O que é GPS: saiba mais sobre essa tecnologia!

GPS, ou Global Positioning System, é um sistema global de navegação por satélite que fornece localização, velocidade e sincronização de tempo. Portanto, o GPS está em toda parte. Você pode encontrar sistemas GPS em seu carro, smartphone e relógio. Dessa forma, o GPS ajuda você a chegar aonde está indo, do “ponto A ao ponto B”. Mas o que é exatamente o GPS? Leia este artigo para saber tudo sobre ele funciona.

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O que é GPS e como funciona?

O Sistema de Posicionamento Global (GPS) é um sistema de navegação que usa satélites, um receptor e algoritmos para sincronizar dados de localização, velocidade e tempo para viagens aéreas, marítimas e terrestres.

Dessa forma, o sistema de satélite consiste em uma constelação de 24 satélites em seis planos orbitais centrados na Terra, cada um com quatro satélites, orbitando a 20.000 km acima da Terra e viajando a uma velocidade de 14.000 km/h.

Embora precisemos de apenas três satélites para produzir uma localização na superfície da Terra, existe um quarto satélite. Dessa forma, ele serve para validar as informações dos outros três. Além disso, o quarto satélite também nos move para a terceira dimensão e nos permite calcular a altitude de um dispositivo.

Quais são os três elementos do GPS?

O GPS possui três componentes diferentes, chamados de segmentos e que trabalham juntos para fornecer informações de localização. Portanto, os três segmentos de GPS são:

• Espaço (Satélites): Os satélites que circulam a Terra, transmitindo sinais aos usuários sobre a posição geográfica e a hora do dia;
• Controle de solo> O segmento de controle deve ser composto de estações de monitoramento baseadas na Terra, estações de controle mestre e antena de solo. Dessa forma, as atividades de controle incluem rastrear e operar os satélites no espaço e monitorar as transmissões. Além disso, vale lembrar que existem estações de monitoramento em quase todos os continentes do mundo, incluindo América do Norte e do Sul, África, Europa, Ásia e Austrália.
• Equipamento do usuário: receptores e transmissores GPS, incluindo itens como relógios, smartphones e dispositivos telemáticos.

Como funciona a tecnologia?

O GPS funciona por meio de uma técnica chamada trilateração. Usado para calcular a localização, velocidade e elevação, a trilateração coleta sinais de satélites para fornecer informações de localização. Muitas vezes é confundido com triangulação, que é usada para medir ângulos, não distâncias.

Dessa forma, os satélites que orbitam a Terra enviam sinais para serem lidos e interpretados por um dispositivo GPS, situado na superfície da Terra ou próximo dela. Para calcular a localização, um dispositivo GPS deve ser capaz de ler o sinal de pelo menos quatro satélites.

Além disso, cada satélite da rede circula a Terra duas vezes por dia, e cada um deles envia um sinal único, parâmetros orbitais e tempo. A qualquer momento, um dispositivo GPS pode ler os sinais de seis ou mais satélites.

Um único satélite transmite um sinal de micro-ondas que é captado por um dispositivo GPS e usado para calcular a distância do dispositivo GPS ao satélite. No entanto, como um dispositivo GPS fornece apenas informações sobre a distância de um satélite, um único satélite não pode fornecer muitas informações de localização. Os satélites não fornecem informações sobre os ângulos, portanto, a localização de um dispositivo GPS pode ser em qualquer lugar da superfície de uma esfera.

O “caminho”

Quando um satélite envia um sinal, ele cria um círculo com um raio medido do dispositivo GPS ao satélite.

Dessa forma, quando adicionamos um segundo satélite, ele cria um segundo círculo e a localização correta passa a ser um dos dois pontos onde os círculos se cruzam.

Com um terceiro satélite, a localização do dispositivo pode finalmente ser determinada, pois o dispositivo está na interseção de todos os três círculos.

Dito isso, vivemos em um mundo tridimensional, o que significa que cada satélite produz uma esfera e não um círculo. Portanto, a intersecção de três esferas produz dois pontos de intersecção. Dessa forma, o ponto mais próximo da Terra é o “correto”.

Aqui está uma ilustração de alcance de satélite:

Conforme um dispositivo se move, o raio (distância até o satélite) muda.  Dessa forma, quando o raio muda, novas esferas são produzidas, dando-nos uma nova posição. Portanto, podemos usar esses dados, combinados com o tempo do satélite, para determinar a velocidade, calcular a distância até nosso destino e o ETA.

Quais são os usos do GPS?

O GPS é uma ferramenta poderosa e confiável para empresas e organizações em muitos setores diferentes. Dessa forma, “agrimensores”, cientistas, pilotos, capitães de barco, socorristas, trabalhadores de mineração e agricultura são apenas algumas das pessoas que usam o GPS diariamente para trabalhar. Eles usam informações de GPS para preparar pesquisas e mapas precisos, fazer medições de tempo precisas, rastrear posição ou localização e para navegação. Além disso, o GPS funciona em todos os momentos e em quase todas as condições meteorológicas.

Principais usos

Existem cinco usos principais do GPS:

1. Localização – Determinando uma posição;
2. Navegação – Ir de um local para outro;
3. Rastreamento – Monitorando objeto ou movimento pessoal;
4. Mapeamento – Criação de mapas do mundo;
5. Timing – Tornando possível fazer medições de tempo precisas.

Usos específicos

Alguns exemplos específicos de casos de uso de GPS incluem:

• Resposta a Emergências: Durante uma emergência ou desastre natural, os socorristas usam GPS para mapear, acompanhar e prever o clima e manter o controle do pessoal de emergência. No entanto, na UE e na Rússia, o  regulamento eCall conta com a tecnologia GLONASS (uma alternativa ao GPS) e telemática para enviar dados para serviços de emergência em caso de acidente de veículo, reduzindo o tempo de resposta;
• Entretenimento: o GPS pode ser incorporado em jogos e atividades como Pokémon Go e Geocaching;
• Saúde e condicionamento físico: Smartwatches e tecnologia vestível podem rastrear atividades físicas e compará-las a um grupo demográfico semelhante;
• Construção, mineração e transporte off-road: da localização de equipamentos à medição e melhoria da alocação de ativos, o GPS permite que as empresas aumentem o retorno sobre seus ativos;
• Transporte: empresas de logística implementam sistemas telemáticos para melhorar a produtividade e segurança do motorista. Dessa forma, um rastreador de caminhão pode ser usado para apoiar a otimização da rota, eficiência de combustível, segurança do motorista e conformidade.

Outras indústrias onde podemos ver a utilização do GPS: agricultura, veículos autônomos, vendas e serviços, militar, comunicações móveis, segurança e pesca.

O quão ele é preciso?

A precisão do dispositivo GPS depende de muitas variáveis, como o número de satélites disponíveis, a ionosfera, o ambiente urbano e muito mais.

Dessa forma, alguns fatores que podem prejudicar a precisão do GPS incluem:

• Obstruções físicas: as medições do tempo de chegada podem ser distorcidas por grandes massas como montanhas, edifícios, árvores e muito mais.
• Efeitos atmosféricos: atrasos ionosféricos, cobertura de fortes tempestades e tempestades solares podem afetar os dispositivos GPS;
• Efemérides: o modelo orbital dentro de um satélite pode estar incorreto ou desatualizado, embora isso se seja cada vez mais raro;
• Erros de cálculo numéricos: isso acontece quando um determinado hardware do dispositivo não cumpre com as especificações;
• Interferência artificial: Inclui dispositivos de bloqueio de GPS ou falsificações.

Melhorando aos poucos

A precisão tende a ser maior em áreas abertas sem prédios altos adjacentes que possam bloquear os sinais. Conhecemos este efeito como desfiladeiro urbano. Quando um dispositivo está rodeado por grandes edifícios, como no centro de Manhattan ou Toronto, o sinal do satélite é primeiro bloqueado e, em seguida, rebatido de um edifício, onde é finalmente lido pelo dispositivo. Dessa forma, pode resultar em cálculos errados da distância do satélite.

Felizmente, muitos dos problemas críticos enfrentados pela tecnologia GPS estão próximos de uma solução. Além disso, receptores de alta qualidade fornecem precisão horizontal superior a 2,2 metros em 95% dos casos e precisão superior a 3 metros em 99% dos casos.

Uma breve história do GPS

Os humanos praticam a navegação há milhares de anos usando o sol, a lua, as estrelas e, mais tarde, o sextante. No entanto, o GPS somente avançou no século 20, possibilitado pela tecnologia da era espacial.

Dessa forma, a tecnologia GPS tem sido usada globalmente ao longo da história. O lançamento do satélite russo Sputnik I em 1957 inaugurou a possibilidade de recursos de geolocalização e, logo depois, o Departamento de Defesa dos EUA começou a usá-lo para navegação submarina.

Em 1983, o governo dos EUA tornou o GPS publicamente disponível, mas ainda manteve o controle dos dados disponíveis. No entanto, somente em 2000 que as empresas e o público em geral tiveram pleno acesso ao uso do GPS, abrindo caminho para um maior avanço do GPS.

Sistemas Globais de Navegação por Satélite (GNSS)

Um GPS é considerado um Sistema Global de Navegação por Satélite (GNSS) – o que significa que é um sistema de navegação por satélite com cobertura global. A partir de 2020, havia dois sistemas de navegação global por satélite totalmente operacionais: o GPS dos EUA de tempo e alcance do sinal de navegação (NAVSTAR) e o Sistema Global de Navegação por Satélite da Rússia (GLONASS). Dessa forma, o NAVSTAR GPS consiste em 32 satélites pertencentes aos EUA e é o sistema de satélite mais conhecido e mais amplamente utilizado. Por outro lado, o GLONASS da Rússia consiste em 24 satélites operacionais com três restantes como sobressalentes ou em teste.

Além disso, outros países também estão “correndo” para alcançá-los. A UE, por exemplo, tem trabalhado no Galileo, que deverá atingir sua capacidade total de operação até o fim de 2020. Por outro lado, a China também está construindo o Sistema de Navegação por Satélite BeiDou, com 35 satélites planejados para estar em órbita em maio de 2020. Por fim, o Japão e a Índia também estão avançando com seus próprios sistemas regionais, o Sistema de Satélite Quasi-Zenith (QZSS) e o Sistema de Navegação Regional Indiano por Satélite (IRNSS), respectivamente.

Dispositivos GPS vs GNSS

Embora o GPS seja um subconjunto do GNSS, os receptores são diferenciados como GPS ou GNSS. Dessa forma, um receptor GPS só é capaz de ler informações de satélites na rede de satélites GPS, enquanto o dispositivo GNSS típico pode receber informações de GPS e GLONASS ao mesmo tempo.

Um receptor GNSS possui 60 satélites disponíveis para visualização. Embora um dispositivo precise apenas de três satélites para determinar sua localização, a precisão é melhorada com um número maior de satélites. Dessa forma, o gráfico a seguir mostra um exemplo do número de satélites disponíveis (mostrado em verde), juntamente com sua força de sinal (altura da coluna), para um receptor GPS. Neste caso, 12 satélites estão disponíveis.

Um dispositivo GNSS pode ver mais satélites, o que ajuda a melhorar a precisão do dispositivo. No gráfico abaixo, existem 17 satélites disponíveis. Dessa forma, as barras verdes fazem parte do GPS e as barras azuis fazem parte do GLONASS.

Um número maior de satélites fornecendo informações a um receptor permite que o dispositivo GPS calcule a localização com maior precisão. Dessa forma, mais satélites dão a um dispositivo uma chance melhor de obter uma posição fixa quando o receptor calcula a localização do usuário.

Desvantagens do GNSS

Dito isso, os receptores GNSS têm algumas desvantagens:

• Os custos dos chips GNSS são mais elevados do que os dos dispositivos GPS;
• O GNSS usa uma largura de banda maior (1559-1610 MHz) do que o GPS (1559-1591 MHz). Isso significa que os componentes de radiofrequência GPS padrão, como antenas, filtros e amplificadores, não podem ser usados ??para receptores GNSS, resultando em um impacto de custo maior;
• O consumo de energia seria um pouco maior do que com receptores GPS, pois ele se conecta a mais satélites e executa os cálculos para determinar a localização.

O futuro do GPS

Os países continuam a construir e fazer melhorias em seus sistemas GPS. Esforços em todo o mundo estão sendo feitos para aumentar a precisão e melhorar a confiabilidade e os recursos do GPS.

Por exemplo:

• Espera-se que os receptores GNSS se tornem menores, mais precisos e mais eficientes. Além disso, a tecnologia GNSS está configurada para penetrar até mesmo nos aplicativos de GPS mais sensíveis ao custo;
• Cientistas e equipes de resgate estão encontrando novas maneiras de usar a tecnologia GPS na prevenção e análise de desastres naturais em caso de terremoto, erupção vulcânica, ralo ou avalanche. Para a pandemia COVID-19, os pesquisadores estão estudando o uso de dados de localização de telefones celulares para auxiliar no rastreamento de contatos, a fim de desacelerar a disseminação do vírus;
• O lançamento de novos satélites GPS III irá refinar a precisão do GPS para 1-3 metros, melhorar as habilidades de navegação e componentes mais duradouros já em 2023;
• A próxima geração de satélites GPS incluirá melhor proteção de sinal, menor suscetibilidade a interferência de sinal e maior capacidade de manobra para cobrir zonas mortas.
• O Deep Space Atomic Clock da NASA está configurado para usar um poderoso satélite GPS a bordo para ajudar a fornecer melhor consistência no tempo para futuros astronautas embarcando em viagens ao espaço profundo.

O futuro do rastreamento por GPS provavelmente deve ser muito mais preciso e eficaz para uso pessoal e comercial.

Perguntas Frequentes

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