Viagens Com Gps
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- Pages: 18
VIAGENS COM GPS Funcionamento e aplicações do GPS
O que é um GPS • Abreviatura de Sistema de Posicionamento Global, que deriva do inglês Global Positioning System. • É um sistema de navegação que utiliza informação proveniente de satélites para fornecer com rigor as coordenadas de um lugar: latitude, longitude e altitude. • Foi desenvolvido pelas forças armadas norte-americanas, com fins militares.
• A sua implementação foi decidida em 1973 e terminada 20 anos mais tarde, começando a ser parcialmente utilizável na década de 80. • Divide-se em três partes designadas por: segmento espacial, segmento de controlo e segmento do utilizador.
Latitude A latitude é a distância ao Equador medida ao longo de um meridiano. Esta distância mede-se em graus, podendo variar entre 0º e 90º para Norte ou para Sul. Por exemplo, Coimbra está à latitude de 40º 12’ 25’’ N.
Longitude A longitude é a distância ao meridiano de Greenwich medida ao longo do Equador. Esta distância mede-se em graus, podendo variar entre 0º e 180º para Este ou para Oeste. Por exemplo, Coimbra está à longitude de 8º 25’ 30’’ O.
Altitude A altitude de um lugar é a distância, medida sobre a
vertical do lugar, entre esse lugar e o nível das águas do mar. Por exemplo, a altitude média de Coimbra é de 139,61 m.
Segmento Espacial É formado por 24 satélites com as seguintes características: • Foram lançados para o espaço, em foguetões, a partir do Cabo Canaveral, na Florida, EUA. • Descrevem órbitas aproximadamente circulares em torno da Terra, a cerca de 22 200 km de altitude. • Cada satélite tem um período de translação de aproximadamente 12 horas.
• As órbitas estão contidas em seis planos que fazem 60º entre si.
Constelação de satélites do sistema GPS americano.
Segmento Espacial • As suas órbitas estão configuradas de tal modo que, a qualquer altura do dia e em qualquer lugar da Terra, existem sempre, no mínimo, quatro satélites detectáveis no céu. • Obtêm energia de painéis solares que são constantemente orientados para o Sol. • Cada satélite possui quatro relógios atómicos cuja precisão é 3 ns (3 x 10-9s). • Transmitem e captam ondas electromagnéticas na banda das microondas, que transportam dados referentes a posição e tempo.
Segmento de Controlo É constituído pelas diversas estações existentes na Terra, onde são observadas as trajectórias dos vários satélites de GPS e é actualizado o tempo. Por sua vez, esta informação é enviada aos satélites que fazem a correcção do cálculo da posição e enviam a informação para a Terra. A estação primária de controlo da constelação de satélites GPS encontra-se nos Estados Unidos da América, no estado do Colorado.
Segmento de Controlo Estas estações têm como função: • Controlar a posição dos satélites, a velocidade e o tempo marcado nos seus relógios.
• Analisar as condições atmosféricas que introduzem erros no sistema. • Efectuar correcções às órbitas e relógios dos satélites através do envio de informação codificada.
Segmento do Utilizador É constituído pelos receptores GPS e por quem os utiliza. Os receptores GPS são caracterizados por: • Receber e descodificar os sinais dos satélites. • Poder trocar dados com outros receptores e com computadores.
• Permitir a quem navega, dispor de mapas detalhados de cidades e endereços úteis, obter a melhor rota até um local desejado ou conhecer coordenadas de posição, permitindo elaborar um mapa personalizado.
Automóvel com receptor GPS: a posição do veículo aparece num mapa.
Como funciona o GPS Os satélites GPS enviam sinais para os receptores em Terra através de ondas electromagnéticas, em instantes muito precisos. Avalia-se a distância a que se encontra o satélite pelo tempo que o sinal GPS demora a chegar ao receptor. •Os satélites estão equipados com relógios atómicos. Medem ti e enviam o seu valor no sinal GPS ti
•Os receptores estão equipados com relógios de quartzo, medem directamente tf.
c tf
d t f ti
c: velocidade de propagação do sinal c = 300 000 000 m/s
Trilateração a 2D Agora outra pessoa diz-lhe que está a 90 km de um local C. Com Vamos supor circunferência que está perdido. Encontra umacom pessoa e ela diz-lhe esta terceira pode determinar exactidão a sua que está pois a 100 km de uma um local A. Agora sabe possíveis. que está num ponto posição, elimina das duas posições qualquer de um limite de uma circunferência de raio 100km.
2 B A
120km
100km 1 90km C
Uma segunda pessoa diz-lhe que está a 120 km de um local B. Já tem duas circunferências, então sabe que só pode estar em dois locais, os dois pontos em que as circunferências se interceptam.
Trilateração a 3D Se o receptor conseguir fazer duas Se o receptor descobre que esferas imaginárias para dois está a x distância de um satélites, ele sabe que só pode estar determinado satélite, ele sabe onde os limites das esferas se que está algures num limite de O receptor deQue GPSneste localiza três intersectam. esquema uma esfera imaginária com satélites. está sinalizado pela linha a raio x, e com o satélite no vermelho. centro da mesma.
x
?
O receptor ao imaginar uma terceira esfera para o 3º satélite, esta vai interceptar a linha vermelha (intercepção dos limites das esferas imaginárias dos satélites 1 e 2) em dois pontos, 1 e 2. 2 3º sat.
1
O receptor ignora o ponto situado no espaço, deixando o único ponto possível.
Fontes de Erro Ionosfera
O sinal não segue uma trajectória rectilínea 1. Sofre dispersão na ionosfera terrestre ti
2. Atravessa regiões do espaço com diferentes propriedades (refracção)
3. Está sujeito a reflexões em montanhas ou edifícios; é dispersado pelas folhas das árvores
Correcções Modelos da ionosfera programados nos receptores de GPS GPS diferencial: Usa-se uma estação receptora terrestre, numa posição bem determinada, que avalia o erro de localização e o corrige, difundindo os parâmetros da correcção aos receptores na vizinhança.
Localização GPS
Aplicações do GPS As principais aplicações do GPS dividem-se nos seguintes grandes grupos.
Localizar
Conduzir ao longo de um percurso
Navegar
Mapear
Medir tempos
EXERCÍCIOS 1.
Um satélite transmite um sinal quando o seu relógio atómico marca 420 000 000s e o sinal é recebido pelo GPS quando o seu relógio de quartzo marca 420 000 070s. 1.1. Qual a distância do GPS ao satélite?
1.2. Admitindo que o relógio de quartzo do GPS tem um atraso de 2ms em relação ao relógio atómico. 1.2.1. Qual a distância ao satélite que o GPS calcula? 1.2.2. Qual o desvio percentual da distância calculada na alínea 1.1., devido ao facto dos dois relógios não estarem perfeitamente sincronizados? 2.
Um receptor GPS recebe um sinal electromagnético de um satélite que está a 18 000 km. Quanto tempo decorre desde a emissão até à recepção?
O que é um GPS • Abreviatura de Sistema de Posicionamento Global, que deriva do inglês Global Positioning System. • É um sistema de navegação que utiliza informação proveniente de satélites para fornecer com rigor as coordenadas de um lugar: latitude, longitude e altitude. • Foi desenvolvido pelas forças armadas norte-americanas, com fins militares.
• A sua implementação foi decidida em 1973 e terminada 20 anos mais tarde, começando a ser parcialmente utilizável na década de 80. • Divide-se em três partes designadas por: segmento espacial, segmento de controlo e segmento do utilizador.
Latitude A latitude é a distância ao Equador medida ao longo de um meridiano. Esta distância mede-se em graus, podendo variar entre 0º e 90º para Norte ou para Sul. Por exemplo, Coimbra está à latitude de 40º 12’ 25’’ N.
Longitude A longitude é a distância ao meridiano de Greenwich medida ao longo do Equador. Esta distância mede-se em graus, podendo variar entre 0º e 180º para Este ou para Oeste. Por exemplo, Coimbra está à longitude de 8º 25’ 30’’ O.
Altitude A altitude de um lugar é a distância, medida sobre a
vertical do lugar, entre esse lugar e o nível das águas do mar. Por exemplo, a altitude média de Coimbra é de 139,61 m.
Segmento Espacial É formado por 24 satélites com as seguintes características: • Foram lançados para o espaço, em foguetões, a partir do Cabo Canaveral, na Florida, EUA. • Descrevem órbitas aproximadamente circulares em torno da Terra, a cerca de 22 200 km de altitude. • Cada satélite tem um período de translação de aproximadamente 12 horas.
• As órbitas estão contidas em seis planos que fazem 60º entre si.
Constelação de satélites do sistema GPS americano.
Segmento Espacial • As suas órbitas estão configuradas de tal modo que, a qualquer altura do dia e em qualquer lugar da Terra, existem sempre, no mínimo, quatro satélites detectáveis no céu. • Obtêm energia de painéis solares que são constantemente orientados para o Sol. • Cada satélite possui quatro relógios atómicos cuja precisão é 3 ns (3 x 10-9s). • Transmitem e captam ondas electromagnéticas na banda das microondas, que transportam dados referentes a posição e tempo.
Segmento de Controlo É constituído pelas diversas estações existentes na Terra, onde são observadas as trajectórias dos vários satélites de GPS e é actualizado o tempo. Por sua vez, esta informação é enviada aos satélites que fazem a correcção do cálculo da posição e enviam a informação para a Terra. A estação primária de controlo da constelação de satélites GPS encontra-se nos Estados Unidos da América, no estado do Colorado.
Segmento de Controlo Estas estações têm como função: • Controlar a posição dos satélites, a velocidade e o tempo marcado nos seus relógios.
• Analisar as condições atmosféricas que introduzem erros no sistema. • Efectuar correcções às órbitas e relógios dos satélites através do envio de informação codificada.
Segmento do Utilizador É constituído pelos receptores GPS e por quem os utiliza. Os receptores GPS são caracterizados por: • Receber e descodificar os sinais dos satélites. • Poder trocar dados com outros receptores e com computadores.
• Permitir a quem navega, dispor de mapas detalhados de cidades e endereços úteis, obter a melhor rota até um local desejado ou conhecer coordenadas de posição, permitindo elaborar um mapa personalizado.
Automóvel com receptor GPS: a posição do veículo aparece num mapa.
Como funciona o GPS Os satélites GPS enviam sinais para os receptores em Terra através de ondas electromagnéticas, em instantes muito precisos. Avalia-se a distância a que se encontra o satélite pelo tempo que o sinal GPS demora a chegar ao receptor. •Os satélites estão equipados com relógios atómicos. Medem ti e enviam o seu valor no sinal GPS ti
•Os receptores estão equipados com relógios de quartzo, medem directamente tf.
c tf
d t f ti
c: velocidade de propagação do sinal c = 300 000 000 m/s
Trilateração a 2D Agora outra pessoa diz-lhe que está a 90 km de um local C. Com Vamos supor circunferência que está perdido. Encontra umacom pessoa e ela diz-lhe esta terceira pode determinar exactidão a sua que está pois a 100 km de uma um local A. Agora sabe possíveis. que está num ponto posição, elimina das duas posições qualquer de um limite de uma circunferência de raio 100km.
2 B A
120km
100km 1 90km C
Uma segunda pessoa diz-lhe que está a 120 km de um local B. Já tem duas circunferências, então sabe que só pode estar em dois locais, os dois pontos em que as circunferências se interceptam.
Trilateração a 3D Se o receptor conseguir fazer duas Se o receptor descobre que esferas imaginárias para dois está a x distância de um satélites, ele sabe que só pode estar determinado satélite, ele sabe onde os limites das esferas se que está algures num limite de O receptor deQue GPSneste localiza três intersectam. esquema uma esfera imaginária com satélites. está sinalizado pela linha a raio x, e com o satélite no vermelho. centro da mesma.
x
?
O receptor ao imaginar uma terceira esfera para o 3º satélite, esta vai interceptar a linha vermelha (intercepção dos limites das esferas imaginárias dos satélites 1 e 2) em dois pontos, 1 e 2. 2 3º sat.
1
O receptor ignora o ponto situado no espaço, deixando o único ponto possível.
Fontes de Erro Ionosfera
O sinal não segue uma trajectória rectilínea 1. Sofre dispersão na ionosfera terrestre ti
2. Atravessa regiões do espaço com diferentes propriedades (refracção)
3. Está sujeito a reflexões em montanhas ou edifícios; é dispersado pelas folhas das árvores
Correcções Modelos da ionosfera programados nos receptores de GPS GPS diferencial: Usa-se uma estação receptora terrestre, numa posição bem determinada, que avalia o erro de localização e o corrige, difundindo os parâmetros da correcção aos receptores na vizinhança.
Localização GPS
Aplicações do GPS As principais aplicações do GPS dividem-se nos seguintes grandes grupos.
Localizar
Conduzir ao longo de um percurso
Navegar
Mapear
Medir tempos
EXERCÍCIOS 1.
Um satélite transmite um sinal quando o seu relógio atómico marca 420 000 000s e o sinal é recebido pelo GPS quando o seu relógio de quartzo marca 420 000 070s. 1.1. Qual a distância do GPS ao satélite?
1.2. Admitindo que o relógio de quartzo do GPS tem um atraso de 2ms em relação ao relógio atómico. 1.2.1. Qual a distância ao satélite que o GPS calcula? 1.2.2. Qual o desvio percentual da distância calculada na alínea 1.1., devido ao facto dos dois relógios não estarem perfeitamente sincronizados? 2.
Um receptor GPS recebe um sinal electromagnético de um satélite que está a 18 000 km. Quanto tempo decorre desde a emissão até à recepção?
