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.
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.
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.
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.
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.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.
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.
A capacidade de fornecer sinais de navegação por satélite também permite restringir seu uso. O operador de um sistema pode, em princípio, degradar ou interromper seus serviços em um território de sua escolha. A combinação de sinais de sistemas diferentes permite manter o posicionamento quando uma das constelações apresenta problemas. A busca por garantias de operação também motivou propostas de sistemas destinados ao uso civil, como o Galileo.
O Sistema de Posicionamento Global dos Estados Unidos, ou GPS, pode ter até 32 satélites em órbita terrestre média, distribuídos em seis planos orbitais. A quantidade exata varia conforme os satélites antigos são retirados de serviço e substituídos. Com lançamentos iniciados em 1978 e cobertura global disponível desde 1994, o GPS é o sistema de navegação por satélite mais usado no mundo.
O Global'naya Navigatsionnaya Sputnikovaya Sistema, ou Sistema Global de Navegação por Satélite, abreviado GLONASS, foi desenvolvido pela União Soviética e passou ao controle da Rússia. Ele oferece um serviço civil de radionavegação por satélite e também é usado pelas Forças de Defesa Aeroespacial russas. O GLONASS alcançou cobertura global em 1995, com 24 satélites ativos.
O BeiDou começou com o BeiDou-1, uma rede regional de satélites em órbitas geoestacionárias que atendia à Ásia-Pacífico e foi desativada. A segunda geração, BeiDou-2, entrou em operação na China em dezembro de 2011. A configuração básica do BeiDou-3 prevê 30 satélites, dos quais 24 em órbita terrestre média, três em órbita geossíncrona inclinada e três em órbita geoestacionária. Uma versão regional de 16 satélites, com cobertura da Ásia e do Pacífico, foi concluída em dezembro de 2012. O serviço global ficou disponível em dezembro de 2018. Em 23 de junho de 2020, a implantação da constelação BDS-3 foi concluída com o lançamento do último satélite a partir do Centro de Lançamento de Satélites de Xichang.
A União Europeia e a Agência Espacial Europeia concordaram, em março de 2002, em desenvolver uma alternativa própria ao GPS, o Galileo. O sistema entrou em operação em 15 de dezembro de 2016, com capacidade operacional inicial de alcance global. O projeto de 30 satélites em órbita terrestre média, com custo estimado em 10 bilhões de euros, tinha previsão inicial de entrada em operação em 2010. Outra previsão apontava o início de 2014. O primeiro satélite experimental foi lançado em 28 de dezembro de 2005. O Galileo foi concebido para ser compatível com o GPS modernizado, permitindo que os receptores combinem os sinais dos dois sistemas para aumentar a precisão. A constelação nominal do Galileo tem 24 satélites ativos. Lançamentos previstos para 2020 foram adiados para 2021, e mais dois satélites foram lançados em dezembro daquele ano. A principal modulação do sinal do serviço aberto do Galileo é a Composite Binary Offset Carrier, ou CBOC.
O NavIC, sigla de Navigation with Indian Constellation, é um sistema regional autônomo de navegação por satélite desenvolvido pela Organização Indiana de Pesquisa Espacial, ou ISRO. O governo indiano aprovou o projeto em maio de 2006. Sua constelação foi projetada com sete satélites de navegação. Três ficam em órbita geoestacionária, ou GEO, e quatro em órbita geossíncrona, ou GSO. Essa configuração amplia a área de recepção do sinal e reduz a quantidade de satélites necessária para cobrir a região. O objetivo é fornecer posicionamento absoluto com erro inferior a 7,6 m, em quaisquer condições meteorológicas, em toda a Índia e numa faixa de aproximadamente 1.500 km ao redor do país. A área de serviço estendida fica entre a área principal e os limites de um retângulo delimitado pelos paralelos 30° sul e 50° norte e pelos meridianos 30° leste e 130° leste, de 1.500 a 6.000 km além das fronteiras indianas. O projeto prevê controle inteiramente indiano, com o segmento espacial, o segmento de solo e os receptores dos usuários produzidos na Índia.
A constelação já estava em órbita em 2018, e o sistema foi disponibilizado ao público no início daquele ano. O NavIC oferece dois níveis de serviço, o "serviço de posicionamento padrão", destinado ao uso civil, e o "serviço restrito", criptografado, para usuários autorizados, inclusive militares. Há planos de ampliar a constelação de sete para 11 satélites.
A Índia planeja dar alcance global ao NavIC com o acréscimo de 24 satélites em órbita terrestre média. O NavIC global deverá oferecer uso gratuito ao público em todo o mundo.
O Quasi-Zenith Satellite System, ou QZSS, foi implantado como um sistema regional de quatro satélites para transferência de tempo e melhoria do GPS, com cobertura do Japão e da região da Ásia e Oceania. Seus serviços estavam disponíveis em caráter experimental em 12 de janeiro de 2018, e a operação regular começou em novembro daquele ano. O primeiro satélite foi lançado em setembro de 2010. Um plano divulgado em 2017 previa ampliar a constelação para sete satélites em 2023, permitindo a navegação independente do GPS.
A estrutura do EGNOS compreende 40 estações de monitoramento de distância e integridade, dois centros de controle de missão, seis estações terrestres de navegação, a rede de longa distância EGNOS Wide Area Network, ou EWAN, e três satélites geoestacionários. As estações em solo determinam a precisão dos dados de navegação e os enviam aos satélites geoestacionários. Os usuários podem receber esses dados gratuitamente por um receptor compatível com EGNOS ou pela internet. A aviação é uma das aplicações do sistema.
As especificações do EGNOS estabelecem erro horizontal inferior a sete metros com o uso das correções. Na prática, a precisão horizontal é da ordem de um metro.
Serviços semelhantes são oferecidos pelo WAAS na América do Norte, pelo SDCM na Rússia e, na Ásia, pelo MSAS japonês e pelo GAGAN indiano.
O orçamento destinado ao Galileo e ao EGNOS para o período de 2021 a 2027 foi de 9,017 bilhões de euros, dentro do Programa Espacial da União Europeia.
L1C/A, L1C e L1S: 1,57542 L2C: 1,22760 L5 e L5S: 1,17645 L6: 1,27875
Situação
Em operação
Em operação desde 2016 Conclusão prevista para 2020
Em operação
Em operação
Sem operação independente
Sem operação independente
Precisão, m
Serviço público: 3,6 Serviço criptografado: 0,1
Serviço público: 0,2 Serviço criptografado: 0,01
2–4
0,3–5 Sem DGPS ou WAAS
Serviço público: 1 Serviço criptografado: 0,1
Serviço público: 1 Serviço criptografado: 0,1
Sistema
BeiDou
Galileo
GLONASS
GPS
NavIC
QZSS
Fontes:
O uso de mais de um sistema GNSS aumenta a quantidade de satélites visíveis, melhora o posicionamento por ponto preciso, ou PPP, e reduz o tempo médio de convergência. Em novembro de 2019, o erro de distância do sinal no espaço, ou SISRE, era de 1,6 cm para o Galileo, 2,3 cm para o GPS, 5,2 cm para o GLONASS e 5,5 cm para o BeiDou, com correções em tempo real das órbitas e dos relógios dos satélites.
Os valores médios de SISRE dos satélites BDS-3 em órbita terrestre média, órbita geossíncrona inclinada e órbita geoestacionária foram de 0,52 m, 0,90 m e 1,15 m, respectivamente. Na comparação entre os satélites em órbita terrestre média dos quatro sistemas globais, o BDS-3 teve erro ligeiramente maior que o Galileo, de 0,4 m, ligeiramente menor que o GPS, de 0,59 m, e muito menor que o GLONASS, de 2,33 m. O SISRE dos satélites BDS-3 em órbita geossíncrona inclinada, de 0,90 m, foi semelhante ao dos satélites QZSS nesse tipo de órbita, de 0,92 m. Como os satélites geoestacionários BDS-3 haviam sido lançados recentemente e ainda não estavam plenamente operacionais, seu SISRE médio foi ligeiramente maior que o dos satélites geoestacionários QZSS, de 0,91 m.
O Doppler Orbitography and Radio-Positioning Integrated by Satellite, ou DORIS, é um sistema francês de navegação de precisão. Ele usa estações transmissoras fixas distribuídas pelo mundo e receptores a bordo dos satélites para determinar com precisão suas posições orbitais. Essa disposição é inversa à dos demais sistemas GNSS. O sistema também pode atender a receptores móveis em terra, com uso e cobertura mais limitados. Em conjunto com os sistemas GNSS tradicionais, permite obter posições com precisão centimétrica e, nas aplicações de altimetria, milimétrica. Também permite acompanhar variações sazonais muito pequenas da rotação terrestre e deformações da Terra, para construir um sistema de referência geodésico mais preciso.
Satélites em órbita terrestre baixa
As duas redes de telefonia por satélite em órbita terrestre baixa, ou LEO, podem localizar seus transceptores com precisão de alguns quilômetros, usando cálculos da variação Doppler a partir do satélite. As coordenadas são enviadas de volta ao transceptor, onde podem ser consultadas por comandos AT ou por uma interface gráfica. A estação de interligação também pode usar esses dados para aplicar restrições de planos de chamadas com limites geográficos.
O serviço de radionavegação aeronáutica por satélite, ou ARNSS, é definido no artigo 1.47 do Regulamento de Radiocomunicações da UIT como um serviço de radionavegação por satélite cujas estações terrenas ficam a bordo de aeronaves.
O serviço de radionavegação marítima por satélite, ou MRNSS, é definido no artigo 1.45 do mesmo regulamento como um serviço de radionavegação por satélite cujas estações terrenas ficam a bordo de navios.
Classificação
O artigo 1 do Regulamento de Radiocomunicações da UIT estabelece a seguinte classificação dos serviços de radiocomunicação.
A atribuição de radiofrequências é estabelecida pelo artigo 5 do Regulamento de Radiocomunicações da UIT, na edição de 2012.
Para harmonizar o uso do espectro, a maioria das atribuições de serviços é incorporada aos quadros nacionais de atribuição e utilização de frequências, sob responsabilidade da administração competente. As atribuições seguem estas convenções.
Serviços primários são escritos em letras maiúsculas.
Serviços secundários são escritos em letras minúsculas.
O uso exclusivo ou compartilhado fica sob responsabilidade das administrações.
Alternativas
Posicionamento, navegação e tempo alternativos, ou AltPNT, são métodos que oferecem alternativas ao GNSS. Entre eles estão os seguintes.
Geocaching, atividade de localização de recipientes por coordenadas geográficas
Diluição da precisão, efeito da geometria dos satélites sobre o erro de posicionamento
Notas
↑Os períodos e as velocidades orbitais são calculados pelas relações 4π2R3 = T2GM e V2R = GM. Nelas, R é o raio da órbita em metros, T é o período orbital em segundos, V é a velocidade orbital em m/s, G é a constante gravitacional, aproximadamente 6,673 × 10−11 N m2/kg2, e M é a massa da Terra, aproximadamente 5,98 × 1024 kg.
↑A razão varia de aproximadamente 8,6 quando a Lua está mais próxima, 363.104 km divididos por 42.164 km, a 9,6 quando está mais distante, 405.696 km divididos por 42.164 km.
↑Jury, H. L. (1973). Application of the Kalman Filter to Real-time Navigation using Synchronous Satellites. Proceedings of the 10th International Symposium on Space Technology and Science (em inglês). Tóquio. pp.945–952
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↑Rickerson, Don (janeiro de 2005). «Iridium SMS and SBD»(PDF). Personal Satellite Network, Inc. Arquivado do original(PDF) em 9 de novembro de 2005
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Nota: Para as manobras que mantêm um satélite em sua órbita e posição, veja Manutenção de órbita estacionária.
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