Sistemul de poziionare global avantajul tehnologiei n lucrrile topogeodezice

Mr.instr.ef Nicolae MORO

ncercarea de a ne lmuri n ce stadiu ne aflm i spre ce ne ndreptm este probabil una din cele mai vechi frmntri ale omului. Navigaia i poziionarea sunt cruciale pentru foarte multe activiti care se desfurau foarte greoi. O dat cu trecerea anilor, o serie de tehnologii au ncercat s simplifice aceast sarcin, dar toate prezentau o serie de dezavantaje. Departamentul de Aprare al SUA a decis c armata trebuie s dein un sistem de poziionare global de o precizie remarcabil. Din fericire aceast ar a avut i banii (aproximativ 12 miliarde dolari) pentru a construi ceva cu adevrat bun. Rezultatul este Sistemul de Poziionare Global, sistem care a schimbat navigaia pentru totdeauna. Sistemul de Poziionare Global (GPS) este un sistem de radio-navigaie global, format dintr-o constelaie de 24 de satelii i staiile lor de la sol. GPS-ul folosete sateliii ca puncte de referin pentru a calcula poziiile cu o acuratee de domeniul metrilor, dar cu variante avansate de GPS (n special militare) se pot face msurtori cu o acuratee mai mic de un centimetru! ntr-un fel e ca i cum s-ar aloca o adres unic fiecrui metru ptrat al planetei. Receptoarele GPS au fost miniaturizate pn la nivelul ctorva circuite integrate, devenind astfel i foarte economice. Aceasta face tehnologia foarte accesibil tuturor. Sistemul GPS individual, cel care potrivit estimrilor efectuate va deveni n scurt timp de nenlocuit n asigurarea navigaiei terestre, aeriene sau navale, constituie la aceast or preocuparea principal a cercettorilor din domeniul sistemelor de telecomunicaii i radionavigaie. Practic, cu ajutorul noilor receptoare GPS, montate pe orice tip de vehicul, nav sau aparat de zbor, se poate calcula distana de la poziia de destinaie, se pot memora ruta ce urmeaz a fi parcurs i informaiile legate de punctul de destinaie, se poate afia ruta deja parcurs etc. Prin realizarea unor receptoare cu 3, 4, 5 sau 6 canale s-a permis obinerea tuturor parametrilor necesari navigaiei, putnd fi astfel urmrii toi sateliii ce se gsesc n zona de vizibilitate direct. Prin racordarea receptorului la un computer (palmtop) a fost creat un sistem de achiziii de date pentru exploatarea resurselor de iei i de gaz metan. Sistemele GPS montate n autoturisme au o mare dezvoltare n Japonia, unde pn n prezent sunt n funciune aproape 500.000 de receptoare GPS, care ofer lista cu obiectivele turistice importante care se

gsesc pe ruta ce urmeaz a fi parcurs pn la destinaie, iar mai recent au fost montate sisteme de televiziune care permit descrierea rutei, gsirea cu precizie a poziiei vehiculului pe hart, precum i informaii cu privire la traseele ce pot fi urmate pn la destinaie. Prin arhivarea i nregistrarea datelor ntr-un sistem centralizat, computerizat se pot realiza hri ale teritoriului care pot fi folosite n gsirea rutei optime, a distanei pn la destinaie, a poziiei curente, a distanei parcurse etc. Printr-o metod numit agricultura de precizie, receptoarele de GPS sunt folosite pentru a monitoriza i controla aplicarea de fertilizatori i pesticide. GPS este de asemenea disponibil pentru sistemele de navigare a autoturismelor. Este folosit chiar i pentru localizarea navetelor spaiale. Un alt domeniu de utilizare a sistemului GPS l reprezint navigaia maritim i aerian. La ora actual GPS i gsete locul n autovehicule, vapoare, avioane, echipamente de construcii, maini agricole, dar i n calculatoare portabile i chiar ataate de ncheietura minii unui turist oarecare. n curnd GPS va deveni aproape la fel de obinuit ca un telefon mobil.

Fig. nr. 1 Satelii care orbiteaz n jurul Pmntului i care transmit semnale radio

n permanen Principiul de funcionare este extrem de simplu i se poate rezuma n

felul urmtor: GPS are la baz un satelit special proiectat pentru mbuntirea sistemelor de navigare radio. Exist n prezent un numr de 24 de astfel de satelii care orbiteaz n jurul Pmntului i care transmit semnale radio n permanen. Sistemul funcioneaz pe un algoritm de calcul al timpului parcurs de un semnal radio emis de satelit care parcurge distana pn la un obiect predeterminat, aflat ntr-o locaie pe Pmnt i napoi. Receptoarele GPS primesc un semnal pe care mai apoi l transform printr-o serie de calcule n cifre ce reprezint latitudinea,

longitudinea i altitudinea pentru a face o localizare cu o foarte mare precizie. GPS a fost creat de ctre departamentul american al Aprrii n scopuri militare, dar se afl i la dispoziia utilizatorilor civili din toat lumea n mod gratuit. Sistemul GPS determin o locaie prin calcularea diferenei ntre timpul la care un semnal este transmis de ctre satelit i timpul la care este recepionat de ctre receptorul de pe Pmnt. Sateliii GPS sunt echipai cu ceasuri atomice care asigur o msurare a timpului extrem de precis. Informaia despre timp este plasat ntr-un cod care este transmis de ctre satelit n aa fel nct receptorul s poat determina n mod continuu timpul n care semnalul s-a propagat. Semnalul respectiv conine date pe care un receptor le folosete pentru a calcula locaia satelitului i a face ajustrile necesare pentru poziionarea precis. Receptorul folosete diferena de timp dintre recepia semnalului i timpul de emisie pentru a calcula distana dintre receptor i satelit. Receptorul trebuie s ia n considerare ntrzierile de propagare sau scderile de vitez ale semnalului, cauzate de ionosfer i troposfer. Cu informaiile n legtur cu distanele fa de trei satelii i cu localizarea satelitului n momentul trimiterii semnalului, receptorul i poate calcula propria poziie tridimensional. Un ceas atomic sincronizat este necesar pentru a putea calcula distanele fa de satelii din aceste trei semnale, oricum, lund n considerare msurtorile de la un al patrulea satelit, receptorul evit folosirea unui ceas atomic la receptor (care ar face acest sistem prohibitiv de scump, un asemenea echipament costnd n jur de cincizeci de milioane de dolari). n concluzie, receptorul are nevoie de patru satelii pentru a-i calcula longitudinea, latitudinea, altitudinea i timpul.

Sistemul GPS const n trei segmente: segmentul spaial, segmentul de control i segmentul de utilizatori.

a. Segmentul spaial include cei 24 de satelii i rachetele Delta pentru lansarea acestora de la baza Cape Canaveral din Florida. Aceti satelii, aflai pe orbite circulare la o altitudine de 20100 km, sunt plasai pe ase planuri orbitale nclinate la 55 de grade fa de ecuatorul Pmntului pentru a se asigura i acoperirea zonelor polare. Sateliii GPS sunt alimentai de energia solar. Au baterii de back-up pentru a asigura o bun funcionare n cazuri extreme (eclipse solare). Pe fiecare satelit exist mici propulsoare ce asigur direcia corect. Ei au o perioad de revoluie de aproximativ 12 ore parcurgnd dou orbite complete n 24 ore i o vitez de circa 3,9 km/s (7000 mile/or). Amplasarea lor orbital va permite ca de pe orice poziie de pe glob s existe n vizibilitate direct ntre 6 i 10 satelii. Un satelit GPS cntrete aproximativ 1 ton i are o lungime de circa 5,6 metri cu panourile solare deschise. Puterea transmitorului este de numai 50 W. Sateliii au o durat de via de aproximativ 7,5 ani i sunt

echipai cu cte patru ceasuri atomice i dou emitoare n banda D. Cele dou frecvene purttoare sunt f 1=1575,42 MHz i f 2 = 1227,6 MHz. Semnalele sunt emise n tehnica spectrului mprtiat i utilizeaz dou coduri pseudoaleatoare: un cod CA (Clear Acquisition) pe frecvena f 1 i un cod P (Precise) pe frecvenele f 1 i f 2.

b. Segmentul de control include staia principal de control de la Baza Aerian Falcon din Colorado Springs i staii de monitorizare n Hawai, insula Ascension din Oceanul Atlantic, Atolul Diego Garcia din Oceanul Indian i insula Kwajalain din Pacificul de Sud. Aceste staii monitorizeaz sateliii GPS. Segmentul de control folosete msurtorile colectate de ctre staiile de monitorizare pentru a anticipa comportarea orbitei i a ceasului fiecrui satelit. Datele anticipate astfel sunt transmise ctre satelii pentru a fi retransmise ctre utilizatori. Segmentul de control se asigur de asemenea dac orbitele sateliilor GPS, precum i precizia ceasurilor acestora se situeaz ntre limitele acceptabile. n linii mari, segmentul de control transmite parametrii de amplasare, controleaz traiectoriile i datele emise i modific orbitele sateliilor. Cele mai numeroase staii de control sunt amplasate n Japonia i SUA, ri n care sistemul GPS are cea mai larg rspndire i dezvoltare.

c. Segmentul de utilizatori, cu mai mult de cinci sute de mii de receptoare GPS doar pentru sectorul civil, este foarte diversificat. Sistemul GPS este folosit de avioane i vapoare pentru navigarea pe anumite rute stabilite i pentru aterizri i intrri n porturi. Sistemele GPS sunt folosite pentru a ndruma i superviza vehiculele pentru intervenii de urgen.

Staie terestr

Fig. nr. 2 GPS-ul care capteaz simultan semnale provenite de la satelii,

decodific datele i calculeaz soluia ecuaiei de navigaie, denumit PVT (Poziie, Vitez, Timp). Pentru a obine aceast soluie, este necesar

utilizarea numai a patru satelii care trimit parametrii de navigaie astfel nct se permite calculul distanelor Ri dintre satelitul i i receptorul GPS (Fig. nr. 2). Ca urmare Ri = C*Dti, unde C este viteza luminii, iar Dti sunt timpii de propagare dintre satelitul i i receptor. Soluia ecuaiei de navigaie este obinut prin rezolvarea sistemului de ecuaii cu X, Y, Z: (Xix)2+(Yiy)2=(RiC*b)2, unde (Xi, Yi, Zi) este poziia satelitului i, iar b este eroarea sistematic a ceasului utilizatorului. Accesul la sistemul GPS actual este caracterizat de norme i reguli foarte precise. Din punct de vedere al calitii utilizatorului, n sistemul GPS sunt definite dou categorii: utilizatorii autorizai (legturi militare sau oficiale) i utilizatorii comuni (legturi comerciale sau individuale). Aceast deosebire este evideniat de clasa de precizie n care sunt ncadrate cele dou categorii de utilizatori.

GPS este disponibil n dou forme: sistemul de poziionare standard (SPS) i sistemul de poziionare precis (PPS). SPS asigur o poziionare orizontal care este corect cu eroare de 100 m pe cnd PPS are o precizie orizontal de pn la 20 m. Pentru utilizatorii autorizai (n mod normal armata SUA i a aliailor ei) PPS asigur de asemenea i o mai bun rezisten la bruiere i imunitate la semnalele false. De asemenea, pentru diferenierea i protejarea utilizatorilor, se folosete modalitatea de accesare cu acces selectiv, SA (Selective Availability) i cu acces restrictiv, AS (Anti Spoofing). Accesul selectiv este o modalitate de difereniere a tipului de serviciu oferit de sistemul GPS (PPS sau SPS). Aceasta este exprimat printr-o programare preferenial a preciziei datelor oferite prin satelit, n funcie de tipul utilizatorului i prin performanele receptorului GPS oferit. Un receptor GPS ce lucreaz n serviciul PPS este echipat cu un procesor de gestiune a cheilor i cu module specializate care coreleaz datele obinute de la satelii, eliminnd eroarea obinut printr-un serviciu de tip SPS. Pentru protejarea serviciului oferit prin sistemul GPS, datele provenite de la satelii prin codul P sunt codificate devenind un alt cod Y. Receptorii GPS, capabili s decodifice codul Y, sunt echipai cu un procesor de gestiune a cheilor i cu moduri de funcionare. Receptoarele folosesc un sistem numit Pseudo-Random Code. Pseudo-Random Code-ul (PRC) este o parte fundamental a GPS-ului. Din punct de vedere fizic este un cod digital foarte complicat, cu alte cuvinte este o secven complicat de pulsuri 1 i 0. Sunt cteva motive care explic aceast complexitate. Mai nti construcia complex asigur ca receptorul s nu se sincronizeze accidental cu alte semnale. Tiparul este att de complex, nct este aproape imposibil ca un semnal rtcit s aib aceeai form pentru c fiecare satelit are propriul i unicul Pseudo-Random Code ceea ce garanteaz c receptorul nu va capta accidental semnalul altui satelit. Deci

toi sateliii pot folosi aceeai frecven fr a se bruia unul pe cellalt, ceea ce face i mai dificil pentru o for ostil s bruieze sistemul. De fapt Pseudo-Random Code ofer Departamentului de Aprare al SUA o cale de a controla accesul n sistem.

Exist tehnici mbuntite cum ar fi GPS-ul diferenial (DGPS), care folosete staiile fixe de pe Pmnt mpreun cu sateliii pentru a produce o poziionare orizontal precis de pn la un centimetru. GPS Diferenial este practic o cale de a corecta inexactitile din sistemul GPS, mpingnd acurateea i mai departe. GPS Diferenial sau DGPS poate face msurtori cu erori de civa centimetri pentru aplicaii mobile i chiar mai bine pentru cele staionare. Aceast mbuntire a preciziei are un efect profund asupra importanei GPS-ului ca resurs. Cu ea, GPS-ul devine mai mult dect un sistem de navigaie pentru vapoare i avioane n jurul lumii. El devine un sistem de msurare universal, capabil de a poziiona lucruri pe o scal extrem de precis. GPS Diferenial presupune cooperarea a dou receptoare, unul staionar i cellalt n micare fcnd msurtori ale poziiei. Receptorul staionar este cheia. El leag toate msurtorile sateliilor de un punct local solid de referin. Receptoarele GPS folosesc semnale de sincronizare de la cel puin patru satelii pentru a stabili o poziie. Fiecare din aceste semnale de sincronizare vor avea unele erori sau ntrzieri depinznd de ce fel de obstacole au ntlnit n cltoria lor spre sol. Pentru c fiecare din aceste semnale care contribuie la calculul poziiei au unele erori, acest calcul va fi un compus al acestor erori. Din fericire scara perpendicular a sistemului GPS ne vine n ajutor. Sateliii sunt att de departe n spaiu, nct micile distane pe care le parcurgem pe Pmnt sunt insignifiante astfel nct dac dou receptoare sunt apropiate unul de cellalt, s spunem la cteva sute de kilometri, semnalele care ajung la ele au cltorit practic prin aceeai parte de atmosfer i deci vor avea aceleai erori. Aceasta este ideea din spatele GPS Diferenial: un receptor care msoar erorile de sincronizare i care transmite informaiile corectate la cellalt receptor care este n micare. n acest mod pot fi eliminate toate erorile din sistem, chiar i eroarea Disponibilitii Selective introdus de ctre Departamentul de Aprare al SUA. Ideea este simpl. Se pune receptorul-referin ntr-un punct care este foarte precis supravegheat i se poziioneaz acolo. Acest receptor-referin recepioneaz acelai semnal GPS ca i receptorul aflat n micare, dar n loc s funcioneze ca un receptor GPS normal, el lucreaz exact invers. n loc s foloseasc semnalele de sincronizare pentru a-i calcula poziia, el i folosete poziia cunoscut pentru a calcula sincronizarea. Realizeaz care trebuie s fie timpul de propagare a semnalului GPS i compar unde se afl. Diferena este un factor de

corecie al erorii, dup care receptorul transmite informaia referitoare la eroare ctre receptorul aflat n micare, pentru a-i corecta msurtorile. Din moment ce receptorul-referin nu are cum s tie care dintre sateliii disponibili sunt folosii de receptorul aflat n micare pentru a-i calcula poziia, receptorul-referin trece n revist toi sateliii disponibili i le calculeaz erorile. Dup aceea, codeaz informaia ntr-un format standard i l transmite ctre receptorul aflat n micare. Acesta primete lista complet cu erori (de exemplu, semnalul de la satelitul #1 este ntrziat cu 10 nanosecunde, satelitul #2 cu 3 nanosecunde, satelitul #3 cu 16 nanosecunde) i aplic corecia pentru sateliii pe care i folosete. Paza de Coast a SUA i alte agenii internaionale au fixat staii de referin peste tot, n special n jurul celor mai cunoscute porturi i golfuri. Aceste staii transmit foarte des aceste informaii prin intermediul radarelor de coast, fixate deja n banda radio de 300 kHz. Oricine este aflat n zon poate recepiona aceste corecii i deci poate mbunti precizia msurtorii prin intermediul GPS. Majoritatea vapoarelor dein deja staii radio capabile s recepioneze frecvena de 300 kHz, deci adugarea unui DGPS este foarte simpl. Multe din noile modele de receptoare GPS sunt proiectate s accepte corecii, i unele sunt chiar echipate cu receptoare radio.

Exist i anumite probleme legate de sistemul GPS, cum ar fi: Numrul i integritatea sateliilor aflai pe orbit (n prezent sunt

operaionali doar 20 din cei 24 de satelii); ntrzierile n ionosfer i troposfer (semnalul GPS este ncetinit la

trecerea prin particulele din ionosfer i vaporii de ap din atmosfer, dar sistemul folosete un model ncorporat care calculeaz ntrzierea medie pentru a corecta parial acest tip de erori);

Reflexia semnalului (acest tip de eroare intervine atunci cnd semnalul GPS este reflectat de cldiri nalte sau suprafee dure nainte de a ajunge la receptor. Aceasta duce la ntrzieri i deci, la erori).

Erorile datorate ceasului receptorului (ceasul ncorporat al receptorului nu este att de precis ca ceasurile atomice de la bordul sateliilor GPS. De aceea este posibil apariia unor erori minime datorate decalajului de timp);

Erorile orbitale (cunoscute i ca erori efemeride, sunt datorate inadvertenelor dintre poziiile raportate ale sateliilor);

Numrul sateliilor vizibili (cu ct mai muli satelii poate un receptor vedea, cu att este mai mare precizia. Cldirile, relieful, interferenele electronice sau cteodat chiar vegetaia pot bloca recepionarea semnalelor, cauznd erori de poziionare sau chiar lipsa total de poziie. n mod normal, receptorii GPS nu opereaz n spaii nchise, sub ap sau sub pmnt);

Geometria sateliilor (aceasta se refer la poziia relativ a sateliilor la un moment dat. Geometria ideal a sateliilor este atins atunci cnd acetia se gsesc sub un unghi ct mai mare unul fa de ceilali. Geometria nesatisfctoare este atins atunci cnd sateliii se gsesc n linie sau sunt grupai);

Disponibilitatea selectiv Selective Availability (SA) reprezint degradarea intenionat a semnalului sateliilor impus de Departamentul Aprrii al Statelor Unite, pentru a mpiedica accesul adversarilor militari la o prea mare precizie a semnalelor GPS. n mai 2000 s-a renunat la SA, aceasta ducnd la o cretere semnificativ a preciziei receptoarelor GPS civile.

Dar toate aceste probleme pot fi imediat detectate i totodat utilizatorii pot fi notificai n cteva minute, depinznd de situaia acestora. Cum sistemul GPS a fost integrat n sisteme critice, cum ar fi sistemul de control al spaiului aerian, tehnicile de monitorizare i reparare a defeciunilor au fost considerabil mbuntite.

Bibliografie

1. Panafieu, B., Les essais de recepteurs GPS; L'onde Electrique, ian.-febr. 1994, pp. 3-8

2. ***, Recepteurs GPS; Le Haut-Parleur; aug. 1993; pp. 28-31