Funcionamento do GPS: O Guia Definitivo!

Publicado por Adenilson Giovanini em

Funcionamento do GPS (Global Positioning System). Ao longo das próximas linhas deste artigo você aprenderá simplesmente tudo que precisa saber sobre o assunto, entendendo:

  • O funcionamento do gps;
  • Frequência de rádio utilizadas;
  • Que informações são enviadas pelos satélites;
  • Como uma posição é determinada;
  • A importância da geometria dos satélites;
  • E muito mais.

Vamos ao artigo.

Funcionamento do GPS

funcionamento do GPS - efemérides transmitidas

O GPS é um sistema que se baseia na utilização de um número mínimo de satélites para determinar em que local da superfície terrestre o receptor está localizado.

Para que seja possível determinar uma posição em qualquer lugar da superfície terrestre, o GPS precisa que um número mínimo de 24 satélites estejam ativos.

Por isso que os profissionais do segmento de controle tomam este cuidado, garantindo que sempre exista um número mínimo de 24 satélites ativos em órbita.

Na realidade, a NASA, que é o órgão responsável pelo sistema GPS, normalmente mantém pelo menos 27 ou 28 satélites em órbita. Com isso, caso algum satélite apresente problemas, a mesma simplesmente ativa outro satélite.

Cada satélite, por sua vez, possui um código único, por exemplo, PRN 23. Ou seja, é o satélite 23, onde que PRN é uma sigla que significa Pseudo Randon Nóise.

Esta é inclusive uma das informações enviadas no sinal de rádio rastreado pelos diferentes receptores.

Isso porque o GPS, assim como os diferentes sistemas GNSS, utilizam ondas de rádio para enviar as informações que serão rastreadas pelos receptores GPS.

Vamos entender melhor que sinais de rádio que são enviados pelos satélites GPS.

Funcionamento do GPS – Frequências de rádio utilizadas

funcionamento do gps - frequências de onda

O sistema GPS utiliza uma série de ondas de rádio para fornecer informações que possibilitam que os usuários se localizem na superfície terrestre.

São elas:

Na realidade, alguns dos comprimentos de onda são destinados exclusivamente ao uso militar. Por causa disso, neste artigo eu me deterei em falar a respeito das bandas destinadas ao uso civil.

Para isso, preciso primeiramente que você saiba que a banda (sinal de rádio) que será utilizada pelo usuário dependerá da acurácia desejada pelo mesmo. Isso porque cada banda tem suas vantagens e desvantagens.

Vamos entender os diferentes sinais de rádio destinados ao uso civil existentes porque assim você entenderá melhor o funcionamento do gps.

Código C/A

Código ca

 

O código C/A possui um comprimento de onda de aproximadamente 300 metros.

A grande vantagem do mesmo é que ele consegue contornar facilmente barreiras, possibilitando a determinação de uma posição até mesmo no interior de uma mata fechada.

O problema é que a acurácia possibilitada por este comprimento de onda está no entorno de 3 metros. Ou seja, o mesmo é voltado para aplicações que não exijam grande acurácia.

Este é o grande objetivo do código C/A:

Possibilitar que qualquer pessoa consiga determinar sua localização em qualquer lugar, mesmo dentro de uma mata fechada ou dentro de um prédio.

Por exemplo, receptores do tipo Garmim utilizam o código C/A acrescidos das efemérides transmitidas. Com isso, conseguem determinar em tempo real a posição uma posição.

Neste artigo eu mostro os diferentes tipos de efemérides existentes e quando cada uma delas deve ser utilizada.

Ou seja, perceba que o grande objetivo de receptores do tipo Garmim é este, que qualquer pessoa consiga determinar em que lugar está em tempo real.

Para que consigam cumprir este objetivo e ao mesmo tempo serem baratos, os receptores do tipo Garmim tiveram que sacrificar a acurácia.

Ou seja, estes receptores são voltados para aplicações cuja acurácia exigida não seja elevada.

Banda L

funcionamento do GPS - efemérides rápidas

Além do código C/A o funcionamento do gps também utiliza as fazes L1 e L2 da banda L.

Porém, os objetivos das mesmas são completamente diferentes dos objetivos do código C/A. Enquanto o código C/A prioriza a determinação da posição em tempo real, as bandas L1 e L2 priorizam a acurácia.

Com isso, a banda L1 utiliza uma frequência de aproximadamente 19 Cm e a banda L2 utiliza uma frequência de aproximadamente 24 Cm.

Como disse, ao terem estes comprimentos de onda, as bandas L1 e L2 possibilitam a determinação de uma posição com uma grande acurácia (que pode chegar a casa do centímetro).

Porém, como efeitos colaterais, estas 2 frequências da banda L não possibilitam a determinação de uma posição em tempo real.

Também encontram grande dificuldade no rastreamento dos dados de um ponto dentro de uma mata fechada.

Além disso, não é possível utilizar-se as mesmas em um local no qual existam prédios altos.

A determinação de um posição no interior de uma casa ou edifício então, é completamente impossível.

Perceba que isso se deve ao fato de que o funcionamento do GPS possui bandas especificas para aplicações especificas.

Receptores do tipo Garmim, Smartfones e outros equipamentos do tipo utilizam o código C/A, que possibilita a determinação de uma posição em tempo real em qualquer lugar.

Porém, não podem serem utilizados em aplicações que exijam grande acurácia.

Já receptores que utilizam as frequências de rádio L1 e L2 possibilitam a obtenção de dados com uma grande acurácia. Porém, normalmente não em tempo real. Isso sem falar que são caros, chegando a custar R$ 90.000,00 reais.

Continuando…

Talvez você esteja um pouco confuso porque eu falei em efemérides. Vamos entender melhor do assunto, entendendo quais são as informações enviadas pelo satélite e rastreadas pelo receptor.

Funcionamento do GPS – Informações enviadas pelos satélites

funcionamento do gps - informações enviadas pelos satélites

Conforme informei anteriormente, cada satélite ativo envia uma série de informações que são rastreadas pelos receptores. São elas:

  • PRN – pseudo Rando Nóise: O número do satélite a partir do qual as informações estão sendo enviadas;
  • Efemérides: Também conhecidos como dados efêmeros, são dados que informam as órbitas dos satélites e a precisão dos relógios dos mesmos;
  • Almanaque: Arquivo que informa a posição do satélite a qualquer horário do dia.

Esta são as informações mais importantes enviadas pelos satélites.

O PRN, conforme informei anteriormente, nada mais é do que a informação referente a que satélite está sendo rastreado.

O almanaque é um arquivo existente no receptor GPS que é abastecido e atualizado constantemente.

O que o mesmo faz é informar a posição aproximada de cada satélite a qualquer hora do dia.

Com isso, ao ser ligado o receptor consulta o almanaque e, a partir do mesmo consegue identificar quais satélites estão visíveis, rastreando os sinais dos mesmos.

Com isso, quando o almanaque é sem querer excluído do receptor, o mesmo leva horas para conseguir rastrear os diferentes satélites existentes em órbita e pouco a pouco, recriar o almanaque.

Já as efemérides são informações que informam a exata localização do satélite, sendo que o que irá determinar a precisão das efemérides é o tipo de sinal utilizado.

Porém, tenha isso em mente, que o almanaque serve para a determinação aproximada da posição do satélite, possibilitando que o receptor encontre o sinal enviado pelo mesmo mais rapidamente.

As efemérides, por outro lado, são as informações rastreadas pelo receptor quando o relógio deste entra em sincronia com o relógio do satélite. Ou seja, são as informações utilizadas para a determinação da posição.

 

Funcionamento do GPS – Como uma posição é determinada

como uma posição é determinada

 

Se você realmente quer saber o funcionamento do GPS, saiba que no mesmo existe uma pegadinha. Isso porque o que cada satélite possibilita não é a determinação do receptor e sim sua própria localização.

Isso mesmo, os dados enviados por um satélite possibilitam apenas a determinação da posição do mesmo em órbita.

Diante disso, provavelmente você esteja se perguntando:

Ok professor Adenilson, e como que essa informação é utilizada para a determinação da posição do receptor?

O procedimento é o seguinte:

Os dados efêmeros propagados pelo satélite possibilitam a determinação da exata posição do mesmo determinado instante. Para isso, considerasse como se o satélite não estivesse em movimento e sim parado.

Ou seja, o que o receptor faz é calcular a exata posição dos diferentes satélites existentes em órbita, considerando a cada instante como se o satélite estivesse parado.

Com isso, a triangulação das posições dos satélites possibilita a determinação da posição do receptor em terra.

Triângulação no posicionamento pelo GNSS

 

Algo importante é que, para determinar uma posição 2D ( coordenadas X e Y), o receptor precisa rastrear pelo menos 3 satélites.

Já para determinar uma posição 3D (coordenadas X, y e Z), o receptor precisa rastrear pelo menos 4 satélites.

A importância da geometria dos satélites na determinação de uma posição

Funcionamento do gps - geometria dos satélites

Ao aprender o funcionamento do gps você conseguiu entender como uma posição é determinada.

Ou seja, que determina-se a posição de cada satélite rastreado e posteriormente, por triangulação, determina-se a posição do receptor.

O problema é que ao utilizar este procedimento para a determinação de uma posição, a geometria dos satélites que são rastreados é de extrema importância para a acurácia dos dados.

Distribuição geométrica dos satélites

 

Por causa disso, a NASA precisou planejar muito bem a distribuição espacial dos satélites. Colocando em órbita um número mínimo de satélites (24), distribuídos em 6 planos orbitais, de certa forma que a geometria dos satélites rastreados em qualquer lugar do planeta a qualquer momento ficasse boa.

Por isso que o DOP (dilution of precision gps) que é a informação referente a geometria dos satélites deve sempre ser cuidada.

Como disse, ao garantir no mínimo 4 satélites sendo rastreados de qualquer lugar do planeta, os quais estão em 6 planos orbitais diferentes, a NASA garantiu cobertura global.

O problema é que na superfície terrestre existem árvores, montanhas e estruturas artificiais construídas pelo homem que interferem no rastreamento de dados e pode fazer com que a geometria fique ruim.

funcionamento do GPS - DOP árvores interferindo

Ou seja, sempre cuide o DOP.

Bom, espero que este artigo a respeito do funcionamento do GPS seja útil e relevante para você.

Caso deseje entender mais sobre o assunto, aconselho que você leia o artigo abaixo:

> Efemérides: Como baixar e utilizar no seu dia a dia…

Além disso, também possuo outros artigos sobre posicionamento pelo GNSS aqui no blog. Clique no link abaixo, navegue pelos mesmos e leia os que achar mais interessante.

> Posicionamento Pelo GNSS – Artigos que você deveria ler…

É isso por este artigo. Gratidão por você ter lido o mesmo. 🙏

 

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Adenilson Giovanini

O Professor Adenilson Giovanini é especialista em Topografia Cadastral e Georreferenciamento de Imóveis Rurais. Possui mais de 830 artigos em seu blog e mais de 460 vídeos em seu canal no youtube. Também é o autor do livro Topografia Cadastral e Georreferenciamento de Imóveis Rurais na Prática, que desde que foi lançado é o livro mais vendido do pais sobre o assunto.

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