3040 50 Curso de Formação Continuada em Georreferenciamento de Imóveis Rurais Prof. Geraldo Passos Amorim Prof. José Aguilar Pilon Módulo VIII : Sistema

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Curso de Formação Continuada em Georreferenciamento de Imóveis Rurais

Prof. Geraldo Passos AmorimProf. Geraldo Passos Amorim

Prof. José Aguilar PilonProf. José Aguilar Pilon

Módulo VIII : Sistema de Posicionamento por Satélite - GPSMódulo VIII : Sistema de Posicionamento por Satélite - GPS

CEFETES – Coordenadoria de GeomáticaCEFETES – Coordenadoria de Geomática

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Sumário

ApresentaçãoHistórico e Características dos Sistemas de PosicionamentoCaracterísticas do Sistema de Posicionamento GPSSegmentos do Sistema GPSSistemas Geodésicos de ReferênciaReceptores GPSObserváveis GPSPosicionamento de PontosMétodos de ObservaçãoLevantamento GPS de acordo com a norma do INCRAProcessamento de Dados GPS

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Apresentação (1/5)

Atualmente os Sistemas Global de Posicionamento e de Navegação por Satélite (Global Navigation Satellite System – GNSS) tornaram-se uma ferramenta extremamente útil e inovadora para uma série de atividades que necessitam de informação geograficamente referenciada. Comparado com métodos convencionais, essa ferramenta permitiu aumentar a produtividade, associada à melhoria na precisão, além da redução de custos.O GNSS engloba os sistemas de navegação atualmente disponíveis: GPS, GLONASS e, num futuro muito próximo, o Galileo.Dentre os sistemas disponíveis o GPS, acrônimo de GGlobal lobal PPositioning ositioning SSystem,ystem, é o mais empregado e o que trataremos neste curso.Esperamos que este material possa ser útil àqueles que de uma forma direta ou indireta venham a empregar o GPS na implantação dos pontos de apoio básico e no levantamento do perímetro, para o georreferenciamento de imóveis rurais.

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Histórico e Características dos Sistemas de Posicionamento (1/9)

Posicionar um objeto nada mais é do que atribuir-lhe coordenadas. Embora hoje se trate de uma tarefa que pode ser realizada com relativa simplicidade, utilizando-se, por exemplo, satélites artificiais apropriados para este fim, este foi um dos primeiros problemas científicos que o ser humano procurou solucionar.O homem, desde sua criação, sempre teve interesse no conhecimento da terra onde vive. A busca por alimentos, o espírito de novas aventuras e o ímpeto da criatura humana por conquistas de novos territórios, foram algumas das razões que levaram os povos da antigüidade a desbravar novas fronteiras.A habilidade dos navegadores e as condições climáticas eram fundamentais para o sucesso ou o insucesso de uma expedição (Dotori & Negraes, 1997).

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O surgimento da bússola, inventada pelos chineses, proporcionou uma verdadeira revolução na navegação. Mas ainda perdurava um problema: como determinar a posição de uma embarcação em alto-mar?como determinar a posição de uma embarcação em alto-mar? O astrolábio possibilitava a determinação da latitude, sujeita a grandes erros e a medição só podia ser feita à noite desde que com boa visibilidade. A determinação da longitude foi considerada o maior problema científico do século XVIII.Mesmo com a astronomia a posição era obtida com uma incerteza muito grande.Com o avanço da eletrônica, alguns sistemas foram desenvolvidos, mas mesmo esses apresentavam algum tipo de deficiência. Como exemplo temos os sistemas DECCA, LORAN e Ômega.

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Após o lançamento do primeiro satélite artificial, 4 de outubro de 1957, ocorreu uma transformação no conceito do posicionamento através da concepção da navegação apoiada em sinais de rádio emitidos por satélites artificiais. Um grupo de trabalho da Universidade John Hopkins, chefiado pelos Drs. W. Guier e G. Weiffenbach observaram a ocorrência do efeito Doppler quando da transmissão de mensagens de rádio do SPUTINIK I para as estações terrestres. Eles concluíram que a medida da variação do efeito Doppler é comparável à medida da variação da distância entre os satélites emissores e as estações receptoras dos sinais. A partir desta constatação, notaram que a ocupação de pontos de coordenadas conhecidas poderia gerar a determinação das órbitas dos satélites.


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Depois destas conclusões, o Dr. Mclure, também da Universidade John Hopkins, demonstrou que a técnica proposta pelos Drs. Guier e Weiffenbach poderia ser utilizada de outra maneira, ou seja, se as órbitas dos satélites fossem conhecidas a posição da estação rastreadora poderia ser determinada a partir de observações da variação do efeito Doppler. Como resultado prático deste desenvolvimento teórico, a marinha norte-americana desenvolveu um sistema de posicionamento que usava o efeito Doppler. Iniciava-se, assim, o desenvolvimento do primeiro sistema de posicionamento por satélites. Ele foi batizado como o nome de Navy Navigational Satellite System (NNSS), também conhecido como Sistema TRANSIT.


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O sistema TRANSIT tornou-se operacional em 1964, tornando-se possível o seu uso para a comunidade civil apenas a partir de 1967. O sistema foi composto inicialmente por 7 satélites com altitudes próximas de 1100km, com órbitas aproximadamente circulares, sendo necessário um mínimo de 4 satélites para que o sistema se torne operacional.


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O sistema TRANSIT apresentava certas limitações em função do número reduzido de satélites e da sua baixa altitude. Assim em 1973, o DoD juntamente com as Forças Armadas, iniciou estudos para a criação de um novo sistema de posicionamento por satélites.A U.S. Air Force apresentou o Sistema 621B e a Marinha Americana o Sistema Timation. Da fusão desses sistemas surgiu o NAVSTAR-GPS (NAVigation Satellite with Time And Ranging - Global Positioning System).O DoD foi o primeiro a usar o sistema GPS, e a primeira aplicação foi suprir as necessidades militares, mas pouco tempo depois o Congresso Americano, sob orientação da Presidência da República, autorizou o uso do sistema pela comunidade civil.


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Figura 1.3 – Evolução dos sistemas de posicionamento

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Ao contrário do sistema TRANSIT, o GPS oferece dados de navegação continuamente, em tempo-real, para todo o planeta. Os avanços tecnológicos nos últimos 20 anos significaram uma melhoria na precisão do GPS com relação ao TRANSIT.

Características GPS TRANSIT

Altura da órbita 20200 Km 1100 Km

Período 11 57 58 3h , (tempo

sideral)

105 min.

Freqüências transmitidas

1575,42MHz ( 19 05, cm)

1227,60MHz ( 24 45, cm)

150MHz ( 200 cm) 400MHz ( 75 cm)

Dados de navegação 4D:X,Y,Z, t; (velocidade, aceleração)

2D: ,

Disponibilidade continuamente 15 20 min. por passagem

Precisão 8-15m (código-não SA), 0,1 nós

30 40 m e depende do erro de velocidade

Constelação de satélites

? 24 4 - 6

geometria constante variável

Relógio do satélite rubídio, césio quartzo

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Características do Sistema de Posicionamento GPS (1/24)

Sem sombra de dúvidas, o sistema GPS é o maior avanço tecnológico, das últimas décadas, na navegação e no posicionamento desde o advento da bússola .O Sistema Global de Posicionamento (GPS) é um sistema espacial de navegação, que foi desenvolvido pelo Departamento de Defesa dos EUA, que pode ser usado 24 horas por dia em quaisquer condições meteorológicas para satisfazer as necessidades de usuários civis, das forças militares americanas e de seus aliados, de modo a determinar posição, velocidade e tempo, em relação a um sistema de referência definido, para qualquer ponto sobre ou próximo da superfície da Terra.

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O princípio básico de posicionamento pelo GPS consiste na medida de distância entre o usuário e quatro satélites. Conhecendo as coordenadas dos satélites num sistema de referência apropriado, é possível calcular as coordenadas da antena do usuário no mesmo sistema de referência dos satélites. Do ponto de vista geométrico, apenas três distâncias, desde que não pertencentes ao mesmo plano, seriam suficientes. Nesse caso, o problema se reduziria à solução de um sistema de três equações, a três incógnitas. A quarta medida é necessária em razão do não sincronismo entre os relógios do satélites e o do usuário, adicionando uma incógnita ao problema.

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Princípio de funcionamento do GPS: distânciaPrincípio de funcionamento do GPS: distância

Xll

Vl

Xl

lll

lll

lVV

VllVlll

X

lX


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Xll

Vl

Xl

lll

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VllVlll

X

lX



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Xll

Vl

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lll

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VllVlll

X

lX



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Xll

Vl

Xl

lll

lll

lVV

VllVlll

X

lX

Distância = Tempo x Velocidade da luz



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Em algum lugar na esfera de raio, R1

R1

Princípio de funcionamento do GPS: PosiçãoPrincípio de funcionamento do GPS: Posição


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Duas esferas se interceptam gerando um círculo

R1

R2



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Três esferas se interceptam em um ponto

3 distâncias para resolver a Latitude, a Longitude e a Elevação

R1

R2

R3



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4 distâncias para encontrar a Latitude, a Longitude, a Elevação e o Tempo.

É um problema similar ao problema da reseção espacial.



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Estado da Arte em Posicionamento por Ponto (PPP)Estado da Arte em Posicionamento por Ponto (PPP)


Posicionamento por PontoPosicionamento por Ponto

r: posição do satélite

PR: Pseudodistância

R: vetor posição

Receptor

R = r - PR

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No sistema GPS há dois tipos de serviço, os quais são conhecidos como:• SPS (Standard Positioning Service – Serviço de Posicionamento

Padrão)• PPS (Precise Positioning Service – Serviço de Posicionamento

Preciso).O SPS é um serviço de posicionamento e tempo padrão que está disponível a todos os usuários, sem cobrança de qualquer taxa. Até o dia 1/5/2000 a acurácia horizontal e vertical desse serviço era de 100m e 140m, respectivamente, e 340 ns (nano-segundos) nas medidas de tempo (nível de confiança de 95%), através da implementação da SA (Selective Availability).

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Após vários testes, realizados no ponto BASE-CEFETES, verificou-se que a precisão horizontal absoluta variava da ordem de 5m a 15m. Esta variação é decorrente da geometria da constelação no momento da sessão de observação. A retirada do efeito SA não pode ser encarada como sendo de forma definitiva, pois não existe nenhuma garantia do governo americano que eles jamais não irão reativá-lo. Acredita-se que dependendo da necessidade, ou seja, em casos que comprometam a soberania nacional, o DoD venha a incrementar novamente este efeito de degradação de sinal. O órgão gestor do GPS (NIMA – National Imagery and Mapping Agency) atribui ao posicionamento isolado um nível de precisão de 22m 2DRMS. Para as atividades de georreferenciamento este tipo de posicionamento não é permitido, necessitando portanto, de um posicionamento que permita uma correlação espacial para um redução substancial na maior parte dos erros. A este posicionamento denominamos relativo e diferencial.

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A precisão das observações com os satélites GPS depende:1. do tipo de observações:

• pseudodistância (fase do código) ou fase da portadora;• uso de receptores de simples ou de dupla freqüência;

2. da qualidade dos receptores:• do nível dos erros e ruídos dos receptores;• do erro dos relógios dos satélites e/ou dos receptores;

3. da geometria dos satélites observados:• das perturbações atmosféricas, como por exemplo a presença de jato

de elétrons na ionosfera;

4. do multicaminhamento;

5. do tipo de antena;

6. dos modelos matemáticos considerados nos softwares de processamento.

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Quadro resumo com os erros do sistema GPS

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Anomalia Equatorial (Ionosfera)Anomalia Equatorial (Ionosfera)

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No levantamento de precisão com GPS, deseja-se medidas precisas dos vetores entre dois ou mais receptores GPS. Em geral, quanto maior o número de satélites possíveis de ter seus sinais rastreados, no horizonte da antena receptora, maior será a precisão das coordenadas do ponto medido.Para descrever a contribuição da configuração geométrica dos satélites no posicionamento, de um determinado ponto, foi definido um índice denominado DOP (Diluition Of Precision). O DOP representa a relação entre o desvio padrão da posição x

e o desvio padrão associado as observações r

.

O escalar DOP descreve o efeito da distribuição geométrica dos satélites no espaço sobre a precisão obtida na solução de navegação.

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Matematicamente, o DOP é estimado pela seguinte equação:

x = DOP . r

O melhor valor possível para o DOP é igual a 1 e o pior é igual a infinito. Existem diferentes tipos de definições para o fator DOP: H = HDOP . r para o posicionamento horizontal;

V = VDOP . r para o posicionamento vertical;

P = PDOP . r para o posicionamento em 3D;

T = TDOP . r para a determinação do tempo.

O valor mais comum para o DOP é o PDOP, que é uma combinação dos os fatores de posição (HDOP e VDOP) que afetam a precisão. Atualmente, com o sistema completamente operacional, o valor do PDOP não é tão crítico e, normalmente, apresenta valores inferiores a 3. Deve-se evitar observações no período em que o PDOP for superior a este valor

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Valores elevados do fator DOP podem ser uma fonte de erros que influencia a precisão do posicionamento.

Os valores do fator DOP podem ser monitorados durante a coleta dos dados e podem ser previstos de acordo com a localização do ponto.

A escolha da hora da coleta dos dados é um fator muito importante para a obtenção de baixos valores de DOP.

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A combinação do PDOP e TDOP cria uma nova designação para o DOP chamada de Geometric Dilution of Precision GDOP, que é definida por:

O valor do GDOP, por si só, compõe uma medida que reflete a influência da geometria dos satélites no espaço, combinada com a precisão do posicionamento e do tempo. Normalmente, considera-se bom valor de GDOP inferiores a 6 (normalmente entre 2 e 4). Valores superiores a este devem ser evitados. A precisão do posicionamento pode ser obtida multiplicando-se o valor do GDOP pelo URE (User Ranger Error).A Norma do INCRA para Levantamento de Apoio Básico por GPS estabelece um valor de GDOP inferior a 8, durante o período de rastreamento.

GDOP PDOP TDOP 2 2

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De modo a medir a influência da atual configuração dos satélites, para observações relativas (dupla diferença para a fase da portadora e para o código), foi introduzida por GOAD (1986), um novo fator de medição, específico para linhas bases, a Relative Dilution Of Precision (RDOP).

SONG (1994) apresenta uma relação entre o RDOP, e um novo parâmetro definido como índice de qualidade e o erro de posição. Ele conclui que: o erro de posição é dependente do índice de qualidade e do valor do RDOP, isto é, para pequenos valores de RDOP e índice de qualidade, certamente o erro no posicionamento será pequeno.

211 AAtraceRDOP T

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Possibilidades de Precisão (1 sigma) com o GPS.

12,5 m1 m

0,5 m3 m 2 cm2 cm

??mm

Em geral, a precisão obtida é muito OTIMISTA.

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Apresentamos a seguir algumas características do sistema GPS:é um sofisticado sistema de navegação baseado numa rede de satélites artificiais específicos que possibilitam posicionamento em 3D: latitude, longitude e altitude;o princípio básico de seu funcionamento está baseado na medição de quatro distâncias entre as antenas dos receptores e as antenas dos satélites;é o melhor sistema de navegação implantado, a nível mundial, tornando-se uma grande revolução na arte de posicionar qualquer objeto sobre ou próximo a superfície terrestre;é um sistema de cobertura global;está disponível 24 horas por dia;sua precisão é atualizada diariamente;oferece repetibilidade de medidas;independe de visibilidade entre as estações.

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Segmentos do Sistema GPS (1/26)

O sistema GPS pode ser dividido em três segmentos:

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SEGMENTO ESPACIAL

O segmento espacial tem como objetivo fornecer, de maneira precisa e constante, as efemérides para todos os pontos próximos da superfície terrestre, de modo que o usuário possa utilizá-los para calcular posições, velocidades e tempo. As efemérides são compostas por 16 constantes físicas mais 4 coeficientes polinomiais que são captadas pelas antenas dos receptores.Depois de serem estudados vários esquemas, definiu-se uma constelação de 21 satélites (mais 3 de reservas) alocados em órbitas elípticas (semi-eixo maior igual a 26.600km) com período de 11h 57’ 58,3’’ (tempo sideral), a uma altitude média aproximada de 20.200km, acima da superfície terrestre, e a órbita com inclinação igual a 55° em relação ao Equador, distribuídos em seis planos orbitais.

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Os satélites movimentam-se a uma velocidade aproximada de 3,87km/s. Cada satélite pesa aproximadamente 860Kg (Bloco I) e tem uma envergadura, considerando os painéis solares, da ordem de 8,7m. Os satélites são lançados a bordo dos foguetes Delta II da base Kennedy Spaceflight Center, na Flórida-EUA..

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Cada satélite está equipado com relógios atômicos, de modo a transmitir, com precisão, pulsos binários de tempo e efemérides, definindo suas órbitas. O termo relógio atômico não quer dizer que os relógios trabalham usando energia atômica, o termo atômico foi utilizado apenas porque os relógios utilizam tipos especiais de átomos em seus osciladores.Cada um dos seis planos orbitais (denominados de A, B, C, D, E e F), possuem 4 satélites. Os satélites não são igualmente espaçados dentro do plano orbital, mas são distribuídos para garantir a máxima cobertura terrestre. A separação da ascensão reta, entre dois planos orbitais é de 60º. Este espaçamento foi planejado para maximizar a probabilidade dos receptores GPS captarem sinais de, no mínimo, quatro satélites com pequenos valores de PDOP, 24 horas por dia, e assim terem determinadas suas coordenadas tridimensionais: latitude, longitude e altura geométrica.

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A identificação dos satélites pode ser feita de várias maneiras: quanto ao número seqüencial do lançamento SVN (Space Vehicle Number - número do veículo espacial), quanto ao código PRN (Pseudo Random Noise - ruído falsamente aleatório), quanto ao código da NASA e quanto a uma identificação internacional. Desde os seus lançamentos, os satélites do sistema GPS foram classificados “por blocos” de acordo com as características físicas definidas no projeto. Historicamente foram e são assim classificados:Bloco I: satélites de desenvolvimento e pesquisa do SVN1 até SVN12. Ultimo satélite deste bloco foi desativado no final de 1995;Bloco II: satélites de produção (operação) do SVN13 até SVN21. Estes satélites armazenam os dados de navegação por 14 dias;

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Bloco IIA (Advanced): satélites construídos para a operação do sistema com uma tecnologia mais avançada que o anterior do SVN22 até SVN40. Estes satélites têm como características a comunicação recíproca entre eles e a capacidade de armazenar os dados de navegação por 180 dias;Bloco IIR (Replenishment): satélites construídos para operação e reposição dos blocos anteriores, com lançamentos programados a medida que forem necessárias reposições do SVN41 até SVN62. Apresentam por características a capacidade de medir distâncias entre eles (cross link ranges) e calculam suas efemérides transmitindo-as para as estações de controle terrestre e entre os satélites ativos;Bloco IIF (Follow-on): satélites de reposição, com lançamentos programados a partir de 2005 e contará com SVN63 a SVN96.

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Bloco I

Bloco II

Bloco IIA

Bloco IIR

Bloco IIF

Número de Satélites

11

9

19

20

12

Período de Lançamentos

1978 a 1985 1989 a 1990 1990 a 1997 1997 até a presente data

2005

Fabricante Rockwell int. (Boeing) Rockwell int.

(Boeing) Rockwell int.

Lockheed Martin Boeing

Freqüências L1/L2 L1/L2 L1/L2 L1/L2 L1/L2 e L5 Degradação Não AS e SA AS e SA AS e SA AS e SA

Vida Útil Prevista (anos)

5 6 6 8 15

Relógios Atômicos

1 de Quartzo 2 de Césio e 2 de Rubídio

2 de Césio e 2 de Rubídio

3 de Rubídio Maser de Hidrogênio

Custo * US$50M * US$25M * Peso 845 Kg 1500 Kg 1500 Kg 2000 Kg *

Inclinação do Plano Orbital

63° 55° 55° 55° *

Tamanho do Buffer de

Navegação (dias)

3 a 4 14 180 Comunicação entre satélites

> 180 Cálculo de

Efemérides e Cross Link

Ranges

*

Base de Lançamento

Vandenberg AFB, CA

Cape Canavera I AFB, FI



*

Foguete de Lançamento

Atlas E e F (Lockheed

Martin)

Delta II (Boeing) Delta II (Boeing) Delta II (Boeing) Evolved Expendable

Launch Vehicle Curiosidades * * Refletores nos

Satélites SVN 35 e 36

AUTONAV IIR-M

Freqüência Civil na L2

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Os satélites GPS apresentam como uma de suas características principais o fato de que todos os satélites da constelação emitem os sinais com a mesma freqüência e com as mesmas informações básicas. Estas informações são relativas a um determinado tempo de emissão, ou seja, é conhecido o exato momento em que o sinal é emitido pela antena do satélite.A posição de uma antena receptora é obtida a partir do acesso as informações contidas nos sinais emitidos. Todas estas informações podem ser obtidas a partir das efemérides transmitidas (broadcast ephemerides) pelos satélites no instante do rastreamento ou através das efemérides precisas calculadas por várias instituições que compõem a rede do IGS. As efemérides precisas não são coletadas em tempo real pela antena receptora do usuário. Neste caso, pode-se adquiri-las pela Internet, como por exemplo pelo endereço http://igscb.jpl.nasa.gov. O tipo de efeméride a ser utilizado é função da precisão do posicionamento desejado.

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Um fato muito importante que garante a precisão e acuracidade do GPS é que todos os componentes dos sinais são precisamente controlados por relógios de partículas atômicas. A acuracidade da freqüência padrão do sistema é um fator importantíssimo e é considerado o “coração do sistema”, que produz uma freqüência fundamental de 10,23MHz. A portadora principal, L1, é modulada por dois tipos de códigos falsamente aleatórios – PRN (Pseudo Random Noise codes), um com 1,023MHz chamado de código-C/A (Coarse Acquisition – fácil aquisição), e outro com 10,23MHz chamado de código-P (Precise – preciso).A portadora L2, é modulada apenas pelo código-P. O código-P ou militarmente classificado como código-Y foi intencionalmente projetado para uso militar ou para usuários autorizados.

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Frequência fundamental10.23 MHz

Frequência fundamental10.23 MHz

x 154

x 120

L11575.42 MHz

L11575.42 MHz

L21227.60 MHz

L21227.60 MHz

Código C/A 1.023 MHz

Código C/A 1.023 MHz

Código P 10.23 MHz

Código P 10.23 MHz

Código P10.23 MHz

Código P10.23 MHz

÷ 10

50 BPS 50 BPS Mensagens (Almanaque & Efemérides) Mensagens (Almanaque & Efemérides)


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Os códigos que formam o PRN são modulados, em fase, sobre as portadoras L1 e L2. Essa técnica permite realizar medidas de distâncias a partir do tempo de propagação da modulação (Leick, 1995). Um PRN é uma seqüência binária +1 e -1, ou 0 e 1, que parece ter característica aleatória. Como é gerado por um algorítimo, pode ser univocamente identificado. A modulação bifásica (mudança de sinal) é realizada pela inversão de 180° na fase da portadora, situação em que ocorre a alteração nos estados.

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É importante dizer que cada satélite estabelece o seu próprio código-C/A e o código-P, o que os distingue dos demais. Os códigos têm duas importantes funções:• identificação do satélite. Os códigos são únicos para cada satélite e

podem ser comparados com os respectivos códigos gerados pelos receptores;

• medida da propagação do tempo. Isto é, do tempo necessário para que o sinal percorra a distância entre o satélite e a antena receptora.

O código-C/A, também designado como Standard Positioning Service (SPS), é disponível para a comunidade civil. A freqüência do código C/A repete-se a cada milissegundo, com um comprimento efetivo de onda 293,1 metros e é modulada somente na portadora L1. O código-P (ou código-Y, também designado como Precise Positioning Service (PPS), tem sido reservado apenas para uso das forças armadas americanas e para usuários autorizados.

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Código Portadora

Comprimento de onda código-P = 29,3m

código-C/A = 293m

L1 = 19,05cm

L2 = 24,45cm

Ruídos observados

receptores clássicos

novos receptores

código-P 0,6 - 1m

código-C/A 10m

código-P 2 - 5cm

1 - 3mm

< 0,2mm

Efeitos de propagação atraso da ionosfera TION avanço da ionosfera - TION

ambigüidade não-ambíguo ambíguo

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A mensagem de navegação é transmitida a razão de 50 bits por segundo (bps), com duração de 30 segundos. A mensagem de navegação é superposta nas duas freqüências, contendo informações tais como: efemérides, correções do relógio do satélite, órbitas dos satélites, saúde dos satélites e outras correções de dados. As informações que fazem parte da mensagem apresentam um total de 1500 bits que é denominado de um bloco de dados. Estas informações são utilizadas para o posicionamento e a navegação. Este sinal é formatado em 5 blocos com 6 segundos de duração

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Cada bloco é formado por 10 palavras com 30 bits cada. A primeira palavra em cada bloco é uma palavra telemétrica (telemetry word: TLM). A segunda palavra em cada bloco é uma palavra do código HOW, que contém, entre outras informações, o número do contador-Z. As oito palavras finais são geradas pelo seguimento de controle. Resumidamente, a mensagem de navegação (efemérides) é composta pelas seguintes informações:• informações do código-C/A, usada no posicionamento por navegação;• informações do código-P, usado por usuários autorizados;• informações de navegação dos satélites, dados dos sinais e

informações relativas à componente tempo;• informações das fases das portadoras que podem ser usadas num

posicionamento de maior precisão;• informações a respeito do sistema GPS. Estas informações são

conhecidas como almanaque. A partir das informações do almanaque, é possível executar um planejamento de observações com a finalidade de obter dados a partir de uma boa geometria dos satélites.

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SEGMENTO DE CONTROLE TERRESTREQuando o sistema GPS estava sendo estudado para sua implantação, alguns dos projetos propostos consideravam que os satélites seriam guiados por bases terrestres, utilizando raio lasers. No entanto, a solução final definiu que os satélites transmitiriam, constantemente, informações relativas as suas posições e então as bases terrestres usariam estas informações de modo a obter o posicionamento dos mesmos. O propósito do segmento de controle terrestre é:• rastrear os satélites GPS e fornecer suas posições periodicamente;• corrigir as efemérides transmitidas e os erros dos relógios;• determinar o tempo GPS;• predizer as efemérides e o comportamento dos relógios dos satélites;• atualizar, periodicamente, a mensagem de navegação para cada

satélite em particular.

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O segmento de controle é basicamente composto por 5 estações de monitoramento sendo que uma delas recebe o status de Estação Master de Controle. Três estações de monitoramento acumulam as funções de serem também estações de antenas terrestres que mantêm contato contínuo com os satélites. A Figura 3.9 apresenta uma ilustração deste segmento.

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A Estação “Master” de Controle está localizada em Colorado Springs, Colorado, EUA. A sua função é coletar os dados das estações monitoras e calcular as órbitas, os parâmetros dos relógios dos satélites e futuras posições dos mesmos. Estes resultados são então enviados para uma das três estações de antenas terrestres para que sejam remetidos para os satélites. Isto é realizado a cada oito horas ou pelo ao menos uma vez ao dia; a partir daí, estas correções passam a fazer parte das efemérides transmitidas pelos satélites (mensagem de navegação). O controle dos satélites e de todo sistema operacional é também de responsabilidade da estação ‘Master’ de controle. Existem 5 Estações de monitoramento. Estas estações são equipadas com receptores de dupla freqüência, múltiplos-canais e com relógios de partículas atômicas. Além disso, é realizada a tarefa da coleta de dados meteorológicos locais que são aplicados na determinação de parâmetros relativos a correção do atraso da troposfera e ionosfera.

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As Estações de controle terrestre exercida pelas antenas terrestres de Ascenção, Diego Garcia e Kwajalein, estão em comunicação permanente com os satélites. Estas antenas parabólicas possuem um diâmetro aproximado de 10 metros e são usadas para a transmissão de mensagens de navegação ou outro tipo quaisquer de comando para os satélites.

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SEGMENTO DOS USUÁRIOS

O segmento dos usuários é constituído pelas antenas receptoras localizadas na superfície terrestre, no ar, a bordo de navios e de alguns satélites etc. As antenas captam sinais de quatro ou mais satélites, simultaneamente ou seqüencialmente, processam os dados determinando a posição, a velocidade e a medida de tempo dos pontos observados. Existem duas categorias básicas de usuários do sistema GPS: militares e civis. É importante salientar que o interesse em desenvolver o sistema de posicionamento global nasceu para atender aos interesses militares americanos.

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Sistemas Geodésicos de Referência (1/11)

A Terra não é uma superfície homogênea. O campo gravitacional terrestre varia ponto a ponto, pois depende da distribuição de massa terrestre. Para definir a forma do planeta, foi convencionado efetuar o prolongamento dos mares em calma, sob os continentes. A superfície resultante recebeu o nome de Geóide. Contrariamente ao que se imagina, esta superfície não é regular. O Geóide é gerado por um líquido em repouso, e portanto perpendicular à direção da vertical em cada ponto topográfico, e as variações de intensidade e direção da gravidade implicam imperfeições dessa superfície, tal como mostra a figura abaixo, produzida pela NASA..

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As irregularidades do Geóide não seguem uma lei matemática, sendo portanto, impossível determinar uma fórmula que o descreva com exatidão.Devido à complexidade de modelar matematicamente o geóide, os geodesistas concluíram que a forma física da Terra pode ser modelada por um Elipsóide de Revolução.A superfície elipsoidal é conveniente como referência e facilita as operações matemáticas. Esta é a razão porque o elipsóide é largamente utilizado em projeções cartográficas e no estabelecimento de coordenadas horizontais nas redes geodésicas. A superfície elipsoidal é menos usada como superfície de referência para as coordenadas verticais (altitudes), já que não reflete uma superfície física de nível, mas uma superfície geométrica.

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Um Sistema Gedésico de Referência – SGR é um sistema de coordenadas associado a algumas características terrestres. A implantação de um SGR é dividida em duas partes: definição e materialização na superfície terrestre. A definição compreende a adoção de um elipsóide de revolução, sobre o qual são aplicadas injunções de posição e orientação espacial.No Brasil se emprega dois SGRs um horizontal e outro vertical.

Os SGRs horizontal utilizados no Brasil, através de metodologias clássicas são: Córrego Alegre, Chuá Astro-Datum e SAD69. Atualmente o IBGE realizada estudos para a mudança do referencial Geodésico. A expectativa é que a partir do ano de 2005 tenhamos um novo SGR denominado SIRGAS2000 (Sistema de Referência Geocêntrico para as AméricaS) com campanha realizada de 10 a 19 de maio de 2000.

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Sup. Topográfica

O2

O1

EuropaN. America

S. America Africa

N N

Sistema de Referência Clássico

Sistema de Referência Moderno

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O SGR adotado pelo GPS é o WGS84 (World Geodetic System 1984), com as modificações implantadas em 1994 (WGS84-G730), 1997 (WGS 84-G873) e 2000 (WGS 84-G1150). O WGS84 é um sistema de referência geocêntrico, através do qual as efemérides transmitidas e as precisas são fornecidas.

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É importante salientar que a altura determinada com GPS toma como referência o elipsóide. Portanto para se conhecer a altitude é necessário conhecer a ondulação geoidal (N).

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O sistema de referência oficial no Brasil é o SAD69, que não tem origem geocêntrica e cujos os parâmetros definidores do elipsóide de referência diferem do WGS84. Trata-se, portanto de superfícies de referências distintas tanto na forma quanto na origem. Para resolver este problema IBGE sentiu a necessidade de editar parâmetros oficiais de transformação entre os sistemas SAD69 e WGS84. Neste sentido, foi realizada uma campanha de rastreamento no VT-CHUÁ com o objetivo de obter dados para o cálculo e posterior obtenção dos parâmetros de transformação. A campanha foi realizada durante 24 dias. Os parâmetros de transformação WGS84 e SAD 69 são os seguintes:

m,Tz

m,Ty

m,Tx

5238

374

8766

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O maior avanço na área de Geodésia dado pelo IBGE recentemente foi o estabelecimento de uma rede de monitoramento ativo denominada Rede Brasileira de Monitoramento Contínuo - RBMC.

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O Instituto Nacional de Colonização e Reforma Agrária (INCRA) com o objetivo de atender as necessidades de posicionamento implantou uma rede de referência denominada de Rede INCRA de Bases Comunitárias - RIBaC. Na presente data o INCRA está realizado observações com equipamentos de duas freqüência em seus pontos para homologação junto ao IBGE.

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O CEFETES em parceria com o CREA-ES está promovendo debates com o objetivo de densificar a Rede Geodésica em nosso estado.

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Receptores GPS (1/10)

Os receptores GPS podem ser manuais ou instalados em bases fixas (estações) ou móveis (carros, aviões, embarcações, tanques etc.). Estes receptores detectam, geram sinais internamente e processam sinais emitidos pelos satélites. Existem mais de uma centena de modelos disponíveis no mercado.Os receptores GPS evoluíram bastante desde os primeiros modelos que foram lançados no mercado no início da década de 80. Os primeiros receptores eram muito pesados e hoje em dia um receptor geodésico não excede a 3kg. Paralelo a isto, os métodos de posicionamento e a eletrônica dos componentes também evoluíram bastante resultando no surgimento de equipamentos de diferentes precisões para diferentes tipos de aplicações práticas.

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Os principais componentes de um receptor GPS, tal como mostrado na Figura 5.1, são (Cf. Seeber,1993):• antena com pré-amplificador;• seção de RF (radiofreqüência) para identificação e processamento do

sinal;• microprocessador para controle do receptor, amostragem e

processamento dos dados;• oscilador;• interface para o usuário, painel de exibição e comandos;• provisão de energia; e• memória para armazenar os dados.

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A antena detecta as ondas eletromagnéticas emitidas pelos satélites, converte a energia da onda em corrente elétrica, amplifica o sinal e envia para a parte eletrônica do receptor. Para levantamentos geodésicos, a antena deve garantir alta estabilidade do seu centro de fase em relação ao seu centro geométrico, e proteção contra multicaminhamento. Na seção de RF os sinais que entram no receptor são convertidos para uma freqüência mais baixa, denominada freqüência intermediária (FI), a qual é mais fácil de ser tratada nas demais partes do receptor. Isso é realizado pela combinação do sinal recebido pelo receptor com um sinal senoidal gerado pelo oscilador do receptor.O canal de um receptor é considerado a sua unidade eletrônica primordial, podendo o receptor possuir um ou mais canais. os tipos de canais podem ser divididos em multicanais (canais dedicados), seqüênciais e multiplexados.

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O microprocessador é necessário no controle das operações do receptor (obter e processar o sinal, decodificar a mensagem de navegação), bem como para calcular posições e velocidades, além de outras funções (controle dos dados de entrada e saída, mostrar informações).A interface com o usuário proporciona a interação com o usuário. As teclas podem ser usadas para entrar com comandos visando selecionar as mais variadas opções de coleta de dados, monitoramento das atividades do receptor, mostrar coordenadas calculadas, além de outros detalhes.Na memória do receptor ficam armazenadas as observações (pseudodistância e medidas de fase da portadora) e das efemérides transmitidas.O suprimento de energia foi um fator crítico nos receptores da primeira geração, em razão do alto consumo. Atualmente os receptores são concebidos para que tenham um consumo mínimo de energia.

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Os receptores GPS podem ser classificados em:Quanto ao número de freqüências:• simples freqüência: estes tipos de instrumentos recebem somente a

freqüência L1. Todo acesso produzido para o código-C/A é dado pela correlação entre o sinal proveniente do satélite com uma réplica gerada no receptor;

• dupla freqüência: estes tipos de instrumentos recebem as duas freqüências L1 e L2. Podem ter acesso aos códigos-C/A e/ou código-P. Quando somente o código-C/A é usado num receptor de dupla freqüência, a portadora L2 é quadrada para remover a modulação desconhecida do código-P, resultando num comprimento efetivo de onda para a L2 de 12cm. Os receptores de dupla freqüência, que fornecem o acesso ao código-P, realizam esta tarefa através da correlação do código, permitindo assim, um comprimento ‘cheio’ da portadora L2 com comprimento de onda de 24cm.

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Receptores GPS (7/10

Quanto ao número de canais:• monocanais: são receptores que possuem apenas um canal que se

move rapidamente de um satélite para outro. Estes tipos de receptores são construídos com um número reduzido de circuitos e por isso são mais baratos. As desvantagens deste tipo de instrumento são: lentos na atualização das coordenadas, imprecisos e são mais susceptíveis a perda de ciclos durante a observação;

• multicanais: são receptores que possuem vários canais independentes para rastrear, simultaneamente, cada satélite visível no horizonte. Isto proporciona a obtenção de coordenadas mais precisas e estes instrumentos são menos susceptíveis a ocorrência de perdas de ciclo. Uma outra vantagem destes tipos de receptores é que possibilitam uma recuperação do sinal mais rápida em situações que provoquem perdas de ciclos.

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Quanto ao tipo de canais:• seqüenciais: nestes tipos de receptores cada canal rastreia um único

satélite de cada vez, passando a captar dados de outro satélite tão logo tenha armazenado dados suficientes para o cálculo das coordenadas do ponto;

• multiplexados: são receptores que têm funcionamento semelhante aos receptores de canais seqüenciais, mas apresentam a vantagem de serem mais rápidos na mudança para a captação dos dados de outros satélites. Estes tipos, caracterizam-se por possuírem circuitos eletrônicos mais complexos e, por isso, consequentemente são mais precisos e mais caros.

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Quanto ao tipo de sinal observado:• receptores que utilizam a pseudodistância através do código-C/A:

estes aparelhos caracterizam-se por serem pequenos e leves e o posicionamento gerado apresenta a precisão dada pelo SPS;

• receptores da portadoras L1 e do código-C/A: estes tipos de instrumentos são normalmente utilizados nos trabalhos geodésicos de precisão. Tem como limitação o comprimento da linha base (~15km);

• receptores que utilizam a pseudodistância através dos códigos-C/A e P e utilizam as portadoras L1 e L2: são os receptores mais completos e conseqüentemente os mais caros. A aplicação destes tipos de instrumentos é justificada nos trabalhos geodésicos de alta precisão.

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O tipo de dado coletado pelo receptor tem um impacto direto na precisão alcançada, e, geralmente, influencia no custo final da operação. Os receptores mais baratos disponíveis no mercado são aqueles que fornecem o posicionamento em tempo real, baseado somente no código-C/A com precisão SPS, ou seja da ordem de 22m 2DRMS.

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Observáveis GPS (1/12)

Os dados observados com GPS são deduzidos a partir da medição do tempo ou da diferença de fase entre os sinais recebidos dos satélites e os gerados internamente pelos receptores. O diagrama de blocos para um sinal genérico, em um receptor, é apresentado na Figura abaixo. Nesta figura, existem diferentes caminhos para o código e para a portadora.

antena do códigocorrelação

códigociclo do

portadoraciclo da

código

diferença defase

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Observáveis GPS (2/12)

Basicamente, existem dois tipos importantes de dados observados com o GPS: a pseudodistância (através de um dos códigos) e a fase da portadora. Estes dois tipos de medidas refletem a distância entre os satélites e o receptor. Estas medidas são utilizadas para uma variedade de aplicações de posicionamentos, por exemplo: navegação, posicionamento diferencial estático, posicionamento diferencial cinemático, navegação de alta precisão, determinação da órbita dos satélites, transferência de tempo etc.

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Observáveis GPS – Pseudodistância (3/12)

WELLS et al. (1987) definem a observação da pseudodistância, como sendo “a diferença entre o tempo de transmissão (na escala de tempo do satélite) e o tempo de chegada (na escala de tempo do receptor) de um particular tipo de sinal transmitido pelo satélite, multiplicado pela velocidade da luz”. Esta diferença de tempo é determinada comparando-se uma réplica do código, gerado pelo receptor, com o código real emitido por um particular satélite. Para essa medição, este tempo é defasado, de modo que, a posição dos dois códigos tenha o máximo de correlação Figura 6.2.

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Os satélites GPS dispõem de padrões atômicos de alta precisão (osciladores), operando no sistema de tempo do satélite (ts), no qual todos os sinais gerados e transmitidos são referenciados. Os receptores, normalmente, dispõem de osciladores de menor qualidade, que operam no chamado sistema de tempo do receptor (tr). É nesta escala de tempo que os sinais recebidos são referenciados. Esses dois sistemas de tempo, satélite e receptor, podem ser relacionados com o sistema de tempo GPS (tGPS) a partir das seguintes expressões:

SSSGPS dttt

rrGPS dtttr

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A pseudidistância (PD) é igual à diferença entre o tempo tr registrado no receptor no instante de recepção do sinal, e o tempo ts, registrado no satélite, no instante de transmissão do sinal, multiplicado pela velocidade da luz no vácuo. A PD pode ser obtida via correlação com o código P (correlação do código Y) sobre as portadoras L1 e L2 e/ ou com o código C/A, sobre a portadora L1 (Teunissen & Kleusberg, 1996).

rS é o tempo de propagação do sinal, contado desde sua geração no

satélite até a correlação no receptor, c é a velocidade da luz e PD rS é o

erro da medida de pseudodistância.

SrPD

Sr

Sr

Sr dtdtccPD

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O tempo de propagação rS multiplicado pela velocidade da luz no vácuo,

não resulta na distância geométrica rS, entre a antena do satélite e do

receptor, em razão, entre outros fatores, da refração atmosférica (ionosfera (Ir

S) e troposférica (TrS)) e de efeitos de multicaminhamento (multipath =

dm). Uma forma mais adequada para a equação da pseudodistância será:

SrPD

Sr

Sr

Sr

Sr

Sr

Sr dmTIdtdtcPD

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Observáveis GPS – Fase da Portadora (8/12)

Uma observável muito mais precisa que a pseudodistância é a fase da onda portadora, observável básica para a maioria das atividades geodésicas. Essa observável é, na realidade, a fase de batimento da onda portadora.A fase da onda portadora r

s é igual à diferença entre a fase do sinal do satélite, recebido no receptor s, e a fase do sinal gerado no receptor r, ambas no instante de recepção t. A fase observada r

s, em ciclos, é dada por (cf. King et al., 1998):

sr

sr

sr

sr Nttt )()()(

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Os receptores medem a parte fracional da portadora e efetuam a contagem do número de ciclos que entram no receptor a partir de então, resultando numa medida contínua. O termo Nn

s da equação representa o número inteiro de ciclos (inteiros), da primeira época de observação, entre as antenas do satélite e receptor, e é denominado ambigüidade. Ele é estimado no ajustamento, conjuntamente com os demais parâmetros. A medida da parte fracional da fase da onda portadora tem precisão da ordem de até 1/1000 do ciclo.

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Time (0)

Ambiguity

InitialPhase Measurement

at Time (0)

Ambiguity

Time (1)

MeasuredPhase Observable

at Time (1)

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Observáveis GPS – Erros Envolvidos nas Observáveis (11/12)

As observáveis GPS, tal como todas as outras observáveis envolvidas nos processos de medidas, estão sujeitas aos erros aleatórios, sistemáticos e grosseiros. Para obter resultados confiáveis, o modelo matemático (funcional e estocástico) estabelecido deve ser válido para a realidade física que se tenta descrever, e capaz de detectar problemas. Dessa forma, as fontes de erros envolvidas nos processos de medidas devem ser bem conhecidas.Os diversos erros, agrupados pelas possíveis fontes, são apresentados na Tabela a seguir.

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Observáveis GPS – Erros Envolvidos nas Observáveis (12/12)

Erros Descrição

d órbita

erro nominal, devido a imprecisão das efemérides transmitidas

erro adicional, devido a degradação intencional dos sinais através da SA ou AS.

I kp, ionosfera

atraso das medidas da pseudodistância e o avanço equivalente da medida da fase da portadora, devido aos elétrons livres da ionosfera (região da atmosfera que se estende de 100 a 1000Km acima da superfície terrestre).

Tkp troposfera

atraso na transmissão de sinal, devido a componentes secos e úmidos da atmosfera, para regiões acima de 80Km da superfície terrestre.

dt p erro do relógio do satélite

diferença entre o tempo do satélite e tempo do sistema GPS.

dt k erro do relógio do

receptor

diferença entre o tempo recebido e o tempo do sistema GPS.

prx ruído do código

no receptor

imprecisões na medida do código, devido ao ruído no receptor.

Efeito SA erro nas coordenadas e/ou no tempo de transmissão das efemérides transmitidas

rx ruído da

portadora no receptor

imprecisões na medida da portadora, devido ao ruído no receptor.

mult

multicaminhamento

erro devido ao fenômeno da recepção e sobreposição de sinais refletidos.

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Posicionamento de Pontos (1/11)

O termo posicionamento diz respeito à posição de objetos relativos a um dado referencial.

Quando o referencial é o centro de massa da Terra (geocentro), diz-se que o posicionamento é absoluto. Quando o referencial é materializado por um ou mais pontos de coordenadas conhecidas, diz-se que o posicionamento é relativo. Quando o objeto a ser posicionado está em repouso, diz-se que o posicionamento é estático e quando o objeto está em movimento diz-se que o posicionamento é cinemático. No que concerne ao posicionamento que utiliza GPS, pode-se ter posicionamento absoluto estático ou posicionamento absoluto cinemático. O mesmo se pode dizer com respeito ao posicionamento relativo.

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Posicionamento de Pontos (2/11)

Existem dois modos fundamentais de posicionamento com o GPS:• Posicionamento absoluto ou isolado. A norma do INCRA denomina este

posicionamento de GPS1 e não admite o mesmo nos trabalhos de georreferenciamento;

• Posicionamento relativo e diferencial. A norma do INCRA denomina estes posicionamentos de GPS2, GPS3 e GPS4. Para os trabalhos de Para os trabalhos de georreferenciamento só é admitido os posicionamentos relativos GPS3 e georreferenciamento só é admitido os posicionamentos relativos GPS3 e GPS4.GPS4.

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Posicionamento de Pontos – Posicionamento Relativo (3/11)

No posicionamento relativo, tanto as observações de código quando as da fase das portadoras podem ser tratadas a partir de pelo menos duas estações que observem os mesmos satélites. Esta consideração proporciona a minimização, ou até mesmo o cancelamento, dos efeitos de alguns erros sistemáticos que incidem de forma semelhante em ambas estações.

Vetor da linha baseVetor da linha base

BAA

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Para realizar posicionamento relativo, conforme comentado anteriormente, o usuário deve dispor de dois ou mais receptores. No entanto, com o advento dos chamados Sistemas de Controle Ativos (SCA) 1 , tal afirmativa não é verdadeira. Um usuário que disponha de apenas um receptor poderá efetuar posicionamento relativo. Deverá para tal, acessar os dados de uma ou mais estações pertencentes ao SCA.No do Brasil temos a RBMC (IBGE), a RIBaC (INCRA) e SCA’s de órgãos públicos ou empresas particulares. Para atender a Norma do INCRA as coordenadas das SCA’s deverão ser previamente homologadas pelo IBGE.

1 Num SCA, receptores rastreiam continuamente os satélites visíveis e os dados podem ser acessados via sistema de comunicação.

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Posicionamento de Pontos – Posicionamento Relativo (5/11)A observável normalmente adotada no posicionamento relativo estático, é a dupla diferença de fase de batimento da onda portadora, muito embora possa também utilizar a dupla diferença da diferença da pseudodistância, ou ambas. Os casos em que se têm as duas observáveis proporcionam melhores resultados em termos de acurácia.Nesse tipo de posicionamento, dois ou mais receptores rastreiam, simultaneamente, os satélites visíveis por um período de tempo que pode variar de alguns minutos, até algumas horas. O posicionamento relativo permite obter precisão da ordem de 1,0 a 0,1 ppm, ou melhor que isso. No entanto, nas redes geodésicas em que as linhas de bases envolvidas forem longas (maiores que 10 a 15 km) e a precisão requerida melhor que 1 ppm, é imprescindível o uso de receptores de dupla freqüência.

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No posicionamento relativo, com o emprego da fase da onda portadora, as observações são combinadas linearmente, dando origem “as seguintes observações derivadas:• simples diferença: cancelam-se os erros dos relógios dos satélites;• dupla de diferença: cancelam-se os erros dos relógios dos satélites e

dos receptores;• tripla diferença: cancelam-se os erros dos relógios dos satélites, dos

receptores e as ambigüidades. Das combinações acima, a mais empregada é a dupla diferença de fase, por corresponder ao modelo matemático que fornece a melhor rigidez geométrica para a solução. A tripla diferença, por não conter parâmetros, por não conter parâmetros associados às ambigüidades, é utilizada às vezes em determinações relativas de longas linhas de base (100km), quando a qualidade dos resultados das duplas diferenças não se mostra satisfatória.

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Posicionamento de Pontos – Posicionamento Diferencial (7/11)

No posicionamento diferencial também chamado de DGPS a solução é baseada no código C/A ou Y, com correção das pseudo-distâncias no padrão RTCM SC-104 em tempo real. Incluem-se nesta técnica as soluções obtidas através de links MSK (rádio faróis) e DGPS por satélite (Racal e Ominisat). Este tipo de posicionamento é largamente utilizado em navegação marítima.Neste posicionamento não é permitido a vinculação das observações ao sistema Geodésico Brasileiro uma vez que o equipamento mável só recebe a correção diferencial para determinar a sua posição.Esta técnica não é admitida para os trabalhos de georreferenciamento. O impedimento de sua utilização é decorrente da impossibilidade de se alcançar a precisão de 0,50m na determinação das coordenadas.

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SV10SV28

SV32

SV3

correções diferenciais

Solução DGPS

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R

DGPS - Radio Farol (Beacon)

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R

DGPS - Sistema RACAL

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R

Solução RTK (link de comunicação para solução em tempo real)

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Métodos de Observação (1/14)

A escolha do método de observação nos levantamentos com GPS depende das necessidades do projeto, especialmente quanto a precisão desejada. Os levantamentos com GPS são relativamente simples e produzem bons resultados, desde que certos cuidados sejam levados em consideração. Portanto é necessário conhecimentos básicos de:• planejamento; • observações em campo;• processamento dos dados;• análise dos resultados.

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Métodos de Observação (2/14)

Para alcançar os objetivos com o GPS é necessário realizar um prévio planejamento, o qual se tratando de um levantamento geodésico envolve três fatores: economia, precisão e confiabilidade (Teunissen, 1989). Dentro deste contexto, um levantamento ideal deve apresentar confiabilidade e precisão máxima a um custo mínimo.Outro fator importante no planejamento será a escolha dos pontos de apoio. É bom lembrar que a Norma só admite pontos da rede clássica, desde que os mesmos tenham sido reocupados com GPS, uma vez que o erro sistemático presente em cada um desses vértices é, geralmente, superior a precisão requerida nos levantamentos par fins de registro de terra.No planejamento um fator que se reveste de vital importância é a escolha dos horários apropriados a observação. Isto é feito através de um software de planejamento.

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Métodos de Observação – Planejamento (3/14)

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Métodos de Observação – Observações em campo (4/14)

A coleta dos dados deve ser realizada com todo o cuidado e de acordo com o planejado. Mas mesmo assim, vários fatores externos afetam a qualidade das observações. Conforme já comentamos o posicionamento dos pontos para o georreferenciamento deve ser relativo, quer seja utilizando a observável fase da onda portadora ou pseudodistância. Os métodos de levantamento e georreferenciamento, através do GPS, estão sendo permanentemente aprimorados. Os métodos mencionados a seguir descrevem apenas aqueles mais conhecidos. Método Estático • Dois ou mais receptores fixos observam os mesmos satélites durante

um determinado período de tempo, sendo determinadas as componentes do(s) raio(s) vetor(es) definido(s) pelas estações com uma precisão de 1 a 2ppm. Segundo a norma do INCRA este método deve ser empregado preferencialmente para o levantamento dos pontos de controle, com tempo mínimo de observação de 30min (Tabela 9).

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Para atender a Norma do INCRA, a rede resultante, obtida pelo método estático, deve ser ajustada pelo processo dos mínimos quadrados, assegurando ao final do ajustamento a existência de dois vetores independentes para cada ponto de apoio de controle determinado.

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Método Stop and Go• Um receptor é mantido fixo enquanto outro(s) é(são) móvel(is). Na

observação da fase da onda portadora o(s) equipamento(s) móvel(is) necessita de uma inicialização, em torno de 15min. Após este tempo o equipamento móvel ocupa cada uma das posições que configuram o limite do imóvel.

RemotoRemoto

BaseBase

1

2

3

4 5

30 40 50


23 : 10 :22

23 : 10 :24

23 : 10 :26

23 : 10 :27

23 : 10 : 2823 : 10 :30

23 : 10 :12

23 : 10 :14

23 : 10 :16

23 : 10 :18

23 : 10 : 20

23 : 10 :14

23 : 10 :16

23 : 10 :18

23 : 10 : 20

23 : 10 :22

23 : 10 :24

23 : 10 :26

23 : 10 :27

23 : 10 : 2823 : 10 :30

23 : 10 :12

23 : 10 :14

23 : 10 :16

23 : 10 :18

23 : 10 : 20

23 : 10 :12

23 : 10 :14

23 : 10 :16

23 : 10 :18

23 : 10 : 20

Método Cinemático:• Após a inicialização do remoto, pode-se mover a antena• É necessário ter pelo menos 4 satétlites em rastreio todo o tempo• O remoto grava pontos em intervalos de tempo predefinidos. • Se o sistema perde os satélites, a medição deve ser reinicializada

(código + fase L1) ou o operador pode continuar o trabalho sem início estático (medições com apenas código ou com código e fase L1+L2).


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Em Geodésia, quando se objetiva dispor de informações de qualidade de um levantamento, o mesmo deve ser ajustado. Para tanto, deve-se dispor de redundância de observações. Logo, parece evidente que no levantamento de uma propriedade deve existir redundância. Como proceder então diante desta afirmativa?O Prof. Galera em seu artigo “Controle de Qualidade em Levantamentos no contexto da Lei no. 10.267”, apresenta algumas soluções para o problema:1. Irradiação a partir de duas estações base. Esse tipo de

procedimento permitirá avaliar a precisão de cada um dos vértices a partir da repetibilidade das observações e não somente a partir da qualidade interna da tecnologia GPS, que é muito otimista.


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1. Irradiação a partir de duas estações base


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2. Levantamento dos vértices da propriedade a partir de uma poligonal. Neste caso, dois vértices, que podem ser os que delimitam a propriedade, devem ser ligados ao SGB, independentemente, e a partir deles determinam-se às linhas bases dos vértices da poligonal. Cada estação que delimita a propriedade é ocupada sucessivamente, até fechar a poligonal. Neste caso, o levantamento também apresenta redundância, sendo possível realizar a ajustamento.


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3. Combinação de irradiação e poligonal GPS. Trata-se de uma metodologia que combina os procedimentos 1 e 2, sendo que também apresenta redundância.

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Segundo Galera, é importante lembrar que o levantamento de uma linha de base GPS, em que os dados coletados são a fase da onda portadora, pode proporcionar precisão de poucos centímetros; portanto de qualidade muito superior ao exigido pela legislação. Nesse caso, efetuar um levantamento com redundância não levaria a despender recursos mais do que o necessário? Esse realmente é um outro ponto que merece uma discussão mais aprofundada e está diretamente relacionada com a confiabilidade na solução da ambigüidade.

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Uma solução ideal (equipamento com GPS e Estação Total integrado)

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Levantamento GPS de acordo com a norma do INCRA (1/3)

Em geral os levantamentos GPS são caracterizados por diversos fatores, tais como:

• Tipo de observável (código e/ou fasecódigo e/ou fase);• Tipo de posicionamento (absoluto ou relativoabsoluto ou relativo);• Modalidade de tratamento dos dados (em tempo real ou a posterioriem tempo real ou a posteriori);• Modalidade do posicionamento (estático ou cinemáticoestático ou cinemático).

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Segundo a norma do INCRA o levantamento GPS será empregado nos seguintes serviços:• levantamento de apoio básico

• “[...] para a determinação de pontos de apoio básico deverá ser utilizada apenas a técnica de posicionamento relativo, através da correlação da fase de batimento das ondas portadoras [...]”.

• “[...] cada ponto de apoio do controle básico deverá ser determinado a partir de, no mínimo, duas estações ativas receptoras de sinais do GPS, permitindo a construção de um polígono, ou rede, com no mínimo três vértices [...]”.

• “[...] a rede resultante deve ser ajustada pelo processo dos mínimos quadrados, assegurando ao final do ajustamento a existência de dois vetores independentes para cada ponto de apoio de controle determinado [...]”.

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• levantamento de perímetro • Para este tipo de levantamento a norma não admite a solução

por navegação nem tão pouco por DGPS. Soluções baseadas nos códigos C/A e/ou Y só serão admitidas quando o equipamento permitir a suavização do código através da portadora.

• “[...] no levantamento por GPS a precisão posicional é verificada pelo resultado do ajustamento vetorial (MMQ), que pode ser proporcionado pelo respectivo módulo de ajustamento dos próprios programas de processamento de dados, ou por programas específicos para este fim [...]”.

• De acordo com a norma, o mais recomendado, para levantamento de perímetro é GPS4.

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Processamento

Formato de DadosCada receptor e cada programa tem seu formato próprio de dados, quando o usuário pretende processar os dados com outro programa, torna-se necessário realizar as devidas conversões de formato. Uma tentativa de padronizar os formatos foi feito com Receiver INdependent Exchange (RINEX)O RINEX usa a seguinte convenção para nomear os arquivos: ssssdddf.yyt. Os quatro primeiros caracteres identificam a estação rastreada, os próximos dígitos (ddd) o dia Juliano e o oitavo caractere (f) indica o número da sessão observada. Os dois primeiros dígitos da extensão (yy) denotam os últimos dígitos do ano observado e o ultimo (t) denota o tipo de arquivo.

P009 245 0. 05 o‘’‘’ ‘’

Dia do anoIdentificação

do ponto

Ano

Tipo de arquivo

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2 OBSERVATION DATA G RINEX VERSION / TYPE

SKI Pro 25-11-2 11:01 PGM / RUN BY / DATE

OBSERVER / AGENCY

PT PIRASSUNUNGA MARKER NAME

PT PIRASSUNUNGA MARKER NUMBER

5182 LEICA SR530 4.00 REC # / TYPE / VERS

AT502 Pilar ANT # / TYPE

4002794.5509 -4359604.4615 -2371053.4539 APPROX POSITION XYZ

0.1790 0.0000 0.0000 ANTENNA: DELTA H/E/N

L1PhaOff: 0.0683 L2PhaOff: 0.0712 COMMENT

1 1 WAVELENGTH FACT L1/2

4 C1 L1 P2 L2 # / TYPES OF OBSERV

2002 11 12 16 59 50.000000 TIME OF FIRST OBS

2002 11 12 18 33 60.000000 TIME OF LAST OBS

13 LEAP SECONDS

8 # OF SATELLITES

Processamento

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Processamento

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Processamento

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Parâmetros do ProcessamentoÂngulo de Corte• Normalmente se usa 15º

Modelo Troposférico• Modelos mais usados: Hopfield ou o modelo Sasstamoinen

Modelo Ionosférico• Modelo Padrão: baseado modelo ionosférico em função do ângulo horário

do sol.• Modelo computacional: Modelo baseado na diferença dos sinais das

portadoras L1 e L2. A vantagem do uso desta estratégia é que os cálculos são feitos a partir das condições predominantes do tempo na posição das medidas.

• Ionosfera Livre:os efeitos ionosféricos podem ser eliminados pela avaliação de um modelo de combinação linear L1 e L2, definida como sendo L3.

Processamento

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Parâmetros do ProcessamentoEfemérides• Efemérides transmitidas: usadas para base curtas • Efemérides Precisas: Base longas • Efemérides

Opções de processamento• Code and phase• Code only • Phase only

RMS “a priori”Análise do Resultado da linha base

Processamento

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Exemplo de um Software de Processamento

Satélites Desabilitados

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Tempo de ObservaçãoDos Satélites

NumeroDo Satélite

PontoOcupado

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3040 50 Curso de Formação Continuada em Georreferenciamento de Imóveis Rurais Prof. Geraldo Passos Amorim Prof. José Aguilar Pilon Módulo VIII : Sistema