Geodésia espacial GPS

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Geodésia Espacial – UFBA
Geodésia Espacial – GNSS
Global navigation satellite system
Geodésia Espacial – UFBA
Sobre o GNSS ...
Geodésia Espacial – UFBA
Geodésia
Geodésia Espacial
Posicionamento por Satélites
O início ...
04/10/1957 - SPUTNIK I
(primeiro satélite artificial - URSS)
TIPOS DE SATÉLITES ARTIFICIAIS:
de comunicações
meteorológicos
estações espaciais
imageadores
geodésicos / posicionamentos
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HISTÓRICO:
1973 - primeiros estudos
1978 - lançamento dos três primeiros
satélite
SET/1994 - pleno funcionamento do
sistema
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No final do século XX, os sistemas geodésicos de referência “clássicos” foram substituídos por
tecnologias espaciais como, por exemplo, Very Long Baseline Interferometry - VLBI, Lunar
Laser Ranging - LLR, Satellite Laser Ranging - SLR e Global Navigation Satellite System - GNSS.
Ao se falar em posicionamento por satélite, inevitavelmente vem à mente o GPS, não obstante
existir outras possibilidades.
Atualmente é melhor designado pela sigla GNSS, que em português é Sistema Global de
Navegação por Satélite; engloba o Global Positioning System - GPS dos Estados Unidos,
Global'naya Navigatsionnaya Sputnikovaya Sistema – GLONASS da Rússia, Galileo Positioning
System – GALILEO da União Européia – EU e COMPASS Navigation System – COMPASS da
China, Indian Regional Navigational Satellite System – IRNSS da Índia e Quasi-Zenith Satellite
System – QZSS do Japão.
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SISTEMAS DE NAVEGAÇÃO
NNSS-TRANSIT: 
marinha USA - desativado
NAVSTAR-GPS: 
USA - em operação
GLONASS:
Rússia - em operação
GALILEO: 
EU – em desenvolvimento
teste em 2006
BEIDOU: China
em operação na China
geoestacionário
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• É um sistema de rádio navegação baseado em observações aos 
satélites artificiais;
• Desenvolvido pelo DoD - Departament of Defense, com o objetivo 
de ser o principal sistema de navegação do Exército Americano, 
proporcionando posicionamento tridimensional.
Global Navigation Satellite Systems (GNSS) – Sistema Global 
de Navegação por Satélites.
Sistema de Posicionamento Global - GPS
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ORGANIZAÇÃO DO SISTEMA GPS
SETOR 
ESPACIAL
SETOR DE CONTROLE
SETOR DE
USUÁRIOS
Sinais
Descendentes 
L1 e L2 
Sinais
descendentes
L1 , L2 e Banda S
Sinal
Ascendente 
Banda S
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SETOR ESPACIAL
• 24 satélites (4 por órbita)
• 3 planos orbitais igualmente espaçados em torno do 
equador
• 55 graus de inclinação em relação ao equador
• Período de aproximadamente 12 horas
• 20200 km de altitude
• 5 satélites visíveis em qualquer ponto do globo.
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0°
90°S
60°S
30°S
30°N
60°N
90°N
0° 90° 180° 90° 0°
SATELLITE A
ZONAS COBERTAS POR TRES SATELITES
EM TRES PLANOS ORBITAIS DIFERENTES
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P - V -T
• Posição
• Velocidade
• Tempo
Latitude
Longitude
Altitude
V Norte
V Oeste
V Vertical
U T C
coordenadas 3D
Vecteur Velocidade :
Velocidade e direção
Hora UTC
.
N
cap
Vit
es
se
12 : 30 : 45 . 000000000
O GPS poder fornecer aos usuários :
Um dado por segundo
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APLICAÇÕES DO GPS
• NAVEGAÇÃO
• TRANSPORTE RODOVIÁRIO
• MARINHA
• AVIAÇÃO
• TOPOGRAFIA
• GEODESIA
• AGRICULTURA
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Logística de apoio ao programa espacial. É a operação do Sistema GPS com o
monitoramento e controle, determinação do sistema de tempo GPS, predição das
efemérides dos satélites e cálculo das correções dos relógios dos satélites.
Segmento de Controle
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Utilização do sistema (posicionamento, velocidade, distância
percorrida, aceleração), utilização em conjunto com outros
sensores (ecobatímetro, sensor remoto, câmaras aéreas).
Segmento Usuário
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ÁREAS DE UTILIZAÇÃO
ESPACIAL
MARÍTIMA
AEREA
TERRESTRE
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GERÊNCIA DE FROTA
Segurança
Emergência
Correio
Transportes
publicos
Transporte de
marcadorias
Communicações
-Conexões
 Telefone 
celular
 Rádio
 Satelite
central de gerenciamento
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PRINCÍPIOS DE POSICIONAMENTO
• Interseção geométrica das distâncias 
medidas
• Distância calculada à partir dos tempos de
propagação entre os satélites e o usuário
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LOCALIZAÇÃO
Latitude
longitude
altitude
Erros dos relógios (dT)
4 Pseudo distâncias
4 incógnitas
nota :
dT = 1 µs
300 m 
?
1 medida 2 medidas 3 medidas
?
?
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COBERTURA
24 Horas 
transmissões 
continuas
Cobertura Global
cobertura completa 
desde abril de 
1995
Qualquer 
tempo
atenuação 
minima
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ACCESSIBILIDADE
• É um sistema passivo permitindo um numero 
ilimitado de usuários
• Uso civil garantido pelo governo dos EUA
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CALCULOS SÃO REALIZADOS EM FUNÇÃO 
DO NUMÉRO DE SATELITES 
OU =
+=
=
Z
Y X
1 OU 2 SATELITES
3 SATELITES
4 SATELITES POSIÇÃO 3D
VELOCIDADE
DATA 
DATA 
DATA 
POSIÇÃO 2D
VELOCIDADE
+
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PROJETO GALILEU
Objetivo - implementar o primeiro sistema de determinação da posição e de
navegação por satélite concebido para satisfazer necessidades civis.
Apresenta aplicações rentáveis e com perspectivas de crescimento em
domínios diversos e com verdadeiro interesse para os cidadãos
Com um pequeno receptor (por norma combinado com um telefone portátil), é
oferecida a possibilidade de determinar a nossa posição com uma margem de
erro de um metro.
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PROJETO GALILEU
O sistema Galileu é um projeto vital para o futuro das indústrias de alta
tecnologia européias, que beneficiarão dos grandes mercados criados e de
um progresso tecnológico essencial em termos de concorrência mundial
futura.
É essencial que a Europa e o mundo disponham de uma alternativa e
deixem de estar dependentes do atual monopólio do sistema americano de
GPS, menos avançado, menos eficiente e menos seguro.
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SISTEMA GALILEU
Constelação de 30 satélites colocados em órbita a 24.000 km de altitude,
cobrindo a totalidade do globo terrestre, com uma rede de estações de
controle em terra.
Satélites dotados de relógio atômico de alta precisão na medição do tempo
e permitem localizar a posição de qualquer tipo de objeto, fixo ou móvel,
com uma margem de erro de um metro.
Existem atualmente no mundo duas redes de satélites de radionavegação:
o GPS americano e o Glonass russo, concebidos na época da guerra fria
para fins militares; o segundo deixou, contudo, de estar plenamente
operacional.
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RASTREAMENTO DE VEÍCULOS
O surgimento de várias empresas que comercializam sistemas de
rastreamento de frotas utilizando satélite se deve a um simples fato: o
aumento ano após ano do número de ocorrências envolvendo roubos de
cargas.
Caminhões rastreados por satélite
há 30 anos - ficção científica;
hoje - necessidade.
Antes o volume de cargas transportadas era pequeno, comparado aos
níveis atuais e os perigos que rondavam as estradas eram outros.
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RASTREAMENTO DE VEÍCULOS
O crescimento da indústria de roubo de cargas aumentou com o passar do
tempo e o crescimento do valor agregado transportado, o que elevou
muito o prejuízo dos transportadores e embarcadores - principal
alavanca que acelerou o crescimento da indústria de rastreamento de
veículos de carga por meio de satélite.
Uma das primeiras empresas a iniciar este tipo de serviço no País foi a
Autotrac, no início
de 1994.
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EXEMPLOS
Controlsat - Grupo Schahin - possui produtos para o setor - Controlcel, um
sistema de gerenciamento de frotas e de veículos para cidades.
Combat Tecnologia em Segurança - dispõe de tecnologia de ponta, produtos
voltados para o mercado de rastreamento: HF Codan - Rastreamento e
Comunicação em Longas Distâncias e o Micro Transmissor - sistema portátil para
localização de cargas roubadas.
Ariasat Orbcomm - possui sistema que proporciona a transmissão de dados
bidirecional para o gerenciamento e segurança de frotas.
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EXEMPLOS
Sistema OmniSAT
Sistema de comunicação móvel de dados, monitoramento e rastreamento
de frotas
• Recursos de comunicação - satélite BrasilSAT
Recursos de posicionamento - constelação de satélites GPS
• Funcionalidades para transmissão remota de dados
A tecnologia do Sistema OmniSAT recebe o nome de CDMA, ou Tecnologia
Digital de Acesso Múltiplo por Divisão de Código. Criada pela
QUALCOMM Incorporated, esta tecnologia revolucionou o curso da
história das comunicações sem fio. Afinal, o CDMA é a base do
desenvolvimento de toda uma nova geração de produtos e serviços digitais
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EXEMPLOS
Através da tecnologia CDMA, é possível enviar uma quantidade enorme de
dados em um curto intervalo de tempo. Esta característica na transmissão
de dados, aliada às questões de sigilo e confiabilidade, garante a qualidade
de comunicação para todos os usuários do Sistema OmniSAT no Brasil e no
mundo. A evolução contínua do Sistema é promovida com o trabalho
conjunto da QUALCOMM e da Autotrac no desenvolvimento de novas
tecnologias e nos upgrades do próprio Sistema
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EXEMPLOS
Permite a troca instantânea de mensagens entre os veículos e suas bases
de operação, possibilitando uma comunicação eficiente e sigilosa entre as
partes e a automação das atividades de campo.
MCT transmite os dados sobre localização
(informados
pelo GPS), segurança e de comunicação
para o satélite BrasilSAT, que os retransmite
para a Central de gerenciamento da
Autotrac, tornando-os disponíveis para o
cliente com total sigilo. O caminho inverso
da comunicação é possível pois o sistema é
bidirecional.
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EXEMPLOS
Canal exclusivo no satélite de comunicação BrasilSAT -
através deste canal ou transponder, as mensagens do sistema
são transmitidas, o que garante o diferencial em
performance, velocidade e de sua extensa área de cobertura.
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Navegação
GIS
Topográfico
Geodésico
Tipos de Receptores GPS
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Ângulo de elavação
S1
Receptor
Antena
Sinal
S2
S3
S4
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• GPS utiliza o sistema WGS-84;
• No Brasil utiliza-se o sistema SAD-69 e atualmente está em processo de 
transição ao SIRGAS2000, semelhante ao WGS-84;
Coordenadas
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Posicionamento Absoluto
• Tempo real;
• Um receptor.
Posicionamento Relativo
• Pós-processado;
• Dois ou mais receptores;
• Manutenção do contato com os satélites 
rastreados;
• Processamento da fase das portadoras L1 
ou L1/L2, para cálculo das posições.
Tipos de Rastreio com GPS
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Precisão posicional do GPS absoluto
até 02/05/2000: 
+/- 100m (planimétrico) e +/- 150m (altimétrico) 
após 02/05/2000: 
+/- 10m (planimétrico) e +/- 15m (altimétrico)
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ERROS
• FONTES DE ERROS NAS PSEUDO-
DISTANCIAS
– ERROS DO RELÓGIO DO SATELITE
– ERROS DE EFEMERIDES
– ERROS DEVIDO A MUDANÇA DE VELOCIDADE 
DO SINAL QUANDO ATRAVESSA A ATMOSFERA
– CAMINHOS MULTIPLOS
– RUÍDO DO RECEPTOR
– DISPONIBILIDADE SELETIVA (DESLIGADO)
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CORREÇÕES
É necessario
levar em conta os
desvios dos
relogios para
determinar uma
posição precisa
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ALMANAQUE
• O almanaque descreve as órbitas aproximadas 
de todos os satélites em operação
– O almanaque é utilizado para rapidamente
determinar a posição de um satélite
– Cada satélite permanentemente emite o
almanaque para todos os satélites
– A transmissão do almanaque dura 12,5 minutos
– O almanaque é valido por 2,5 anos
– O almanaque é atualizado a cada 24 horas
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EFEMÉRIDES
• A efemérides fornecem os parâmetros orbitais
necessários ao calculo da posição dos satélites em
órbita
– As efemérides são necessárias para calcular a posição 
do receptor
– Cada satélite transmite somente suas efemérides
– A transmissão das efemérides dura 30 segundos
– As efemérides são válidas por somente poucas horas
– As efemérides são modificadas a cada uma hora para 
levar em conta as correções de posicionamento.
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Restrições Impostas à Precisão
• Selective Availability (SA)
Consiste na degradação proposital da mensagem transmitida, como 
forma de proteção para a não utilização do sistema em sua total 
potencialidade por usuários não autorizados.
• Outros
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Altura dos satélites no horizonte
“cut-off-angle” ou ângulo de máscara
recomenda-se considerar apenas os satélites localizados
15º acima do horizonte
15º
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Coeficiente GDOP (Geometry Dilution of Precision)
Indica em escala padronizada, se a geometria espacial dos
satélites pode ser considerada boa ou ruim.
A melhor disposição espacial é um satélite no zênite e outros
igualmente espaçados.
GDOP ruim GDOP bom
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Dificuldades para o Uso do GPS
• Multipath;
• Obstáculos.
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Vantagens
• Os levantamentos com GPS implicam no deslocamento de pequenas
equipes a campo;
• A interferência do operador é minimizada, sendo que quase a
totalidade das informações são armazenadas eletronicamente;
• A produção em áreas abertas ou de vegetação pouco densa pode ser
de duas a três vezes maior do que a conseguida com técnicas
convencionais;
• A propagação dos erros não ocorre de forma cumulativa, como no
caso dos levantamentos topográficos convencionais.
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Desvantagens
• O GPS é bastante susceptível às interrupções nos sinais transmitidos
pelos satélites, tendo sua produtividade prejudicada em áreas com
edificações altas ou de densa cobertura arbórea;
• Inicialmente o custo de aquisição de equipamentos GPS pode atingir
entre duas e três vezes o custo de equipamentos convencionais.
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Intercâmbio de Dados
• Formato Rinex (Receiver Independent Exchange)
É utilizado correntemente em todo o mundo, com o objetivo de 
intercambiar dados rastreados a partir de diferentes marcas de
equipamentos.
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Tipos de Rastreio com GPS
O posicionamento relativo se divide em:
• Posicionamento estático;
• Posicionamento cinemático;
• Posicionamento rápido estático.
Posicionamento GPS diferencial
• Envolve o uso de um receptor estacionário numa estação com coordenadas
conhecidas, rastreando todos os satélites visíveis. O posicionamento por ponto
permite que se calculem correções posicionais, bem como as pseudodistâncias
da fase da portadora.
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Base Campo
Correção Correção
Por que dois receptores?
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Posicionamento relativo
Mapeamento Georreferenciado ao Sistema Geodésico 
Brasileiro
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 R1 R2
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Métodos de posicionamento GPS relativo
Estático
Stop-and-go
Cinemático
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Medição com GPS no modo relativo
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• GPS cadastral: 1 a 5 metros
– escala 1:50.000  5 m = 0,1 mm
– escala 1: 2.000  5 m = 2,5 mm
• GPS geodésico: precisão de 5 mm a 5 cm
• GPS submétrico: 50 cm
• GPS de navegação: 15 m
Precisões
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Precisão posicional do GPS relativo
métrico (+/- 1 a 3m)
processamento pelo código 
centimétrico (+/- 0,5 cm a 50cm)
processamento pela fase da portadora L1
milimétrico (0,1 a 10mm)
processamento pela dupla fase das portadoras L1/L2