Como funciona o GPS (Global Positioning System) (ART2865)

A Guerra do Golfo revelou ao mundo civil a existência de fantásticos dispositivos eletrônicos militares que tornam infalíveis muitas armas. Mísseis voando baixo sobre Bagdá e identificando seus alvos a ponto de poder acertar a entrada de ar condicionado de um silo de foguetes mostra a que ponto a precisão eletrônica pode chegar. No entanto, tais recursos para a destruição também podem ser usados com outras finalidades, que não sejam militares, e ao alcance do público comum como é o caso do GPS. Neste artigo mostramos de que modo o chip da guerra do golfo que orientou as armas contra o Iraque pode ser usado para nos dizer em que ponto do mundo estamos com uma exatidão que chega a poucos metros e de que modo isso pode nos ajudar em muitas de nossas atividades do dia a dia.

Obs. Este artigo é do ano 2000. Hoje o GPS está prsente em celulares, rleógios inteligentes, carros, etc.

 

As cenas de foguetes voando baixo sobre Bagdá na Guerra do Golfo e o acerto de alvos de poucos centímetros com precisão incrível a distâncias muito grandes, vistas nas televisões de todo o mundo, certamente impressionaram a todos, principalmente os mais ligados à eletrônica, como nossos leitores.

A utilização de recursos eletrônicos fantásticos nessas armas, possibilitando sua orientação quase que infalível, mostraram que não há limite para o que esta ciência pode fazer.

No entanto, um fato importante consequente do desenvolvimento desta tecnologia militar é que os recursos desenvolvidos para a orientação dessas armas não são apenas um segredo militar mas podem ser compartilhados com o público civil de uma forma atenuada, num sistema que certamente vai revolucionar nossos costumes e já está gerando novos dispositivos fantásticos.

Como um foguete pode saber exatamente em que lugar ele está, identificando os obstáculos com precisão de modo a contorná-los e sabendo exatamente onde está seu alvo? A resposta está no sistema denominado GPS ou Global Positioning System.

 

O GPS

A ideia de se criar um sistema de orientação eficiente vem da segunda guerra mundial quando os sistemas Loran (nos Estados Unidos) e Decca (na Europa) foram criados. Tais sistemas consistiam basicamente numa rede de estações transmissoras de rádio em locais bem determinados e que enviavam sinais para os receptores nas aeronaves e navios que procuravam se orientar.

Tais sinais eram codificados de tal forma, que pela sua recepção era possível, por triangulação, determinar com boa precisão o ponto em que o receptor se encontrava.

 

Principio de operação do LORAN.
Principio de operação do LORAN.

 

 

No entanto, para que tal sistema pudesse ser usado, o receptor deveria estar dentro do alcance dos transmissores, o que significava uma dificuldade muito grande para se cobrir um território maior e o que não dizer do mundo inteiro.

A ideia de um sistema que pudesse ter cobertura mundial surgiu em 1973 a partir de um programa da força aerea americana denominado Navstar GPS ou Navstar Global Positioning System (Sistema de Posicionamento Global Navstar) e que teve seu primeiro teste efetivo feito em 1977 com o lançamento de um satélite especial.

Os testes realizados com o satélite tiveram tanto sucesso que o programa foi então implantado definitivamente com o lançamento de uma rede de satélites em torno da terra capaz de dar cobertura mundial para o sistema. Tais satélites formariam uma rede de tal forma que, em cada ponto da superfície terrestre sempre haveria um ou mais na "linha de visão" do receptor.

 

 

Figura 2- Dezenas de satélites como este recebem os sinais dos equipamentos GPS e fornecem por triangulação a sua posição na superfície da terra.
Figura 2- Dezenas de satélites como este recebem os sinais dos equipamentos GPS e fornecem por triangulação a sua posição na superfície da terra.

 

 

 

 

 

As órbitas dos satélites são tais que sempre existem alguns na linha visual do receptor
As órbitas dos satélites são tais que sempre existem alguns na linha visual do receptor

 

 

 

As posições dos receptores no sistema GPS de navegação são determinadas por triangulação.
As posições dos receptores no sistema GPS de navegação são determinadas por triangulação.

 

 

Evidentemente, como o sistema funciona com sinais de rádio existem problemas que devem ser considerados. Um deles é a distorção dos sinais causada pela ionosfera que pode afetar a precisão de tal modo a limitá-la a algo em torno de 20 a 30 metros.

Outro problema é que os sinais de alta frequência operando em alguns gigahertz têm dificuldade em penetrar em certos locais do mesmo modo que no caso dos telefones celulares. Mas, mesmo assim a precisão obtida é incrível.

O que temos então é uma rede de satélites girando em torno da terra e que emitem sinais de tal forma codificados que sua recepção por um circuito especial e processamento por equipamento conveniente permite determinar com precisão de metros sua posição sobre o globo terrestre.

 

Disposição dos satélites do GPS.
Disposição dos satélites do GPS.

 

 

É claro que a possibilidade de se ter acesso a tal sistema de orientação foi uma grande preocupação dos seus criadores. Em mãos erradas poderia ser usado para dirigir mísseis ou bombas voadoras capazes de espalhar terror em toda a terra.

Por este motivo, os militares americanos que o desenvolveram cuidaram para que sua utilização pelos inimigos em potencial não pudesse ser feita de forma total com uma precisão que fosse ameaçadora, fixando seu modo de uso civil com uma precisão "menos perigosa".

Assim, foram criadas duas versões do GPS (Global Positioning System): Militar e Civil.

Na versão militar existe um código especial de processamento dos sinais que permite obter uma precisão da ordem de menos 20 metros na determinação da posição e este código é mantido secreto. O código P, como é conhecido, na verdade permite até um aumento da precisão pela utilização de sistemas diferenciais chegando a alguns milímetros!

Na versão civil, a precisão é menor, por motivos óbvios, ficando na ordem de 20 a 100 metros.

O importante é que o acesso a versão civil pode ser feito por qualquer um, o que leva a criação de sistemas de orientação fantásticos e que já estão influindo em muitas atividades de nosso dia a dia.

Com o desenvolvimento de chips que contém todos os elementos para a elaboração do receptor, aparelhos portáteis de localização usando o sistema GPS já são comuns com custo bastante acessível como o mostrado na figura 6 da Garmin que custa apenas 139,95 dólares.

 

Figura 6 - GPS 38 da Garmin de uso portátil (alimentado por 4 pilhas AA comuns) e é ideal para exploradores, iatistas, etc.
Figura 6 - GPS 38 da Garmin de uso portátil (alimentado por 4 pilhas AA comuns) e é ideal para exploradores, iatistas, etc.

 

 

Assim, no iate, no ultraleve, na moto, no carro ou mesmo levando na mochila, o viajante em qualquer instante pode saber sua posição exata sobre o globo terrestre simplesmente consultando um aparelho semelhante a uma calculadora, conforme mostra a figura 7.

 

Figura 7 - Um GPS do tipo console para ser instalado no painel de barcos.
Figura 7 - Um GPS do tipo console para ser instalado no painel de barcos.

 

 

Mapas baseados nas indicações de tais aparelhos já estóo sendo elaborados de modo a facilitar viajantes de todos os tipos na sua localizaçóo a qualquer momento.

Mas, o mais interessante é o seu uso no carro. Os automóveis Audi e Mercedes de alguns modelos já são equipados com sistemas de navegação que permite que o motorista possa saber sua posição a qualquer momento.

Com mapas de alta precisão e acoplado a um receptor que recebe os sinais do sistema GPS, o aparelho fornece ao motorista em qualquer instante sua posição em qualquer parte do mundo em que ele se encontrar, colocando num visor de alta definição semelhante ao de um computador um mapa com esta localização!

Um primeiro chip que pode servir de base para o receptor e processador de sinais do GPS desenvolvido pela Plessey tem seu diagrama de blocos mostrado na figura 8.

 

Diagrama de blocos do GP1010
Diagrama de blocos do GP1010

 

 

O GP1010 contém todos os elementos para a elaboração de um receptor, mais todos os elementos que digitalizam esta informação para uso do microprocessador que fornece a posição final do usuário.

Com base neste chip passamos a explicar como funciona eletronicamente o GPS.

 

COMO FUNCIONA O GPS

Em torno da terra existe um anel de satélites que orbitam a uma altura de 20 200 quilômetros, dando duas voltas em torno da terra a cada dia sideral. O dia sideral é mais curto que o dia comum, pois leva em conta a translação da terra em torno do sol e não somente a sua rotação. Esse dia sideral tem 23 horas e 56 minutos de duração. Devido a esta órbita, a cada volta o satélite passa pela mesma posição sobre a terra 4 minutos mais cedo.

O anel de 18 satélites tem 6 planos orbitais com três satélites cada um, posicionados com uma inclinação de 55 graus (figura 5).

Cada um dos satélites transmite sinais continuamente na mesma frequência de 1575 MHz. O processo de modulação é o Spread Spectrum Modulation em que a portadora tem constantemente sua fase invertida por um código pseudorrandômico na frequência de 1,023 MHz.

A recuperação do sinal original é feita pela multiplicação por uma cópia do código usado que é mantida na memória do receptor.

Conforme foi visto, existem duas versões para este código: a conhecida por todos que é para uso civil e a secreta de alta precisão para uso militar.

Cada um dos satélites leva ainda um código próprio de identificação de sua posição e de temporização. A temporização, para se obter a precisão necessária, é feita por meio de relógios atômicos.

Para saber sua posição o receptor e seu circuito de processamento utilizam o seguinte processo:

Em primeiro lugar o receptor mede o deslocamento da frequência resultante do Efeito Doppler devido ao movimento do satélite em relação á terra.

Depois, em segundo lugar, o circuito mede o intervalo de propagação do sinal entre diversos satélites.

Na memória do microprocessador existem informaçðes sobre as órbitas dos satélites em cada instante e portanto sobre suas posiçðes em relação a terra. Combinando os resultados das medidas dos sinais com os dados da memória do microprocessador o circuito fornece as coordenadas exatas do local em que ele se encontra.

 


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