de ciclos acrescidos em n no t2 b : número de ciclos acrescidos em n no t3 F λ Ciclo Fase Sistema Geodésico de Referência, Projeções Cartográficas e GPS Prof. Rovane Marcos de França Material Disponível em www.vector.agr.br/rovane 21 n nas equações é chamado de Ambigüidade Inteira. As Fases são possíveis medir, pois a equação senoidal Y=senX permitirá calcular o valor de X. a e b também é possível, desde que entre o tempo t1 e t2, o receptor conte o número de ciclos que se passaram. Portanto, fica como variável em cada equação a D e número de ciclos acrescidos em n no t2. Como em cada equação n é constante e varia D, teremos sempre uma incógnita a mais que o número de equações. Sendo matematicamente impossível resolver as equações, fazemos uso da estatística. Para se resolver estatisticamente e que seja confiável, é necessário uma grande amostragem que acaba por ser improdutivo. Por esse motivo, faz-se uso de técnicas chamadas de Simples Diferença de Fase (2 receptores e 1 satélite), Dupla Diferença de Fase (2 receptores e 2 satélites) e Tripla Diferença de Fase (2 receptores e 2 satélites em 2 tempos), onde geometricamente se elimina incógnitas e produz requisitos que n deve atender. Com isso é possível resolver as ambigüidades em questão de minutos para distâncias curtas e poucas horas para distâncias longas. Quanto mais satélites mais rápido será a resolução das ambigüidades. Como vimos, bastariam 3 satélites para o posicionamento de um ponto, mas para o cálculo estatístico de n é necessário se saber a Pseudo-Distância. Portanto é necessário ainda que se tenha 4 satélites. 3.6 Tipos de Posicionamento 3.6.1 Autônomo (ou absoluto) O Posicionamento autônomo é quando utilizamos apenas um receptor independente. Desta forma todos os erros provenientes do sistema incidem diretamente sobre o receptor não sendo possível eliminar nenhum dos erros. Como a medição por fase é muito morosa quando utilizamos apenas 1 receptor, este tipo de posicionamento é usado apenas com o código C/A. Muito utilizado para Navegação, pois a precisão fica em torno de ±15m com 95% de confiabilidade. 3.6.2 Diferencial (ou relativo) O Posicionamento Diferencial consiste no uso de 2 receptores medindo simultaneamente os mesmos satélites, onde os erros gerados num receptor serão os mesmos erros gerados no outro receptor num mesmo instante. Com isso, definimos um vetor bastante preciso, depende apenas se foi utilizado fase (+/-3mm) ou código C/A (+/-1m). Conhecendo-se as coordenadas do ponto BASE, podemos calcular as coordenadas do ROVER. Utilizando-se o Código C/A, a precisão pode ser melhor que 1m e utilizando a Fase da Portadora, pode ser de poucos milímetros. Linha Base ROVER BASE (XR, YR, ZR)medida (XB, YB, ZB) medida (DDDDX, DDDDY, DDDDZ,) (XB, YB, ZB) conhecida (XR, YR, ZR) calculada (XR, YR, ZR) medida ROVER Sistema Geodésico de Referência, Projeções Cartográficas e GPS Prof. Rovane Marcos de França Material Disponível em www.vector.agr.br/rovane 22 3.7 Tipos de Processamento 3.7.1 Pós-processado Consiste em executar o levantamento em campo e depois executar o processamento. Vantagens Desvantagens - Coleta de dados brutos (código e/ou fase) - Tratamento dos Dados (Ajustamento de Redes) - Independe de comunicação entre base e rover - Tempo de processamento - Falta de Controle dos Dados 3.7.2 Processamento em Tempo Real Vantagens Desvantagens - Coleta de dados finais (N, E, H) - Tempo de processamento - Controle dos Dados em Campo - Impossibilidade de tratamento (ajustamento de redes) 3.8 Ângulo de Máscara É o ângulo formado a partir do horizonte que restringe o uso dos satélites dentro desta faixa. Os fabricantes recomendam o uso do ângulo de 15º. 1155ºº Sistema Geodésico de Referência, Projeções Cartográficas e GPS Prof. Rovane Marcos de França Material Disponível em www.vector.agr.br/rovane 23 3.9 Sistema de Referencia do GPS GPS SGB Conversão Datum Horizontal WGS84 SIRGAS2000/SAD69 Matemática Sistema de Coordenadas Cartesianas Geodésicas/UTM Matemática Altitude Geométrica Ortométrica Mapa geoidal Datum Vertical WGS84 Imbituba Mapa Geoidal 3.10 Principais erros no Posicionamento GPS 3.10.1 A Disponibilidade Seletiva S/A (Selective Availability) A S/A é a Degradação do Código C/A imposta pelo DoD: - Até 02/05/2000: precisão de ±100m com 95% de confiabilidade - Após 02/05/2000 precisão de ±15m com 95% de confiabilidade Segundo decreto assinado em 02/05/2000 por Bill Clinton, a S/A deveria se eliminada, mas existem Rumores que ainda existe uma S/A de cerca de ±10m. 3.10.2 Geometria dos Satélites A geometria dos satélites tem grande influência sobre a precisão no posicionamento. Para representar esta geometria, são utilizado índices chamados DOP (Diluition of Precision). Estes Índices indicam a diluição da precisão dos dados coletados. Eles variam de 0 a 10. A melhor disposição espacial é um satélite no zênite e outros igualmente espaçados. DDOOPP rruuiimm DDOOPP bboomm Sistema Geodésico de Referência, Projeções Cartográficas e GPS Prof. Rovane Marcos de França Material Disponível em www.vector.agr.br/rovane 24 São vários os índices de DOP: GDOP – Geometria PDOP – Posição 3D HDOP – Horizontal VDOP – Vertical TDOP – Tempo Nos equipamentos destinados a navegação, o DOP é representado pelo EPE (Erro de Posição Estimado) e é dado em metros. Este valor apenas representa a geometria dos satélites e está longe de realmente representar o erro no posicionamento, devido às inúmeras variáveis do sistema. Para Mapeamento um DOP usual é menor que 6 e para Geodésia o usual é menor que 2. 3.10.3 Multi-caminhamento É a reflexão provocada por superfícies próximas das antenas. Muitos receptores identificam o multi- caminhamento pela deformação do sinal e eliminam automaticamente o satélite, ou seja, não conseguem recuperar o sinal refletido. Prédios, casas, muros, postes, e outros obstáculos sólidos, merecem atenção, principalmente quando tiverem superfície lisa. Caso a antena não tenha plano de terra interno ou adaptado, deve-se ter o cuidado especialmente em lâminas d’água ou pisos cerâmicos e cimentados 3.10.4 Ionosfera A ionosfera compreende a camada de 200Km entre as altitudes 50km e 250km. Principalmentecom a incidência solar, a Ionosfera carrega-se negativamente as suas partículas, provocando atrasos ou adiantos nos sinais Quanto maior a distância entre os receptores, maior será o atraso ou o adianto diferencial dos sinais. A Ionosfera interfere diferentemente em freqüências diferentes, ou seja, atua diferente em L1 e L2, portanto, se utilizarmos um receptor de dupla freqüência, podemos detectar quais são os atrasos ou adiantos ocorridos. Em virtude disso, o uso de receptores de monofreqüência tem limite de distância. 3.11 Métodos de Levantamentos 3.11.1 Método Estático Método pós-processado utilizado para transporte de coordenadas. O receptor fica estático rastreando os satélites durante longo tempo. Varia de 15 minutos a muitas horas, dependendo do tipo de receptor e da distância entre os 2 receptores. Utilizando o código C/A, para cada época medida, é determinada uma coordenada e então é feita uma média e pode chegar a precisão de ±30cm. Utilizando a Fase da Portadora, o tempo deve ser suficiente para resolver as ambigüidades estatisticamente de forma confiável e desta forma pode chegar a poucos milímetros de precisão. Plano de Terra D d D>d Ionosfera Troposfera Sistema Geodésico de Referência, Projeções Cartográficas e GPS Prof. Rovane Marcos de França Material Disponível em www.vector.agr.br/rovane 25 Neste método é possível fazer um ajustamento em rede, conhecendo os erros cometidos no rastreamento dos vetores. 3.11.2 Método Stop-and-go Método utilizado para levantamento topográfico ou mapeamento. É necessário pelo menos 5 satélites para o uso desta técnica. O receptor fica pouco tempo sobre o ponto medido apenas para compor uma média. Com Código C/A: O receptor trabalha OTF (on the fly) e assim que ele sintonizar pelo menos 5 satélites já é possível iniciar a medição de um ponto. Com Código C/A, suavizado com fase: O receptor também trabalha OTF, mas quanto mais tempo ficar rastreando os mesmos satélites, maior será a precisão, pois tentará resolver as ambigüidades. A precisão pode variar de 50cm a 10cm. Com Fase da Portadora: O receptor necessita inicializar. Inicializar significa resolver as ambigüidades para então iniciar o levantamento. A inicialização é feita no 1º ponto do levantamento (mais demorado) ou sobre um ponto já conhecido (menos demorado). Fica-se o tempo necessário para resolver as ambigüidades e então o valor de n é aplicado para os demais pontos (desde que não haja perda de ciclos). Alguns receptores permitem fazer a inicialização OTF, mas enquanto não passar o tempo necessário para a resolução das ambigüidades, não poderá haver perda de ciclos. Toda vez que se perder um ciclo, é necessário inicializar novamente. Com o sistema de correção em tempo real (RTK) a inicialização ocorre em poucos segundos. 3.11.3 Método Cinemático O método cinemático consiste em definir um parâmetro para coleta de dados em função do tempo ou em função da distância percorrida. Utilizado para mapear elementos contínuos como cultivos, limite de vegetação, estradas, rios, etc. A D C B E Coord. conhecidas A C B D M1 T1 T2 M2 T3 MC5 4 1 3 2 5 Sistema Geodésico de Referência, Projeções Cartográficas e GPS Prof. Rovane Marcos de França Material Disponível em www.vector.agr.br/rovane 26 3.12 Tipos de Receptores 3.12.1 Navegação 3.12.2 GIS 3.12.3 Mapeamento 3.12.4 Topográfico 3.12.5 Geodésico Sistema Geodésico de Referência, Projeções Cartográficas e GPS Prof. Rovane Marcos de França Material Disponível em www.vectorgeo.trix.net/rovane 27 3.13 Características dos Receptores Equipamento Navegação GIS (C/A) GIS (fase) Mapeam. (fase) Mapeam. (DGPS) Topográfico Topográfico (RTK) Geodésico Tipo de Posic. Absoluto Relativo Relativo Relativo Relativo Relativo Relativo Relativo Processamento Tempo Real Pós- Process. Pós- Process. Pós- Process. Tempo Real Pós- Process. Tempo Real Pós- Process. Tipo de Medição C/A C/A C/A+Fase C/A+Fase C/A Fase Fase Fase Freqüência L1 L1 L1 L1 L1 L1 L1/L2 --- L1/L2 L1 L1/L2 Armazenamento Coord. C/A C/A+Fase C/A+Fase Coord. Fase Coord. Fase Controlador / Coletor Não Não Não Sim Sim Sim Sim Não Precisão Stop and go 15m 5m 3m 0,1 1m 15mm+1ppm 10mm+1ppm --- 10mm+2ppm --- --- Máx. Linha Base S&G (Km) --- --- --- 15 500 20 30 --- 30 --- --- Precisão Estático --- 3m 1m 1cm --- --- 5mm+1ppm 3mm+1ppm --- --- 5mm+1ppm 3mm+1ppm Máx. Linha Base Estático (Km) --- --- 300 15 --- --- 50 - --- --- 50 - Preço (R$) abril/2006 400 (1) 11000 (1) 15000(1) 16000(1) 33000(1) 40000(2) 65000(2) --- 84000(2) 30000(2) 55000(2) Sistema Geodésico de Referência, Projeções Cartográficas e GPS Prof. Rovane Marcos de França Material Disponível em www.vectorgeo.trix.net/rovane 28 4. Outros sistemas GNSS 4.1 Glonass O Sistema de Posicionamento Glonass (GLObal NAvigation Satellite System), é um sistema 100% Russo e assim como o GPS foi desenvolvido para fins militares. • Controlado pelo Ministério de Defesa Federal Russo • Altitude de 19100km • Projeto de 24 satélites em 3 planos orbitais • Inclinação de 65º do Plano Orbital em relação ao Equador • Período Espacial de 11h15min • Atualmente somente 12 satélites em operação • Totalmente integrado com o GPS • Futuro incerto, apesar de algumas campanhas tentando fortalecê-lo, inclusive uni-lo ao Galileo. • Satélites novos com vida útil de 7 anos (os anteriores tinham apenas 3 anos) • A maioria dos satélites já excedeu seu período operacional • Cada lançamento põe em órbita 6 satélites • Previsão de 25 satélites em 2012 • Entrada recente da China • Existem receptores no mercado que rastreiam GPS+GLONASS, melhorando o número de satélites, diminuindo o DOP, consequentemente reduzindo o tempo para resolução das ambigüidades. 4.2 Galileu O Sistema de Posicionamento Galileu, tem data prevista para iniciar o funcionamento em 2008. • Sistema 100% Civil • Implantado pela Comunidade Européia com participação de vários outros países (14 nações ao todo) • Em setembro de 2004: fase Desenvolvimento e Validação em Órbita • Satélite experimental será lançado em 2005 • Próxima fase: Colocação Total – etapa de fabricação e lançamento do restante dos satélites (até 2008) • Início da Operação: 2009 • Constelação de 30 satélites (3 reservas) • 3 órbitas com inclinação de 56º com o equador • Altitude de 23600km • Período de 14h04min. • Boa Cobertura mesmo em latitudes altas • Grande número de estações terrestres (30) e Centros de Assistência Locais e Regionais. • Sinal: o L1 – 1575,42Mhz o L5 – 1176,45MHz • Precisões Previstas com aumentos (EGNOS): o horizontal= 4m o Vertical= 7,7m • Possivelmente será compatível com GPS • Mais informação em : www.europa.eu.int/comm/dgs/energy_transport/galileo/intro/future_en.htm
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