Apresenta

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE CAMPINA GRANDE CENTRO DE
TECNOLOGIA E RECURSOS HUMANOS UNIDADE ACADÊMICA
DE ENGENHARIA CIVIL
POSICIONAMENTO POR SATÉLITES
PROF. IANA ALEXANDRA
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SUMÁRIO 1. HISTÓRICO 2. COMPONENTES DO GPS 3.
COMO FUNCIONA O GPS? 4. ERROS NAS OBSERVÁVEIS
GPS 5. MÉTODOS DE POSICIONAMENTO 6. APLICAÇÕES
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1. HISTÓRICO
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LORAN (Long-Range Navigation System) Sistema de
navegação de longa distância criado no início da
década de 1940 Muito utilizado durante a II
Guerra Mundial A posição é determinada pela
análise do intervalo de tempo entre pulsos de
sinais de rádio entre duas ou mais estações
terrestres de coordenadas conhecidas.
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Projeto SPUTNIK Um conjunto de satélites
artificiais lançados a partir de 1957 pela União
Soviética. SPUTNIK 1 foi o primeiro satélite
artificial do mundo e era do tamanho de uma bola
de basquete.
Projeto VANGUARD Um conjunto satélites
artificiais lançados a partir de 1958 pelos
Estados Unidos. É o mais antigo equipamento feito
pelo homem ainda em órbita.
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OMEGA (Global Low Frequency Navigation
System) Primeiro sistema de radionavegação de
abrangência mundial Desenvolvido em 1968 pela
Aeronáutica dos EUA para detectar bombardeiros e
submarinos russos. Encerrado em 1997 devido aos
altos custos de operação.
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TRANSIT (Navy Navigation Satellite System -
NNSS) Primeiro sistema de navegação por satélite
a ser usado operacionalmente. Formado por uma
constelação de 5 satélites. Inicialmente
utilizado pela Aeronáutica dos Estados Unidos a
partir de 1960 para obter informações precisas
sobre mísseis submarinos.
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GLONASS - GLObal NAvigation Satellite
System Sistema de radionavegação russo criado em
1976 composto por 24 satélites. Primeiro satélite
lançado em 1982. Em 2002, apenas 7 satélites
em operação.
GALILEO Sistema de radionavegação global criado
pela União Européia em 2002.
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GPS
Abreviatura de Global Positioning System
Sistema de radionavegação desenvolvido pelo
Departamento de Defesa (DoD) do Estados Unidos
que fornece posicionamento altamente preciso para
usuários militares e civis
Nome verdadeiro NAVSTAR (Navigation System with
Time and Ranging)
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Permite a qualquer usuário saber a sua
localização, velocidade e tempo, 24 horas por
dia, sob quaisquer condições atmosféricas e em
qualquer ponto do globo terrestre.
Não necessita de de visibilidade entre as
estações (métodos de levantamento convencionais)
Adota como referência o elipsóide World Geodetic
System de 1984 (WGS-84).
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Histórico do GPS
1978, primeiro satélite lançado
1978 a 1985, 11 satélites são lançados
1983, sistema disponível para o uso civil
1993, constelação de 24 satélites é alcançada
1995, sistema é declarado operacional
1 de maio de 2000, código SA é desativado,
aumentando Precisão para uso civil de 100 m para
10 m
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2. COMPONENTES DO GPS
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Componente Espacial
Constelação de 24 satélites em 6 planos orbitais
(4 satélites em cada plano)
Altitude de cerca de 20.200 km Inclinação de 55
do Equador
Concebido de forma que existam no mínimo 4
satélites visíveis acima do horizonte em qualquer
ponto da superfície e em qualquer altura.
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Componente Espacial
Cada satélite construído para durar
aproximadamente 10 anos
Constantemente estão sendo construídas
substituições e lançadas em órbita.
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Componente de Controle
Responsável pelo rastreamento dos satélites,
atualização de suas efemérides (posições
orbitais) e calibração e sincronização dos seus
relógios.
Determina as órbitas de cada satélite e prevê a
sua trajetória nas 24h seguintes. Esta informação
é enviada para cada satélite para depois ser
transmitida por este, informando o receptor do
local onde é possível encontrar o satélite.
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Localização das estações de controle GPS
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Estações de rastreio Rastreiam satélites de sua
cobertura Coletam dados dos sinais dos
satélites Enviam os dados para a estação de
controle principal
Estações originais (até 2005) 1. Havaí 2. Ilha
da Ascensão (Oceano Atlântico) 3. Kwajalein
(Oceano Pacífico, nordeste de Nova Guiné) 4.
Diego Garcia (Oceano Índico)
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Estação de rastreio do Havaí
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Estação de controle principal

• Localizada em Colorado Springs, EUA

• Processa os dados das estações de rastreio

• Detecta as efemérides e relógios dos satélites

• Calcula novas efemérides

• Retransmite os dados (1 ou 2 vezes ao dia) para
  as estações de
• Ascension Islands, Diego Garcia ou Kwajalein
  que, por sua vez,
• os retransmitem para os satélites via antenas
  de transmissão

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Estação de controle principal
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Componente Usuário
Inclui todos aqueles que usam um receptor GPS
para receber e converter o sinal GPS em posição,
velocidade e tempo.
Inclui ainda todos elementos necessários neste
processo como as antenas e softwares de
processamento
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Função básicas de um receptor GPS
1. Informar as coordenadas de sua posição na
Terra. 2. Dar orientação de navegação para outro
ponto qualquer.

• Outras funções
• capacidade de armazenar pontos e rotas na
  memória
• ambiente em que você vai utilizar o GPS
• possibilidade de conectá-lo a uma antena
  externa
• interface para PC
• altímetro barométrico acoplado
• bússola eletrônica acoplada
• com dados ou mapas embutidos (basemap)

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Tipos de antenas
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Equipamentos de antena para proteção contra
multicaminhamentos
Choke Ring
Ground Plane
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Tipos de receptores
Quanto à aplicação De navegação Geodésico Para
SIG
Quanto ao dados De simples freqüência
(Portadora L1) De dupla freqüência (Portadoras
L1 e L2)
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Receptores de navegação
Receptores de mão
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Receptores de navegação
Nokia N82 Antena integrada Software Nokia
Maps Guia por voz Valor 450 euros
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Receptores de navegação
Receptores em veículos
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Receptores Geodésicos
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Receptores para SIG
Leica GPS900CS
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Posicionamento por Satélites
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3. COMO FUNCIONA O GPS?
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Como funciona o GPS?
Baseia-se na determinação da distância entre um
ponto, o receptor, a outros de referência, os
satélites.
Sabendo a distância que nos separa de 3 pontos
podemos determinar a nossa posição relativa a
esses pontos através da intersecção de 3
circunferências cujos raios são as distancias
medidas entre o receptor e os satélites.
São necessários, no mínimo, 4 satélites para
determinar a nossa posição corretamente.
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Como funciona o GPS?

• A função de um receptor GPS é localizar 4 ou mais
  desses satélites, determinar a distância para
  cada um e utilizar esta informação para deduzir
  sua própria posição.
• Essa operação é baseada em um princípio
  matemático simples chamado trilateração.
• A trilateração em um espaço tridimensional pode
  parecer um pouco complicada, então
  começaremos explicando o que é trilateração
  bidimensional.

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Como funciona o GPS?

• Imagine que você esteja em algum lugar na Paraíba
  e está TOTALMENTE perdido, não tem a menor idéia
  de onde está. Você encontra um morador local
  amigável e pergunta a ele "Onde eu estou?". Ele
  lhe diz "Você está a 61 km de Campina Grande,
  Paraíba".
• Uma ajuda, mas que não é tão útil sozinha. Você
  poderia estar em qualquer lugar ao redor de
  Campina Grande, desde que em um raio de 61 km,
  desta maneira

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Como funciona o GPS?
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Como funciona o GPS?

• Você pergunta a outra pessoa onde está e ela diz
  "Você está a 58 km de João Pessoa-PB". Agora você
  está chegando a algum lugar se combinar esta
  informação com a informação anterior, você terá
  dois círculos que se cruzam.
• Agora você sabe que tem de estar em uma dessas
  duas interseções, já que está a 70 km de Campina
  e a 58 km de João Pessoa.

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Como funciona o GPS?
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Como funciona o GPS?

• Se uma terceira pessoa lhe disser que você está a
  27 km de Juripiranga-PB, eliminará uma das
  possibilidades, pois o terceiro círculo irá se
  cruzar somente com um desses pontos. Assim,
  você saberá exatamente onde está Cajá, Paraíba.
• Esse conceito funciona da mesma maneira em
  espaços tridimensionais, mas estamos falando de
  esferas ao invés de círculos. Na seção seguinte,
  veremos esse tipo de trilateração.

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Como funciona o GPS?
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Por que se deve ter no mínimo 4 satélites ?
1 satélite Mede-se a distância d1 do satélite 1
algum lugar na superfície de uma esfera
imaginária que tem seu centro no satélite .
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2 satélites Mede-se a distância d1 do satélite 1
e, ao mesmo tempo, distância d2 do satélite 2
círculo onde as suas esferas se interceptam.
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3 satélites Mede-se, ao mesmo tempo as
distâncias d1, d2 e d3 Somente 2 pontos A e B
onde a esfera de distância d3 corta o círculo a
intercessão das esferas das distâncias d1 e d3
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4 satélites Determina se o ponto correto é A ou
B Na prática, o quarto satélite é
desnecessário, pois, geralmente, um dos 2
pontos deverá se localizar na Terra Necessária
em razão do não sincronismo entre os relógios
dos satélites e do usuário
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TRANSMISSÃO DE SINAIS
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Cada satélite transmite um sinal que é recebido
pelo receptor.
O receptor mede o tempo que os sinais demoram a
chegar até ele.
Multiplicando o tempo medido pela velocidade do
sinal (a velocidade da luz no vácuo 300 m/s),
obtemos a distância receptor-satélite.
Distância Velocidade x Tempo
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Relógios dos satélites devem ser muito precisos
(atômicos) porque a luz se move extremamente
rápido. Exatidão de um nano segundo
(0,000.000.001 segundos)
Sincronizar os receptores e os satélites de modo
que estejam gerando o mesmo código exatamente no
mesmo tempo.
Receber os códigos do satélite e identificar a
diferença de tempo que o sinal levou para chegar
até nós.
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Característica das ondas portadoras
Os satélites transmitem constantemente duas ondas
portadoras na banda L (usada para rádio), geradas
simultaneamente a partir de uma frequência
fundamental de 10,23 MHz
Onda portadora L1 (Link one) Frequência 1575.42
MHz (154 x 10,23 MHz) Comprimento 19 cm Onda
portadora L2 (Link two) Frequência 1227,60 MHz
(120 x 10,23 MHz) Comprimento 24 cm
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• Códigos modulados sobre as portadoras
• Código de Aquisição Livre - C/A (Coarse
  Acquisition)
• Modulado sobre a onda portadora L1
• Frequência 1,023 MHz
• Comprimento 300 m
• Código Preciso/Protegido - P (Precise/Protected)
• Modulado sobre as ondas portadoras L1 e L2
• Frequência 10,23 MHz
• Comprimento 30 m

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4. ERROS NAS OBSERVÁVEIS GPS
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• Erros Dependentes dos Satélites
• Erros nas efemérides
• Erros nas coordenadas dos satélites
• Podem chegar até 20 m
• Podem ser eliminados pelo posicionamento relativo

• Erros nos relógios dos satélites
• Podem chegar até 80 nano-segundos (0,000.000.08
  s) o que correspode a cerca de 24 m
• Podem ser eliminados pelo posicionamento relativo

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• Erros Dependentes do receptor/antena
• Variação do centro de fase da antena
• Em um levantamento, todas antenas devem ser
  calibradas
• Antenas devem ser orientadas numa mesma direção
  (norte)
• Modelos iguais de receptores não apresentam
  grandes problemas
• Centro de fase é o ponto no qual as medidas dos
  sinais são refenciadas
• Geralmente não coincide com o centro geométrico
  da antena

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Erros Dependentes do receptor/antena Erros nos
relógios dos receptores Podem ser eliminados
pelo posicionamento relativo
Erros entre os canais Quando o sinal de cada
satélite percorre canais diferentes Corrigidos
automaticamente pelo receptor no início de cada
levantamento
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• Erros de propagação dos sinais
• Refração da Troposfera
• Refração da Ionosfera

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• Erros da propagação dos sinais
• Multicaminhamento (Multipath)
• Quando o receptor recebe, além do sinal que chega
  diretamente à antena, sinais refletidos em
  superfícies vizinhas a ela.
• Similar ao efeito fantasma de TV

Para atenuar esse efeito Antenas Choke
rings Evitar levantamentos em locais propícios
ao multipath
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MulticaminhamentoMultipath
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Barreiras naturais
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Diferencial GPS (DGPS) As posições absolutas,
obtidas com um receptor móvel, são corrigidas por
um outro receptor fixo, estacionado num ponto de
coordenadas conhecidas. Esses receptores
comunicam-se através de link de rádio. Precisão
de 1 a 5 metros.
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6. APLICAÇÕES
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Transportes (logística) Esporte e Lazer Proteção
Civil Topografia e Geodésia Militares Meteorologia
Monitoramento de Abalos Sísmicos Roteiros de
Viagens Georreferenciamento de imagens de
satélite Atualização de informações
cartográficas Atualização de Sistemas de
Informação Geográfica
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• CARTOGRAFIA
• TELE ATLAS (www.teleatlas.com )
• Empresa holandesa que disponibiliza mapas
  digitais 2D e 3D para navegação e serviços
  baseados em localização.
• Realizou acordo com a GOOGLE para suprir dados
  para o Google Maps
• Oferece sistema de atualização de dados

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Logística Automatic Vehicle Location
(AVL) Monitoramento de veículos Transportadoras
Determinar onde, por quanto e a que horas cada
veículo de uma frota foi abastecido Verificar se
o motorista excedeu a velocidade
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Objects Location and Management (OLM) Não apenas
os veículos podem ser monitorados, mas também
qualquer outro objeto Carga do caminhão Cabeças
de gado Tornozeleiras para presidiários
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Seguradoras de veículos Serviços de
rastreamento Auxiliar na localização de veículos
após o furto
Situações de emergência EUA obrigam operadoras
de telefonia móvel a localizar de onde partiram
chamadas para auxiliar no serviço de emergência
911 Fim da privacidade Controle da vida das
pessoas
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Roteamento Lazer, esportes e viagens Traçar
rotas Caminhos respeitam sentido das vias Sistema
de voz para guiar motoristas Celular com mapas de
localização de telefones cadastrados Serviço
pago pelo clientes Receber mensagens da situação
do trânsito evitando ruas congestionadas e criar
novas rotas
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• Transportes Públicos
• GPS em ônibus - Projeto GEOSIT Uberlândia
• Monitorar a velocidade, tempo de percurso e de
  parada em
• cada ponto
• Alertar em caso de acidente ou problemas
  mecânicos
• Comunicação imediata sobre problemas no
  trânsito, como
• bloqueios ou semáforos quebrados
• Fiscalizar o itinerário de cada linha de
  ônibus
• Ajustar em tempo real dos horários de partida

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• Passageiros podem acompanhar, do ponto de
  ônibus,
• quanto tempo terá que esperar até a chegada de
  cada ônibus
• Botão de emergência em caso de assalto
• Orientar a polícia na identificação de grupos
  criminosos e
• traçar com mais precisão o perfil dos assaltos
  ( número de
• ocorrências, freqüências, e localidade).

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Radio-Frequency Identification (RFid) Etiquetas
em peças de vestuário emitem sinais captados por
antenas Sistemas semelhante ao de cobrança de
pedágios em que um dispositivo colocado no vidro
do carro se comunica com uma antena
Jaquetas com GPS e sinal de pânico em casos de
emergência
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