aula 12 topografia 2008 2 gps - o blog da engenharia civil · geomática aplicada à engenharia...

GeomGeomááticatica Aplicada Aplicada àà Engenharia CivilEngenharia Civil

AULA 12AULA 12

Sensoriamento RemotoSensoriamento Remoto

FundamentosFundamentos TeTeóóricosricos e e PrPrááticosticos

Prof. Rodolfo Moreira de Castro JuniorProf. Rodolfo Moreira de Castro Junior

DefiniDefiniççãoão::GPS (Global Positioning System) é a abreviaturade NAVSTAR GPS (NAVSTAR GPS-Navigation System with Time And Ranging Global Positioning System).

Laboratório de Topografia e Cartografia - CTUFES

1. SISTEMAS UTILIZADOS PARA POSICIONAMENTO (NAVEGAÇÃO)

INTRODUINTRODUÇÇÃO AO SISTEMA GPSÃO AO SISTEMA GPSLaboratório de Topografia e Cartografia - CTUFES

27 satélites: 24 operacionais e 3 reservas

2 2 -- Estrutura do GPSEstrutura do GPS

1. SISTEMAS UTILIZADOS PARA POSICIONAMENTO (NAVEGAÇÃO)

INTRODUINTRODUÇÇÃO AO SISTEMA GPSÃO AO SISTEMA GPS

GPS x GLONASSCARACTERÍSTICA GPS GLONASS

ALTITUDE ORBITAL 20.200 Km 19.000 Km NÚMERO DE ÓRBITAS 4 X 6 8 X 3 PERÍODO ORBITAL 12 h (SIDERAIS) 11 h 15 m 44 s FREQUÊNCIAS 1575,42 MHz

1227,60 MHz 1602 MHz + k * 9/16 Mhz 1246 Mhz + k * 7/16 Mhz k = nº do canal do satélite

DADOS DE NAVEGAÇÃO 4D: X, Y, Z, t + VELOCIDADE

4D: X, Y, Z, t + VELOCIDADE

DISPONIBILIDADE PERMANENTE (24 h) PERMANENTE (24 h) DEGRADAÇÃO DO SINAL SA e AS NÃO HÁ DEGRADAÇÃO PRECISÃO 15 m (sem o efeito do SA) 5 a 10 m CONSTELAÇÃO 24 a 25 18 a 24 GEOMETRIA REPETIDA DIARIAMENTE REPETIDA DIARIAMENTE RELÓGIO DOS SATÉLITES CÉSIO, RUBÍDIO CÉSIO, RUBÍDIO SISTEMA DE REFERÊNCIA GEODÉSICA (DATUM)

WGS-84 PZ-90


O GPS O GPS éé constituconstituíídodo de 3 de 3 partespartes::

SegmentoEspacial

Segmentodos Usuários

Segmentode Controle

Segmento de Controle(estações de controlee de monitoramento)

Segmento Espacial

(satélites)

Segmento dos Usuários

(recpetores)


SatSatéélite GPSlite GPSNAVSTAR

Altitude: 20,200 km

Massa: 860 kg (em órbita)

Tamanho: 5 m com painéis solares

Período Orbital: 12 horas

Tempo de vida útil: 7,5 anos


Elementos BásicosOs sinais GPS são constituídos de dois elementos básicos:

Ondas PortadorasOndas Portadoras

CCóódigosdigos

3 3 -- Sinais GPSSinais GPS

Ondas PortadorasCada satélite transmite continuamente sinais em duas ondas portadoras L, com as seguintes freqüências:

Onda Portadora L1: 1.575,42 MHz (λ = 19 cm)

Onda Portadora L2: 1.227,60 MHz (λ = 24 cm)

Códigos de Ruídos Pseudo-Aleatórios (PseudoRandom Noise Codes)

Correspondem a seqüências de +1 e –1, moduladas sobre as portadoras:

Código C/A (clear access ou coarse aquisition): código de acesso livre usado em receptores civis, com freqüência de 1,023 MHz por milissegundo.

Código P (precise): código de acesso controlado pela estação de controle (pode ser encriptado), com freqüência de 10,23 MHz em um período de 267 dias. Pode ser Modulada sobre as fases portadoras L1 e L2.

Código Y: gerado a partir de uma equação secreta (anti-spoofing – A/S) que criptografa o código P. Esse modo é usado para causar a degradação intencional do sinal civil dos satélites GPS.


Modulação das PortadorasOs códigos são modulados sobre as ondas portadoras, gerando os seguintes sinais:

código C/A sobre L1código P sobre L1 e L2código Y sobre L1 e L2



Como Funciona:

MODULAÇÃO C/A E P

MODULA P


Características dos Sinais GPS• Os sinais transmitem uma série de mensagens de navegação,

tais como:– Efemérides, correções dos relógios dos satélites, saúde dos

satélites, etc., que são processadas pelos receptores GPS.• Penetram nevoeiros, chuvas, nevascas, poeiras e tempos

instáveis.• Não consegue atravessar matas densas (absorvido pelas folhas

das árvores) e sólidos que possuam alguns centímetros de espessura.

• Leitura dificultada ou inexeqüível nas cidades com grandes edifícios ou nos vales encaixados.


600 miles

Sinal de 1 Satélite

Sinal de 1 Satélite


Sinal de 2 Satélites


600 miles

600 miles




600 mile

s

600 mile

s

600 mile

s


INTRODUINTRODUÇÇÃO AO SISTEMA GPSÃO AO SISTEMA GPSLaboratório de Topografia e Cartografia - CTUFES

Como Funciona:

4 Satélites visíveis4 Satélites visíveis


Tipos de Serviço GPSServiServiçço de Posicionamento Padrão (SPS o de Posicionamento Padrão (SPS –– standard standard positioningpositioning serviceservice))

Os usuários acessam aos dados GPS com todos os tipos de degradação e criptografia. Utiliza o código C/A.

ServiServiçço de Posicionamento Preciso (PPS o de Posicionamento Preciso (PPS –– precise precise positioningpositioningserviceservice))

Os usuários têm acesso aos dados dos relógios dos satélites não adulterados, às correções das efemérides e ao código descriptografado. Utiliza o código P.

Tipos de ProcessamentoSIMPLES DIFERENÇA DE FASE: diferença entre duas puras diferenças para o mesmo satélite;

DUPLA DIFERENÇA DE FASE: diferença entre duas simples diferenças de fase, tomadas para pares de satélites, com pelo menos um participando do cálculo

TRIPLA DIFERENÇA DE FASE: resultado da diferença entre duas observações de dupla diferença de fase, obtidas em tempos diferentes, tomando um mesmo tempo como origem para realizar os cálculos;

4 4 -- Posicionamento e MediPosicionamento e Mediçção com GPSão com GPS

Métodos de MediçãoAs técnicas de operação e determinação da posição tridimensional (coordenadas planimétricas + altitude) podem ser agrupadas, basicamente, nos seguintes métodos:

– Posicionamento Absoluto

– Posicionamento Relativo

Posicionamento estático

Reocupação

Semicinemático

Cinemático contínuo

Estático-rápido

DGPS - Differential Global Positioning System


Posicionamento Absoluto• Localização em tempo real do receptor GPS;

• Mede-se simultaneamente as distâncias entre o receptor e três satélites (Posicionamento 2D; somente coordenadas) ou 4 satélites (Posicionamento 3D; coordenadas + altitude) rastreados, conhecendo-se a posição atual de cada satélite.


Posicionamento Relativo• Em adição ao cálculo do posicionamento absoluto, considera-se os dados

de um segundo ponto de coordenadas conhecidas e fixas sobre o sistema global de coordenadas.

• Localização em tempo real (uso de link de rádio) ou pós-processada (usa os arquivos de dados de uma estação para corrigir dados coletados pelos receptores móveis);


Posicionamento Estático• Dois ou mais receptores fixos (A, B, C, ...) observam os mesmos satélites

durante l hora ou mais, determinando-se as componentes dos raios vetores definidos pelas estações;

• Cada estação é ocupada até que uma quantidade suficiente de dados tenha sido coletada para quatro ou mais satélites.

• Aplicação: Ideal para distâncias maiores que 15 Km;

Implantação, controle e densificação de redes geodésicas;

Estabelecimento de pontos de controle para a Aerofotogrametria

Para vários outros trabalhos de precisão.


Método de Reocupação• Consiste em ocupar as mesmas estações várias vezes e utilizar todos os

dados coletados para calcular as coordenadas das estações. O tempo recomendado para reocupar uma mesma estação é no mínimo l hora após a ocupação precedente.

• Cada estação é ocupada até que uma quantidade suficiente de dados tenha sido coletada para quatro ou mais satélites.

• Aplicação:

Variação do método estático, para situações em que se tem menos de 4 satélites disponíveis.


Posicionamento Estático-rápido• Um receptor é mantido fixo (A) enquanto são feitas medidas rápidas (10 a

20 minutos) em outras estações, sem necessidade de reocupação.

• Aplicação:

Variação do método estático, desenvolvida para bases curtas, menores que 15 km.

Ideal para adensamento de redes e outros trabalhos geodésicos que requerem alta precisão com um tempo menor.


Posicionamento Semicinemático (Stop-and-Go)

• Um receptor é mantido fixo (A) o outro móvel. Mede-se apenas os pontos escolhidos pelo operador;

• O método exige que se mantenha a comunicação em modo contínuo com os satélites durante todo o processo de medição.

• Aplicação:

Em cadastros e serviços topográficos rotineiros, em áreas com poucas obstruções.


Posicionamento Cinemático Contínuo• Caso especial do método Stop-and-Go, no qual mede-se a posição relativa

dos pontos levantados em um intervalo de tempo pré-definido pelo usuário, com o receptor deslocando-se continuamente.

• Caso o GPS seja equipado com um link de rádio, as ambigüidades podem ser resolvidas em tempo real, caracterizando o método Cinemático em Tempo Real.

• Aplicação:

Utilizada para determinação da trajetória de objetos em movimento;

Levantamento de perfis;

Determinação da posição de barcos e aviões.


Posicionamento DGPS• Técnica usada em tempo real ou pós-processamento de medição

diferencial, baseada no uso do código C/A, para remover a maioria dos erros no uso de GPS, incluindo o S/A, e permitindo alcançar um melhor nível de precisão na determinação de coordenadas e altitude.

• Um receptor é colocado fixo (GPS estacionário) em um ponto com coordenadas conhecido ou previamente determinadas (estação base), enquanto outro receptor é móvel.

• Mediante a comparação de valores obtidos de distância e/ou posição pelo rastreio dos satélites com os valores conhecidos na estação fixa, são encontradas as correções a serem aplicadas no receptor móvel.


DGPS

Recptores de Referência

Correções em tempo real para remover S/A

Mensagemde correção

de erro

Receptor Base


Estação DGPS

x+30, y+60

x+5, y-3

Coordenadas verdadeiras = x+0, y+0

Correção = x-5, y+3

Correção DGPS = x+(30-5) and y+(60+3)

Coordenadas verdadeiras = x+25, y+63

x-5, y+3

Receptor DGPSReceptor


• Aplicação:

Navegação precisa em águas costeiras e aproximação ao porto;

Navegação aérea (paralelamente);

Mapeamento do fundo oceânico;

Hidrografia;

Levantamentos geofísicos;

Calibração de sistemas de retransmissão;

Agricultura de Precisão e outras aplicações.


SatéliteGeoestacionário

Constelação GPS

Estação de Controle(costa oeste)

Sistema de árealocal

Estação de Controle(costa leste)


Precisão GPS• Depende de algumas variáveis:

Tempo dispendido na medidaDesign do receptor

Posição relativa dos satélites (geometria)

Nível do S/A (disponibilidade seletiva)

Uso de técnicas diferenciais

Precisão X Método

1 m – 3 mTempo realDGPS

10 cm – 1 m1 segundoCinemático

10 cm – 20 cm10 a 20 segundosStop and Go

1 cm + 1 ppm10 a 20 minutosRápido estático

5 mm + 1 ppm1 – 4 horasEstático

SPS: 5 – 30 mPPS: 1 – 5 m

30 – 60 segundosPosicionamento absoluto em um

ponto

PrecisãoTempo de ObservaçãoMétodo

5 5 –– Precisão e ErrosPrecisão e Erros

Fontes de Erro que Afetam os Dados GPS• Atraso da ionosfera

• Atraso da troposfera

• Erro de relógio

• Erros induzidos:

– Disponibilidade seletiva (S/A)

– Antispoofing (A/S)

• Cut-Off –Angle

• Ruídos no receptor

• Multicaminhamento

• Diluição da precisão (coeficiente DOP)

• Perda de ciclos


Atraso da IonosferaRegião entre 100 – 1.000 km, caracterizada pela presença de elétrons livres;Afeta a modulação do código P (atraso das medidas da pseudodistância) e o avanço equivalente da medida da fase portadora.Fatores: hora do dia, da estação do ano, da latitude, do período dentro do ciclo das explosões solares.

TroposferaRegião gasosa da atmosfera (vapores de água seca e úmida), que se estende da superfície terrestre até próximo dos 40 km de altura.Causa o atraso na transmissão de sinal.Fatores: temperatura, umidade e pressão, que variam com altitude do local.

Espaço semdistúrbio

Distúrbio

Ionosfera

Troposfera


Erro do RelógioOs sinais transmitidos pêlos satélites GPS são controlados por relógios atômicos, que influenciam diretamente a precisão no posicionamento (Tempo GPS).

Tipos de Erros:

Relógio do Satélite: diferença entre o tempo do satélite e o tempo do sistema GPS.

Relógio Receptor: diferença entre o tempo recebido e o tempo do sistema GPS.

Erro estimado: ~ 3,5 m.

Ruído no ReceptorImprecisões na medida da portadora ou do código, devido ao ruído no receptor.Erro estimado: < 1,0 m.


Erros InduzidosDisponibilidade Seletiva (selective avaliability - S/A): degradação intencional (segurança) imposta aos sinais GPS, que é realizada através da manipulação dos dados das efemérides transmitidas (degradação de parâmetros orbitais) e dos relógios dos satélites (degradação de um dos coeficientes de correção do relógio).

Antispoofing (A/S): consiste na criptografia do código P, transmitido pelas portadoras L1 e L2, transformando-o em código Y, que não é acessível aos usuários civis.


Diluição da Precisão (coeficiente DOP)

Denomina, coletivamente, os fatores que descrevem a propagação dos erros em função da disposição geométrica dos satélites.Determina, em uma escala padronizada (adimensional), se a geometria espacial dos satélites pode ser considerada boa, isto é, indica o melhor ou o pior momento para obter uma posição (no intervalo entre l e 10; sendo l, o melhor valor do DOP e l0, o pior).Estes números DOP são inversamente proporcionais ao volume do corpo sólido gerado pêlos satélites e o ponto a determinar. Dessa forma, quanto maior o volume, menor o DOP.


Componentes:HDOP - influência da geometria dos satélites nas coordenadas planimétricas;VDOP - definição das altitudes;PDOP - na posição tridimensional (Latitude, Longitude e altitude);TDOP - na definição do tempo;GDOP - na definição da posição (Latitude, Longitude, altitude) e o tempo.RDOP - medida relativa do DOP para uma base ou vetor.


GEOMETRIA IDEAL DE SATÉLITES

N

S

W E


W E

S

N

GEOMETRIA RUIM DE SATÉLITES


Cut-Off-AngleRefere-se ao ângulo de posicionamento dos satélites em relação ao horizonte. Deve-se considerar apenas os satélites localizados 15° acima do horizonte.


MulticaminhamentoErro gerado pela reflexão indesejada do sinal GPS (horizontais, verticais ou inclinadas) em superfícies próximas à antena receptora, ocasionando o fenômeno da recepção e sobreposição de sinais refletidos.


Atmosfera Terrestre

EstruturasSólidas

Metal

Campos Eletro-magnéticos


Perda de CiclosConstitui um salto na computação da portadora de fase, ocasionado variação instantânea na ambigüidade

Causas:

Bloqueio temporário de sinais devido à presença de obstáculos como árvores, edifícios, pontes, montanhas, etc.;

Ocorrência de sinais fracos devido às más condições ionosféricas, multicaminhamento, deslocamentos bruscos das antenas receptoras ou satélites de baixa elevação;

Falha no programa do receptor;

Informação enviada pelo satélite incompleta ou incorreta;

Mal funcionamento dos osciladores dos satélites.


Planejamento da OperaçõesEnvolve um reconhecimento dos locais de modo a otimizar os trabalhos de leitura.Aspectos observados:

Abertura máxima do horizonte livre de obstruções ao sinal;Horários em que os indicadores da geometria (DOPs) sejam menores (recomenda-se inferior a 4, podendo-se admitir até 6 em curtos períodos);Localização o mais distante possível de superfícies refletoras do sinal, de modo a evitar o multicaminhamento;Em latitudes baixas (+/- 10 graus de latitude), evitar o rastreamento em horários próximos ao meio dia, principalmente nos rastreamentos geodésicos de maior precisão;Evitar posicionar a antena receptora sob fios de alta tensão ou próximos a antenas transmissoras/receptoras de rádio, TV, ou subestações de energia e outros.


RBMC – Rede Brasileira de Monitoramento Contínuo do Sistema GPS

Sob responsabilidade do IBGE;

Conjunto integrado de 9 estações distribuídas no território brasileiro;

Estabelecida para eliminar a necessidade de o usuário imobilizar um receptor em um ponto que, muitas vezes, oferece grandes dificuldades de acesso para as estações;

A operação das estações da RBMC é totalmente automatizada e permite ao interessado obter, com GPS, as coordenadas geodésicas de um ponto qualquer do território nacional.

Dados comercializados através do Centro de Documentação e Disseminação de informações (CDDI) do IBGE no Rio de Janeiro, através do site www.ibge.gov.br ou pelo telefone 0800-218181

Sistema Padrão Adotado pelo GPSSistema Padrão Adotado pelo GPSWGS-84 – World Geodetic System

μ = 3986005.108 m3/s2Constante gravitacional terrestre

ω = 7292115.10-11 rad/sVelocidade angular da terra

J2 = 1082630.10-9Coeficiente zonal de segundo grau

f = 1/298,257223563Achatamento geométrico

a = 6.378.137,000 mSemi-eixo maior

ValoresParâmetros

As medidas GPS devem ser transformadas para o sistema de

referência de cada país.

Coordenadas Planialtimétricas

No Brasil: SAD-69

Altimetria• Altitude Elipsoidal: referente ao WGS-84.

7 7 –– Sistema de Referência GPSSistema de Referência GPS

• Altitude Ortométrica: referente ao Geóide.

Informações fornecidas pelo GPS:Posição tridimensional (navegação 3D): coordenadas planimétricas (latitude e longitude) e altitude, em relação a um modelo matemático da Terra;

Velocidade

Azimute

Hora

Distâncias

Etc.

Informações derivadas, principalmente, das variáveis

tempo e posição.

Custo• O custo dos receptores depende dos seguintes parâmetros:

Potencial do processador

Número de canais

Portabilidade

Robustez para operar em condições adversas

Qualidade dos componentes

• Exemplos:Receptores básicos com 6 a 12 canais (em geral com entrada de track e waypoint): ~ $ 100;

Com opção para carregar mapa no monitor: ~ $ 150;

Combinação receptor GPS e telefone celular: ~ $ 350;

Com qualidade para levantamentos de campo: ≥ $ 1000, com tracking carrier, receptor FM para correções diferenciais e porta RS232 para PC para processamento em tempo real ou posterior;

Padrão militar: ≥ $ 10,000

9 9 –– Receptores GPSReceptores GPS

4

321

123412341234Receptor de 1 canal


Receptor de canal paralelo

4

321

1- 4


Tipos de EquipamentosEm função da portabilidade

Portáteis: peso inferior a l kg, têm antena, bateria e teclados como um único instrumento.

Semiportáteis: têm antena separada, possuindo, em média, mais de 3 kg.

Fixos: para uso marítimo, atividades no campo (outdoor) ou na cidade, aviação e cartografia.


Em função dos objetivos de precisão e investimento:

Navegação: fornecem posicionamento em tempo real, baseado no código C/A ou P.

DGPS: utiliza dados de correções diferenciais provenientes de uma estação base para eliminar o erro S/A do GPS; é necessário pagar a empresa que mantém as estações de correção para se ter acesso ao arquivo de dados via Internet. Há duas variações:

Com um link de rádio: utilizado para receber em tempo real as correções diferenciais.

Sem esse link de rádio o processamento é feito em escritório através de software específico.

Cadastral: possui capacidade de aquisição e armazenamento de dados alfanuméricos associados às feições espaciais levantadas (ponto, linha e área), permitindo realizar cadastros para GIS. Necessita de pós-processamento dos dados de correções diferenciais. Utilizado para levantamentos em escala 1:5.000 ou menor.

Topográfico: similares aos anteriores porém mais robustos e com equipamentos apropriados para levantamentos topográficos de campo (tripés, bastões, etc.) que permitem aquisição de dados para escalas de 1:2.000 ou menor.

Geodésico: são aparelhos de dupla freqüência, recebendo L1 (+ código C/A) e L2 (+ código C/A ou P), sofrem menos interferência da ionosfera e possuem recursos eletrônicos sofisticados para resolver rapidamente as ambigüidades. São indicados para trabalhos geodésicos como transporte de coordenadas e controle de redes.


70.000 – 90.0005 mmGeodGeodéésicosico

30.000 – 60.0001 cmTopogrTopográáficofico

20.000 – 30.00010 cm – 1 mCadastralCadastral

3.000 – 12.0001 – 3 mDGPSDGPS

300 – 1.000SPS: 30 –100 mPPS: 3 a 10 m

NavegaNavegaççãoão

PrePreçço (R$)o (R$)PrecisãoPrecisãoTipoTipo

Consultar InternetConsultar Internet


Companhias de GPS


Modelos de Receptores:Laboratório de Topografia e Cartografia - CTUFES

GARMIN

MAGELLAN

NAVMANTRIMBLERAYNAV

Planejando Planejando uma rota de uma rota de naveganavegaççãoão

Início = Waypoint


Chegada

MMÉÉTODOS DE POSICIONAMENTOTODOS DE POSICIONAMENTOLaboratório de Topografia e Cartografia - CTUFES

ANDRADE, J.B., NAVSTAR-GPS. Curso de Pós-Graduação em CiênciasGeodésicas. UFPr. Curitiba, 1988.

BERALDO, P. ; SOARES, S.M. (1995): GPS INTRODUÇÃO E APLICAÇÕES TEÓRICAS -EDITORA E LIVRARIA LUANA LTDA, BRASÍLIA, DF, 148p.

BLITZKOW. D., - NAVSTAR/GPS - A situação presente e as perspectivasfuturas. XII Congresso Brasileiro de Cartografia. Brasília, 1985.

Especificações e Normas Gerais Para Levantamentos GPS. Versão Preliminarde fevereiro/1993 - Fundação IBGE

LEICH, A. : GPS SATELLITE SURVEYING - A WILEY-INTERSCIENCE PLUBLICATION, NEW YORK, SINGAPORE, 1990.

SEEBER, G. (1993): SATELLITE GEODESY - FOUNDATIONS, METHODS AND APPLICATIONS - WALTER DE GRUYTER INC. 531p.

ROCHA, M. R. José Antônio. GPS - Uma Abordagem Prática - 2ª edição

SOARES, S.M. (1993): ALTIMETRIA DE PRECISÃO COM TÉCNICA GPS - DIRETORIA DO SERVIÇO GEOGRÁFICO, ANUÁRIO N° 30, BRASÍLIA, DF.

BIBLIOGRAFIABIBLIOGRAFIALaboratório de Topografia e Cartografia - CTUFES

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