Introdução ao GPS - Thienne M. Johnson

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Introdução ao GPS
*Autora: Thienne M. Johnson ()**

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O Sistema de Posicionamento Global (Global Positioning System, GPS) tem como principal propósito prover sinais que permitam que qualquer usuário no planeta, equipado com um receptor GPS, possa calcular corretamente e em tempo real sua posição geográfica (longitude, latitude e altitude). O padrão de uso para os usuários comuns (não militares), é o Sistema de Posicionamento Padrão (Standard Positioning System, SPS). Está disponível para qualquer usuário no mundo, em todas condições climáticas e de forma contínua.

O GPS é formado por dois segmentos. O segmento espacial inclui 24 satélites e o segmento terrestre pode ser subdividido em dois sub-segmentos, de Controle e de Usuário [ALOU96].

Formado pelos satélites que estão em órbita, consiste de 24 satélites, em 6 órbitas diferentes com 4 satélites em cada órbita. Os satélites percorrem a órbita em torno da Terra a cada 12 horas, a uma altitude de aproximadamente 11.000 milhas náuticas. Cada satélite têm 28 graus de visualização sobre a Terra e estão inclinados 55 graus em relação à linha do Equador. Por alguns momentos, vários pontos da Terra são visualizados ao mesmo tempo por 6 a 10 satélites que focalizam a mesma área. Isto fornece redundância, pois apenas 4 satélites são necessários para uma determinação tri-dimensional de posição. Na Figura 1, temos basicamente a distribuição de cada órbita em relação à Terra [GPS03].

Este controle é feito por uma estação de controle Master localizado no Colorado, nos Estados Unidos. Ela é responsável por monitorar o rastro dos satélites com o auxílio de cinco estações de monitoramento espalhados pela Terra, que processam todos os dados e então enviam a correção e sinais de controle para os satélites. O segmento de controle monitora o desempenho total do sistema, corrige posições do satélite e reprograma o sistema com o padrão necessário.

A localização de cada estação de monitoramento oferece um monitoramento constante de cada satélite. Todas as estações de monitoramento trilham os satélites, determinam seu desempenho operacional, checam os parâmetros e passam estas informações para a estação Master. A estação Master pode então determinar os parâmetros de órbita de um satélite e transferir dados de correção para o mesmo satélite.

A determinação desse número de satélites circulando o globo, mais os planos de órbita dos satélites, junto com a estrutura de comando e controle, faz com que o GPS assegure que um número mínimo de quatro satélites sempre estará disponível para oferecer, seja de dia ou de noite, em qualquer lugar da superfície da Terra, uma posição precisa de determinado objeto (através de um receptor - um GPS Receiver). O mesmo aspecto de precisão espacial com o mínimo de recurso necessário, oferecendo uma informação segura, é assegurado na localização de cada estação de monitoramento. Também é asseguranda a posição exata de cada satélite, supervisionando-o a todo o momento. Estes dois fatores são necessários para assegurar uma precisão tridimensional na determinação da posição - localização - geográfica.

O Segmento do Usuário do GPS consiste dos receptores GPS e a comunidade de usuários. Os receptores GPS convertem os sinais dos satélites em posição, velocidade, e tempo estimado. Quatro satélites, no mínimo, são necessários para calcular as quatro dimensões: x, y, z (posição) e t (tempo) (Figura 2) [GPS03] .

Essa posição (x, y, z) pode ser determinada com os valores da distância de três posições diferentes conhecidas pelo método de triangulação (Figura 3).

Conhecendo a distância em relação a três ou mais satélites, o receptor pode calcular a sua posição com base numa série de equações. Em teoria, a distância pode ser calculada multiplicando o tempo que o sinal demora a chegar pela velocidade a que este viaja (a velocidade da luz). No entanto, na prática são necessários cálculos mais sofisticados, uma vez que podem existir inúmeras interferências, como as condições atmosféricas ou as perturbações do Sol. A informação de três satélites é necessária para calcular a longitude e a latitude; no entanto, são necessários quatro para calcular também a altitude [UEVO03].

Sob condições ideais o sistema permite, apenas com um receptor, uma precisão de cerca de 25 metros. No entanto o sinal tem sido degradado pelo exercito dos Estados Unidos, que não permitia, até agora, uma precisão horizontal inferior a 100 metros e 150 metros verticalmente. Estes limites de precisão foram estabelecidos por questões de segurança, para evitar a recepção de dados muito precisos por potenciais adversários. Uma técnica para aumentar a precisão, para cerca de 1-5m é differential correction, que necessita de um segundo receptor GPS coletando dados em uma posição fixa em um ponto cohecido. Detalhes sobre precisão de GPS veja: http://www.cmtinc.com/gpsbook/.

Os GPS Receivers são usados para orientação à navegação, posicionamento, disseminação do tempo, e outros recursos. A navegação é uma das funções do GPS, e é usada por usuários de aeronaves, navios, veículos, e por indivíduos que usam o receptor portátil. Também é usado por observatórios astronômicos, por empresas de telecomunicações e laboratórios científicos; podendo configurar sinais controlados por freqüências específicas para um determinado propósito, estudo ou experiência [PUC03].

[UEVO03] UEVORA. Acesso à Informação a Qualquer Hora, em Qualquer Lugar - Estado Presente e Visão Futura do Wireless. Relatório Técnico. Disponível em: <http://www.alunos.uevora.pt/~l12059/es/t3/index.html>

(*) A autora, Thienne M. Johnson, (thienne@ieee.org) é professora e pesquisadora da área de Redes de Computadores. É Tecnóloga em Processamento de Dados (UNAMA) com Mestrado (UFSCar) e Doutorado (UFPE) em Ciência da Computação. Realiza pesquisas em Redes Sem Fio e Avaliação de Desempenho.

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