Sistema de Posicionamento Global (GPS)

O GPS (Global Positioning System) é um dos mais recentes sistemas de navegação que utiliza informação proveniente de satélites para fornecer, com rigor, as coordenadas de um lugar: latitude, longitude e altitude.

Este sistema divide-se em três partes distintas: segmento espacial, segmento de controlo e segmento do utilizador.

Segmento Espacial

O segmento espacial é composto por 24 satélites, com as seguintes caraterísticas:

Descrevem órbitas aproximadamente circulares em torno da Terra, dando duas voltas completas por dia. Isto significa que estes satélites têm um período de 12 horas, ou seja, demoram 12 horas a dar uma volta completa ao nosso planeta;
As órbitas estão contidas em seis planos distintos que fazem 60º entre si;
Em cada órbita há quatro satélites de modo que, num determinado ponto da Terra, haja sempre pelo menos 4 satélites em linha de vista;
Os satélites obtêm energia através de painéis solares;
Cada satélite possui quatro relogios atómicos;
Os satélites transmitem e captam ondas eletromagnéticas na radiação de micro-ondas, pois é o único tipo de radiação que consegue atravessar a atmosfera sem ser desviada.

Segmento de Controlo

O segmento de controlo é constituído por cinco estações terrestres dispersas pelo planeta: quatro delas fazem a observação dos satélites e a quinta é a estação principal.

As suas funções são:

Controlar a posição dos satélites, a velocidade e o tempo marcado nos seus relógios;
Analisar as condições atmosféricas que introduzem erros no sistema. Estes surgem pelo facto de a velocidade de propagação das ondas eletromagnéticas ser afetada pela composição da atmosfera;
Efetuar correções às órbitas e relógios dos satélites através do envio de informação codificada.

Segmento do Utilizador

É constituído pelos recetores de GPS e por quem os utiliza.

Os recetores de GPS são caraterizados por:

Receber e descodificar os sinais de satélite;
Poder trocar dados com outros recetores e com computadores;
Permitir a quem navega dispor de mapas detalhados dos locais e endereços úteis, obter a melhor rota até um local ou conhecer coordenadas de uma posição.

Agora que já sabemos como é constituído o GPS, vamos ver como ele trabalha...

Os satélites, assim como os recetores de GPS, possuem quatro relógios atómicos internos, que marcam as horas com uma precisão de nenosegundos. Quando um sinal é emitido pelo satélite, também é enviado o instante de tempo em que ele saiu.

Este sinal viaja à velocidade da luz (3000 000 km/s). Cronometrando o tempo que o sinal demora desde que saiu do satélite até chegar ao recetor, é possível determinar a distância entre o recetor e o satélite, usando a seguinte fórmula.

v = d/Δt

Nesta fórmula v= velocidade (3000 000 km/s), Δt = tempo que o sinal demora desde a emissão até quando o recetor o recebe, d = distância desde o satélite até ao recetor.

Método da Triangulação

Agora que já sabemos como calcular a distância entre o satélite e o recetor, vamos utilizar o Método da Triangulação para localizar um ponto.

Suponhamos que o recetor está situado no ponto P e que o emissor (o satélite), está no ponto A. Depois de receber o sinal proveniente de A, o recetor P, a partir do tempo que o sinal demorou de A até P, calcula a distância dA. Embora ainda não saibamos a localização precisa do ponto P, já sabemos que ele é um dos pontos da circunferência centrada em A e de raio dA;
A posição de um outro emissor, B, é também conhecida com exatidão. O sinal que B emite, e que é captado pelo recetor GPS, permite determinar a distância dB. A partir daí, o utilizador do GPS fica a saber que P é um dos dois pontos da circunferência centrada em B de raio dB que interseta com a circunferência centrada em A de raio dA;
Para saber qual desses dois pontos é o ponto P, faz-se uma nova medição de distância em relação a C cuja posição tem de ser igualmente conhecida. Essa distância, dC, permite concluir que o utilizador está sobre a circunferência com centro C e de raio dC.

Assim, o ponto P fica localizado com o auxílio de apenas três emissores.

Precisão de um recetor de GPS

Os recetores GPS comerciais permitem localizar um certo sítio com um erro inferior a 10 metros. Este erro pode dever-se, por exemplo, a más condições atmosféricas, à diminuição do número de satélites em linha de vista devido a obstáculos durante a sua propagação.

Segundo a Teoria da Relatividade de Einstein, os relógios atómicos existentes nos satélites adiantam-se. Se não houvesse uma correção, o GPS tornar-se-ia inútil, pois os erros acumulados na determinação da posição, ao fim de um dia, levariam a erros de mais de uma dezena de quilómetros! São as correções efetuadas com base na Teoria da Relatividade que tornam o GPS tão eficaz!

Aplicações com GPS

O GPS começou a ser utilizado pelo Departamento de Defesa norte-americano para fins militares, nos anos setenta do século passado. Atualmente é usado para fins civis como:

Navegação terrestre, marítima e aérea;
Segurança de veículos como táxis ou camões de transporte de mercadorias;
Produção de mapas e estudos de topografia dos terrenos;
Gestão de tráfego e deteção de situações de emergência.