Determinar uma localização precisa é necessário em várias indústrias por várias razões, incluindo navegação, direção, tempo, rastreamento e segurança. Os Sistemas Globais de Navegação por Satélite (GNSS) permitem que os usuários localizem localizações exatas por meio de satélites.
O GNSS oferece suporte a infraestrutura crítica, resposta a emergências e navegação. GPS, GLONASS, Galileo e Beidou são os únicos sistemas de navegação que oferecem cobertura global. Sistemas regionais de satélite como NAVIC e QZSS são semelhantes, mas fornecem cobertura específica para áreas.
Neste artigo, abordaremos esses sistemas de navegação e revisaremos as diferentes opções de GNSS.
O que é GNSS?
Os Sistemas Globais de Navegação por Satélite são sistemas de navegação baseados em satélite que permitem aos usuários determinar dados exatos de posição, velocidade e tempo em tempo real de qualquer local da Terra. Os receptores GNSS usam sinais de satélite para triangular a posição do usuário. Ao comparar os sinais de diferentes satélites, um receptor GNSS pode calcular com precisão uma localização específica e uma hora precisa.
O primeiro GNSS operacional, o Sistema de Posicionamento Global (GPS), foi desenvolvido pelo Departamento de Defesa dos Estados Unidos na década de 1970 e tornou-se totalmente operacional na década de 90. Este sistema foi inovador para a época, oferecendo localização e precisão de navegação anteriormente inatingíveis.
Pouco depois, vários países desenvolveram os seus próprios sistemas GNSS.
Por exemplo:
- A Rússia desenvolveu o GLONASS
- A Europa desenvolveu o Galileo
- China desenvolveu Beidou
- O Japão desenvolveu
- QZSS e Índia desenvolveram NAVIC
Os sistemas GNSS permitem várias aplicações, como navegação, posicionamento, cronometragem e comunicação, utilizando uma rede de satélites em órbita, estações de controle terrestre e receptores de usuários.
Como funciona o GNSS
A Global Navigation Satellite Systems tem três segmentos principais:
1. O segmento espacial consiste em uma constelação de múltiplos satélites orbitando a Terra em trajetórias precisas e previsíveis. Cada satélite transmite sua posição e hora precisas no momento da transmissão e uma mensagem de navegação contendo dados sobre a saúde do satélite e parâmetros orbitais.
2. O segmento de controle consiste em uma rede de estações terrestres que monitoram os satélites, atualizam suas informações orbitais e garantem a saúde do sistema.
3. O segmento de usuário é formado por dispositivos GNSS, que recebem e processam sinais dos satélites para determinar sua localização e horário.
Uma antena no dispositivo receptor (como um smartphone ou receptor GPS) capta sinais de satélite e decodifica a mensagem de navegação para determinar os dados de posição e hora. Mede o intervalo de tempo entre o momento em que o satélite transmitiu o sinal e o momento em que foi recebido. Ele também utiliza a relação distância-tempo (distância = velocidade da luz x atraso de tempo) para determinar sua distância do satélite, pois a velocidade da luz já é conhecida.
Um receptor requer sinais de pelo menos quatro satélites (três para informações de altitude) para estabelecer uma posição precisa. Ele realiza um procedimento matemático conhecido como trilateração (também conhecido como multilateração ou posicionamento hiperbólico) usando as distâncias estimadas de cada satélite.
Essencialmente, este processo centraliza esferas com raio igual à distância calculada em torno de cada satélite. O local onde essas esferas se conectam é a posição correta.
Para melhorar a precisão, os Sistemas Globais de Navegação por Satélite levam em consideração outras coisas, como efeitos atmosféricos e discrepâncias de relógio. Alguns receptores GNSS também usam informações adicionais, como dados de terreno ou sinais de estações terrestres para refinar estimativas de localização.
Aplicações GNSS
As aplicações GNSS mais comuns são as seguintes.
1. Navegação: O GNSS permite serviços de navegação em vários modos de transporte, incluindo navegação aérea, marítima e terrestre. O sistema de navegação fornece instruções passo a passo para motoristas, pedestres e ciclistas.
2. Topografia e mapeamento: O GNSS permite mapeamento e levantamento precisos de áreas geográficas. Isso é usado em vários setores, como construção, agricultura e gerenciamento de recursos.
3. Tempo e sincronização: GNSS sincroniza relógios ao redor do mundo. Isso é útil para manter a cronometragem precisa para sistemas críticos, como transações financeiras, telecomunicações e redes de energia.
4. Militar e defesa: GNSS são comumente usados para navegação, rastreamento de alvos e sincronização em aplicações de defesa.
5. Resposta a emergências: O GNSS ajuda a localizar indivíduos ou objetos em perigo durante emergências.
6. Serviços de localização: Todos os serviços baseados em localização em smartphones e automóveis só são possíveis com GNSS.
Sistemas GNSS
Os sistemas de navegação globais disponíveis ao redor do mundo são os seguintes.
- GPS
- GLONASS
- Galileu
- Beidou
- NÁVIC
- QZSS
GPS
Sistema de Posicionamento Global, comumente conhecido como GPS, é um sistema GNSS de propriedade e operado pela Força Espacial dos Estados Unidos. É o GNSS mais amplamente usado globalmente, oferecendo aos usuários serviços gratuitos de posicionamento, navegação e temporização (PNT). O sistema foi desenvolvido como um conceito chamado Navstar, e seu primeiro satélite operacional foi lançado em 1978. Nos anos 90, ele estava totalmente operacional como GPS, oferecendo uso civil junto com suas aplicações militares.
Compreende uma constelação de 24 a 32 satélites operacionais em órbita terrestre média (MEO). Cada satélite transmite dois sinais de navegação primários, sinal de código L1 C/A e sinal L2C. A frequência do sinal L1 é 1575,42 MHz e o sinal L2C é 1227,6 MHz. Cada satélite tem uma vida média de cerca de 12 anos.
- O sinal de código L1 C/A é para uso civil e oferece precisão de posicionamento de aproximadamente 15 metros na horizontal e 30 metros na vertical (nível de confiança de 95%).
- O sinal L2C é mais potente e reservado para aplicações militares. No entanto, é autorizado para uso civil com técnicas de GPS diferencial (DGPS).
Uma rede de estações globais de monitoramento e controle gerenciadas pela Força Espacial dos EUA forma o segmento de controle. Os dispositivos receptores são geralmente receptores GPS autônomos ou integrados a smartphones, veículos e outros dispositivos de navegação. Os sinais de GPS estão sempre disponíveis e podem ser usados em qualquer lugar da Terra.
GLONASS
GLobal'naya Navigatsionnaya Sputnikovaya Sistema, ou GLONASS, é um sistema global de navegação por satélite. É o GNSS da Rússia e é uma alternativa ao GPS mais utilizado.
O GLONASS foi desenvolvido pela União Soviética nos anos 70, principalmente para fins militares, e tornou-se operacional globalmente em 1993. Ele fornece posicionamento em tempo real e determinação de velocidade para usuários militares e civis.
A constelação GLONASS consiste em 24 satélites orbitando a Terra em uma órbita circular média a uma altitude de aproximadamente 19.100 km, com uma inclinação de 64,8 graus. Cada satélite transmite dois sinais primários, L1 e L2.
- O sinal L1 tem uma frequência de 1602-1615 MHz e é usado principalmente por civis.
- O sinal L2 tem uma frequência de 1246-1256 MHz e é usado principalmente para aplicações militares. No entanto, é acessível para uso civil autorizado como GPS diferencial.
- L3 é um terceiro sinal com frequência de 1200-1215 MHz e está reservado para uso futuro.
Os satélites têm uma vida útil de sete a dez anos. As estações terrestres GLONASS estão localizadas por toda a Rússia e monitoram e controlam os satélites.
O GLONASS oferece precisão civil de cinco a 10 metros na horizontal e de 10 a 20 metros na vertical, com um nível de confiança de 95%. É compatível com SDGPS, que é semelhante ao GPS diferencial. Embora o GLONASS ofereça cobertura global, a intensidade do seu sinal pode ser mais fraca do que a do GPS em algumas regiões, especialmente fora da Rússia.
Galileu
Galileo é um sistema GNSS desenvolvido e operado pela União Europeia (UE) em colaboração com a Agência Espacial Europeia (ESA). É um sistema de navegação independente e altamente preciso, desenvolvido para uso civil em todo o mundo. O programa foi lançado oficialmente em 1999 em resposta às preocupações sobre a dependência europeia do GPS operado pelos EUA. Os primeiros satélites operacionais foram lançados em 2011 e a capacidade operacional inicial foi alcançada em dezembro de 2016.
Em fevereiro de 2024, o Galileo compreende uma constelação de 26 satélites operacionais em órbita terrestre média (MEO) a uma altitude de cerca de 23.222 km, com uma inclinação de 56 graus. Galileo opera com 30 satélites, cada um transmitindo três frequências: E1, E5a e E5b.
- O sinal E1 tem frequência de 1575,42 MHz e é usado principalmente para fins civis, oferecendo recursos básicos de posicionamento, navegação e cronometragem (PNT).
- O sinal E5a tem uma frequência de 1191,795 MHz, servindo como um sinal de serviço aberto com precisão e integridade melhoradas. Setores específicos, como aviação, o usam.
- O sinal E5b tem frequência de 1207,14 MHz e é utilizado principalmente para serviços comerciais. O sinal oferece alta precisão e integridade para aplicações exigentes de autorização de usuários.
As estações terrestres do Galileo estão localizadas em todo o mundo. Atualmente oferece uma precisão civil ligeiramente melhor, de quatro a seis metros na horizontal e de seis a oito metros na vertical, com um nível de confiança de 95%.
BeiDou
BeiDou é um sistema GNSS chinês que oferece uma alternativa ao GPS amplamente utilizado. Em mandarim, BeiDou significa “Grande Urso”. Foi desenvolvido entre 2000 e 2012 para fornecer cobertura regional para a China e áreas vizinhas. Entre 2012 e 2020, expandiu a cobertura para a região da Ásia-Pacífico e ofereceu serviços básicos de navegação. Em 2020, atingiu cobertura global completa. BeiDou é um sistema de navegação independente que é interoperável com outros sistemas de posicionamento chineses como o BeiDou-2.
BeiDou compreende uma constelação de 35 satélites operacionais, incluindo satélites de órbita terrestre média (MEO) a cerca de 20.000 km de altitude e satélites de órbita geossíncrona inclinada (IGSO) a cerca de 35.786 km de altitude. Cada satélite transmite três sinais: B1, B2 e B3.
- O sinal B1 tem frequência de 1561,098 MHz e é utilizado para fins civis como navegação e posicionamento.
- O sinal B2 tem uma frequência de 1191,795 MHz e 1207,14 MHz. Ele fornece sinais de serviço público e privado para usuários autorizados com precisão e funcionalidades aprimoradas.
- O sinal B3 tem uma frequência de 1268,520 MHz e fornece sinais de serviço público com precisão e integridade aprimoradas para grupos específicos de usuários.
BeiDou oferece uma precisão civil de 5,7 metros na horizontal e 5,9 metros na vertical, com um nível de confiança de 95%. Suas estações terrestres estão localizadas em todo o mundo.
NÁVIC
NAVIC significa Navegação com Constelação Indiana, mas também é conhecido pelo seu nome operacional Sistema Regional de Navegação por Satélite Indiano (IRNSS). É o sistema regional de navegação por satélite da Índia desenvolvido pela Organização Indiana de Pesquisa Espacial (ISRO). Foi lançado em 2013 para atender à crescente necessidade da Índia por serviços de posicionamento preciso. Alcançou capacidade operacional inicial em 2016.
O NAVIC compreende sete satélites operacionais, que incluem os satélites MEO e IGSO. Onze satélites são alvos para serem operacionais dentro do sistema NAVIC. Cada satélite transmite dois sinais, L5 e banda S.
- O sinal L5 tem uma frequência de 1176,45 MHz e habilita o Serviço de Posicionamento Padrão (SPS) para uso civil, como dados de navegação e cronometragem.
- A banda S tem uma frequência de 2492,028 MHz e é usada para o Serviço Restrito (RS) criptografado para usuários autorizados, o que oferece maior precisão e funcionalidades adicionais.
O NAVIC oferece uma precisão civil de aproximadamente três e dois metros horizontalmente, com um nível de confiança de 95%. O Restricted Service (RS) oferece uma precisão ainda maior. Ele cobre principalmente a Índia e se estende até 1.500 km além de suas fronteiras, alcançando partes de países vizinhos. As estações terrestres do NAVIC estão localizadas em toda a Índia.
A partir de 2022, todos os smartphones 5G devem ter um sensor NAVIC integrado. Os smartphones podem usar mapas NAVIC usando aplicativos como MapmyIndia Mappls e NaviMaps (para navegação GPS 3D).
QZSS
QZSS significa Sistema de Satélite Quasi-Zenith. Seu nome operacional é “Michibiki”, que significa guiar. QZSS é um sistema regional de navegação por satélite desenvolvido e operado pelo governo japonês. Foi lançado em 2018 e entrou em operação no mesmo ano. Embora não seja um GNSS completo como o GPS ou o Galileo, é útil para melhorar o desempenho dos sistemas GNSS existentes na região Ásia-Pacífico. Ele foi projetado para melhorar a disponibilidade e a confiabilidade dos sinais GPS em áreas urbanas e regiões montanhosas do Japão, onde edifícios e paisagens podem obstruir os sinais de satélite.
O QZSS compreende quatro satélites, três dos quais estão em órbitas altamente elípticas (HEO), garantindo que estejam quase diretamente acima (quase zênite) de locais no Japão. Um desses satélites está em órbita geoestacionária (GEO).
Os satélites HEO da constelação estão inclinados em aproximadamente 40 graus e possuem um período orbital de aproximadamente 24 horas proporcionando recepção de sinal contínua e forte mesmo em ambientes desafiadores. O satélite em órbita geoestacionária (GEO) está posicionado a aproximadamente 140 graus de longitude leste e oferece cobertura adicional. Cada satélite transmite três sinais: L1c/A, L1C e L2C.
- O L1C/A é semelhante ao código GPS C/A
- L1C é semelhante ao sinal L1C do GPS
- L2C é semelhante ao sinal L2C do GPS
Os dispositivos receptores GNSS são compatíveis com os sinais GPS L1C/A. Alguns receptores mais novos usam sinais QZSS adicionais (L1C e L2C) para melhor precisão e desempenho. O QZSS não é um GNSS autônomo. Ele funciona como um sistema de aumento, aprimorando o GPS.
Conclusão
Os sistemas GNSS são a espinha dorsal dos serviços de localização, posicionamento e mapeamento. GPS, GLONASS, Galileo e Beidou são os únicos GNSS que fornecem cobertura global. O GPS é o GNSS mais utilizado, com precisão decente e infraestrutura bem estabelecida. No entanto, poderia ser mais preciso em algumas regiões. Galileo é um sistema relativamente novo, mas oferece melhor precisão e recursos. A desvantagem é que o Galileo ainda está em desenvolvimento e não está tão disponível como o GPS em todas as regiões.
O GLONASS oferece uma alternativa ao GPS, mas tem uma precisão civil um pouco menor do que outros. Sua precisão pode não ser tão consistente quanto a do GPS em algumas regiões. O BeiDou oferece precisão melhorada na Ásia em comparação a outros sistemas GNSS.
Apesar de Galileo e BeiDou oferecerem precisão civil ligeiramente melhor que o GPS, sua disponibilidade global e interoperabilidade são limitadas em comparação ao GPS. O NAVIC é mais preciso, mas sua cobertura é restrita à Índia. O QZSS serve apenas como um sistema de aumento para o GPS no Japão e suas regiões vizinhas.
