A Bússola é um instrumento requerido para todas as aeronaves, pois todas as informações relativas ao rumo do deslocamento são dadas em graus magnéticos. 

O Velocímetro é um instrumento exigido em todas as aeronaves e suas indicações e as informações sobre velocidade de deslocamento são fornecidas em nós (Knots).  

Ilustração de um painel típico para IFR – Instrument Flight Rules; da esquerda para direita e em cima: Velocímetro, Horizonte Artificial, Altímetro e VOR 1: no meio: Pau & Bola, HSI – Indicado de Situação Horizontal, Indicador de Velocidade Vertical, VOR 2; em baixo: Giro Direcional, RMI e o ADF. No painel superior: Cronômetro, os Marcadores – Interno – Médio – Externo, e a esquerda a Bússola.

Principio das indicações do VOR ao sobrevoar uma estação em linha reta, TO indicando que a estação está á frente, e FROM que a estação esta na cauda, atrás. 

3ª Parte

Para que possa utilizar o espaço aéreo brasileiro, os pilotos das aeronaves que são seus utilizadores, e os controladores de tráfegos são obrigados a conhecerem os vários processos utilizados para que esse deslocamento seja possível de forma ordenada e segura. Para que isso ocorra é exigido que todos conheçam os processos de condução de uma aeronave de um local a outro através do espaço aéreo disponível. As matérias que nos ensinam essa arte são a Navegação Aérea e a Regulamentação que determinam a maneira correta de fazermos essa utilização. No capitulo anterior vimos algumas noções de como a regulamentação é importante nessa tarefa. Nesse capitulo veremos um pouco sobre a Navegação Aérea e a importância que ela tem para transporte aéreo em geral.

Navegação Aérea    

Pode se disser que a navegação aérea é a arte de conduzir uma aeronave, pode ser um balão, dirigível, ultraleve ou avião, de um ponto a outro com segurança. De varias maneiras uma aeronave pode ser conduzida e dependerá dos equipamentos que o piloto disponha para essa tarefa. Se o equipamento for uma bússola magnética, por exemplo, terá uma tarefa fatiada, ou seja, em etapas. Aponta-se a aeronave para o rumo pretendido, marca-se uma referência ao alcance de sua visão e se dirige a esse ponto. Caso seja necessário manter uma proa diferente da que foi a referência inicial, será porque temos uma componente de vento que deva ser levado em conta, caso insista na proa inicial não chegara ao ponto de referência, pois o vento estará empurrando seu avião para um dos lados.

Esse tipo de navegação e conhecido dos pilotos como Navegação por Contato e é um dos mais simples tipos de navegação e obrigatória para pilotos privados ou de recreio nos casos de ultraleve.

A navegação aérea pode ser dividida em: Navegação por Contato ou visual; Navegação Estimada; Navegação Radiogoniométrica; Navegação Astronômica ou Celestial; e a mais recente a Navegação por Satélites.

Navegação Visual

Para ser realizada dependemos de um único instrumento a bússola magnética, como já foi explicado, e da capacidade do piloto em utilizar referencias visuais como cidades, rios, fazendas, morros etc. Pode ser previamente calculada e traçada em um mapa porem quando isso acontece passa a ser dita como Estimada.

Régua de Plotar para uso em Navegação Estimada

Navegação Estimada

A navegação estimada, como o seu nome sugere, será aquela que fazemos uma estimativa utilizando alguns parâmetros conhecidos, como: a velocidade em que cruza o avião, a velocidade do vento predominante, à distância entre o ponto de inicio e as referencias a ser sobrevoada e dessas ao ponto final da navegação. Numa carta aérea existem marcações das principais referencias como cidades, estradas, ferrovias, montanhas etc. alem das Linhas Isogônicas que unem pontos com a mesma Declinação Magnética, muito útil para que o piloto saiba de antemão a variação que sua bússola apresentará no percurso que ira voar. Utilizando um mapa, o transferidor e uma régua, o piloto pode encontrar o rumo a ser seguido e dele descontar ou somar a declinação encontrando a direção bússola. Calcular pela escala do mapa, à distância e com isso saber, o tempo de voo ate o destino.

Navegação Astronômica

Muito utilizada pelos navegadores na época em que o mundo estava a ser descoberto. Os europeus com uso de um instrumento chamado Sextante, e um cronômetro, para determinar a Latitude e a Longitude onde a nau se encontrava e, sabendo da posição inicial, seguir por um rumo apontado pela bussola ao próximo ponto desejado. Hoje esse tipo de navegação está praticamente extinto, porem será bom que saiba, que a mais moderna técnica de navegação da atualidade, a navegação por satélites, se utiliza exatamente dessa técnica e de um relógio de alta precisão, para determinar o local exato, na superfície da terra ou em voo, seu avião se encontra.

Antena de estação VOR

Navegação Rádio Goniométrica

A navegação por rádio ou radiogoniometria é a arte de se conduzir de um ponto a outro através do uso das ondas eletromagnéticas emitidas por estações de rádios conhecidas. É matéria obrigatória para pilotos comerciais e todas aos outras categorias de pilotos acima. Foi descoberta junto com uma antena especial, chamada de Antena Loop, durante a Primeira Guerra Mundial e que primeiro foi utilizada para descobrir as posições do inimigo. Essa antena tem a propriedade de se posicionar em perpendicular a direção do sinal de radio recebido, com isso aponta a direção da estação de origem do sinal. Duas antenas colocadas em locais diferentes poderiam dizer o ponto de origem do sinal para a artilharia e assim o inimigo era destruído. As propriedades dessa antena foram utilizadas para construção dos primeiros ADF - automatic directional fanding, até hoje em uso em muitas partes do mundo, incluindo o Brasil. Nosso site dispõe, na sua pagina inicial, uma primeira aula em forma slides sobre o ADF para auxiliar os aprendizes na arte de navegar. Mais recente foi a descoberta do VOR, mais preciso e confiável que o ADF, porem, por utilizar as freqüências em VHF - Very High Frequency, tem seu alcance limitado em termos de distancias. O VOR é largamente utilizado nas aproximações de precisão, conhecidos como procedimentos, em todos os aeroportos importantes do mundo e tem hoje um concorrente nessa tarefa o sistema GNSS que conheceremos a seguir.

Navegação por Satélites

GNSS é um acrônimo do inglês Global Navigation Satellite Systems, um termo genérico que se refere a um sistema de navegação que se utiliza dos satélites para a navegação. Nesse momento existem dois sistemas em operação o GPS americano e o GLONASS Russo e mais dois em fase de implantação, o Galileo Europeu e o Compass da China.

O primeiro a entrar em operação foi o GPS americano, é por causa disso, ficou mais difundido e é o mais utilizado. Sobre ele falaremos agora.

O GPS

O Sistema de Posicionamento Global, popularmente conhecido por GPS (acrônimo do original do inglês Global Positioning System ou do português "Geo-Posicionamento por Satélite"), conforme o nome diz, inclui um conjunto de satélites em um sistema de informação eletrônico que fornece via rádio a um aparelho receptor móvel a posição em que o mesmo se encontra com referencia as coordenadas terrestres. Esse sistema que por vezes é impropriamente designado de sistema de navegação não substitui integralmente ao sistema de navegação astronômica, mas apenas informa as coordenadas do receptor e não o rumo, indispensável para a “navegação estimada”, faltando para isso solicitar o recurso de um simulador integrado ao receptor.

A navegação estimada pode ser definida como, sabendo a posição anterior, direção do deslocamento, a velocidade e a diferença de tempo, estimar a posição atual. Nesta técnica podemos também substituir a velocidade e diferença de tempo por distância percorrida.

Sua implementação tinha inicialmente fins militares e careceria de confiabilidade para sua utilização universalmente para uso civil, o sistema americano é controlado pelo Departamento de Defesa dos Estados Unidos da América, DoD, para uso exclusivo militar e, embora atualmente, encontre-se aberto para uso e civil gratuito, poucas garantias temos que em tempo de guerra continue emitindo sinais o que resultara num serio risco a navegação.

O DoD fornece dois tipos de serviços GPS: Standard e Precision.

Satélite GPS - foto NASA

O Sistema GPS

O sistema está dividido em três partes: espacial, de controle e utilizador. O segmento espacial é composto pela constelação de satélites. O segmento de controle é formado pelas estações terrestres dispersas pelo mundo ao longo da Zona Equatorial, responsáveis pela monitorização das órbitas dos satélites, sincronização dos relógios atômicos de bordo dos satélites e atualização dos dados de almanaque que os satélites transmitem. O segmento do utilizador consiste num receptor que capta os sinais emitidos pelos satélites. Um receptor GPS (GPSR) descodifica as transmissões do sinal de código e fase de múltiplos satélites e calcula a sua posição com base nas distâncias a estes. A posição é dada por latitude, longitude e altitude, coordenadas geodésicas referentes ao sistema WGS84.

O sistema foi declarado totalmente operacional apenas em 1995. Seu desenvolvimento custou 10 bilhões de dólares. Consiste numa "constelação" de 28 satélites sendo 4 sobressalentes em 6 planos orbitais. Os satélites GPS, construídos pela empresa Rockwell, foram lançados entre Fevereiro de 1978 (Bloco I), e 06 de Novembro de 2004 (o 29º). Cada um circunda a Terra duas vezes por dia a uma altitude de 20.200 quilômetros (12.600 milhas) e a uma velocidade de 11.265 quilômetros por hora (7.000 milhas por hora). Os satélites têm a bordo relógios atômicos e constantemente difundem o tempo preciso de acordo com o seu próprio relógio, junto com informação adicional como os elementos orbitais de movimento, tal como determinado por um conjunto de estações de observação terrestres.

O receptor não necessita de ter um relógio de tão grande precisão, mas sim de um suficientemente estável. O receptor capta os sinais de quatro satélites para determinar as suas próprias coordenadas, e ainda o tempo. Então, o receptor calcula a distância a cada um dos quatro satélites pelo intervalo de tempo entre o instante local e o instante em que os sinais foram enviados (esta distância é chamada pseudodistância). Descodificando as localizações dos satélites a partir dos sinais de microondas (tipo de onda eletromagnética) e de uma base de dados interna, e sabendo a velocidade de propagação do sinal, o receptor, pode situar-se na intersecção de quatro círculos, um para cada satélite.

Até meados de 2000 o departamento de defesa dos EUA impunha a chamada "disponibilidade seletiva", que consistia em um erro induzido ao sinal impossibilitando que aparelhos de uso civil operassem com precisão inferior a 90 metros.

Porém, atribui-se ao presidente Bill Clinton que, pressionado assinou uma lei determinando o fim dessa interferência no sinal do sistema, desse modo a precisão foi aumentada e como isso, entende-se que não há garantias que em tempo de guerra o serviço continue a disposição dos usuários.

No cenário militar, o GPS é também usado para o direcionamento de diversos tipos de armamentos de precisão, como as bombas JDAM-Joint Direct Attack Munition e os famosos mísseis Tomahawk. Estas bombas "inteligentes" são guiadas para seus alvos por um sistema inercial em conjunto com um GPS. Este tipo de sistema de direcionamento pode ser usado em qualquer condição climática e garante um alto índice de precisão.

Além de sua aplicação óbvia na aviação geral e comercial e na navegação marítima, qualquer pessoa que queira saber a sua posição, encontrar o seu caminho para um determinado local, ou de volta ao ponto de partida, conhecer a velocidade e direção do seu deslocamento pode-se beneficiar com o sistema. Atualmente o sistema está sendo muito difundido em automóveis com sistema de navegação em mapas, que possibilitam uma visão geral da área que você está percorrendo, os ‘map movem’ ou mapas em movimento.

A comunidade científica utiliza-o pelo seu relógio altamente preciso. Durante experiências científicas de recolha de dados, pode-se registrar com precisão de micro-segundos (0,000001 segundo) quando a amostra foi obtida. Naturalmente a localização do ponto onde a amostra foi recolhida também pode ser importante. Agrimensores diminuem custos e obtêm levantamentos precisos mais rapidamente com o GPS. Unidades específicas têm custo aproximado de 3.000 dólares e precisão de 1 metro, mas existem receptores mais caros com precisão de 1 centímetro. A coleta de dados por estes receptores é mais lenta.

Melhorias do sistema

O sistema por si só não é perfeito pode sofrer variações por erros em seus relógios e atrasos na recepção do sinal causados por interferências meteorológicas, por exemplo. Essas anomalias são tratadas como ‘diferencial GPS’ – DGPS, e um sistema suplementar podem ser adicionados para compensar essas diferenças, transmitindo correções para os receptores GPS, tanto via satélites quanto através de estações de rádios terrestres. Ao invés de uma precisão normal que é de aproximadamente entre 5 e 23 metros, poderá ser aumentada para algo em torno de 4 centímetros, no caso de aproximações instrumentos com a utilização de estações de rádios corretoras.

Os sistemas que aumentam a precisão se utilizam de estações em terra que foram cuidadosamente pesquisadas e suas localizações foram exatamente definidas com grande precisão. Como os receptores que recebem os sinais dos satélites GPS, eles também os compara com os valores que recebem das estações de terra, e as diferenças são utilizados para calcular as correções. 

Estações terrestres Vs Space Based

Também conhecidos como “sistema de ampliação de área” SBAS, são estações terrestres que tem a função de transmitir para um ou mais satélites do sistema sua posição no espaço em relação a terra. Os satélites são geoestacionários, ou seja, giram na mesma velocidade em que a terra gira, portanto sua posição é supostamente fixa em relação a terra mas, pode varia, cada satélite demora um dia para duas voltas completas em torno do planeta e a constelação de satélites é posicionada de forma que, em qualquer parte do globo em que estiver o receptor possa acessar pelo menos quatro satélites ao mesmo tempo. Essas estações orientam o posicionamento correto e preciso dos satélites garantindo maior precisão nas transmissões para os receptores GPS.

WAAS – Wide Area Augmertation System

É um sistema de estações terrestres e satélites para GPS que melhoram a precisão de monitoramento do sistema de navegação GPS para cerca de 3,3 metros. Implantado em 2003, o WAAS dispõe de um grupo de 25 estações de referência e dois satélites que cobrem a América do Norte.

CDGPS – Canadian Differential GPS

Similar ao sistema WAAS e que cobre o Canadá, Estados Unidos e México, possui 30 estações em terra e um satélite que aumenta a precisão do GPS para menos de 3 metros, porem só é utilizado para navegação terrestre e foi implantado em 1998. Para receber as informações CDGPS é necessário possuir um receptor habitado.

EGNOS

Um sistema europeu de 34 estações terrestres e três satélites que cobrem toda a Europa com uma precisão de aproximadamente 5 metros e foi implantado em 2004. Servira para atender o sistema ‘Galileo’ e para receber seus dados o receptor tem que ser homologado ao sistema.

MSAS

Um sistema japonês de estações terrestres e satélites que melhoram a precisão de monitoramento do sistema de navegação GPS para baixo de aproximadamente seis metros. Lançado em 2007, MSAS deverá abranger outras partes da Ásia, como a Austrália e Nova Zelândia. As estações terrestres MSAS e os registros dos  satélites de navegação  só podem ser recebidos por receptores habilitados.

Existem ainda outros sistemas de uso comercial que melhoram as recepções e transmitem as correções dos satélites GPS como, o sistema OmniStar, Fugro e StarFire com emprego nos setores de Petróleo, Gás, Mineração, Construção e  Agricultura, tais sistemas exigem receptores especiais e não são utilizados para a navegação.

Como Funcionamento o GPS?

Fonte: http://www.popa.com.br/_2008/cronicas/gps/funcionamento_do_gps.htm

O site Papa.com.br nos ensina os fundamentos de como o GPS pode indicar em que ponto do globo terrestre você se encontra, veja as explicações abaixo.

Para ter uma noção primária de como o GPS determina uma posição na terra, acompanhe este raciocínio inicial, como uma analogia.

Você está perdido e pergunta a um navegador: onde estou? Ele responde que V. está a 6MN da Ponta Grossa. Isso ajuda, mas não resolve porque tudo o que V. pode saber é que está sobre uma circunferência imaginária de 6MN de raio, cujo centro está na Ponta Grossa, como mostrado na carta "A" abaixo.

Outro navegador lhe diz que V. está a 3MN da Ponta do Salgado. Bem, agora V. sabe que está também sobre outra circunferência imaginária, com 3MN de raio, com centro na Ponta do Salgado. Como se vê na carta "B" aí abaixo, então Você só pode estar em um dos dois pontos assinalados com "1" e "2".

Se um terceiro navegador lhe disser que Você está a 5MN do Morro do Côco, então V. já pode se localizar. A terceira circunferência imaginária (carta mais abaixo) marcará um único ponto de intersecção entre as 3 circunferências (marcado com um "X"). E é aí que Você estará na Ilha Chico Manuel.

O texto Como funciona o Sistema GPS? Curiosidades, técnica, porquês, história e outros aspectos de Danilo Chagas Ribeiro, é muito elucidativo e você poderá aprender muito mais sobre o GPS, basta clicar no link disponibilizado no início do parágrafo.