Sistemas de Posicionamento

O GPS é o mais antigo e utilizado dos sistemas de posicionamento geográfico que nos dá as coordenadas de um lugar na Terra, desde que tenhamos um recetor de sinais de GPS. Este sistema foi desenvolvido pelo Departamento de Defesa Americano para ser utilizado com fins civis e militares.

A nossa posição sobre a Terra é referenciada em relação ao equador e ao meridiano de Greenwich e traduz-se por três números: a latitude, a longitude e a altitude. Assim, para saber a nossa posição sobre a Terra, basta saber a latitude, a longitude e a altitude. Por exemplo, os aeroportos têm as três coordenadas bem determinadas, que aliás estão escritas em grandes cartazes perto das pistas, e os sistemas automáticos de navegação aérea utilizam esta informação para calcular as trajetórias entre aeroportos.

Hoje em dia é possível haver um sistema de posicionamento global devido à utilização dos satélites artificiais. São ao todo 24 satélites que dão uma volta à Terra em cada 12 horas e que enviam continuamente sinais de rádio. Em cada ponto da Terra estão sempre visíveis quatro satélites e, com os diferentes sinais desses quatro satélites, o recetor GPS calcula a latitude, longitude e altitude do lugar onde se encontra.

Coordenadas Geográficas

Latitude

A latitude é a distância ao Equador medida ao longo do meridiano de Greenwich. Esta distância mede-se em graus, podendo variar entre 0º e 90º para Norte ou para Sul. Por exemplo, Lisboa está à latitude de 38º 4´N, o Rio de Janeiro à latitude de 22º 55´S e Macau à latitude de 22º 27´N.

Longitude

A longitude é a distância ao meridiano de Greenwich medida ao longo do Equador. Esta distância mede-se em graus, podendo variar entre 0º e 180º para Este ou para Oeste. Por exemplo, Lisboa está à longitude de 9º 8´W, o Rio de Janeiro à longitude de 34º 53´W e Macau à longitude de 113º 56´E.

Altitude

A Terra é aproximadamente esférica, com um ligeiro achatamento nos polos. Para se definir a altitude de um ponto sobre a Terra define-se uma esfera - geoide - com um raio de 6378 km. A altitude num ponto da Terra é a distância na vertical à superfície deste geoide. Por exemplo, a altitude média do Aeroporto de Lisboa é de 114 m, mas a altitude média da Holanda é negativa.

O Sistema GPS

A infraestrutura tecnológica associada ao sistema GPS é constituída por três subsistemas:

1. Subsistema de Satélites - Segmento Aéreo

O subsistema de satélites é constituído pelos 24 satélites que dão duas voltas à Terra por dia, a uma altitude de 500 km. As órbitas dos satélites foram escolhidas de modo que de qualquer ponto da Terra se possam ver entre 5 e 8 satélites. No entanto, para calcular com precisão a nossa posição basta apenas receber em boas condições o sinal de apenas quatro destes satélites.

2. Subsistema de Controlo - Segmento Terrestre

O subsistema de controlo é constituído por várias estações terrestres. Nestas estações terrestres são observadas as trajetórias dos vários satélites GPS e é atualizado com grande precisão o tempo. Esta informação é transmitida aos satélites. Com estes dados, o sistema informático em cada um dos satélites recalcula e corrige a sua posição absoluta e corrige a informação que é enviada para a Terra. A estação primária de controlo da constelação GPS está localizada nos Estados Unidos, no estado do Colorado.

3. Subsistema do Utilizador

O subsistema do utilizador é constituído por um recetor de rádio com uma unidade de processamento capaz de descodificar em tempo real a informação enviada por cada satélite e calcular a posição. Cada satélite envia sinais de características diferentes em intervalos de 30 em 30 segundos e de 6 em 6 segundos. Para haver uma determinação precisa da posição são necessários pelo menos 12 minutos e 30 segundos de boa receção dos vários tipos de sinais enviados.

Na informação enviada pelos satélites estão envolvidas técnicas matemáticas que permitem recuperar a informação perdida na transmissão devido a más condições atmosféricas e ionosféricas. Mesmo assim, nos períodos de grande atividade solar, a maior parte da informação enviada pelos satélites perde-se, não sendo fiável a informação processada pelos recetores do sinal GPS.

Modos de Funcionamento

De acordo com o tipo de utilizador (civil ou militar), os sinais dos vários satélites podem ser descodificados de acordo com o fim em vista. Existem essencialmente dois modos de descodificação do sinal GPS:

Modo Preciso (militar):

Modo Standard (civil):

O GPS pode ainda funcionar em modo diferencial, sistema DGPS. Neste caso, o sinal de GPS é armazenado em computador e processado posteriormente com dados cruzados pedidos às estações de controlo fixas (segmento fixo). Com este processo, eliminam-se erros sistemáticos e a precisão do GPS pode chegar a ser da ordem de 1 metro. Isto é particularmente útil em trabalhos de cartografia em que as coordenadas espaciais são fixas no tempo.

História do GPS

A tecnologia de localização GPS foi originalmente projetada para fins militares no auge da Guerra Fria entre os EUA e a antiga União das Repúblicas Socialistas Soviéticas (URSS), na década de 60.

O precursor do GPS apareceu durante a "Era Sputnik", quando os cientistas desenvolveram a capacidade de calcular a posição de um satélite a partir das mudanças registadas na emissão do seu sinal de rádio - o conhecido "Efeito Doppler".

Posteriormente, a Marinha dos EUA fez experiências de navegação por satélite, em meados da década de 60, com o intuito de localizar os submarinos americanos que transportavam mísseis nucleares. Com seis satélites em órbita, foi possível identificar a localização dos submarinos em poucos minutos.

Depois disso, o projeto GPS foi desenvolvido pelo Departamento de Defesa dos EUA, em 1973, no âmbito dos esforços empreendidos pelo país para superar as limitações dos antigos sistemas de navegação. Em 1978, o Departamento de Defesa lançou, então, o seu primeiro sistema de navegação com tempo e sistema de posicionamento de distância (NAVSTAR). Contudo, só em 1993 é que este sistema, com 24 satélites, ficou totalmente operacional.

Ainda que nos primeiros tempos o GPS tenha sido usado sobretudo para fins militares, o então presidente Bill Clinton reconheceu, em 1996, que esta tecnologia poderia ter aplicações úteis para os civis. Desta forma, emitiu uma diretriz política em que se declarava o GPS como um sistema de uso duplo, criando uma agência do governo federal (Interagency GPS Executive Board) que o viria a gerir como um ativo nacional e hoje utiliza 31 satélites.

Aplicações do GPS

Atualmente, é quase impossível imaginar um mundo sem tecnologia GPS. O GPS é utilizado numa grande variedade de setores e indústrias, mas as suas funcionalidades podem, geralmente, ser categorizadas em quatro domínios:

No que diz respeito aos exemplos da vida real, o GPS é amplamente utilizado em aplicações móveis, como o Google Maps, em dispositivos instalados em carros ou para fins de segurança. Na verdade, todos os nossos smartphones estão equipados com tecnologia GPS, o que significa que a nossa localização e movimento podem ser constantemente rastreados.

Outros Sistemas de Posicionamento

A-GPS (Assisted GPS)

É um sistema voltado a melhorar a precisão dos dados do GPS, utilizando para isso a rede de telefonia móvel terrestre e, por isso mesmo, está presente em quase todos os smartphones do mercado.

Em regiões urbanas, o sinal tende a ser bloqueado por edifícios e outras construções, e condições climáticas mais severas também representam empecilhos à comunicação. A solução do A-GPS é utilizar até quatro antenas de telefonia para atualizar os dados de posição, de modo a agilizar a triangulação do sinal, diminuindo o tempo de comunicação entre os satélites e oferecendo informações adicionais como a previsão do tempo, diretamente pelo pacote de dados.

GLONASS (Sistema de Navegação Global via Satélite)

É o equivalente russo do GPS, desenvolvido pela extinta União Soviética. Os seus trabalhos foram iniciados em 1976 e os primeiros satélites lançados em 1982, mas só entrou em operação em 1993 e cobriu o território russo apenas em 2010. Em 2011, os seus 24 satélites habilitaram a cobertura global.

O GLONASS foi uma óbvia resposta ao desenvolvimento do GPS pelos Estados Unidos, visto que na época a Guerra Fria ainda estava a decorrer. Assim como o seu rival, a tecnologia de posicionamento via satélite foi voltada para uso exclusivamente militar, mas com o tempo foi liberada para dispositivos civis.

BeiDou (também conhecido como BDS)

A China deu início à criação do seu próprio sistema, chamado BeiDou, em 2000, com as operações tendo início em 2011. Com 23 satélites operacionais, está no momento na sua segunda geração e oferece serviços de geolocalização para a China e região da Ásia e Oceano Pacífico, tanto no âmbito civil e comercial quanto militar. A previsão é que até 2020, a terceira geração do sistema deverá entrar em operação com 35 satélites, com cobertura global.

O sistema BeiDou está agora na sua etapa final e, quando ficar completo, promete fornecer a localização dos utilizadores com uma margem de erro de aproximadamente 10 metros, chegará aos 35 satélites, ultrapassando o número de equipamentos presentes na constelação norte-americana.

Galileo

A União Europeia também possui o seu sistema próprio, chamado Galileo. Batizado com o nome do astrónomo italiano Galileo Galilei, precursor da investigação aos corpos celestiais, o sistema de satélites europeu é compatível e interoperável com os sistemas GPS e o GLONASS, mas também capaz de funcionar sozinho.

Ao contrário dos homólogos - que são sistemas geridos por militares -, o Galileo é controlado a nível civil, pelo que deverá ficar imune a restrições aplicadas a estes sistemas em caso de conflito militar.

Tendo entrado em operação em 2005, cobre todo o mundo e consiste em 24 satélites, tendo sido desde o início planeado como uma solução de grande precisão para usos exclusivamente civil e comercial.

Adaptado de: Rui Dilão (IST) - http://www.cienciaviva.pt