GNSS (Global Navigation Satellite System)

GNSS (Global Navigation Satellite System)

1. Introdução

Posicionar-se sempre foi uma preocupação experimentada pelos homens. Inicialmente, a Lua, algumas constelações e o Sol eram utilizados para esse fim. Na década de 20, foi introduzido pela companhia de Germann-Lorenz, um sistema de rádio-navegação, permanecendo em operação por várias décadas. Este sistema era baseado na transmissão do código Morse por duas estações distintas. O piloto, ao manter a aeronave no alinhamento da bissetriz do ângulo formado com as duas estações, recebia um tom continuo (SCHAAL, 2006).

Em meados da década de 40, com intuito militar, foram criados sistemas de navegação baseados na emissão de sinais codificados de rádio a partir de estações localizadas em pontos estratégicos para dar cobertura nas áreas de interesse. Usando um conjunto mínimo de três estações e com um apropriado espaçamento geográfico entre elas, sendo uma usada como padrão de referência de tempo, já era possível determinar as coordenadas de pontos de interesse por meio da diferença do tempo de recepção dos sinais provenientes das estações. Esta técnica passou a ser amplamente explorada com os sistemas LORAN e ÔMEGA (FRANK , 1983 e Swanson , 1983, apud SCHALL, 2006).

Com o advento da Era Espacial, satélites artificiais começaram a ser largamente utilizados na determinação das coordenadas de pontos localizados na superfície terrestre. O sistema TRANSIT, também conhecido como NNSS (do inglês, Navy Navigation Satellite System), foi o primeiro sistema de navegação por satélite a ser usado operacionalmente e fornecia informação de posição horizontal a partir do desvio Doppler do sinal transmitido pelos satélites. O TRANSIT foi desenvolvido pelo Laboratório de Física Aplicada da Johns Hopkins University (JHUAPL) para a marinha dos Estados Unidos. O primeiro teste bem sucedido do sistema foi realizado em 1960. Os satélites conhecidos como OSCAR ou NOVA foram colocados em órbitas polares de baixa altitude, a 1100 km acima da superfície terrestre, com um período orbital aproximado de 106 minutos. A "constelação" de cinco satélites foi necessária para permitir uma cobertura global. Foi um dos predecessores do GPS, tendo permanecido operacional ao longo de um período ininterrupto de 33 anos, até 1996, durante os quais foi extensivamente utilizado pela navegação marítima.

Na década de 1970 foi proposto um novo sistema de navegação, o NAVSTAR-GPS, ou simplesmente GPS, desenvolvido pelo Departamento de Defesa (DoD) dos Estados Unidos da América (EUA), 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, o Timation e o System 621B, sob responsabilidade da marinha e da força aérea dos EUA.

As atividades geodésicas têm experimentado uma verdadeira revolução com o advento dos sistemas de posicionamento globais via satélites artificiais. A capacidade que estes sistemas possuem de permitir a determinação de posições, estáticas ou cinemáticas, aliando rapidez e precisão muito superiores aos métodos clássicos de levantamento, provocou a necessidade de revisão das características do SGB (Sistema Geodésico Brasileiro). A implantação da RBMC (Rede Brasileira de Monitoramento Contínuo) representa a conseqüência desta rediscussão. Com o seu funcionamento, os usuários de informações do IBGE passaram a contar com uma infraestrutura ativa e compatível com os métodos atuais de posicionamento baseados no GNSS, (IBGE, 2010).

Contudo, as coordenadas obtidas com o GNSS sofrem uma série de influências, desde o momento da emissão das ondas eletromagnéticas pela antena do satélite, até o momento de recebimento das informações pela antena do receptor terrestre, o que causa certa degradação na precisão e na exatidão das coordenadas obtidas.

2. GPS

Como o próprio nome sugere, o GPS é um sistema de abrangência global que tem facilitado atividades inerentes a posicionamento, e a sua concepção permite que um usuário, em qualquer local da superfície terrestre, ou próximo a ela, tenha à sua disposição no mínimo 4 satélites para serem rastreados, número este suficiente para que se tenha um posicionamento em tempo real. O GPS consiste de 3 segmentos principais: espacial, controle e de usuários.

O princípio básico de navegação pelo GPS consiste na medição de distâncias entre a antena do receptor e os satélites rastreados pelo mesmo, onde conhecendo-se as coordenadas dos satélites num determinado sistema de referência apropriado, pode-se calcular as coordenadas da antena do receptor nesse mesmo sistema de referência. Geometricamente, três distâncias seriam o suficiente para o cálculo das coordenadas, onde o problema se reduziria a um sistema com três equações a três incógnitas, porém uma quarta distância é requerida devido ao erro de não-sincronismo entre os relógios dos satélites e o do receptor, (MONICO, 2008). É dividido em 3 segmentos:

2.1 Segmento espacial

Consiste de no mínimo 24 satélites, distribuídos em 6 planos orbiatis igualmente espaçados, numa altitude de 20200 km, sendo esses planos orbitais inclinados 550 em relação ao equador.

2.2 Segmento de controle

As principais atividades deste segmento são monitorar e controlar continuamente o sistema de satélites, determinar o sistema de tempo GPS, predizer as efemérides e atualizar periodicamente as mensagens de navegação.

É composto por 5 estações monitoras (Hawaii, Kwajalein, Ascencion Island, Diego Garcia e Colorado Springs), e uma estação de controle central em Colorado Springs.

2.3 Segmento de usuários

É constituído pelos receptores GPS, e pode ser dividido em civil e militar.

3 Observáveis GPS

Há, basicamente, 2 tipos de observáveis GPS: a pseudodistância e a fase da onda portadora.

3.1 Pseudodistância

As medidas de distância entre o satélite e a antena do receptor baseiam-se nos códigos gerados nos satélites e no receptor, onde este gera uma réplica do código produzido no satélite, e o atraso entre a chegada de uma transição específica do código, gerado no satélite, e sua réplica, gerada no receptor, nada mais é que o tempo de propagação do sinal no trajeto ligando o satélite ao receptor.

O receptor realiza essa medida usando uma técnica de correlação do código, e a distância é obtida através