Observei que muitos não conhecem bem como funciona este excelente instrumento de navegação. Por isso, aquí vai uma pequena descrição do sistema.
O que é GPS?
GPS quer dizer Global Positioning System (Sistema de Posicionamento Global) e é o único sistema global de navegação por satélite completamente funcional. O sistema utiliza uma constelação de, no mínimo, 24 satélites de órbita média, que transmitem sinais em microondas, permitindo que um receptor de GPS determine sua localização (latitude, longitude e altitude), velocidade, direção e a hora.
Outros sistemas similares são o russo GLONASS (ainda incompleto), o sistema GALILEO que está sendo desenvolvido pela União Européia, o planejado sistema de navegação COMPASS da China e o IRNSS da Índia. Nenhum deles está em funcionamento global, no momento.
O GPS foi desenvolvido pelo Departamento de Defesa dos Estados Unidos e tem o nome oficial de NAVSTAR GPS. A constelação de satélites é administrada pela Força Aérea americana, com um custo anual de 750 milhões de dólares. Isto inclui a substituição dos satélites que se tornam obsoletos, além de custos de pesquisa e desenvolvimento.
O GPS foi disponibilizado para uso civil, sem qualquer custo, por um decreto do Presidente Ronald Reagan em 1983. Naquele ano um Boeing 747 da Korean Air Lines foi derrubado por dois caças Sukhoi Su-15 Flagon da Força Aérea russa, por ter invadido o espaço aéreo da União Soviética sobre a península de Kamchatka. Investigações posteriores realizadas pela Agência Internacional de Aviação Civil (ICAO), determinaram que o jato coreano havia saído do rumo previsto no plano de vôo e, sem saber, invadido o espaço aéreo soviético. Naquele tempo os jatos usavam Navegação Inercial para os vôos transoceânicos.
Como funciona o GPS?
Típicamente, um receptor GPS calcula sua posição usando os sinais recebidos por 4 ou mais satélites. Um mínimo de quatro satélites são necessários, para determinar a hora local com bastante precisão, uma exatidão maior do que aquela que um relógio normal pode fornecer (a hora local é determinante para se obter a Longitude, uma das duas coordenadas – a outra é a Latitude – necessárias para se determinar uma posição na superfície da terra).
Cada satélite GPS tem um relógio atômico e continuamente transmite mensagens mostrando a hora, no início das mensagens, parâmetros necessários para calcular a posição do satélite (ou sua efemêride, em linguagem astronômica). O sinal viaja a uma velocidade conhecida (velocidade da luz, no espaço, e um pouco mais lenta ao entrar na atmosfera terrestre). O receptor de GPS (o aparelho instalado na sua Harley ou no seu carro), usa quatro medidas, conhecidas como as variáveis –x, y, z e t, para determinar sua posição em relação ao satélite. Com isto, o receptor GPS determina sua própria posição na superfície terreste fazendo cálculos geométricos e trigonométricos.
Este processo, que se chama “trilateration”, determina a posição medindo-se o comprimento dos lados de um triângulo esférico imaginário com um vértice desconhecido (a posição onde está o receptor do GPS) e dois (ou mais) vértices conhecidos (a posição dos satélites em suas órbitas terrestres). Os receptores GPS são geralmente compostos de uma antena (sintonizada na frequência de transmissão dos satélites), um receptor-processador, um relógio de alta precisão (normalmente por oscilação de cristal) e uma tela de cristal líquido.
Os receptores GPS são normalmente descritos pelo número de canais, ou seja, o número de satélites que pode monitorar simultaneamente. Anteriormente limitado a quatro ou cinco canais, desde 2006 os receptores GPS são fabricados com capacidade de 12 a 20 canais, o que aumentou muito sua precisão.
Naqueles raros momentos em que não recebe informações simultâneas de quatro satélites, o receptor GPS determina sua posição atual baseado na sua última posição conhecida e através de cálculos de navegação estimada e navegação inercial.
A posição exata dos satélites em sua órbita, é determinada pelas estações terrestres de rastreamento, operadas pela Força Aérea americana, situadas no Havaí, Atol de Kwajalein (Ilhas Marshal, Oceano Pacífico), Ilha Ascenção (Oceano Atlântico), Ilha Diego Garcia (no Oceano Índico) e em Colorado Springs, no estado do Colorado. As informações coletadas por estas bases são enviadas eletrônicamente para a Base Aérea Schriever, em Colorado Springs, onde são processadas e enviadas de volta aos satélites. Conhecendo sua posição em relação ao globo terrestre, os satélites podem fornecer os parâmetros necessários para que o receptor GPS determine sua própria posição. Além da Estação de Controle Principal em Colorado Springs, a Força Aérea tem Estações de Controle adicionais e reduntantes em Rockville, Maryland e em Sunnyvale, Califórnia.
Sinais de Navegação
Cada satélite GPS transmite continuadamente uma Mensagem de Navegação de 50 bits/segundo, dando a hora do dia, número da semana GPS, a qualidade da informação (chamada de “satellite health information”), a efemêride e um almanaque (situação da órbita para cada satélite na constelação, um modelo ionosfêrico e a informação derivada da Hora Coordenada Universal (UTC – Coordinated Universal Time – fundamental para determinação da Longitude).
O almanaque serve para várias funções; a primeira é permitir que o receptor GPS gere a lista de satélites visíveis, baseado nas informações armazenadas de posição e hora (efemêride). A efemêride é necessária para determinar a posição em Latitude, baseada na própria posição de um satélite (que, por sua vez, conhece sua própria posição por informações recebidas das estações de rastreamento).
A segunda função do almanaque é relacionar o sistema GPS (chamado de hora GPS) e a hora no padrão internacional UTC, assim determinando a hora média local. Finalmente, o almanaque permite que um receptor de frequencia única, corrija o erro causado pelo ionosfera, utilizando um modelo inosfêrico global. É importante observar que cada satélite GPS transmite sómente sua própria efemêride, mas transmite o almanaque de todos os satélites na constelação. Receptores GPS de preço mais elevados, utilizados em aviões e navios, operam com receptores de frequências duplas, eliminando o erro ionosfêrico.
Informações adicionais:
- Os satélites GPS tem uma órbita aproximada de 20.200 km de distância da Terra, um período orbital de 11h58m (duas voltas na Terra por dia) e estão distribuídos em seis planos orbitais, ou seja, quatro satélites em cada plano orbital.
- Os satélites GPS são construídos pela Rockwell International e pesam 900 kg, cada. O mais recente satélite GPS a entrar na constelação foi lançado em Dezembro de 2007. O mais antigo, ainda em uso, foi lançado em 1991.
- A implantação do GPS começou em Fevereiro de 1978 (com apenas 1 satélite) e foi declarado operacional em Dezembro de 1993, com 24 satélites.
- O primeiro satélite GPS modernizado e capaz de transmitir um segundo sinal para uso civil de grande desempenho, foi lançado em 2005.
- O antigo sistema de Controle de Segmento no Solo, em Colorado Springs, baseado em main-frames, foi substituído pelo moderno Architecture Evolution Plan, em Setembro de 2007.
- Muitos receptores GPS para uso na superfície não utilizam a quarta variável, que é necessária para determinar a altitude em relação ao nível médio do mar.
- Antes da disponibilização do GPS para uso civil, os navios utilizavam os seguintes meios de navegação eletrônica: DECCA (baseado em uma cadeia de estações terrestres), LORAN (Long Range Navigation – baseado em sinais de baixa frequencia, também recebidas por estações terrestres) e o OMEGA, originalmente desenvolvido para uso na aviação militar americana.
- Submarinos e jatos transoceanicos utilizavam a Navegação Inercial, baseado em computadores e sensores de movimento (giroscópios de alta precisão e acelerometros), que determinam a posição atavés do monitorimento contínuo da velocidade e direção de deslocamento.
- O primeiro sistema de navegação por satélite, predecessor do GPS, foi desenvolvido pelas Forças Armadas dos Estados Unidos na década de 60 e era baseado no efeito Doppler. Em meados dos anos 70 o sistema foi aberto para uso na Marinha Mercante e continuou a ser utilizado até a disponibilização do GPS em 1983.
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