Uma introdução ao GPS

O GPS ou “Global Positioning System” é um sistema de cálculo de posicionamento a partir de sinais enviados por uma rede de satélites, mantida pelo DOD, o departamento de defesa dos EUA.

Os satélites orbitam o planeta em uma órbita geoestacionária, a 20.2 km de altitude, formando uma constelação de satélites, projetada de maneira que pelo menos 4 deles sejam visíveis a partir de qualquer ponto do planeta. Inicialmente a rede contava com 24 satélites, mas atualmente (setembro de 2008) já conta com 32.

Os satélites transmitem um sinal de alta freqüência, contendo pacotes de informação com indicações precisas da hora em que cada um foi transmitido. Os receptores em terra captam o sinal e usam um sistema de trilateração para calcular a posição, comparando a diferença de tempo entre a transmissão e a recepção de cada pacote, calculando assim a distância de cada satélite. Conforme você se desloca, a distância em relação aos satélites muda, gerando uma pequena diferença no tempo do percurso, que é usada para atualizar a localização.

O receptor precisa do sinal de três satélites para calcular a posição (latitude e longitude) e com o sinal de 4 satélites é possível calcular também a altitude, fornecendo as coordenadas 3D.

No espaço, o sinal se propaga a uma velocidade muito próxima da velocidade da luz, de forma que ele ele demora apenas algumas frações de segundo para percorrer a distância entre o satélite e o receptor. Dentro da atmosfera, a velocidade é um pouco mais baixa, já que a ionosfera e a atmosfera causam um leve atraso na propagação do sinal em relação à velocidade da luz (fenômeno batizado de atraso ionosférico), uma diferença que é levada em conta durante o cálculo da posição.

Como pode imaginar, para que o sistema funcione foi necessário equipar os satélites com relógios extremamente precisos, já que uma diferença de um milésimo de segundo seria suficiente para provocar um erro de quase 300 km no cálculo da posição. Mesmo um atraso pequeno, de apenas um microsegundo, provocaria um desvio de 300 metros, o que não seria aceitável.

Um exemplo da precisão do sistema é que os satélites precisam ser ajustados em algumas frações de segundo periodicamente para corrigir pequenos desvios decorrentes da diferença gravitacional entre os relógios na terra e no espaço. Como previsto pela lei da relatividade, relógios em terra correm sutilmente mais devagar que relógios em órbita, devido à diferença na força gravitacional a que estão expostos (quanto mais forte é a gravidade, mais devagar correm os relógios), uma diferença de 45.9 microsegundos por dia, que comprometeria a precisão do sistema caso não fosse corrigida.

No caso dos satélites, a solução é usar relógios atômicos, que são combinados com um elaborado sistema de ajuste coordenado por estações em terra. Naturalmente, não seria possível usar relógios atômicos também nos receptores, por isso os projetistas chegaram a uma solução simples e engenhosa: ao ser ligado, o receptor sincroniza seu relógio com o de um dos satélites, simplesmente usando o horário incluído por ele nos pacotes. Isso permite que os receptores utilizem cristais de quartzo (como os usados em placas-mãe e em outros eletrônicos), que são baratos e suficientemente precisos para a tarefa.

Como tantas outras tecnologias, o sistema de posicionamento global surgiu com propósitos puramente militares, mas com o tempo acabou sendo aberto para uso civil. Inicialmente, o sinal era deliberadamente degradado, o que fazia com que a margem de erro ficasse acima dos 100 metros. Apenas os militares tinham acesso aos códigos necessários para corrigir o desvio e usar o sistema com precisão máxima.

Com medo de que isso levasse outros países a criarem sistemas concorrentes (o que no final acabou acontecendo de qualquer forma, com o Glonass russo e o Galileo europeu), o departamento de defesa decidiu eliminar o desvio, oferecendo o sinal gratuitamente e com precisão máxima para todos os interessados a partir de maio do ano 2000, mantendo entretanto a possibilidade de degradar o sinal em zonas de conflito.

Graças a isso, a margem de erro de um receptor médio fica, na maioria do tempo, abaixo dos 10 metros, e alguns receptores de uso científico chegam a trabalhar com margens de erro na faixa dos milímetros. Para ter uma idéia, sistemas de GPS são usados para medir o deslocamento das placas tectônicas, que se movem apenas alguns centímetros por ano.

Os primeiros receptores de GPS eram muito mais simples que os atuais; eles forneciam apenas a latitude e a longitude, o resto era por conta do utilizador, que precisava calcular a localização no mapa. A geração seguinte trouxe mapas simplificados, exibidos em telas monocromáticas, mas com a evolução dos controladores e a queda de preços nas telas coloridas, memória flash e outros componentes, eles evoluíram rapidamente, até chegar aos modelos que temos hoje.

Os modelos atuais combinam as coordenadas de localização com mapas digitais em 3D e um software que calcula a posição no mapa, oferecendo direções e orientação por voz. Embora o sinal de GPS emitido pelos satélites esteja disponível para quem quiser usar, os fabricantes de aparelhos oferecem serviços adicionais, como informações de trânsito (obtidas usando uma conexão de dados), atualizações dos mapas e assim por diante, geralmente cobrando uma assinatura mensal ou anual pela assinatura.

Podemos dizer que 25% do custo de um aparelho de GPS atual corresponde aos circuitos básicos que calculam as coordenadas, 50% ao restante do hardware (processador, memória, tela, etc.) e os 25% restantes a softwares e serviços adicionais.

Com a miniaturização dos componentes, passou a fazer sentido incluir receptores de GPS em smartphones, aproveitando a tela, processador, memória e os demais componentes. Chipsets atuais, como Navilink NL5350 (usado no N95 e em outros modelos da Nokia) combinam o receptor GPS, o processador de sinais e uma pequena quantidade de memória usada por ele em um encapsulamento incrivelmente compacto, que adiciona muito pouco ao peso e volume do aparelho.

Os primeiros aparelhos com GPS integrado eram muito caros, muitas vezes custando mais do que comprar um smartphone e um GPS separado. Entretanto, com o passar o tempo, os preços caíram a ponto do GPS integrado passar a adicionar pouco ao custo final do aparelho e se tornar norma nos aparelhos mais caros. Com isso, fica faltando apenas comprar o suporte para o painel para que você possa usar o smartphone como navegador:

Embora a tela seja menor e o conjunto seja muitas vezes menos prático de usar do que um GPS automotivo, o smartphone tem uma vantagem, que é o fato de você sempre levá-lo com você, evitando o risco de furtos ao deixar o GPS dentro do carro. Mesmo aparelhos sem GPS integrado (como o 6120c da foto) podem desempenhar o papel de navegadores com a ajuda de um receptor GPS externo, conectado via Bluetooth. Um acessório cada vez mais acessível.

Continuando, temos as diferenças entre os diferentes modelos de receptores. Inicialmente, a principal característica era o número de canais suportados. Os primeiros receptores suportavam apenas 4 canais (o número exato necessário para calcular as coordenadas 3D), mas logo surgiram modelos com 5, 6, 8, 12, 16, 20, 32 ou até mesmo 54 canais, gerando uma corrida armamentista similar à que existiu na época dos kits multimídia.

O número de canais do receptor determina quantos satélites ele é capaz de monitorar simultaneamente. A maioria dos modelos atuais oferece de 12 a 20 canais, o que é mais do que suficiente, considerando que na maior parte do tempo, apenas 9 ou 10 satélites são visíveis e apenas 4 são necessários para calcular a posição 3D.

Os canais sobressalentes permitem que o receptor monitore o sinal de mais satélites e os utilize para calibrar a posição, melhorando sutilmente a precisão. Entretanto, o limite “físico” continua sendo o número de satélites visíveis, que atualmente nunca é superior a 12 em nenhuma parte do mundo. Com isso, a partir de 12 canais não faz mais diferença alguma se o receptor suporta 20, 32 ou 500 canais, já que apenas 12 serão usados.

Com isso, os diferenciais passaram a ser a sensibilidade de recepção, tamanho, peso e autonomia das baterias (no caso dos receptores Bluetooth) ou o software de navegação, tamanho da tela, ergonomia e os mapas disponíveis (no caso dos navegadores), sem falar na questão do preço, que acaba sendo sempre um dos argumentos de venda mais convincentes.

Para quem tem um smartphone sem GPS, existe a opção de usar um receptor GPS Bluetooth. Por incluírem apenas os circuitos básicos, combinados com o transmissor Bluetooth usado para comunicação, eles são muito mais baratos, custando a partir de US$ 55 em lojas do exterior, ou R$ 200 no Brasil. Eles são também bastante compactos, quase sempre menores que um celular médio:

Eles podem ser combinados com um PC ou notebook (você pode usar o GPS em conjunto com o Google Earth ou outro software de localização), mas o mais comum é combiná-los com um smartphone, que recebe as coordenadas e processa as demais operações, executando o software com os mapas e fornecendo direções. Tudo é processado pelo próprio smartphone, a partir das coordenadas calculadas pelo receptor GPS. Usando um destes receptores e instalando um software de navegação, seu smartphone passa a oferecer funções equivalentes à de um aparelho com GPS integrado.

Embora carregar um receptor GPS separado seja incômodo, eles oferecem uma grande vantagem, que é o fato de serem independentes do smartphone. Isso permite que você mantenha o mesmo receptor ao trocar de aparelho, diferente dos modelos com GPS integrado.

De volta à configuração, o primeiro passo é fazer o pareamento entre o smartphone e o receptor. Assim como no caso dos mouses e teclados Bluetooth, eles utilizam uma passphrase fixa (“0000” em muitos modelos), especificada em uma etiqueta ou no manual.

De uma forma geral, os smartphones utilizam antenas de GPS menores e menos sensíveis e/ou chipsets GPS integrados, com menos recursos. Para reduzir a diferença de sensibilidade e permitir que o fix dos satélites seja obtido rapidamente, mesmo com a recepção mais fraca, eles utilizam um sistema híbrido, o A-GPS (Assisted GPS), onde o sinal dos satélites é combinado com o uso de triangulação celular e do uso de um servidor remoto, que fornece informações sobre o posicionamento dos satélites (reduzindo drasticamente o tempo necessário para obter o fix) e outras informações, que facilitam o trabalho do receptor.

Naturalmente, todas as informações são transmitidas usando a rede celular, mas o volume de dados transferido é pequeno, apenas alguns poucos kbytes por consulta.

Naturalmente, o A-GPS não é perfeito e está sujeito a bugs e erros diversos, o que, combinado com o uso do tráfego de dados, faz com que alguns optem por desativar o recurso. Entretanto, na maioria dos casos o saldo é bastante positivo, já que o A-GPS torna a utilização do GPS bem mais imediata, evitando que você precise ficar esperando vários minutos pelo fix dos satélites.

Depois de resolvido o problema do hardware, ou seja, do receptor GPS, falta o segundo componente mais importante, que é o software de localização. Existem diferentes opções de aplicativos comerciais, como o Garmin Mobile XT (http://www.garmin.com/mobile/smartphones/) e também opções gratuitas, como o Google Maps (que podem ser baixado no http://m.google.com/) e (no caso de aparelhos da Nokia) o Nokia Maps (http://maps.nokia.com).

Usar o smartphone como localizador em vez de um GPS automotivo tem seus prós e contras. A grande vantagem é o fato de você ter ele sempre à disposição, o que faz com que você o acabe usando em muitas situações onde de outra forma não teria um GPS à mão. Outra vantagem é o custo, já que a diferença de preço entre um smartphone com GPS e outro equivalente sem (ou de um receptor USB separado) é bem menor do que o preço de um navegador completo. Uma terceira vantagem é a questão do software, já que no smartphone você pode escolher qual usar.