Agrimensura

PROFESSOR – ANTONIVAL LIMA ALBUQUERQUE

TOPOGRAFIA

Brasília -2003

* Adaptação do original do professor Miguel Gorgulho, em julho de 2001.

G.P.S. – O "SISTEMA DE POSICIONAMENTO GLOBAL"

* UM POUCO DE HISTÓRIA
No dia 23 de agosto de 1499, o navegador italiano Américo Vespúcio acreditava estar navegando pelas costas das Índias, baseado nos relatos de seu colega e patrício Cristóvão Colombo. Levava a bordo de sua caravela um Almanaque – livro que lista as posições e os eventos relacionados aos corpos celestes – que previa o alinhamento da Lua com Marte para a meia-noite daquele dia. Vespúcio esperou até quase o amanhecer para observá-lo. Sabendo que a referência dos dados contidos no Almanaque era a cidade de Ferrara, na Itália, avaliou a diferença de tempo entre as duas observações e, com o valor do diâmetro da Terra já conhecido, pode calcular a que distância se encontrava de Ferrara – sua longitude. Concluiu que não poderia estar nas costas das Índias e afirmou categoricamente que Colombo havia descoberto um novo continente. Foi a primeira pessoa a saber a verdade sobre o Novo Mundo. O nome AMÉRICA homenageou-o e perpetuou esse romântico acontecimento.

A RÁDIO-NAVEGAÇÃO
O uso de sinais de rádio para determinar a posição foi um avanço significante na navegação. O equipamento para rádio-navegação apareceu em 1912. Não era muito preciso, mas funcionou até que a II Grande Guerra permitisse o desenvolvimento do RADAR – Radio Detection And Ranging – e a capacidade de medir lapsos de tempo entre emissão/recepção de ondas de rádio. Para determinar a posição, mede-se o lapso de tempo dos sinais provenientes de locais conhecidos. Os sinais de rádio são emitidos de transmissores exatamente ao mesmo tempo e têm a mesma velocidade de propagação. Um receptor localizado entre os transmissores detecta qual sinal chega primeiro e o tempo até a chegada do segundo sinal. Se o operador conhece as exatas localizações dos transmissores, a velocidade das ondas de rádio e o lapso de tempo entre os dois sinais, ele pode calcular sua localização em uma dimensão. Ele sabe onde está numa linha reta entre os dois transmissores.. Se usarmos três transmissores, podemos obter uma posição bi-dimensional, em latitude e longitude. O GPS funciona baseado nos mesmos princípios. Os transmissores de rádio são substituídos por satélites que orbitam a Terra a 20.200 km e permitem conhecer a posição em três dimensões: latitude, longitude e altitude.

O SISTEMA GPS
A tecnologia atual permite que qualquer pessoa possa se localizar no planeta com uma precisão nunca imaginada por navegantes e aventureiros há até bem pouco tempo. O sofisticado sistema que tornou realidade esse sonho e chamado "G.P.S." – Global Positioning System (Sistema de Posicionamento Global) – e foi concebido pelo Departamento de Defesa dos EUA no início da década de l960, sob o nome de ‘projeto NAVSTAR’. O sistema foi declarado totalmente operacional apenas em l995. Seu desenvolvimento custou 10 bilhões de dólares. Consiste de 24 satélites que orbitam a terra a 20.200 km duas vezes por dia e emitem simultaneamente sinais de rádio codificados. Testes realizados em 1972 mostraram que a pior precisão do sistema era de 15 metros. A melhor, 1 metro. Preocupados com o uso inadequado , os militares americanos implantaram duas opções de precisão: para usuários autorizados (eles mesmos) e usuários não-autorizados (civis). Os receptores GPS de uso militar têm precisão de 1 metro e os de uso civil, de 15 a 100 metros. Cada satélite emite um sinal que contém: código de precisão (P); código geral (CA) e informação de status.
Como outros sistemas de rádio-navegação, todos os satélites enviam seus sinais de rádio exatamente ao mesmo tempo, permitindo ao receptor avaliar o lapso entre emissão/recepção. A potência de transmissão é de apenas 50 Watts. A hora-padrão GPS é passada para o receptor do usuário. Receptores GPS em qualquer parte do mundo mostrarão a mesma hora, minuto, segundo,... até mili-segundo. A hora-padrão é altamente precisa, porque cada satélite tem um relógio atômico, com precisão de nano-segundo – mais preciso que a própria rotação da Terra. É a referência de tempo mais estável e exata jamais desenvolvida. Chama-se atômico por usar as oscilações de um átomo como "metrônomo".

FATORES QUE AFETAM A PRECISÃO DO SISTEMA
O Sistema foi originalmente projetado para uso militar, mas em l980, uma decisão do então presidente Ronald Reagan liberou-o para o uso geral. Na época, o Departamento de Defesa americano implantou um erro artifical no Sistema chamado "Disponibilidade Seletiva", para resguardar a segurança interna do país. A Disponibilidade Seletiva foi cancelada por um decreto do Presidente Clinton em maio de 2000, pois o contínuo desenvolvimento tecnológico permitiu ao Departamento de Defesa obstruir a precisão do Sistema onde e quando os interesses americanos exigissem. Com o decreto, o erro médio de 100 metros na localização do receptor ficou dez vezes menor.
Um fator que afeta a precisão é a ‘Geometria dos Satélites’ - localização dos satélites em relação uns aos outros sob a perspectiva do receptor GPS. Se um receptor GPS estiver localizado sob 4 satélites e todos estiverem na mesma região do céu, sua geometria é pobre. Na verdade, o receptor pode não ser capaz de se localizar, pois todas as medidas de distância provém da mesma direção geral. Isto significa que a triangulação é pobre e a área comum da intersecção das medidas é muito grande (isto é, a área onde o receptor busca sua posição cobre um grande espaço). Dessa forma, mesmo que o receptor mostre uma posição, a precisão não é boa. Com os mesmos 4 satélites, se espalhados em todas as direções, a precisão melhora drasticamente. Suponhamos os 4 satélites separados em intervalos de 90º a norte, sul, leste e oeste. A geometria é ótima, pois as medidas provém de várias direções. A área comum de intersecção é muito menor e a precisão muito maior. A geometria dos satélites torna-se importante quando se usa o receptor GPS próximo a edifícios ou em áreas montanhosas ou vales. Quando algum satélite é bloqueado, a posição relativa dos demais determinará a precisão, ou mesmo se a posição pode ser obtida. Um receptor de qualidade indica não apenas os satélites disponíveis, mas também onde estão no céu (azimute e elevação), permitindo ao operador saber se o sinal de um determinado satélite está sendo obstruído.
Outra fonte de erro é a interferência resultante da reflexão do sinal em algum objeto, a mesma que causa a imagem ‘fantasma’ na televisão. Como o sinal leva mais tempo para alcançar o receptor, este 'entende’ que o satélite está mais longe que na realidade..
Outras fontes de erro: atraso na propagação dos sinais devido aos efeitos atmosféricos e alterações do relógio interno. Em ambos os casos, o receptor GPS é projetado para compensar os efeitos.

PREVISÃO DO ERRO
Fontes de erro (típico) erro médio gerado
Erro do relógio do satélite 60 cm
Erro de efemérides 60 cm
Erros dos receptores 120 cm
Atmosférico/Ionosférico 360 cm
Total (raiz quadrada da soma dos quadrados) 390 cm
Para se calcular a precisão do sistema, multiplica-se o resultado acima pelo valor do DOP mostrado no receptor GPS. Em boas condições, o DOP varia de 3 a 7. Assim, a precisão de um bom receptor num dia típico será:
De 3x390cm a 7x390cm ou seja, de 10 a 30 metros, aproximadamente.

ASPECTOS TÉCNICOS DO GPS
* RASTREAMENTO DOS SATÉLITES
Um receptor rastreia um satélite pela recepção de seu sinal. Sinais de apenas quatro satélites são necessários para obtenção de uma posição fixa tridimensional, mas é desejável um receptor que rastreie mais de quatro satélites simultaneamente. Como o usuário se desloca, o sinal de algum satélite pode ser bloqueado repentinamente por algum obstáculo, restando satélites suficientes para orientá-lo. A maioria dos receptores rastreia de 8 a 12 satélites ao mesmo tempo.
Um receptor não é melhor que outro por rastrear mais satélites. Rastrear satélites
significa conhecer suas posições. Não significa que o sinal daquele satélite está sendo usado no cálculo da posição. Muitos receptores calculam a posição com quatro satélites e usam os sinais do quinto para verificar se o cálculo está correto.

* CANAIS
Os receptores não funcionam acima de determinada velocidade de deslocamento. O número de canais determina qual a velocidade máxima de uso. Mais canais não significa necessariamente maior velocidade. O número de canais não é fator importante na escolha do receptor, e sim, sua velocidade de operação.
Depois que os sinais são captados pela antena, são direcionados para um circuito eletrônico chamado canal, que reconhece os sinais de diferentes satélites. Um receptor com um canal lê o sinal de cada satélite sucessivamente, até receber os sinais de todos os satélites rastreados. A técnica é chamada "time multiplexing". Leva menos de um segundo para processar os dados e calcular a posição. Um receptor com mais de um canal é mais rápido, pois os dados são processados simultaneamente.

* ANTENAS
A antena recebe os sinais dos satélites. Como os sinais são de baixa intensidade, as dimensões da antena podem ser muito reduzidas. Receptores portáteis utilizam um dos dois tipos:
Quadrifilar helix – formato retangular; localização externa; giratória; detecta melhor satélites localizados mais baixos no horizonte.
Patch (microstrip) – Menor que a helix; localização interna; pode detectar satélites na vertical e a 10° acima do horizonte.

* ANTENAS EXTERNAS
Podem ser conectadas através de uma extensão à maioria dos receptores. Alguns receptores possuem antena destacável, permitindo melhor uso a bordo de veículos. Se você for comprar uma antena externa, escolha uma ‘ativa’ que amplifica os sinais antes de enviá-los para o receptor. Ao construir uma extensão, opte por encurtar o cabo o máximo possível para diminuir a perda do sinal.

* ENTRADA DE DADOS
Receptores GPS são projetados para serem compactos, não possuindo teclado alfa-numérico. Todos os dados são digitados uma letra ou número ou símbolo por vez. Se o receptor não permitir rápida mudança de caracteres, NÃO COMPRE.
Se você quer usar o receptor associado a outro equipamento, opte por um com essa capacidade. Embora a maioria dos receptores possa enviar dados para equipamentos periféricos, nem todos podem receber dados.

APLICAÇÕES DE ENTRADA E SAÍDA DE DADOS
Alguns equipamentos apenas recebem informações de um receptor GPS. Os dados são continuamente enviados para o equipamento acoplado ao receptor, que os utiliza para outras finalidades, tais como:
Mapa dinâmico: o receptor envia a posição para um computador portátil que a visualiza através de um ícone sobre um mapa da região.
Piloto automático: o receptor alimenta continuamente um piloto automático com dados atualizados, que os utiliza para ajustar a direção e permanecer no curso.
Registro automático de dados: transferência dos dados obtidos durante o deslocamento para a memória do equipamento acoplado ao receptor.
O receptor deve usar uma linguagem que o equipamento a ele associado possa entender. Existe uma linguagem padrão para equipamentos de navegação chamada: Protocolo NMEA – National Maritime Eletronics Association. Existem diferentes formatos de protocolos, então verifique se o receptor e o equipamento usam o mesmo formato. Os mais comuns são: 180; 182; 183 versão 1,5; 183 versão 2,0. A maioria dos receptores tem saída NMEA de dados.
O receptor pode também receber dados do computador. Os usos comuns são:
Transferência de pontos, trilhas ou rotas plotados no computador para o receptor;
Transferência dos dados armazenados no receptor para o computador, liberando a memória do receptor;
Transferência das coordenadas de um ponto selecionadas em um mapa na tela de um computador para o receptor;
Plotar pontos no receptor pode ser cansativo devido à ausência de teclado alfa-numérico. Um editor permite a entrada de dados rápida e facilmente. Os dados são digitados no teclado do computador e transferidos depois para o receptor. Outra maneira de plotar os pontos no computador é usar um mapa da área na tela e selecionar os pontos a serem plotados com um mouse. O computador transfere automaticamente as coordenadas dos pontos para o receptor.
O uso associado do receptor ao computador portátil requer um programa específico. O programa TrackMaker, desenvolvido e disponibilizado gratuitamente por Odilon Ferreira Jr através do endereço eletrônico www.gpstm.com.br , permite interface com diferentes modelos de várias marcas de receptores e é genialmente simples.
Nem todos os receptores são projetados para receber dados. Existem três linguagens utilizadas nos receptores com essa capacidade: NMEA; ACS II (formato de texto de um PC comum; e Proprietary (linguagens desenvolvidas pelos próprios fabricantes). Poucos receptores portáteis recebem dados NMEA. Alguns recebem dados ACS II e podem ser conectados diretamente ao computador RS 232. A maioria dos receptores apenas recebem dados no formato projetado pelo fabricante. Algumas companhias querem limitar programas feitos por terceiros para seus receptores e se recusam a revelar o formato usado. Se você quer usar seu receptor associado a outros equipamentos, verifique a compatibilidade das linguagens empregadas.

* DGPS – DIFFERENTIAL GPS (GPS Diferencial)
O GPS Diferencial – DGPS – é uma técnica usada para melhorar a precisão do Sistema de Posicionamento Global pelo processamento contínuo de correções nos sinais, que podem ser transmitidas em Freqüência Modulada ou via satélite e são disponibilizadas em alguns países através de serviços de subscrição taxados. O DGPS reduz os efeitos das variações ionosféricas e permite precisão de 1 a 5 metros.

* DATUM DE UMA CARTA GEOGRÁFICA
As cartas geográficas são confeccionadas de forma que todos os pontos estão a determinada distância de um ponto de referência padrão chamado DATUM. O GPS tem seu próprio DATUM chamado WGS 84 – World Geodetic System 1984. Todos os receptores podem usá-lo como referência.
Obtém-se maior precisão quando o receptor é configurado com o mesmo datum da Carta Geográfica disponível. A opção Córrego Alegre, utilizada como referência nas cartas do IBGE, consta da lista dos DATA opcionais para configuração do GPS.

* RECEPTORES GPS
Existem receptores de diversos fabricantes disponíveis no mercado, desde os portáteis – pouco maiores que um maço de cigarros - que custam pouco mais de 100 dólares, até os sofisticados computadores de bordo de aviões e navios, passando pelos que equipam muitos carros modernos. Além de receber e decodificar os sinais dos satélites, os receptores são verdadeiros computadores que permitem várias opções de: referências; sistemas de medidas; sistemas de coordenadas; armazenagem de dados; troca de dados com outro receptor ou com um computador; etc. Alguns modelos têm mapas muitos detalhados em suas memórias. Uma pequena tela de cristal líquido e algumas teclas permitem a interação receptor/usuário.

PRINCIPAIS CARACTERÍSTICAS DE UM RECEPTOR
Permitem armazenar pontos em sua memória, através de coordenadas lidas em uma carta, obtidas pela leitura direta de sua posição ou através de reportagens ou livros especializados que as publiquem.
Os pontos plotados na memória podem ser combinados formando rotas que, quando ativadas, permitem que o receptor analise os dados e informe, por exemplo: tempo, horário provável de chegada e distância até o próximo ponto; tempo, horário provável de chegada e distância até o destino; horário de nascer e do por do Sol; rumo que você deve manter para chegar ao próximo ponto de sua rota e muito mais. A função ROTA é importante porque permite que o receptor guie o usuário do primeiro ponto ao próximo e assim sucessivamente até o destino. Quando você atinge um ponto, o receptor busca o próximo - sem a interferência do operador – automaticamente. A função GO TO é similar, sendo o ponto selecionado o próprio destino.
Grava na memória seu deslocamento, permitindo retraçar seu caminho de volta ao ponto de partida. Pode-se avaliar sua utilidade em barcos, caminhadas e uso fora-de-estrada.
Os receptores instalados nos carros dos países onde existem mapas digitalizados – computadores de bordo – trazem em sua memória mapas detalhados de cidades e endereços úteis como restaurantes, shoppings, hotéis, etc. Um menu permite ao motorista ativar automaticamente uma rota até o ponto desejado, seja outra cidade, outro bairro ou um endereço específico. (No Brasil, provavelmente a General Motors sairá na frente na oferta desse opcional, no carro a ser produzido em sua unidade do Rio Grande do Sul. A filial da Mannesmann VDO AG., fabricante alemã desse equipamento, está sondando empresas especializadas para fazerem o mapeamento digitalizado das cidades brasileiras com mais de 100.000 habitantes.

APLICAÇÕES
Além de sua aplicação óbvia em topografia e cartografia, na aviação geral e comercial e na navegação marítima, qualquer pessoa que queira saber sua posição, encontrar seu caminho para determinado local (ou de volta ao ponto de partida), conhecer a velocidade e direção de seu deslocamento pode se beneficiar com o sistema. A comunidade científica o utiliza por seu relógio altamente preciso. Durante experimentos científicos de coleta de dados, pode-se registrar com precisão de micro-segundos (0,000001 segundo) quando a amostra foi obtida. Naturalmente a localização do ponto onde a amostra foi recolhida também pode ser importante.
Topógrafos diminuem custos e obtêm levantamentos precisos mais rapidamente com o GPS. Unidades específicas têm custo aproximado de 3.000 dólares e precisão de 1 metro, mas existem receptores mais caros com precisão de 1 centímetro. A coleta de dados por estes receptores é bem mais lenta.
Guardas florestais, trabalhos de prospecção e exploração de recursos naturais, geólogos, arqueólogos, bombeiros, são enormemente beneficiados pela tecnologia do sistema. O GPS tem se tornado cada vez mais popular entre ciclistas, balonistas, pescadores, praticantes de vôo livre ou por leigos que queiram apenas planejar e se orientar durante suas viagens.
Com a popularização do GPS, um novo conceito surgiu na agricultura: a agricultura de precisão. Uma máquina agrícola dotada de receptor GPS armazena dados relativos à produtividade em um cartão magnético que, tratados por programa específico, produz um mapa de produtividade da lavoura. As informações permitem também otimizar a aplicação de corretivos e fertilizantes. Lavouras americanas e européias já utilizam o processo que tem enorme potencial em nosso país.

LIMITAÇÕES
A leitura da altitude fornecida pelo receptor também é afetada pelo erro do sistema. Porém, um erro de 10 metros numa dimensão de 100; 200 ou 500 metros é proporcionalmente muito grande e perigosa, dependendo da atividade desenvolvida.
Os sinais dos satélites não penetram em vegetação densa, vales estreitos, cavernas ou na água. Montanhas altas ou edifícios próximos também afetam sua precisão.
Para o uso automotivo, deve-se providenciar uma extensão para fixar a antena externamente ou posicionar o receptor junto ao pára-brisas.
É importante que o receptor utilize pilhas comercializadas no nosso mercado e que tenha como acessório um adaptador para ligá-lo no acendedor de cigarros do veículo.

* ESCOLHA DO RECEPTOR
O ítem mais importante é definir a aplicação básica que você terá para um receptor GPS. Identifique então os modelos disponíveis no mercado e liste-os sob a forma de uma tabela comparativa contendo preços, características principais e acessórios disponíveis. Acessórios ou características supérfluas à sua aplicação encarecem desnecessariamente o modelo a ser adquirido.
Um receptor portátil para o uso geral de excelente relação custo/benefício é o modelo GPS III PLUS fabricado pela GARMIN (www.garmin.com). Vem de fábrica com um mapa bastante detalhado implantado na memória; funciona com 4 pilhas tamanho AA - autonomia de mais de 30 horas - ou conectado ao acendedor de cigarros – aceita variação de 10 a 32 Volts na alimentação; sua memória tem capacidade de gravar até 500 pontos e 20 rotas diferentes e registra seu deslocamento automaticamente. Permite entrada/saída de dados para outros equipamentos e custa aproximadamente 300 dólares nos EUA. Existe um modelo específico para as Américas e o modelo PILOT, mais caro, para o uso em aviação. [1]
Informações sobre cursos de operação de GPS e de manuseio de cartas topográficas podem ser obtidas no Clube Mineiro de Balonismo através do telefone (31) 3575 5335.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS:
GPS Made Easy – Letham, Lawrence – Canadá – l996
The Story of Americo Vespucci – Alper, Ann F. – 1991
Apostila sobre GPS – Thorton, Jonathan – S. Paulo – SP – 1997
Manual de Operação do receptor GPS III, fabricado pela Garmin.
GPS – Um Guia de Utilidade – Hurn, Jeff – TRIMBLE NAVIGATION LIMITED
Noções Básicas de Cartografia – Manual Técnico do IBGE - 1999
Manual de Operação do DGPS 53, fabricadado pela Garmin

[1] R$ 700,00 na Feirinha do Paraguai.

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quinta-feira, 8 de outubro de 2009

quinta-feira, 1 de outubro de 2009

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