Por trás da tecnologia: GPS

Introdução

Já parou pra pensar em como o GPS do seu celular funciona? Como é possível o erro de um GPS, que rastreia localizações no mundo todo, ser de apenas alguns metros? Descubra isso e muito mais no nosso novo post da série “Por trás da tecnologia” no qual falamos sobre o GPS! Vamos lá?

Definição e História

O que é?

O sistema de posicionamento global, mais conhecido pela sigla GPS (em inglês, global positioning system), é um sistema de navegação por satélite que fornece a um aparelho receptor móvel a sua posição, assim como o horário, sob quaisquer condições atmosféricas, a qualquer momento e em qualquer lugar na Terra; desde que o receptor se encontre no campo de visão de três satélites GPS (quatro ou mais para precisão maior). Encontram-se em funcionamento dois desses sistemas: o GPS americano e o GLONASS (versão russa do GPS). Existem também dois outros sistemas em implementação: o Galileo da União Europeia e o Compass chinês. O sistema americano é administrado pelo Governo dos Estados Unidos e operado pelo Departamento de Defesa americano.

Como e quando surgiu?

O projeto GPS foi lançado nos Estados Unidos em 1973 para superar as limitações dos sistemas de navegação anteriores, integrando ideias de vários predecessores, incluindo estudos de projetos de engenharia classificados da década de 1960. O Departamento de Defesa dos EUA desenvolveu o sistema, que originalmente usava 24 satélites. Foi inicialmente desenvolvido para ser utilizado por militares dos Estados Unidos e tornou-se totalmente operacional em 1995. O uso civil foi permitido a partir da década de 1980. Roger L. Easton, do Naval Research Laboratory, Ivan A. Getting, da Aerospace Corporation, e Bradford Parkinson, do Laboratório de Física Aplicada, são responsáveis ​​por sua invenção. O trabalho de Gladys West é creditado como fundamental no desenvolvimento de técnicas computacionais para detecção de posições de satélites com a precisão necessária para GPS.

Roger L. Easton, Ivan A. Getting e Bradford Parkinson.
Crédito: Google Images

O design do GPS é parcialmente baseado em sistemas de radionavegação em terrenos semelhantes, como o LORAN e o Decca Navigator, desenvolvidos no início dos anos 1940. Em 1955, Friedwardt Winterberg propôs um teste de relatividade geral – detectar a desaceleração do tempo em um campo gravitacional forte usando relógios atômicos precisos colocados em órbita dentro de satélites artificiais. A relatividade geral e especial preveem que os relógios dos satélites GPS seriam vistos pelos observadores da Terra correndo 38 microssegundos mais rápido por dia do que os relógios da Terra. As posições calculadas pelo GPS derivariam rapidamente para o erro, acumulando 10 quilômetros por dia. Isso foi corrigido no design do GPS.

Como funciona?

O sistema do GPS funciona em três segmentos: segmento espacial, de controle e do usuário. A seguir, destrinchamos cada um deles.

Segmento Espacial

O segmento espacial do GPS consiste em uma constelação de satélites que transmitem sinais de rádio aos usuários. Os satélites GPS voam em órbita terrestre média (MEO, sigla em inglês) a uma altitude de aproximadamente 20.200 km. Cada satélite circula a Terra duas vezes por dia. Os satélites da constelação GPS são organizados em seis planos orbitais igualmente espaçados ao redor da Terra. Cada plano contém quatro “slots” ocupados por satélites de linha de base. Este arranjo de 24 slots garante que os usuários possam visualizar pelo menos quatro satélites de praticamente qualquer ponto do planeta.

Satélites GPS.
Crédito: Wikipédia

A Força Aérea normalmente lança mais de 24 satélites GPS para manter a cobertura sempre que os satélites da linha de base são danificados ou desativados. Os satélites extras podem aumentar o desempenho do GPS, mas não são considerados parte da constelação central. Em junho de 2011, a Força Aérea concluiu com êxito uma expansão da constelação de GPS conhecida como configuração “Expansível 24”. Três dos 24 slots foram expandidos e seis satélites foram reposicionados, de modo que três dos satélites extras se tornaram parte da linha de base da constelação. Como resultado, o GPS agora opera efetivamente como uma constelação de 27 slots com cobertura aprimorada na maioria das partes do mundo.

Segmento de Controle

O segmento de controle do GPS consiste em uma rede global de instalações terrestres que rastreiam os satélites GPS, monitoram suas transmissões, realizam análises e enviam comandos e dados para a constelação. O atual Segmento de Controle Operacional (OCS, sigla em inglês) inclui uma estação de controle mestre, uma estação de controle mestre alternativa, 11 antenas de comando e controle e 16 locais de monitoramento. A localização dessas instalações é mostrada no mapa abaixo.

Instalações de Controle do GPS.
Crédito: GPS

Os principais elementos de uma estação do segmento de controle são:

Estação de Monitoramento

  • Rastreia os satélites GPS conforme eles passam acima da estação;
  • Coleta sinais de navegação, medidas de alcance e dados atmosféricos;
  • Alimenta as observações para a estação de controle mestre;
  • Utiliza sofisticados receptores GPS;
  • Fornece cobertura global por meio de 16 locais: 6 da Força Aérea e mais 10 da NGA.

Estação de Controle Mestre

  • Fornece comando e controle da constelação GPS;
  • Usa dados globais da estação de monitoramento para calcular as localizações precisas dos satélites;
  • Gera mensagens de navegação para upload para os satélites;
  • Monitora as transmissões de satélite e a integridade do sistema para garantir a integridade e a precisão da constelação;
  • Executa manutenção de satélites e resolução de anomalias, incluindo o reposicionamento de satélites para manter a constelação ideal;
  • Atualmente usa sistemas separados (AEP e LADO) para controlar satélites operacionais e não operacionais;
  • Apoiado por uma estação de controle mestre alternativa totalmente operacional.

Antenas Terrestres

  • Envia comandos, faz uploads de dados de navegação e cargas de programa do processador para os satélites;
  • Coleta telemetria;
  • Comunica-se via banda S e executa alcance de banda S para fornecer resolução de anomalias e suporte orbital precoce;
  • Consiste em 4 antenas terrestres GPS dedicadas mais 7 estações de rastreamento remoto da Rede de Controle de Satélite da Força Aérea (AFSCN);

Segmento do Usuário

O segmento do usuário consiste no equipamento receptor GPS, que recebe os sinais dos satélites GPS e usa as informações transmitidas para calcular a posição tridimensional e o horário do usuário.

Funcionamento do GPS em celulares.
Crédito: BRIGHT SIDE

Usos e Aplicações

As principais aplicações do GPS estão detalhadas abaixo:

Automóveis

Uma das aplicações mais exploradas para usuários comuns é a utilização do sistema em automóveis. Ele é oferecido com mapas das cidades e locais em que o motorista estiver trafegando, o que permite traçar percursos e rotas com facilidade, além de possibilitar uma visão geral da área que se está percorrendo. Até mesmo pessoas que se deslocam constantemente por áreas pouco povoadas fazem uso do GPS.

GPS utilizado em carro.
Crédito: Descubra Autos

Celulares

Talvez a utilização mais corriqueira do GPS em nosso dia-a-dia seja em nossos celulares. A possibilidade de ter em suas mãos qualquer mapa e de saber qual é o caminho mais rápido para chegar em seu destino facilitou muito a vidas das pessoas. Antigamente, quem tinha boca, ia a Roma. Hoje, basta ter um celular com GPS.

GPS utilizado em celulares.
Crédito: TecMundo

Agricultura

Com a popularização do GPS, um novo conceito surgiu: a agricultura de precisão. Uma máquina agrícola dotada de receptor GPS armazena dados relativos à produtividade em um dispositivo de memória que produz um mapa de produtividade da lavoura. As informações permitem, inclusive, otimizar a aplicação de fertilizantes.

GPS utilizado na agricultura.
Crédito: Revista Agropecuária

Outras aplicações

Outras importantes utilizações do GPS em nossa sociedade são:

  • Veículos de voo e navegação;
  • Exploração de recursos naturais;
  • Expedições em matas ou cavernas;
  • Geologia;
  • Arqueologia;

Considerações Finais

Espero que tenham gostado desse post. O objetivo dele é justamente nos fazer entender como o mundo ao nosso redor funciona, dando-nos uma perspectiva diferente para enxergar nossa realidade com outros olhos.

Quer aprender mais sobre tecnologias que usamos no nosso dia-a-dia? Acesse nossos posts da série “Por trás da tecnologia” e confira!

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Até a próxima!

Referências

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Ricardo Lousada
Ricardo Lousada
Graduando em Engenharia de Controle e Automação pela UFMG. Ocupo meu tempo aprendendo cada vez mais sobre eletrônica e programação, áreas que mais gosto. Meus hobbies são cinema e livros.
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