Como Funciona o GPS?

Por Mairon Machado (Publicado originalmente no blog Crônicas da Ciência)

Hoje em dia, é comum vermos nos carros andando pelas ruas um aparelho de localização que permite ir para qualquer lugar que você queira com apenas alguns cliques e prestando atenção na comunicação entre o aparelho e você. Taxistas principalmente, são os que têm usufruído com mais frequência do tal aparelho, batizado de Global Posytioning System, ou simplesmente GPS.

Mas, como esse mero aparelhinho pode conter tanta informação e gerar o caminho que você quer em apenas poucos segundos, além de indicar sua velocidade e posição permanentemente? É isso o que o Crônicas da Ciência irá tentar responder nessa postagem.

O GPS (em português, Sistema de Posicionamento Global) foi desenvolvido como uma arma dentro do Departamento de Defesa americano. Através dele, é possível localizar um aparelho chamado de receptor, que envia sinais de localização para satélites.  Depois de alguns cálculos, o receptor determina qual a sua posição, velocidade e distância para lugares específicos. Depois, com um mapa do estado/cidade que você está, rapidamente é informado qual o caminho mais rápido, o mais fácil ou o mais curto para você seguir até o local final.

  

Um GPS só funciona se nele estiverem três componentes conhecidas como ESPACIAL, CONTROLE e UTILIZADOR.

• Espacial - são 27 satélites que encontram-se em órbita. 24 estão ativamente funcionando, e os demais são ligados caso algum deles não esteja em condições de operar. É exatamente a disposição dos satélites que garante pelo menos quatro deles disponíveis para ser contactado em qualquer lugar do planeta.
• Controle - são as cinco estações de controle destes satélites, as quais estão espalhadas pelo globo terrestre. Sua função é atualizar a posição dos satélites e sincronizar o relógio atômico que está presente em cada satélite.
• Utilizador - é o aparelho de GPS que você compra em uma loja. Nele, estão os recursos necessários para ir de um lugar a outro com a maior comodidade possível.

O sistema de funcionamento do GPS é uma matemática complexa, mas que envolve física relativamente simples. Ilustraremos aqui como o GPS sabe aonde você está. Para isso, tanto os satélites quanto os receptores GPS possuem um relógio interno, o qual marca a hora com precisão de nanosegundos. Quando o sinal deste relógio é emitido na Terra, um sinal no satélite é enviado ao mesmo tempo, indicando a hora em que você saiu com o aparelho.

A viagem deste sinal se dá através de ondas de rádio, as quais viajam na velocidade de aproximadamente 300 mil Km/s. O aparelho receptor então passa a cronometrar quanto tempo o sinal do satélite demora para chegar, e assim, pela fórmula DISTÂNCIA = VELOCIDADE X TEMPO, consegue calcular sua distância em relação ao satélite. Na verdade, o cálculo correto é feito utilizando-se derivadas e integrais, sendo o exemplo dado uma ilustração grosseira para o fato real, mas que ilustra bem o que acontece. 

Como a posição de cada satélite atualizada constantemente, fica acessível a posição exata aonde você encontra-se com o aparelho, com um erro de no máximo 20 metros. Para isso, o GPS utiliza o chamado sistema de triangulação. Ele estabelece a existência de três pontos: X, Y e Z. Quando ele afirma que você está em X, na verdade, dentro de um raio Y e Z você pode estar, mas esse raio é praticamente tão pequeno que você não consegue perceber erro no mapa mostrado no receptor.

Ainda é possível verificar por exemplo quantos metros acima do nível do mar você encontra-se. Um quarto satélite opera exclusivamente para isso, e os cálculos são similares, porém envolvendo apenas algumas componentes relativas ao espaço tridimensional (no caso, integrais em 3D).

Novos aparelhos vem usando da tecnologia do GPS, como o Palm Pre, o Nokia Surge, o Nokia N97 e o Sony-Ericsson Satio. Mas, nos últimos meses, diversos aparelhos vem apresentando problemas e se tornando obsoletos, justamente pelo avanço tecnológico e também pelo tempo de alguns satélites em órbita, que, com o desgaste natural e também com frequentes colisões com lixo espacial, não estão operando normalmente. A estimativa era de que até 2010, a confiabilidade de um sinal para um receptor de GPS construído em 2006 será de queda em 90% de confiabilidade.

A europa por exemplo já providenciou a construção de novos satélites, que entrarão em órbita a partir de 2013, projeto esse batizado de Galileo. Os russos também estão envolvidos na construção de novos satélites, no que foi batizado de Projeto Glonass, ainda sem previsão de funcionamento.