Sistema de posicionamento global
O Sistema de Posicionamento Global, ou GPS (Global Positioning System), é um sistema de navegação hiperbólica por satélite mantido pela Força Espacial dos Estados Unidos. Ele faz parte dos Sistemas Globais de Navegação por Satélite (GNSS), que fornecem localização geográfica e informações de tempo a receptores em qualquer lugar da Terra com sinal. O GPS funciona independentemente de telefonia ou internet, sendo crucial para usuários militares, civis e empresas globalmente. Criado e operado pelo governo dos EUA, é disponibilizado gratuitamente a qualquer pessoa com um receptor compatível.
Pontos-chave
- O GPS é um sistema de navegação por satélite dos EUA, parte dos GNSS, que oferece localização e tempo.
- Funciona de forma independente de telefonia ou internet, sendo acessível gratuitamente a usuários civis e militares.
- O projeto foi iniciado em 1973 pelo Departamento de Defesa dos EUA e a constelação completa operou em 1993.
- A 'disponibilidade seletiva', que limitava a precisão civil, foi desativada em 2000, melhorando significativamente o serviço.
- O sistema é composto por três segmentos: espacial (satélites), de controle (estações terrestres) e de usuários (receptores).
Imagem: f7global · BY-NC-SA · Openverse
O projeto GPS, iniciado em 1973 pelo Departamento de Defesa dos EUA, teve seu protótipo de satélite lançado em 1978 e a constelação completa em operação em 1993. Após o incidente do voo Korean Air Lines 007 em 1983, o presidente Ronald Reagan autorizou o uso civil do GPS a partir de 1988. Inicialmente, a precisão para civis era limitada a 100 metros pela 'disponibilidade seletiva' (SA), que introduzia erros corrigíveis apenas por receptores militares. A pressão civil e a necessidade militar (Guerra do Golfo) levaram à desativação temporária e, posteriormente, permanente da SA em 1º de maio de 2000, por ordem do presidente Bill Clinton, melhorando drasticamente a precisão civil. Em 2007, foi anunciado que a próxima geração de satélites GPS não teria esse recurso.
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O projeto GPS começou em 1973 nos Estados Unidos, unindo conceitos de sistemas de navegação anteriores e estudos sigilosos dos anos 1960. Desenvolvido pelo Departamento de Defesa para as Forças Armadas, a constelação de 24 satélites foi concluída em 1993, embora o uso civil já fosse permitido desde os anos 1980. Roger L. Easton, Ivan Getting e Bradford Parkinson são creditados como inventores. Gladys West contribuiu com um modelo geodésico matemático da Terra, essencial para a precisão do sistema.
Antecessores do GPS
Após o lançamento do Sputnik-1 em 1957, físicos do Applied Physics Laboratory (APL) da Universidade Johns Hopkins, William Guier e George Weiffenbach, notaram que o efeito Doppler permitia rastrear a posição do satélite. Posteriormente, Frank McClure, do APL, solicitou que investigassem o problema inverso: determinar a posição do usuário a partir da posição conhecida do satélite. Esse trabalho, impulsionado pela necessidade de navegação para mísseis Polaris da Marinha, levou ao desenvolvimento do sistema TRANSIT pelo APL, com a participação da ARPA (atual DARPA) a partir de 1959.
Desenvolvimento do Sistema
Na década de 1960, projetos paralelos como 621B, Transit, Timation e SECOR foram combinados em um programa militar conjunto. Era crucial corrigir erros na órbita dos satélites, causados por variações gravitacionais e refração de sinais. Entre 1970 e 1973, uma equipe da Pan Am, liderada por Harold L. Jury, usou assimilação de dados e estimação recursiva para reduzir esses erros. Em 1973, uma reunião no Pentágono resultou na criação do Defense Navigation Satellite System (DNSS), que combinou as tecnologias que formaram o GPS. O programa foi então nomeado Navstar, uma designação para cada satélite, levando à denominação Navstar-GPS para a constelação. Cientistas como Hugo FrueHauf, Bradford Parkinson, James Spilker e Richard Schwartz desenvolveram equipamentos essenciais, incluindo relógios atômicos miniaturizados. Dez satélites protótipos Block I foram lançados entre 1978 e 1985.
Cronologia e Modernização
Em 1972, testes de voo com receptores GPS protótipos foram realizados na Base Aérea de Holloman. O primeiro satélite experimental GPS Block I foi lançado em 1978. Em 1983, após o abate do voo KAL 007, o presidente Ronald Reagan anunciou a disponibilização do GPS para uso civil. No entanto, já em 1979, sabia-se que o código de aquisição grosseira (C/A) seria acessível a civis. Até 1985, mais dez satélites experimentais Block I foram lançados para validar o conceito do sistema.
Prêmios e Reconhecimento
Em 10 de fevereiro de 1993, a equipe do GPS recebeu o Troféu Robert J. Collier de 1992, o prêmio mais prestigiado da aviação norte-americana. A equipe era composta por pesquisadores do Laboratório de Pesquisa Naval, Força Aérea, The Aerospace Corporation, Rockwell International e IBM Federal Systems. O prêmio reconheceu o avanço do GPS na navegação segura e eficiente, comparando-o à introdução da radionavegação. Em 2003, dois desenvolvedores do GPS foram agraciados com o Prêmio Charles Stark Draper da Academia Nacional de Engenharia dos EUA.
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Os satélites GPS possuem relógios atômicos altamente estáveis, sincronizados entre si e com as estações de controle terrestres. A velocidade constante das ondas de rádio (velocidade da luz) permite que o tempo de trânsito de um sinal seja proporcional à distância entre o satélite e o receptor. Com base nas distâncias medidas por estações terrestres, as coordenadas de cada satélite são calculadas com precisão. Cada satélite transmite continuamente sua posição e tempo. O receptor do usuário, ao receber dados de pelo menos quatro satélites visíveis, calcula sua posição em três dimensões e o desvio de seu próprio relógio em relação ao tempo dos satélites.
Funcionamento Detalhado
Cada satélite GPS transmite continuamente um sinal portador modulado que contém informações. O receptor mede os instantes de chegada dos sinais de quatro satélites, usando seu próprio relógio. A partir dos instantes de chegada e transmissão, ele calcula quatro 'tempos de voo' (TOFs). Multiplicados pela velocidade da luz, esses TOFs fornecem 'pseudodistâncias' (distâncias aproximadas com o erro do relógio do receptor). O receptor então resolve um sistema de equações para determinar sua posição tridimensional e o desvio de seu relógio a partir desses quatro tempos de voo.
Geometria entre Usuário e Satélites
As diferenças entre os instantes de chegada (TDOAs) dos sinais definem a geometria das medições. Cada diferença corresponde a um hiperboloide de revolução. O receptor está na interseção de três dessas superfícies. A representação comum de 'interseção de três esferas' é uma simplificação válida apenas se o relógio do receptor estiver perfeitamente sincronizado com os satélites, permitindo medir distâncias reais. Um relógio sincronizado permitiria calcular a posição com apenas três satélites, mas tornaria o equipamento do usuário mais caro e complexo.
Receptor em Operação Contínua
A maioria dos receptores GPS utiliza um algoritmo de rastreamento (tracker) que combina medições de satélites obtidas em diferentes instantes. Após processar um conjunto de medições, o algoritmo prevê a posição futura. Novas medições são então combinadas com essa previsão, usando ponderação. O rastreamento melhora a precisão da posição e do tempo, ajuda a rejeitar medições incorretas e estima a velocidade e direção do receptor.
Aplicações Além da Navegação
Embora quatro ou mais satélites sejam necessários para navegação precisa, a solução das equações do GPS também fornece a diferença entre o relógio do receptor e a hora correta. Essa referência temporal precisa e de baixo custo é usada em aplicações como transferência de tempo, sincronização de semáforos e estações radiobase de telefonia celular. Em situações específicas, com uma variável já conhecida (como a altitude de um navio), é possível determinar a posição com apenas três satélites. Receptores podem usar informações adicionais (última altitude conhecida, navegação estimada, navegação inercial) para fornecer uma posição, mesmo com menos de quatro satélites visíveis, embora com menor precisão.
O GPS é composto por três segmentos principais: espacial, de controle e de usuários. A Força Espacial dos Estados Unidos é responsável pelo desenvolvimento, manutenção e operação dos segmentos espacial e de controle. Os satélites transmitem sinais do espaço, que são utilizados pelos receptores para calcular a posição tridimensional (latitude, longitude e altitude) e a hora.
Segmento Espacial (SS)
O segmento espacial é formado por 24 a 32 satélites (veículos espaciais, ou SVs) em órbita terrestre média, além dos adaptadores de carga útil dos foguetes. O projeto original previa 24 satélites em três órbitas circulares. Atualmente, a configuração é de seis planos orbitais, com quatro satélites por plano, inclinados a aproximadamente 55° em relação ao equador e separados por 60° na ascensão reta do nodo ascendente. O período orbital é de cerca de 11 horas e 58 minutos (meio dia sideral), garantindo que os satélites passem pelos mesmos locais ou próximos a eles diariamente. As órbitas são arranjadas para que sempre haja pelo menos seis satélites visíveis de qualquer ponto da Terra, com intervalos angulares de 30°, 105°, 120° e 105° entre os satélites de cada órbita.
Segmento de Controle (CS)
O segmento de controle inclui uma Estação de Controle Principal (MCS), uma estação principal alternativa, quatro antenas terrestres dedicadas e seis estações de monitoramento dedicadas. A MCS pode também usar antenas da Rede de Controle de Satélites (SCN) e estações de monitoramento da Agência Nacional de Inteligência Geoespacial (NGA) para expandir sua capacidade. As trajetórias dos satélites são monitoradas por estações da Força Espacial no Havaí, Kwajalein, Ilha de Ascensão, Diego Garcia, Colorado Springs e Cabo Canaveral, além de estações compartilhadas da NGA em outros países. Os dados são enviados à MCS na Base da Força Espacial de Schriever, operada pelo 2º Esquadrão de Operações Espaciais. Este esquadrão envia atualizações de navegação aos satélites, sincronizando seus relógios atômicos e ajustando suas efemérides (modelos orbitais) com base em dados das estações terrestres, clima espacial e outras informações, calculadas por um filtro de Kalman.
Segmento de Usuários (US)
O segmento de usuários abrange centenas de milhares de usuários militares norte-americanos e aliados do Serviço de Posicionamento Preciso (protegido), e dezenas de milhões de usuários civis, comerciais e científicos do Serviço de Posicionamento Padrão. Geralmente, um receptor GPS possui uma antena sintonizada nas frequências dos satélites, circuitos de recepção e processamento, um relógio estável (normalmente um oscilador de cristal) e, em alguns casos, uma tela para exibir posição e velocidade. Receptores GPS podem ter entrada para correções diferenciais no formato RTCM SC-104, geralmente via porta RS-232, que melhoram a precisão. A compatibilidade com o formato RTCM é crucial para o uso de receptores diferenciais externos. Em 2006, receptores recreativos já incorporavam a recepção do Sistema de Complementação de Área Ampla (WAAS).
Embora concebido para fins militares, o GPS tornou-se uma tecnologia de uso dual, com vasta aplicação em setores civis e militares. É fundamental para o comércio, a ciência, o rastreamento e a vigilância. A precisão de sua referência de tempo permite a sincronização de atividades bancárias, redes de telefonia celular e até mesmo redes elétricas, coordenando a comutação entre sistemas.
Usos Civis do GPS
As aplicações civis do GPS exploram seus três recursos básicos: localização absoluta, movimento relativo e transferência de tempo. O governo dos EUA controla a exportação de certos receptores civis. Historicamente, os controles de tecnologia de mísseis aplicavam-se a receptores que funcionavam simultaneamente acima de 18 km de altitude e 515 m/s de velocidade, ou aqueles projetados para mísseis e aeronaves não tripuladas. A exportação desses equipamentos, listados na Lista de Munições dos EUA, requer licença do Departamento de Estado. As restrições podem afetar equipamentos civis que recebem apenas a frequência L1 e o código C/A. Os limites técnicos evoluíram, e manuais recentes de receptores comerciais indicam um máximo de 600 m/s para conformidade com as licenças de exportação.
Usos Militares do GPS
Em 2009, as aplicações militares do GPS incluíam navegação, rastreamento de forças, busca e salvamento, reconhecimento, inteligência, direcionamento de armas, e sincronização de tempo. O GPS foi usado pela primeira vez em combate na Guerra do Golfo (1991), antes de sua conclusão, para orientar as manobras da coalizão. O conflito também revelou a vulnerabilidade do GPS ao bloqueio de sinais, com forças iraquianas usando emissores de ruído. A ameaça de interferência militar aumentou com a disponibilidade de equipamentos de bloqueio. Interferências no GPS foram registradas em várias ocasiões, atribuídas à Rússia (para intimidar vizinhos, reduzir confiança em sistemas dos EUA, promover o GLONASS, atrapalhar exercícios ocidentais e proteger instalações de drones) e à China (para afastar aeronaves de vigilância dos EUA das Ilhas Spratly). A Coreia do Norte realizou bloqueios perto da fronteira sul-coreana e no mar, afetando voos, navegação e pesca. Andre Milne, da Unicorn Aerospace, acusou forças iranianas de bloquear o GPS do voo PS752, embora o governo iraniano tenha confirmado interrupções de sinal em Teerã em dezembro de 2020.
Medição de Tempo com GPS
A maioria dos relógios usa o Tempo Universal Coordenado (UTC) como referência. Os relógios atômicos dos satélites GPS seguem o tempo GPS, que não inclui ajustes para a rotação da Terra, como segundos intercalares. O tempo GPS foi igualado ao UTC em 1980, mas desde então se afastou. A diferença em relação ao Tempo Atômico Internacional (TAI) permanece constante (TAI - GPS = 19 segundos). Os relógios dos satélites são periodicamente corrigidos para sincronização com os relógios terrestres. A mensagem de navegação informa a diferença entre o tempo GPS e o UTC. Desde janeiro de 2017, o tempo GPS está 18 segundos adiantado em relação ao UTC devido a um segundo intercalar. Receptores subtraem essa diferença para calcular o UTC e os horários dos fusos. Um receptor novo pode não exibir a hora UTC correta antes de receber essa mensagem de ajuste. O campo para a diferença GPS-UTC tem oito bits, suportando até 255 segundos intercalares.
Os sinais de navegação do GPS transmitem informações cruciais sobre a posição dos satélites, seus relógios internos e o status da rede. O sistema original utiliza duas frequências portadoras compartilhadas por todos os satélites, com uma codificação pública para navegação de menor resolução e outra criptografada para uso militar dos EUA.
Formato das Mensagens
Cada satélite transmite continuamente uma mensagem de navegação nas frequências L1 (com códigos C/A e P/Y) e L2 (com código P/Y) a 50 bits por segundo. Uma mensagem completa leva 750 segundos (12,5 minutos). A estrutura básica é um quadro de 1.500 bits, dividido em cinco subquadros de 300 bits, cada um com seis segundos. Os subquadros 4 e 5 são subcomutados 25 vezes, exigindo 25 quadros para uma mensagem completa. Cada subquadro tem dez palavras de 30 bits. Assim, 300 bits/subquadro * 5 subquadros/quadro * 25 quadros/mensagem = 37.500 bits. A 50 bit/s, são necessários 750 segundos para transmitir o almanaque GPS completo. Cada quadro de 30 segundos começa precisamente no início ou meio de um minuto, conforme o relógio atômico do satélite.
Frequências dos Satélites
Todos os satélites transmitem nas frequências de 1,57542 GHz (sinal L1) e 1,2276 GHz (sinal L2). O sistema usa espalhamento espectral CDMA, onde dados de baixa taxa são codificados com uma sequência pseudoaleatória (PRN) de alta taxa, exclusiva para cada satélite. O receptor precisa conhecer esses códigos PRN para reconstruir a mensagem. O código C/A (civil) opera a 1,023 milhão de chips por segundo, e o código P (militar) a 10,23 milhões de chips por segundo. A referência interna efetiva dos satélites é de 10,22999999543 MHz, para compensar efeitos relativísticos. Na configuração original, a portadora L1 é modulada pelos códigos C/A e P, enquanto a L2 é modulada apenas pelo código P. O código P pode ser criptografado como P(Y), acessível apenas a equipamentos militares com a chave de decodificação. Os códigos C/A e P(Y) fornecem a hora precisa ao usuário.
Demodulação e Decodificação
Como todos os sinais são modulados na mesma frequência portadora L1, eles devem ser separados após a demodulação. Cada satélite possui uma sequência binária única, o código Gold. A decodificação envolve a soma dos códigos Gold dos satélites rastreados pelo receptor. Se o receptor já tiver o almanaque, ele seleciona os satélites pelos seus números PRN (identificadores únicos de 1 a 32). Caso contrário, ele entra em modo de busca até adquirir o sinal de um satélite, o que exige linha de visada desimpedida. Uma vez adquirido, o aparelho pode obter o almanaque e determinar quais satélites rastrear. Cada sinal é reconhecido pelo padrão exclusivo do código C/A. A leitura das efemérides pode atrasar a primeira estimativa de posição em até 30 segundos.
As equações de navegação do GPS são fundamentais para o cálculo da posição do receptor. Elas utilizam as informações transmitidas pelos satélites sobre suas posições e instantes de transmissão, considerando o desvio do relógio do receptor. A solução dessas equações, que podem ser não lineares, permite determinar a localização do usuário no espaço-tempo.
Formulação do Problema
O receptor usa as mensagens dos satélites para determinar suas coordenadas (x, y, z) e o instante de transmissão (s). Para cada satélite 'i' (de 1 a n, com n ≥ 4), temos [xi, yi, zi, si]. Se o relógio do receptor indica que a mensagem chegou no instante t̃i, o instante real de recepção é ti = t̃i - b, onde 'b' é o desvio do relógio do receptor em relação aos relógios GPS (muito mais precisos e sincronizados). O tempo de trânsito da mensagem é t̃i - b - si. Propagando-se à velocidade da luz 'c', a distância percorrida é (t̃i - b - si)c.
Interpretação Geométrica
As equações do GPS podem ser resolvidas por métodos numéricos ou analíticos. Geometricamente, as distâncias medidas (pseudodistâncias) contêm erros de relógio. Em um cenário idealizado com relógios sincronizados, as distâncias reais seriam os raios de esferas centradas em cada satélite. A posição do receptor seria a interseção dessas superfícies, como na trilateração ou multilateração por distâncias reais, exigindo sinais de pelo menos três satélites. As três esferas geralmente se cruzam em dois pontos, um sendo a posição do receptor e o outro um ponto que se desloca rapidamente e geralmente não está na superfície terrestre.
Métodos de Solução
Quando mais de quatro satélites estão disponíveis, o cálculo pode usar os quatro melhores ou um conjunto maior, dependendo dos canais do receptor, capacidade de processamento e diluição geométrica da precisão. Com mais de quatro satélites, o sistema de equações é sobredeterminado e geralmente não tem uma solução exata única. Pode ser resolvido por mínimos quadrados ou sua versão ponderada. As equações para quatro satélites e as equações de mínimos quadrados para conjuntos maiores são não lineares e requerem métodos específicos, como iterações em uma forma linearizada das equações (ex: algoritmo de Gauss-Newton).
Fontes e Análise de Erros
A análise de erros do GPS investiga suas origens e magnitude. Embora o sistema corrija o desvio do relógio do receptor e outros efeitos, erros residuais persistem. Estes podem vir da medição do instante de chegada do sinal, cálculos numéricos, atrasos na ionosfera e troposfera, dados de efemérides e relógios, recepção por caminhos múltiplos e interferências (naturais ou artificiais). A magnitude do erro residual depende da diluição geométrica da precisão. Interferências deliberadas, como bloqueadores, podem ameaçar navios e aeronaves. A antiga 'disponibilidade seletiva' também degradava intencionalmente o sinal; sua desativação em 1º de maio de 2000 melhorou a precisão civil para a ordem de 6 a 12 metros.
As técnicas de melhoria da precisão em Sistemas Globais de Navegação por Satélite (GNSS) aprimoram as informações de posicionamento do GPS e outros sistemas. Elas incorporam dados externos ao cálculo. Os sistemas de aprimoramento diferem na forma como o receptor obtém essas informações: alguns transmitem dados adicionais sobre fontes de erro (deriva de relógios, efemérides, atraso ionosférico), outros fornecem medições diretas de desvios de sinal anteriores, e um terceiro grupo adiciona informações de navegação ou do veículo ao processamento.
Nos Estados Unidos, os receptores GPS são regulados pela Parte 15 das regras da FCC, exigindo que aceitem interferências e que os fabricantes projetem receptores capazes de rejeitar sinais fora do espectro atribuído. Por cerca de 30 anos, receptores GPS operaram com sucesso ao lado da faixa do serviço móvel por satélite. A faixa do GPS L1 vai de 1.559 a 1.610 MHz. A LightSquared foi autorizada pela FCC desde 1996 a usar o espectro adjacente (1.525 a 1.559 MHz) para transmissões de satélites à Terra. Em 2002, o conselho da indústria de GPS dos EUA e a LightSquared fizeram um acordo sobre emissões fora de faixa para evitar interferência das estações terrestres da empresa na faixa do GPS. Em 2004, a FCC incorporou esse acordo à autorização para a rede terrestre auxiliar (ATC) da LightSquared, determinando que ela permanecesse subordinada ao serviço por satélite. Essa autorização foi revisada e aprovada pelo comitê interdepartamental de radiocomunicações dos EUA, incluindo representantes de diversos departamentos governamentais.
Além do GPS, outros países e regiões desenvolveram seus próprios sistemas globais de navegação por satélite, oferecendo serviços similares de posicionamento e tempo.
