1

• SISTEME DE NAVIGAŢIE PRIN SATELIT GPS ŞI GLONASS

• Schema funcţională a receptorului

• NAVSTAR – GPS

• Sistemul satelitar de navigaţie NAVSTAR – GPS (NAVigation Satellite Timing And Ranging – Global Positioning System) este un sistem global gestionat de Departamentul Apărării al SUA.

• Sistemul NAVSTAR – GPS realizează o acoperire globală, continuu, în orice condiţii meteorologice asigurând determinarea precisă a poziţiei receptorului (latitudine, longitudine, înălţime), informaţiile de navigaţie şi de timp real, raportate la timpul universal – U.T.C.

• Sateliţii sistemului sunt dotaţi cu un ceas propriu de înaltă precizie utilizat pentru sincronizarea măsurătorilor, pentru transmiterea mesajului satelitului şi a datelor de poziţie ale receptorului.

2

• Poziţia vectorilor purtători de receptoare GPS este determinată

prin măsurarea distanţelor înclinate (pseudodistanţe, din care trei

sunt necesare pentru determinarea punctului, iar cea de-a patra

pentru sincronizarea timpului, (ceasul receptorului nu este

sincronizat cu ceasul satelitului);

• Erorile apărute ca urmare a acestei nesincronizări determină

folosirea parametrului numit “pseudodistanţă” la cel puţin patru

sateliţi vizibili, situaţi pe orbitele lor precis determinate.

• Precizia ridicată în

determinarea poziţiilor

de pe sfera terestră face

ca acest sistem să fie folosit

în activităţi (geodezie,

construcţii speciale, etc.) ce

necesită un grad ridicat de

precizie al parametrilor de poziţie absoluţi;

3

• Sistemul NAVSTAR – GPS s-a dezvoltat începând cu anul 1973

ca un sistem militar, pentru ca în prezent să fie accesibil şi

pentru utilizatori civili. Acoperirea globală în trei dimensiuni a

fost realizată în anul 1991.

• Caracteristici

• înălţimea orbitei - 20200 km;

• perioada - 12h;

• frecvenţa de lucru - 1575 MHz;

- 1228 MHz;

• informaţii de poziţie şi navigaţie: - în patru dimensiuni: x, y, z, t;

• program de lucru - continuu;

• precizie - 15 m, 0,1 noduri: în codul P

• număr de sateliţi - 24;

• orbita - constantă, repetabilă;

• ceasul satelitului - cu cesiu, rubidiu.

4

• Compunere

• segmentul spaţial;

• segmentul de comandă şi control;

• segmentul utilizatori.

• Segmentul de comandă şi controlEste format din staţiile terestre de monitorizare şi de control, situate

la sol (staţia principală – Master Control Station lângă Colorado Spring – SUA şi trei staţii de monitorizare dotate cu staţii terestre în insulele Kwajalein, Ascension, Diego Garcia şi o staţie terestră în Hawaii)

5

6

• Segmentul de comandă şi control

• Datele culese de staţiile de monitorizare şi control suntprocesate, corectate şi retransmise sateliţilor pentru a fiîncorporate în memoria acestora cu scopul corectării mesajuluide navigaţie.

Segmentul de comandă şi control are următoarele atribuţiuni:

• monitorizarea informaţiilor de timp, adică estimarea statutuluiceasurilor:

– statutul ceasurilor este raportat la timpul GPS, generat destaţiile terestre, menţinut în concordanţă cu timpul universal(UTC), în limitele a 100 ns;

• monitorizarea informaţiilor de poziţie a sateliţilor:

– efemerida satelitului, ce reprezintă datele de poziţie variabilăa fiecărui satelit;

– almanahul, ce reprezintă datele de poziţie reciprocă asateliţilor sistemului NAVSTAR – GPS;

• formatarea mesajelor sateliţilor;

• comanda manevrei sateliţilor pe orbită;

• sincronizarea timpului între staţiile terestre în limitele a câtorvans în scopul delimitării sateliţilor de la o staţie la alta.

7

Staţia de retransmisie realizează un schimb continuu de date

calculate, cu sateliţi GPS. În fiecare zi când un satelit se află în

orizontul acestei staţii, mesajele generate de staţia principală

sunt transmise satelitului pentru împrospătarea datelor la acesta.

• SEGMENTUL SPAŢIAL

• Cuprinde un număr de 24 de sateliţi GPS distribuiţi pe 6 plane

orbitale de la A la F, egali spaţiaţi între ei.

8

• Planele orbitelor au o înclinare de 550 faţă de planul ecuatorului;

perioada de 11h 58min.

• Această configuraţie asigură un minimum de 4 sateliţi cu o

elevaţie corespunzătoare care să îl facă radiovizibili în acelaşi

timp pentru un receptor GPS aflat în orice punct de pe sfera

terestră.

• Ascensiunea dreaptă între două plane orbitale este de 60.

• Caracteristicile principale

ale sateliţilor GPS

• greutate, aproximativ 480 kg;

• puterea generată de panourile

solare stocată în baterii Ni-Cd

este de 450 W;

• emisie în banda L în frecvenţele

L1 = 1575,42 MHz (19.05 cm)

şi L2 = 1227,60 MHz (24,45

cm), ambele multipli întregi ale frecvenţei de bază de 10,23 MHz;

9

• informaţiile transmise în cele două frecvenţe sunt codate de unsistem de modulaţie PRN (Pseudo Random Noise), pe frecvenţapurtătoare;

• frecvenţa de lucru cu un standard ridicat de performanţă (ceasuricu rubidiu şi cesiu);

• se identifică printr-un număr de identificare PRN

• Informaţiile de la sateliţii GPS

• Informaţiile de la sateliţii GPS sunt clasificate în:

– informaţii pentru utilizatori militari autorizaţi;

– informaţii pentru utilizatori civili.

• Informaţiile sunt transmise sub forma a două pseudocoduri:

– codul P sau Y pentru utilizatori autorizaţi;

– codul C/A (Coarse / Acquisition), achiziţie ordinară;

– codul SA (Selective Availability), acces selectiv.

• Codurile C/A şi SA sunt destinate utilizatorilor neautorizaţi.

• Sistemul GPS asigură două nivele de precizie a informaţiilor pentru poziţionare astfel:

10

– nivelul standard SPS (Standard Positioning System);

– nivelul precis PPS (Precise Positioning System).

• Nivelul precis derivă din codul precis P, iar cel standard din codul C/A. Informaţiile în codul P sunt transmise în banda L1 şiL2 iar cele în codul C/A numai în banda L1.

• Informaţiile în codul P asigură precizia în punct la un nivel de 10 m, iar cele în codul C/A la un nivel de 100 m cu o probabilitate de 95 % (informaţiile în codul C/A fiind degradate controlat).

• Parametrii orbitei GPS

• Sistemul Navstar GPS este un sistem simplex, de la sateliţi lareceptorul GPS, unde intervalul de timp al semnalului GPS estetransformat în distanţă funcţie de viteza de propagare asemnalului.

• Pentru determinarea poziţiei navei în timp real semnalul GPSeste codat, iar frecvenţele purtătoare sunt modulate în codul PRNce constă în secvenţe binare ce pot fi identificate fără eroare.Determinarea pseudodistanţelor se face funcţie de acest cod dereferinţă, ce poate fi un cod precis P sau standard C/A.

11

• În codul P frecvenţa de emisie este de 10.23 MHz, perioadă 266de zile. Fiecărui satelit i se atribuie un segment de timp de şaptezile, astfel că el poate emite în aceeaşi frecvenţă şi poate fiidentificat fără dubiu. Această tehnică poartă numele de CDMA(Code Division Multiple Access – Cod de acces multiplu).Fiecare segment de cod este adus la zero la miezul nopţii (0h

UTC) între zilele de sâmbătă şi duminică.

• În codul C/A frecvenţa de emisie este de 1.023 MHz, perioadă 1milisecundă.

• Structura semnalului sateliţilor GPS

• Tehnica de emisie a

semnalului sateliţilor GPS

se numeşte modulaţie

binară bifazică.

12

• Efemerida şi almanahul GPS• Efemerida satelitului conţine, în general, informaţiile referitoare

la poziţia satelitului pe orbita GPS. Aceste informaţii se transmitsub forma unui semnal numit semnal de navigaţie al satelitului.El este determinat de segmentul de control al sistemului GPS şieste transmis la toţi sateliţii GPS.

• Pentru a recepţiona informaţiile GPS în timp real utilizatorultrebuie să aibă acces la informaţiile referitoare la poziţia şitimpul satelitului.

• Efemerida satelitului este generată în doi timpi astfel:

– o efemeridă de referinţă bazată pe observaţii săptămânale dela cinci staţii de control de la sol la satelit;

– diferenţele dintre efemerida de referinţă şi observaţiilecurente ale staţiilor de la sol.

• Acest semnal este procesat şi transmis pentru toţi sateliţiisistemului, spaţial vizibili şi conţine corecţiile ionosferice,troposferice şi relativiste. Aceste valori măsurate sunt corectatela fiecare 15 minute. Pentru fiecare asemenea interval suntgenerate 2 observaţii, pentru fiecare satelit şi staţie de control.

13

• Observaţiile corectate sunt folosite pentru a estima valorileurmătoarelor elemente:

– şase elemente orbitale per satelit;

– trei parametri de ceas per satelit;

– trei coeficienţi ai presiunii radiaţiei solare per satelit;

– doi parametrii de ceas pentru o staţie de control;

– un factor al scalei troposferice pentru o staţie de control;

– trei parametri ai mişcării polare.

• Perturbaţiile estimate sunt folosite pentru a corecta efemerida dereferinţă a satelitului şi de a genera efemerida difuzată desistemul GPS.

• Calculul timpului şi a coordonatelor satelitului GPS

• Timpul GPS este caracterizat printr-un interval standard

săptămânal şi de intervalul de timp, în secunde, de la începutul

săptămânii curente, putând varia de la 0 la 604 800, la începutul

şi sfârşitul săptămânii.

14

• Epoca iniţială GPS este datată la 5 ianuarie 1980 la ora 0 UTC.

Timpul GPS este definit ca timpul ceasului principal din staţia

principală de control (MCS). Există o diferenţă între timpul GPS

şi UTC, monitorizată de Segmentul de control al sistemului,

diferenţă care era de 8 secunde la 1 iulie 1992 (timpul GPS era

în avans).

• Există de asemenea diferenţe între timpul GPS şi timpulsatelitului. Timpul satelitului este monitorizat de segmentul decontrol şi determinat sub forma unui polinom de gradul doi şicorectat faţă de timpul GPS:

unde: tsv este timpul satelitului;

de unde:

• unde t0c este epoca de referinţă pentru coeficienţii a0, a1, a2.

• Timpul scurs de la epoca de referinţă este:

• Structura semnalului de navigaţie a satelitului GPS

Decodificarea semnalului de navigaţie al satelitului se face de către

procesorul intern al receptorului GPS.

15

• Semnalul de navigaţie transmis de satelitul GPS este de 1500 biţi

cu o rată de 50 biţi/secundă pentru o perioadă de 30 de secunde;

acest semnal este împărţit în cinci subpărţi a 300 biţi cu o durată

de 6 secunde fiecare (10 cuvinte a câte 30 biţi fiecare, şase biţi

reprezentând semnalul de control).

• Primele două cuvinte ale

fiecărei părţi de 500 de biţi

sunt TLM (Telemetry Word)

în codul C/A, şi P– HOW.

Formatul TLM conţine

modulul de sincronizare care

asigură accesul la informaţiile de navigaţie.

Semnalul de navigaţie este cuprins în trei blocuri de date astfel:

• blocul de date I conţine parametrii ceasului satelitului şi apare înprima subparte semnalului de navigaţie;

16

• blocul de date II conţine parametrii necesari calculăriicoordonatelor satelitului şi apare în a doua şi a treia subparte asemnalului de navigaţie;

• blocul de date III conţine almanahul, ora şi parametriiefemeridelor tuturor sateliţilor sistemului GPS şi apare în a patraşi a cincea subparte a semnalului de navigaţie; pentru utilizatoriiautorizaţi acest bloc conţine şi informaţii despre parametriicorecţiilor ionosferice.

• Subpărţile 4 şi 5 se repetă la fiecare 30 de secunde. Acesteaconţin 25 de pagini ce apar pe rând astfel că întreaga informaţieeste disponibilă după 12 minute şi jumătate.

• Fiecare pagină conţine almanahul unui satelit din sistemulspaţial. Aceşti parametri reprezintă datele de efemeridă,corecţiile ceasului satelitului, numărul de identificare şi stareatehnică a acestuia. Ultimele date de almanah pot fi folositepentru determinarea poziţiilor calculate ale satelitului.

17