Principio do posicionamento GPS

1. Principio do posicionamento GPS

Posicionar um objeto nada mais é do que atribuir-lhe coordenadas. Embora hoje se trate de uma tarefa que pode ser realizada com relativa simplicidade, utilizando-se, por exemplo, satélites artificiais apropriados para esse fim, este foi um dos primeiros problemas científicos que o ser humano procurou solucionar. O homem sempre esteve interessado em saber onde estava; inicialmente restrita à vizinhança imediata de seu lar, mais tarde a curiosidade ampliou-se para os locais de comércio e, por fim, com o desenvolvimento da navegação marítima, praticamente alcançou o mundo todo. Conquistar novas fronteiras, de modo que o deslocamento da embarcação fosse seguro, exigia o domínio sobre a arte de navegar, ou seja, saber ir e voltar de um local a outro e determinar posições geográficas, seja em terra seja no mar. Por muito tempo, o sol, os planetas e as estrelas foram excelentes fontes de orientação. Mas, além da necessária habilidade do navegador, as condições climáticas podiam significar a diferença entre o sucesso e o fracasso de uma expedição (Dotori & Negraes, 1997). Surgiu, em seguida, a bússola, inventada pelos chineses, que proporcionou uma verdadeira revolução na navegação. Mas ainda perdurava um problema: como determinar a posição de uma embarcação em alto-mar? O astrolábio, a despeito de seu peso e tamanho, possibilitava apenas a obtenção da latitude, sujeita a grande margem de erro. E a medição só podia ser realizada à noite, desde que com boa visibilidade. Melhorias ocorreram, no transcorrer dos anos, com a introdução de novos instrumentos, tais como o quadrante de Davis e o sextante. A determinação da longitude foi considerada o maior problema científico do século XVIII, o qual se encontra bem retratado em Sobel (1996). De qualquer forma, mesmo com os melhores instrumentos, a navegação celeste só proporcionava valores aproximados da posição, os quais nem sempre eram apropriados para encontrar um porto durante a noite. Com o avanço da eletrônica, alguns sistemas foram desenvolvidos, mas mesmo esses apresentavam algum tipo de problema. Qualquer navegador provavelmente já deve ter ouvido sobre o LORAN (Long-Range Navígatíon System), o DECCA (Low frequency contínuous wave phase comparíson navígatíon) e o Ômega (Global low frequency navígatíon system). Eles se baseiam em ondas de rádio. Os dois primeiros funcionam muito bem na faixa costeira, onde há uma rede de estações para dar suporte ao posicionamento.

Consequentemente, não se tinha como obter posições com muita frequência. Faltava, portanto, uma solução que oferecesse boa precisão, facilidade de uso e custos acessíveis para os usuários. A solução definitiva para o problema surgiu na década de 1970 com a proposta do GPS (Global Positioning System).

2. Descrição do Sistema

O GPS, ou NAVSTAR-GPS (NAVigation Satellite with Time And Ranging), é um sistema de radio navegação desenvolvido pelo Departamento de Defesa dos Estados Unidos da América – DoD (Department of Defense), com o intuito de ser o principal sistema de navegação das forças armadas americanas. Ele resultou da fusão de dois programas financiados pelo governo norte-americano para desenvolver um sistema de navegação de abrangência global: Timation e System 621B, sob responsabilidade da Marinha e da Força Aérea, respectivamente. Em razão da alta acurácia proporcionada pelo sistema e do grande desenvolvimento da tecnologia envolvida nos receptores GPS, uma grande comunidade usuária emergiu dos mais variados segmentos da comunidade civil (navegação, posicionamento geodésico, agricultura, controle de frotas etc.). Um histórico do desenvolvimento do sistema é apresentado em Parkinson (1996). Como o nome sugere, o GPS é um sistema de abrangência global. Esse sistema tem facilitado todas as atividades que necessitam de posicionamento, fazendo que algumas concepções antigas pudessem ser postas em prática. Um exemplo claro disso é o que vem ocorrendo com o desenvolvimento da agricultura de precisão, um conceito estabelecido por volta de 1929, que só agora tem sido posto em prática, graças à integração de várias geotecnologias, dentre elas o GPS (Stafford, 1996). A concepção do sistema GPS permite que um usuário, em qualquer local da superfície terrestre, ou próximo a ela, tenha à sua disposição, no mínimo, quatro satélites para serem rastreados. Como será visto mais adiante, esse número de satélites permite que se realize um posicionamento em tempo real. Para os usuários da área de Geodésia2 uma característica muito importante da tecnologia GPS, em relação aos métodos de levantamento convencionais, é a não necessidade de Inter visibilidade entre as estações. Além disso, o GPS pode ser utilizado sob quaisquer condições climáticas.

O princípio básico de navegação pelo GPS consiste na medida de distâncias entre o usuário e quatro satélites. Conhecendo as coordenadas dos satélites num sistema de referência apropriado, é possível calcular as coordenadas da antena do usuário no mesmo sistema de referência dos satélites. Do ponto de vista geométrico, apenas três distâncias, desde que não pertencentes ao mesmo plano, seriam suficientes. Nesse caso, o problema se reduziria à solução de um sistema de três equações, a três incógnitas. A quarta medida é necessária em razão do não sincronismo entre os relógios dos satélites e o do usuário, adicionando uma incógnita ao problema.

No GPS há dois tipos de serviços, os quais são conhecidos como SPS (Standard Positioning Service- Serviço de Posicionamento Padrão) e PPS (Precise Positioning Service- Serviço de Posicionamento Preciso).

O SPS é um serviço de posicionamento e tempo padrão que está disponível a todos os usuários do globo, sem cobrança de qualquer taxa. Até o dia 10 de maio de 2000 esse serviço proporcionava capacidade de acurácia horizontal e vertical dentro de 100 e 140 m, respectivamente, e 340 ns (nanosegundos) nas de medidas de tempo, com nível de confiança de 95%.

O PPS proporciona melhores resultados (1 a 20 m), mas é restrito ao uso militar e a usuários autorizados.

Na realidade, o sistema sempre teve capacidade de proporcionar melhores níveis de acurácia, mas ao que tudo indica, isso não era de interesse do DoD, haja vista que o sistema é global, o que poderia pôr em risco os aspectos de segurança. Dessa forma, a limitação no nível de acuracidade, citado anteriormente, era garantida pela adoção de AS (Anti-Spoofing) e SA (Selective Availability-

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