Sistema de navegação por satélite

miniaturadaimagem|O Sistema de Posicionamento Global da Força Espacial dos Estados Unidos foi o primeiro sistema global de navegação por satélite e o primeiro a oferecer um serviço gratuito de alcance mundial.

Navegação por satélite, também chamada de posicionamento por satélite ou satnav, é o uso de satélites artificiais para navegação ou geoposicionamento. Um sistema global de navegação por satélite, ou GNSS, oferece cobertura a qualquer usuário na Terra, no ar, em terra ou no mar. Há quatro sistemas GNSS em operação, o Sistema de Posicionamento Global dos Estados Unidos, ou GPS, o GLONASS da Rússia, o BeiDou da China, ou BDS, e o Galileo da União Europeia. Há também dois sistemas regionais de navegação por satélite, ou RNSS, o Quasi-Zenith Satellite System do Japão, ou QZSS, e o Indian Regional Navigation Satellite System da Índia, ou IRNSS, também chamado de NavIC.

Um sistema de aumentação baseado em satélites, ou SBAS, melhora a precisão dos sistemas GNSS. Entre os SBAS estão o QZSS japonês, o GAGAN indiano e o EGNOS europeu, todos baseados no GPS.

Os receptores de navegação por satélite determinam sua localização, expressa em longitude, latitude e altitude ou elevação, com precisão que pode variar de poucos centímetros a metros. Para isso, usam sinais de tempo transmitidos por rádio a partir dos satélites em linha de visada. O sistema permite determinar posições, orientar a navegação e rastrear objetos equipados com um receptor. Os sinais também permitem que o receptor eletrônico calcule a hora local com grande precisão, possibilitando a sincronização de relógios. Esses usos recebem, em conjunto, o nome de posicionamento, navegação e tempo, ou PNT. Os sistemas de navegação por satélite funcionam sem depender da recepção de sinais de telefonia ou de internet, embora essas tecnologias possam ampliar a utilidade das informações de posição obtidas. A precisão depende da técnica de posicionamento empregada.

A cobertura global é obtida por constelações de satélites em órbita terrestre média, ou MEO, distribuídos em diferentes planos orbitais. As configurações variam entre os sistemas. No GPS, os satélites orbitam a cerca de 20.200 km de altitude, com inclinação de 55° e período orbital de aproximadamente 12 horas. No GLONASS, o período é de cerca de 11 horas e 15 minutos, enquanto no Galileo é de aproximadamente 14 horas.

Classificação Ver também: Aumentação GNSS.

Os sistemas GNSS que oferecem maior precisão e monitoramento de integridade para a navegação civil podem ser divididos em duas gerações.

GNSS-1 é a primeira geração, que combina os sistemas de navegação por satélite existentes, GPS e GLONASS, com sistemas de aumentação baseados em satélites, SBAS, ou em solo, GBAS. Nos Estados Unidos, o componente baseado em satélites é o Wide Area Augmentation System, ou WAAS. Na Europa, é o EGNOS, no Japão, o Multi-functional Satellite Augmentation System, ou MSAS, e na Índia, o GAGAN. A aumentação em solo é fornecida por sistemas como o Local Area Augmentation System, ou LAAS. GNSS-2 é a segunda geração, composta por sistemas que oferecem, de forma independente, um serviço completo de navegação civil por satélite, como o Galileo europeu. Esses sistemas foram concebidos para oferecer a precisão e o monitoramento de integridade necessários à navegação civil, inclusive à aviação. Inicialmente, eram usadas apenas frequências da parte superior da banda L, como L1 no GPS, E1 no Galileo e G1 no GLONASS. Os sistemas passaram a disponibilizar para uso civil frequências da parte inferior da banda L, como L2 e L5 no GPS, E5a e E5b no Galileo e G3 no GLONASS. O uso combinado dessas frequências aumenta a precisão e reduz os problemas causados pela reflexão dos sinais. No fim de 2018, já eram vendidos alguns aparelhos de uso pessoal capazes de receber as duas faixas. Esses aparelhos costumam ser chamados de receptores "GNSS de dupla frequência" ou "GPS de dupla frequência".

Os sistemas também podem ser classificados pela função que desempenham na navegação.

Sistemas globais de navegação por satélite, como o GPS dos Estados Unidos, o GLONASS da Rússia, o BeiDou da China e o Galileo da União Europeia. Sistemas de aumentação baseados em satélites, SBAS, como o OmniSTAR e o StarFire. SBAS regionais, como WAAS nos Estados Unidos, EGNOS na União Europeia, MSAS no Japão, GAGAN na Índia e SDCM na Rússia. Sistemas regionais de navegação por satélite, RNSS, como o NavIC da Índia e o QZSS do Japão. Sistemas de aumentação baseados em solo de alcance continental, como o GRAS australiano e o serviço nacional de GPS diferencial, ou DGPS, mantido em conjunto pela Guarda Costeira dos Estados Unidos, Guarda Costeira do Canadá, Corpo de Engenheiros do Exército dos Estados Unidos e Departamento de Transportes dos Estados Unidos. GBAS de alcance regional, como as redes CORS. GBAS locais, como uma única estação de referência GPS que transmite correções de posicionamento cinemático em tempo real, ou RTK.

Como muitos sistemas GNSS e de aumentação usam frequências e sinais semelhantes próximos de L1, foram desenvolvidos receptores "multi-GNSS", capazes de usar mais de um sistema. Alguns sistemas procuram facilitar a operação conjunta com o GPS por meio de uma referência de tempo comum, mas essa solução não é adotada por todos.

História

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A radionavegação terrestre antecede em décadas a navegação por satélite. Os sistemas DECCA, LORAN, GEE e Omega usavam transmissores terrestres de rádio em ondas longas. Uma estação principal, de posição conhecida, emitia um pulso, que era repetido pelas estações secundárias. A diferença entre os instantes de recepção dos sinais da estação principal e das secundárias permitia ao receptor calcular a distância até cada estação secundária e determinar sua posição.

O primeiro sistema de navegação por satélite foi o Transit, colocado em operação pelas forças armadas dos Estados Unidos na década de 1960. Seu funcionamento se baseava no efeito Doppler. Os satélites percorriam trajetórias conhecidas e transmitiam sinais em uma radiofrequência também conhecida. O movimento do satélite em relação ao receptor fazia a frequência recebida diferir ligeiramente da frequência transmitida. Ao acompanhar essa variação durante um curto intervalo, o receptor podia determinar de que lado da trajetória do satélite se encontrava. A combinação dessas medições com o conhecimento preciso da órbita permitia calcular uma posição. A refração das ondas de rádio, as variações do campo gravitacional terrestre, que não é uniforme, e outros fenômenos causam erros na determinação da posição orbital. O uso de dados em tempo real e de estimação recursiva permite reduzir os erros sistemáticos e residuais a níveis compatíveis com a navegação.

O termo GNSS foi adotado em 1991 pela Organização da Aviação Civil Internacional para designar os sistemas de posicionamento por satélites com cobertura mundial.

Princípios

miniaturadaimagem|Recepção e uso simultâneos de satélites GPS, GLONASS, Galileo e BeiDou e do sistema de aumentação QZSS em um telefone em Tangarão do Sul, na Indonésia, em 2025. No campo "flags", E informa que a efeméride foi recebida e U informa que o satélite está sendo usado. miniaturadaimagem|250px|Coordenadas exibidas por um receptor GPS com bússola e altímetro integrados.

Parte da transmissão de um satélite em órbita contém dados precisos sobre sua trajetória. Inicialmente, o Observatório Naval dos Estados Unidos, ou USNO, acompanhava continuamente as órbitas dos satélites GPS. Quando a órbita de um satélite se desviava, o USNO enviava informações atualizadas ao satélite. As transmissões seguintes passavam a conter sua efeméride mais recente.

Nos sistemas mais recentes, o processo é mais direto. O satélite transmite um sinal que contém os dados orbitais necessários ao cálculo de sua posição e o instante exato da transmissão. Esses dados contêm um almanaque com informações aproximadas sobre todos os satélites, para facilitar sua localização, e uma efeméride precisa do próprio satélite, calculada com auxílio de estações em solo. A efeméride orbital é transmitida em uma mensagem de dados sobreposta a um código que fornece a referência de tempo. O satélite usa um relógio atômico para manter a sincronização com os demais satélites da constelação. O receptor compara os horários de transmissão codificados nos sinais de três satélites, quando a altitude é conhecida, ou de quatro, o que também permite calcular a altitude. Com isso, mede o tempo de percurso do sinal de cada satélite. As medições podem ser feitas simultaneamente para diferentes satélites, permitindo calcular continuamente a posição em tempo real por uma forma adaptada de trilateração. Os detalhes desse processo são apresentados em Cálculo da posição por GNSS.

Cada distância medida, independentemente do sistema usado, situa o receptor sobre uma superfície esférica centrada no transmissor, cujo raio corresponde à distância entre os dois. A posição é obtida ao procurar a interseção dessas superfícies. Quando o receptor se desloca rapidamente, porém, sua posição muda enquanto ele recebe os sinais dos satélites. Os sinais de rádio também sofrem uma pequena redução de velocidade ao atravessar a ionosfera. Esse atraso varia com o ângulo entre o receptor e o satélite, que determina a distância percorrida pelo sinal na ionosfera. O cálculo básico procura a menor linha orientada tangente a quatro superfícies esféricas achatadas, centradas em quatro satélites. Os receptores reduzem os erros ao combinar sinais de diferentes satélites e dados de diferentes correlacionadores. Em seguida, empregam técnicas como o filtro de Kalman para reunir dados parciais, sujeitos a ruído e em constante mudança, em uma estimativa única de posição, tempo e velocidade.

A relatividade geral de Albert Einstein é aplicada à correção do tempo nos sistemas GNSS. O resultado líquido é que o relógio de um satélite GPS adianta cerca de 38 microssegundos por dia em relação a um relógio em solo.

É possível combinar sistemas de navegação por satélite para calcular uma posição. Como os sistemas usam referências de tempo distintas, originalmente o receptor precisava estimar um parâmetro adicional de diferença de tempo para cada sistema acrescentado. Isso aumentava a quantidade de satélites necessária ao cálculo de uma posição com sinais de sistemas diferentes. Desde o início da década de 2010, uma nova geração de mensagens de navegação passou a transmitir parâmetros de diferença de tempo entre sistemas GNSS, chamados de "GNSS Time Offset". Esses parâmetros permitem converter as referências de tempo e dispensar aquela estimativa quando necessário. Os parâmetros transmitidos se baseiam nas estimativas dos operadores dos satélites, e sua precisão varia entre os sistemas.

Aplicações Ver artigo principal: Aplicações de GNSS. Ver também: Sistema de navegação automotiva.

A navegação por satélite foi desenvolvida inicialmente para fins militares. Ela permite dirigir armas com precisão aos alvos, aumentando sua capacidade letal e reduzindo as baixas involuntárias causadas por erros de direcionamento, como ocorre com as bombas guiadas. Também facilita a orientação das forças militares e a determinação de sua posição, reduzindo a névoa da guerra.

Um sistema global de navegação por satélite, como o Galileo, permite determinar a posição do usuário e de outras pessoas ou objetos a qualquer momento. As possibilidades de aplicação abrangem os setores público e privado, em áreas como ciência, transportes e agricultura. As necessidades de posicionamento para uso civil levaram ao desenvolvimento de aplicações específicas, entre elas a agricultura de precisão.