O processo de observação dos primeiros satélites artificiais da Terra revelou um padrão interessante – a posição espacial do satélite pode ser calculada com boa precisão a qualquer momento. Este fato científico levou os cientistas a uma descoberta verdadeiramente revolucionária – usar satélites localizados a centenas de quilômetros da Terra para determinar a posição espacial de objetos terrestres.
Dos artigos anteriores do nosso ciclo “Geodésia Aplicada” aprendemos que para determinar as coordenadas de um ponto desconhecido, precisamos de dois pontos com coordenadas conhecidas, que são rigidamente fixadas no solo (pontos da Rede Geodésica Estadual). Às vezes, eles estavam longe do assunto, o que obrigava os artistas a colocar passagens de teodolito, muitas vezes vários quilômetros. Agora, os satélites em movimento constante no espaço tornaram-se pontos “rígidos”, em relação aos quais as coordenadas dos objetos no solo são determinadas.
GPS
GPS (Global Positioning System – Global Positioning System) é um conjunto de meios radioeletrônicos que calculam a localização e a velocidade de um objeto na superfície da Terra ou na atmosfera. Esses parâmetros são determinados por um receptor GPS que recebe e processa sinais de satélites. Para aumentar a precisão da medição, o sistema de posicionamento também inclui controle de solo e centros de processamento de dados.
Quando se trata de GPS, na maioria das vezes nos referimos ao sistema NAVSTAR, desenvolvido por ordem do Departamento de Defesa dos Estados Unidos. Em geral, muitas coisas inovadoras foram primeiro “testadas” pelos militares e depois “liberadas para as massas”. Por muitos anos o termo “GPS” tornou-se sinônimo de navegação por satélite, assim como o neologismo “Xerox” significa, em princípio, qualquer copiadora, e não apenas a produção da XEROX. No momento, além do GPS NAVSTAR, o Beidou chinês, o Galileo europeu, o IRNSS indiano, o QZSS japonês e nosso GLONASS nativo estão sendo desenvolvidos ou lançados..
Métodos de medição de espaço são usados para:
- geodésia e cartografia
- construção
- navegação
- monitoramento de veículos
- comunicações móveis
- operações de resgate
- monitorar o movimento tectônico das placas da crosta terrestre
e em muitas outras esferas da atividade humana. Vamos considerar algumas das principais áreas de aplicação dos sistemas de medição do espaço com mais detalhes..
GNSS
Encontramos dispositivos deste sistema de navegação a nível doméstico, sob a abreviatura GNSS o termo “Sistema Global de Navegação por Satélites” está oculto. O princípio de operação de um sistema de navegação por satélite é medir a distância da antena receptora aos satélites, cujas posições são conhecidas com uma precisão suficientemente alta. A tabela de posição do satélite é chamada de almanaque e é transmitida no momento do início das medições do satélite para o receptor. Assim, conhecendo a distância entre os satélites, e sendo guiado pelo almanaque, você pode usar as construções geodésicas mais simples que consideramos nos artigos anteriores do nosso ciclo para calcular a posição espacial do objeto.
O método para medir a distância de um satélite a um receptor é baseado na determinação da velocidade de transmissão de ondas de rádio. Para permitir medições, os satélites transmitem sinais de tempo precisos, sincronizados por sua vez com relógios atômicos de alta precisão. No início da operação, a hora do sistema do receptor é sincronizada com a do satélite, e as medições posteriores baseiam-se na diferença entre a hora de emissão do sinal e a hora de sua recepção. Com base nesses dados, o dispositivo de navegação calcula a posição espacial da antena terrestre, e a velocidade do objeto, curso e outros parâmetros são derivados da posição inicial do receptor. Como você provavelmente se lembra do curso de física da escola, a velocidade das ondas de rádio é igual à velocidade da luz, então você pode imaginar qual é a precisão geral do sistema que determina a distância em milissegundos.
Antena GNSS / GPS
Por que, em alguns casos, obtemos um valor de localização razoavelmente preciso e, em alguns casos, o valor não é totalmente correto? Nem todo receptor possui um relógio atômico embutido, portanto, para sincronização e posicionamento com precisão aceitável, é necessário receber um sinal simultaneamente de pelo menos três satélites. A intensidade do sinal recebido é afetada pelo campo gravitacional da Terra, obstáculos na forma de árvores, casas, sinais refletidos (fantasmas), interferência atmosférica e uma série de outros motivos. Como é impossível colocar transmissores de alta potência no satélite, você obterá a localização mais precisa em espaços abertos com um horizonte claro.
Agora, caro leitor com um smartphone com receptor GPS embutido, apressamo-nos em incomodá-lo – você não pode se inscrever para abrir uma empresa geodésica. Isso ocorre porque o receptor de bolso usa um método chamado absoluto para calcular a posição. Com a observação simultânea de 4 satélites, a precisão do posicionamento pode chegar a 8 metros, o que é suficiente para medições de navegação. Para geodésia, um método de medição relativo é usado, no qual pelo menos dois receptores são usados. Um deles é definido para um ponto com coordenadas conhecidas (a chamada “base”), e o segundo é usado para determinar as coordenadas de pontos desconhecidos. Quando 2 receptores trabalham juntos, a precisão da medição aumenta 100 vezes, e já podemos obter coordenadas com precisão centimétrica, o que é suficiente para as necessidades geodésicas.
GPS para obras geodésicas
Para utilizar sistemas de observação espacial para a realização de trabalhos topográficos, são utilizados vários métodos, que se diferenciam na precisão dos valores obtidos e no tempo gasto para obtê-los..
Statics
Para determinar as coordenadas de um ponto desconhecido, um receptor é instalado no ponto de triangulação ou poligonometria (ponto conhecido) e o outro receptor é colocado no ponto cujas coordenadas devem ser determinadas. Em seguida, os dispositivos são inicializados de forma síncrona, porque as medições começam apenas quando dois receptores são ligados simultaneamente. Se um dos dispositivos funcionou por meia hora e o outro por 15 minutos, apenas 15 minutos de colaboração serão usados para obter os dados. Depois que os receptores encontram os satélites, começa a coleta de dados, que são posteriormente processados em um computador..
Geralmente, leva de 15 a 30 minutos desde a ativação do instrumento até o início do trabalho (obtendo os valores corretos), dependendo dos satélites observados simultaneamente. Nos primeiros 20-30 minutos, a “base” fornece cobertura com precisão de medição suficiente de uma zona de 5 quilômetros, então a cada 10 minutos esse raio se expande em 5 km, respectivamente, sabendo a distância aproximada da estação até o ponto base, você pode calcular aproximadamente o tempo de espera do instrumento para posicionamento preciso.
Como podemos ver na imagem de um dos programas de ajuste de dados, a barra verde é o tempo de operação da base, e as barras coloridas curtas são o tempo gasto pelos receptores na estação com coordenadas desconhecidas. Usando um software especializado, você pode rejeitar valores de medição incorretos e aumentar a precisão geral dos valores obtidos.
A vantagem deste método é a alta precisão das medições, menos é o tempo gasto na inicialização de cada ponto.
Cinemática
A “base” está localizada da mesma forma em um ponto com coordenadas conhecidas, e o segundo receptor, após a inicialização, pode registrar pontos em movimento sem inicialização adicional antes de cada medição. Se no primeiro método obtivermos, suponha, dois pontos de base a partir dos quais o levantamento taqueométrico será realizado, ou seja, para o trabalho ainda precisamos ter uma estação total, então, no caso de medições cinemáticas, dois receptores são suficientes, um dos quais executa a função de uma estação total, o tempo de registro do ponto é de 1–2 minutos.
Este método é adequado para o levantamento de objetos linearmente estendidos, como linhas de energia, canais, estradas, oleodutos, etc. A vantagem deste método é a economia de tempo, a desvantagem é que é desejável realizar medições a uma curta distância da base, cerca de 5 a 15 km. Se o sinal do satélite desaparecer repentinamente, o procedimento de inicialização terá que ser repetido, portanto, este método nem sempre é possível aplicar em grandes cidades, onde edifícios altos e árvores cobrem o horizonte.
RTK GPS
Se os dois primeiros métodos nos fornecem a posição de um ponto no sistema de coordenadas internacional, que então precisa ser convertido em um regional, então o método RTK (do inglês Real Time Kinematic – cinemática em tempo real) nos permite obter os valores da posição espacial dos pontos no sistema de coordenadas adotado para nossa área usando apenas um receptor. Não, o ponto de base sem dúvida existe, mas neste caso os pontos de base são fixos em edifícios altos e, no conjunto, formam uma rede semelhante a uma rede móvel. Tanto o receptor quanto as estações base trocam informações via Internet, o que lhes permite sincronizar não só com os satélites, mas também entre si, contornando a cadeia de recálculo e ajuste de coordenadas em software especializado.
Como você pode imaginar, as estações rádio-base estão longe de ser construídas por entusiastas, o acesso a elas é pago, mas é mais do que compensado pelo número de horas-homem despendidas. De fato, se, no caso de medições estáticas, a equipe for composta por pelo menos três pessoas, uma das quais guarda a “base” e as outras duas realizam levantamentos usando uma estação total, então apenas um especialista é suficiente para as medições RTK. A inicialização de tais dispositivos ocorre quase que instantaneamente, após alguns minutos a ferramenta está pronta para coletar dados ou realizar a ação contrária – realizar a piquetagem de pontos de levantamento calculados previamente em um computador, o que é necessário, por exemplo, ao traçar um terreno para construção. Esta é a tecnologia do futuro. Em geral, não importa o quão paradoxal pareça, a próxima geração de topógrafos será representada por especialistas em TI, a era das calculadoras programáveis e das tabelas de Bradis é irrevogavelmente perdida.
GPS vs GLONASS
Para determinar as coordenadas do NAVSTAR GPS e do GLONASS, são usados 21 satélites ativos e três satélites sobressalentes, girando em planos orbitais circulares, e esses planos no sistema GPS são três vezes mais do que no GLONASS. Os satélites são equipados com painéis solares e voam mais de 20 km acima da superfície da Terra. Essa distância do planeta e o número de satélites permitem a observação simultânea de pelo menos 4 satélites em quase qualquer lugar do mundo. Tempo de uma revolução completa ao redor da Terra – 12 horas cósmicas.
No sistema GPS, todos os satélites emitem um sinal em duas frequências idênticas, e cada dispositivo envia seu próprio código individual que permite a identificação dos satélites. O GLONASS possui o mesmo código para todos os satélites, a transmissão também é realizada em duas bandas. Como você pode ver, os parâmetros dos sistemas são quase os mesmos, então quem é melhor?
Se o GPS fornece precisão suficiente na determinação de coordenadas ao redor do mundo, então o GLONASS é “afiado” para as realidades russas, o que teoricamente permite determinar com mais precisão a posição espacial de pontos no solo em nosso país. O sistema de posicionamento russo não depende do humor do “Tio Sam”, que durante os conflitos militares deliberadamente baixou a precisão da medição, codificando parcialmente o sinal. Em qualquer caso, GPS e GLONASS não são concorrentes, mas de alguma forma aliados, por isso faz sentido adquirir receptores que suportem simultaneamente dois sistemas, a precisão só se beneficiará disso.
Geodésia aplicada. O básico das dimensões cósmicas
A geodésia aplicada é uma área científica que estuda as dimensões cósmicas da Terra. Tem como objetivo principal a medida de grandezas físicas da Terra com o intuito de obter informações precisas para a construção de cartas geográficas e assim poder melhorar a produção, as terras agrícolas, a navegação, construções, atividades militares e outras mais. Esta ciência também tem grandes vantagens para a compreensão da estrutura da Terra, levando à exploração de novos recursos naturais e permitindo a análise da tectônica de placas.
Casa e chalé, construção suburbana Conteúdo material
Qual é a relação entre a geodésia aplicada e as dimensões cósmicas? Como a geodésia utiliza as informações sobre as dimensões cósmicas em suas medições? Quais são as aplicações práticas dessa relação na geodésia e como ela influencia nosso entendimento das dimensões cósmicas?