GPCode – SOFTWARE DIDÁTICO PARA CALCULAR OBSERVAÇÕES GPS

GPCode – SOFTWARE DIDÁTICO PARA CALCULAR OBSERVAÇÕES

GPS

Eduardo de Paula Miranda Antonio Simões Silva

Carlos de Castro Goulart Universidade Federal de Viçosa

Departamento de Engenharia Civil

Viçosa – MG – 36570-000

[email protected]

RESUMO Este artigo mostra a implementação de software para uso em tarefas de ensino. Pretende-se mostrar para o aprendiz todo o caminho de calcular a posição de um satélite GPS e a posição de um ponto terrestre. Os softwares comerciais disponíveis não têm preocupação com o cálculo intermediário de posicionamento, utilizando técnicas de GPS, por causa disso o aluno frequentemente ver um software de GPS como uma caixa preta, com um comando de entrada e um relatório de saída. Este software utiliza o código para o calculo das pseudodistâncias e arquivos RINEX. Os elementos keplerianos são usados para calcular a posição do satélite e abordagem dos mínimos quadrados é usado para o posicionamento da estação terrestre. O software permite que o aprendiz veja passo a passo todo o caminho das transformações. É permitido escolher o número de satélites e a quantidade de épocas para se processar. O software usa o processamento relativo e mostra as matrizes que se formam durante as fases do ajustamento. Este artigo mostra algumas janelas e exemplo de cálculo de coordenadas. Palavras chaves: software, GPS, ensino.

ABSTRACT This paper shows the implementation of software for using in teaching tasks. It intends to show for the apprentice all the way of calculating the position of a GPS satellite and the position of a terrestrial point. The commercial available software have not concern with the intermediate calculation of positioning by using GPS techniques, because of that the student frequently see a GPS software like a black box, with one input command and one output report. This software uses the traditional pseudorange code and RINEX files. The Keplerian elements are used for computing the satellite position and least squares approach is used for positioning the terrestrial station. The software allowed the apprentice see step by steps all the way of processing. It is allowed to choose the number of satellites and the quantity of epochs. The software uses the relative processing and shows the matrices that are formed during the adjustment phases. This paper shows some windows and example of coordinates computing. Keywords: software, GPS, teaching .

1 INTRODUÇÃO

Este trabalho implementa o algoritmo necessário à

estimativa das coordenadas orbitais dos satélites

pertencentes ao sistema GPS e as transformações

destas para um sistema de coordenadas terrestres,

relatando os seus principais cálculos. Após obter as

coordenadas dos satélites pode-se obter então a posição

de um ponto ou estação rastreada.

A grande variedade existente de equipamentos, se

enfocado o aspecto da integração dos dados, poderia

ser entendido como um complicador para a atividade

de posicionamento, visto que os formatos de cada

fabricante teriam de ser conhecidos pela comunidade

de usuários. Esta dificuldade foi eliminada com o

aparecimento do formato de dados conhecido por

RINEX ( Receiver Independent Exchange Format ).

Desta forma, foi estabelecido que, para total

XXV Congresso Brasileiro de Cartografia - Curitiba - PR - Brasil, 21 a 24 de agosto de 2011

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independência de fabricante, a implementação do

software utiliza dados no formato RINEX.

2. MODELO MATEMÁTICO UTILIZADO Os satélites do GPS usam dois principais tipos de

observáveis para enviar as informações necessárias ao

cálculo das coordenadas de um ponto. Essas

observáveis são as pseudodistâncias calculadas pela

diferença de fase e pseudodistâncias calculadas a partir

do código. Esta última tem um processamento mais

simples e é um tipo de informação que é rastreada por

todos os receptores GPS. Neste projeto foi usado o

código para o cálculo das pseudodistâncias utilizando

as fórmulas já consagradas neste procedimento e

descritas em MONICO (2008).

Inicialmente calcula-se a atualização dos elementos

keplerianos que permitem calcular a posição dos

satélites. Em seguida calculam-se as posições dos

satélites e posteriormente são feitos os cálculos para se

obter a posição do ponto. Na determinação das

coordenadas através dos satélites do GPS foi usado o

método estático com posicionamento relativo

empregando o código para as observações. O cálculo

das coordenadas do satélite é realizado no sistema

WGS-84 a partir das mensagens de navegação.

As formulas para os cálculos usados no programa são

bem conhecidas nos livros textos de Geodesia Espacial,

nos quais tem-se todos os passos para os cálculos

realizados no programa.

Seguindo os passos descritos obtemos as coordenadas

de um determinado satélite no sistema WGS-84. Tendo

calculado as coordenadas para pelo menos quatro

satélites, as coordenadas do ponto ou estação rastreada

também podem ser obtidas tanto em coordenadas

cartesianas quanto em coordenadas geodésicas.

2.1 Formato RINEX

O formato “Receiver INdependent EXchange”

(RINEX) foi desenvolvido pelo ”Astronomical Institute

of the University of Berne” com o propósito de facilitar

o intercâmbio dos dados coletados na campanha

EUREF 89, que envolveu mais de 60 receptores GPS

provenientes de 4 diferentes fabricantes (GURTNER,

2007). Esta padronização tornou-se necessária, devido

aos distintos formatos e programas para o

processamento dos dados obtidos nos diversos tipos de

receptores. A segunda versão do RINEX foi publicada

em 1990 e, posteriormente, sofreu algumas pequenas

revisões. Atualmente, o formato RINEX é o mais

utilizado pela comunidade internacional de usuários e

fabricantes de receptores.

O formato RINEX consiste de três arquivos do tipo

ASCII: dados de observação, mensagem de navegação

e dados meteorológicos. Estes arquivos contêm um

cabeçalho, com informações gerais sobre o arquivo, e

uma seção de dados. Os arquivos de observação e

meteorológicos contêm dados para uma determinada

estação e sessão, enquanto que os arquivos de

navegação fornecem parâmetros orbitais, coeficientes

para a correção ionosférica, informações sobre os

satélites e sinais por estes transmitidos.

Cada arquivo consiste de um cabeçalho e de uma seção

de dados. O cabeçalho contém informações globais de

todo o arquivo e é localizado no início do arquivo. O

cabeçalho possui a descrição do cabeçalho a partir da

coluna 61 até a coluna 80 para cada linha do cabeçalho.

Estas descrições são obrigatórias e devem ser

exatamente como apresentados na documentação

(GURTNER, 2007).

O aplicativo desenvolvido utiliza apenas os arquivos de

Navegação e Observação. Uma descrição completa dos

arquivos de dados no formato RINEX pode ser obtida

em ftp://ftp.unibe.ch/aiub/rinex.

2.2 Linguagem de programação

GPCode foi desenvolvido utilizando o IDE (Integrated

Development Environment – Ambiente de

Desenvolvimento Integrado) Microsoft Visual Studio.

Microsoft Visual Studio é uma poderosa IDE que

garante código de qualidade durante todo o ciclo de


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vida da aplicação, desde a concepção até a

implantação, além de oferecer ferramentas que

possibilitam aos desenvolvedores e demais

participantes do processo de desenvolvimento criar

rapidamente software utilizando as mais recentes

tecnologias Microsoft. Integrado ao processo de

desenvolvimento dentro do Visual Studio encontra-se o

.Net Framework. O.NET Framework é distribuído em

conjunto com o Sistema Operacional Windows e é o

modelo de programação completo e consistente da

Microsoft para a criação de aplicativos que oferecem

uma experiência visualmente surpreendente aos

usuários, comunicação segura e sem interferências e a

capacidade de modelar uma variedade de processos de

negócios (Microsoft).

O Departamento de Informática da Universidade

Federal de Viçosa estimula aos estudantes a

aprenderem a linguagem C++ através das aulas práticas

e projetos desenvolvidos dentro das disciplinas. Com o

intuito de reduzir a curva de aprendizagem de uma

nova linguagem, foi escolhido a linguagem Visual C++

que é uma das possíveis linguagens de

desenvolvimento oferecidos pelo Visual Studio. Visual

C++ Possui a mesma sintaxe do C++ porém com

adição de recursos do .NET Framework.

3 REQUISITOS DO SISTEMA Sistemas Operacionais com Suporte: Windows Server 2003; Windows Server 2008; Windows XP; Windows Vista; Windows 7. Arquiteturas com suporte: 32 bits (x86) 64 bits (x64) Requisitos de hardware : Pentium de 400 MHz ou equivalente (Mínimo); Pentium de 1GHz ou equivalente (Recomendado) com 512 MB de RAM ou mais Requisitos de espaço em disco: Necessário um espaço disponível de 15Mb. Requisitos do Sistema Operacional : Navegador de internet previamente instalado (Internet

Explorer 5.01 ou superior é preferencial) e Net

Framework 3.5 ou superior. (MIRANDA, 2011).

4 USO DO PROGRAMA

Inicialmente o usuário é apresentado a janela principal

mostrada na figura 1. No menu principal o usuário

possui fácil acesso as principais funções do aplicativo .

Figura 1 – Janela principal


830

Para efetuar os cálculos, o usuário deve entrar com os

arquivos de navegação e observação. Para isto, basta

clicar na opção Arquivo de Dados localizada no canto

esquerdo da barra de opções ou accesar Arquivo →

Arquivo de Dados no menu principal

Clicando no botão Procurar uma nova janela será

aberta permitindo a seleção do Arquivo de Navegação

como mostrado nas figuras 2 e 3. (MIRANDA, 2011).

.

Figura 2 Procura arquivos de dados.

Figura 3 Arquivos de dados.


831

Arquivos que não podem ser lidos por não estarem de

acordo com o formato RINEX são informados ao

usuário através da mensagem da figura 4.

Figura 3 Arquivo não lido.

4.1 Cálculos Parciais Após a seleção do Arquivo de Navegação e junto o

Arquivo de Observação o usuário tem acesso a outras

funções do aplicativo. Uma das opções é o Cálculos

Parciais que permite ao usuário visualizar cálculos

intermediários ao cálculo das Coordenadas dos

Satélites

Primeiro o usuário precisa selecionar sobre qual época

ele deseja o resultado dos cálculos e para isto ele tem 2

opções. Pode selecionar no campo Data o dia da

observação e o campo Hora é automaticamente

preenchido com os horários das observações existentes

no arquivo para o dia selecionado ou pode ir

diretamente ao campo época que permite a seleção de

qualquer época existente no arquivo. Após a seleção da

época o campo Satélites é automaticamente preenchido

com os satélites que possuem observações para a época

selecionada e o usuário pode selecionar os satélites que

ele deseja visualizar o resultado dos cálculos. No canto

direito o usuário pode selecionar qual etapa do cálculo

ele deseja visualizar e o resultado é imediatamente

listado na tabela abaixo ao menu de seleção.

.


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Figura 4 Janela que mostra os cálculos parciais.

Uma outra opção é a janela Dados Referentes ao

Satélite que permite ao usuário visualizar parâmetros

orbitais, coeficientes para a correção ionosférica,

informações sobre os satélites e sinais provenientes do

Arquivo de Navegação. Como na janela Cálculos

Parciais o usuário possui as mesmas 2 opções de

seleção da época, no entanto como as informações são

específicas de um único satélite ele precisa selecionar o

satélite ao qual deseja obter as informações. Após a

seleção da época as tabelas com as informações do

satélite são automaticamente preenchidas como mostra

afigura 5

.

Figura 5 Informações da mensagem de navegação para o satélite escolhido.


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A janela Coordenadas do Satélite, figura 6, exibe

apenas algumas das variáveis que são possíveis

visualizar na janela Dados Referentes ao Satélite. No

entanto a janela Coordenadas do Satélite permite a

gravação das coordenadas (X , Y , Z) do satélite que

podem ser usadas para futuras comparações em outra

função do aplicativo.

.

Figura 6 Coordenadas do satélite

O programa está apto também a calcular as

coordenadas do ponto no terreno usando o

posicionamento relativo com a observável código. A

janela da figura 7 mostra essa opção. É também

possível ver a os resultados detalhados através dum

relatório gerado em HTML, figura 8, de fácil leitura.

.


834

Figura 7 – Posicionamento relativo.

Figura 8 Relatório HTML


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5. BIBLIOGRAFIA GURTNER, W ;2007. RINEX The Receiver Independent Exchange Format Version 3.00. MIRANDA, E. P. 2011. GPCode – Software didático para computação GPS. Monografia de Graduação do Curso de Ciência da Computação – Universidade Federal de Viçosa. Viçosa – MG. MONICO, J.F.G.:2008. Posicionamento pelo GNSS: Descrição, Fundamentos e Aplicações. 2.ed. São Paulo: UNESP, 2008.


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