O que é GPS? Por que precisamos disso? Qual é a diferença entre os diferentes sistemas de navegação? Vamos falar sobre tudo neste artigo.
Atualmente, o GPS parece-nos ser uma coisa quotidiana, familiar, que toda a gente já ouviu falar e que a maioria usa no seu dia-a-dia. Esta é uma das ferramentas que usamos em nossos dispositivos. Ao mesmo tempo, nem pensamos em como funciona, de onde veio, quanto tempo, esforço e dinheiro tiveram que ser investidos na criação desse sistema. Hoje, os receptores de sinal GPS não só navegadores, telefones, smartphones, tablets, carros, mas mesmo pulseiras de fitness e relógios "inteligentes", seus dados são usados na indústria, esportes amadores e profissionais, rally e corrida e, claro, na indústria militar. Vamos dar uma olhada nos vários sistemas de navegação.
O que é navegação por satélite?
A navegação por satélite, ou Global Navigation Satellite System, é um sistema de satélites que transmite dados sobre posicionamento global e tempo preciso. Ondas de rádio de certas frequências são usadas para transmitir informações. Após receber tais dados, o receptor os calcula e exibe as coordenadas de nossa localização, ou seja, longitude, latitude e altitude acima do nível do mar.
Além dos sistemas básicos (GPS, GLONASS, BeiDou, Galileo), existem também sistemas auxiliares no espaço. São os chamados sistemas de correção de satélite (SBAS), como Global Omnistar e StarFire, usados na agricultura.
Acima de nós também estão os sistemas de suporte regional, como WAAS nos EUA, EGNOS na UE, MSAC no Japão e GAGAN na Índia, que cuidam do refinamento de dados em áreas menores do globo. Tudo isso é suportado por componentes de terra, sobre os quais falaremos mais adiante. Existem muitas definições no sistema, mas não entraremos em detalhes.
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Tipos de navegação por satélite
O GPS não é o único sistema de navegação por satélite atualmente disponível. Vários tipos de satélites sobrevoam nossas cabeças, responsáveis pelo geoposicionamento de aparelhos que guardamos no bolso, carregamos no pulso ou usamos em navegadores. Por que existem vários sistemas e não um? Estou certo de que esta pergunta foi feita pela maioria dos usuários médios. O fato é que inicialmente o sistema GPS foi criado para necessidades militares, e os militares ainda têm controle sobre ele. Isso significa que eles controlam o posicionamento de todos e em qualquer lugar do mundo. Claro, muitos não gostaram dessa posição, não apenas adversários, mas até amigos. Portanto, jogadores sérios do mundo decidiram desenvolver seus sistemas de navegação para que seu exército tivesse controle sobre eles. Logo os análogos de GPS apareceram no mundo, competindo entre si pelo título dos melhores e mais precisos do mercado. Para nós, usuários comuns, isso é apenas uma vantagem. Então, vamos tentar lidar com cada sistema separadamente.
GPS americano
Este é o primeiro sistema de navegação que usamos com mais frequência. Quando pensamos em navegação por satélite, geralmente usamos o termo GPS. O sistema americano foi originalmente chamado de NAVigation Signal Timing And Ranging Global Positioning System, ou NAVSTAR-GPS para abreviar.
O GPS está nas mãos dos militares dos EUA, ou melhor, da Força Espacial dos EUA. Todos os dispositivos são verificados quanto à operação adequada pelo Space Delta 8, baseado na Base Aérea de Shriver, perto de Colorado Springs, e opera como parte da sede do GPS.
As aplicações civis são apenas uma pequena adição às aplicações militares, para as quais o layout e a mais alta precisão de posicionamento são uma prioridade. Os usuários civis obtêm uma versão um pouco truncada, mas ainda é boa o suficiente. Não precisamos de uma precisão de algumas dezenas de centímetros para dirigir um carro ou correr, mas é preciso uma precisão cada vez maior, por exemplo, na navegação, na cartografia, na agricultura para monitorar campos, nas empresas de transporte para rastrear veículos e em muitas outras áreas. Portanto, não é de surpreender que o sistema GPS esteja constantemente mudando, a otimização dos satélites está ocorrendo.
Durante a sua utilização, o sistema sofreu alterações e continua a ser modernizado, de tempos a tempos são introduzidos na rede satélites com maiores capacidades e os antigos que eram utilizados anteriormente são destruídos ao longo do tempo. A maioria deles queima na atmosfera e, às vezes, os detritos afundam no Oceano Pacífico.
A prontidão total do sistema GPS foi alcançada em 1993, quando o número necessário de satélites foi colocado em órbita. Mas em 1983, a administração de Ronald Reagan aprovou uma permissão para uso civil do sistema. Isso aconteceu depois que a URSS derrubou um avião civil coreano que erroneamente violou o espaço aéreo soviético. No entanto, inicialmente a precisão do sistema para a população civil foi limitada a 100 metros. Mas mesmo isso foi suficiente naquela época para evitar mais desastres.
A operação do sistema GPS a partir do espaço é adicionalmente suportada por satélites WAAS (Wide Area Augmentation System), que fornecem a correção de dados necessária para aumentar a precisão do sistema. Eles estão localizados na América do Norte (e parcialmente na América do Sul) e estão sob os cuidados da FAA (Federal Aviation Administration). O WAAS destina-se a suportar aplicações civis de navegação por satélite.
GLONASS russo
GLONASS é uma abreviatura para o Global Navigation Satellite System, que funciona de forma semelhante ao GPS americano. O GLONASS consiste em 24 satélites ativos localizados a aproximadamente 19 quilômetros acima da Terra, e a órbita do satélite leva 100 horas e 11 minutos. Os testes do sistema começaram em 15, ou seja, na URSS. Foi realmente criado como uma resposta aos desenvolvimentos americanos, mais conhecidos em nosso país como "Star Wars". A União Soviética não queria ceder aos EUA em nada, mas "Perestroika, glasnost, aceleração" fez seu trabalho. As obras foram, em sua maioria, reduzidas por falta de recursos. Embora, como se viu mais tarde, nem tudo estivesse fechado. Foi realmente uma surpresa para os americanos quando em 1982 foi anunciado oficialmente que o sistema GLONASS estava pronto para operação. Em 1993, os russos conseguiram colocar em órbita toda uma constelação de 1995 satélites.
Mas nem tudo foi tão bom desde o início. A era Yeltsin dos anos noventa também afetou os programas espaciais. Não havia financiamento, ninguém estava interessado no espaço e na navegação por satélite. Como resultado, em 2002 apenas 7 satélites ainda estavam operacionais. No entanto, os russos começaram a trabalhar e, como parte do programa de recuperação de 2002-2011, colocaram em operação os satélites GLONASS-K aprimorados, bem como os modernos sistemas de controle de solo que os acompanham.
Na próxima fase de modernização, em 2012-2020, a principal atenção foi dada à melhoria das propriedades do PNT (posicionamento, navegação e sincronização) para aumentar a segurança do Estado e as capacidades de seus sistemas de defesa e civis. O trabalho está em andamento na próxima geração de satélites, conhecido como GLONASS-K2.
BeiDou chinês
A China começou a desenvolver um sistema de navegação por satélite no final do século 2000. Em 1, conseguiram fechar a primeira etapa de desenvolvimento do BDS-1, mais conhecido como sistema de navegação por satélite BeiDou-2. Como parte deste projeto, a China e os países estrangeiros mais próximos receberam sistemas de posicionamento. O próximo passo foi o BDS-2020 com uma rede de satélites fornecendo cobertura na região Ásia-Pacífico. Em 3, como parte do projeto BDS-XNUMX, o sistema BeiDou tornou-se operacional em todo o mundo.
Atualmente, existem 35 satélites em órbita e, no total, o programa já realizou 59 lançamentos com cargas úteis que colocam em órbita as próximas gerações do sistema BeiDou. Segundo as autoridades chinesas, mais de 400 agências e 300 cientistas e técnicos participaram da criação do programa BDS-000. Para suportar a mais recente constelação de satélites, foram criadas mais de 3 estações terrestres para monitorar o correto funcionamento do sistema. A disponibilidade global do sistema é estimada em 40% e, para a região-chave da Ásia-Pacífico, é ainda maior, ou seja, funciona quase perfeitamente lá. Além disso, os chineses fizeram muitos esforços para melhorar a precisão do sistema.
O BeiDou também permite mensagens de texto curtas de até 14 bits (000 caracteres chineses). Este valor também pode incluir fotografias ou gravações de som.
Tal como acontece com outros desenvolvimentos em sistemas de navegação por satélite, os usuários locais pagam pelo serviço, mas os resultados são realmente impressionantes.
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Galileu europeu
Qual é a maior vantagem do sistema Galileo? Ao contrário do GPS e do GLONASS, permanece em mãos de civis e não pertence a nenhum governo em particular, como é o caso da China comunista. O sistema foi construído apenas com o mercado civil em mente e, portanto, as necessidades da população acabam por influenciar o seu desenvolvimento. É certo que o Galileo é uma lufada de ar fresco entre os sistemas de posicionamento militarizados. Até agora, o programa Galileo completou 28 lançamentos e colocou 30 satélites em órbita. Atualmente, o sistema utiliza uma constelação completa de satélites, mas nem todos os dispositivos estão sempre disponíveis, e alguns deles ainda aguardam sua vez nos armazéns.
O segmento de ground handling está localizado em dois centros - Oberpfaffenhofen na Alemanha e Fucino na Itália. Além disso, o sistema inclui uma rede mundial de sensores de monitoramento, estações de medição e transmissão de dados.
Devido ao fato de que as órbitas de todos esses sistemas estão ficando cada vez mais saturadas, os satélites Galileo estão localizados um pouco mais acima, a uma altitude de 23 quilômetros (o mais baixo é o GLONASS, depois o GPS, o BeiDou da China e no topo da pirâmide Galileo ). Cada satélite leva aproximadamente 222 horas para orbitar completamente a Terra. Para a maioria dos lugares da Terra, 14 a 6 satélites Galileo estão disponíveis o tempo todo, o que significa uma precisão muito alta, que na maioria das situações é medida em centímetros e não em metros.
O Galileo é compatível com o sistema GPS, o que melhora ainda mais a precisão das medições, e sua operação também é suportada pelo sistema EGNOS (European Geostationary Navigation Service), composto por componentes terrestres e satélites responsáveis por melhorar o funcionamento e a precisão dos sistemas de navegação por satélite .
Japonês MICHIBIKI (Michibiki)
Para garantir a precisão da navegação em seu próprio território, o Japão criou uma pequena constelação de satélites chamada Quasi-Zenith Satellite System (QZSS) ou Michibiki. Em áreas montanhosas ou fortemente urbanizadas, o GPS sozinho é muitas vezes insuficiente devido a muitos obstáculos. 4 satélites em operação desde novembro de 2018 eliminam esse problema. Três deles ainda estão na região da Ásia e Oceania. Em 2024, está previsto chegar a uma constelação de satélites composta por 7 unidades. Isso melhorará ainda mais a eficiência geral do sistema e o tornará independente do GPS. Assim, o Japão garantirá total autonomia em seu território.
Apesar de seu pequeno tamanho em comparação com outros sistemas, o QZSS atende a todas as expectativas da população japonesa e, além disso, suporta o transporte em todos os países localizados nos meridianos que passam pelo território do Japão.
Além disso, o Japão também possui um sistema de suporte de precisão GPS/Michibiki chamado MTSAT Satellite Augmentation System (MSAS). Consiste em 2 satélites, que, entre outras coisas, fornecem dados meteorológicos.
NavIC (NAVigation with Indian Constellation) é o análogo indiano do GPS, que também é chamado de Sistema de Satélite Regional de Navegação da Índia (IRNSS). O sistema, depois de atingir todas as suas capacidades, será semelhante em sua operação ao japonês. Atualmente, existem 7 satélites em órbita que fornecem posicionamento na Índia e a uma distância de até 1500 quilômetros das fronteiras do país. O sistema não depende de GPS.
O NavIC é suportado pelo GAGAN (Sistema de Navegação Aumentada Geossíncrona com GPS), que consiste em três satélites adicionais e infraestrutura terrestre. Com a entrada em serviço, a lacuna entre os sistemas EGNOS e MSAS foi colmatada, aumentando ainda mais o nível de segurança da aviação civil.
Sistemas globais de ajuda
Ao descrever os sistemas individuais, também mencionamos os sistemas de suporte regionais. No entanto, a operação de navegação por satélite além das fronteiras regionais também pode apoiar sistemas globais de assistência. Atualmente, dois deles podem ser distinguidos. Estes são Omnistar e StarFire. Ambos têm suporte para navegação por satélite, que é usado principalmente para as necessidades da agricultura de precisão moderna. Seu uso requer receptores especiais, graças aos quais o agricultor, movendo-se por seus campos, pode trabalhar com uma precisão de até 5-10 centímetros (os sistemas de suporte de registro fornecem uma precisão de 1-2 centímetros). Esse posicionamento preciso é fornecido como um serviço e requer taxas adicionais pagas diretamente pela entrega dos dados do sistema.
O serviço é baseado no Sistema de Posicionamento Global Diferencial (DGPS) e se resume ao uso de um receptor base localizado em um local especificado. O receptor do carro, além do sinal de satélite, também recebe correções do receptor base estacionário.
A Omnistar é uma empresa independente e seus transmissores podem ser adquiridos para uma variedade de máquinas, enquanto o sistema StarFire é do fabricante de equipamentos agrícolas John Deere, que oferece sistemas internos ou externos com precisão de ±3 cm e funcionam com GPS e GLONASS.
Como funciona o GPS?
Nesta seção, descreveremos o funcionamento do GPS utilizando o original, ou seja, a versão americana, pois atualmente temos a maior quantidade de dados disponíveis sobre ele. Outros funcionam de forma semelhante.
Constelação de satélites GPS
Uma rede bastante densa de satélites é necessária para uma operação adequada em todo o mundo. No caso de uma constelação de 24 satélites, podemos ter certeza de que a qualquer momento e em qualquer ponto da Terra estamos ao alcance de quatro deles. Os americanos geralmente prometeram que pelo menos 24 estariam disponíveis 95% do tempo. Atualmente, o sistema é suportado por 31 satélites. A Terra é dividida em 6 zonas iguais pelas quais os satélites se movem, e cada uma delas tem 4 campos para cobrir.
Em junho de 2011, foi lançada uma modificação chamada Expendable 24. Três dos 24 satélites e, portanto, os campos que controlam, foram impulsionados por um satélite adicional para obter uma aquisição de sinal mais rápida e melhor precisão em condições de terreno difíceis. Também houve algumas mudanças para tornar toda a rede de 27 satélites o mais eficiente possível.
Os satélites GPS se movem em uma órbita previsível MEO (Mean Earth Orbit) a uma altitude de aproximadamente 20 km, para que você sempre saiba onde eles estão. Além disso, sua posição é verificada usando radiotelescópios. A rede de controle de solo é composta por um centro de controle principal, um centro de controle de backup, 200 antenas de comando e controle e 11 estações de observação, para que a posição dos satélites seja sempre conhecida. Uma rotação de cada satélite ao redor da Terra leva 16 horas.
Como tudo isso funciona na prática?
Um satélite em órbita transmite constantemente sinais de rádio que são captados pelo nosso equipamento que possui os receptores apropriados. Cada satélite informa sua posição e tempo de transmissão. Sabendo adicionalmente quão rápido as ondas de rádio viajam, podemos calcular a distância deste satélite. Se recebermos dados adicionais de mais três satélites e baixarmos dados de quatro de uma só vez, o dispositivo calculará nossa localização na interseção dos dados provenientes de todos os satélites.
Para que as coisas funcionem sem problemas e com precisão, ainda precisamos de medições precisas do tempo em que o sinal é enviado. Como isso foi alcançado? Cada um dos satélites carrega um relógio atômico - o cronômetro mais preciso já inventado pelo homem. Qual é a precisão de tal relógio? O tempo é medido ao milionésimo de segundo mais próximo!
O dispositivo receptor usa todos esses dados para calcular com eficiência nossa posição. Mas todo o sistema também deve levar em conta questões como a teoria da relatividade especial, que foi escrita por um cavalheiro amplamente conhecido como Albert Einstein. Quanto mais longe o objeto estiver da fonte de gravidade, mais rápido o tempo passa sobre ele, por isso é necessário recalcular em cada satélite. Resumindo, é tudo muito complicado, mas felizmente estamos usando este sistema há anos e descobrimos que funciona, e funciona muito bem.
É claro que o funcionamento normal do sistema requer a participação de pessoal altamente qualificado, cujo nível de treinamento pode ser comparado ao dos Centros de Controle de Voo Espacial.
GPS: bilhões em custos de programas
Após o lançamento em órbita, o satélite não funcionará lá para sempre. As versões mais antigas têm um ciclo de vida de 7,5 anos, as versões mais recentes 12 anos e o sistema GPS III/IIIF mais recente deverá permanecer em órbita por 15 anos (dados para a versão americana do sistema). Após esse tempo, o aparelho deve ser substituído, para que uma nova amostra seja construída em condições estéreis, e só então essa obra de arte poderá entrar em órbita.
Além dos equipamentos no espaço, há também equipamentos de monitoramento em terra e pessoal altamente treinado responsável pelo controle do sistema. O trabalho para melhorar o componente terrestre também está em andamento, com foco principal agora no novo Sistema de Controle Operacional (OCX) de próxima geração e subsistemas relacionados. As alterações são introduzidas de forma gradual, para não perturbar o funcionamento de todo o sistema GPS.
Cerca de US$ 1,7 bilhão (ano fiscal de 2020) é gasto para dar suporte a todo o sistema. Para o ano fiscal de 2021, os desenvolvedores pediram ao Congresso dos EUA US$ 1,8 bilhão para os custos de manutenção do sistema GPS. Portanto, com esses montantes, apenas os maiores países podem manter um sistema autônomo, e os demais devem usar os existentes. Para mostrar como o custo do programa está crescendo, podemos apenas dizer que em 2012 foi de 750 milhões de dólares (nem levamos em conta a inflação, a metodologia de cálculo e seu nível aqui).
É fácil bloquear o GPS?
Os dias dourados do sistema GPS nas forças armadas estão lentamente sendo esquecidos. A atenuação e interferência de sinais de satélite está se tornando cada vez mais comum e, como resultado, o armamento de precisão baseado apenas em dados espaciais não é mais tão eficaz quanto antes. O problema afeta não apenas as próprias armas, mas também aeronaves, navios, veículos terrestres e qualquer outro dispositivo equipado com um receptor GPS.
Vimos mais de uma vez exemplos de bloqueio do sinal GPS em pontos "quentes" na Terra. Aconteceu que enormes navios no porto ou navegando, por exemplo, no Mar Negro, de repente desapareceram dos mapas e apareceram neles a 30 quilômetros de distância, e isso está relacionado às ações dos russos nesta região. Continuando este tópico, deve-se dizer que medidas semelhantes são frequentemente realizadas na Síria para garantir a operação de bases russas na região. Até Israel sofre com esse tipo de interferência, onde o GPS às vezes funciona pior, e isso é um problema sério, por exemplo para o tráfego aéreo civil.
Interferir com um sinal de GPS não é particularmente difícil. Um transmissor de rádio de potência e frequência apropriados colocado perto de um alvo protegido impede que os receptores GPS recebam os dados corretos. Os fabricantes de satélites estão tentando combater isso desenvolvendo sinais cada vez mais resistentes a interferências, equipados com as versões mais recentes do equipamento. No entanto, este é um jogo de gato e rato, e a vantagem está do lado dos destruidores. Eles podem responder às mudanças mais rapidamente com custos mais baixos e maiores recursos. Afinal, os satélites não mudam em uma semana.
Além de propósitos insidiosos, métodos de bloqueio de GPS também são usados para proteger chefes de estado. Não é de surpreender que os russos gostem especialmente dessas ferramentas. Isso é especialmente verdadeiro para os movimentos de Putin, que eles tentam tanto esconder que na região em que ele está localizado, todos os sistemas de navegação podem não funcionar por um certo tempo. Os russos protegem ao máximo a rota de viagem de seu presidente, então, bloqueando os sistemas de navegação, eles estão tentando, pelo menos parcialmente, excluir um ataque de drones.
Apesar dos problemas e deficiências mencionados acima, não devemos esperar que os militares abandonem o sistema GPS. Pelo contrário, a luta contra os sistemas de interferência será intensificada e sistemas adicionais serão adicionados aos equipamentos e armas que impedirão o bloqueio do sinal GPS.
A navegação inercial continuará a melhorar e as armas de precisão sempre terão outro método de mira igualmente eficaz em reserva. Atualmente, um trabalho intensivo está sendo feito em tais soluções. Fala-se de navegação por imagens, astronavegação (voltar no tempo?) e navegação por anomalia magnética. Alta tecnologia! Portanto, ainda temos muitas coisas interessantes esperando por nós.
Navegação por satélite para fins civis
Mas o usuário médio não está muito interessado no que os militares têm lá. Queremos que o GPS nos ajude a identificar nossa localização para que navegador delineou corretamente a rota de caminhada nas montanhas ou uma corrida matinal ou durante uma viagem de carro. Agora é difícil imaginar a vida de uma pessoa moderna sem essas comodidades.
Em princípio, podemos dizer que, mesmo que não usemos o GPS diretamente, ou seja, não ligamos o receptor, ainda podemos usá-lo. O sistema funciona de forma independente, tornou-se uma parte familiar, conveniente e necessária de nossa vida.
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