Escola Politécnica de Pernambuco - Prova

7/17/2019 Escola Politécnica de Pernambuco - Prova

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UNIVERSIDADE DE PERNAMBUCO – UPE

ESCOLA POLITÉCNICA DE PERNAMBUCO – POLI

1º EXERCÍCIO ESCOLAR DE INTRODUÇÃO AO GPS

Recife,

Outubro de 2015.



JÔNATAS BRÁULIO ALVES DE ANDRADE

1º EXERCÍCIO ESCOLAR DE INTRODUÇÃO AO GPS

Apresenta como requisito para obtençãoda nota do 1º Exercício Escolar dadisciplina Introdução ao GPS, ministradapelos Professores: Paulo Carvalho eEmília Rabbani.

Recife,

Outubro de 2015.



1º EXERCÍCIO DE GPS

1.ª Questão

Sobre o segmento espacial da linha GNSS responda as questões abaixo:

a) Quais os tipos:

O Global Navigation Satellite System é um termo que surgiu durante a 10ªconferência de Navegação Aérea, em 1991. Existem dois tipos de GNSS, que sãoo GNSS-1 e o GNSS-2.O GNSS-1 baseia-se no NAVSTAR-GPS, e ou no GLONASS, sendo aumentadopor componentes civis.O GNSS-2 por sua vez, contará com os satélites do Bloco IIF do NAVSTAR-GPSe ou o GALILEO.

b) Quais os nomes

O GNSS-1 compreende de dois sistemas diferentes: 1 – O sistema aumentadobaseado em satélites (SBAS – Satellite Based Augmentation System) e 2 – Osistema aumentado baseado em estações (GBAS – Ground Based AugmentationSystem). Atualmente, existem alguns SBAS com cobertura global, sendo alguns deles:

WASS: Wide Area Argumentation System;EGNOS: European Geoestationary Navigation Overlay System;MSAS: Multi-functional Satellite based Augmentation Service;SNAS: Satellite Navigation Augmentation System.

c) Evolução

O Sistema Global de Navegação por Satélite (GNSS - Global NavigationSatelliteSystem) engloba os diversos sistemas de posicionamento por satélitesexistentes atualmente. Eles envolvem o Norte Americano, denominado GPS(Global Positioning System), o sistema russo, denominado GLONASS (GlobalNavigation Satellite System), o da União Europeia, denominado Galileo, e oChinês, denominado Compass. Os dois últimos ainda estão em fase deimplantação. Como a atmosfera terrestre influencia a propagação dos sinaisentre os satélites GNSS e os receptores, um atraso no tempo de propagação é

gerado. A determinação desse atraso pode ser obtida com um apropriadoprocessamento dos dados GNSS e os mesmos podem ser convertidos noíndice de refratividade atmosférica. Esse índice, por sua vez, pode serconvertido em medidas atmosféricas de importância para a Meteorologia. Apartir dos dados dos receptores instalados em bases terrestres obtêm-se ovalor do atraso projetado na direção zenital, e a partir deste, obtêm-se valoresdo conteúdo de vapor d’água integrado na coluna atmosférica com boaprecisão e alta resolução temporal. Outra opção é o caso em que os receptoresGNSS estão embarcados em bases espaciais, aplicados inicialmente paraposicionamento de satélites LEO (Low Earth Orbit).



d) Quais os sistemas de navegação existentes.

Os sistemas presentes até o momento são:GPS – em operação completa, em fase de modernização;

GLONASS – constelação completa, em fase de modernização;GALILEO – constelação completa esperada para 2020;COMPASS – constelação completa também esperada para 2020.

2.ª Questão

Sobre o GPS responda as questões abaixo:

a) Qual a origem do nome GPS

A sigla GPS significa Global Position System foi um termo que foi proposto e

desenvolvido nos anos 70 pelo Departamento de Defesa Norte-americanoinicialmente para fins militares. Hoje ele é um sistema de rádio-navegação formadopor uma constelação de 24 satélites e fornece informações de localização, espaçoe tempo de um receptor GPS.

b) Como foi concebido e realizado o sistema GPS

O sistema GPS foi concebido no início da década de 60, so b o nome de “projetoNAVSTAR”. O sistema consiste de 24 satélites que orbitam a terra a 20.200 kmduas vezes por dia e emitem simultaneamente sinais de rádio codificados. Osprimeiros testes que foram realizados em 1972, mostraram que a pior precisão dosistema era de 15 m. A melhor, 1 metro. O departamento, preocupado com o uso

inadequado, implantou duas opções de precisão: para usuários autorizados (Opróprio departamento de defesa) e os usuários não-autorizados (civis).

c) Qual o princípio básico da navegação pelo sistema GPS

Conhecendo as distâncias entre um receptor e pelo menos 4 satélites, conhecendotambém as coordenadas desse satélite, é possível calcular as coordenadas daantena do receptor no mesmo sistema de referência dos satélites. São necessáriospelo menos 4 satélites devido ao não sincronismo dos relógios do satélite ereceptor. A precisão que os receptores recebem as coordenadas giram em tornode 10m a 30m.

d) Como o sistema GPS determina uma coordenada com precisão

Os GPS usam um sistema de triangulação para determinar a localização doreceptor na Terra. A triangulação funciona da seguinte forma: três satélites enviamo sinal para o receptor, que calcula quanto tempo cada sinal demorou a chegarnele. Existe um quarto satélite que efetua o cálculo para altitude do receptor.



Figura 1 – Sistema de cálculo de um receptor. Fonte: http://bit.ly/1Ma8Yj7

e) Mostre através de ilustrações o plano orbital dos satélites GPS, um satélite daconstelação GPS e a navegação com GPS

A imagem abaixo representa o plano orbital dos satélites GPS.

Figura 2 – Plano Orbital dos satélites de GPS. Fonte: http://bit.ly/1L0t8fD

A figura 3 mostra uma foto, disponível no site da NASA, de um satélite que faz

parte da constelação GPS.



Figura 3 – Satélite que compõe a constelação GPS. Fonte: http://bit.ly/1PZfLj0

E, por fim, um exemplo de navegação com o aparelho receptor GPS.

Figura 4 – Navegação com receptores GPS. Fonte: http://bit.ly/1KVefgB

f) Quais os tipos de determinação de posicionamento com receptores GPS.

Existem dois tipos de posicionamento com os receptores GPS, que são os Absolutos e Relativos.

No posicionamento absoluto, as coordenadas de um ponto localizado na superfícieterrestre são determinadas diretamente em relação ao geocentro, ou seja, o centro

de massa da Terra. Este método de posicionamento a partir do código C/Aproporciona precisão inferior aos demais métodos e técnicas de posicionamentoexistentes, uma vez que utiliza somente a observável pseudodistância queapresenta erros de ordem métrica, uma vez que os erros envolvidos nos métodosde posicionamento por satélites artificiais como refração ionosférica e troposférica,erros orbitais, erros dos relógios dos satélites e dos receptores, multicaminho,centro de fase da antena, dentre outros se propagam diretamente às coordenadasque se deseja estimar.No posicionamento relativo, as coordenadas de um dado ponto são determinadasem relação a um ou mais pontos de coordenadas conhecidas. A estação comcoordenadas conhecidas (base) é ocupada por um receptor, enquanto que o outroreceptor é ligado simultaneamente no ponto cujas coordenadas deseja-se estimar.

É necessário que dados dos mesmos satélites sejam coletados simultaneamentepor, pelo menos, dois receptores. O princípio básico desta técnica é minimizar oserros envolvidos no posicionamento GNSS em função da diferença entre as

http://bit.ly/1PZfLj0

http://bit.ly/1PZfLj0



observações enviadas simultaneamente pelos satélites comuns a ambos osreceptores.

3.ª Questão

Sobre os sistemas Galileo, Beidou e Glonass responda as questões abaixo:

a) Número de satélites em órbita, satélites por órbita, lançamentos por blocos;

GALILEO: O Sistema Galileo terá 30 satélites, sendo 27 satélites + 3 de reserva.O sistema contará com 3 órbitas, onde em cada órbita terá 10 aparelhos. A ideiainicial para criar a constelação é a de transportar múltiplos satélites num únicolançamento, recorrendo a um lançador/distribuidor para colocar oito satélites nassuas órbitas médias. Lançadores mais pequenos serão utilizados em missões devalidação, tais como Ariane-5 (3 Lançamentos), Soyuz (3 Lançamentos), Proton (1Lançamento) e Zenith (1 Lançamento). A conclusão total para o envio de todos os

blocos está estimada para 2020.

BEIDOU: Terá em seu sistema 35 satélites. Contará com 3 planos orbitais, ondeo plano GEO (Geostationary Earth Orbit) contará com 5 satélites, o plano IGSO(Inclined Geosynchronous Satellite Orbit) terá 3 satélites e, por fim, o plano MEO(Medium Earth Orbit) que haverá 27 satélites. A previsão de conclusão de enviode blocos para tornar o sistema em funcionamento completo é para 2020.

GLONASS: O seu sistema é composto por 24 satélites (21 operacionais e 3 dereserva). O número de órbitas planas é de 3, onde cada órbita contém 8 satélites.O primeiro bloco a ser lançado, foi em 1982 e o último bloco foi em 1995.

b) Características: altitude, inclinação, voltas por dia, duração das órbitas, numeraçãodos

satélites;

GALILEO: O sistema tem uma altitude de 23.222 Km, uma inclinação de 56º emrelação ao plano equatorial. Tem um período orbital de 14 horas e 4 minutos. Ossatélites são numerados em ordem crescentes, com o nome do projeto, seguidode sua ordem de lançamento. Atualmente o sistema conta com 8 satélites emórbita.

BEIDOU: O sistema tem uma órbita circular de 21.500 a 24.100 km de altitude,com uma inclinação de 55º.

GLONASS: A altitude orbital do sistema é de 19.100 Km, tem uma inclinação de64,8º. A duração de sua órbita é de 11 horas e 15 minutos. O sistema tem umarepetição de um dia sideral.

c) Peculiaridades

GALILEO: O sistema foi criado para funcionar de forma independente sendoaberto à cooperação internacional. Ele funcionará em parceria com os serviçosCASPAS, SARSAT e EGNOS. Ele consiste no aumento de funcionalidade do GPSe GLONASS, sobretudo para obter melhorias nas aplicações dos modais noterritório europeu e nos arredores. Baseia-se no envio, a partir de 3 satélitesgeoestacionários, de sinais GPS e GLONASS com a devida introdução decorreções diferenciais.



Sua precisão ficará abaixo de 2m. Ele oferecerá um conjunto de serviços paraaplicações de usuário final para serviço aberto; serviço público regulado; serviçode segurança de vida (Safety of Life Service) e para serviço comercial.O sistema ajudará na Concepção, construção e operação de redes de energia paraenergia elétrica, petróleo e gás, pois necessitam de sistemas de localizaçãobastante precisas. As redes devem ser monitoradas continuamente para garantirum funcionamento eficiente. Quando há uma quebra de linha de energia ou umafraqueza aparecer na rede, os instrumentos de monitoramento oferecerão umamáxima precisão. As melhorias também estarão presentes no cotidiano daspessoas, onde o sistema de informação oferecerá uma maior segurança eintegridade de dados, pois a autenticidade e a confidencialidade surgirão comoquestões principais na troca eletrônica de documentos e arquivos

BEIDOU: O sistema começou a ser construído em 2000 está disponível para apopulação chinesa porque a cobertura dos satélites atinge apenas o territóriochinês. O Beidou tornará a China menos dependente de tecnologia estrangeira,

principalmente para realizar suas decisões militares. Construindo um sistemapróprio, eles sabem o que funciona e o que não funciona. Também saberão que averacidade dos dados serão garantidas, porque não haverá forma de distorção dedados oferecidos por outros governantes. O sistema também será compatível aodo GPS, tal avanço tecnológico na china os possibilitam em sonhar mais alto, issolevou a crer que o país poderá construir uma estação espacial até o fim da décadae, eventualmente, enviar uma missão tripulada à Lua. A nomenclatura Beidou ouCompass se dá devido as gerações implantadas deste sistema. Onde a primeirageração foi alcunhada de Beidou e a segunda geração de Compass. Eles tem oobjetivo de tornar o país independente e tornar suas tecnologias mais eficientes eprecisas.

GLONASS: É um dos dois únicos sistemas GNSS completamente operacional, ooutro é o NAVSTAR GPS. O Glonass foi desenvolvido inicialmente para finsmilitares, ele foi inicialmente desenvolvido pela extinta URSS a partir de 1976. Oseu primeiro satélite foi enviado em 1982, sendo o primeiro teste realizado em1984. Em 2000, foi realizado a restauração do sistema e a partir de 2003 uma novageração de satélites foi lançada, conhecida como GLONASS-M e em 2011 osistema tornou-se completamente operacional, possuindo 24 satélites o quepossibilitou ter uma cobertura global. E, também em 2011, foi lançada a terceirageração de satélites GLONASS, chamada de GLONASS-K, cuja proposta éatualizar completamente o sistema até 2021.

4.ª Questão

Sobre os sistemas de referência do Brasil responda as questões abaixo:

a) Como foram concebidos;

O desenvolvimento do Sistema Geodésico Brasileiro - SGB, composto pelas redesaltimétrica, planimétrica e gravimétrica pode ser dividido em duas fases distintas:uma anterior e outra posterior ao advento da tecnologia de observação de satélitesartificiais com fins de posicionamento. No Brasil, essa tecnologia possibilitou, porexemplo, a expansão do SGB à região amazônica, permitindo o estabelecimentodo arcabouço de apoio ao mapeamento sistemático daquela área.Inicialmente, na década de 70, eram observados os satélites do SistemaTRANSIT. Em fins da década de 80, o IBGE, através do seu Departamento deGeodésia, criou o projeto GPS com o intuito de estabelecer metodologias que



possibilitassem o uso pleno da tecnologia do Sistema NAVSTAR/GPS, que seapresentava como uma evolução dos métodos de posicionamento geodésico atéentão usados, mostrando-se amplamente superior nos quesitos rapidez eeconomia de recursos humanos e financeiros.

b) Quais os três sistemas de referência do Brasil

Desde 25 de fevereiro de 2015, o SIRGAS2000 (Sistema de ReferênciaGeocêntrico para as Américas) é o único sistema geodésico de referênciaoficialmente adotado no Brasil. Entre 25 de fevereiro de 2005 e 25 de fevereiro de2015, admitia-se o uso, além do SIRGAS2000, dos referenciais SAD 69 (South American Datum 1969) e Córrego Alegre.

c) Descreva sobre os três sistemas de referência do Brasil.

São sistemas de concepção diferente. Enquanto a definição/orientação do

CA/SAD69 é topocêntrica, ou seja, o ponto de origem e orientação está nasuperfície terrestre, a definição/orientação do SIRGAS2000 é geocêntrica. Istosignifica que esse sistema adota um referencial que tem a origem dos seus trêseixos cartesianos localizada no centro de massa da Terra. Além disso, as redesde referência que materializam esses sistemas foram determinadas com técnicasde posicionamento diferentes. Enquanto que no caso do CA e SAD 69 foramutilizadas basicamente técnicas clássicas (triangulação e poligonação), noSIRGAS2000 foram empregados os sistemas globais de navegação(posicionamento) por satélites - GNSS

5.ª Questão

Escreva sobre, no mínimo, cinco aplicações do GPS na Engenharia Civil apresentandoilustrações.

Dentre as várias aplicações que existem dentro da construção civil, pode-sedestacar:

1 – Estudos Geotécnicos para a projeção de construção de uma barragem, comopode ser visto na figura abaixo:



Figura 5 – Detalhamento de um projeto de barragem. Fonte: http://bit.ly/1NhM5A4

2 – GPS para realizar locações de estacas com alta precisão, abaixo segueoutro exemplo:

Figura 6 – Detalhamento de estaqueamento de uma rodovia através do GPS. Fonte: http://bit.ly/1VAaUMe

3 – Sistema de monitoramento de crescimento demográfico aplicado asvariáveis econômicas na economia de transportes.

http://bit.ly/1NhM5A4

http://bit.ly/1NhM5A4



Figura 7 – Exemplo de uma cidade visualizada através de GPS . Fonte: http://bit.ly/1L3sKgf

4 – Utilização do GPS para auxiliar nos serviços de Terraplenagem, conformepode ser visto na imagem abaixo:

Figura 8 – Exemplo de Terraplenagem com uso do GPS. Fonte: http://bit.ly/1j1XUwZ

5 – Cálculo de Áreas de grandes dimensões com o uso do GPS

http://bit.ly/1L3sKgf

http://bit.ly/1L3sKgf



Figura 9 – Cálculo de uma Área com o Auxílio do GPS. Fonte: http://bit.ly/1OhfQQb

6.ª Questão

A 6.ª questão encontra-se em anexo, nesta prova.

http://bit.ly/1OhfQQb




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