GPS (Global Positioning System)

O sistema de posicionamento global, popularmente conhecido por GPS, é um sistema de navegação por satélite que fornece a um aparelho recetor móvel a posição do mesmo, assim como informação horária, sob quaisquer condições atmosféricas, a qualquer momento e em qualquer lugar na Terra, desde que o recetor se encontre no campo de visão de quatro satélites GPS.

Localização da Posição -coordenadas geográficas

A nossa posição sobre a Terra é referenciada em relação ao equador e ao meridiano de Greenwich e traduz-se por três números: a latitude, a longitude e a altitude. Assim, para saber a nossa posição sobre a Terra, basta saber a latitude, a longitude e a altitude.

Latitude

A latitude é a distância ao Equador medida ao longo do meridiano de Greenwich. Esta distância mede-se em graus, podendo variar entre 0º e 90º para Norte ou para Sul. 

Longitude

A longitude é a distância ao meridiano de Greenwich medida ao longo do Equador. Esta distância mede-se em graus, podendo variar entre 0º e 180º para Este ou para Oeste. 

Altitude

A Terra é aproximadamente esférica, com um ligeiro achatamento nos polos. Para se definir a altitude de um ponto sobre a Terra define-se uma esfera - geoide - com um raio de 6378 km. A altitude num ponto da Terra é a distância na vertical à superfície deste geoide.

Localização da Posição -coordenadas geográficas

(cont.)O GPS determina a posição exata de pontos sobre a superfície terrestre, identifica a localização de pontos de um mapa, partindo das suas coordenadas e armazena as coordenadas das posições na memória do aparelho recetor, podendo vir a utilizá-las posteriormente.

Medição do tempo – relógios e a sua precisão

Se, ao medirmos o intervalo de tempo que vai da emissão à receção do sinal no sistema GPS, esse intervalo tiver um erro de 1 milésimo de segundo (0,001s), a posição calculada fica errada em cerca de 320 Km.

O tempo é, por isso, fundamental para o bom funcionamento do sistema GPS, porque é necessário que o erro na determinação do intervalo de tempo que o sinal demora no percurso entre o emissor e o recetor, seja muito pequeno.Simultaneamente, deve haver sincronização de tempo para que se possa determinar a posição exata do recetor de GPS à superfície da Terra.

Medição do tempo – relógios e a sua precisão (cont.)

Assim, os satélites artificiais do sistema GPS estão munidos de relógios atómicos de alta precisão. Estes relógios convertem o tempo GPS em tempo universal coordenado, que se ajusta ao tempo médio de Greenwich. Já os recetores de GPS estão equipados com relógios de quartzo.

É o tempo contado a partir de um instante de referência, que é o dia 6 de janeiro de 1980, às 0 horas.

Tempo GPS

Padrão de tempo que é obtido pela coordenação entre o tempo universal e o tempo atómico. É o fuso horário de referência a partir do qual se calculam todas as outras zonas horárias do globo terrestre.

Tempo Universal Coordenado

(UTC) Durante décadas foi conhecido como referência oficial do tempo, sendo o fuso horário em qualquer região do globo terrestre contabilizado a partir do meridiano de Greenwich. No dia 1 de janeiro de 1972, o GMT foi substituído pelo Tempo Universal Coordenado (UTC) como referencial de tempo universal.

Tempo Médio de Greenwich (TMG)

Medição do tempo – relógios e a sua precisão (cont.)

RELÓGIOS ATÓMICOS

Há três grandes tipos de relógios atómicos:

Os de CésioOs de RubídioOs de Hidrogénio

Os de césio são os mais usados e precisos. Os relógios atómicos de césio possuem um oscilador elétrico que é regulado pelas frequências das vibrações de um conjunto de átomos de césio. Existe, depois, um oscilador de quartzo que regula o oscilador elétrico e produz os sinais horários do relógio atómico.

Medição do tempo – relógios e a sua precisão (cont.)

RELÓGIOS DE QUARTZO

Os relógios de quartzo modernos funcionam com base nas vibrações dos átomos de silício (contidos no quartzo). Os cristais de quartzo são piezoelétricos, o que significa que se tornam em osciladores quando se lhes aplica uma diferença de potencial. Quanto maior for o número de vibrações destes cristais, maior será a precisão da medição do tempo.

Medição do tempo – relógios e a sua precisão (cont.)

RELÓGIOS MECÂNICOS

Os relógios mecânicos funcionam com base num sistema mecânico que, por sua vez, consiste nos movimentos de um pêndulo ou de uma mola em espiral. Os movimentos destas peças fazem rodar um conjunto de rodas dentadas que movem os ponteiros do relógio.

Caraterização do Sistema de Navegação GPS

O sistema de navegação GPS é constituído por três subsistemas: Subsistema de satélites (aéreo)Subsistema de controlo (terrestre)Subsistema do utilizador

Caraterização do Sistema de Navegação GPS (cont.)

SUBSISTEMA DE SATÉLITES (AÉREO)

O subsistema de satélites é constituído pelos 24 satélites que dão duas voltas à Terra por dia, a uma altitude de 500 km. As órbitas dos satélites foram escolhidas de modo que de qualquer ponto da Terra se possam ver entre 5 e 8 satélites. No entanto, para calcular com precisão a nossa posição basta apenas receber em boas condições o sinal de apenas quatro destes satélites. 

Caraterização do Sistema de Navegação GPS (cont.)

SUBSISTEMA DE CONTROLO (TERRESTRE) O subsistema de controlo é constituído por várias estações terrestres. Nestas estações terrestres são observadas as trajetórias dos vários satélites GPS e é atualizado com grande precisão o tempo. Esta informação é transmitida aos satélites. Com estes dados, o sistema informático em cada um dos satélites recalcula e corrige a sua posição absoluta e corrige a informação que é enviada para a Terra. A estação primária de controlo da constelação GPS está localizada nos Estados Unidos, no estado do Colorado. 

Caraterização do Sistema de Navegação GPS (cont.)SUBSISTEMA DO UTILIZADOR

O subsistema do utilizador é constituído por um recetor de rádio com uma unidade de processamento capaz de descodificar em tempo real a informação enviada por cada satélite e calcular a posição. Cada satélite envia sinais de características diferentes em intervalos de 30 em 30 segundos e de 6 em 6 segundos. Na informação enviada pelos satélites estão envolvidas técnicas matemáticas que permitem recuperar a informação perdida na transmissão devido a más condições atmosféricas e ionosféricas. Mesmo assim, nos períodos de grande atividade solar a maior parte da informação enviada pelos satélites perde-se não sendo fiável a informação processada pelos recetores do sinal GPS. 

Processo de localização do recetor GPS (cont.)

Um receptor GPS para calcular a sua posição recorre ao MÉTODO DA TRIANGULAÇÃO:

Localiza, no mínimo, três satélites; Calcula a distância a que se encontra de cada satélite; Deduz a sua própria posição.

O receptor GPS obtém estas informações analisando os sinais emitidos pelos satélites GPS

Processo de localização do recetor GPS (cont.)

Os satélites da rede GPS enviam os seus sinais sob a forma de ondas rádio em instantes precisos: à hora t.

O receptor GPS recebe o sinal no instante t + Δt, que coincide com a hora marcada no seu relógio de quartzo.

Como o sinal se desloca à velocidade da luz (c=3,0x108 m s-1), o tempo que decorre entre a emissão e a receção do sinal permite determinar a distância entre o receptor e o satélite:

tvdt

dv

Processo de localização do recetor GPS (cont.)MÉTODO DA TRIANGULAÇÃO

Depois de receber o sinal proveniente de A, o receptor em P, a partir do tempo que o sinal demorou de A a P, calcula a distância dA.

Com a distância dA, traça-se uma circunferência centrada em A que contém a posição do receptor, mas que poderá ser qualquer ponto pertencente à circunferência.

http://www.escolavirtual.pt/

Processo de localização do recetor GPS (cont.)

O sinal que o emissor B emite, e que é captado pelo receptor GPS, permite determinar a distância dB.

Com a distância dB, traça-se uma segunda circunferência centrada em B que intercepta em dois pontos a circunferência centrada em A, um dos quais será o ponto P.

O sinal que o emissor C emite, e que é captado pelo receptor GPS, permite determinar a distância dC.

Com a distância dC, traça-se uma terceira circunferência centrada em C que intercepta dois pontos da centrada em A, um dos quais é comum à circunferência centrada em B e que representa o ponto P.

Processo de localização do recetor GPS (cont.)

Aplicações do GPS LOCALIZAR – fornece dados que permitem, com a

maior precisão conhecer a localização de qualquer ponto do nosso planeta.

CONDUZIR AO LONGO DE UM PERCURSO – informa sobre a direcção e sentido que o receptor tem de tomar para seguir determinado percurso.

NAVEGAR – fornece informações a barcos e aviões sobre a rota pretendida.

MAPEAR – permite a criação de mapas mais rigorosos.

MEDIR TEMPOS.

GLONASS

O seu funcionamento é muito parecido com o GPS americano, pois possui 24 satélites que ficam distribuídos entre três camadas com 8 satélites em cada, e a posição do equipamento é formada por no mínimo 3 deles através de um processo chamado triangulação, o que garante a precisão de posicionamento do sistema.Uma das vantagens ao uso do GLONASS quanto a outras soluções está na precisão de posicionamento, isso porque após as melhorias do sistema, ele é capaz de oferecer sua resolução máxima ao uso civil, o que não ocorre com GPS, pois os Estados Unidos limita a capacidade de precisão de seu sistema

O projeto europeu Galileo, tornou-se no terceiro sistema de posicionamento global em funcionamento no mundo, logo depois do americano GPS e do russo GLONASS.O nome do projeto foi dado em homenagem ao astrônomo italiano Galileu Galilei, que trouxe muitos avanços para o mundo da ciência, física e astronomia. Depois de completo, o sistema deve contar com um total de 30 satélites em órbita (frente aos 24 do GPS) e deverá prestar serviços de localização primariamente ao meio civil de qualquer país, sem qualquer limitação de precisão de sinal.O cálculo do posicionamento de um recetor em terra funciona da mesma forma que no GPS, usando como parâmetros o momento (tempo) e a localização do satélite no espaço para determinar a posição do recetor.

GALILEO

Trabalho realizado por:

André Aires nº2David Correia nº10Diogo Gonçalves nº 12