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Plataforma de posicionamento coordenado para auxílio a operações de protecção civil
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Ilda Giuliana Custódio Castel-Branco
1 Plataforma de posicionamento coordenado para auxílio a operações de protecção civil Tiago Vicente Berlinga de Almeida dos Santos Barroso Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Electrotécnica e de Computadores Presidente: Orientador: Co-orientador: Vogais: Júri Prof. José Manuel Bioucas Dias Prof. José Eduardo Charters Ribeiro da Cunha Sanguino Prof. António José Castelo Branco Rodrigues Prof. Pedro Sebastião Eng. Carlos Alfaiate Dezembro de 2011
3 Agradecimentos Durante o processo de elaboração deste trabalho, tive o apoio e ajuda de várias pessoas. Agradeço à minha família todo o apoio e incentivo desde o primeiro dia e em especial durante a elaboração do projecto e a escrita da dissertação e aos meus amigos pelo apoio que me deram, sem o qual, provavelmente, não teria feito este trabalho. Um agradecimento especial ao professor José Sanguino e ao professor António Rodrigues por ter tido a oportunidade de fazer esta dissertação e pelo apoio, incentivo e confiança que me deram para que o trabalho ficasse o melhor possível. Por fim, quero agradecer às pessoas da empresa Datelka Engenharia e Sistemas, em especial aos engenheiros Carlos Alfaiate e João Matos, pelo apoio, ajuda e ideias dados, durante a elaboração do projecto. i
5 Resumo Este trabalho teve como objectivo o desenvolvimento de uma plataforma de posicionamento coordenado para ser utilizada em operações de protecção civil, como por exemplo, combate a incêndios, busca e salvamento, entre outras. Para isso, utiliza-se o sistema GPS para recolher informação de posicionamento dos utilizadores do sistema e as comunicações móveis existentes, com recurso às tecnologias de segunda e terceira gerações, para transmitir a informação e dados entre utilizadores. As aplicações desenvolvidas possibilitam a utilização de qualquer tipo de imagem como mapa do sistema, desde mapas digitalizados a fotografias aéreas, desde que a imagem seja associada a coordenadas geográficas. Para além da transmissão das coordenadas de posição, as aplicações também possibilitam a partilha de diagramas, que são desenhados directamente em cima dos mapas e podem conter informação como caminhos ou pontos de interesse presentes nos mesmos, e informação geográfica extra que pode ser recolhida através dos receptores GPS ou manualmente. Todas as informações são partilhadas de acordo com um sistema de permissões e autorizações na forma de uma base de dados. Se for necessário, é ainda possível adicionar mapas ao sistema. As aplicações foram submetidas a testes para determinar a sua capacidade e viabilidade como produto comercial. Palavras-chave: GPS, comunicações móveis, posicionamento coordenado. iii
7 Abstract The purpose of this project is the development of a coordination positioning framework with the purpose of aiding civil protection operations. For this, the developed system makes use of the GPS system to gather positioning information about the users and the existing mobile communications systems of the second and third generations, in order to transmit the gathered information and other data between the users. The applications developed let any kind of image be used as a map, from digitalized cartography to aerial photographs, as long as it is associated with its geographical coordinates. Other than transmitting positioning information, the applications also let users share sketches that are made on the maps and can contain information like waypoints or points of interest, and extra geographical information, gathered from the GPS receiver or introduced manually, for any map in use. All the information and data is transmitted over the network through a system of permissions and authorizations in the form of a database. Also, if necessary, new maps can be introduced in the network without having to bring the system offline. All the applications developed were tested in order to assess their capabilities and viability as a commercial product. Keywords: GPS, mobile communications, coordinated positioning. v
9 Índice Capítulo 1 - Introdução Motivação Objectivos Estrutura da Dissertação Publicações... 2 Capítulo 2 - Tecnologias Relevantes Introdução Sistema de Posicionamento Global Introdução Segmento Espacial Segmento de Controlo Segmento de Utilizador Bluetooth Introdução Aspectos Técnicos Sistemas de Comunicações Móveis Introdução GPRS/GSM EDGE/GSM HSDPA/UMTS HSUPA/UMTS HSPA+/UMTS Structured Query Language (SQL) Introdução Visão geral dos elementos da linguagem Consultas (Queries) Keyhole Markup Language (KML) Introdução Visão geral dos elementos da linguagem Update e Network Link Control Capítulo 3 - Sistema Desenvolvido Introdução Estado da Arte Arquitectura do Sistema Duas possibilidades: Servidor Clientes e Peer-to-Peer Vantagens da arquitectura Servidor-Clientes face à P2P [25] Desvantagens da arquitectura Servidor-Clientes perante a P2P [25] Arquitectura utilizada no projecto da dissertação Sistema proposto e dispositivos utilizados Aplicação para os terminais portáteis Introdução Inicialização Funcionalidades Aplicação destinada às estações estáticas Introdução Inicialização Funcionalidades Servidor SQL Capítulo 4 - Testes da Aplicação Introdução Número de pontos de georreferenciação vii
10 Introdução Teste Conclusão Tempos de transmissão de dados na rede Introdução Teste Conclusões Velocidade de preenchimento da janela da aplicação Introdução Teste Conclusões Precisão do cálculo de orientação Introdução Cálculos Conclusão Estimativa do volume de tráfego utilizado pelo sistema Introdução Cálculos Conclusão Capítulo 5 - Conclusões e Crítica Conclusões Crítica Referências Anexo A - Standard NMEA e utilização das coordenadas recolhidas A.1 - Standard NMEA A Introdução A Mensagens utilizadas A.2 - Utilização das coordenadas geográficas recebidas Anexo B - Protocolo de Comunicações entre Servidor e Clientes B.1 - Formato das mensagens B.2 - IDs de utilizador B.3 - Mensagens (S só enviada pelo servidor; C só enviada pelos clientes) B.4 - Tabelas B.5 - Diagramas Temporais B Sequência de Inicialização B Transmissão do nome dos grupos existentes na base de dados B Transmissão de coordenadas B Transmissão dos IDs dos esquemas B Transmissão de esquemas B Transmissão de mapas B Transmissão de Coordenadas extra de Georreferenciação Anexo C - Ficheiros de leitura de dados C.1 - Introdução C.2 - Config.txt C.3 - Config_GPS.txt C.4 - Config_SQL.txt C.5 - InfoMapas.txt C.6 - Esquemas.txt C.7 - DestEsq.txt Anexo D - Consultas (Queries) SQL utilizadas D.1 - Introdução D.2 - Consulta de utilizadores D.3 - Consulta de grupos viii
11 D.4 - Autorização para ligação D.5 - Consulta de grupos a que o utilizador pertence D.6 - Utilizadores da rede na mesma operação que o utilizador da aplicação D.7 - Grupos de maior hierarquia a que o utilizador pertence D.8 - Grupos para onde o utilizador pode enviar esquemas D.9 - Utilizadores de um grupo D.10 - Permissão para enviar coordenadas extra de georreferenciação Anexo E - Ficheiros KML utilizados E.1 - Introdução E.2 - Ficheiro Inicial E.3 - Network Link para ficheiro inicial E.4 - Ficheiro de actualizações E.5 - Network Link para o ficheiro de actualizações Anexo F - Manual do Utilizador do sistema desenvolvido F.1 - Introdução F.2 - Servidor F.3 - Cliente F.4 - Problemas Conhecidos Anexo G - Artigo WPMC' Anexo H - Artigo Comité português da URSI ix
13 Lista de Figuras Figura 1 Os três segmentos do sistema GPS, [1] Figura 2 Constelação do sistema GPS, [4] Figura 3 Localização das estações de monitorização do sistema GPS, [8] Figura 4 (a) Receptor integrado num aparelho, [F1], e (b) receptor pronto a ligar a um PC, [F2] Figura 5 Receptor Bluetooth para ligar a uma porta USB, [F3] Figura 6 Rede de Bluetooth, [9] Figura 7 Tabela tipica de um servidor SQL Figura 8 Alguns elementos da linguagem SQL, numa instrução, [20] Figura 9 Exemplo de uma instrução SQL utilizada no projecto da dissertação Figura 10 Google Earth, [22] Figura 11 Funcionamento da função Network Link, [22] Figura 12 - Equipamento utilizado no sistema I-Garment, parte superior, [24] Figura 13 Equipamento utilizado no sistema I-Garment, parte inferior, [24] Figura 14 Funcionamento do sistema I-Garment, [24] Figura 15 Janela do TFC 210 (a) e Geocommunicator (b), [23] Figura 16 Arquitectura Servidor Clientes, [25] Figura 17 Arquitectura P2P, [25] Figura 18 Arquitectura do sistema desenvolvido Figura 19 Exemplo de computador para instalar num veículo, da marca Sunit In-Vehicle Computers, classe d Figura 20 Receptores GPS com ligação Bluetooth Figura 21 Modems para acesso à Internet móvel Figura 22 Janela da aplicação Cliente Figura 23 Menu do cliente Figura 24 Cálculo da posição do utilizador em coordenadas do mapa Figura 25 Cálculo da posição do utilizador em coordenadas da janela Figura 26 Marcadores utilizados Figura 27 - Apresentação de um utilizador através da sua orientação Figura 28 Marcadores utilizados (2) Figura 29 Opções relacionadas com os receptores GPS Figura 30 Janela de configuração dos receptores GPS Figura 31 Submenu Rede Figura 32 Opções relacionadas com os esquemas Figura 33 Janela com a lista de esquemas Figura 34 Interface de criação de um esquema Figura 35 Cálculo da posição do cursor Figura 36 Janela utilizada para finalizar um esquema Figura 37 Opções relacionadas com pontos de georreferenciação Figura 38 Janela para introdução de dados sobre novo ponto de georreferenciação Figura 39 Janela para introdução da nota para o novo ponto de georreferenciação Figura 40 Janela com a opção de mostrar pontos de georreferenciação seleccionada Figura 41 Marcadores utilizados para pontos de georreferenciação Figura 42 Mapa com os quadrados formados pelos pontos de georreferenciação Figura 43 Janela com os mapas que possuem coordenadas extra de georreferenciação Figura 44 Janela da aplicação Servidor Figura 45 Menu do servidor Figura 46 Janela de escolha de mapa a enviar Figura 47 Janela para georreferenciar novo mapa Figura 48 Janela com mapas com coordenadas extra Figura 49 - Janela do Google Earth aberta pela aplicação Figura 50 Diagrama da BD SQL Figura 51 - Mapa de teste Figura 52 - Resultados do teste Figura 53 Exemplo de transmissão de um mapa Figura 54 - Tempo de transmissão de um mapa para a rede Figura 55 - Tempo de preenchimento da janela (1) Figura 56 - Tempo de preenchimento da janela (2) xi
14 Figura 57 Teste da orientação Figura 58 - Formato das mensagens trocadas no sistema Figura A.1 Mensagem GGA Figura A.2 - Mensagem RMC Figura B.1 Formato das mensagens Figura B.2 Inicialização da comunicação S-C Figura B.3 Sequência de envio dos nomes dos grupos Figura B.4 Sequência de troca de coordenadas Figura B.5 Pedido de IDs dos esquemas Figura B.6 Sequência de transmissão de um esquema (S->C) Figura B.7 Sequência de transmissão de um esquema (C->S) Figura B.8 Sequência de transmissão de um mapa Figura B.9 Sequência de transmissão de coordenadas de georreferenciação extra Figura F.1 Janela da aplicação Servidor Figura F.2 Menu da aplicação Servidor Figura F.3 Janela para selecção de mapa a enviar Figura F.4 Janela para georreferenciar novo mapa Figura F.5 Janela inicial da aplicação Cliente Figura F.6 Botões de interface da janela do Cliente Figura F.7 Opções da aplicação Cliente Figura F.8 Submenu Receptor GPS Figura F.9 Submenu Rede Figura F.10 Submenu Esquemas Figura F.11 Janela da opção Listar Figura F.12 Interface de criação de novo esquema Figura F.13 Janela para finalizar a criação de um esquema Figura F.14 Submenu Pontos Georreferenc Figura F.15 Janela para introdução de dados de georreferenciação Figura F.16 Janela para finalizar introdução de um Figura F.17 Janela com imagem onde se mostram os pontos de georreferenciação Figura F.18 Lista de mapas com coordenadas de georreferenciação extra Figure G1. Coordinated Positioning Systems architecture Figure G2. Example of a coordinated position system interface Figure G3. Georeferencing error. Different latitudes along an horizontal line of pixels Figure G4. Calculation of a user's representation on a map Figure G5. (a) Window with georeferencing points marked (b) Representation of the squares calculated Figure G6. Test image Figure G7. Test case 1: grid with 5 points Figure G8. Test case 1: grid with 13 points Figure G9. Test case 1: grid with 41 points Figure G10. Test case 1: grid with 145 points Figure G11. Increase in georeferencing points Figure 1. Segments of the GPS system Figure 2. I-Garment System Figure 3. TFC 210 (a) and Geocomunicator (b) windows Figure 4. System architecture Figure 5. Vehicle computer, from Sunit: In-Vehicle Computers, class d Figure 6. GPS receivers used in this project Figure 7. Main window of the Client application Figure 8. Converting geographical coordinates into image coordinates Figure 9. Converting image coordinates into screen coordinates Figure 10. Markers for the user s position onscreen Figure 11. Markers for user s coordinates received from the Server Figure 12. Orientation of a user marked on the application Figure 13. "Receptor GPS" sub-menu Figure 14. Sketches sub-menu Figure 15. Georeferencing sub-menu Figure 16. Image with georeferencing points marked xii
15 Figure 17. Rectangles created with the georeferencing points, as done internally by the application Figure 18. Server application window Figure 19. Server application s menu Figure 20. Google Earth window showing two users and a sketch Figure 21. Database tables Figure 22. Test image used Figure 23. Case of a 145 points grid Figure 24. Transmission time from the Server to the network Figure 25. Window painting time Figure 26. Real and calculated orientations marked on the application window Figure 27. Format of the messages transmitted in the network xiii
17 Lista de Tabelas Tabela 1 - Especificação dos receptores GPS utilizados Tabela 2 Resultados do envio de um mapa para a rede Tabela 3 Resultados do tempo de preenchimento da janela (1) Tabela 4 Resultados do tempo de preenchimento da janela (2) Tabela B-1 Estados e Entradas existentes para o servidor e clientes Tabela B-2 Saídas das máquinas de estados Tabela B-3 Predicados para o servidor e clientes Tabela B-4 Acções internas Tabela B-5 Máquina de estados do servidor (1) Tabela B-6 Máquina de estados do servidor (2) Tabela B-7 Máquina de estados do servidor (3) Tabela B-8 Máquina de estados do servidor (4) Tabela B-9 Máquina de estados dos clientes (1) Tabela B-10 Máquina de estados dos clientes (2) Tabela B-11 Máquina de estados dos clientes (3) Tabela B-12 Máquina de estados dos clientes (4) Tabela B-13 Máquina de estados dos clientes (5) TABLE I. Georeferencing points needed for a uniform grid TABLE H1. GPS receivers specifications xv
19 Lista de Siglas ANSI American National Standards Institute AP Access Point BD Base de Dados CID Canto Inferior Direito CSE Canto Superior Esquerdo DGPS Differential GPS ECEF Earth-Centered, Earth-Fixed EDGE Enhanced Data rates for GSM Evolution ENU East, North, Up FAA Força Aérea Americana GPRS General Packet Radio Service GPS Global Positioning System GSM Global System for Mobile communications HS-DSCH High Speed Downlink Shared Channels HSDPA High Speed Downlink Packet Access HSPA High Speed Packet Access HSUPA High Speed Uplink Packet Access IP Internet Protocol ISM Industrial, Scientific and Medical ISO International Organization for Standardization KML Keyhole Markup Language L1 Link 1 L2 Link 2 LLA Longitude, Latitude e Altitude Mbps Megabits por Segundo MIMO Multiple Input Multiple Output ms Milisegundos NMEA National Marine Electronics Association OGC Open Geospatial Consortium P2P Peer to Peer PDA Personal Digital Assistant PSK Phase Shift Keying PVT Posição, Velocidade e Tempo QAM Quadrature Amplitude Modulation RF Rádio-Frequências SEQUEL Structured English QUEry Language SQL Structured Query Language SQUARE Specifying QUeries As Relational Expressions T-SQL Transact Structured Query Language xvii
20 UMTS Universal Mobile Telecommunications System USB Universal Serial Bus WCDMA Wideband Code Division Multiple Access XML Extensible Markup Language xviii
21 Capítulo 1 - Introdução Motivação O sistema GPS (Global Positioning System), na sua forma mais simples, ou seja, com recurso apenas a um receptor que transmita ao utilizador a sua posição, em latitude e longitude, necessita de cartografia própria, em papel, para que este consiga visualizar onde se encontra. Actualmente, os dispositivos GPS existentes no mercado utilizam ecrãs capazes de mostrar a sua posição de forma automática sobre cartografia digitalizada. Para além da posição também é possível fazer marcações nos mapas existentes e calcular caminhos, entre outras funcionalidades. Apesar de todos os avanços existentes nestes dispositivos, ainda não é possível criar uma rede onde as posições dos utilizadores e determinados dados sejam partilhados. Também não é possível ao utilizador digitalizar cartografia e adicioná-la manualmente. A criação de um sistema capaz de produzir e manter uma rede de utilizadores, onde as suas posições e alguns dados são partilhados, pode ajudar todo o tipo de operações que necessitem de uma boa coordenação, como por exemplo, resgate de pessoas, combate a incêndios, ou simplesmente, o controlo de uma frota de veículos por parte de uma empresa. No caso específico das operações de protecção civil, uma boa coordenação dos meios disponíveis tem um grande impacto no sucesso das mesmas, assim como na segurança dos operacionais envolvidos Objectivos A presente dissertação teve como objectivo o desenvolvimento de um protótipo de uma plataforma de posicionamento coordenado baseado em GPS, destinada ao auxílio de operações de protecção civil. Este sistema foi desenvolvido tendo em conta os seguintes aspectos técnicos: O posicionamento dos utilizadores é baseado em GPS; As comunicações baseiam-se em GPRS (General Packet Radio Service) ou UMTS (Universal Mobile Telecommunications System); O sistema suporta estações fixas e terminais portáteis; As estações fixas estão preparadas para coordenar várias equipas; O interface do utilizador utiliza imagens georreferenciadas para mostrar a informação de posicionamento; O sistema suporta imagens com diversas camadas, contendo diferentes tipos de informação; Para além de mostrar dados de posicionamento, os terminais com interface gráfico trocam informação, como por exemplo, mapas e desenhos feitos no próprio interface; Para uma melhor visualização dos mapas e elementos da rede, foi desenvolvido um conjunto de ferramentas, como zoom e pan; 1
22 Para além disso, foi necessário ter em conta o tipo de utilizadores alvo e as condições em que o sistema será utilizado, tendo sido dada atenção especial às seguintes características: Interface fácil de utilizar pelos utilizadores; Robustez das aplicações; Autonomia dos terminais móveis; Capacidade dos processadores; Atrasos nos dados de posicionamento; Custos dos dados transmitidos Estrutura da Dissertação A presente dissertação está dividida em cinco capítulos. Após o capítulo inicial, o capitulo 1, de introdução ao trabalho desenvolvido, segue-se uma descrição de todas as tecnologias utilizadas pelo projecto no capítulo 2, entre elas o sistema GPS, as comunicações GPRS e UMTS e as linguagens de programação necessárias. No capítulo 3, é explicado todo o sistema desenvolvido, começando com o estado da arte para este tipo de sistemas, uma descrição dos dispositivos utilizados e finalmente uma descrição de todas as funcionalidades das aplicações desenvolvidas. Segue-se um capítulo sobre testes realizados a essas aplicações, o capítulo 4, e o quinto e último capítulo é composto pelas conclusões e críticas ao projecto desenvolvido. A crítica feita apresenta também aspectos a melhorar ou que podem ser implementados como extensão do trabalho realizado Publicações Foram submetidos dois artigos científicos, elaborados, um a partir do teste aplicacional apresentado na secção 4.2 e outro a partir do resumo alargado deste trabalho, que foram aceites nas seguintes conferências: Georeferencing for Coordinated Positioning Applications, apresentado no 14º Simpósio Internacional sobre Wireless Personal Multimedia Communications (WPMC'11), 3-7 Outubro de 2011, Brest, França (Anexo G); Coordinated Positioning System Based on GPS for Assistance of Civil Protection Operations, apresentado no 5º Congresso do Comité Português da URSI, 11 de Novembro de 2011, Lisboa, Portugal (Anexo H). 2
23 Capítulo 2 - Tecnologias Relevantes Introdução Neste capítulo descrevem-se todas as tecnologias utilizadas pelas aplicações desenvolvidas ou necessárias para o seu funcionamento correcto. Inicialmente descreve-se o sistema utilizado para recolher informação de posicionamento, depois as tecnologias existentes e utilizadas para a comunicação entre utilizadores e, finalmente, as linguagens de programação utilizadas para controlar os sistemas de suporte às aplicações, ou seja, as bases de dados utilizadas e o programa Google Earth Sistema de Posicionamento Global Introdução O Sistema GPS é um sistema de informação electrónico que fornece, via rádio, a um número ilimitado de utilizadores equipados com aparelhos receptores, informação PVT (Posição, Velocidade e Tempo). O sistema foi criado e desenvolvido pelo Departamento de Defesa dos Estados Unidos e concebido de forma a suportar uma utilização militar e outra civil. No caso da utilização civil, o sistema GPS tem elementos que protegem o sistema de spoofing, ou seja, imitação, [1]. O sistema GPS está dividido em três grandes segmentos: o segmento espacial, o segmento de controlo e o segmento de utilizador, como se pode ver na Figura 1. Figura 1 Os três segmentos do sistema GPS, [1]. 3
24 Segmento Espacial O Segmento Espacial consistia, originalmente, numa constelação de 24 satélites, a uma altitude média de km em relação à superfície da Terra, dispostos em três planos orbitais com período de cerca de 11 horas e 58 minutos, cada um com oito satélites. Essa disposição foi depois alterada para seis planos orbitais com quatro satélites em cada e, actualmente, existem 31 satélites operacionais em órbita e a sua disposição passou a ser não uniforme, ou seja, o número de satélites por plano orbital não é o mesmo. Os satélites adicionais permitiram aumentar a precisão dos cálculos dos receptores, que por sua vez passaram a ter, ao seu dispor, medidas redundantes. Este aumento do número de satélites elevou assim a fiabilidade e disponibilidade do sistema, em caso de falha de alguns deles. Na Figura 2 pode ver-se a disposição da constelação, [2,3]. Figura 2 Constelação do sistema GPS, [4]. Os satélites são agrupados em blocos de acordo com a sua geração. O bloco inicial, bloco I, que contava com 11 satélites, encontra-se já desactivado, assim como o seu sucessor, o bloco II, com nove satélites, no total. A constelação actual conta com satélites operacionais dos outros blocos que se seguiram, o bloco IIA (19 satélites em órbita, no total), IIR (12 satélites lançados com sucesso, no total), IIR-M (oito satélites em órbita, no total) e IIF, que actualmente conta com apenas um satélite em órbita, [5,6]. Os dados transmitidos pelos satélites são: Hora do satélite; Posição do satélite no espaço (efeméride do satélite); Posição aproximada de todos os satélites (almanaque da constelação); Condição de operação do satélite (operacional ou não); Correcção da hora do satélite para hora do sistema GPS; Estimativa de atrasos no sinal, provenientes dos efeitos da atmosfera. 4
25 Os satélites transmitem a informação acima descrita em duas frequências: L1 - com frequência central em MHz; L2 - com frequência central em MHz Segmento de Controlo O Segmento de Controlo consiste numa estação de controlo principal, sediada na base Schriever da Força Aérea Americana (FAA), em Colorado Springs, nos Estados Unidos, estações de monitorização e antenas fixas. As estações e antenas encontram-se espalhadas um pouco por todo o mundo. No início, existiam apenas quatro estações pertencentes à FAA mas desde então várias outras têm sido criadas, principalmente pela National Imagery and Mapping Agency (antigamente conhecida como National Geospatial-Intelligence Agency). Na Figura 3 pode ver-se a localização das estações de monitorização. Figura 3 Localização das estações de monitorização do sistema GPS, [8]. A estação de controlo principal funciona como um centro de processamento central e é responsável pela monitorização e gestão da constelação de satélites. Algumas das suas funções são o reposicionamento de satélites, actualização das mensagens de navegação transmitidas pelos mesmos, monitorização das suas condições de operacionalidade e operações de manutenção. As estações de monitorização seguem todos os satélites em linha de vista, de modo a obterem dados acerca da sua distância. Estes dados são depois enviados para a estação de controlo principal onde são calculadas as efemérides e os parâmetros do relógio de cada satélite. As antenas fixas são utilizadas para transmitir periodicamente estes dados aos satélites. O aumento do número das estações de monitorização levou a que, actualmente, cada satélite tenha, em qualquer instante, linha de vista para, pelo menos, duas estações, o que permite um cálculo mais preciso das órbitas dos satélites e das suas efemérides. Para o utilizador final, isto traduz-se num aumento da precisão da posição dada pelo sistema, [1,8]. 5
26 Segmento de Utilizador O Segmento de Utilizador consiste em todos os receptores dos sinais e mensagens provenientes dos satélites do sistema GPS, cuja função é, para além de as receber, descodificá-las e processá-las. Normalmente o receptor tem que receber sinal de, no mínimo, quatro satélites, para gerar a informação PVT. Para ter acesso à informação transmitida pelos satélites, o receptor começa por procurar quais os satélites que tem em linha de vista. Se souber, de imediato, quais estão em linha de vista, a aquisição de um sinal válido demora pouco tempo mas para isso acontecer, o receptor tem que ter o almanaque da constelação, as efemérides de alguns satélites provenientes de ligações anteriores, informação acerca da hora assim como uma estimativa aproximada da sua posição. Caso um receptor não possua toda ou parte desta informação, ou porque não é ligado há algum tempo ou porque a sua localização foi alterada enquanto estava desligado, começa, de forma sistemática, a tentar ligar-se a um satélite. Quando uma ligação é estabelecida, o receptor obtém o almanaque da constelação facilitando assim a localização dos restantes satélites. Nos receptores utilizados neste trabalho, os tempos variam desde cerca de 40 segundos quando não têm informação nenhuma (cold start) até 1 segundo quando têm informação válida à partida (hot start). Para os casos em que têm apenas parte da informação necessária, os tempos de aquisição de sinal são de cerca de 35 segundos. Dependendo do receptor, este pode escolher o melhor conjunto de satélites para calcular a sua posição ou pode utilizar todos os satélites operacionais para os quais tenha linha de vista (allin-view). Esta segunda solução leva a uma posição mais exacta mas necessita de receptores mais complexos e com maior capacidade de processamento. Os receptores podem estar incorporados noutros equipamentos como é o caso dos aparelhos de navegação por GPS utilizados em veículos ou podem ser receptores que podem ser ligados a qualquer dispositivo por cabo, USB (Universal Serial Bus) ou via Bluetooth, [1]. Na Figura 4 pode ver-se um exemplo de cada um desses tipos. (a) (b) Figura 4 (a) Receptor integrado num aparelho, [F1], e (b) receptor pronto a ligar a um PC, [F2]. A informação calculada pelos receptores é transmitida para os dispositivos a que estes estão ligados através de mensagens definidas em protocolos conhecidos. A norma utilizada no desenvolvimento deste projecto, que é utilizada pelos receptores disponibilizados, foi a norma concebida pelo NMEA (National Marine Electronics Association). Esta norma estipula o formato e conteúdo das mensagens enviadas pelos receptores. Algumas mensagens servem apenas para ver a validade da informação transmitida, outras têm informação PVT completa, ainda 6