Constelações GNSS: comparação entre GPS, GLONASS, Galileo e BeiDou

O que são constelações GNSS?

Constelações GNSS são os grupos de satélites que compõem cada sistema global de navegação por satélite (GNSS). Um sistema GNSS é o serviço completo: os satélites, o segmento de controle terrestre que os monitora e atualiza e a especificação dos sinais que os receptores usam para calcular posicionamento, navegação e tempo (PNT).

Hoje, quatro constelações oferecem cobertura global: GPS, GLONASS, Galileo e BeiDou. Outras duas, QZSS e NavIC, atendem a regiões específicas, e os sistemas de aumento baseados em satélite (SBAS) acrescentam correções e dados de integridade. O termo GPS é frequentemente usado para todas elas, mas GPS é apenas o sistema dos EUA; nosso artigo sobre GNSS e GPS aborda a terminologia. Este artigo compara as constelações em si.

Cada satélite transmite sua órbita (efemérides) e um horário preciso. Um receptor mede o tempo de percurso dos sinais de pelo menos quatro satélites para determinar suas três coordenadas e o erro do próprio relógio.

Como GPS, GLONASS, Galileo e BeiDou se comparam?

As quatro constelações globais diferem principalmente na altitude orbital, no número de planos orbitais, no projeto dos sinais e no operador, mas todas oferecem precisão autônoma semelhante, de poucos metros.

A configuração básica do GPS tem 24 posições orbitais, e normalmente cerca de 30 satélites estão operacionais. O GLONASS foi projetado para 24 satélites, o Galileo para 24 mais reservas ativas, e o BeiDou-3 usa 24 satélites em órbita média terrestre, além de satélites geossíncronos inclinados (IGSO) e geoestacionários (GEO) que concentram a cobertura na região Ásia-Pacífico. Os números exatos mudam com lançamentos e desativações; consulte as páginas de status dos operadores para dados atuais.

O que é GPS e quando foi inventado?

GPS (Sistema de Posicionamento Global) é o sistema de posicionamento por satélite pertencente ao governo dos Estados Unidos e operado pela Força Espacial dos EUA; seu desenvolvimento começou em 1973, o 1º satélite GPS foi lançado em 1978 e a capacidade operacional plena foi declarada em 1995.

Para topógrafos, dois marcos são importantes. Em maio de 2000, os EUA desativaram a Disponibilidade Seletiva, a degradação intencional da precisão civil, e os receptores GPS do início dos anos 2000 passaram de aproximadamente 100 m para cerca de 10 m de precisão autônoma. Depois foram acrescentados os sinais civis modernizados L2C e L5, e os satélites GPS III passaram a transmitir o novo sinal L1C, projetado para interoperar com Galileo.

As aplicações atuais do GPS vão muito além da navegação: topografia, orientação de máquinas, agricultura de precisão, sincronização de redes de telecomunicações e energia e ciência. O site oficial de informações do governo dos EUA é gps.gov. Para detalhes dos sinais, consulte nosso guia de frequências GPS L1, L2 e L5.

O que é o sistema GLONASS?

O GLONASS é o sistema global de navegação por satélite da Rússia, projetado para 24 satélites em três planos orbitais a cerca de 19.100 km e inclinação de 64,8°.

A inclinação maior oferece melhor geometria dos satélites GLONASS em altas latitudes, tornando o sistema especialmente útil na Escandinávia, no Canadá e na própria Rússia. A constelação atingiu sua composição completa em 1995, diminuiu na década seguinte e recuperou a cobertura global plena em 2011.

A principal diferença técnica está na estrutura dos sinais. Os satélites GLONASS tradicionais usam divisão de frequência (FDMA): cada satélite transmite em uma frequência ligeiramente diferente em torno de 1602 MHz (L1) e 1246 MHz (L2). Isso cria vieses entre canais que os mecanismos RTK precisam tratar, especialmente quando base e rover são de fabricantes diferentes. Satélites GLONASS mais recentes também transmitem sinais por divisão de código (CDMA), como L3OC próximo de 1202 MHz, com projeto semelhante ao dos demais sistemas.

Na comparação entre GPS e GLONASS, a precisão autônoma é amplamente semelhante. O valor dos satélites GLONASS para topógrafos está na geometria adicional, não em uma classe de precisão diferente.

O que é o sistema de navegação Galileo?

O Galileo é o sistema global civil de navegação por satélite da União Europeia, com satélites em três planos orbitais a cerca de 23.200 km e inclinação de 56°. Às vezes é chamado de GPS da União Europeia ou sistema GPS Galileo, mas é independente, com satélites, segmento terrestre e escala de tempo próprios.

O projeto Galileo foi liderado pela Comissão Europeia, com a Agência Espacial Europeia (ESA) responsável pelo projeto e pelas aquisições; a Agência da União Europeia para o Programa Espacial (EUSPA) atualmente gerencia a prestação do serviço e publica seu status em euspa.europa.eu. Os serviços iniciais do Galileo começaram em dezembro de 2016.

Principais recursos do sistema de navegação Galileo para usuários profissionais:

• Quatro bandas de sinal: E1 (1575,42 MHz, compartilhada com GPS L1), E5a (1176,45 MHz, compartilhada com GPS L5), E5b (1207,14 MHz) e E6 (1278,75 MHz). E5a e E5b juntas formam o sinal de banda larga E5 AltBOC, conhecido pelo baixo ruído e forte resistência ao multicaminho.
• Serviço de Alta Precisão (HAS): correções precisas e gratuitas de órbita e relógio transmitidas em E6 e pela internet, com serviço inicial declarado em 2023 e meta de precisão horizontal decimétrica.
• Relógios precisos: relógios de maser passivo de hidrogênio e de rubídio em cada satélite.

Na comparação com GPS, os sinais Galileo são modernos desde o início, enquanto o GPS ainda substitui satélites antigos. Para uma equipe de topografia, o benefício prático da constelação Galileo é simplesmente ter mais satélites de alta qualidade visíveis.

O que é BeiDou e como se compara ao GPS?

BeiDou (BDS) é o sistema global de navegação por satélite da China; sua terceira geração, BDS-3, iniciou o serviço global em 2020 e combina satélites de órbita média terrestre com satélites IGSO e GEO.

Os satélites GEO e IGSO permanecem sobre a Ásia e o Pacífico ocidental, por isso o BeiDou frequentemente fornece o maior número de satélites visíveis nessa região. Em outros locais, contribui com seus satélites MEO globais. O BDS-3 transmite os sinais legados B1I e B3I e os mais recentes B1C (1575,42 MHz) e B2a (1176,45 MHz), que compartilham frequências centrais com GPS L1 e L5. O BeiDou também oferece serviços ausentes nos outros sistemas, como comunicação por mensagens curtas e correções de posicionamento por ponto preciso PPP-B2b na região Ásia-Pacífico.

Na comparação entre BeiDou e GPS, a precisão autônoma é semelhante no mundo todo. A decisão do comprador não é qual escolher, mas se o receptor rastreia ambos: GPS e BeiDou juntos oferecem geometria muito melhor no leste da Ásia que qualquer um isoladamente.

Quais sistemas regionais e de aumento complementam o GNSS?

Além dos quatro sistemas globais, constelações regionais e SBAS melhoram a disponibilidade e a precisão em áreas específicas.

Um receptor de banda completa pode usar todos esses serviços. Nossa antena inteligente S20 para veículos, por exemplo, inclui GPS, GLONASS, Galileo, BeiDou, QZSS, NavIC e SBAS.

Por que receptores GNSS multiconstelação são importantes para topografia?

Receptores GNSS multiconstelação são importantes porque mais satélites em mais direções significam inicialização RTK mais rápida, soluções fixas mais confiáveis e resultados utilizáveis onde um receptor somente GPS falha.

A céu aberto, um receptor somente GPS normalmente vê de 8 a 12 satélites. Com as quatro constelações globais, receptores de grau topográfico rastreiam regularmente de 30 a 40 ou mais. Nossos engenheiros percebem a diferença principalmente em quatro situações:

• Cânions urbanos e cantos de edifícios, onde metade do céu está bloqueada.
• Cobertura arbórea e bordas de campos, onde os sinais são enfraquecidos e refletidos.
• Cavas a céu aberto e vales, onde satélites baixos são ocultados pelo terreno.
• Jornadas longas, durante as quais a geometria de um único sistema apresenta períodos desfavoráveis.

Satélites adicionais não substituem as correções. O multi-GNSS autônomo continua no nível métrico; trabalhos centimétricos exigem RTK, RTK em rede por NTRIP ou pós-processamento, como explica nosso guia de NTRIP e CORS. O rastreamento multiconstelação também beneficia outros usuários: GNSS para sistemas ADAS em veículos, drones e receptores de tempo ganham disponibilidade com mais satélites.

Como escolher receptores e antenas GNSS para todas as constelações

Escolha receptor e antena que rastreiem as quatro constelações globais em pelo menos duas bandas, preferencialmente três, e confirme se o mecanismo RTK realmente usa todos os sistemas na solução.

1. Confira constelações e sinais. Procure GPS, GLONASS, Galileo e BeiDou com sinais modernos, como L5, E5a/E5b e B2a, e não apenas L1/L2.
2. Confira a antena. Estações base e CORS precisam de antena de banda completa com centro de fase estável e boa rejeição de multicaminho.
3. Confira os formatos de correção. Sua base ou rede deve transmitir mensagens RTCM 3 MSM multiconstelação; caso contrário, o rover não poderá usar todos os satélites.
4. Teste onde você trabalha. Compare o tempo e a taxa de fixação sob árvores ou perto de edifícios, não apenas em um estacionamento aberto.

Nosso receptor GNSS RTK E1 usa um mecanismo de 1408 canais para todas as constelações e funciona como base, rover por rádio ou rover de rede. Para bases fixas, a antena GNSS geodésica SA102 rastreia GPS, BDS, GLONASS, Galileo, QZSS, SBAS e banda L, incluindo Galileo E1, E5a, E5b e AltBOC. Equipes dentro da cobertura CORS podem usar o rover RTK Mini Network de 409 g, com o mesmo mecanismo de 1408 canais. Nosso guia de compra de receptores GNSS RTK aborda os demais critérios, e você pode solicitar uma cotação de um kit completo.

Perguntas frequentes