INTRODU

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INTRODUÇÃO AO SISTEMA DE POSICIONAMENTO GLOBAL -
GPS
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Luciana Suaid Tomazi Vasco IBGElutomazi_at_ibge.g
ov.br
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Por que GPS?
4
HISTÓRICO

• Senso natural de orientação do Homem
• Orientação por recursos naturais
• Sol, estrelas, acidentes topográficos,
• ventos...

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• Rosa dos Ventos de 600 AC até sec. XV
• Bússola

N
W
E
S
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• Desenvolvimento da Geodésia e da cartografia
• Computadores
• Estações totais
• Sistemas de informações geográficas (SIG)
• Cads
• Sistema de Posicionamento Global (GPS)

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Observações de satélites artificiais

• Iniciada nos anos 60
• Navegação e Posicionamento
• O que ser quer posição de um ponto

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Conceitos Básicos

• Terra ?

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Cartografia

• Ciência e a arte de expressar graficamente,
  por meio de mapas e cartas, o conhecimento humano
  da superfície terrestre.

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Geodésia

• Ciência que determina, através de observações,
  a forma e o tamanho da terra, as coordenadas dos
  pontos, comprimentos e direções de linhas da
  superfície terrestre, e as variações da gravidade
  terrestre.

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• A Geodésia é divida em
• Geodésia geométrica
• Geodésia física
• Geodésia por satélite ou celeste

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Superfície física, Geóide e Elipsóide
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Elipsóide de Revolução
Equador
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Coordenadas Geográficas
Posição de ponto Latitude e Longitude

• Latitude (F)
• Medida pelos paralelos
• 0 na linha do Equador
• Varia de 90 à -90
• Ao norte do Equador
• Ao sul do Equador -

• Longitude (l)
• Medida pelos meridianos
• 0 no Meridiano de Greenwich
• Varia de 180 à -180
• Oeste de Greenwich -
• Leste de Greenwich

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Esquema da Latitude e Longitude
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Referencial Altimétrico
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Coordenadas Cartesianas

• Ao elipsóide está associado um sistema
  cartesiano ortogonal, formado pelos eixos X, Y e
  Z. Um ponto sobre a superfície terrestre tem
  coordenadas cartesianas geocêntricas, que podem
  ser expressadas em latitude, longitude e altitude
  e vice-versa.

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Coordenadas Cartesianas e Geodésicas
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Sistemas de Referência

• Datum Superfície de Referência
• Datum Horizontal
• Datum Vertical
• Datum Horizontal um elipsóide e um
  ponto de referência
• IBGE Sistema Geodésico Brasileiro
• SGB (www.ibge.gov.br/geodesia)

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(No Transcript)
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• Datum Oficial Brasileiro (1977) SAD 69
• Elipsóide ERI 67 (Elipsóide de Referência
  Internacional de 1967)
• Vértice Chuá MG ( geóide elipsóide)
• SIRGAS 2000
• Decreto Nº 5334/2005, assinado em 06/01/2005
• Elipsóide GRS 80 (Sistema de Referência Geodésico
  de 1980)
• Consistente, global e geocêntrico
• Centro do Elipsóide centro de massa da Terra

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• Nos próximos 10 anos serão Datuns oficiais
• SIRGAS, SAD 69 e Córrego Alegre (só para o SCN)
• Datum GPS WGS 84
• Elipsóide GRS 80 (Sistema de Referência Geodésico
  de 1980)
• Consistente, global e geocêntrico
• Centro do Elipsóide centro de massa da Terra

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• Sistema de Referência Altimétrico
• Imbituba SC usado por quase todo Brasil
• Porto de Santana utilizado pelo Amapá
  (dificuldades de expandir a rede altimétrica
  nesta área do país)

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Representações Cartográficas Sistemas de Projeção
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• Temos três diferentes tipos de projeção quanto
  às propriedades
• Projeção equivalente ? conserva as áreas
• Projeção eqüidistante ? conserva as distâncias
• Projeção conforme ou ortomorfa ? conserva os
  ângulos

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SISTEMA DE PROJEÇÃO UNIVERSAL TRANSVERSO DE
MERCATOR (UTM)

• Criado para aplicação mundial pelos militares
  para um sistema de coordenadas planas
• Em 1951 a Associação de Geodésia e Geofísica
  Internacional (AGGI) recomendou o sistema UTM
  para o mundo inteiro
• No Brasil - sistema adotado pela Diretoria do
  Serviço Geográfico (DSG) e IBGE, desde de 1955
  para o mapeamento sistemático do país.

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Meridianos de secância
Meridiano extremo
PN
??
PS
Meridiano Central
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• O elipsóide é dividido em 60 fusos de 6? de
  longitude
• Cada fuso tem um sistema de coordenadas parcial
• Cada fuso terá um meridiano central
• A amplitude de 6? para os fusos no sistema UTM
  coincide com os fusos da Carta Internacional ao
  Milionésimo.

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• A interseção com o equador é a origem do sistema
• Os fusos são limitados por duas longitudes
  múltiplas de seis
• As latitudes limites vão de 80? N a 80? S
• O sistema UTM não é utilizado para representar
  regiões polares.

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• Os fusos de sistema de projeção UTM são numerados
  de 1 a 60 contados a partir do anti-meridiano de
  Greenwich no sentido anti-horário.
• N? do fuso 30 (?/6), para pontos a oeste de
  Greenwich.
• N? do fuso 30 (?/6), para pontos a leste de
  Greenwich.

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Eixos coordenados do sistema UTM e origem no
hemisfério Sul
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Fundamentos do GPS

• Sistema TRANSIT
• Primeiro sistema de satélites artificiais
• Objetivo de navegação
• Idéia básica localização sobre a Terra
• Cálculo da posição baseado no Efeito Doppler
• Desvantagens longos períodos de observação e
  baixa precisão

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• Sistema de Posicionamento Global GPS

• NAVSTAR-GPS (Navigation Satellite Time And
  Rancing)
• Criado para substituir o TRANSIT
• Estudos iniciados em 1973
• Desenvolvido e operado pelo Departamento de
  Defesa dos Estados Unidos da América - DoD
• Sistema de rádio navegação
• Concebido para fins exclusivamente militares

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• O GPS foi projetado de forma que em
  qualquer lugar do globo e a qualquer momento
  existam pelo menos quatro satélites acima do
  plano do horizonte do observador.

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• Em razão de sua precisão e do grande
  desenvolvimento da tecnologia dos receptores,
  surgiram aplicações para uso civil, tais como
• Navegação
• Geodésia
• Topografia
• Sinais de tempo
• Outros

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SPS (Standard Positioning Service)

• Serviço de Posicionamento Padrão
• Uso civil
• 24 horas por dia
• Em qualquer lugar
• Componente temporal (data e hora)
• Coordenadas (lat., long., altitude)

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SPS

• Precisão nominal
• 20m componente horizontal
• 30m componente vertical
• 95 do tempo
• Sistema degradado intencionalmente (SA)
• 100m componente horizontal
• 156m componente vertical
• Precisão no posicionamento relativo 5m à 5mm

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• GPS posição de pontos, coordenadas

TEMPO
velocidade
direção do deslocamento
aceleração
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Sistema de controle de tempo

• Extremamente importante
• O GPS baseia-se na medida simultânea da distância
  entre o receptor e pelo menos quatro satélites

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• A distância entre o receptor e os satélites se
  obtém por meio do atraso temporal, entre o sinal
  que o satélite emite até o momento em que o sinal
  é recebido pelo receptor

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Segmentos do Sistema GPS

• Espacial
• Controle
• Usuário

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Segmento Espacial

• 24 satélites
• Altura de 20.200km da superfície terrestre
• 6 planos orbitais
• Órbitas com 55 de inclinação em relação ao
  Equador
• Período de 12 horas siderais
• Satélites NAVSTAR ou Space Vehicles (SVs)

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(No Transcript)
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Segmento de Controle

• 5 estações rastreadoras fixas
• Localizadas nas proximidades da linha do Equador
  
• Movimento orbital dos satélites constantemente
  monitorado
• Estação mestre Colorado Springs
• Correção das efemérides e dos relógios

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(No Transcript)
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Segmento do Usuário

• Constituído pelos receptores GPS e comunidade
  de usuários. Os receptores convertem os sinais
  dos satélites (SVs) em estimativas de posições,
  velocidade e tempo.

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Sistema de Tempo GPS

• GPS mede intervalo de tempo de propagação do
  sinal
• Tempo GPS Início 0h de 06/01/80

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• Tempo GPS contado desde o início
• número de semanas
• número de segundos
• Semanas GPS (GPS Week Number)
• Varia de 0 1023 (aproxim. 20 anos)
• N de segundos - contador TOW (Time Of Week
  Tempo da Semana )
• Varia de 0 604.800

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Sinais GPS

• Satélites GPS são sistemas unidirecionais de
  emissão
• A observação fundamental é a medida do tempo de
  percurso do sinal entre a antena do satélite e a
  antena do receptor
• freqüência fundamental fo de 10,23 Mhz

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ESTRUTURA DO SINAL GPS
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CÓDIGOS PRN Pseudo Randon Noise
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Determinação das Coordenadas
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Erros das medidas GPS

• Erros do relógio do satélite
• Atmosfera
• Multitrajetória ou Multicaminhamento
• Erros de recepção
• Disponibilidade Seletiva - SA (Selective
  Avaibility)
• Anti-spoofing (AS)

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(No Transcript)
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• Diluição da Precisão (DOP)
• HDOP Para o posicionamento horizontal
• VDOP Para o posicionamento vertical
• TDOP Para a determinação do tempo
• PDOP Para o posicionamento tridimensional.
• RDOP Para o posicionamento relativo (relative)

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(No Transcript)
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• Valores de PDOP
• lt 4 ótimo
• 4 lt PDOP lt 6 aceitável
• 6 lt PDOP lt 8 compromete o resultado
• gt 8 inaceitável para posicionamento (geodésico
  ou topográfico)

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Tipos de receptores GPS

• Os receptores baratos
• posicionamento em tempo real sem correção
• baseado somente no código C/A
• precisão SPS da ordem de 20 m na horizontal e 40
  m na vertical
• Receptores usam para suas soluções a observação
  da fase da portadora, em vez da pseudodistância
  são mais precisos e apresentam como resolução
  comprimento de onda da portadora com valores bem
  inferiores.

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Classificação dos Receptorespelo tipo de dado

• - Código C/A
• - Código C/A e portadora L1
• - Código C/A e portadoras L1/L2

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Principais componentes dos receptores GPS

• Antena com pré-amplificador
• Unidade de alta freqüência para sintonizar os
  sinais provenientes de diversos satélites, de
  preferência simultaneamente e com canais
  independentes
• Unidades capacitadoras para receber os códigos
  dos satélites, para fins de identificação,
  obtenção das efemérides, sinais de tempo,
  catálogo, etc

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• Osciladores internos de alta precisão
• Porta de entrada e saída de dados
• Fonte de energia própria, por bateria, e ou
  externa, via rede domiciliar
• Memória residente para armazenamento dos dados de
  rastreamento.
• Interface com o usuário, painel de exibição de
  comandos

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Métodos de Posicionamento

• Posicionamento por Ponto ou Absoluto
• Posicionamento Diferencial (DGPS)
• Posicionamento Relativo

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Classificação quanto à mobilidade do receptor

• Estático
• receptores base e remoto ficam estacionados
• dependendo do comprimento da base a ser medida e
  da precisão que se quer alcançar

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• Cinemático
• permite a movimentação do receptor remoto
• período de tempo maior no ponto inicial, visando
  determinar as ambigüidades
• fator restritivo - cycles slips (perda momentânea
  do sinal de um ou mais satélites)

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Correção do Posicionamento

• Em Tempo Real
• Pós-processado

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Redes de Monitoramento Contínuo

• Rede Brasileira de Monitoramento Contínuo do
  Sistema GPS (RBMC IBGE)
• Rede INCRA de Bases Comunitárias
• Rede de Rádio Faróis da Marinha
• Redes SIGHT e Santiago Cintra

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RBMC - IBGE
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RIBaC - INCRA
69
Rede de Rádios Faróis da Marinha
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RINEX

• Cada fabricante tem seu formato binário
  proprietário para os dados GPS
• Dados diferentes não podem ser processados juntos
  num mesmo programa
• Criado formato único Receiver Independent
  Exchange Format - RINEX (Formato de Intercâmbio
  Independente de Receptor)

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RINEX (continuação)

• Visa intercâmbio de dados
• Composto por três arquivos ASCII
• um arquivo de observações
• dados meteorológicos (opcional)
• mensagem de navegação
• RINEX 2 versão mais completa
• Programas disponíveis na internet
• http\\www.unvaco.ucar.edu

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Outros Sistemas de Posicionamento por Satélite

• GLONASS
• GLONASS - GLObal NAvigation Satelitte System
• Sistema Russo equivalente ao GPS
• 3 planos orbitais com 8 satélites cada ( 24
  satélites)
• Altura 19.000km período 1115h
• Satélites transmitem em freqüências diferentes
• L1 1602MHz N 0.5625MHz
• L2 1246MHz N 0.4375MHz (N canal)
• SA não implementada

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• TUC GLONASS diferente da TUC GPS
• Datum PZ90 (Parametros Zemli 1990)

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• GALILEO
• GNSS (GLOBAL NAVIGATION SATELLITE SYSTEM)
• União Européia
• Controle Civil
• Compatível com GPS e GLONAS
• 4 portadoras da Banda L
• Em fase de desenvolvimento

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ALGUMAS ORIENTAÇÕES NO USO DO GPS

• Os receptores GPS foram concebidos para funcionar
  quando não existirem barreiras entre os satélites
  e a antena do receptor
• Quando existem barreiras entre o receptor e os
  satélites, há degradação ou interrupções dos
  sinais.

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• O aparelho a ser utilizado vai depender da
  precisão necessária para o trabalho
• O erro na altitude é 150 maior do que o erro na
  determinação da latitude e longitude

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• Os receptores utilizam internamente o sistema WGS
  84 e podem exportar os dados em diversos outros
  sistemas.
• O usuário deve ter o cuidado de registrar os
  pontos nas coordenadas e DATUM usados no projeto
  em trabalho.
• Quando os Estados Unidos ativam o erro SA, a
  precisão da determinação de pontos absolutos pode
  chegar a 100m.

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• Na determinação de divisas de propriedades,
  talhões, canais de irrigação, construções, poços
  e etc. o posicionamento absoluto não satisfaz às
  necessidades de precisão, neste caso deve-se
  utilizar o DGPS
• Os dados armazenados no receptor podem ser
  utilizados para alimentar Sistemas de
  Informações Geográficas ou Mapeamento Digital de
  forma precisa, rápida e extremamente barata

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• Conhecendo-se as coordenadas de pontos de
  interesse pode-se preparar uma rota na qual o GPS
  auxilia o navegador a chegar a diversos lugares.
• No mundo atual o GPS é utilizado desde grandes
  trabalhos científicos até momentos de lazer.

80

• OBRIGADA!
• www.ibge.gov.br