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?

7

24

12

5

1

22

23

23

11

17

13

26

27

6

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