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Introdução ao GPS...da aplicação ao conceito
Brenner SilvaM.Sc. Sensoriamento Remoto
brenner@dsr.inpe.br
Assis, SP Julho de 2005
O GPS pela primeira vez
• GPS - Sistema de Posicionamento Global• Como adquirir coordenadas em qualquer local do globo?
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Sinais do Satélite (ondas de rádio)
GPS de NavegaçãoMensagens de navegação
• Código de identidade “RG”: qual satélite, (de 1 a 32) quem está visível?
• Almanaque e Efemérides– “Saúde” e parâmetros orbitais
dos satélites• Relógio (hora do receptor x hora do satélite)• Dados para correção da propagação
ionosférica
Período de uma mensagem de navegação completa 12.5 minutos
“Trilateração”/ Triângulação
Satélite 1 Satélite 2
Satélite 3 Satélite 4
Medida de distância
Todo o sistema funciona baseado no tempo Distância = c x t
c : Aproximado a velocidade da luz 300.000 km/s
t: tempo que leva do satélite ao receptor
d2
d1d3
d4
d
Tempo por radiofreqüência
Código C/A (Coarse/Acquisition), na freqüência portadora L1 (1.575,42 MHz), sob forma binária aparentemente aleatória, ou Pseudo Random Noise (PRN), que transmite as mensagens de navegação;
t
sinalPRN
∆t
Correção do Tempo
Relógios atômicosComo o sinal viaja a velocidade da luz uma diferença de 0,001 seg
(nanosegundo) significa 300km de erro;
421
3
X,Y,Z
Falso X,Y,Z
9 nano segundos(tempo errado)
Sem intersecção
Sem intersecçãopara 3 sinais
8 nano segundos(tempo errado)
7 nano segundos(tempo errado)
t
Posição real do receptor GPS, com relógio adiantado de 0,001 seg
Três x Quatro Satélites
Aplicações
• Navegação– Ir para um local atender uma certa demanda– Acompanhar o caminho percorrido
• Cadastro– Coleta de posições representando objetos– Cadastro georreferenciado (uso e propriedade)– Construção de mapas – Aferição de base cartográfica
Navegação: “Go to”
Escala de aplicação
Geralmente voltado a aplicações de cadastro, onde se deve:2. Executar levantamento com precisão e acurácia para montar a base
cartográfica3. Fazer o geoprocessamento e cadastramento.
Depende da Precisão e Acurácia da posicionamento
Exemplo: Cadastro de árvores urbanas–Não seria melhor usar P(rua, número, distância da calçada)??? –Por GPS, o domínio seria P (X, Y, Z)
Precisão e Acurácia
Precisão: aproximação entre valor real e observado, flutuação!Acurácia: exatidão de posicionamento, acerto!
Fontes de erro no posicionamento GPS
• Erro devido à geometria dos satélites com relação ao observador
• Erro de alcance (range error), ou erro na medida das distâncias entre receptor e satélites;
No caso Standard Precision Service SPS (uso civíl) está sujeito a mudanças que afetam sua precisão. Quando o Selective Availability (SA) é acionado pelo Departamento de Defesa dos EUA DoD, o GPS tem precisão média de 100m.
Erro: Geometria dos satélites
Geometria do cálculo de posicionamentoA posição relativa dos satélites para com o receptor pode ser caracterizada
pelo fator denominado DOP (Dilution of Precision)Quanto maior o valor de DOP maior a imprecisão do posicionamento
Erro: Geometria dos satélitesHDOP: relativo ao posicionamento horizontalVDOP: relativo ao posicionamento vertical (altitude)PDOP: relativo ao posicionamento tridimensionalGDOP: relativo ao posicionamento geométrico
Erro: Alcance (distâncias)
Desconsiderando o SA, são de causas fortuitas:• Ruído combinado do sinal (PRN) e do receptor (1 metro)• Mal funcionamento dos relógios dos satélites (1 metro)• Efemérides antigas (1 metro)• Atraso troposférico (10 metros)• Atraso ionosférico, quando não modelada (1 metro)• Ruídos internos do receptor e má qualidade do relógio (1 metro)• Efeito de reflexão dos sinais, ou Multi-path, (0.5 a 1 metros)• Efemérideds e almanaques mal calculados (100 metros)• Erro do usuário no uso do datum coerente (100 metros)• Falhas de recepção em software ou hardware (100?)• Combinação de todos esses erros (100?)
O Erro por exercício• Simulação de coleta em uma semana (intervalos de 30seg) para identificar
erro induzido ("Selective Availability", SA) e condições de coleta
Fonte: GARTrip www.gartrip.de/long.htm
92m (99%) 11m (99%)
Sinal ruim
Sinal bom
Sinal ruim
Sinal bom
O Erro por exercício
• Simulação para avaliar o cálculo médio em função do tempo de coleta;
DGPS: qual o diferencial?
• DGPS: Sistema com correção via estação de referência (ou satélite) com envio de ondas de rádio para supressão dos fatores de erro GPS.
• Mapeamento geodésico. • Precisão sub-métrica até 2 metros.• Adequado as normas de mapeamento cadastral de propriedades rurais (Lei n° 10.267/2001)
O Geóide
Da Elipsóide ao Geóide
Juntando a rede gravimétrica terrestreTopografia dos oceanos
∆h
Sistema de coordenadas
• Geográfica (Lat/Long): Localização no globo
• Planas– UTM: Cilíndrica, Cartas topográficas.– Cônica Conforme de
Lambert: cartas ao milionésimo.
– Policônica: Mapeamento temático em escalas pequenas (ex: todo Brasil).
Datum (Elipsóide)
Datum: superfície de referência posicionada em relação à Terra real (ou ao centro da terra, referência zero).
“Um Datum incorpora uma Elipsóide”Elipsóide: modelo matemático simples com base em três argumentos
(eixo maior e menor e achatamento da terra) que descreve o globo.
Data (Elipsóides):•Córrego Alegre (Hayford): antigamente adotado no Brasil•WGS84 (GRS-80): Modelo utilizado pelo sistema GPS•SAD69 (UAI-69): Modelo padrão utilizado no Brasil•SIRGAS: Sistema de Referência Geocêntrico para as Américas
http://www.ibge.gov.br
Exercício com bases georreferenciadas (média resolução)
Norma cartográfica
Mapeamento sistemático do Brasil
Escala = resolução
Precisão do posicionamentoDGPS 2 m (x 3) 1:10.000GPS 15 m (x 3) 1:50.000
Resolução de imagem e dados derivados•Alta (até 15m)
–Ikonos, Quickbird, Aerotransportados•Média (20 a 80m)
–Exemplos: SPOT, Landsat, CBERS (CCD)•Baixa (100 a 4 km)
–Exemplos: CBERS (WFI), meteorológicos (GOES)
Adequado !!!
Exercício de coleta de altimetriaPerfil: Passeio pela Colina com jovens (11/06/2004)
122012401260128013001320134013601380140014201440
-500 0 500 1000 1500 2000 2500
SRTM_GeoEstGPSTOPO_GeoEstTOPO_LinearSRTM_bruto
Perfil: Passeio pela Colina com jovens (11/06/2004)
1230
1240
1250
1260
1270
1280
1290
1300
1700 1800 1900 2000 2100
SRTM_GeoEstGPSTOPO_GeoEstTOPO_LinearSRTM_bruto
Elipsóide x Geóide
• Elipsóide: modelo matemático simples com base em dois argumentos (eixo maior e menor da terra) que descreve o globo;
• Geóide, superfície equipotencial da gravidade da Terra, ou seja, é a extensão natural da altitude média do mar sob a massa de solo/rocha da superfície terrestre.
Em busca do geóide...
Estratégias e Planejamento de campo
• Propósito, escopo do trabalho e uso possível do dado• Onde, quando e como coletar ?• Dicionário de dados
– aplicação estrutura – tempo e limite de memória (waypoints + rotas)– convenção de nomes (8 caracteres) DOS
Exemplos de caderneta:• Propriedades rurais (CE=cerca,
BF=Benfeitoria, PT=Porteira, RI=Rio, CO=Córrego)...
• Precisão de coleta (CEr= r indica PDOP alto)• Adaptação em campo (CE20N= 20N indica 20
metros para o norte)
Será que é córrego da água limpa ou caminho da mina???
Outras Aplicações
Aquisição
• Garmins
sim
16h
1Mb
--
500
12
GPS 72
simsimCálculo de área
30h24hAutonomia2AA
1Mb--Memória para mapas
< 3m< 3mWAAS/EGNOS
1.000500Waypoints
1212Canais
GPS 60cGPS 12 XLModelo
Quando precisão, mediante causas fortuitas, que pode depender da qualidade do relógio interno, número de canais, intervalo de coleta, processamento do cálculo de médias, pode-se dizer que são compatíveis!
Novidades para o sistema de posicionamento
• Tecnologias de radio + GPS (indoor)• Melhoria do Sistema GPS
– Substituição dos satélites Block II por Block II.rs• Sistema Galileo (UE), pretende:
– Constelação de 30 satélites– Compatível com GPS– Sem custo de de uso civíl– Um pouco mais preciso
Muito Obrigado!!!
“Por que não é a esmo que se vem fazer uma visita: aqui onde cada lugar tem indicação e nome, conforme o tempo que faz
e o estado de alma do crente”João Guimarães Rosa
Sugestões de Exercícios
• Navegação com GPS • Navegação com bússola + GPS• Coleta de pontos• Observação com mapas ou SIG
Formulação dos cálculos de posição no GPS