O que é o Sistema de Posicionamento Global? Entendendo GPS

O Sistema de Posicionamento Global ou GPS é um Sistema de Navegação Global por Satélite (GNSS) que fornece sistema de posicionamento, navegação e cronometragem (PNT). Foi desenvolvido pelo Departamento de Defesa dos Estados Unidos (EUA DoD) no início de 1970. Existem outros sistemas de navegação por satélite, como o GLONASS da Rússia, o Galileo da Europa e o BeiDou da China, mas o Sistema de Posicionamento Global (GPS) dos Estados Unidos e o Sistema de Navegação Global por Satélite da Rússia (GLONASS) são os únicos totalmente funcionais baseados em satélite Sistema de navegação com 32 constelações de satélites e 27 constelações de satélites respectivamente. Antes do desenvolvimento da tecnologia GPS, os principais auxílios à navegação (no mar, na terra ou na água) são os mapas e a bússola. Com a introdução do GPS, a navegação e o posicionamento de localização tornaram-se muito fáceis com uma precisão de posição de dois metros ou menos. Resumo da história da estrutura do GPSGPSSegmentos do GPS Segmento de controle do segmento Segmento do usuário Princípio de funcionamento do GPSDeterminando a localização dos satélitesDeterminando a distância entre os satélites e o receptor GPSPosição de Receptor em 2-D PlanePosition do receptor em 3D SpaceTypes of GPS ReceiversApplications of Global Positioning System (GPS) History of GPSAntes do desenvolvimento de GPS, sistemas de navegação terrestres como LORAN (Long Range Navigation) pelos EUA e Decca Navigator System do Reino Unido são as principais tecnologias de navegação. Ambas as técnicas são baseadas em ondas de rádio e os intervalos eram limitados a poucas centenas de quilômetros. No início da década de 1960, três organizações governamentais dos Estados Unidos, a saber, a administração espacial e aeronáutica nacional (NASA), o departamento de defesa (DoD) e o departamento de transporte (DoT) juntamente com várias outras organizações começaram a desenvolver um sistema de navegação baseado em satélite com o objetivo de fornecer alta precisão, operação independente do clima e cobertura global. Este programa evoluiu para Sistema de Posicionamento Global de Distância e Sincronização por Satélite de Navegação (NAVSTAR Global Positioning System). Este sistema foi desenvolvido inicialmente como um sistema militar para atender às necessidades das Forças Armadas dos Estados Unidos. Os EUA Os militares usaram o NAVSTAR para navegação, bem como sistemas de direcionamento de sistemas de armas e sistemas de orientação de mísseis. A possibilidade de inimigos usando este sistema de navegação contra os Estados Unidos é a principal razão pela qual os civis não tiveram acesso a ele. O primeiro satélite NAVSTAR foi lançado em 1978 e em 1994 uma constelação completa de 24 satélites foi colocada em órbita, tornando assim está totalmente operacional. Em 1996, os EUA O governo reconheceu a importância do GPS para civis e declarou um sistema de duplo uso, permitindo o acesso a militares e civis. Visão geral da estrutura do GPS A técnica fundamental do sistema de navegação por satélite Global Positioning System (GPS) é medir as distâncias entre o receptor e um poucos satélites que são observados simultaneamente. As posições desses satélites já são conhecidas e, portanto, medindo a distância entre quatro desses satélites e o receptor, as três coordenadas da posição do receptor GPS, ou seja, latitude, longitude e altitude podem ser estabelecidas. Uma vez que a mudança na posição do receptor pode ser determinada com muita precisão, a velocidade do receptor também pode ser determinada. Segmentos GPSA estrutura deste complexo Sistema de Posicionamento Global é dividida em três segmentos principais: O Segmento Espacial, O Segmento de Controle e O Usuário Segmento. Neste, o segmento de controle e o segmento espacial são desenvolvidos, operados e mantidos pela Força Aérea dos Estados Unidos. A imagem a seguir mostra os três segmentos do sistema GPS. Segmento Espacial O Segmento Espacial (SS) do GPS consiste em uma constelação de 24 satélites que orbitam ao redor da Terra em órbitas aproximadamente circulares. Os satélites são colocados em seis planos orbitais com cada plano orbital consistindo de quatro satélites. A inclinação dos planos orbitais e o posicionamento dos satélites são arranjados de maneira particular de forma que um mínimo de seis satélites estejam sempre em linha de visão de qualquer local da Terra. Quanto ao arranjo da constelação no espaço, o GPS Os satélites são colocados na Órbita Terrestre Média (MEO) a uma altitude de aproximadamente 20,000 KM. Para aumentar a redundância e melhorar a precisão, o número total de satélites GPS na constelação foi aumentado para 32, dos quais 31 satélites estão operacionais. Segmento de controle O Segmento de controle (CS) do GPS consiste em uma rede de monitoramento e controle mundial e estações de rastreamento. A principal tarefa do segmento de controle é rastrear a posição dos satélites GPS e mantê-los em órbitas adequadas com os comandos de manobra de ajuda. Além disso, o sistema de controle também determina e mantém a integridade do sistema a bordo, condições atmosféricas, dados de relógios atômicos e outros parâmetros. O Segmento de Controle GPS é novamente dividido em quatro subsistemas: uma Nova Estação de Controle Mestre (NMCS), uma Estação de Controle Mestre Alternativa (AMCS), quatro Antenas Terrestres (GAs) e uma rede mundial de Estações de Monitoramento (MSs). O nó de controle central para a constelação de satélites GPS é a Estação de Controle Mestre (MSC). Ele está localizado na Base Aérea de Schriever, Colorado e opera 24 × 7. As principais responsabilidades da Estação de Controle Mestre são: manutenção de satélite, monitoramento de carga útil, sincronização de relógios atômicos, manobra de satélite, gerenciamento de desempenho de sinal de GPS, envio de dados de mensagem de navegação, detecção Falhas de sinalização GPS e resposta a essas falhas. Existem várias Estações de Monitoramento (MS), mas seis delas são importantes. Eles estão localizados no Havaí, Colorado Springs, Ilha de Ascensão, Diego Garcia, Kwajalein e Cabo Canaveral. Essas Estações de Monitoramento rastreiam continuamente a posição dos satélites e os dados são enviados para a Estação de Controle Mestre para análise posterior. Para transmitir dados aos satélites, existem quatro Antenas Terrestres (GA) localizadas como Ilha de Ascensão, Cabo Canaveral, Diego Garcia e Kwajalein. Essas antenas são usadas para uplink de dados para satélites e os dados podem ser qualquer coisa como correção de relógio, comandos de telemetria e mensagens de navegação. Segmento de usuário O segmento de usuário do sistema GPS consiste no usuário final da tecnologia como civis e militares para navegação, precisa ou padrão posicionamento e tempo. Geralmente, para acessar os serviços de GPS, o usuário deve estar equipado com Receptores GPS como Módulos GPS autônomos, telefones celulares habilitados para GPS e consoles GPS dedicados. Com esses receptores GPS, os usuários civis podem saber a posição padrão, precisa tempo e velocidade enquanto os militares os usam para posicionamento preciso, orientação de mísseis, navegação, etc. Princípio de funcionamento do GPSCom a ajuda de receptores GPS, podemos calcular a posição de um objeto em qualquer lugar da Terra, seja no espaço bidimensional ou tridimensional . Para isso, os receptores GPS utilizam um método matemático denominado Trilateração, método pelo qual a posição de um objeto pode ser determinada medindo a distância entre o objeto e alguns outros objetos com posições já conhecidas. Portanto, no caso dos receptores GPS, a fim de para descobrir a localização do receptor, o módulo receptor deve saber as seguintes duas coisas: • Localização dos satélites no espaço e • Distância entre os satélites e o receptor GPS Determinando a localização dos satélites Para determinar a localização do Por satélite, os Receptores GPS utilizam dois tipos de dados transmitidos pelos Satélites GPS: os Dados Almanaque e os Dados Efemérides. Os Satélites GPS transmitem continuamente a sua posição aproximada. Esses dados são chamados de dados de Almanaque, que são atualizados periodicamente à medida que o satélite se move na órbita. Esses dados são recebidos pelo receptor GPS e armazenados em sua memória. Com a ajuda dos dados do Almanaque, o receptor GPS pode ser capaz de determinar as órbitas dos satélites e também onde os satélites deveriam estar. As condições no espaço não podem ser previstas e há uma grande chance de que os satélites possam se desviar seu caminho real. A Estação de Controle Mestre (MCS) junto com as Estações de Monitoramento (MS) dedicadas rastreiam o caminho dos satélites junto com outras informações como altitude, velocidade, órbita e localização. Se houver algum erro em qualquer um dos parâmetros, os dados corrigidos são enviado aos satélites para que fiquem na posição exata. Esses dados orbitais enviados pelo MCS ao satélite são chamados de Dados Ephemeris. O satélite, ao receber esses dados, corrige sua posição e também envia esses dados para o receptor GPS. Com a ajuda de ambos os dados, ou seja, Almanaque e efemérides, o receptor GPS pode ser capaz de saber a posição exata dos satélites, o tempo todo. Determinando a distância entre os satélites e o receptor GPSPara medir a distância entre o receptor GPS e os satélites, o lugar do tempo desempenha um papel importante. A fórmula para calcular a distância do satélite do receptor GPS é dada abaixo: Distância = Velocidade da Luz x Tempo de Trânsito do Sinal do Satélite Aqui, o Tempo de Trânsito é o Tempo gasto pelo Sinal do Satélite (Sinal na forma de Ondas de Rádio, enviado pelo satélite ao receptor GPS) para chegar ao receptor. A velocidade da luz é um valor constante e é igual a C = 3 x 108 m / s. Para calcular o tempo, primeiro precisamos entender o sinal enviado pelo Satélite. O Sinal Transcodificado transmitido pelo Satélite é denominado Ruído Pseudo Aleatório (PRN). À medida que o satélite gera este código e começa a transmitir, o receptor GPS também começa a gerar o mesmo código e tenta sincronizá-los. O receptor GPS então calcula a quantidade de tempo que o código gerado pelo receptor deve passar antes de ser sincronizado com o satélite transmitido Uma vez que a localização dos satélites e sua distância do receptor GPS são conhecidos, então descobrir a posição do receptor GPS no espaço 2D ou no espaço 3D pode ser feito usando o seguinte método. Posição do receptor no PlaneIn 2-D a fim de encontrar a posição do objeto ou receptor GPS em 2 - espaço dimensional, ou seja um plano XY, tudo o que precisamos encontrar é a distância entre o receptor GPS e dois dos satélites. Sejam D1 e D2 a distância do receptor do satélite 1 e satélite 2, respectivamente. Agora, com os satélites no centro e um raio de D1 e D2, desenhe dois círculos ao redor deles em um plano XY. A representação pictórica deste caso é mostrada na imagem a seguir. Pela imagem acima, é claro que o receptor GPS pode estar localizado em qualquer um dos dois pontos onde os dois círculos se cruzam. Se a área acima dos satélites for excluída, podemos apontar a posição do receptor GPS no ponto de intersecção dos círculos abaixo dos satélites. A informação de distância de dois satélites é suficiente para determinar a posição do receptor GPS em um plano 2-D ou XY. Mas o mundo real é um espaço tridimensional e precisamos determinar a posição tridimensional do receptor GPS, ou seja, sua latitude, longitude e altitude. Veremos um procedimento passo a passo para determinar a localização tridimensional do receptor GPS. Posição do receptor no espaço 3D Vamos supor que as localizações dos satélites em relação ao receptor GPS já sejam conhecidas. Se o satélite 1 estiver a uma distância de D1 do receptor, então é claro que a posição do receptor pode ser em qualquer lugar da superfície da esfera que é formada com o satélite 1 como centro e D1 como seu raio. um segundo satélite (satélite 2) do receptor é D2, então a posição do receptor pode ser limitada ao círculo formado pela interseção de duas esferas com raios D1 e D2 com os satélites 1 e 2 nos centros respectivamente.A partir desta imagem , a posição do receptor GPS pode ser reduzida a um ponto no círculo de interseção. Se adicionarmos um terceiro satélite (satélite 3) com uma distância D3 do receptor GPS aos dois satélites existentes, a localização do receptor é confinada à interseção das três esferas, ou seja, qualquer um dos dois pontos. Em situações de tempo real, ter a ambiguidade do receptor GPS localizado em uma das duas posições não é viável. Isso pode ser resolvido introduzindo um quarto satélite (satélite 4) com uma distância D4 do receptor. O quarto satélite será capaz de apontar a localização do receptor GPS a partir de dois locais possíveis que foram determinados anteriormente com apenas três satélites. Assim, em tempo real, são necessários no mínimo 4 satélites para determinar a localização exata do objeto. Praticamente, o Sistema GPS funciona de forma que pelo menos 6 satélites estejam sempre visíveis para um objeto (Receptor GPS) localizado em qualquer lugar da Terra. Tipos de receptores GPS O GPS é utilizado por civis e militares. Portanto, os tipos de receptor GPS podem ser classificados em receptores GPS civis e receptores GPS militares. Mas a forma padrão de classificação é baseada no tipo de código que o receptor pode ser capaz de detectar. Basicamente, existem dois tipos de códigos que um satélite GPS transmite: Código de Aquisição Bruta (Código C / A) e Código P. As unidades receptoras de GPS do consumidor podem detectar apenas o código C / A. Este código não é preciso e, portanto, o sistema de posicionamento civil é chamado de Serviço de Posicionamento Padrão (SPS). O Código-P, por outro lado, é usado pelos militares e é um código altamente preciso. O sistema de posicionamento usado pelos militares é chamado de Serviço de Posicionamento Preciso (PPS). Os receptores GPS podem ser classificados com base na capacidade de decodificar esses sinais. Outra maneira de classificar os receptores GPS disponíveis comercialmente é baseada na capacidade de receber sinais. Usando este método, os receptores GPS podem ser divididos em: Único - Receptores de código de frequênciaSingle - Portadora de frequência - Receptores de código suavizadoSingle - Código de frequência e receptores de portadoraDual - Receptores de frequênciaAplicativos do Sistema de Posicionamento Global (GPS) O GPS tornou-se uma parte essencial da Infraestrutura Global, semelhante à Internet. O GPS tem sido o elemento chave no desenvolvimento de uma ampla gama de aplicações que se espalham por diferentes aspectos da vida moderna. O aumento da fabricação em larga escala e a miniaturização de componentes reduziram o preço dos receptores GPS. Uma pequena lista de aplicativos onde o GPS desempenha um papel importante é mencionada abaixo. A agricultura moderna viu um aumento na produção com a ajuda do GPS. Os agricultores estão usando a tecnologia GPS junto com dispositivos eletrônicos modernos para obter informações precisas sobre a área do campo, rendimento médio, consumo de combustível, distância percorrida, etc. No campo dos automóveis, os veículos guiados automatizados são os mais usados ​​em aplicações industriais ou de consumo. O GPS permite a navegação e o posicionamento desses veículos. Os civis usam receptores GPS para fins de navegação. O receptor GPS pode ser um módulo dedicado ou um módulo embutido em telefones celulares e relógios de pulso. Eles são muito úteis em caminhadas, viagens rodoviárias, direção, etc. Os recursos adicionais incluem tempo e velocidade precisos do veículo. Serviços de emergência como bombeiros e ambulâncias se beneficiam do posicionamento preciso da localização do desastre por GPS e podem ser capazes de responder a tempo. O militar usa receptores GPS de alta precisão para navegação, rastreamento de alvos, mísseis sistemas de orientação, etc. Existem inúmeras outras aplicações em que o GPS está sendo usado ou com um amplo escopo de uso no futuro. Postagens Relacionadas: Comunicação sem fio: Introdução, Tipos e AplicativosMultiplexador e Demultiplexador Por que a Internet continua se desconectando? Noções básicas do programa C embutido O que são sensores MEMS?

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