GPS para Iniciantes - Mini Curso XI Simpósio Brasileiro de Sensoriamento

INPE9602PUD124 GPS PARA INICIANTES Paulo César Gurgel Albuquerque Cláudia Cristina dos Santos Mini Curso XI Simpósio Brasileiro de Sensoriamento Belo Horizonte 05 a 09 de abril de 2003 INPE São José dos Campos 2003 XI SIMPÓSIO BRASILEIRO DE SENSORIAMENTO REMOTO Belo Horizonte 05 a 09 de abril de 2003 GPS PARA INICIANTES ENGo PAULO CESAR GURGEL DE ALBURQUERQUE ENGa CLÁUDIA CRISTINA DOS SANTOS i ÍNDICE LISTA DE FIGURAS ii LISTA DE TABELASiii PREFÁCIO1 1 INTRODUÇÃO 2 12 Definição e objetivos do sistema GPS 3 2 FORMA E DIMENSÕES DA TERRA4 3 MODELO DE POSICIONAMENTO 6 4 CARACTERÍSTICAS DO SISTEMA GPS 7 41 Segmento Espacial8 42 Segmento de Controle 8 43 Segmento Usuário 9 431 Receptores 9 432 Principais características do receptor11 5 FONTES DE ERROS12 51 Códigos 13 52 Satélites 14 53 Propagação do sinal14 54 Receptor e Antena15 55 Estação 15 56 Operação 16 6 TÉCNICAS POSICIONAMENTO17 61 Sistemas de Coordenadas17 611 Coordenadas planimétricas 18 612 Coordenadas altimétricas 18 62 Posicionamento por ponto19 63 Posicionamento Relativo Estático20 64 Posicionamento Relativo Cinemático 20 7 PLANEJAMENTO E OPERAÇÃO 24 8 GLOSSÁRIO DE TERMOS TÉCNICOS 26 9 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS27 ANEXO 29 ii LISTA DE FIGURAS 1 Constelação dos satélites do sistema GPS3 2 Número de satélite disponível 24 horas por dia 4 3 Modelo Elipsoidal que define a forma da Terra4 4 Superfícies usadas na representação da forma da Terra 5 5 Determinação das coordenadas do ponto P a partir das coordenadas de 5 satélites6 6 Aquisição das coordenadas em outros sistemas de referência7 7 Segmentos do sistema GPS 7 8 Constelações de satélites GPS8 9 Localização das Estações de Controle no mundo9 10 Alguns modelos de receptores a Garmin b Ashtec e c Trimble10 11 Ponto no terreno é materializado por meio da posição da antena do receptor do GPS a Receptor com antena integrada e b Receptor com antena externa11 12 Aplicações básicas do sistema GPS 12 13 Exemplo de multicaminhamento 15 14 Exemplos de DOPs a DOP maior b DOP menor 16 15 Efeitos de ruído refração e operação 17 16 Projeção UTM a visão da geometria da projeção UTM e b Brasil dividido em fusos 6º17 17 Coordenada Planimétrica a Coordenada planimétrica b Representação das latitudes e longitudes na projeção UTM coordenadas em UTM e c Latitudes e longitudes18 18 Coordenada Altimétrica 18 19 Representação da ondulação geoidal Fonte IBGE 1992 19 20 Posicionamento por ponto20 21 Posicionamento por ponto preciso 20 22 Cinemático 21 23 Modelo semicinemático stop and go21 24 Cinemático em tempo real22 25 Processo diferencial DGPS22 26 Constelações de satélites e obstáculos da antena a ruim DOP alto b boa DOP baixo e c obstáculos ao horizonte da antena25 iii LISTA DE TABELAS 1 Dados dos elipsóides WGS84 SAD69 e Córrego Alegre5 2 Uso aplicação e tipo de dados dos GPS 12 3 Serviços e códigos utilizados pelo sistema GPS14 4 Tipos de Posicionamentos 23 GPS PARA INICIANTES 1 PREFÁCIO Neste trabalho propõese a apresentar de modo sucinto o uso do sistema Global Positioning SystemGPS e seus limites para uso e aplicação na navegação e levantamentos em geral Os leitores interessados em aprofundar os temas abortados poderão consultar as referências fornecidas no final do texto A preocupação foi apresentar tópicos fundamentais para a utilização do sistema GPS e também tentar auxiliar na escolha de receptores GPS adequados para diversas aplicações Pretendese em breve publicar um novo trabalho onde estará sendo apresentado tópicos específicos para levantamentos em geral considerando inclusive a atividade de georreferenciamento Queremos agradecer ao Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais e à Comissão Organizadora do XI Congresso Brasileiro de Sensoriamento Remoto pela oportunidade de ministramos um minicurso baseado no conteúdo destas notas e também ao Engenheiro Fábio Furlan Gama pela leitura crítica e revisão dos originais São José dos Campos março de 2003 Paulo C Gurgel e Cláudia C dos Santos GPS PARA INICIANTES 2 1 INTRODUÇÃO No ano de 1973 o Departamento de Defesa dos Estados Unidos desenvolveu um sistema de posicionamento de alvos para fins militares A partir desta data começava a desenhar um novo horizonte para execução de trabalhos geodésicos e topográficos O sistema atingiu sua configuração final somente a partir de 1994 onde foi possível integrálo totalmente as operações de levantamento Alavancado pelas necessidades apresentadas pela sociedade o sistema Global Positioning System GPS Sistema de Posicionamento Global tornarseia um forte concorrente dos meios tradicionais de levantamentos e ferramenta eficaz de apoio à navegação marítima e aérea Com a chegada do GPS ao País criouse novas frentes de trabalho assinalandose a abertura e operação de empresas especializadas no uso e aplicação desse sistema e representações técnicas e comerciais voltadas a venda e manutenção dos receptores GPS Embora a mídia e a euforia com essa tecnologia alimentassem o uso desse sistema verificavase por outro lado que algumas dessas aplicações eram muitas vezes realizadas por profissionais não familiarizados com as técnicas de levantamentos o que trazia incerteza nos resultados apresentados Do ponto de vista da navegação os resultados apresentados pelo GPS são excelentes já nos levantamentos topográficos a operação com GPS requer maiores cuidados do usuário devido as limitações de usos as precisões requeridas e as diversas variáveis que contribuem para a imprecisão da medida Este trabalho tem como objetivo apresentar o uso do sistema GPS especificando seus limites de operação em navegação e levantamentos topográficos auxiliar na escolha dos equipamentos mais adequados para cada tipo de necessidade e mostrar um conjunto de medidas que devem ser observadas no planejamento e realização das medições para assegurar que a qualidade das coordenadas obtidas satisfaça as exigências apresentadas GPS PARA INICIANTES 3 12 Definição e objetivos do sistema GPS O sistema GPS designação extraída da simplificação de NAVigation System with Time and Ranging Global Positioning System NAVSTAR GPS inicialmente voltado às operações militares e dirigido à navegação é resumidamente um sistema de rádio navegação A figura 1 ilustra a constelação dos satélites do sistema GPS Figura 1 Constelação dos satélites do sistema GPS Fonte httpwwwgarmincomaboutGPS Este sistema está especificado para fornecer as coordenadas bi ou tridimensionais de pontos no terreno bem como a velocidade e direção do deslocamento entre pontos É objetivo do sistema GPS auxiliar nas atividades de navegação e realização de levantamentos geodésicos e topográficos O sistema opera ininterruptamente independe das condições meteorológicas embora tenhase conhecimento que essas condições podem interferir de alguma maneira na precisão do resultado Especificado para que pelo menos 4 satélites figura 2 possam ser observados a qualquer momento do dia e em qualquer parte do planeta o sistema GPS garante a determinação de posição 24 horas do dia em qualquer lugar que esteja o observador GPS PARA INICIANTES 4 Figura 2 Número de satélite disponível 24 horas por dia Fonte httpwwwallgpscom 2 FORMA E DIMENSÕES DA TERRA A Terra é um corpo de forma esférica achatada nos pólos e ligeiramente dilatada no equador Devido a sua irregularidade ela é representada por um elipsóide figura regular geometricamente modelada e que melhor ajustase a essa forma A figura 3 ilustra o modelo elipsoidal adotado como forma da Terra Esse modelo é definido a partir da rotação de uma elipse em torno do seu eixo menor a qual é especificada pelo seu semieixo maior e achatamento Semieixo menor Semieixo maior o Figura 3 Modelo Elipsoidal que define a forma da Terra A figura 4 ilustra as superfícies usadas para representação da Terra Outra superfície a ser considerada é o geóide Essa superfície coincide com a superfície GPS PARA INICIANTES 5 dos oceanos estendendose irregularmente através dos continentes com o mesmo potencial gravitacional No geóide a direção gravitacional é perpendicular a sua superfície sendo conhecida como direção do fio de prumo Elipsóide Superfície física Geóide Superfície dos oceanos Figura 4 Superfícies usadas na representação da forma da Terra Os parâmetros do elipsóide WGS84 e dos data SAD69 e Córrego Alegre utilizados no mapeamento do Brasil são apresentados na tabela 1 As diferenças existentes entre esses modelos também são apresentados nesta tabela Tabela 1 Dados dos elipsóides WGS84 SAD69 e Córrego Alegre DATA SEMIEIXO MAIOR ACHATAMENTO WGS84 6378137000 m 1298257223563 SAD69 6378160000 m 129825 CÓRREGO ALEGRE 6378388000 m 129700 Esses três modelos especificados pelo semieixo maior e achatamento definem o elipsóide que melhor ajustase a Terra Os elipsóides Córrego Alegre e SAD69 são respectivamente os dois modelos adotados no mapeamento do País O sistema GPS adota o elipsóide como modelo matemático para desenvolver os cálculos necessários ao posicionamento e determinação dessas coordenadas O sistema GPS não adota como superfície de referência o geóide devido a complexidade para modelálo e o referenciamento desse modelo É importante frizar que todas as medidas são realizadas sobre o geóide O elipsóide de referência utilizado pelo sistema GPS é o WGS84 Atualmente no Brasil o sistema Geodésico adota como superfície de referência o GPS PARA INICIANTES 6 elipsóide SAD 69 para todos os trabalhos de mapeamento realizados no País embora também são encontrados mapas e cartas do território nacional que utilizam o datum Córrego Alegre Sendo assim é importante que se conheça o sistema de referência a ser configurado no receptor GPS mas recomendase adotar sempre o WGS84 quando o objetivo for levantamento 3 MODELO DE POSICIONAMENTO Para identificação da posição de pontos ou locais de interesse o sistema GPS utilizase das coordenadas dos seus satélites conforme mostrado na figura 5 As coordenadas desses satélites estão referenciadas a um sistema geodésico o mesmo utilizado pelo receptor GPS para processar os dados recebidos e determinar as coordenadas dos pontos de interesse P Figura 5 Determinação das coordenadas do ponto P a partir das coordenadas de 5 satélites O GPS utiliza um sistema de referência tridimensional para a determinação da posição de um ponto da superfície da Terra ou próximo a ela As coordenadas dessas posições são adquiridas no sistema geodésico WGS84 o qual o GPS encontrase referido entretanto o usuário pode selecionar no receptor ou quando do processamento outro sistema de referência para apresentação das coordenadas Na figura 6 observase que mesmo o GPS operando em WGS84 é possível obter as coordenadas em qualquer sistema de referência seja utilizando os GPS PARA INICIANTES 7 parâmetros de transformação durante o processamento ou o aplicativo que existe no próprio receptor com este objetivo Coordenadas em WGS84 Coordenadas em outro sistema RECEPTOR GPS Transformação pósprocessamento SAD69 Córrego Alegre SAD69 Córrego Alegre Figura 6 Aquisição das coordenadas em outros sistemas de referência 4 CARACTERÍSTICAS DO SISTEMA GPS O sistema GPS consiste de três segmentos Figura 7 Espacial satélites GPS Controle estações de terreno localizado em torno da Terra Usuário receptores e seus usuários Figura 7 Segmentos do sistema GPS Adaptado de httpwwwcoloradoedugeographygcraftnotesgpsgpsfhtml GPS PARA INICIANTES 8 41 Segmento Espacial Este segmento contempla 24 satélites distribuídos em 6 planos orbitais igualmente espaçados com 4 satélites em cada plano em uma altitude de 20200 km aproximadamente Figura 8 Os planos orbitais estão inclinados a 55o em relação ao Equador e o período orbital de aproximadamente 12 horas siderais com esta configuração fica garantido no mínimo 4 satélites visíveis na superfície da Terra e qualquer horário do dia Figura 8 Constelações de satélites GPS Fonte httpwwwcoloardoedugeographygcraftnotesgpsgpsfhtml 42 Segmento de Controle As estações de controles distribuídas em torno da Terra próximas do Equador Figura 9 têm como objetivo realizar as seguintes atividades Fazer o monitoramento e controle contínuo dos satélites Determinar o tempo GPS Prever as efemérides dos satélites calcular as correções dos respectivos relógios e atualizar sistematicamente as mensagens de navegação de cada satélite GPS PARA INICIANTES 9 Distribuição das estações de controle Antenas terrestres O Estações de monitoramento NIMA Estação de controle principal Estações de monitoramento AAF Figura 9 Localização das Estações de Controle no mundo As estações de controle e monitoramento estão localizadas no Havaí Kwajalien Ilha de Ascención Diego Garcia e a principal estação localizada no Colorado são de propriedade da Força Aérea Americana AAF Além destas o sistema GPS possui outras estações de monitoramento 43 Segmento Usuário O segmento dos usuários está associado às aplicações do sistema Referese a tudo que se relaciona com a comunidade usuária os diversos tipos de receptores e os métodos de posicionamento por eles utilizados 431 Receptores Os receptores GPS coletam dados enviados pelos satélites transformandoos em coordenadas distâncias tempo deslocamento e velocidade através de processamento em tempo real ou pósprocessados Existem disponíveis no mercado hoje diversos modelos e fabricantes de receptores Figura 10 desde os portáteis bolso até os sofisticados computadores de bordo para aviões e navios incluindo os GPS para levantamentos geodésicos e topográficos GPS PARA INICIANTES 10 Etrex Map176C II III Plus 155XL 12 12XL 45 Map 210 a Geodetic IVAntenna Promark XCM Locus Aquarius ZXtreme Promark X Promark 2 b 4600LS AgGPS 160 GeoExplorer 3 Ag GPS 132 DSM 12212 Pathfinder Pro XRS c Figura 10 Alguns modelos de receptores a Garmin b Ashtec e c Trimble Fontes httpwwwgarmincom httpwwwashteccom e httpwwwtrimblecom GPS PARA INICIANTES 11 Além de receber e decodificar os sinais dos satélites os receptores são verdadeiros computadores que permitem várias opções referências sistemas de medidas sistemas de coordenadas armazenamento de dados troca de dados com outro receptor ou com um computador etc Alguns desses modelos possuem arquivos com mapas gravados em sua memória 432 Principais características do receptor Armazenar coordenadas extraídas de um documento cartográfico de um relatório ou obtidas pela leitura direta de sua posição Os pontos podem ser combinados formando rotas que quando ativadas permitem que o receptor analise os dados e informe por exemplo tempo horário provável de chegada e distância até o próximo ponto horário de nascer e do pôr do Sol rumo que devese manter para chegar ao ponto de interesse e muito mais As coordenadas dos pontos podem ser obtidas com o receptor GPS no modo contínuo definindo os caminhos percorridos pelo usuário Neste modo o receptor também informará horário de nascer e do pôr do Sol rumo e distância ao ponto de interesse velocidade e rumo do deslocamento A posição da antena do receptor GPS conforme mostra a figura 11 é outra característica importante pois é a partir da posição da antena que identificase o ponto no terreno o qual terá suas coordenadas obtidas a b Figura 11 Ponto no terreno é materializado por meio da posição da antena do receptor do GPS a Receptor com antena integrada e b Receptor com antena externa GPS PARA INICIANTES 12 433 Classificação dos receptores O sistema GPS classifica os receptores segundo o uso aplicação e tipo de dado disponibilizado pelo receptor Essas classificações apresentadas na tabela 2 não encerram este assunto Outras classificações ainda são possíveis definir sendo mais importante a definição do que se deseja fazer e a precisão para tal aplicação Monico 2000 A figura 12 mostra as aplicações básicas do GPS ou seja os usos terrestres marítimos e aeroespaciais Tabela 2 Uso aplicação e tipo de dados dos GPS USO APLICAÇÃO CARACTERÍSTICAS MILITAR CIVIL Navegação Geodésia Topografia SIG Receptor de tempo Quanto ao tipo de Antena Quanto ao número de portadoras Quanto ao código Capacidade de memória para armazenamento de dados Interface com o usuário Tempo de operação Figura 12 Aplicações básicas do sistema GPS Adaptado de httpwwwcoloradoedugeographygcraftnotesgpsgpsfhtml 5 FONTES DE ERROS A precisão de uma medida GPS é função de diversos fatores os quais estão associados diretamente as especificações do sistema as condições operacionais as GPS PARA INICIANTES 13 características do receptor e o objetivo do trabalho Inicialmente serão vistos os fatores intrínsecos ao sistema responsável pelo resultado das informações 51 Códigos O GPS disponibiliza dois tipos de serviços que são conhecidos como Standard Positioning Service SPS Serviço de posicionamento padrão Precision Positioning Service PPS Serviço de posicionamento preciso O sistema disponível para todos os usuários no mundo é o SPS Este sistema permite que o usuário utilizese do sistema GPS sem que tenha que pagar qualquer taxa para utilizálo Até maio de 2000 era responsável pela baixa precisão das medidas mas em 1 de maio de 2000 o governo americano desativou o código Selective Availability SA propiciando significativa melhora na precisão das medidas Precisão Horizontal Vertical Com código SA 100m e 156m respectivamente Sem código SA em torno de 10m Código Anti Spoofing AS processo criptográfico do código P que o sistema utiliza para evitar imitações impedindo que os dados gravados forneçam coordenadas bem precisas Código CA faz parte de um conjunto de códigos que permite a rápida distinção dos sinais recebidos de vários satélites e é responsável pelos usuários receberem medidas de distâncias que permitem atingir a precisão definida no SPS CA é abreviatura de Coarse Acquisition Código P É utilizado pelas forças armadas americanas e usuários autorizados Pelo comprimento de onda que são transmitidos os dados a precisão é superior aquela obtida com o código Coarse Acquisition CA A tabela 3 apresenta um resumo desses códigos com suas funções e implicações na determinação da posição GPS PARA INICIANTES 14 Tabela 3 Serviços e códigos utilizados pelo sistema GPS Código Serviços Função SPS Serviço de posicionamento e tempo padrão disponível para qualquer usuário PPS Serviço de posicionamento disponível para fins militares e usuários autorizados AS Quando ligado não permite o acesso ao código P para evitar fraudes contra ele SA Implementado a partir de março de 1990 tem como objetivo reduzir propositalmente a qualidade da determinação quando para os usuários não autorizados CA Utilizado para distinguir os sinais enviados pelos satélites e pela qualidade da determinação de posição no modo SPS P Código reservado as aplicações militares e usuários autorizados Tornam as medidas mais precisas 52 Satélites Esta fonte compreende os seguintes erros Órbita erro das coordenadas dos satélites propagarseá para a posição do usuário No posicionamento relativo esses erros são praticamente eliminados Relógio diferença entre o relógio dos satélites e o tempo GPS1 Na técnica de implementação do AS que é feita através da manipulação da freqüência desses relógios provoca erros na pseudodistância com períodos de órbita de poucos minutos Este erro pode ser eliminado pelo posicionamento diferencial Relatividade contemplam os erros decorrentes de órbitas tempos propagação do sinal e dos relógios dos receptores Atraso entre duas portadoras no hardware do satélite Este erro decorre do caminho percorrido pelas portadoras L1 e L2 através do hardware do satélite 53 Propagação do sinal Refração atmosférica é responsável pela diminuição da potência da onda eletromagnética exercida pelos elementos que constituem a atmosfera e pela oscilação na amplitude da onda causada pelas irregularidades e 1 Chamase tempo GPS o tempo expresso pelo contador Z que varia de 0 a 403199 repetindo a cada semana o ciclo de contagens Z Sua origem é a 000 h de 05 para 06 de janeiro de 1980 A unidade de contagem é 15segundos GPS PARA INICIANTES 15 turbulência no índice de refratividade atmosférica principalmente nos primeiros quilômetros da Terra Refração ionosférica Perda de Ciclos Multicaminhamento ou sinais refletidos como o próprio nome diz o receptor em determinados locais pode receber sinais refletidos de alvos vizinhos conforme observase na figura 13 Rotação da Terra decorre do deslocamento das coordenadas do satélite devido a rotação da Terra Antena Sinal chegando do Satélite Sinal chegando do Satélite Sinal refletido Figura 13 Exemplo de multicaminhamento 54 Receptor e Antena Erro do relógio este deslocamento tem como origem a estabilidade interna do oscilador que define a escala de tempo de cada receptor O posicionamento relativo elimina praticamente esses deslocamentos Erro entre canais este erro ocorre quando o receptor possui mais de um canal Centro de fase da antena 55 Estação Erro nas coordenadas GPS PARA INICIANTES 16 Multicaminhamento Marés terrestres Movimento do pólo Carga dos Oceanos e Pressão da atmosfera 56 Operação Constelação Visibilidade dos satélites Diluition of Precision DOPs Este parâmetro indica a precisão dos resultados a serem obtidos figura 14 Os DOPs são divididos em GDOP Efeito combinado da geometria e tempo HDOP precisão da determinação do posicionamento horizontal VDOP precisão da determinação do posicionamento vertical PDOP precisão da determinação tridimensional e TDOP precisão da determinação do tempo O PDOP é interpretado como o inverso do volume de um tetraedro formado pelas posições de 4 satélites tendo como vértice o ponto onde encontrase receptor a b Figura 14 Exemplos de DOPs a DOP maior b DOP menor Fonte httpwwwtopconpscomgpstutorialChapter3html Localização do ponto A figura 15 mostra o deslocamento resultante entre o ponto medido e seu correspondente no terreno considerando os efeitos de ruído refração e operação que ocorrem quando da medição e processamento GPS PARA INICIANTES 17 Figura 15 Efeitos de ruído refração e operação Adaptado de httpwwwcoloradoedugeographygcraftnotesgpsgpsfhtml 6 TÉCNICAS POSICIONAMENTO 61 Sistemas de Coordenadas O GPS fornece coordenadas de pontos do terreno ou próximo a ele em diversos sistemas destacandose as coordenadas geodésicas e UTM figura 16 As coordenadas UTM são extraídas a partir da projeção de mesmo nome Essa projeção é utilizada no mapeamento terrestre sistemático para as escalas 1250000 1100000 150000 125000 O E N MC 45oW 42oW 48oW Equador Ko K K d d PEpNp Coordenadas de O E 500000 m N 10000000 m d 1º 37 Fator de redução K0 09996 K 1 A coordenada PEp Np tem representação nos 60 fusos Limitação para ϕ 80º a b Figura 16 Projeção UTM a visão da geometria da projeção UTM e b Brasil dividido em fusos 6º Fonte httpwwwibgegovbrhomegeografiadecarmanualnocoesrepresentacaohtml GPS PARA INICIANTES 18 611 Coordenadas planimétricas As coordenadas planimétricas são constituídas de um par de números ou caracteres alfa numéricos que descrevem a posição de um ponto no espaço bidimensional no caso cartográfico adotase a latitude e longitude na forma angular ou métrica figura 17 A Coordenada horizontal do ponrto A Planimétrica a 9688 9684 9680 9676 9672000 m 668 672 676 680 684000 m b PARALELOS LATITUDES MERIDIANOS LONGITUDES MERIDIANO ORIGEM LONG 0 O PARALELO ORIGEM EQUADOR LAT 0 O c Figura 17 Coordenada Planimétrica a Coordenada planimétrica b Representação das latitudes e longitudes na projeção UTM coordenadas em UTM e c Latitudes e longitudes 612 Coordenadas altimétricas Coordenada altimétrica constituíse de uma grandeza número ou caráter alfa numérico que descreve a altitude de um ponto Latitude longitude e altitude do ponto constituem as coordenadas planialtimétricas do pontoFigura 18 A Coordenada vertical do ponto A Altimétrica Figura 18 Coordenada Altimétrica a Determinação de coordenadas altimétricas A altitude de um ponto é a distância vertical contada a partir do nível médio dos mares até ele Essa altitude conhecida como geoidal ou ortométrica considera que os pontos de altitudes iguais possuem o mesmo potencial gravitacional GPS PARA INICIANTES 19 O GPS considera somente os aspectos geométricos no cálculo de altitudes altitude elipsoidal enquanto nos documentos cartográficos considerase a altitude ortométrica ou seja a altitude que considera o valor da gravidade geóide na sua determinação Assim sendo para transformar a altitude do GPS em geoidal fazse necessário determinar a diferença entre as altitudes elipsoidal e geoidal conhecida como ondulação geoidal conforme apresentado na figura 19 Figura 19 Representação da ondulação geoidal Fonte IBGE 1992 Onde H é a altitude ortométrica de um ponto e h sua altitude elipsoidal A ondulação geoidal N é dada pela diferença N h H onde H h N A determinação de altitude com precisão só é possível conseguir com posicionamento relativo em especial o DGPS 62 Posicionamento por ponto a Posicionamento por ponto utiliza um receptor GPS de uma freqüência Usado para navegação de baixa precisão e levantamentos expeditos figura 20 Monico2000 GPS PARA INICIANTES 20 Posicionamento instantâneo de um ponto em tempo real utiliza somente um receptor com a portadora L1 Figura 20 Posicionamento por ponto b Posicionamento por ponto preciso utiliza receptores de dupla freqüência Não se aplica ao posicionamento em tempo real figura 21 Monico 2000 Posicionamento instantâneo de um ponto em tempo real utiliza somente um receptor com a portadora L1 e L2 Figura 21 Posicionamento por ponto preciso 63 Posicionamento Relativo Estático a Estático Utilizamse dois ou mais receptores fixos ocupando simultaneamente as estações base e móvel e observando os mesmos satélites para a determinação de uma linha de base maior que 20 km As estações são ocupadas por uma hora ou mais e proporciona precisão de 1 a 2 ppm Vasconcellos 1995 b Estático Rápido Usa receptores de uma ou duas freqüências 64 Posicionamento Relativo Cinemático a Cinemático Utilizamse no mínimo dois receptores um mantido fixo a base e os outros móveis permitindo determinar a posição do ponto de GPS PARA INICIANTES 21 interesse durante o deslocamento dos outros receptores Vasconcellos 1995 figura 22 Figura 22 Cinemático Fonte httpwwwmercatcomQUESTHowWorkshtm b Semicinemático stop and go tempo de medida menor que 2 segundos para levantamento de alta produtividade em ambientes locais Leick 1990 figura 23 Figura 23 Modelo semicinemático stop and go Fonte httpwwwmercatcomQUESTHowWorkshtm c Estático rápido utilizados para levantamentos locais com altas produtividade Requer de 5 a 20 minutos de ocupação para determinação da linha de base Leick 1990 d Cinemático em tempo real os processamentos em tempo real são caracterizados pela transmissão das correções via rádio da estação base para a estação móvel que processa no próprio local as coordenadas da posição conforme mostra a figura 24 GPS PARA INICIANTES 22 Estação baserecebe etransmite os dados do satélite e as correções O móvel barcoaviãocarro etc recebe dados dosatélite eda estaçãoque está transmitindo ascorreções Transmitindo correções Estação Usuário Figura 24 Cinemático em tempo real e Cinemático pósprocessado DGPS é caracterizado pela gravação dos dados pela estação base e móvel respectivamente Após concluído as medidas a mídia com as gravações são encaminhadas para processamento conforme mostra a figura 25 que ilustra o procedimento DGPS Pós Processamento ESTAÇÃO BASE RECEPTOR DO USUÁRIO Figura 25 Processo diferencial DGPS A tabela 4 apresenta um resumo de especificações técnicas e aplicabilidade para diferentes processos de coleta de dados e determinação de coordenadas Tabela 4 Tipos de Posicionamentos TIPOS DE POSICIONAMENTO QUANTIDADE DE RECEPTORES E FREQUENCIAS E CARACTERÍTICAS DA MEDIÇÃO POSICIONAMENTOS RECEPTORES FREQÜÊNCIAS USO E CARACTERÍSTICAS IMPORTANTES 1 POR PONTO 11 CONVENCIONAL 01 L1 E OU L2 PSEUDO DISTÂNCIAS 12 DE ALTA PRECISÃO 01 L1 E L2 PSEUDO DISTÂNCIA E FASE DA ONDA PORTADORA NAS DUAS FREQÜÊNCIAS 2 POSICIONAMENTO RELATIVO 02 L1 E OU L2 SIMULTANEIDADE DAS OBSERVAÇÕES 21ESTÁTICO 02 L1 E OU L2 PERÍODO LONGO DE RASTREAMENTO DOS SATÉLITES MAIOR QUE 20 MINUTOS 22 ESTÁTICO RÁPIDO 02 L1 E OU L2 PERÍODO DE RASTREAMENTO DOS SATÉLITES MENOR QUE 20 MINUTOS 23 RELATIVO SEMICINEMÁTICO 02 L1 E OU L2 MÍNIMO DE DUAS AQUISIÇÕES SIMULTANEAS ESPAÇADAS DE MAIS OU MENOS 30 MINUTOS OU SEJA O TEMPO NECESSÁRIO A ALTERAÇÃO DA GEOMETRIA DOS SATÉLITES USA PSEUDODISTÂNCIA 24 RELATIVO CINEMÁTICO 02 L1 E OU L2 241 PÓSPROCESSADO 02 L1 E OU L2 FASE DA ONDA PORTADORA E PSEUDODISTÂNCIA 242 TEMPO REAL 02 L1 E OU L2 243 DGPS 02 L1 E OU L2 FASE DA ONDA PORTADORA PSEUDODISTÂNCIAS OU PSEUDODISTÂNCIAS FILTRADAS GPS PARA INICIANTES 23 GPS PARA INICIANTES 24 7 PLANEJAMENTO E OPERAÇÃO Planejar uma medida com GPS exigirá do usuário do sistema os seguintes cuidados 1 Definir que tipo de unidade será usada para expressar as coordenadas como exemplo Latitude e longitude em graus minutos e segundos Coordenadas métricas em UTM e Outros tipos de coordenadas disponibilizadas pelo receptor 2 Definir o sistema geodésico de referência Datum 3 Definir a hora da medição e o tempo de coleta Quando tratase de navegação é impossível impor a hora da medida isto porque o deslocamento ocorrerá não necessariamente quando a constelação assegura um bom DOP Para trabalhos topográficos é importante escolher um horário que assegure maior número de satélites visíveis melhor constelação e valores de DOPS mais baixos A duração da coleta dos dados é definida a partir da precisão exigida e da distância entre os pontos base e móveis portanto procure conhecer essas distâncias e a precisão necessária para estabelecer o tempo de permanência do receptor em cada um dos pontos A duração de coleta de dados pode variar de 30 minutos a 2 horas com linhas de bases até 500km Monico 2000 4 Localização do ponto Nem sempre é possível escolher um local ideal para medição de um ponto Quando utilizase o GPS para navegação ou no modo cinemático contínuo pode ocorrer que alguns dos pontos medidos estejam prejudicados pela sombra de obstáculos muilticaminhamentos constelação e respectivos DOPS considerando que nesses casos o equipamento está recebendo sinais e determinando uma coordenada a cada segundo GPS PARA INICIANTES 25 Para levantamentos topográficos é possível estabelecer critérios para escolha desses pontos o ponto deve ser escolhido em locais que não façam sombra ou possuam obstáculos que impeçam aquisição dos sinais transmitidos pelos satélites figura 26 assegure que o ponto escolhido esteja longe de estruturas que reflitam o sinal procure deixar o ponto que foi medido materializado no terreno para possível conferência ou futura utilização os pontos escolhidos devem preferencialmente ocupar locais de acesso fácil que possam ser alcançado por algum tipo de transporte e não realizar aquisições de dados com céu encoberto por nuvens carregadas tipo Cumulus Nimbus CB a b c Figura 26 Constelações de satélites e obstáculos da antena a ruim DOP alto b boa DOP baixo e c obstáculos ao horizonte da antena 5 Colocação da antena Sempre que a coleta for destinada a levantamentos garanta a verticalidade da antena do GPS Quando for empregado um GPS de mão para realizar levantamentos expeditos prefira utilizálo com a antena externa entretanto se esse receptor não permitir essa colocação procure segurálo com a palma da mão o mais horizontal possível Recomendase também que seja utilizado somente um tipo de antena isto porque cada antena tem seu próprio centro de fase que varia de acordo com a GPS PARA INICIANTES 26 direção do satélite Este cuidado minimiza esses erros sistemáticos que são originados na definição dos centros de fase das antenas Vasconcellos1985 6 Quanto ao tipo do receptor A escolha do receptor leva em consideração os objetivos do levantamento Isto esta condicionada as características do equipamento quanto ao número de freqüências capacidade de armazenamentos de dados tempo de operação tipo de antena alimentação do sistema dentre outras características 8 GLOSSÁRIO DE TERMOS TÉCNICOS ALMANAQUE Informações de localização constelação e status dos satélites transmitido por cada satélite e coletado pelo receptor httpwwwgpsbrhpgcombr AMBIGUIDADE É o número inteiro desconhecido de ciclos que são reconstruídos pelo código da fase calculadas quando há quebra na aquisição das medições Posicionamento terrestre por satélites Vasconcellos 1995 BEARING Direção dada pela bússola do GPS de sua posição para o ponto desejado A maioria dos aparelhos é fornece o Azimute CANAL Um canal do receptor GPS consiste dos circuitos necessários para receber o sinal de um satélite GPS CONSTELAÇÃO DE SATÉLITES Consiste da forma da distribuição espacial do conjunto de satélites visíveis em um determinado momento DECLINAÇÃO MAGNÉTICA A diferença em graus entre os Nortes magnético e verdadeiro EFEMÉRIDES Conjunto de informações que são transmitidas em períodos iguais por cada satélite a respeito de seu status e posição LBAND O conjunto de radio freqüências estendendose de 390 MHz a 1550 MHz O GPS contempla as freqüências 12276 MHz e 157542 MHz contidas no intervalo da banda L NAVEGAÇÃO Processo de deslocamento de um ponto para outro no qual é conhecida sua posição em qualquer instante em relação ao descolamento que está ocorrendo NORTE MAGNÉTICO É a direção definida pela bússola agulha magnética NORTE VERDADEIRO É o ponto na superfície da Terra que seu eixo de rotação intercepta a superfície e convergem todos os meridianos O oposto e o polo Sul GPS PARA INICIANTES 27 PERDA DE CICLOS Quando há obstrução da chegada do sinal de um ou mais satélites ao receptor acarretará perda do sinal em conseqüência perda na contagem do número de ciclos medidos PSEUDODISTÂNCIA É assim denominada a distância satélite receptor obtida com base no erro do sincronismo entre os relógios do receptor e do satélite quando o intervalo de tempo de propagação é multiplicado pela velocidade da luz PSEUDODISTÂNCIAS FILTRADAS Resultado do procedimento que envolve a filtragem da pseudodistância pela fase da onda portadora TRACK Direção relativa do móvel em um dado instante WAYPOINT Localização específica identificada e ou salvada na memória do receptor 9 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS INSTITUTO BRASILEIRO DE GEOGRAFIA E ESTÁTICA IBGE Mapa Geoidal do Brasil Rio de Janeiro 1992 LEICK A GPS satellite surveying Wiley Canada 1990 MONICO JFG Posicionamento pelo NAVSTARGPS descrição fundamentos e aplicações São Paulo Editora UNESP 2000 VASCONCELLOS JCP Posicionamento terrestre por satélites NAVSTARGPS Salvador 1995 Apostila de curso apresentado no XVII Congresso Brasileiro de Cartografia de 3107 a 04081995 httpwwwgarmincomaboutGPS httpwwwallgpscom acessado em 24012003 httpwwwcoloradoedugeographygcraftnotesgpsgpsfhtml acessado em 29012003 httpwwwgarmincom httpwwwashteccom httpwwwtrimblecom GPS PARA INICIANTES 28 httpwwwtopconpscomgpstutorialChapter3html acessado em 03022003 httpwwwibgegovbrhomegeografiadecarmanualnocoesrepresentacaohtml acessado em 05022003 httpwwwmercatcomQUESTHowWorkshtm acessado em 04022003 httpwwwgpsbrhpgcombr acessado em 05022003 GPS PARA INICIANTES Este anexo apresenta um mini manual de como operar o receptor GPS Garmin 12XL TECLAS DE OPERAÇÃO PÁGINA INICIAL QUIT ENTER MARK PAG ON OFF GOTO 4 3 5 6 15 27 10 8 19 24 16 12 10 15 16 24 27 08 19 12 F E N EPE EPEPRECISÃO HORIZONTAL h h h h h h h h 27 19 12 24 MENU WAY POINT WAYPOINT LIST NEAREST WPTS ROUTES DIST AND SUM MENSAGES SETUP MENU FIND CITY SYSTEM NAVIGATION ALARME INTERFACE LANGUAGE MODE NORMAL SIMULAÇÃO DATE 11 OCT 02 TIME 162935 OFFSET 0300 HOURS 24 CONTRAST LIGHT 15 SEC TONE MSG KEY POSITION FRMT hddd o mm sss UTM UPS MAP DATUM WGS 84 Sth Amrcn 69 CDI 025 UNITS METRIC NAUTICAL HEADING TRUE MAGNETIC DEGREES ALARME SETUP Arrival Auto Off On 00 km CDI Alarm On 00 km INICIALIZAÇÃO DO RECEPTOR CHOOSE INIT METHOD 1SELECT COUNTRY FROM LIST 2AUTOOLOCATE 3 NO REINIT C0NTINUE ACQUIRING Esta página é aberta automaticamente pelo próprio receptor Isto só ocorrerá quando o GPS estiver muito tempo parado 60dias e o almanaque já venceu sua validade ou quando foi utilizado em outra região BRASIL C BRASIL N BRASIL S Escolha o Brasil POSIÇÃO TRIP DISTÂNCIA TOTAL ACUMULADA DESDE A ÚLTIMA INICIALIZAÇÃO TTIME TEMPO TOTAL ACUMULADO DESDE A ÚLTIMA INICIALIZAÇÃO ELPS TEMPO TOTAL EM HORAS E MINUTOS DESDE A INICIALIZAÇÃO AVSPD MÉDIA DE VELOCIDADE APLICADA AO DESLOCAMENTO DESDE O INÍCIO MKSPD VELOCIDADE MÁXIMA ALT ALTITUDE A PARTIR DO NÍVEL MÉDIO DOS MARES RESET RESET PROMPT MAPAS NAVEGAÇÃO INTERFACES INTERFACE GRMN GRMN HOST WAITING Of PACKETS NONENONE RTCMNOME RTCMNMEA NMEANMEA NONENMEA SEND ALM SEND WPT SEND TRK SEND RTE SEND PRX SEND CFG SEND ALL USR RQST ALM RQST WPT RQST TRK RQST RTE RQST PRX RQST CFG RQST ALL USR CONFIGURANDO MAPAS E TRACKS 4 3 5 6 MAP SETUP MAP TRACKUP RINGS YES NO ROUTE YES NO NEAREST YES NO NAMES YES NO TRACK LOGYES NO TRACK SETUP RECORD WRAP FILL METHOD AUTO TIME INTERVAL 000000 MEM USED W X1024 PTS CLEAR LOG MAP SETUP TRACK SETUP FIND SETUP CITY SETUP ZM PAN OPT ZM PAN OPT ZM PAN OPT ENTER MANUSEANDO WAYPOINT ADICIONANDO UM PONTO WAYPOINT NONON N ou S xx yy zz ou E W ou E xxx yy zz ou N REF BRG DST RENAME NEW DELET DONE NEW ADICIONAR PONTO RENEW RENOMEAR PTO DELET APAGAR O PONTO GRAVADO DONE CONFIRMAR O PONTO GRAVADO 4 3 5 6 ENTER INTRODUZINDO COORDENADAS UTM LAT SETOR 0 8 M 8 16 L 16 24 K 24 32 J 32 40 H 40 48 G 48 56 F 56 64 E 64 72 D 72 80 C 80 88 A LIMITE MANUSEANDO WAYPOINT SALVANDO PONTO MEDIDO MARK POSITION Waypoint 001 S 21 52 3200 W 45 59 3400 Add to route number FOM AVERAGE SAVE 4 3 5 6 ENTER SAVE GRAVA O PONTO AVERAGE FORNECE A MEDIA DA OBSERVAÇÃO FOM APRESENTA O VALOR DA MÉDIA MARK MANUSEANDO WAYPOINT ALTERANDO NOME E COORDENADA WAYPOINT NONON N ou S xx yy zz ou E W ou E xxx yy zz ou N REF BRG DST RENAME NEW DELET DONE NEW ADICIONAR PONTO RENEW RENOMEAR PTO DELET APAGAR O PONTO GRAVADO DONE CONFIRMAR O PONTO GRAVADO 4 3 5 6 ENTER INTRODUZINDO COORDENADAS UTM LAT SETOR 0 8 M 8 16 L 16 24 K 24 32 J 32 40 H 40 48 G 48 56 F 56 64 E 64 72 D 72 80 C 80 88 A LIMITE DISTÂNCIA E SOMA DIST AND SUM FROM 001 TO ASB077 BRG DST DATA SUNRISE SUNSET AT DESTINATION 4 3 5 6 ENTER WAYPOINT LIST 001 002 003 004 005 006 007 ASB077 ASC077 DELETE WPTS PONTOS MUITO PRÓXIMO NEAREST WPTS WAYPNT BRG DST ESTA FERRAMENTA É USADA SOMENTE PARA OS NOVE PONTOS PRÓXIMOS DENTRO DE UMA RAIO DE 100 MILHAS 4 3 5 6 ENTER PONTOS PRÓXIMOS PROXIMITY WPTS WAYPNT BRG DST CLEAR ALL ESTA FERRAMENTA É USADA PARA AVISAR DA APROXIMAÇÃO DE PONTOS IMPORTANTES PARA O USUÁRIO DO GPS 4 3 5 6 ENTER ROTAS W4 ROUTE X NO WAYPNT DTK DST 1 NOME 343 25 TOTAL DIST 25 COPY TO CLR INV ACT COMENTÁRIO ESTA FUNÇÃO PERMITE O PLANEJAMENTO DE UM DESLOCAMENTO ENTRE DOIS PONTOS ONDE EXISTAM OBSTÁCULOS ENTRE ELES 4 3 5 6 ENTER W3 W2 W1 WAYPTO ATIVADO WAYPTO DESATIVADO PERNA W4 W3 W2 W1 WAYPTO ATIVADO WAYPTO DESATIVADO WAYPTO ATIVADO WAYPTO DESATIVADO PERNA ATIVADA PERNA DESATIVADA W4 W3 W2 W1 PERNA PERNA PERNA MENSAGENS Bateria esta baixa 1 Bateria da memória esta baixa 2 Baixa quantidade de satélite Transferência de dados completada Aproximandose do ponto XXXX número do ponto Reinicializar o sistema Outras mensagens são exibidas na página que está sendo usada 1 Efetuar a troca no intervalo de medidas 2 A troca dessa bateria deve ser feita em oficina especializada Se zerar a carga e o receptor estiver com as baterias externas descarregadas o usuário perderá todas as gravações de dados e almanaque RECOMENDAÇÕES IMPORTANTES ANTES DURANTE DEPOIS ANTES CHECANDO O EQUIPAMENTO 1 VERIFIQUE SE O RECEPTOR GPS FOI UTILIZADO NOS ÚLTIMOS 60 DIAS E ONDE 2 LIGUE O RECEPTOR 21 VERIFIQUE O NÍVEL DE CARGA DAS BATERIAS 22 CHEQUE OS CABOS DA ANTENA EXTERNA DA ALIMENTAÇÃO DA BATERIA EXTERNA E DA INTERFACE 23 CONFIGURE O RECEPTOR PARA AS ESPECIFICAÇÕES DESEJADAS 24 DELETE SE FOR O CASO TODOS OS WAYPTS TRACKS E ROUTES 25 AGUARDE A AQUISIÇÃO DE SINAIS 26 MARQUE A POSIÇÃO E SALVE AS COORDENADAS 27 DESCARREGUE O RECETOR E PROCESSE O DADO ATENÇÃO 1 1O RECEPTOR NECESSITA SER INICIALIZADO QUANDO A ÚLTIMA MEDIDA OCORREU A MAIS DE 60 DIAS A ÚLTIMA MEDIDA OCORREU EM UMA REGIÃO QUE ESTÁ A MAIS DE 500 mi DA POSIÇÃO ATUAL 2 TROQUE A BATERIA INTERNA DO RECEPTOR NA OFICINA AUTORIZADA POR SER A PROVA DÁGUA A CAIXA DO RECEPTOR PRECISA SER SELADA TENHA SEMPRE UM CONJUNTO DE PILHAS 15 V AA NÃO ESPERE A CARGA ACABAR PARA TROCAR DA BATERIA ATN A VIDA DA BATERIA DEPENDE DE DIVERSOS FATORES TAIS COMO ILUMINAÇÃO DO PAINEL TEMPO DE PERMANENCIA LIGADO TEMPERATURA AMBIENTE DURANTE 1 VERIFIQUE SE HÁ OBSTÁCULOS QUE IMPEDEÇAM A RECEPÇÃO DOS SINAIS 2 PERMANECER COM O GPS MAIS TEMPO SOBRE O PONTO EM LOCAIS COMO ÁREAS URBANAS OU QUE TENHAM OBSTÁCULOS QUE REDUZAM O HORIZONTE DO RECEPTOR ATN EVITE FAZER SOMBRA SOBRE RECEPTOR MANTENHA SEMPRE O BRAÇO QUE SEGURA O RECEPTOR GPS LIGEIRANENTE ELEVADO E QUE A ANTENA FIQUE PARALELA AO TERRENO 3 UTILIZE O EPE PARA MONITORAR A PRECISÃO DA MEDIDA 4 CUIDADO AO MEDIR SOB FORTES TEMPESTADES O RECEPTOR TEM SUA RECEPÇÃO PREJUDICADA QUANDO SOB FORMAÇÕES DE NUVENS TIPO CB 5 INICIE AS MEDIDAS COM BATERIAS NOVAS E TENHA EM MÃOS SEMPRE UM NOVO CONJUNTO DE PILHAS 6 NO VEÍCULO UTILIZAR A ANTENA EXTERNA 7 MESMO UTILIZANDO O CABO DE ALIMENTAÇÃO DE BATERIA DE 12V TENHA EM MÃOS SEMPRE UM CONJUNTO DE PILHAS 8 SALVE AS COORDENADAS DO PONTO MARCADO EVITE UTILIZAR ANOTAÇÃO DE COORDENADAS 9 ESPERE TERMINAR A SESSÃO DE MEDIDAS PARA PROCEDER A TROCA DE BATERIAS DEPOIS QUANDO CONCLUÍDA TODAS AS MEDIDAS DO DIA ATENÇÃO PARA 1 NÃO RETIRAR AS PILHAS DO RECEPTOR 2 DESCARREGUE TODOS OS DADOS DO GPS E APAGUE OS ARQUIVOS WAYPOINTS ROUTES E TRACKS 3 VERIFIQUE A CARGA DAS BATERIAS SE A BATERIA INTERNA ESTIVER FRACA TROQUE AS BATERIAS EXTERNAS E PROVIDENCIE A TROCA DA BATERIA INTERNA ATN NÃO RETIRE AS PILHAS SEM ANTES TROCAR A BATERIA INTERNA A BATERIA EXTERNA GARANTE A GRAVAÇÃO DOS DADOS E DO ALMANAQUE CASO A BATERIA INTERNA DESCARREGAR ATN A BATERIA INTERNA DA MEMÓRIA ESTANDO COM CARGA DESLIGUE O EQUIPAMENTO RETIRE AS PILHAS DO COMPARTIMENTO E GUARDEO A SEGUIR 4 INFORME SOBRE ALGUMA FALHA VERIFICADA DURANTE A OPERAÇÃO 5 OS ACESSÓRIOS TRIPÉS BASTÕES TRENA E NIVEL SE FOR O CASO DEVEM SER LIMPOS ANTES DE GUARDÁLOS ACESSÓRIOS 1 ANTENA EXTERNA PARA AUTOMÓVEIS CAMINHÕES E EMBARCAÇÕES EM GERAL 2 CABOS DE ALIMENTAÇÃO USANDO O ADAPTADOR PARA ACENDEDOR DE CIGARROS 3 CABOS DE INTERFACES PARA CARREGAMENTO E DESCARREGAMENTO DE DADOS 4 MONTANTES PARA FIXAÇÃO DO EQUIPAMENTO 5 SOFTWARE PARA PROCESSAMENTO DOS DADOS 6 RÁDIOS PARA TRANSMISSÃO DOS DADOS 7 CARREGADORES DE BATERIAS E BATERIAS AUXILIARES PARA EQUIPAMENTOS QUE USAM ANTENAS EXTERNAS 8 BIPÉS OU TRIPÉS PARA POSICIONAMENTO DA ANTENA 9 HASTE TELESCÓPICA PARA FIXAÇÃO DA ANTENA