Introdução ao GPS

GPS(sigla em inglês para Global Positioning System) é um sistema de navegação por satélite criado e controlado pelo Departamento de Defesa dos EUA (DOD - Department of Defense). Apesar disso existem milhares de usuários civis por todo o mundo. O sistema envia sinais de satélite especialmente codificados que podem ser processados por um receptor GPS, que fornece tempo, velocidade e posição.

Quatro sinais de satélites GPS são usados para computar posições em 3 dimensões e ainda a faixa de fuso horário na qual se encontra o receptor. Consiste em 3 segmentos: O espaço (na qual se encontram 24 satélites em órbita distribuídos de tal forma que cobrem todo o globo terrestre); o controle em terra, que consiste numa rede de estações de rastreamento localizadas por todo o planeta e o segmento do usuário, formada por todos os receptoresGPS e a comunidade usuária do serviço.

Espaço

Consiste numa rede de satélites que enviam sinais de rádio para a Terra. Os 24 satélites que compõem a constelação operacional de satélites orbitam a Terra a cada 12 horas. Freqüentemente temos mais de 24 satélites operacionais pois novos satélites são lançados para substituir os que apresentam problemas. Suas órbitas são praticamente as mesmas todos os dias, sendo que cada satélite repete o mesmo caminho e se encontra no mesmo ponto em que estava a 24 horas atrás. Existem 6 planos de órbitas com 4 satélites cada um igualmente separados por 60 graus lateralmente e inclinados aproximadamente 55 graus em relação à linha do equador. Esta configuração da constelação de satélites permite com que até 8 satélites (ou um mínimo de 5) estejam visíveis de qualquer ponto da Terra a qualquer momento.

Controle em terra

A estação de controle principal está localizada na base da força aérea de Schriever, Colorado, EUA. Essas estações de monitoramento medem os sinais recebidos dos satélites e os incorporam nos modelos orbitais de cada satélite. Estes modelos computam informações precisas sobre as órbitas dos satélites assim como faz correções no relógio interno de cada um. A estação de controle envia tais informações a cada satélite que utilizam essas informações para enviar dados a um receptor GPS na Terra.

Usuário

Os receptores GPS convertem sinais dos satélites em estimativas de posição, velocidade e tempo. São necessários 4 satélites para computar as quatro dimensões X,Y,Z (posição) e o tempo. Os receptores são usados para navegação, posicionamento, cronometragem e outros.

A navegação em 3 dimensões é uma função primária do GPS, que apresenta receptores feitos para aviões, navios, automóveis e aqueles que cabem na palma da mão (handheld - portáteis) e podem ser levados a qualquer lugar. Os receptores GPS tem ainda diversas aplicações científicas como controle geodésico, estudo de placas tectônicas e ainda existem aplicações na medição de parâmetros atmosféricos.

Serviço Preciso de Posicionamento - Precise Positioning Service (PPS)

Usuários autorizados com equipamento de criptografia e chaves e receptores especialmente equipados usam o Sistema Preciso de Posicionamento. Os EUA e seus aliados militares, certas agências do governo e usuários civis aprovados pelo governo dos EUA podem usar o PPS.

Precisão Prevista - PPS
horizontalmente= 22 metros
verticalmente=27,7 metros
tempo= 100 nanosegundos

Serviço Padrão de Posicionamento - Standard Positioning Service (SPS)

Civis do mundo todo podem usar o Serviço Padrão de Posicionamento sem qualquer restrição ou ônus.
A precisão dos sinais SPS é intencionalmente degradada pelo Departamento de Defesa dos EUA (DOD-Department of Defense) pelo uso da Disponibilidade Seletiva (Desativada desde as 00:04 de 02/05/2000).

Precisão Prevista - SPS
horizontalmente= 100 metros
verticalmente=156 metros
tempo= 340 nanosegundos

Este erro induzido na precisão do GPS é imposto pelo Plano Federal de Radionavegação de 1994.
Corresponde a 95% de exatidão e expressa o valor do cálculo do desvio padrão do erro radial da posição atual da antena até a posição estimada pelo satélite num ângulo de elevação de 5 graus e também o desvio padrão da diluição da posição em 3D.

A precisão horizontal fica em torno de 95% o que é equivalente a 2DRMS (DRMS-Distance Root Mean Squared = Raiz quadrada da média da distância elevada ao quadrado), ou 2 vezes o desvio padrão do erro radial. A precisão vertical também fica em torno de 95% e corresponde ao valor de dois desvios padrões do erro vertical ou do erro do tempo.

Os fabricantes de receptores também usam outras medidas de precisão. O RMS-Root Mean Square Error (Raiz quadrada da média do erro elevada ao quadrado) é o valor do desvio padrão (68%) da medida do erro em uma, duas ou três dimensões. O CEP (Circular Error Probable - Erro Circular Provável) é o valor do raio de um círculo centrado na posição atual do receptor e apresenta 50% de precisão na estimativa da posição. O SEP (Spherical Error Probable - Erro Esférico Provável) é o equivalente esférico do CEP e corresponde ao raio de uma esfera centrada na posição atual do receptor e apresenta 50% de precisão na estimativa de posição das 3 dimensões. Ao contrário dos valores de 2DRMS, DRMS ou RMS, o CEP e o SEP não são afetados por erros grosseiros apresentando portanto medidas precisas.

Sinais dos satélites GPS

Os satélites transmitem dois sinais de microondas. A freqüência L1 (1575,42MHz) transmite informações sobra a navegação e os sinais SPS. A freqüência L2 (1227,60MHz) é usada para medir o impedimento ionosférico dos sinais por receptores que trabalham com sinais PPS. Três códigos binários são responsáveis pelas trocas das freqüências em que o satélite transmite.

Fonte: Daniel César Lossávaro (lossavar@yahoo.com)