Curso Cartografia Basica GPS Arc GIS, Notas de estudo de Engenharia Florestal

Baixe Curso Cartografia Basica GPS Arc GIS e outras Notas de estudo em PDF para Engenharia Florestal, somente na Docsity! C ol ég io P ol ité cn ic o da U FS M Á re a de G eo pr oc es sa m en to MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA MARIA Curso de Cartografia Básica, GPS e ArcGIS Versão: Outubro 2010 MATERIAL DIDÁTICO PREFÁCIO O ArcGIS 9.3 é um dos softwares de Sistema de Informações Geo- gráficas – SIG, amplamente utilizado por profissionais na área de geopro- cessamento por possuir uma interface completa que permite a inserção, visualização e manipulação de dados geográficos relacionais e ainda uma impressão final de qualidade profissional. É objetivo desta apostila, capacitar e treinar estudantes e profissio- nais interessados na utilização do software ArcGIS 9.3 além de permitir ao aluno conhecimentos de cartografia e uso de equipamento GPS de navega- ção. Busca-se através do incentivo de aprendizado, atender demandas institucionais, elevando a qualidade do ensino e estimulando a pesquisa, colaborando na formação e no aperfeiçoamento profissional. Esta apostila é uma edição compilada do polígrafo escrito com ba- se nas experiências desenvolvidas por profissionais integrantes da equipe do Laboratório de Geodésia (LAGEO), do Departamento de Geodésia, do Instituto de Geociências da Universidade Federal do Rio Grande do Sul. No seu preparo foram elaborados exercícios que permitem o pleno domínio das funcionalidades básicas do programa. Por ser um curso básico, não se pretendeu detalhar todos os recursos do software, mas apenas uma rápida familiarização com o geoprocessamento de dados geográficos. Para finalizar, aproveita-se esta oportunidade para agradecer as críticas e sugestões recebidas dos colegas, incentivando-nos a continuar a proporcionar o acesso da comunidade universitária às aplicações de softwa- res. vi EQUIPE TÉCNICA ÁREA DE GEOPROCESSAMENTO Coordenador: Prof. Dr. Elódio Sebem Docentes: Prof. Dr. Adão Robson Elias Prof. M. Sc. Aier Tadeu Gabriel Morcelli Prof. M. Sc. Alessandro Carvalho Miola Prof. M. Sc. Antoninho João Pegoraro Prof. M. Sc. Claire Delfine Viana Cardoso Prof. Dr. Erni José Milani Prof. Dr. Elódio Sebem Prof. Dr.ª Liane de Souza Weber Prof. M. Sc. Luiz Felipe Diaz de Carvalho Prof. M. Sc. Luiz Patric Kayzer Prof. M. Sc. Michele Monguilhott Prof. M. Sc. Marinêz da Silva SUMÁRIO 0B1 FUNDAMENTOS DE CARTOGRAFIA ................................................................................ 15  7B1.1 Introdução a Cartografia ............................................................................................... 15  8B1.2 Princípios Teóricos ....................................................................................................... 17  9B1.3 Localização ................................................................................................................... 25  37B1.3.1 Sistema de Coordenadas Geográficas ................................................................ 26  38B1.3.2 Sistema de Coordenadas Tridimensionais (X, Y e Z) .......................................... 28  39B1.3.3 Sistemas de Coordenadas Planas Cartesianas ................................................... 28  40B1.3.4 Sistema de Projeção Cartográfica ........................................................................ 29  1.3.4.1 Tipo de Superfície Adotada .......................................................................... 30  100BU .3.4.2 Grau de Deformação da Superfície .............................................................. 31  10B .4 Sistema de Coordenadas UTM .................................................................................... 33  11B .5 Norte de quadricula, magnético e geográfico. .............................................................. 38  12B .6 Mapeamento Sistemático Nacional .............................................................................. 39  13B .7 Conversões entre sistemas de referência .................................................................... 40  13B .8 Uso de sistemas de coordenadas nas regiões polares ................................................ 42  13B .9 Precisão e acurácia ...................................................................................................... 44  40B1.9.1 Precisão ................................................................................................................ 45  40B1.9.2 Acurácia ................................................................................................................ 46  13B .10 Novos avanços no mapeamento da superfície terrestre ............................................ 46  2B INTRODUÇÃO A TECNOLOGIA GNSS ............................................................................. 49  16B2.1 O Conceito GNSS ........................................................................................................ 49  17B2.2 Como o GNSS funciona ............................................................................................... 49  18B2.3 Aplicações do GNSS .................................................................................................... 49  19B2.4 Sistemas GNSS ............................................................................................................ 50  41B2.4.1 GPS ...................................................................................................................... 51  42B .4.2 GLONASS ............................................................................................................ 53  x 81B3.6.3 Erros relacionados ao receptor/ antena ............................................................... 98  118BU3.6.3.1 Erro do Relógio ............................................................................................. 98  119BU3.6.3.2 Erro entre os Canais ..................................................................................... 98  120BU3.6.3.3 Centro de Fase da Antena ........................................................................... 98  82B3.6.4 Erros relacionados à estação ............................................................................... 99  121BU3.6.4.1 Coordenadas da Estação ............................................................................. 99  122BU3.6.4.2 Estacionamento da Antena no Ponto de Coleta .......................................... 99  123BU .6.4.3 Erro Grosseiro Devido a Diferença de Datum .............................................. 99  83B .6.5 Comparação das Diversas Fontes de Erros nas Medidas ................................. 100  28B3.7 Altimetria com GPS .................................................................................................... 101  84B3.7.1 Modelo de Ondulação Geoidal (No) ................................................................... 101  29B3.8 Método Diferencial ...................................................................................................... 102  85B3.8.1 Com o Código (DGPS) ....................................................................................... 102  86B3.8.2 Com a Fase da Portadora .................................................................................. 104  30B .9 Posicionamento Relativo ............................................................................................ 104  87B3.9.1 Modelos Utilizados na Solução da Diferença de Fase ....................................... 105  124BU3.9.1.1 Dupla diferença de fase .............................................................................. 105  88B3.9.2 Tipos de Posicionamento Relativo ..................................................................... 106  125BU3.9.2.1 Posicionamento Relativo Estático .............................................................. 106  126BU3.9.2.2 Método Relativo Estático Rápido ............................................................... 106  127BU3.9.2.3 Método Reocupação ................................................................................... 107  128BU3.9.2.4 Método Relativo Semi-cinemático (Stop and Go) ...................................... 107  129BU3.9.2.5 Método Relativo Cinemático ....................................................................... 108  130BU .9.2.6 Cinemático Pós-Processado ...................................................................... 108  131BU .9.2.7 Cinemático em Tempo Real ....................................................................... 108  31B .10 Redes de Apoio ao Posicionamento ........................................................................ 109  89B3.10.1 Estação de Controle Ativo ................................................................................ 109  132BU .10.1.1 Rede Brasileira de Monitoramento Contínuo (RBMC) ............................. 109  133BU .10.1.2 Rede INCRA de Bases Comunitárias do GNSS - (RIBaC) ...................... 111  134BU .10.1.3 Rede Faróis da Marinha ........................................................................... 113  135BU .10.1.4 Redes de Estações Ativas Particulares .................................................... 114  90B3.10.2 Estação de Controle Passivo ........................................................................... 115  136BU .10.2.1 Rede Estadual de Pontos GPS - Rio Grande do Sul ............................... 115  4B AULAS PRÁTICAS DE GPS ............................................................................................. 119  32B4.1 Modelos de Receptores GPS de navegação ............................................................. 119  xi 33B4.2 Manual Garmin eTrex Vista ........................................................................................ 120  91B4.2.1 Introdução: página dos satélites ......................................................................... 120  92B4.2.2 Métodos de Navegação ...................................................................................... 122  93B4.2.3 Página do Mapa ................................................................................................. 123  137BU4.2.3.1 Opções da Página do Mapa ....................................................................... 124  138BU4.2.3.2 Instruções Passo a Passo .......................................................................... 125  94B .2.4 Página de Navegação ........................................................................................ 126  139BU4.2.4.1 Opções da página de navegação ............................................................... 126  140BU .2.4.2 Instruções passo a passo ........................................................................... 127  95B4.2.5 Página do Computador de Navegação .............................................................. 128  141BU .2.5.1 Opções da página do computador de navegação ...................................... 128  142BU .2.5.2 Instruções passo a passo ........................................................................... 128  96B4.2.6 Página do Menu Principal ................................................................................... 129  143BU .2.6.1 Página Marcar Ponto .................................................................................. 130  144BU .2.6.2 Menu de Procura ........................................................................................ 132  145BU4 .2.6.3 Criando e usando uma rota ........................................................................ 133  146BU .2.6.4 Usando Registro de Trilhas ou Trajetos ..................................................... 136  147BU .2.6.5 Menu de Definições .................................................................................... 137  157B4.2.6.5.1 Página do Horário ............................................................................... 138  158B4.2.6.5.2 Página de Unidades ........................................................................... 139  159B4.2.6.5.3 Página de Acessórios ......................................................................... 140  96B4.2.7 Página do Altímetro ............................................................................................ 141  34B .3 Aplicativos ................................................................................................................... 143  97B4.3.1 GPS TrackMaker ................................................................................................ 143  148BU .3.1.1 Informações Importantes ............................................................................ 143  149BU .3.1.2 Tutorial do GPS TrackMaker ...................................................................... 145  4.3.1.2.1 Barra de Ferramentas Horizontal ....................................................... 145  161B4.3.1.2.2 Barra de Ferramentas Vertical ............................................................ 147  162B4.3.1.2.3 Criando um Ponto ............................................................................... 147  163B4.3.1.2.4 Transferindo pontos do computador para o GPS e vice versa........... 148  164B .3.1.2.5 Configurando menu ferramentas, opções do Software GTM ............. 149  184B .3.1.2.5.1 Opções Gerais ............................................................................ 149  185B4.3.1.2.5.2 Opções de Unidades .................................................................. 151  186B4.3.1.2.5.3 Opções de Coordenadas ............................................................ 151  187B4.3.1.2.5.4 Opções de Datum ....................................................................... 152  98B4.3.2 Google Earth ...................................................................................................... 153  150BU4.3.2.1 Introdução ao Google Earth ....................................................................... 153  151BU4.3.2.2 O que é o Google Earth? ............................................................................ 153  xii 152BU4.3.2.3 Requisitos do Sistema ................................................................................ 154  165B4.3.2.3.1 Requisitos Mínimos ............................................................................ 154  166B4.3.2.3.2 Configuração Recomendada .............................................................. 155  153BU4.3.2.4 Instalação ................................................................................................... 155  154BU .3.2.5 Iniciando o Google Earth ............................................................................ 156  167B4.3.2.5.1 Controles de Navegação .................................................................... 156  168B4.3.2.5.2 Funções do Menu ............................................................................... 158  188B4.3.2.5.2.1 Arquivo ........................................................................................ 158  189B4.3.2.5.2.2 Editar ........................................................................................... 158  190B4.3.2.5.2.3 Visualizar .................................................................................... 159  191B4.3.2.5.2.4 Ferramentas ................................................................................ 160  192B4.3.2.5.2.5 Adicionar ..................................................................................... 161  193B4.3.2.5.2.6 Ajuda ........................................................................................... 164  169B4.3.2.5.3 Painel Pesquisar ................................................................................. 164  194B .3.2.5.3.1 Voar Para .................................................................................... 164  195B4.3.2.5.3.2 Localizar Empresas .................................................................... 165  196B4.3.2.5.3.3 Trajeto ......................................................................................... 165  170B4.3.2.5.4 Painel Lugares .................................................................................... 165  171B4.3.2.5.5 Painel Camadas ................................................................................. 166  172B4.3.2.5.6 Comunidade Google Earth ................................................................. 167  173B4.3.2.5.7 Navegação do Google Earth .............................................................. 168  174B .3.2.5.8 Barra de Atalhos ................................................................................. 168  175B4.3.2.5.9 Latitude e Longitude ........................................................................... 169  197B4.3.2.5.9.1 Tabela de Conversão .................................................................. 170  176B4.3.2.5.10 Arquivos KML e KMZ ........................................................................ 170  177B4.3.2.5.11 Visualizando o Espaço ..................................................................... 171  178B4.3.2.5.12 Agradecimentos à equipe da Google. .............................................. 172  4.4 Exercício ..................................................................................................................... 173  6B5 ARCGIS DESKTOP 9.3 BÁSICO ...................................................................................... 175  5.1 Introdução ................................................................................................................... 175  5.1.1 O ArcCatalog ...................................................................................................... 176  5.1.2 O ArcMap ........................................................................................................... 177  5.1.3 O ArcToolbox ...................................................................................................... 179  5.2 Características do ArcGIS .......................................................................................... 180  5.2.1 Conceitos Gerais ................................................................................................ 180  5.3 Trabalhando com o ArcCatalog .................................................................................. 182  0B1 FUNDAMENTOS DE CARTOGRAFIA Uma vez que o produto final da operação de receptores de sinal GPS são coordenadas, cabe ao operador possuir o conhecimento básico dos elemen- tos de Cartografia envolvidos, para que possa fazer uma leitura correta do dado gerado, bem como, ava- liar se a informação que está sendo fornecida pelo aparelho supre suas necessidades. Cada um dos tópicos aqui apresentados não tem a intenção de abordar a plenitude do conheci- mento existente sobre a referida área. No entanto, acredita-se que o texto apresentado irá proporcionar o conhecimento básico necessário para a manipula- ção adequada da tecnologia de Posicionamento Global. A Cartografia trata de representar na forma de mapas e plantas o conhecimento humano sobre a superfície do planeta. Uma vez que estas represen- tações se dão em elementos planos (mapas e cartas), o homem criou meto- dologias e conceitos para transcrever aquilo que observamos em uma su- perfície não plana (a Terra), para estes documentos. 7B1.1 Introdução a Cartografia O objeto da Cartografia consiste em reunir e analisar dados das di- versas regiões da terra, e representar graficamente em escala reduzida, os elementos da configuração que possam ser claramente visíveis. Para pôr em evidência a configuração da superfície terrestre, o instrumento principal do cartógrafo é o mapa. Mas, outras representações, tais como modelos de relevo, globos, fotografias aéreas, imagens de satélite e cartogramas, são assuntos próprios para serem tratados em Cartografia. Definimos um mapa como uma representação convencional da configuração da superfície da terra. Toda a representação está numa pro- porção definida com o objeto representado. Esta proporção é chamada de escala. Ou ainda, pode-se definir um mapa como um desenho seletivo, Curso de Cartografia Básica, GPS e ArcGIS 16 convencionado e generalizado de uma região com grande área, comumente da superfície terrestre, como se fosse vista de cima e numa escala muito reduzida. A maioria dos mapas recebe inscrições, isto é, são dados nomes as feições representadas, e são relacionados a um sistema de coordena- das. Em geral, os mapas têm as seguintes finalidades: ⇒ obter informações sobre a distribuição espacial dos fenômenos, como solos, precipitação, uso da terra, densidade demográfica, etc.; ⇒ discernir relações espaciais entre os vários fenômenos; ⇒ coletar, através de medições, dados necessários às análises geográficas, propiciando informações para a descrição e análises estatísti- cas. Atualmente, outros produtos são considerados valiosos em Carto- grafia, tais como: Globo - representação cartográfica sobre uma superfície esférica, em escala pequena, dos aspectos naturais e artificiais de uma figura plane- tária, com finalidade cultural e ilustrativa. Mapa - representação no plano, geralmente em escala pequena, dos aspectos geográficos, naturais, culturais e artificiais de uma área toma- da na superfície de uma figura planetária, delimitada por elementos físicos, político-administrativos, destinada aos mais variados usos, temáticos, cultu- rais e ilustrativos. Carta - representação no plano, em escala média ou grande, dos aspectos artificiais e naturais de uma área tomada de uma superfície plane- tária, subdividida em folhas delimitadas por linhas convencionais (paralelos e meridianos) com a finalidade de possibilitar a avaliação de pormenores, com grau de precisão compatível com a escala. Planta - é um caso particular de carta. A representação se restrin- ge a uma área muito limitada e a escala é grande, consequentemente o número de detalhes é bem maior. Fotografia Aérea - são produtos obtidos ao nível suborbital, muito utilizados para elaboração e ou atualização de documentos cartográficos de média a grande escala. Mosaico - é o conjunto de fotos de uma determinada área, recor- tadas e montadas técnica e artisticamente, de forma a dar a impressão que todo o conjunto é uma única fotografia. Ortofotocarta - é uma fotografia resultante da transformação de uma foto original, que é uma perspectiva central do terreno, em uma proje- Fundamentos de Cartografia 17 ção ortogonal sobre um plano, complementada por símbolos, linhas e qua- driculagem, com ou sem legenda, podendo conter informações planimétri- cas. Fotoíndice - montagem por superposição das fotografias, geral- mente em escala reduzida. Normalmente a escala do fotoíndice é reduzida de 3 a 4 vezes em relação a escala de vôo. Imagem de Satélite - são produtos obtidos ao nível orbital, muito utilizados para elaboração e ou atualização de documentos cartográficos em escalas variadas. Carta-Imagem - são imagens de satélite montadas no formato de folhas de carta, onde informações de coordenadas e toponímia é acrescen- tada sobre a imagem. Atlas - Uma coleção de mapas comumente publicados em uma linguagem com as mesmas convenções e projeções, mas não necessaria- mente na mesma escala é chamada de "Atlas". Um tipo de Atlas que mere- ce destaque é o escolar. Estes Atlas apresentam uma grande diversidade de mapas; aspectos geológicos, geomorfológicos, solos, climáticos, políti- cos, estrutura viária e econômicos, etc. Este tipo de Atlas tem três funções básicas: fonte de informação, fornecer as configurações geográficas e esti- mular o interesse dos alunos. 8B1.2 Princípios Teóricos Apesar de se assumir que a forma da Terra é redonda, em estudos onde se exige precisão de posicionamento, como é o caso da maioria das representações da superfície terrestre em mapas e cartas, deve-se conside- rar mais cuidadosamente as pequenas diferenciações da sua forma. No século XVII, Isaac Newton demonstrou que não sendo a Terra um corpo rígido e estando animada de um movimento de rotação, ela não deveria possuir uma forma esférica e sim, a de um elipsóide de revolução, sendo achatada nos pólos. Por meio de triangulações geodésicas, pôde-se verificar que a Ter- ra não possuía uma forma elipsoidal perfeita, mas sim a de um geóide, que não pode ser descrita de forma matemática simples, mas que pode ser determinada a partir de medidas da aceleração da gravidade nos mais di- versos pontos da superfície da Terra. Numa primeira aproximação, o geóide seria a forma que a Terra teria se sua superfície fosse completamente co- Curso de Cartografia Básica, GPS e ArcGIS 20 O geóide é, então, a forma adotada para a Terra, sendo sobre esta superfície realizada todas as medições. Como o geóide é uma superfície irregular, de difícil tratamento matemático, foi necessário adotar, para efeito de cálculos, uma superfície regular que possa ser matematicamente defini- da. A forma matemática assumida para cálculos sobre o geóide é o elipsói- de de revolução, gerado por uma elipse rotacionada em torno do eixo menor do geóide. Figura 1.2. Superfície da Terra, Geóide e Elipsóide Figura 1.3. A terra e os modelos de representação. O geóide (Figura 1.4) tem sua forma definida a partir de estudos gravimétricos, sendo por definição uma superfície onde todos os pontos têm igual valor de aceleração da gravidade, ou seja, superfícies equipotenciais (Figura 1.5). O fio de prumo é atraído pela força gravitacional terrestre sen- do perpendicular ao geóide sob o ponto da superfície onde se encontra. Como vimos, medições e levantamentos feitos na superfície terres- tre (geóide) são matematicamente solucionados no elipsóide. Os sistemas geodésicos buscam uma melhor correlação entre o geóide e o elipsóide, elegendo um elipsóide de revolução que melhor se ajuste ao geóide local, Fundamentos de Cartografia 21 estabelecendo a origem para as coordenadas geodésicas referenciadas a este elipsóide, através dos datum horizontal e vertical. Figura 1.4. Superfície irregular do geóide. (http://www.esteio.com.br , 12/07/2009) Figura 1.5. Superfícies equipo- tenciais. Em geral, cada país ou grupo de países adotou um elipsóide (Figu- ra 1.6) como referência para os trabalhos geodésicos e topográficos. São usados elipsóides que mais se adaptem às necessidades de representação das regiões ou continentes. Figura 1.6. Representação do Elipsóide. Para definir um elipsóide necessita-se conhecer os seus parâme- tros, ou seja, o seu semi-eixo maior (a) e o semi-eixo menor (b) ou o acha- tamento (e). O achatamento pode ser calculado por: e = a-b/a. A posição deste elipsóide em relação à Terra, bem como sua forma e tamanho, consti- tuem um conjunto de parâmetros que são usualmente denominados Datum Geodésico. Curso de Cartografia Básica, GPS e ArcGIS 22 Datum - É um conjunto de pontos e seus respectivos valores de coordenadas, que definem as condições iniciais para o estabelecimento de um sistema geodésico. Com base nessas condições iniciais, um sistema geodésico é estabelecido através dos levantamentos geodésicos. Um sis- tema geodésico é um conjunto de estações geodésicas (marcos) e suas coordenadas. Um Datum (pl. Data) é constituído pela adoção de um elipsóide de referência que representará a figura matemática da Terra, um Ponto Geo- désico Origem e um Azimute inicial para fixar o sistema de coordenadas na Terra e servir como marco inicial das medidas de latitudes e longitudes. O critério para a escolha do Ponto Geodésico Origem é a máxima coincidência entre a superfície do geóide e do elipsóide. Portanto, um mesmo ponto do terreno terá valores de coordenadas diferentes quando referido aos diferen- tes Data. Datum Planimétrico (horizontal) - é o ponto de referência geodésico inicial que representa a base dos levantamentos horizontais, ou seja, é definido por um conjunto de parâmetros, e é um ponto de referência para todos os levantamentos cartográficos sobre uma determinada área. A locali- zação ideal do ponto seria onde houvesse coincidência entre o geóide e o elipsóide (h=0). Existem dois tipos de Data horizontais: Globais - quando o elipsói- de for global e não tiver ponto de amarração sobre a superfície terrestre que não os definidos no sistema. Os Locais - quando o elipsóide for local, neste caso deve possuir parâmetros diferenciais. Existem muitos elipsóides representativos da forma da Terra, que foram definidos em diferentes ocasiões e por diferentes autores. Dentre eles os mais comuns são: No Brasil são quatro os Data mais utilizados: SAD69, SIRGAS 2000 são os data planimétricos oficiais; Córrego Alegre, que é o datum local mais antigo, sendo comum encontrar trabalhos neste sistema, como por exemplo, as cartas na escala 1:50.000 do mapeamento sistemático; e o WGS84, que é o datum mundial (global) utilizado pelo sistema GPS. O WGS84 é dito um Datum global e geocêntrico, pois o elipsóide adotado (GRS80) ajusta-se à Terra como um todo e a origem dos seus eixos coordenados é no centro de massa da Terra. No datum global o elip- sóide é fixado à Terra pelo Equador e o Meridiano de Greenwich (não ne- cessita de Ponto Geodésico Origem nem de Azimute inicial). Veja o Quadro 01 para alguns Data. Fundamentos de Cartografia 25 A relação N= h-H é utilizada para determinar o valor de N quando se conhece a altitude elipsoidal h (sobre o elipsóide) e a altitude ortométrica H (sobre o geóide) do ponto considerado. 9B1.3 Localização A Terra possui um movimento de rotação que se processa em tor- no de um eixo imaginário. Os pontos de interseção deste eixo de rotação com a superfície terrestre são os pólos geográficos. Podemos traçar na Terra um círculo perpendicular ao eixo de rotação e que divide a Terra em duas metades iguais ou hemisférios. Este círculo máximo é chamado de equador terrestre ou equador geográfico. Todos os círculos menores que podemos traçar na Terra, paralelos ao equador, são denominados paralelos de latitude terrestre ou geográfica. É possível também traçar outros círculos máximos (que dividem também a Terra em hemisférios), perpendiculares ao equador terrestre. Estes círculos são chamados de meridianos terrestres ou geográficos. Através destes círculos, podemos determinar as coordenadas geográficas de um lugar. Assim como as pessoas se utilizam de pontos de referência para se localizar, foi criado um sistema de pontos de referência para localizar qualquer lugar da Terra em um globo ou mapa, que são os sistemas de coordenadas. Eles resultam do desenvolvimento de técnicas cartográficas para a elaboração de mapas, e são linhas neles traçadas com o objetivo de determinar a posição absoluta dos diversos lugares da Terra. O Sistema de coordenadas da Terra baseia-se na rede de coorde- nadas cartesianas. Este sistema foi traçado considerando a Terra como uma esfera perfeita. Assim, os pólos foram definidos como os pontos de interseção do eixo de rotação da Terra com a sua superfície e o equador é o raio máximo do planeta. Para que cada ponto da superfície terrestre possa ser localizado, existe um sistema de coordenadas (linhas imaginárias), que são represen- tadas em um mapa ou carta. Um objeto geográfico qualquer somente pode- rá ser localizado se pudermos descrevê-lo em relação a outro objeto cuja posição seja previamente conhecida. Os meridianos são as linhas que passam através dos pólos e ao redor da Terra, ou seja, são círculos máximos da esfera cujos planos con- têm o eixo de rotação ou eixo dos pólos. Decidiu -se que o ponto de partida para a numeração dos meridianos seria o meridiano que passa pelo obser- Curso de Cartografia Básica, GPS e ArcGIS 26 vatório de Greenwich, na Inglaterra. Portanto, o meridiano de Greenwich é o meridiano principal (Figura 1.8). A leste de Greenwich os meridianos são medidos por valores crescentes até 180º e, a oeste, suas medidas são de- crescentes até o limite de – 180º. Os paralelos são círculos da esfera cujo plano é perpendicular ao eixo dos pólos. O equador é o paralelo que divide a Terra em dois hemisfé- rios. O 0º corresponde ao equador, o 90º ao pólo norte e o – 90º ao pólo sul (Figura 1.9). Figura 1.8. Meridianos. Figura 1.9 Paralelos. O valor da circunferência dos paralelos varia conforme a latitude geográfica. A mesma pode ser determinada por: CRPR = CRER Cos Φ, onde CRPR é o valor da circunferência no paralelo desejado, CRER é o valor da circunferên- cia no equador terrestre (40.000 km) e Φ é a latitude geográfica do lugar. 37B1.3.1 Sistema de Coordenadas Geográficas O sistema de coordenadas geográficas constitui-se um sistema efi- ciente para a localização inequívoca da posição de objetos, fenômenos e acidentes geográficos na superfície terrestre. Neste sistema a Terra é divi- dida em círculos paralelos ao equador chamados Paralelos e em elipses que passam pelos pólos terrestres (perpendiculares aos paralelos) chama- das Meridianos. Cada ponto da Terra tem um único conjunto de coordena- das geodésicas definidas por Latitude e Longitude (Figuras 1.10 e 1.11). Fundamentos de Cartografia 27 Figura 1.10. Origem das coordenadas geodésicas. (http://pt.wikipedia.org , 30/05/2009) Figura 1.11. Sistema de coordenadas geográficas. (Rosa, 2004) Latitude Geográfica ou Geodésica (ϕ): é o ângulo entre a normal ao elipsóide no ponto considerado e sua projeção no plano equatorial. Dito de outra maneira, latitude geográfica é o ângulo (medido ao longo do meri- diano que passa pelo lugar) formado entre o equador terrestre e o ponto considerado. Todos os pontos do equador terrestre têm latitude geográfica igual a 0º. Pontos situados ao norte do equador têm latitudes maiores que 0º variando até 90º que é a latitude do pólo geográfico norte. Da mesma forma varia as latitudes ao sul do equador terrestre, desde 0º a 90º, latitude do pólo geográfico sul. Para se diferenciar os valores, atribui-se sinal positivo para as latitudes norte e negativo para as latitudes sul. A latitude é um elemento importante para explicar as diferenças térmicas, isto é, as diferenças de temperatura na superfície terrestre. As Curso de Cartografia Básica, GPS e ArcGIS 30 ções cartográficas são classificados quanto ao tipo de superfície adotada e pelo grau de deformação da superfície. 1.3.4.1 Tipo de Superfície Adotada Quanto ao tipo de superfície adotada, são classificadas em: cilín- dricas, planas ou azimutais e cônicas, segundo representem a superfície curva da Terra sobre um cilindro, um plano, um cone ou um poliedro tangen- te ou secante à esfera terrestre (Figura 1.14). Projeção Plana ou Azimutal - o mapa é construído imaginando-o situado num plano tangente ou secante a um ponto na superfície da Terra. Ex. Projeção Esterográfica Polar. Projeção Cônica - o mapa é construído imaginando-o desenhado num cone que envolve a esfera terrestre, que é em seguida desenrolado. As projeções cônicas podem ser também tangentes ou secantes. Nas proje- ções cônicas os meridianos são retas que convergem em um ponto e todos os paralelos, circunferências concêntricas a esse ponto. Ex. Projeção Côni- ca de Lambert. Projeção Cilíndrica - o mapa é construído imaginando-o desenha- do num cilindro tangente ou secante à superfície da Terra, que é depois desenrolado. Pode-se verificar que em todas as projeções cilíndricas, os meridianos bem como os paralelos são representados por retas perpendicu- lares. Ex. Projeção Mercator. Figura 1.14. Classificação das projeções quanto ao tipo de superfície adota- da. (http://www.esteio.com.br , 12/07/2008) Fundamentos de Cartografia 31 100BU .3.4.2 Grau de Deformação da Superfície Quanto ao grau de deformação das superfícies representadas, são classificadas em: conformes ou isogonais, equivalentes ou isométricas e eqüidistantes. Projeções Conformes ou Isogonais - possuem a propriedade de não deformar os ângulos de pequenas áreas. Nestas projeções os paralelos e os meridianos se cruzam em ângulos retos, e a escala em torno de um ponto se mantém para qualquer direção. Porém, ao se manter a precisão dos ângulos, distorce-se a forma dos objetos no mapa. Ex. Mercator Projeções Equivalentes ou Isométricas - não deformam áreas, conservando uma relação constante, em termos de área, com a superfície terrestre. Devido a suas deformações não são adequadas à Cartografia de base, porém são muito utilizadas para a Cartografia temática. Ex. Azimutal de Lambert Projeções Eqüidistantes - são as projeções que não apresentam deformações lineares, ou seja, os comprimentos são representados em escala uniforme. Esta condição só é conseguida em determinada direção. Estas projeções são menos empregadas que as projeções conformes e equivalentes, porque raramente é desejável um mapa com distâncias corre- tas apenas em uma direção. Ex. Cilíndrica Eqüidistante. Projeções Afiláticas - não possui nenhuma das propriedades dos outros tipos, isto é, equivalência, conformidade e equidistância, ou seja, as projeções em que as áreas, os ângulos e os comprimentos não são conser- vados. Todos os sistemas de projeções apresentam deformações, já que não é possível "achatar" uma superfície esférica em uma superfície plana sem a deformar. Estas deformações podem ser lineares, angulares, superfi- ciais ou, uma combinação destas três. O importante é ter-se a capacidade de decidir a melhor projeção para a aplicação que se deseja, analisando-se as propriedades geométricas oferecidas por cada projeção, de modo a preservar as características mais importantes para cada tipo de uso, pois, freqüentemente precisamos conhe- cer a distância entre lugares, a área de cidades, estados, países, ou outras parcelas de terra. Todo o mapa apresenta algum tipo de distorção, que depende da natureza do processo de projeção. Dependendo do objetivo do mapa, estas distorções podem ser minimizadas quanto à forma, área, distância ou dire- Curso de Cartografia Básica, GPS e ArcGIS 32 ção. Portanto, quando utilizamos mapas, devemos procurar escolher as projeções que preservem as características mais importantes para o nosso estudo e que minimizem as outras distorções. Normalmente em um país, é utilizado um conjunto padrão de proje- ções, previamente definido, para atender às demandas específicas de utili- zação e à representação em escala. No Brasil, para o mapeamento sistemá- tico, utiliza-se o seguinte padrão para projeções: ⇒ Escala 1:25.000 a 1:250.000 - Projeção UTM ⇒ Escala 1:500.000 a 1:1.000.000 - Projeção Conforme de Lam- bert ⇒ Escala 1:5.000.000 - Projeção Policônica. A seguir apresentamos alguns tipos de projeções cartográficas mais usadas na elaboração de mapas: Projeção de Mercator (conforme) - Também conhecida como Pro- jeção Cilíndrica de Mercator, procura traçar um mapa de toda a superfície terrestre. Ela reproduz bem o tamanho e o formato das áreas situadas na zona intertropical, mas exagera na representação das áreas temperadas e polares. Para se ter uma idéia desses exageros, basta observarmos um Mapa Mundi, onde a Groenlândia, parece ter a mesma área que a do Brasil, quando na verdade é cerca de quatro vezes menor. Projeção de Peters - Essa projeção tem como objetivo fazer uma projeção oposta a de Mercator. Procura fazer um retrato mais ou menos fiel do tamanho das áreas, só que acaba muitas vezes distorcendo as formas. Na verdade, essa projeção não se preocupa com a forma, mas com a pro- porção, isto é, com o tamanho relativo de cada área, trata-se de uma proje- ção equivalente. Projeção Plana ou Polar - Segundo esta projeção, as diversas partes da superfície terrestre estariam supostamente dispostas num plano, que está centrado num ponto qualquer do globo. Esta projeção tem a van- tagem nas áreas próximas do centro ficam muito bem representadas, bem detalhadas, mas as áreas distantes vão ficando cada vez mais distorcidas. Projeção de Aittof - Essa projeção é um meio termo entre as pro- jeções de Mercator e Peters. Essa projeção é muito usada na representação dos mapas mundi. Projeção Policônica (afilática) - Apropriada para uso em países ou regiões de extensão predominantemente norte-sul e reduzida extensão este-oeste. É amplamente utilizada nos EUA. No Brasil é utilizada em ma- pas da série Brasil, regionais, estaduais e temáticos. Não é conforme nem Fundamentos de Cartografia 35 Figura 1.16. Fusos UTM e sobreposição de fusos nos pólos. Em latitude, os fusos são limitados ao paralelo de 80 N e 80 S, porque as deformações tornar-se muito acentuadas para latitudes superio- res. As regiões polares devem ser representadas pela projeção Universal Polar Estereográfica. Como são 60 fusos para toda a Terra, cada fuso é numerado a par- tir do antimeridiano de Greenwich para a direita. No Brasil estão os fusos de numeração de 18 a 25, com ordem crescente do Acre para o Oceano Atlân- tico (Figura 1.18). Curso de Cartografia Básica, GPS e ArcGIS 36 Figura 1.17. Características do fuso UTM. A simbologia adotada para as coordenadas UTM é: N - para as co- ordenadas norte-sul; e E - para as coordenadas leste-oeste. Logo, uma localidade qualquer será definida no sistema UTM pelo par de coordenadas E e N. Cada fuso UTM possui meridiano central com uma taxa de defor- mação em escala o fator K = 0,9996 para pontos sobre o meridiano central o qual recebe a designação de Ko. Para qualquer outro ponto dentro do fuso o coeficiente de deformação linear é dado pela seguinte formulação: )()cos( 0λλφ −= senB 2/12 0 )1/( BKK −= Fundamentos de Cartografia 37 Onde: λ0 é o meridiano central do fuso UTM, λ é o meridiano do lugar, Φ é a latitude do lugar, K0 é o coeficiente de deformação linear no meridiano central e K é o coeficiente de deformação linear do lugar. Os sistemas de coordenadas comumente usados para representar os dados espaciais são: latitude/longitude e UTM (Universal Transversa de Mercator). O conhecimento acerca do fuso é fundamental para o posiciona- mento correto das coordenadas do sistema UTM. O seu cálculo pode ser efetuado facilmente através da seguinte fórmula: 1)/6)80inteiro((1 +±= λFuso Usa-se o sinal (+) para longitudes leste de Greenwich e (-) para longitudes oeste de Greenwich. Figura 1.18. Folhas na escala 1:1.000.000 que abrangem o Brasil. Curso de Cartografia Básica, GPS e ArcGIS 40 A Figura 1.20 seguir mostra a articulação das folhas UTM para Camobi desde a escala de 1:1.000.000 até a escala de 1:25.000. Figura 1.20 Exemplo de articulação das folhas UTM. (Sebem, 2008). 13B .7 Conversões entre sistemas de referência O registro de dados da superfície a partir do sistema de coordena- da UTM é um processo relativamente simples, sendo, portanto o sistema mais utilizado. No entanto, todos os dados devem ser registrados no mesmo sistema de coordenadas, caso contrário não será possível a sobreposição e/ou cruzamento dos mesmos por meio de um SIG. A relação existente Fundamentos de Cartografia 41 entre os dois Data muito usuais no Brasil, o SAD69 e o WG84 está demons- trada na Figura 1.21. Figura 1.21. Paralelismo entre os eixos cartesianos dos Data SAD69 e WGS84. Desta forma, para que uma coordenada tomada em WGS84 seja plotada sobre uma carta em SAD69, ou vice-versa, esta coordenada deve sofrer uma conversão de Datum. Na obtenção de coordenadas em outros sistemas a partir de SAD69, utilizam-se os seguintes parâmetros de transição apresentados no Quadro 03. Quadro 03: Diferenças entre os Data. (IBGE, 2005) Parâmetros / Sistemas (m) Córrego Alegre SIRGAS 2000 / WGS-84 ∆X 138 -67,35 ∆Y -164,4 3,88 ∆Z -34 -38,22 Estes parâmetros devem ser computados junto às coordenadas cartesianas X, Y e Z no momento da conversão. Processo que é executado automaticamente nos programas de posicionamento por GPS. O usuário deverá ficar atento para o valor correto dos parâmetros acima, sobre prejuí- zo de um posicionamento incorreto com demonstra a Figura 1.22. Curso de Cartografia Básica, GPS e ArcGIS 42 Figura 1.22. Erro de posicionamento. (http://www.esteio.com.br , 12/07/2008) 13B .8 Uso de sistemas de coordenadas nas regiões polares A projeção UTM e seu sistema de coordenadas é utilizado entre as latitudes 80° S e 84° N. Estes limites permitem o uso do sistema UTM na quase totalidade das áreas continentais do hemisfério norte e na totalidade das áreas continentais do hemisfério sul, com exceção da Antártida. Expor detalhadamente os motivos desta diferença, além de extenso, seria tedioso – geógrafos, geodesistas e cartógrafos discutiram bastante até adotarem esta convenção que, como todas as convenções, mesmo tendo referências técnicas, é, até certo ponto, arbitrária. Fica, porém, uma sugestão de fácil realização: num globo terrestre de uso didático ou mesmo no Google Earth, o leitor poderá observar que, no hemisfério norte, as terras continentais se estendem até muito mais perto do respectivo pólo do que na corresponden- te situação no hemisfério sul. É este o principal motivo. Para as latitudes superiores, o que equivale a dizer regiões polares extremas, usa-se a projeção UPS (Universal Polar Stereographic). A projeção UPS pode ser descrita como um sistema de coordenadas retangu- lares desenvolvido para uso nas regiões polares e que, na forma de expres- são das coordenadas, se assemelha à projeção UTM. Num receptor GPS de navegação configurado para indicação de coordenadas no formato UTM/UPS, entre 80° S e 84° N a indicação será em coordenadas UTM. Entre estas latitudes e os pólos, a indicação será em coordenadas UPS. No sistema UPS, que é semelhante no Pólo Norte e no Pólo Sul, a superfície de projeção é um plano perpendicular ao eixo de rotação da Terra e os pólos são usados como origem das coordenadas. A fim de evitar o uso Fundamentos de Cartografia 45 Figura 1.24. Precisão e acurácia. Adaptada de (http://sampa.if.usp.br/~suaide/LabFlex/blog/files/acuracia.jpg , 30/05/2009) 40B1.9.1 Precisão Precisão é o grau de refinamento da execução de uma operação, ou o grau de perfeição dos instrumentos e métodos utilizados para obter os resultados. Uma indicação da uniformidade ou reprodutibilidade dos resulta- dos. Precisão está relacionada com a qualidade de uma operação na qual um resultado é obtido, diferindo da acurácia, que por sua vez, está relacio- nada com a qualidade do resultado. Na Figura 1.23, o alvo n°1 demonstra que o atirador obtém resulta- dos muito ruins na tentativa de acertar o centro do alvo, não havendo qual- quer tipo de uniformidade na distribuição de seus resultados. O atirador é impreciso e nada acurado. Já no segundo alvo, o atirador consegue uniformidade, no entanto, sem acurácia. Esta uniformidade pode ter sido alcançada utilizando-se uma luneta, ou um estabilizador para a arma. Com o conhecimento adquirido observando os resultados, o atirador poderá aplicar um ajuste sistemático, do tipo, apontar um pouco para o lado ou ajustar o equipamento (luneta), Curso de Cartografia Básica, GPS e ArcGIS 46 buscando alcançar resultados mais acurados, além da já alcançada preci- são. 40B1.9.2 Acurácia É o grau de conformidade com uma verdade padrão. Acurácia está relacionada com a qualidade dos resultados, sendo, portanto, diferente de precisão como já exposto acima. No alvo n°3, o atirador aproxima-se do objetivo, no entanto sem grande precisão. Talvez tenha de trocar o equipa- mento ou de metodologia utilizada, se o objetivo for alcançar uma precisão ainda maior, uma vez que através desta metodologia utilizada até então, foi alcançado o limite da técnica ou do equipamento. No alvo n°4 estão representados resultados associados a acurácia e precisão. Diferente do alvo n°2, pois o atirador deve ter feito algum tipo de ajuste sistemático após avaliar a posição dos tiros precisos, mas sem acu- rácia. A precisão não melhorou muito, mas a conformidade com um valor verdadeiro, aumentou bastante. 13B .10 Novos avanços no mapeamento da superfície terrestre Em março de 2009, o satélite GOCE (Gravity field and steady-state Ocean Circulation Explorer) desenvolvido pela Agência Espacial Europeia (ESA) foi colocado numa órbita baixa da Terra, quase heliossíncrona, por um lançador Rockot, a partir do cosmódromo de Plesetsk , no norte da Rús- sia. O GOCE é o primeiro de uma nova família de satélites da ESA concebidos para estudar o nosso planeta e o seu ambiente, a fim de melho- rar o conhecimento e compreensão dos processos do sistema da Terra e a sua evolução, para que possamos enfrentar os desafios das alterações climáticas globais. Em particular, o GOCE irá medir as diferenças de minu- tos no campo de gravidade da Terra a nível global. Durante 24 meses, o satélite irá recolher dados de gravidade tridi- mensionais em todo o planeta. Os dados brutos serão processados em terra para produzir o mapa mais preciso do campo gravitacional da Terra e aper- feiçoar o geóide: a verdadeira forma de referência do nosso planeta. O conhecimento preciso do geóide, que pode ser considerado como a superfí- cie de um oceano global ideal em repouso, terá um papel muito importante em estudos futuros do nosso planeta, dos oceanos e da atmosfera. Servirá Fundamentos de Cartografia 47 de modelo de referência para medir e modelar as alterações do nível do mar, a circulação dos oceanos e a dinâmica das calotas de gelo polares. Os dados recolhidos pelo GOCE irão fornecer uma precisão de 1 a 2 cm na altitude do geóide e 1 mGal para a detecção de anomalias do cam- po de gravidade (as montanhas, por exemplo, costumam provocar variações gravitacionais locais que vão desde dezenas de miligal a aproximadamente uma centena). A resolução espacial será melhorada de várias centenas ou milhares de quilômetros em missões anteriores para 100 km com o GOCE. A cartografia do campo de gravidade da Terra com esta precisão será útil para todas as áreas das ciências da Terra. Para a Geodesia, irá proporcionar um modelo de referência unifi- cado para medições de altura em todo o mundo, eliminando as descontinui- dades entre os sistemas de altura para as diversas massas terrestres, paí- ses e continentes. O mapa geoidal preciso permitirá uma melhor determina- ção orbital para satélites que monitorizam o manto de gelo e, assim, uma maior precisão das medições. Para a Geofísica, combinando os resultados do GOCE com os da- dos do magnetismo, da Topografia e da Sismologia, irá ajudar a produzir mapas detalhados em 3D das variações de densidade na crosta terrestre e no manto superior. Este será uma importante contribuição para a melhoria de toda a modelagem de bacias sedimentares, fendas, movimentos tectôni- cos e alterações verticais do mar/terra, melhorando a nossa compreensão dos processos responsáveis pelas catástrofes naturais. A Figura 1.25 a seguir mostra uma ilustração do satélite GOCE. Figura 1.25. Satélite GOCE. (http://www.mundogeo.com.br , 12/05/2009) Curso de Cartografia Básica, GPS e ArcGIS 50 mos usá-la para propósitos de mapeamento, tanto pela obtenção direta em campo como pelo processamento de imagens de satélites ou aéreas que devem ser georreferenciadas usando pontos de controle. Nós também po- demos usar informação localizacional para praticar esportes como caminha- da ou ciclismo, ou ainda em missões de resgate. Recentemente, o GNSS tem sido usado para agricultura de precisão, para aperfeiçoar o rendimento de safras. Há mais aplicações onde o GNSS pode ser usado, como será apresentado mais adiante. Figura 2.1. Recebendo Sinais de Satélites para calcular a posição corrente. (http://www.defenseindustrydaily.com/images/SPACSatelliteGalileoSystemConceptlg.j pg , 30/05/2009) 19B2.4 Sistemas GNSS Como a necessidade pelo GNSS aumenta diferentes nações co- meçaram a trabalhar no desenvolvimento de seus próprios sistemas. Este desenvolvimento iniciou com uma orientação militar como no caso do NAVSTAR-GPS, sistema dos Estados Unidos da América que passou a ser completamente operacional em 1994. O governo russo completou a conste- lação GLONASS em 1995, mas este sistema precisa atualmente de repa- ros, mas está programado para estar totalmente operacional e com cobertu- ra global em 2010. A União Européia está trabalhando no desenvolvimento do sistema GALILEO, que está previsto para estar operacional em 2013. Outros países também preparam seus próprios sistemas de nave- gação por satélite, como é o caso, da China com o denominado COMPASS Introdução a Tecnologia GNSS 51 que já lançou seus primeiros satélites e pretende lançar mais 10 nos próxi- mos dois anos. Também a Índia que possui grande tradição no lançamento de satélites imagiadores, anunciou recentemente que está desenvolvendo o seu próprio sistema de navegação por satélites e deverá lançar 7 satélites nos próximos seis anos, sendo que o primeiro satélite da futura constelação deverá ser enviado ao espaço em 2009. 41B2.4.1 GPS A constelação de satélites GPS iniciou sua operação em Dezembro de 1993. Com uma configuração de 24 satélites organizados em 6 planos orbitais e mais 3 satélites de reserva, os quais possuem uma inclinação de 55 graus e uma altitude de 22.200 Km, que fornecem serviços em todo o mundo. Os satélites GPS transmitem informações em duas freqüências denominadas L1, a 1.575,42 Mhz, e L2, a 1.227,6 Mhz, usando o protocolo de comunicação Code Division Multiple Access (CDMA). A informação transmitida pelos satélites é usada para calcular a posição de receptores no momento da transmissão do sinal. O GPS fornece dois serviços, o Serviço de Posição Padrão (Standard Positioning Service - SPS) e o Serviço de Posicionamento Preciso (Precise Positioning Service - PPS). O SPS fornece uma precisão de 100 m horizontal e 156 m vertical (estas precisões referem- se a SA ativada), e este é o serviço que pode ser usado gratuitamente. O PPS fornece uma precisão de 22 m horizontal e 27,7 m vertical, e foi proje- tado para serviços militares. É por isso que ele também tem um sistema Anti-Imitação (AntiSpoofing - AS) que replica o código de distância até o satélite, e um sistema de Disponibilidade Seletiva (Selective Availability - SA) que nega a precisão total do sistema para usuários do serviço SPS. Estes sistemas de proteção são removidos para usuários do serviço PPS através de criptografia. O plano de modernização para o Sistema GPS inclu- iu o novo código civil L2C (mais penetrante) e a terceira portadora (L5) que será usada livremente pelos usuários. O novo código L2C já está disponível 6 satélites, e permitirá melhor acurácia nos posicionamentos dentro de construções e, principalmente, em áreas arborizadas. Sendo mais robusto e com mais potência que o código C/A, que foi concebido na década de 70, será essencial para o uso em telefones celulares (E911) indoor GPS, obtendo melhor qualidade nas me- didas de pseudodistâncias e poderá ser rastreado em ângulos de elevação próximos de zero. Além de ter uma potência mais baixa em relação aos Curso de Cartografia Básica, GPS e ArcGIS 52 demais sinais, o que oferece vantagens nas aplicações, principalmente para os operadores que utilizam baterias. Foi lançado no dia 24 de março de 2009 o satélite GPS denomina- do IIR-20 (M), o qual serve de referência, pois será o primeiro satélite a transmitir a nova freqüência L5, e desta forma, dará acesso prioritário sobre a mesma ao Sistema GPS. A nova portadora L5 (1176,45 MHz) foi especifi- cada para ser melhor que a L1 em várias formas: mais potente (6 dB); mais resistente à interferência; tem uma componente desprovida de dados, o que melhora a capacidade de rastreio; melhor acurácia, mesmo com a presença de multicaminho; está localizada numa porção do spectrum reservado para os serviços aeronáuticos de radio-navegação (ARNS), sendo essencial para a aviação. Com a L5 teremos a possibilidade de montar combinações que possibilitarão lidar muito melhor com ambiguidade e com os efeitos da io- nosfera. Isso quer dizer resolver ambiguidades mais rápido, e sob condições mais difíceis. Atualmente o Sistema GPS conta com 31 SVs (Space Vehicle) o- peracionais em órbita. A Figura 2.2 mostra um satélite GPS. Figura 2.2. Concepção Artística de um Satélite GPS. (http://wiki.sj.cefetsc.edu.br/wiki/index.php , 12/08/2009) Introdução a Tecnologia GNSS 55 esteja completamente operacional são necessários 30 satélites, o que está previsto para ocorrer em 2015. 20B .5 Sistemas de Aumentação Algumas aplicações requerem informações mais precisas do que as fornecidas pelos sistemas GNSS atuais. A forma com que se consegue isso é pela implementação de sistemas de aumentação que não apenas incrementam a precisão, mas também a integridade e disponibilidade. Isto é feito com a incorporação de estações base cujas posições são conhecidas com precisão de tal forma que os erros dos satélites podem ser calculados e corrigidos. Há Sistemas de Aumentação Baseados em Solo (Ground Based Augmentation Systems - GBAS) como Sistema de Áreas Locais de Aumen- tação (Local Área Augmentation System - LAAS) ou GPS Diferencial (Diffe- rential GPS - DGPS), e também Sistemas de Aumentação Baseados em Satélites (Satellite Based Augmentation Systems - SBAS). Dentre os siste- mas SBAS, há os Sistemas de Aumentação de Grande Alcance de Área (Wide Área Augmentation System - WAAS) nos EUA, o Sistema de Aumen- tação de Satélite Multi-funcional (Multi-functional Satellite Augmentation System - MSAS) no Japão e o Serviço de Cobertura para Navegação Geo- estacionário Europeu (European Geostationary Navigation Overlay Service - EGNOS). Neste capítulo, apresentamos uma breve descrição do EGNOS. Uma das mais importantes aplicações na qual um sistema de aumentação é necessário é a aviação civil, particularmente durante a fase de aproximação do vôo (pouso) Os sistemas atuais de aumentação são mostrados na Figura 2.5. Curso de Cartografia Básica, GPS e ArcGIS 56 Figura 2.5. Cobertura Atual dos Sistemas de Aumentação. (http://www.netmap.de/domain/192.168.2.200/oe-nav.com/WAAS/waas%20cover.jpg , 30/05/2009) 44B2.5.1 Sistema de Cobertura para Navegação Geoestacionário Europeu - EGNOS EGNOS é um projeto em conjunto da ESA, da Comissão Européia e EUROCONTROL (a Organização Européia para a segurança da Navega- ção Aérea). O EGNOS é projetado para adequar-se aos requisitos extre- mamente desafiantes do pouso de aeronaves, então ele também é adequa- do para a maioria dos requisitos dos usuários. O EGNOS é o sistema de aumentação baseado em satélites da Europa. Foi criado para incrementar o sinal dos sistemas GPS (fornecido pelos Estados Unidos) e do GLONASS (fornecido pela Rússia) com o objetivo de fornecer precisão diferencial e informações sobre integridade, de tal forma que o novo sinal pode ser usado para aplicações críticas como pouso de aeronaves, que requerem grande precisão. 21B .6 Aplicações GNSS 45B2.6.1 Agricultura e Pesca Tomar conta da segurança da produção de alimento é uma grande prioridade para evitar doenças como a Encefalopatia Bovina Espongiforme (Bovine Spongiform Encephalopathy - BSE), também conhecida como a Introdução a Tecnologia GNSS 57 doença da "Vaca Louca", a doença do "Pé-e-boca", ou produtos que têm sido modificados geneticamente. É por isto que medidas de controle são tomadas com o objetivo de aumentar a qualidade da produção de comida e ao mesmo tempo conservar o meio-ambiente. Por outro lado, no setor de pesca, há um grande territó- rio a ser protegido de práticas ilegais, para a im- plementação de regras internacionais, e finalmen- te, é necessário fornecer uma navegação segura para qualquer tipo de embarcação. Nesta seção, mencionamos alguns exemplos de aplicações nos setores de agricultura e pesca. 46B2.6.2 Pulverização Química Como sabemos, produtos químicos são usados para incrementar a produtividade, através do controle de pestes e infestação de ervas- daninhas em safras. O problema é que estes químicos contaminam nos- so ambiente e algumas vezes são lançados em áreas onde não são real- mente necessários, com um grande impacto econômico. Uma forma como o GNSS pode ajudar é com o posicionamento preciso de aeronaves, de forma que o piloto possa pulverizar herbicidas, inseticidas ou fertilizantes nos lugares corretos e com quantidades apropriadas. Este controle automático vai permitir uma distribuição mais homogênea de produtos, que vai resultar em uma redução da quantidade necessária. Para esta aplicação, um posi- cionamento preciso de menos do que 1 metro é requerido, e uma precisão de 1 centímetro seria a ideal. Assim, se conectarmos um receptor GNSS a um veículo de pulverização e a uma base de dados, provavelmente também a um Sistema de Informações Geográficas (SIG) e também usar dados de campo, poderemos controlar o processo de pulverização. Curso de Cartografia Básica, GPS e ArcGIS 60 pontes têm uma carga maior do que o especificado em seus parâmetros de pro- jeto, e seu monitoramento é necessário. O uso da tecnologia de receptores de satéli- tes e softwares de processamento em tempo real são ferramentas com bom custo-benefício, que podem ser usadas para automatizar os sistemas de monito- ramento. 52B .6.8 Orientação de Máquinas Receptores GNSS junto com técnicas ci- nemáticas em tempo real podem também ser usadas para guiar maquinário pesado em vários tipos de obras. Também é de grande interesse a orientação automática de máquinas para traba- lhar em ambientes perigosos. 53B2.6.9 Logística e Gerenciamento de Canteiros de Obras Para locais com grandes cons- truções, as rotas de acesso e as áreas de trabalho nas estruturas mudam cons- tantemente, ao mesmo tempo em que muitos veículos estão se movendo. Es- tas atividades devem ser eficientemente gerenciadas com o objetivo de evitar confusões que poderiam ser perigosas e resultar em perda de tempo; assim, o GNSS poderia ser usado para forne- cer informações altamente precisas e contínuas para o canteiro de obras. Introdução a Tecnologia GNSS 61 54B2.6.10 Manutenção da Infraestrutura de Rodovias e Ferrovias A grande rede de rodovias e ferrovias do mundo precisa de engenheiros civis para fazer sua manutenção. Estas rodovias e ferrovias devem ser monitoradas para a percepção de qualquer mudança na superfície ou nas cargas. O GNSS vai ajudar com medidas precisas como inclinação ou alinhamentos, junto com infor- mações de data e posição. O processamento desta informação poderia ser feito off-line, evi- tando interrupções de tráfego, e poderiam ser originadas por veículos de manutenção trabalhando para obter informações fornecidas automaticamen- te pela tecnologia GNSS. 55B2.6.11 Energia Aplicações em energia envol- vem projeto, construção, e operação de grandes redes. Por exemplo, a eletricidade deve ser distribuída ao longo de grandes distâncias e a rede dedicada a isto deve ser continuamen- te monitorada com o objetivo de de- tectar qualquer quebra de linha e fazendo os reparos o mais breve pos- sível. Uma abordagem similar é se- guida nos setores de óleo e gás, onde diferentes tipos de riscos devem ser monitorados para dar o alerta e para aumentar a segurança em caso de trabalho em lugares perigosos (por exemplo, riscos geo-morfológicos e geofísicos). Curso de Cartografia Básica, GPS e ArcGIS 62 56B2.6.12 Sincronização de Redes para Geração e Distribuição de Energia Há atualmente um cresci- mento necessário para integrar redes de distribuição de energia, o qual enfatiza a economia de energia e eficiência, e requer sincronização precisa e acurada. O GNSS pode ser usado para sincronização e permite um transporte eficiente de força. Como um exemplo desta aplicação nós temos que medidas de per- turbações devem ser registradas no tempo com erros de menos do que 0,001 segundos (o que pode ser feito com o GNSS). Porém, energia elétrica não é facilmente estocada e quando aparece um erro de funcionamento, uma onda de corrente ou voltagem se propaga ao longo das linhas, danifi- cando equipamentos e causando longas interrupções de serviço. Uma indi- cação remota de metros poderia poupar custos. Outra aplicação onde o registro preciso de tempo de eventos é necessário é o rastreamento da origem de problemas, de forma que uma ação corretiva possa ser tomada. 57B2.6.13 Mapeamento de Infra-estrutura Um sistema de mapeamento eletrônico poderia beneficiar a opera- ção de uma instalação elétrica, porque poderia guardar localizações precisas de pólos de produção, transformado- res, ou até mesmo consumidores, onde a precisão poderia ser alcançada usando o GNSS. Com esta ferramenta de mapeamento, uma falha na infra- estrutura poderia se identificada imedi- atamente, serviços de manutenção po- deriam ser planejados, e tempo poderia ser economizado. O mesmo tipo de aplicação pode ser usado para água, desperdício de água, e instalações de gás. Introdução a Tecnologia GNSS 65 62B .6.18 Segurança Ambiental Há também aplicações pa- ra proteger o ambiente e fazer nossas vidas mais seguras, de uma forma mais efetiva. Um exemplo seria o gerenciamento do transpor- te de óleo, onde os responsáveis por um vazamento de óleo (aciden- tal ou intencional) poderiam ser fa- cilmente identificados. Da mesma forma, um transporte seguro de carga nuclear ou qualquer outro material perigoso vai aumentar a segurança das pessoas e do ambiente. 63B2.6.19 Seguros Nesta aplicação, os serviços do GNSS vão permitir a inovação em termos de condições de política. Pode ser usado efeti- vamente para controlar e monitorar bens valiosos como o caso de ouro, dinheiro, ou qualquer outro item segurado. Estes bens podem estar mais seguros se estiverem continuamente rastreados, com o benefício direto para a companhia seguradora e os consumidores. O GNSS vai forne- cer um suporte legal para o setor de seguros e ao mesmo tempo disponibili- zar um número de novos serviços (por exemplo, para seguros de carros e imóveis). 64B2.6.20 Telecomunicações Serviços de comunicação, combinados com sistemas de localiza- ção, têm um grande número de aplicações em posicionamento, busca por endereços, informações sobre tráfego em tempo real, entre outras. Curso de Cartografia Básica, GPS e ArcGIS 66 65B2.6.21 Localização de Telefones Móveis Há duas razões principais para localizar uma chamada. A primeira para chamadas de emergência (E-l 12 na Euro- pa e E-911 nos EUA) que têm uma nova legislação em alguns países para aumen- tar a eficiência de serviços de emergência para os cidadãos com a resposta precisa e rápida a chamados de socorro. A segunda, para disponibilizar novos serviços baseados na localização dos consumido- res. A localização de uma chamada pode ser conseguida (tecnicamente) pela integração de um receptor GNSS em um telefone celular (ou solução de mão) ou pelo uso de urna rede de comunicação. Uma vez que a localiza- ção da chamada é conhecida, uma série de serviços, conhecidos como Serviços Baseados em Localização (Location Based Services - LBS) pode ser oferecida. 66B2.6.22 Rede de Comunicações À medida que novas tecnologias digi- tais fornecem mais serviços de tempo (vídeo em tempo real, vídeo conferência, transações encriptadas banco-a-banco) é necessária uma arquitetura em rede confiável (GSM, UMTS, Internet, ATM). O aumento do número de con- sumidores desses serviços faz com que os operadores aumentem a qualidade, confiabili- dade, e amplitude dos serviços. É por isso que há a necessidade de resolver todos os problemas de tempo e sincronização em redes, relacionados com estes serviços. O GNSS vai ser usado para fornecer informações altamente precisas sobre tempo e freqüência, sem a necessidade de investimento em caros relógios atômicos. Introdução a Tecnologia GNSS 67 67B2.6.23 Aviação A navegação por satélites tem sido durante muito tempo um meio alter- nativo de localização. O GPS tem sido usado como um serviço de posiciona- mento complementar em diferentes fases de vôo, tanto em lazer como em transporte comercial. No sistema Galileo é utilizado como um recurso o EGNOS que permite ajudar a refinar e melhorar a navegação por satélites e auxiliar pilotos em todas as fases de vôo, além de prover a segurança requerida para esse tipo de aplicação. A disponibilidade do Galileo e do GPS (sendo eles compatíveis) vai fornecer robustez (através da redundância e alta confiabilidade do serviço) para todas as fases de vôo. É previsível que a melhora na precisão e a integridade do serviço vai permitir a redução na separação entre aeronaves no congestionado espaço aéreo, com o objetivo de acompanhar o crescimento do tráfego, o qual tem crescido aproximadamente 4% por ano em todo o mundo nos anos recentes e com uma tendência de dobrar o número de vôos em 20 anos. O GNSS vai contribuir para fornecer sistemas de posicionamento confiáveis e precisos para fazer isso possível. 68B2.6.24 Operações em Portos Entre as mais difíceis mano- bras de barcos estão à aproximação em portos e o posicionamento nas docas, particularmente sob condições climáticas ruins. É por isso que a assistência local com navegação por satélites é uma ferramenta funda- mental para todos os tipos de opera- ções em portos e posicionamento em docas. A disponibilidade aumentada de satélites vai ajudar a fornecer os serviços até mesmo em ambientes com visibilidade limitada do céu. 3B SISTEMA DE POSICIONAMENTO GLOBAL GPS 22B3.1 Um breve histórico Embora hoje a localização espacial seja uma tarefa relativamente simples para o usuário de posicionamento por satélite, ela foi um dos primei- ros problemas científicos que o ser humano procurou solucionar. O homem sempre teve interesse em saber onde estava. Inicialmente restrita à vizi- nhança imediata de seu lar, mais tarde a curiosidade ampliou-se para locais do comércio e por fim, com o desenvolvimento da navegação marítima, praticamente alcançou o mundo todo. Conquistar novas fronteiras, com deslocamento seguro, exigia o domínio sobre a arte de navegar, saber ir e voltar de um local a outro, com conhecimento de seu posicionamento, du- rante todo o trajeto, tanto na terra como no mar ou no ar. Por muito tempo o Sol, os planetas e as estrelas foram pontos de referência na orientação. Mas além da necessária habilidade do navegador, as condições climáticas podiam significar a diferença entre o sucesso e o fracasso de uma expedição. Por isto, a navegação exigiu, desde seu início, o desenvolvimento de instrumental de apoio à orientação. Um dos primeiros instrumentos de navegação foi a bússola, invento chinês que proporcionou uma verdadeira revolução na arte de navegar. Mas ainda perdurava um problema: como determinar a posição de uma embarcação em alto-mar? A indicação norte-sul da bússola não é suficiente. O astrolábio a despeito de seu peso e tamanho, possibilitava apenas a obtenção da latitude, sujeita a grande margem de erro. A medição com esse instrumento só podia ser realizada à noite e com boa visibilidade. Melhorias ocorreram, no transcorrer dos anos, com a introdução de novos instrumentos, tais como o quadrante de Davis e o sextante. Este último foi utilizado pelo navegador brasileiro, Amyr Klink, em sua viagem solitária de travessia do oceano Atlântico a remo, desde a Namíbia situada na costa sul da África até a costa nordeste brasileira, realizada no segundo semestre de 1984 e narrada no livro do navegador "Cem Dias entre Céu e Mar". A determinação da longitude foi considerada o maior problema ci- entífico do século XVIII. De qualquer forma, mesmo com os melhores ins- trumentos, a navegação celeste só proporcionava valores aproximados da Curso de Cartografia Básica, GPS e ArcGIS 72 posição, o que nem sempre eram apropriados para encontrar um porto durante a noite. Com o lançamento do primeiro satélite artificial da Terra, os soviéti- cos iniciaram a corrida espacial. Foram pioneiros com o lançamento do SPUTNIK I em 4 de outubro de 1957. O rastreamento orbital do SPUTNIK era feito principalmente a partir do conhecimento das coordenadas das estações terrestres de rastreamento e do desvio Doppler dos sinais, gerado no próprio satélite. Este princípio permitiu a determinação da órbita do saté- lite e foi concebido pelos físicos W. Guier e G. Weiffenbach, pesquisadores do laboratório Johns Hopkins. O processo inverso, ou seja, a idéia de se determinar as coordenadas de pontos sobre a superfície terrestre (que é o objetivo básico do atual GPS), a partir do conhecimento da posição de saté- lites no espaço, em um determinado instante, deve-se a um outro pesquisa- dor do mesmo instituto, Dr. McLure. Dentre os primeiros resultados do lançamento de satélites artifici- ais, com benefícios diretos para a Geodésia, destaca-se a verificação da influência do achatamento terrestre no movimento orbital dos satélites. Con- cebido por Newton no século XVIII e comprovado através de medidas efetu- adas sobre a superfície terrestre, a forma não esférica da Terra, pode ser detectada a partir de anomalias nas órbitas previstas, reflexo direto de vari- ações do campo de gravidade terrestre. No que diz respeito às aplicações da Geodésia, o estudo do campo de gravidade terrestre a partir do movi- mento dos satélites, permitiu avanços significativos. Outros setores tecnológicos contribuíram expressivamente para o desenvolvimento do GPS, entre eles, a micro eletrônica e a comunicação via satélites. Mesmo fundamentados em altas tecnologias, os primeiros sistemas de navegação desenvolvidos, apresentavam algum tipo de problema. Entre estes sistemas, o predecessor imediato do atual GPS, foi o NNSS (Navy Navigational Satellite System). Originalmente idealizado para localização e navegação de navios de guerra americanos, este sistema foi amplamente utilizado para aplicações geodésicas, em todo o mundo. O geoposiciona- mento propiciado pelo NNSS já era realizado por meio de ondas eletromag- néticas e o sistema era suportado por uma constelação de 8 satélites ativos, em órbitas polares elípticas (quase circulares), a uma altitude média de 1.100 km. O NNSS: que ficou em operação até meados de 1993, tinha dois grandes problemas: não provia cobertura mundial total e havia um lapso de tempo considerável, entre passagens sucessivas dos satélites para um Sistema de Posicionamento Global GPS 75 25B3.4 Composição ou segmentos do sistema A estrutura do Sistema de Posicionamento Global é dividida em três entidades principais: segmento do espaço ou espacial, segmento de controle e monitoramento e segmento dos usuários (Figura 3.2). Figura 3.2. Os três segmentos. (Robaina, 2006) 72B3.4.1 Segmento do Espaço A estrutura final do sistema compreende 27 satélites (24 operacio- nais e 3 de reserva) distribuídos em 6 planos orbitais, com 4 satélites opera- cionais por plano, inclinados de 55° em relação ao plano do equador e uma altura dos satélites de aproximadamente 20.000 km (Figura 3.3). Esta configuração implica num período de 12 horas para completar uma volta em torno da Terra. O objetivo dessa forma de distribuição dos satélites (configuração da constelação) é assegurar, que em qualquer ponto sobre a superfície da Terra ou próxima a ela, a disponibilidade mínima de 4 satélites acima do horizonte durante as 24 horas do dia. Curso de Cartografia Básica, GPS e ArcGIS 76 Figura 3.3. Distribuição do segmento espacial. (Robaina, 2006) O segmento do espaço é formado pelos satélites que possuem as seguintes funções: a) Manter uma escala de tempo bastante precisa. Para isso cada satélite possui dois relógios de césio e de rubídio; b) Emitir dois sinais ultra-sensíveis em freqüência, modulados em fase através dos códigos denominados pseudo-aleatórios, sobre as duas freqüências especificas do sistema L1 = 1.57542 GHz e L2 = 1.22760 GHz; c) Receber e armazenar as informações oriundas do segmento de controle; d) Efetuar manobras orbitais para guardar a sua posição definida na constelação ou para substituir um outro satélite defeituoso; e) Retransmitir informações (mensagens de navegação) ao solo. 101BU3.4.1.1 Satélites GPS Os satélites GPS (Figura 3.4) são transmissores de sinais de radio, gerados a partir de uma freqüência fundamental de 10,23 MHz, a partir de osciladores de Césio ou de Rubídio e todas as outras freqüências são deri- vadas da fundamental. Sua identificação pode ser feita de várias maneiras, mas a forma mais utilizada é através do seu PRN (Pseudo Random-Noise - em português poderia ser traduzido como ruído falsamente aleatório) ou SVID (Space Vehicle Identification - identificação do veículo espacial). Este é o número que aparece no visor da maioria dos aparelhos receptores GPS, para identificar os satélites que estão sendo rastreados. Publicações e dis- tribuição de informações técnicas sobre os satélites, inclusive na internet, normalmente utilizam o PRN como identificador. Sistema de Posicionamento Global GPS 77 Figura 3.4. Satélite GPS. (Robaina, 2006) 102BU3.4.1.2 O tempo GPS O sincronismo do tempo entre os relógios dos satélites e dos re- ceptores é de extrema importância no processo de posicionamento. Portan- to, cada satélite carrega padrões de freqüência altamente estáveis (basea- dos nos pulsos atômicos do Césio e do Rubídio), com estabilidade entre 10- 12 e 10-13 segundos por dia, constituindo uma referência de tempo extre- mamente precisa, denominada de tempo GPS. Originalmente quatro conjun- tos de satélites fizeram parte do projeto NAVSTAR-GPS. São denominados satélites dos blocos I, II, MA e IIR. Os satélites dos blocos II e IIA estão equipados com dois osciladores atômicos de Césio e dois de Rubídio, en- quanto os do bloco I eram equipados apenas com osciladores de quartzo, muito menos precisos. Os satélites do bloco IIR estão sendo equipados com osciladores de Rubídio, e os do bloco IIF poderão utilizar o MASER de hi- drogênio (Microwave Amplification by Stimulated Emisson of Radiation), o que há de melhor nos dias atuais, em termos de padrão de freqüência. 103BU .4.1.3 Estrutura do Sinal dos Satélites GPS Os satélites transmitem duas ondas de rádio denominados portado- ras, obtidas pela multiplicação eletrônica da freqüência fundamental pelo fator 154 e 120 (Figura 3.5). Curso de Cartografia Básica, GPS e ArcGIS 80 as 5 anteriormente mencionadas, o conjunto total das estações monitoras do GPS. Figura 3.6. Segmento de controle. (http://www.faa.gov/about/officeorg/headquartersoffices/ato/serviceunits/techops/navs ervices/gnss/gps/controlsegments /media/controlSegment.jpg , 30/05/2009) Cada estação monitora é equipada com oscilador externo de alta precisão e receptor de dupla freqüência, que rastreia todos os satélites visíveis e transmite os dados para a MCS, via sistema de comunicação. Os dados são processados na MCS para determinação das órbitas dos satéli- tes, que, juntamente com as correções dos relógios dos satélites, são transmitidos, para fins de atualização periódica das mensagens de navega- ção. Os dados de determinação das órbitas são denominados efemérides. O IGS (International GPS Service - Serviço GPS Internacional), estabelecido pela IAG (International As-sociation of Geodesy - Associação Internacional de Geodésia), tem capacidade de produzir efemérides com precisão da ordem de poucos centímetros em cada uma das coordenadas do satélite, permitindo atender à maioria das aplicações que exige alta precisão. Essas efemérides ficam disponíveis aos usuários no prazo de 1 semana a partir da coleta dos dados. O IGS produz também efemérides preditas, com precisão da ordem de 1 m, disponibilizando-as, para a comunidade de usuários, poucas horas antes do início de sua validade. Uma vez que satélites dão uma volta completa em torno do planeta a cada 12 horas, os satélites do GPS passam sobre algumas estações de Sistema de Posicionamento Global GPS 81 monitoramento do Segmento de Controle, duas vezes ao dia possibilitando medir a sua altitude, posição e velocidade. As variações encontradas são, geralmente, causadas por fatores tais como: atração gravitacional da Lua e do Sol e pressão da radiação solar sobre o satélite. Uma vez obtida a posi- ção do satélite, a Estação Mestre devolve essa informação para o próprio satélite que a transmitirá para os receptores. A comunicação dos satélites é bidirecional com as antenas terres- tres, tanto recebem como enviam dados enquanto a comunicação dos re- ceptores com os satélites é unidirecional, isto é, somente os satélites envi- am dados (Figura 3.7). Figura 3.7. Direção da comunicação em cada segmento. (http://www.garmin.com/aboutGPS , 15/06/2008) 74B3.4.3 Segmento do Usuário Este segmento compreende os usuários do sistema, os tipos de re- ceptores e os serviços de informações de apoio disponíveis. 104BU3.4.3.1 Serviços Oferecidos e Tipos de Usuários Os serviços oferecidos pelo sistema GPS são de dois tipos, de a- cordo com o acesso do usuário às informações: O SERVIÇO DE POSICIONAMENTO PADRÃO - SPS: os usuários desse tipo de serviço têm acesso aos dados do GPS como são transmitidos, com todo tipo de degradação (SA) e criptografia do código P (AS), sendo composta da comunidade civil com acesso ao código C/A sem restrição. O Curso de Cartografia Básica, GPS e ArcGIS 82 uso civil é caracterizado pela não obtenção de coordenadas precisas, em tempo real, por um único receptor. O SERVIÇO DE POSICIONAMENTO PRECISO - PPS: os usuários deste tipo de serviço tem acesso aos dados do GPS, como os dados dos relógios dos satélites não adulterados (sem SA) e ao código P sem cripto- grafia (sem AS), sendo composto dos militares dos EUA e usuários autori- zados. 105BU3.4.3.2 Receptores GPS 155B3.4.3.2.1 Componentes Os principais componentes dos receptores de sinais GPS, são a ANTENA com pré-amplificador, uma SECÇÃO DE RADIOFREQÜÊNCIA (RF) para identificação e processamento do sinal, MICROPROCESSADOR para controle do receptor, amostragem e processamento dos dados, OSCILADOR, responsável pela geração da freqüência interna do receptor, INTERFACE com o usuário, como painel de exibição de dados e comandos de operação, que permitem a configuração do receptor antes dos levanta- mentos, FONTE DE ENERGIA e MEMÓRIA para armazenar os dados cole- tados. Sob o ponto de vista prático, especial interesse reside na antena u- tilizada, que deve garantir estabilidade do seu centro de fase em relação ao seu centro geométrico e proteção ao multicaminhamento, sendo que esse efeito é atenuado com a instalação da antena sobre um disco de metal (ground plane) ou pelo uso de dispositivos compostos por faixas condutoras concêntricas com o eixo vertical da antena e fixado ao disco (choke ring), cuja função é de impedir que a maioria dos sinais refletidos sejam recebidos pela antena. 156B3.4.3.2.2 Tipos de Receptores Os receptores podem ser divididos segundo vários critérios, dentre os quais se destacam os seguintes: 179B3.4.3.2.2.1 Quanto ao Número de Freqüências Podem-se encontrar receptores de: Sistema de Posicionamento Global GPS 85 base, o número, a geometria e a condição dos satélites observados, o tem- po de observação, dentre outros. 26B3.5 Princípio Básico do Posicionamento Posicionamento consiste na determinação da posição de objetos em relação a um referencial específico. Embora o GPS empregue alguns dos equipamentos da mais alta tecnologia já construídos e softwares sofisti- cados, o princípio básico do posicionamento por satélite é relativamente simples. O cálculo de posicionamento do receptor GPS está baseado nas distâncias entre o receptor e os satélites e, ainda, da posição de cada satéli- te no espaço cartesiano. Isso significa que se determina a posição na terra medindo as distâncias para um grupo de satélites localizados no espaço. Os satélites atuam, na realidade, como pontos de referência precisa. O principio básico do posicionamento usado pelo GPS é conhecido como trilateração eletrônica: determinando as distâncias de um ponto de posição desconhecida a 3 outros pontos de posições conhecidas, então se determina a posição do ponto desconhecido. Para ilustrar, suponha que na Figura 3.8 A, B e C sejam 3 radiofaróis instalados em uma região costeira em posições conhecidas (latitude, longitude e altitude) e que o barco receba mensagem dos radiofaróis informando suas posições. Se algum equipamen- to no barco conseguir calcular as distâncias aos 3 radiofaróis, então, usando essas distâncias juntamente com as coordena- das dos radiofaróis, é possível calcular as coordenadas do barco. Figura 3.8. Trilateração. (http://blogs.businessmobile.fr/wp- content/i/2006/05/bt2-5.jpg , 30/05/2009) Para o caso de GPS então, sendo dado um sistema cartesiano de referência, no caso WGS 84, um ponto A pode ser determinado por suas coordenadas X, Y e Z (Figura 3.9). Curso de Cartografia Básica, GPS e ArcGIS 86 Figura 3.9. Trilateração por satélite. (Robaina, 2006) A idéia básica do posicionamento por satélites GPS, consiste em 3 procedimentos fundamentais: Medir as distâncias satélite-receptor. Determinar as coordenadas dos satélites Xs. Ys e Zs. Calcular as coordenadas do receptor no ponto A (XA, YA e ZA). 75B3.5.1 O processo de trilateração a partir de satélites Inicialmente é conhecida a localização de alguns satélites no espaço. Se um objeto encontra-se a certa distância do satélite 1, em torno de 20.000 km, isso significa que estará em algum lugar sobre uma superfície esférica imaginária que está centrada no satélite 1, cuja esfera tem um raio de 20 000km (Figura 3.10). Sabendo que o mesmo ob- jeto está também a 21.000km de um outro satélite 2, então estará ao mesmo tempo sobre uma outra superfície esférica imaginária com o raio de 21.000 km com centro no Figura 3.10. Superfície de contorno em um satélite. Sistema de Posicionamento Global GPS 87 satélite 2. Entretanto, somente um lugar no universo poderá conter esta posição, que fica, ao mesmo tempo, a 20.000 km do satélite 1 e a 21.000 km do satélite 2. Este lugar é a circunferência formada pela interseção das duas superfí- cies esféricas (Figura 3.11). Sabendo que a distância do objeto para um terceiro satélite é de 22.000 km, da mesma forma que nos dois satélites anteriores, o obje- to estará na superfície esférica com raio de 22.000 km centrada no 3o satélite. Nestas condições, existirão somente dois pontos, no espaço, onde o objeto poderá estar. Estes dois pontos são aqueles onde a superfície esférica de 22.000 km corta a circunferência formada pela interseção das superfícies esféricas de 21.000 km e de 20.000 km. Pela medição da distância ao terceiro satélite fica reduzida a área de incerteza à apenas dois pontos no espaço (Figura 3.12). A posição correta do objeto é determinada a partir do fato de que uma dessas é impossível de se aceitar, normalmente localizado a uma grande distância da Terra. Figura 3.11. Superfície de contato entre dois satélites. Figura 3.12. Superfície de contato entre três satélites. Os programas de cálculo dos receptores GPS possuem técnicas que permitem identificar com segurança o ponto correto de nossa localiza- ção. Os receptores GPS utilizam este princípio, usando satélites como pontos de referência, para triangular a sua posição na superfície da Terra. Embora em movimento, os satélites podem ser considerados como âncoras Curso de Cartografia Básica, GPS e ArcGIS 90 Sendo βαφ += na qual α é a medida de fase (fração do compri- mento de onda) e β é o número de ciclos inteiros contados a partir do "lock- on" com o satélite e λ o comprimento de onda (L1 = 19,0 cm e L2 = 24,4 cm). 77B3.5.3 Coordenadas dos Satélites Xs, Ys e Zs A obtenção das coordenadas dos satélites pode ser obtida por du- as diferentes alternativas, através das efemérides transmitidas pelos satéli- tes ou as efemérides precisas, as quais podem ser obtidas com diferentes níveis de precisão. 108BU3.5.3.1 Efemérides Transmitidas Os sinais transmitidos pelos satélites GPS fornecem através da mensagem de navegação (Código D) os elementos orbitais necessários para o cálculo das coordenadas de cada satélite (XSl Ys e Zs), bem como os coeficientes para a correção do relógio dos satélites. As coordenadas obtidas estão associadas ao WGS 84 e são as utilizadas para a determina- ção das coordenadas do receptor (XA, YA e ZA) em tempo real ou pós processadas (Quadros 04, 05 e 06). Quadro 05. Tipos de efemérides precisas. Acurácia Tipo Coordenadas (cm) Relógio (ns) Disponibilidade IGS - Precisas 5 0,3 De 7 a 10 dias após o rastreio IGR - Rápidas 10 0,5 Até 48 horas após o rastreio IGP - Preditas 50 150 Horas antes do dia a que se refere 78B3.5.4 Cálculo das Coordenadas do Receptor X, Y e Z O cálculo das coordenadas da antena do receptor envolve tipos de medidas efetuadas, modelos matemáticos empregados e modos de posicio- namento utilizados. Sistema de Posicionamento Global GPS 91 Quadro 06. Exemplo do arquivo de efemérides precisas - coordenadas XRsR, YRsR, ZRsR e )(tjδ . 27B3.6 Fatores que Afetam a Precisão do Posicionamento por Ponto 79B3.6.1 Erros relacionados aos satélites 109BU3.6.1.1 Não Sincronização do Relógio do Satélite com Tempo GPS A mensagem de navegação traz os coeficientes necessários para o cálculo da correção do relógio dos satélites, na época da realização das medidas. A expressão utilizada para realizar correção ou a sincronização do tempo no relógio do satélite com o tempo GPS é dada por: Curso de Cartografia Básica, GPS e ArcGIS 92 Na qual aR0R, aR1R , aR2R e tRocR são obtidas na mensagem de navegação, sendo jTsts δ+= o tempo na escala GPS, na qual, tRsR é o tempo na escala do relógio do satélite. 110BU3.6.1.2 Forma de Cálculo das Coordenadas dos Satélites As informações orbitais podem ser obtidas a partir das efemérides transmitidas pelos satélites ou a partir das pós-processadas pelo segmento de controle do sistema GPS, denominadas efemérides precisas ou ainda pelo uso das efemérides preditas pelo IGS (Internacional GPS Service). O Quadro 07 demonstra o erro esperado na determinação de uma linha base de diferentes comprimentos utilizando diferentes fontes para o cálculo das coordenadas dos satélites (XRsR, YRsR e ZRsR). Quadro 07. Erro em função da fonte de coordenadas para os satélites. Efemérides Erro orbital (m) Linha base (km) Erro linha base (cm) Transmitidas 10 0,5 10 100 5 1000 50 Transmitidas 10 1 20 100 10 1000 100 IGS - Preditas 10 0,05 1 100 0.5 1000 5 IGS - Precisas 10 0,005 0,1 100 0,05 1000 0,5 111BU3.6.1.3 Atraso Entre as Portadoras no Hardware do Satélite Esse tipo de erro é função dos diferentes caminhos eletrônicos percorridos através do hardware do satélite. Durante a fase de teste do satélite, a grandeza desse atraso é determinada e caracterizada por um valor corretivo, designado por Tgd, que é introduzido na mensagem de navegação para ser transmitida ao receptor do usuário. Sistema de Posicionamento Global GPS 95 cada atitude tem reflexo direto nos cálculos das coordenadas do receptor (Figura 3.17). A medida do atraso ionosférico é realizada por receptores de dupla freqüência, sendo o principal motivo do uso da portadora L2 nos receptores. Nos receptores de uma freqüência L1, o atraso ionosférico é obtido através de modelos específicos, sendo que para a sua utilização os coeficientes do modelo são transmitidos na mensagem de nave- gação. Dentre os modelos da ionosfera existentes, destaca-se o modelo de Klobuchar. O cálculo do atraso ionosférico é feito a partir do conhecimento do azi- mute Az e da elevação E do satélite (Zo = 90° - E), em relação ao horizonte da antena do receptor. Figura 3.17. Atraso ionosférico. (Robaina, 2006) 115BU3.6.2.2 Atraso na Troposfera ( TΔ ) O atraso do sinal na troposfera pode modelado ou ignorado, sendo que o efeito de cada atitude tem reflexo direto no cálculo das coordenadas do receptor, tal como no caso da ionosfera, sendo a diferença fundamental que esse efeito não pode ser medido pelo receptor. Os modelos de cálculo disponíveis, utilizam valores padrão para a temperatura T = 20° C, para a pressão atmosférica P = 1000 hPa e para a umidade relativa do ar Ur = 50% ou valores dessas variáveis medidos no local e na hora do rastreio. Dentre os vários modelos desenvolvidos, apresenta-se o modelo da troposfera de Hopfield. O atraso na propagação do sinal GPS na troposfera pode ser divi- dida em duas componentes: a componente seca e a componente úmida, sendo que a componente seca pode ser modelada pela expressão matemá- tica em função da temperatura, da pressão atmosférica e do ângulo de elevação do satélite em relação ao plano do horizonte do receptor: Curso de Cartografia Básica, GPS e ArcGIS 96 Na Figura 3.18 pode-se observar o efeito do ângulo de elevação E do satélite sobre o atraso na componente seca e na componente úmida quando na sua passagem na camada da atmosfera denominada de tropos- fera. Figura 3.18. Efeito da posição do satélite. (Robaina, 2006) Na Figura 3.19 pode-se observar o esquema ilustrativo de um sinal de radiofreqüência propagando-se na atmosfera, desde um satélite até um receptor localizado na superfície terrestre. O Atraso Zenital Troposférico é a diferença entre a trajetória curva (traço contínuo) e a distância geométrica (traço intermitente) devido à diminuição da velocidade de propagação e o aumento da curvatura da trajetória do sinal causados pela influência dos gases que se concentram na baixa atmosfera terrestre. Figura 3.19. Efeito do Atraso Zenital Troposférico (http://pituna.cptec.inpe.br /zenital/img/imagem1.jpg , 31/05/2009) Sistema de Posicionamento Global GPS 97 116BU3.6.2.3 Multicaminhamento O sinal pode chegar à antena do receptor por caminhos diferentes, direto e indireto (Figura 3.20). O caminho indireto causado pela reflexão em superfícies vizinhas à antena, tais como construções, carros, árvores, mas- sas de água e cercas, dentre outros, produz distorções na fase da portadora e no código modulado sobre a portadora, degradando a qualidade do posi- cionamento. Em geral, não há um modelo para tratar o efeito do multicami- nhamento, pois as situações geométricas dos diferentes locais variam de forma arbitrária. A forma de atenuação do efeito é aumentar o tempo de coleta, o uso de antenas capazes de atenuar o efeito do multicaminhamento (antenas chok-ring) e evitar os fatores que podem causar esse efeito, como não posicionar a antena do receptor próximo a edificações, por exemplo. Figura 3.20. Representação do multicaminho do sinal. (http://www8.garmin.com/aboutGPS , 15/06/2008) 117BU3.6.2.4 Perda de Ciclos Esse tipo de problema ocorre devido à obstrução do sinal de um ou mais satélites, de modo que não sejam captados pela antena do receptor. A perda do sinal acarreta a perda na contagem do número inteiro de ciclos medidos pelo receptor, sendo que a ocorrência deste problema é denomi- nada de perda de ciclos (cycle slips), a qual produz uma descontinuidade das medidas. As causas não são restritas somente as obstruções, mas