Navstar GPS: Histórico e Aplicações?

Adenilson Giovanini

3 anos atrás

Navstar GPS, você acabou de colocar suas 2 mãos em um artigo definitivo a respeito do tema.

Com a leitura do mesmo você aprenderá:

O que é o navstar GPS;
Como o mesmo funciona;
Quais são as frequências de rádio utilizadas;
Quais são as principais aplicações do mesmo;
Quais são as informações enviadas pelos satélites;
Como uma posição é determinada;
E muito mais.

Prossiga a leitura atentamente.

O que é o navstar GPS?

O navstar GPS é uma tecnologia que inicialmente foi desenvolvida para uso militar e que posteriormente foi disponibilizada para o uso civil.

O mesmo é mais conhecido pela sigla GPS (global positioning system) e constitui o principal sistema utilizado para navegação via satélite.

O Navstar GPS foi desenvolvido e é mantido em órbita pelo Departamento de Defesa do Governo dos Estados Unidos.

Os 3 segmentos do navstar GPS?

O mesmo é formado por 3 segmentos. São eles:

Segmento espacial;
Segmento de controle e;
Segmento de utilizadores.

O segmento espacial é composto por uma série de satélites, sendo que para que o mesmo esteja operacional, o departamento de defesa dos estados unidos precisa manter pelo menos 24 satélites ativos, sendo que os mesmos estão distribuídos em seis planos orbitais diferentes.

Na realidade, normalmente o departamento de defesa dos estados unidos mantém pelo menos 27 ou 28 satélites em órbita. Com isso, caso algum apresente problema, o mesmo simplesmente ativa outro satélite.

O segmento de controle, por sua vez, é responsável pelo gerenciamento do sistemas espacial, garantindo que o mesmo esteja funcionando corretamente 7 dias por semana, 24 horas por dia.

Já o último dos 3 segmentos é o segmento de usuários, que é formado pelas pessoas, empresas e órgãos governamentais que utilizam a tecnologia GPS no seu dia a dia.

Como funciona o Navstar GPS?

O Navstar 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.

Cada satélite, por sua vez, possui um código único, denominado PRN. Desta forma, por exemplo, o PRN 23, refere-se ao 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, utiliza 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.

Frequências de rádio utilizadas pelo navstar GPS

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

São elas:

Código C/A;
Banda P;
Banda L.

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.

Navstar GPS – Código C/A

O código C/A possui um comprimento de onda de aproximadamente 300 metros, constituindo o sinal utilizado por receptores de navegação.

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 de navegação utilizam o código C/A acrescidos das efemérides transmitidas. Com isso, conseguem determinar em tempo real uma posição.

Perceba que o grande objetivo dos receptores de navegação é 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 de navegação tiveram que sacrificar a acurácia.

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

Navstar GPS – Banda L

Além do código C/A, o sistemas de posicionamento global também utiliza as fazes L1 e L2 da banda L.

Porém, os objetivos das mesmas são completamente diferentes dos objetivos do código C/A. Isso porque enquanto que 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.

Ao terem estes comprimentos de onda, as bandas L1 e L2 possibilitam a determinação de uma posição com uma grande acurácia.

Porém, como efeito colateral, 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 locais nos quais 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 de navegação, 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 ser 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 mais de R$ 90.000,00 reais.

Navstar GPS – Informações enviadas pelos satélites

Conforme informei anteriormente, no GPS sistemas de posicionamento global, 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.

Estas são as informações mais importantes enviadas pelos satélites.

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

O almanaque, por sua vez, 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 localização exata do satélite, sendo que o que irá determinar a precisão das mesmas 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.

Navstar GPS – Como uma posição é determinada

Se você realmente quer saber o navstar GPS funciona, saiba que no mesmo existe uma pegadinha. Isso porque o que cada satélite possibilita não é a determinação da posição 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 em 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.

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

Ao aprender o funcionamento do navstar 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.

Por causa disso, o departamento de defesa dos Estados Unidos precisou planejar muito bem a distribuição espacial dos satélites, colocando em órbita um número mínimo de satélites (24), distribuídos em 6 planos orbitais.

Com isso, a geometria dos satélites rastreados em qualquer lugar do planeta, a qualquer momento do dia ou da noite ficará 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, o departamento de defesa dos Estados Unidos 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 podem fazer com que a geometria fique ruim.

Ou seja, sempre cuide o DOP.

Sistema de posicionamento global – Métodos de posicionamento pelo GNSS

O posicionamento pelo GNSS é dividido em 2 grandes grupos de métodos de posicionamento:

Posicionamento absoluto e;
Posicionamento relativo.

O posicionamento absoluto, caracteriza-se pela utilização de um único receptor.

Por outro lado o posicionamento relativo caracteriza-se pela utilização de 2 ou mais receptores, onde que um receptor fica estacionado em um local de coordenadas conhecidas e utiliza-se os demais receptores para rastrear-se novas posições.

A grande vantagem da utilização do método relativo está no fato que utiliza-se o receptor de base para corrigir a fase da onda portadora, propagando-se esta correção para o rover.

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