Chama-se GPS (Global Positioning System) a um conjunto de 24 satélites artificiais responsáveis pela transmissão contínua de informações a receptores, fixos ou móveis, permitindo que estes calculem suas posições com notável precisão. Esse sistema foi concebido pelo Departamento de Defesa dos EUA no início da década de l960, sob o nome de "projeto NAVSTAR-GPS (Navigation Satllite with Time and Ranging-Global Positioning System), que tinha como finalidade unificar esforços em vários sistemas de posicionamento por satélites num único sistema. No início o projeto era apenas de uso militar, mas a partir de 1980, governo americano disponibilizou o sistema para uso civil. O sistema consiste basicamente de três segmentos:

O Segmento Espacial, que consiste nos satélites que orbitam a terra numa distância de aproximadamente 22.200Km de altitude e que dão duas volta ao redor do globo em 24 horas. Eles enviam sinais especificados (civil e militar) pelos gestores do GPS. O primeiro satélite foi lançado em 22/02/78. A constelação prevista nas especificações do projeto eram de 24 satélites, o que permitiria a visibilidade de pelo menos 4 satélites em qualquer hora do dia de qualquer lugar da Terra, porém, em um dia de boa visibilidade, pode se ver até 6 ou 7 satélites.

O Segmento de Controle, composto por 5 estações na Terra além de algumas antenas de comunicação com os satélites, responsável por dirigir todo o sistema. Este segmento é controlado pelo Departamento de Defesa Norte-Americano. Não há muita informações sobre este segmento, visto o fato dele ser estratégico.

O Segmento Usuário, composto pelos usuários dos diversos receptores GPS espalhados pela Terra, seja em sua forma civil (SPS - Standard Positioning System) ou militar (PPS - Precise Positioning System). O PPS se encontra disponível apenas para militares norte-amareicanos e para nações consideradas amigas. O Brasil não faz parte destas.

Satélites

Cada satélite é construído para durar aproximadamente 10 anos. Satélites substitutos estão constantemente sendo construídos e colocados em órbita. Os satélites funcionam movidos a energia solar, mas possuem uma bateria especial para evitar problemas em situações de eclipses por exemplo. Um satélite GPS pesa aproximadamente 900 kg e tem 8 metros de extensão com os painéis solares estendidos. A potência do transmissor é de pouco menos de 50 watts. Além disso, cada satélite possui um relógio atômico, responsável pela alta precisão da data e hora que ele fornece. Cada satélite emite um sinal que contém: código de precisão (P); código geral (CA) e informação de status. Cada satélite tem códigos P e CA únicos, e o receptor pode distinguí-los. O código P é mais complexo que o CA, quase impossível de ser alterado e somente militares têm acesso garantido a ele.

Transmissão e cálculo de posição

Os satélites são referências no espaço, já que com as informações de navegação que os mesmos enviam, é possível calcular suas coordenadas no espaço em um dado instante. Assim, pelo processo de trilateração (tendo-se as coordenadas de pontos e distâncias a um ponto, pode-se obter as coordenadas deste último.O cálculo da distância é feito da seguinte forma. Mede-se o tempo que o sinal demora pra chegar do satélite até o receptor e a seguir, divide-se pela velocidade de propagação do sinal.

Os satélites GPS transmitem dois sinais de rádio de baixa potência, designados L1 e L2. Os receptores GPS civis usam a freqüência L1 de 1575,42 Mhz em UHF. As informações que o satélite transmite em suas duas portadoras (L1 e L2) são: "código de identidade" (um código pseudo-aleatório), dados de efeméride e dados de almanaque. O código de identidade (PRN - Pseudo-Random Code) identifica qual satélite está transmitindo. Usa-se como referência dos satélites seus PRN, de 1 a 32. O código pseudo-randômico permite que todos os satélites do sistema compartilhem a mesma freqüência sem interferências.

Os dados de efeméride, os quais são constantemente transmitidos por cada satélite, contém informações importantes sobre a situação de cada um deles (operacional ou não) e também a data e hora atuais. Esta parte do sinal é essencial para determinação de uma posição.

Os dados de almanaque informam ao receptor GPS onde cada satélite deveria estar em qualquer hora ao longo do dia. Cada satélite transmite dados de almanaque, enviando informações sobre sua órbita para cada satélite do sistema. O receptor GPS deve "travar" (garantir a recepção contínua) os sinais de pelo menos 3 satélites para calcular uma posição Lat/Long – que é chamada posição fixa 2D – bi-dimensional. Com a recepção de quatro ou mais satélites, um receptor pode determinar uma posição 3D, isto é, Lat/Long/Altitude. Uma vez que a posição do usuário tenha sido determinada, o receptor GPS pode calcular outras informações importantes para navegação, como velocidade, rumo, direção, distância do percurso, distância ao destino, a hora de nascer e pôr-do-sol e algo mais.

Erros

Atrasos na ionosfera e troposfera: Os sinais dos satélites diminuem de intensidade à medida que atravessam a atmosfera. No entanto, o sistema é capaz de calcular uma média do atraso para corrigir parcialmente esse tipo de erro.

Sinal com caminhos múltiplos: Isto ocorre quando o sinal GPS é refletido por objetos como prédios altos ou montanhas, antes de alcançarem o receptor. Isto aumenta o tempo que o sinal leva do satélite até o receptor, causando erros.

Erros do relógio do receptor: O relógio interno do receptor não é tão preciso quanto o relógio atômico dos satélites GPS. Assim, podem ocorrer pequenos erros na medição do tempo.

Erros de órbita: Também conhecidos como erros de efeméride, os erros de órbita representam erros nas informações das posições dos satélites.

Número de satélites visíveis: Quanto mais satélites um receptor GPS puder enxergar no céu, melhor a precisão. Prédios, terrenos, interferências eletrônicas ou uma cobertura densa de uma floresta, por exemplo, podem bloquear a recepção do sinal, causando erros de posição ou possivelmente nenhuma leitura de posição no receptor. As unidades GPS geralmente não funcionam dentro de casas ou outras coberturas, debaixo d'água ou da terra.

Geometria dos satélites: Isto se refere à posição relativa dos satélites a qualquer hora. A geometria ideal dos satélites á alcançada quando estão localizados em grandes ângulos em relação a outros satélites. Uma geometria ruim de satélites ocorre quando estão alinhados em linha reta ou num grupo muito unido.

Degradação intencional dos sinais dos satélites: A disponibilidade seletiva (SA - Selective Availability) é uma degradação intencional do sinal imposta pelo Departamento de Defesa americano. A disponibilidade seletiva foi criada para evitar que inimigos militares dos EUA usem um sinal GPS de alta precisão. O governo americano desabilitou o sistema que provocava a degradação intencional em maio de 2000, o que aumentou significativamente a precisão dos receptores GPS civis.