1

Cuprins

1.1 Istoria si functionarea GPS.............................................................................2

1.2 Structura GPS.................................................................................................6

1.3 Erori ale sistemului GPS.................................................................................8

2. Folosirea sistemelor de navigatie la automobile.............................................12

2.2 Folosirea sistemelor GPS pentru monitorizare si control ............................15

Bibliografie..........................................................................................................19

2

1.1 Istoria si functionarea GPS

Sistemul de poziţionare globală (GPS) este o reţea de sateliţi care

orbitează în jurul Pământului în puncte fixe deasupra planetei, transmiţând

semnale tuturor receptorilor GPS de pe Pământ. Aceste semnale conţin un cod

de timp şi un punct de date geografice care permit utilizatorului să primească

poziţia exactă în care se află, viteza şi ora din orice regiune de pe planetă.

GPS-ul a fost proiectat iniţial pentru aplicabilitatea sa în domeniul militar

la începutul Războiului Rece în anii 1960,[1] deşi ideea a venit odată cu lansarea

navei spaţiale sovietice Sputnik în 1957.

Fig. 1 Pozitionare folosind 3 sateliti

GPS Transit a fost primul sistem satelit lansat de SUA şi testat de Armata

Marină SUA în 1960. Doar cinci sateliţi orbitau Pământul pentru a permite

navelor să îşi verifice poziţia pe mare din oră în oră. Succesorul modelului

Transit, a fost satelitul Timation în 1967, care a demonstrat că ceasuri atomice

3

de înaltă precizie pot fi controlate în spaţiu. Sistemul GPS s-a dezvoltat rapid

pentru scopuri militare, cu un total de 11 sateliţi de tipul "Block I" lansaţi între

1978 şi 1985. Totuşi, atacul URSS asupra avionului Coreean de pasageri -

zborul 007 - în 1983, a făcut ca Administraţia Regan să ofere sistemul GPS

pentru a fi utilizat în segmentul civil, astfel încât el şi-a găsit aplicabilitatea în

domeniul aviatic şi cel naval pentru ca diferitele mijloace de transport să îşi

poată verifica poziţia şi să poată evita invadarea teritoriilor străine.

Dezastrul provocat de nava spaţială NASA SS Challenger în 1986 a

încetinit evoluţia sistemului GPS şi abia în 1989 s-au lansat primii sateliţi Block

II. Până în vara lui 1993, SUA a lansat cel de-al 24-lea satelit Navstar pe orbită,

care a completat constelaţia modernă GPS de sateliţi - o reţea de 24 de sateliţi -

cunoscută acum sub denumirea de Sistem de Poziţionare Globală, sau GPS. Un

număr de 21 de sateliţi din constelaţie erau activi în permanenţă, iar alţi 3 erau

de rezervă. [1]

Actualul sistem GPS a fost creat de Statele Unite ale Americii și constă

într-o constelație de 31 de sateliți (octombrie 2015),[2] poziționați deasupra

Pământului, care orbitează planeta noastră la fiecare 12 ore. Cu acest număr de

sateliți, în condițiile arătate, există aproape întotdeauna suficienți sateliți în raza

Fig. 2 Pozitionarea celor 31 de sateliti la un moment dat

4

de acțiune a receptorului care determină poziția. Semnalul transmis de

sateliți conține informații despre momentul exact când acesta a fost transmis, iar

această informație spune receptorului care satelit este în raza de acțiune.

Comparând timpul de recepționare a semnalului cu ceasul intern receptorul

poate calcula distanța până la satelit.

La nivel mondial, pe lângă sistemul american, mai există și alte sisteme

similare: sistemul GLONASS (Federația Rusă), GALILEO (Uniunea

Europeană), BEIDOU (China, limitat la zona Asia-Pacific), COMPASS (China,

la nivel global), IRNSS (India)și QZSS (Japonia, pentru zona Asia-Oceania).

Departamentul Apărării Statelor Unite, care controlează sistemul de

sateliți, poate degrada semnalul astfel încât doar receptoarele militare pot stabili

cu exactitate poziția.[2] Această funcție se numește disponibilitate selectivă, iar

când este activată semnalul se degradează. Începând cu luna mai a anului 2000

funcția este permanent dezactivată, astfel că nu mai există diferențe de precizie

între receptoarele militare și cele civile.

Fig. 3 Modul de comunicare al sistemului GLONASS

Un alt factor extrem de important este poziția precisă a sateliților. Pentru

sistemele de navigație folosite pe automobile sau de către pietoni acest factor

5

prezintă o mică importanță, însă pentru receptoarele folosite la observări și

cartări este foarte important.

Departamentul Apărării Statelor Unite monitorizează permanent prin

radar fiecare satelit, înregistrând cu precizie poziția, altitudinea și viteza

acestuia. Semnalul emis de satelit conține și această informație.

Eroarea rezultată din inexactitatea poziției sateliților se regăsește în

imprecizia generală de poziționare și poartă numele de eroare de efemeride.

Deoarece semnalul de la satelit la receptor traversează multe medii, fiind

influențat de mai mulți factori (de ex., temperatura sau umiditatea atmosferei)

apar erori și din această cauză.

Dacă se cunosc caracteristicile precise ale fiecărui mediu traversat de

semnal se pot calcula exact aceste erori. În timp real este practic imposibil a se

cunoaște caracteristicile mediului traversat de semnal. Acest neajuns se înlătură

prin urmărirea a două semnale diferite de la același satelit și calcularea vitezei

relative.

Din acest motiv receptoarele folosite la măsurători de precizie trebuie să

fie dual band în frecvență; în acest fel aceeași informație este extrasă de două ori

din semnale de frecvențe diferite. Un astfel de receptor măsoară cele două

semnale, compară momentele exacte când acestea au plecat de la satelit și

calculează factori de corecție. După aplicarea acestor factori rezultă o poziție

mult îmbunătățită.

Un alt tip de stație staționară se numește bază. Acestea sunt locații

înzestrate cu receptoare sofisticate, de mare precizie, care mediază și

inregistrează permanent poziția lor pe baza semnalului satelitar. Din cauza

erorilor menționate mai devreme poziția rezultată prin utilizarea poziționării

globale va fi inexactă.

Dacă se ține seama de faptul că pozițiile bazelor sunt cunoscute foarte

precis cu ajutorul mijloacelor clasice de cartare și observare, devine posibilă

6

determinarea precisă a abaterilor concomitent cu folosirea la măsurători a unui

receptor uzual.

Rețeaua mondială de baze este bine răspândită și în creștere continuă. Atât

baza cât și receptorul pentru măsurători comunică cu satelitul în același timp, iar

procesul se numește GPS diferențial (DGPS)[2].

Acest proces poate avea loc în timp real, fiind condiționat de existența

unei legături radio FM între receptor și bază sau după efectuarea măsurătorilor,

când informațiile sunt prelucrate cu ajutorul aplicațiilor dedicate; acest ultim caz

se numește DGPS post-proces. Multe agenții guvernamentale au construit baze

de acest fel, care transmit constant un flux de date privitoare la poziția lor

exactă; aceste date sunt stocate pe servere conectate la World Wide Web.

Folosind DGPS [2] și prelucrarea post-proces precizia crește până la sub 1

m în cazul măsurătorilor în mișcare, unde sunt înregistrate câteva puncte în

fiecare poziție. Dacă se folosește DGPS în timp real în conjuncție cu dual band

în frecvență și se stă suficient timp pentru fiecare poziție măsurată precizia

crește la sub 1 cm.

1.2 Structura GPS

Sistemul NAVSTAR GPS este compus din 3 segmente (părţi) distincte:

Fig. 4 Segmentele care compun sistemul GPS

7

segmentul spaţial, segmentul de control şi segmentul utilizatorului.

Segmentul spaţial, este format (din 2001) din minimun 24 de sateliţi pe 6

orbite (4 – 5 sateliţi pe orbită) înclinate la 55º faţă de planul ecuatorial la

20.183km altitudine, cu o perioadă de revoluţie de 11ore şi 56minute [3].

Structura constelaţiei asigură, practic în orice punct de pe pământ, vizibilitatea

simultană a 5 … 8 sateliţi 24 de ore din 24. Fiecare satelit este echipat cu ceasuri

atomice care realizează măsurarea timpului cu precizie de câteva zeci de

nanosecunde.

Fig. 5 Asezarea satelitiilor GPS pe 6 orbite [3]

Segmentul de control, este format din 5 staţiile terestre de urmărire şi

control. Staţia principală este în Colorado Springs la o bază a forţelor aeriene ale

SUA. Alte staţii sunt plasate în Hawai, pe atolul Kwajalien, pe insula Ascencion,

şi pe insula Diego Garcia. Acestea recepţionează semnale de la sateliţi, le

8

măsoară caracteristicile şi le trimit la staţia principală, care trimite spre fiecare

satelit semnale de corecţie.

Fig. 6 Statiile de urmarire si control al satelitilor GPS

Segmentul utilizator, este format din receptorii de semnal GPS, plasaţi pe

sol pe nave aeriene şi maritime etc. Receptorii GPS asigură detecţia semnalelor

radio, decodarea informaţiilor şi furnizarea de date privind: poziţia (latitudine,

longitudine şi altitudine în sistemul WG85), viteza de deplasare şi timpul (ora

exactă).

1.3 Erori ale sistemului GPS

La determinarea poziţiei prin GPS se introduc [3]numeroase erori; se

produce aşa numita “diluţie a preciziei”. Printre cele mai importante erori şi

cauze, sunt:

Timpul sateliţilor – deşi sateliţii dispun de ceasuri atomice, cu

stabilitate foarte bună (eroarea este de cca 1-2 părţi la 1013 pe zi) şi se fac

9

sincronizări periodice, tot există erori de timp de circa 10ns/zi, care introduc

erori de poziţionare de ordinul a 3m.

Poziţia sateliţilor (efemeridele) – deşi este mereu determinată de către

staţiile de control, poziţia sateliţilor este cunoscută cu erori de ordinul 1 … 5m

din cauza imposibilităţii determinării tuturor efectelor care influenţeazxă

mişcarea sateliţilor.

Viteza luminii – se modifică în atmosferă şi ionosferă şi nu poate fi

considerată ca o constantă. Viteza luminii diferă în funcţie de densitatea

atmosferei şi a conţinutului în particule cu sarcină electrică. Mai mult, dacă

unghiul de intrare în atmosferă diferă de 90º, se produc refracţii deoarece

indicele de refracţie variază cu densitatea atmosferei, deci cu altitudinea. Ca

urmare, distanţa parcursă efectiv de undă diferă de cea reală.

Fig. 7 Eroare de distanta determinata de refractia undelor EM in atmosfera terestra[3]

In prezent, mesajul de la sateliţi include şi un model al refracţiei pe baza

căruia se pot face corecţii care reduc eroarea cu peste 66%. Receptoarele

10

sofisticate – şi scumpe, realizează recepţia simultană a celor 2 unde cu frecvenţe

diferite (L1 în banda 1602 – 1615MHz cu şi L2 în banda 1246 – 1256MHz).

Deoarece unghiurile de refracţie variază cu frecvenţa în mod diferit, prin

compararea rezultatelor măsurării timpilor pe cele 2 frecvenţe se pot determina

erorile şi efectua corecţii).

Propagarea că căi multiple (multi-path propagation), datorate

reflexiilor, introduce erori substanţiale.In prezent, aceste erori sunt practic

eliminate. De xemplu, unda reflectată ajunge cu nivel ceva mai mic şi puţin mai

târziu decât unda directă – pe baza măsurării celor 2 decalaje, semnalul parazit

(reflectat) poate fi eliminat.

Fig. 8 Unda directa si reflectata la receptia semnalului de pe satelit GPS[3]

Măsurarea timpului de propagare – se face pe baza momentelor în care

semnalul recepţionat execută o tranziţie de nivel – aceasta introduce o eroare de

ordinul a 10 – 20ns (ordinul de mărime al perioadei semnalului) şi în consecinţă

o eroare de poziţie de 3 – 6m.

Geometria orbitelor sateliţilor, mai bine spus, geometria poziţiilor

reciproce ale sateliţilor recepţionaţi – dacă cei 4 sateliţi sunt apropiaţi, eroarea

11

de poziţionare este mare; se spune că apare o “diluţie geometrică a preciziei”

(GDoP – Geometric Dilution of Precision)[3].

Eroarea datorată ambiguităţii determinării fazei apare datorită modului

în care se realizează determinarea timpului la receptor: prin sesizarea unui salt

de fază în semnalul de purtătoare (se va detalia mai jos.

Măsurătorile efectuate de către US Federal Aviation Administration pe

durate mari de timp, pe întreaga constelaţie, pe variate distribuţii ale sateliţilor

vizibili de către receptori (în 2004) au indicat următoarele valori medii ale

erorilor:

Eroarea în poziţionare pe verticală (68,3% din rezultate): 12,8m

Eroarea în poziţionare pe verticală (95,5% din rezultate): 25,6m

Eroarea în poziţionare pe orizontală (68,3% din rezultate): 10,2m

Eroarea în poziţionare pe orizontală (95,5% din rezultate): 20,4m

Eroari datorate poziţiei reciproce a sateliţilor: a – erori mari, poziţie

proastă; b – erori mici, poziţie bună zona în care se află receptorul 22 In multe

cazuri, erorile au fost sensibil mai mici – de ordinul 1 … 2m. Erorile pot fi

reduse semnificativ prin diverse procedee, de exemplu prin măsurători

diferenţiale.

12

2.1 Folosirea sistemelor de navigatie la automobile

Un sistem de navigatie este parte a sistemelor de control al automobilelor.

De obicei foloseste un dispozitiv de navigare prin satelit pentru a-si determina

pozitia, care ulterior este corelata cu o pozitie de pe o cale rutiera [4].

Sistemele de navigare auto reprezinta convergenta mai multor tehnologii,

unele disponibile de o lunga perioada de timp, dar care pana de curand aveau

costuri de implmentare prea mari. Limitari cum ar fi: bateriile, display-ul si

capacitatea de procesare au trebui sa fie depasite pentru ca aceste sisteme sa

poata fi folosite pe o scara larga in industria auto.

Momentele [4] importante legate de introducerea sistemelor de navigatie

in industria auto sunt prezentate mai jos:

1980: Busola electronica apare pe Toyota Crown;

1981: Computer de navigatie pe Toyota Celica;

1987: Toyota introduce primul sistem de navigare bazat pe CD-

ROM pe modelul Toyota Crown;

1990: Mazda Eunos Cosmo devine primul automobil cu sistem de

navigare GPS incorporat;

1991: Toyota introduce sistem de navigare pe Toyota Soarer;

1992: Sistem de navigare cu asistare vovala apare pe Toyota

Celsior;

1995: Oldsmobile introduce primul sistem de navigare GPS, pe o

masina de serie in SUA, numit GuideStar;

1995: Un dispozitiv numit „Mobile Assistant” produs de compania

germana ComRoad AG castiga titlul de cel mai bun produs de

procesare mobil. Dispozitivul ofera navigare pas cu pas prin

intermediul unei conexiuni wireless la Internet, folosindu-se atat de

un dispozitiv GPS cat si de un senzor de viteza.

13

1995: Renault Safrane intruduce primul CD cu hartie europene

(CARMINAT Philips-Renault) cu un display generos, color si cu o

interfata moderna.

BMW seria 7 apare al doilea model de sistem GPS european

SatNav cu functii extra cum ar fi: aux, tv, telefonie;

1997: Sistem de navigatie folosind tehnologia de GPS diferential pe

Toyota Progress;

1998: Primul sistem DVD pentru navigatie;

2003: Primul sistem de navigatie care foloseste ca sistem de stocare

un hard disk propriu, Toyota;

2008: Primul sistem de navigatie legat la functia de asistenta la

franare si la functia de suspensie variabila adaptiva pe modelul

Toyota Crown;

Fig. 9 Sistemul de navigatie GPS inclus pe Mazda Eunos Cosmo

14

Harta rutiera este o harta vectoriala. Numele strazilor si numerele

locuintelor sunt stacate ca si coordonate geografice astfel incat, utilizatorul poate

gasi exact adresa pe care o cauta.

Punctele de interes sau atractile turistice sunt stocate de asemenea cu

coordonatele proprii.

Formatul CARiN (CDF) este un sistem propriu creat de Philips Car

System si este folosit in majoritatea sistemelor de navigatie care echipeaza

automobilele moderne.

Standardul de date pentru navigare (NDS) este o grupare a producatorilor

de automobile, producatorilor de sisteme de navigatie si a furnizorilor de date

care are ca si obiectiv standardizarea formatelor folosite in sistemele de

navigatie auto. Deasemenea, tot in cadrul organizatiei NDS se stabilesc

proceduriile de actualizare a datelor pentru automobilele echipate cu sistem de

navigatie. NDS a inceput in 2004 si pana in momentul de fata are acorduri cu

peste 20 de producatori de sisteme de navigatie, cur ar fi: BMW, Daimler,

Volkswagen, Renault, ADIT, Navigon, Bosch, DENSO, Panasonic, Continental

AG, Navteq, TomTom, Alpine Electronics, etc.[4]

Fig. 10 Sistem de navigatie integrat modern (Daimler)

15

2.2 Folosirea sistemelor GPS pentru monitorizare si control

Soluţia de monitorizare permite vizualizarea poziţiei autovehiculului, a

vitezei, nivelului de combustibil, consumului, istoricului activităţii, timpului de

lucru, eficienţa stilului de condus şi multe alte informaţii. În orice moment pot fi

generate rapoarte pe orice perioadă de timp, datele fiind stocate în server minim

2 ani de zile [5].

În afară de continua monitorizare a autovehiculului platforma oferă

numeroase metode de control a autovehiculului şi soferului. Monitorizarea

autovehiculului asigură respectarea rutei prestabilite dar puteţi fi şi informat

automat dacă aceasta nu este respectată. Echipamentele si rapoartele speciale vă

pot oferi o evaluare asupra eficienţei stilului de condus şi astfel şoferul îşi poate

schimba stilul pentru a economisi combustibil şi a proteja autovehiculul.

Prin intermediul sistemelor aditionale de securitate aveţi posibilitatea

de a urmări cine şi când foloseşte autovehiculul şi chiar să blocaţi la nevoie

motorul. Deasemenea dispozitivele de monitorizare prin GPS pot fi folosite

pentru pornirea/oprirea de la distanţă a oricăror alte echipamente.

Toate aceste informaţii pot fi monitorizate online pe un calculator sau

smartphone.

Soluţia de monitorizare a fost special concepută atât pentru companiile

cu flote mari cât şi pentru cele cu autovehicule mai puţine. Ea poate fi

implementată pe camioane, autoutilitare, autoturisme, utilaje agricole şi de

construcţii, autobuze, etc.

Avantaje:

Uşor de adaptat la diferite tipuri de autovehicule

Acces online Online access – nu este necesară instalarea unui program

aditional.

Soluţia este funcţioanlă 27/7.

16

Număr nelimitat de utilizatori şi maşini.

Posibilitatea de a evalua prin mai multe metode activitatea flotei şi de a o

optimiza.

Soferii vor conduce mai responsabil, stiind ca sunt monitorizati

permanent.

Se reduc numarului de kilometri parcursi si a timpilor de conducere prin

optimizarea traseelor

Se reduc primele Casco. Asiguratorii ofera reduceri daca autovehiculele

sunt echipate cu sistem de localizare prin GPS

Reducerea accidentelor cauzate de viteza excesiva, prin monitorizarea

vitezei de deplasare;

Reducerea uzurii vehiculelor, datorita influentei pozitive asupra

conducatorului auto, care devine mai responsabil daca vehiculul este

monitorizat;

Cresterea sigurantei bunurilor transportate.

Reducerea numarului de ore suplimentare platite

Cresterea calitatii serviciilor prin verificarea executarii activitatilor

programate, ca de exemplu nerespectarea vizitelor la clienti in detrimentul

imaginii firmei

Planificare optima si in avans a curselor sau deplasarilor prin alegerea

eficienta a vehiculelor disponibile pentru un nou traseu cunoscand

pozitiile si starea acestora

Se pot detecta toate cursele in interes personal, in timpul sau in afara

programului de lucru

Reducerea perioadei de inactivitate a angajatilor

Generarea de rapoarte relevante privind activitatea soferilor: localizarea,

stationarea, foi de parcurs, depasire viteze, etc.

Definirea pe harta a punctelor de interes si vizualizarea traseelor;

Administrarea datelor pentru soferi, vehicule si manageri de planificare;

17

Fig. 11 Dispozitiv GPS folosit pentru monitorizare auto [5]

Ca sa monitorizeze fiecare vehicul, este utilizat un dispozitiv

GPS/GPRS la bord (GPS tracker). Dispozitivul este conectat la bateria

vehiculului (12 sau 24V). Consumul sau este foarte mic, comparabil cu al unui

telefon mobil.

Fig. 12 Procesul de transmitere a datelor de la sistemul de urmarire GPS la persoana care

monitorizeaza flota auto [6]

Utilizand un browser de internet, se pot accesa toate informatiile flotei

tale. Pozitia vehiculului este afisata pe harti digitale. Viteza, starea motorului si

datele senzorilor pot fi vizualizate in grafice si tabele. Se pot introduce, de

18

asemenea, costurile asociate vehiculelor tale – combustibil, cauciucuri,

intretinere, asigurare si amortizare, printre altele.Va exista avea un control total

al costurilor flotei auto.

Cand vehiculul se misca, dispozitivul GPS inregistreaza si trimite date

GPS si Aprindere la Data Center, utilizand comunicatia GPRS. Datele

receptionate la Data Center sunt imediat inregistrate si procesate. De asemenea

aceste date sunt scanate pentru identificarea posibilelor situatii de alarma.

Pentru fiecare utilizator sunt definite un set de rapoarte si

periodicitatea lor. La momente prestabilite utilizatorii vor primi pe email

rapoartele solicitate. De asemenea sunt identificate si declansate situatiile de

alarma, crescand posibilitatea unui raspuns imediat problemei aparute.

Se pot, de asemenea, adauga dispozitivului GPS accesorii si

servicii optionale, precum un navigator, senzori de usa sau temperatura sau o

interfata CANBus care iti va permite controlul consumului de combustibil,

parametri motorului si tahograful din vehicul.

Fig. 13 Harta flota (cele cu verde se deplaseaza, cele cu rosu sunt oprite)[5]

19

Bibliografie:

1. ***http://eu.mio.com/ro_ro/expicatii-sistem-gps_istoria-gps-ului.htm

2. Curs Sisteme avansate de navigare : GPS GIS pentru automobile, Cristian

Coldea., UTCN

3. ***http://telecom.etc.tuiasi.ro/telecom/staff/vlcehan/discipline%20predate

/rrcs/RRCS_Navigare%20electronica.pdf

4. *** https://en.wikipedia.org/wiki/Automotive_navigation_system

5. *** http://localizaregratis.ro/MonitorizareFlota.html

6. ***http://ro.frotcom.com/solutii/monitorizareflota/?gclid=CPW85ojiwso

CFYIfwwodazkNzg#.VqTuDvl97Dc