Sistema de Posicionamento Global (GPS): Serviço Preciso de Posicionamento, Navegação e Temporização

No passado, os marinheiros olhavam para as estrelas para descobrir suas localizações e para onde estavam viajando pelo mundo afora. Hoje, essas informações continuam vindo do céu através de satélites artificiais, porém com muito mais precisão.

O Sistema de Posicionamento Global (GPS – sigla em inglês "Global Positioning System") é um utilitário desenvolvido, mantido e operado pelo governo dos EUA, que fornece aos usuários serviços de posicionamento, navegação e temporização (PNT) em todo o mundo. Isto é, o sistema permite identificar a localização de um ponto ou objeto na superfície ou espaço terrestre por meio do apontamento das coordenadas geográficas, além de fornecer informações, como a indicação da data, hora, altitude, entre outras funcionalidades.

Este sistema é composto de três segmentos:

Segmento Espacial:

O segmento espacial consiste em uma constelação nominal ou uma rede de 24 satélites operacionais que orbitam acima da Terra, em 95% do tempo, e transmitem constantemente sinais unidirecionais de rádio que fornecem a posição e hora atual (ao nível do tempo atômico) do satélite GPS. Os satélites encontram-se espaçados e operacionais voando a 20.350 quilômetros acima da superfície da Terra, de modo que, uma combinação de sinais de pelo menos 4 satélites permitirá que os receptores determinem sua localização e tempo preciso.

Segmento de Controle:

O segmento de controle consiste em monitores mundiais e estações de controle que mantêm os satélites em suas órbitas apropriadas por meio de manobras de comando ocasionais e ajustam os relógios dos satélites. Ele rastreia os satélites GPS, carrega dados de navegação atualizados e mantém a integridade e o status da constelação de satélites.

Segmento de Usuário:

O segmento do usuário consiste no equipamento receptor GPS, que recebe os sinais dos satélites GPS e utiliza as informações transmitidas para calcular a posição tridimensional e o tempo do usuário.

Serviços de GPS

Os satélites GPS fornecem serviço para usuários civis e militares. Atualmente, o serviço é amplamente utilizado pela comunidade civil e está disponível gratuitamente para todos os usuários de forma contínua e em todo o mundo. A utilização em serviço militar está disponível para as forças armadas dos EUA e aliadas, bem como para agências governamentais aprovadas.

A utilização de GPS por meio de satélites tornou-se parte integrante da nossa vida moderna, desde sistemas de navegação (aérea, marítima e terrestre), agricultura de precisão, topografia, controle ambiental e até em telefones celulares. Estas são apenas algumas das maneiras como usamos essa tecnologia.

Compromisso do Governo Americano com a Precisão do GPS

O governo dos Estados Unidos está comprometido em fornecer aos usuários gerais do GPS em conformidade com os níveis de precisão especificados no padrão de desempenho SPS (Serviço de Posicionamento Padrão, ou em inglês, Standard Positioning Service), também conhecido como serviço GPS civil.

Os compromissos de precisão não se aplicam aos dispositivos GPS, mas sim aos sinais transmitidos no espaço. Por exemplo, o governo se compromete a transmitir o sinal de GPS no espaço com um erro de alcance a um usuário - médio global diário (URE - sigla em inglês "User Range Error") de ≤2,0 metros, com 95% de probabilidade, em todos os satélites saudáveis em slots de constelação. O desempenho real geralmente é muito melhor. Em 20 de abril de 2021, o URE médio global em todos os satélites era ≤0,643 metro, em 95% do tempo.

Um outro tipo de posicionamento preciso é o padrão de desempenho PPS (Precise Positioning Service), disponibilizado pelo governo dos EUA somente a usuários autorizados, também conhecido como serviço de GPS militar.

Quão preciso é o GPS?

Os satélites GPS transmitem seus sinais no espaço com certa precisão, mas o que você recebe depende de fatores adicionais, incluindo geometria do satélite, bloqueio de sinal, condições atmosféricas e recursos/qualidade do design do receptor.

Por exemplo, telefones celulares inteligentes habilitados para GPS são normalmente bastante precisos em um raio de 4,9 metros sob céu aberto. No entanto, sua precisão piora perto de edifícios, pontes e árvores.

Por outro lado, usuários avançados podem aumentam a precisão do GPS usando receptores de dupla frequência e/ou sistemas de aumento. Estes podem permitir o posicionamento em tempo real dentro de alguns centímetros e medições de longa duração no nível do milímetro.

A precisão do GPS é medida em termos de sua margem de erro, que é a diferença entre a localização real de um objeto e a localização relatada pelo sistema GPS. A margem de erro é expressa em termos de distância, geralmente em metros.

fonte: GPS.gov

crédito: GIS

Como o GPS Trabalha Usando a Técnica da Trilateração

O primeiro satélite localiza você ou objeto em algum lugar em uma esfera, no entanto sabemos pouco sobre a real localização (canto superior esquerdo da figura). O segundo satélite restringe sua localização a um círculo (anel) criado pela interseção das duas esferas de satélite (canto superior direito). O terceiro satélite reduz ainda mais a escolha a dois pontos possíveis (canto inferior esquerdo). Finalmente, o quarto satélite ajuda a calcular uma correção (ajuste) de tempo e localização usando coordenadas esféricas (latitude, longitude e altitude) e seleciona um dos dois pontos restantes como sua posição final (canto inferior direito).