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Como o GPS funciona

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O Sistema de Posicionamento Global (GPS - Global Positioning System), também conhecido como NavStar, que nós usamos foi feito pelos militares estadunidense e está totalmente operacional desde 1995. A maioria dos receptores GPS atuais usam uma combinação do GPS e do sistema russo GLONASS para aumentar a cobertura e a precisão.

O sistema GPS conta atualmente com 31 satélites ativos em órbitas inclinadas 55 graus em relação à linha do equador. Os satélites estão em uma órbita de aproximadamente 20.000 quilômetros da superfície da Terra e realizam duas órbitas completas por dia. As órbitas são planejadas para que sempre 6 satélites possam ser vistos da maioria dos locais na Terra.




O GPS usa um monte de tecnologias complexas, mas o conceito é bem simples.

O receptor GPS recebe um sinal de cada satélite GPS. Os satélites transmitem o horário exato em que os sinais foram emitidos. Pela subtração do horário em que o sinal foi transmitido pelo horário em que foi recebido, o GPS pode saber o quão distante está cada um dos satélites. O receptor GPS também sabe exatamente a posição de cada satélite no céu, no momento em que eles emitem seus sinais. Dessa forma, sabendo o tempo de viagem do sinal GPS de pelo menos três satélites e a suas posições exatas no céu, o receptor GPS pode determinar sua posição em três dimensões: leste, norte e altitude.

Há uma complicação: para calcular o tempo em que o sinal GPS demora para chegar, o receptor GPS precisa saber as horas com muita precisão. Para isso os satélites GPS possuem relógios atômicos que mantém a precisão do horário, mas não é possível equipar os receptores GPS com relógios atômicos também. Portanto, se o receptor GPS usar um sinal de um quarto satélite ele pode resolver uma equação que permite que ele determine o horário exato, sem precisar de um relógio atômico.

Se o receptor GPS puder receber sinais de apenas 3 satélites você ainda assim poderá obter sua posição, mas ela será menos precisa. Como nós notamos acima, o receptor GPS precisa de 4 satélites para funcionar com sua posição em 3 dimensões. Se apenas 3 satélites estiverem disponíveis, o receptor GPS poderá apenas obter uma posição aproximada, assumindo que você está ao nível do mar, ou seja, a posição será apenas razoavelmente precisa. Mas se você estiver nas montanhas, uma posição 2D pode estar centenas de metros imprecisa.

Um receptor GPS moderno pode encontrar todos os satélites que estiverem disponíveis simultaneamente, mas usará apenas uma seleção deles para determinar sua posição.


Almanaque e Efemérides


Para determinar a localização dos satélites GPS o receptor GPS irá precisar de dois tipos de dados: o almanaque e as efemérides. Essas informações são contentemente transmitidas pelos satélites GPS para o seu receptor GPS que as recepciona e armazena.

O almanaque contem informações sobre o status dos satélites e sobre a órbita aproximada deles. Os receptores GPS usam o almanaque para calcular quais satélites estão visíveis atualmente. O almanaque não é preciso o suficiente para permitir que preceptor GPS obtenha uma posição. Se o receptor for novo, ou não é usado a bastante tempo, ele provavelmente precisa de 15 minutos ou mais para receber um almanaque atualizado. Em receptores GPS antigos, um almanaque é indispensável para obter os satélites, porém muitos modelos mais atuais são capazes de obter os satélites sem esperar pelo almanaque.

Para obter uma posição, seu receptor GPS querer um dado adicional para cada satélite, esse dado é chamado de efemérides. Este dado é uma informação muito precisa sobre a órbita de cada satélite. Seu receptor GPS pode usar as efemérides para calcular a localização de um satélite com a precisão de um metro ou dois. As efemérides são atualizadas a cada 2 horas e é usualmente válida por até 4 horas. Se o receptor GPS esteve desligado por um tempo, ele pode demorar vários minutos para receber os dados de efemérides de cada satélite antes de poder determinar uma posição.

Seu GPS terá uma tela, como a imagem mostrada abaixo, que mostra quais satélites estão em uso. O gráfico de barras mostra a intensidade dos satélites que o GPS obteve. Se a barra não está preenchida o GPS está baixando a efeméride. O gráfico circular mostra a localização dos satélites no céu - o centro do círculo está exatamente sobre sua cabeça.





Inicialização


Quando você liga seu receptor GPS o tempo para a primeira posição irá variar de acordo com quanto tempo faz que você usou ele pela ultima vez. Para obter a primeira posição o receptor GPS precisa de um almanaque válido, localização inicial, horário e os dados de efemérides.

Os termos "cold/warm/hot start", ou em português "início frio/aquecido/quente",  indica quais dessas peças de dados o receptor GPS já possui. Os termos podem significar coisas diferentes para diferentes fabricantes de receptores GPS.

Início frio (Cold start) - se o GPS não foi utilizado por um longo tempo e/ou foi movido muitas centenas de quilômetros ele irá demorar vários minutos até conseguir obter a primeira posição. Neste estado, o receptor GPS não tem um almanaque atualizado, efemérides, posição inicial ou horário. Equipamentos GPS antigos podem demorar mais de uma hora para procurar pelos satélites, baixar o almanaque e as efemérides e conseguir a primeira posição, mas equipamentos novos podem fazer tudo isso em bem menos tempo.

Se o receptor GPS foi movido muitas centenas de quilômetros as informações que ele possui sobre os satélites estarão incorretas e ele deverá obtê-las novamente. A maioria dos equipamentos poderá deixar você entrar com uma localização aproximada para deixar todo esse processo mais rápido.

Início aquecido (Warm start) - o almanaque, a posição inicial e o horário estão válidos. As efemérides podem ser totalmente ou parcialmente inválidas. O tempo para obtenção da primeira posição pode ser algo ente 30 segundos e 2 minutos dependendo da disponibilidade de satélites e do tipo do receptor GPS.

Início quente (Hot start) - se receptor GPS estiver desligado, digamos, por menos de uma hora o tempo até conseguir a primeira posição será entre 5 e 20 segundos.


O que tudo isso quer dizer na prática?


Se o GPS foi usado muito recentemente você poderá conseguir uma posição quase que imediatamente. Caso contrário deixe seu GPS para fora em local aberto e tome um copo de café.

Se você tem um receptor GPS em seu veículo, é melhor esperar que ele obtenha uma posição qualquer antes de sair dirigindo. Receber os dados de efemérides pode demorar uns 30 segundos. Se você momentaneamente interromper o sinal durante depois de um minuto ou mais em que o receptor GPS já tenha iniciado o download das efemérides ele irá começar tudo novamente. Se você dirigir para um local onde há muitos prédios ou outros obstáculos pode ser que demore um longo tempo para que a efemérides sejam baixadas dos 4 satélites necessários, antes que ele possa obter a primeira posição.


Precisão


A precisão que o seu GPS fornece pode ser influenciada por vários fatores, entre eles a posição dos satélites no céu, efeitos atmosféricos, erros de relógio nos satélites, erros de efemérides e etc.

Algumas unidades de receptores GPS mostram na tela a precisão, como por exemplo, os modelos EPE da Garmin. Em codições ideais a precisão pode de 5 metros, em alguns casos 3 metros. Fabricantes geralmente são vagos em relação às informações de precisão mostradas em seus receptores.

Você terá uma visão mais realista olhando na seção de especificações do manual do seu receptor GPS. Normalmente, um GPS de mão 95% das posições horizontais estará entre 10 metros da sua localização real. O erro na altitude será mais ou menos o dobro do erro horizontal.

A precisão do GPS pode ser melhorada usando dados secundários de estações de referência em Terra.

Muitos dos GPS comerciais tem a opção WAAS (Wide Area Augmentation System). O WAAS usa uma rede de estações de referência baseadas em solo. Leituras feitas dessas estações são utilizadas para corrigir algumas fontes erros mencionadas anteriormente. O dados de correção são enviados ao satélite geoestacionário WAAS que transmite de volta para os receptores GPS que possuam a opção WAAS para melhorar a precisão. O WAAS não está disponível em alguns locais, por exemplo, na Nova Zelândia e no Brasil.

O Sistema Global de Posicionamento Diferencial (DGPS Differential Global Position System) é um sistema similar ao GPS. Os dados de estações de referência baseadas em solo são transmitidos para o GPS usando rádio de ondas longas, FM e em alguns casos até telefonia celular.


Quantos satélites são necessários para o posicionamento?


Você precisa de 3 satélites GPS para uma posição 2D (sem altitude) ou 4 satélites para uma posição 3D. Normalmente um GPS consegue obter dados de muito mais satélites.


A-GPS


Você já deve ter percebido que os GPS de telefones celulares conseguem uma posição quase que imediatamente. Eles usam o GPS assistido (A-GPS Assisted GPS) que melhora o tempo para a primeira posição ou permitindo um posicionamento em locais onde outros aparelhos não conseguiriam.




Os equipamentos A-GPS usam dados de conexões, por exemplo 3G da telefone celular, para conectar-se ao serviço de assistência. O servidor pode fornecer o almanaque e as efemérides de forma que o GPS não precise esperar esses dados dos satélites. O servidor também pode enviar a localização aproximada das torres de telefonia celular, permitindo posicionamento imediato. Em alguns casos o A-GPS pode enviar dados incompletos.

Uma vez que você esteja com seu aparelho celular fora da cobertura WiFi, o GPS do seu telefone irá obter os dados de efemérides e almanaque dos satélites, como os receptores GPS recreacionais, e isso pode demorar entre 1 ou 2 minutos para conseguir a primeira posição a partir de um cold start.

Copyright 2009-2014 Integrated Mapping Ltd. Todos os direitos reservados. Este artigo não pode ser reproduzido sem permissão. Texto original disponível em http://www.maptoaster.com/maptoaster-topo-nz/articles/how-gps-works/how-gps-works.html

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