SISTEMA GPS

André Leitão1,3 ; Gabriel Ferreira2,3

1andretrofense99@gmail.com, 2ferreirawow@gmail.com;3Turma C, 11º ano de escolaridade, Curso Científico – Humanístico de Ciências e Tecnologias, Agrupamento de Escolas de Águas Santas, Maia.

• Do calendário ao Relógio Atómico

• Relógios:

• Relógio de Quartzo;

• Relógio Atómico.

• O Relógio e o GPS;

• GPS:

• O que é;

• Para que serve o sistema GPS;

• Como é constituído: Segmento espacial; Segmento de controlo; Segmento do Utilizador;

• Como Funciona;

• Método da Triangulação;

• Sincronização dos relógios;

• Estações Terrestres;

• Cálculo da Distância a um satélite;

• Coordenadas Geográficas: Latitude, Longitude e Altitude;

• Coordenadas Cartesianas;

• Galileu - Sistema de Navegação Europeu: GPS vs Galileu; Suas Vantagens.

• Vídeos;

• Bibliografia.

ÍNDICE

DO CALENDÁRIO AO RELÓGIO ATÓMICO

• Qualquer relógio mais recente, possui um sistema com duas componentes, um pêndulo que produz oscilações regulares e um outro que conta essa oscilações , convertendo-as para uma unidade de tempo.

RELÓGIOS

RELÓGIO DE QUARTZO• O relógio de quartzo funciona também através da oscilação de um pêndulo e da contagem

dessas mesmas oscilações só que neste relógio o pêndulo é de quartzo. Este pêndulo oscila quando electrificado , obtendo uma precisão de 1milisegundo.

RELÓGIO ATÓMICO• Com o avanço da tecnologia, o Homem sente cada vez mais necessidade de medir o tempo

com maior precisão , dando origem então ao relógio atómico.

• Este relógio, funciona quase da mesma maneira que o relógio de quartzo , no entanto o pêndulo de quartzo e substituído por um césio-133 , passando a ter uma margem de erro inferior a um segundo em 100milhoes de anos , ou seja, 3 nanossegundos.

O RELÓGIO E O GPS• A localização através do GPS depende muito do tempo, pelo que cada um dos satélites

possui quatro relógios atómicos o que lhes confere bastante precisão. Esses relógios vão acertar constantemente o relógio instalado no receptor de GPS, que por muitos proble-mas monetários é de quartzo.

O QUE É O GPS?

• O GPS é um sistema de posicionamento por satélite que permite determinar a posição de um receptor, fornecendo com rigor as coordenadas do lugar: altitude, longitude e altitude.

• Foi desenvolvido pelas forças armadas norte-americanas, na década de 70, com fins militares.

• Este sistema está disponível a qualquer pessoa desde 1995.

GPS• O GPS surgiu devido a necessidade do Homem de determinar a sua posição, orientando-se

assim nas explorações terrestres e marítimas.

• Para além da criação de instrumentos que determinam a posição (GPS), é conveniente desenvolver outros para saber em que instante é feita essa localização. Por isso, os relógios e os cronómetros são igualmente, fundamentais na navegação.

GPS• Neste sentido, os primeiros objectos de orientação que surgiram foram a bússola e sextante.

nossos dias estes mesmos já caíram em desuso e foram portanto, substituídos pelo mais recente e evoluído aparelho de orientação e navegação: o GPS.

PARA QUE SERVE O SISTEMA GPS?• Localizar – fornece dados que permitem, com a maior precisão conhecer a localização de

qualquer ponto do nosso planeta.

• Conduzir ao longo de um percurso – informa sobre a direcção e sentido que o receptor tem de tomar para seguir determinado percurso.

• Navegar – fornece informações a barcos e aviões sobre a rota pretendida.

• Mapear – permite a criação de mapas mais rigorosos.

• Medir tempos.

COMO É CONSTITUÍDO O SISTEMA GPS?• Este sistema divide-se em três partes:

• Segmento Espacial (ou Constelação de Satélites)

• Segmento de Controlo

• Segmento do Utilizador

SEGMENTO ESPACIAL• É formado por 24 satélites artificiais distribuídos por seis órbitas, tendo cada uma quatro

satélites.

• Cada satélite descreve uma órbita circular em torno da Terra, a cerca de 22 200 km de altitude, dando duas voltas completas por dia (têm um período de 12horas).

• Transmitem e captam ondas electromagnéticas na banda das microondas.

• Cada satélite possui quatro relógios atómicos cuja precisão é 3 ns (3 x 10-9 s).

SEGMENTO DE CONTROLO• É constituído por cinco estações terrestres dispersas pelo planeta:

– Quatro fazem a observação dos satélites.

– Uma é a estação principal de controlo localizada em Colorado Springs, EUA.

SEGMENTO DO UTILIZADOR• O segmento de utilizador é constituído pelos receptores GPS e por quem os utiliza.

ESTAÇÕES TERRESTRES • Estas estações têm como função:

– Controlar a posição, a velocidade dos satélites e o tempo marcado nos seus relógios.

– Analisar as condições atmosféricas que podem introduzir erros no sistema.

– Efectuar correcções às órbitas e relógios dos satélites através do envio de informação codificada.

RECETORES GPS• Recebem e descodificam os sinais dos satélites;

• Podem trocar dados com outros receptores e com computadores;

• Permitem a quem navega obter mapas pormenorizados de cidades e endereços úteis, assim como obter a melhor rota até um local desejado ou o armazenamento de coordenadas de posição.

COMO FUNCIONA O SISTEMA GPS?• Um receptor GPS, para calcular a sua posição recorre ao método da triangulação, ou seja:

– Localiza, no mínimo, três satélites;

– Calcula a distância a que se encontra de cada satélite;

– Deduz a sua própria posição.

• O receptor GPS obtém estas informações analisando os sinais emitidos pelos satélites GPS

MÉTODO DA TRIANGULAÇÃO

• Depois de receber o sinal proveniente de A, o receptor em P, a partir do tempo que o sinal demorou de A a P, calcula a distância dA.

• Com a distância dA, traça-se uma circunferência centrada em A que contém a posição do receptor, mas que poderá ser qualquer ponto pertencente à circunferência.

MÉTODO DA TRIANGULAÇÃO

• O sinal que o emissor B emite, e que é captado pelo receptor GPS, permite determinar a distância dB.

• Com a distância dB, traça-se uma segunda circunferência centrada em B que intercepta em dois pontos a circunferência centrada em A, um dos quais será o ponto P.

MÉTODO DA TRIANGULAÇÃO

• O sinal que o emissor C emite, e que é captado pelo receptor GPS, permite determinar a distância dC.

• Com a distância dC, traça-se uma terceira circunferência centrada em C que intercepta dois pontos da centrada em A, um dos quais é comum à circunferência centrada em B e que representa o ponto P.

MÉTODO DE TRIANGULAÇÃO

SINCRONIZAÇÃO DOS RELÓGIOS

• Para um receptor calcular a sua posição, são suficientes os sinais emitidos por três emissores.

• Utiliza-se, contudo um quarto satélite de referência, cujo sinal tem como objectivo sincronizar os relógios atómicos que equipam os satélites e os de quartzo que equipam os receptores.

CÁLCULO DA DISTÂNCIA A UM SATÉLITE• Os satélites da rede GPS enviam os seus sinais em instantes precisos:

à hora t.

• O receptor GPS recebe o sinal no instante t + Δt, que coincide com a hora marcada no seu relógio de quartzo.

• Como o sinal se desloca à velocidade da luz (c=3,0x108 m s-1, o tempo que decorre entre a emissão e a recepção do sinal permite determinar a distância entre o receptor e o satélite:

ΔtvdΔt

dv

COORDENADAS GEOGRÁFICAS • Para indicar a posição de um lugar à superfície da Terra utilizamos as coordenadas

geográficas:

• Latitude;

• Longitude;

• Altitude.

LATITUDE• Ângulo medido para cima ou para baixo do Equador ao longo de um merediano . Varia de 0º

a 90º.

• Meridiano: circulo máximo , perpendicular ao Equador, que atravessa os dois polos terrestres.

• Os pontos com a mesma latitude encontram-se unidos por uma linha paralela ao Equador , o chamado paralelo.

LONGITUDE• Ângulo à esquerda ou direita do meridiano de Greenwich. Varia entre os 0º e os 180º para

Este ou Oeste.

ALTITUDEALTITUDE• O GPS fornece informação bastante precisa no que a estas coordenadas diz respeito. Estas O GPS fornece informação bastante precisa no que a estas coordenadas diz respeito. Estas

seriam suficientes para localizar um ponto sobre a superfície do Planeta . seriam suficientes para localizar um ponto sobre a superfície do Planeta . • Porém , em certos casos revelam-se insuficientes , dado que em mecanismos como um avião, Porém , em certos casos revelam-se insuficientes , dado que em mecanismos como um avião,

o conhecimento da altitude é crucial.o conhecimento da altitude é crucial.• Distância , medida sobre a vertical de um lugar , entre o mesmo e o nível medio das águas do Distância , medida sobre a vertical de um lugar , entre o mesmo e o nível medio das águas do

mar.mar.

COORDENADAS CARTESIANAS• Aquando do estudo de movimentos em locais pertencentes à superfície terrestre, é frequente

que esta seja considerada plana. Deste modo, as chamadas coordenadas cartesianas (da autoria de René Descartes, matemático, filósofo e físico do séc. XVII) prevalecem sobre as coordenadas geográficas, uma vez que o seu uso é mais conveniente, visto que na análise destes locais e situações, e face às descobertas do Homem nos últimos séculos, a situação de repouso e movimento se tornou relativa.

COORDENADAS CARTESIANAS• Tomemos como exemplo um grupo de indivíduos que viajam de carro: do ponto de vista de

um desses indivíduos, todos os outros que com ele viajam estão parados. Já do ponto de vista de um peão, estes estarão em movimento. Eliminar este tipo de contradições, a análise de objetos ou corpos é acompanha de um referencial.

COORDENADAS CARTESIANAS• As coordenadas cartesianas baseiam-se, habitualmente num referencial como o seguinte:

• Estes referenciais são de extrema utilidade na localização de pontos no espaço , recorrendo apenas ás coordenadas XYZ.

GALILEU- SISTEMA DE NAVEGAÇÃO EUROPEU• Como já foi referido, o GPS é de autoria americana, contudo, não é o único sistema de

navegação por satélite no mundo, A Rússia concebeu o Glonass, a China o Compass-G2 (ou Beidou-2) e também a União Europeia criou um projecto para um sistema militar.

GALILEU- SISTEMA DE NAVEGAÇÃO EUROPEU• Galileu é um sistema global de navegação por satélite que será utilizado pela comunidade

civil para determinar o posicionamento preciso dos transportes aéreos, marítimos e terrestres.

• Para além de optimizar os sistemas de navegação terrestre, Galileu vai permitir melhorar os sistemas de vigilância e de emergência, bem como a gestão de tráfego e de frotas.

• A ESA e a União Europeia estão a trabalhar em conjunto para assegurarem que os primeiros satélites Galileu sejam lançados em 2004, ficando o sistema operacional alguns anos mais tarde.

• Portugal participa no projeto Galileu na fase de definição da arquitectura do sistema.

GPS VS GALILEU

GPS GALILEU

Órbitas 6 3

Nº de satélites 24 30

Nº de satélites por Orbita

4 10

Altitude 22 200km 26 200km

Nº de estações de controlo

5 2

VANTAGENS DO SISTEMA GALILEU• A utilização do sistema de navegação europeu poderá vir a ter uma grande importância para

os países da União Europeia na medida em que estes ficam independentes dos sistemas norte-americano , russo e chinês.

• Esta evolução será igualmente importante visto que o actual sistema Galileu só utiliza materiais desenvolvidos na Europa.

• Como consequência é um motivo propulsor para o desenvolvimento das tecnologias aeroespaciais europeias.

VANTAGENS DO SISTEMA GALILEU• Maior precisão (Ainda por confirmar devido ao projeto se encontrar em desenvolvimento).

• Transmissão e confirmação de pedidos de ajuda em caso de emergência.

• Capacidade de testar a integridade do sistema automaticamente.

VÍDEOS• https://www.youtube.com/watch?v=e30DzTg2bLE

• https://www.youtube.com/watch?v=zHZO4Nfhy-I

BIBLIOGRAFIA• Ventura, G; Fiolhais, M; Fiolhais, C; Paiva, J; Ferreira, A.J. (2014) Física e Química A - Física.

Texto;

• http://pt.wikipedia.org/wiki/Sistema_de_posicionamento_global;

• http://www.cienciaviva.pt/latlong/anterior/gps.asp;

• http://www.oficinadanet.com.br/post/12406-como-funciona-o-gps;

• http://tecnologia.hsw.uol.com.br/receptores-gps.htm;

• http://imagem.casadasciencias.org/online/33463888/33463888.php.