RECEPTOARE GPS

RECEPTOARE GPS

1 Generalitati

Receptoarele GPS reprezinta practic principalacomponenta a celui de al treilea segment al Sistemului Global de Pozitionare, respectiv Segmentul Utilizator. Utilizatorii echpamentelor GPS care receptioeaza semnalele transmise de satelitii din "constelatia" GPS pot fi impartiti, dupa domeniul de activitate, in doua mari categorii: militari si civili. Domeniul militar reprezinta de fapt pricipalul scop pentru care a fost creiat NAVSTAR GPS. Senzori GPS sunt integrati in fiecare echipament militar: vectori purtatori, avioane, elicoptere, nave, blindate, iar fiecare infanterist comandant de grupa este dotat cu un navigator. Incepand din anul 1985 GPS poate fi utilizat si de catre civili si, rand pe rand, majoritatea imbunatatirilor aduse receptoarelor militare au devenit accesibile si au fost aplicate si pentru receptoarele utilizate in domeniul civil.

2 Caracteristicile semnalului transmis de un satelit

Caracteristicile semnalului transmis de un satelit sunt:

Frecventa fundamentala: 10,23 MHz

Frecventa semnalului purtator in banda L₁=10,23 MHz x 154=1575,42 MHz

Purtatoarea L₁ este modulata prin doua coduri pseudoaleatoare (PRN) C/A si P

Frecventa semnalului purtator in banda L₂=10,23 MHz x 120=1227,60 MHz

Purtatoarea L₂ este modulata numai printr-un cod pseudoaleator (PRN) P

Codul C/A (Coarse/Acquisition - code, sau Civilian/Access - code) desemnat ca Serviciul de Pozitionare Standard (SPS) cu frecventa: 1,023 MHz modulat pe unda purtatoare L₁

Secventa de cod PRN este diferita pentru fiecare satelit si se repeta la fiecare 10^-3 sec.

Codul P (Precision - code) desemnat ca Serviciul de Pozitionare Precisa (PPS) cu frecventa: 10,23 MHz modulat pe undele purtatoare L₁ si L₂

Mesajul de navigatie (date cuprinzand efemeridele satelitilor, coeficientii de modelare a ionosferei, starea satelitilor, baza de timp si corectiile ceasului) cu frecventa: 50 bps modulat pe undele purtatoare L₁ si L₂

Fig. 1 Semnale transmise de satelit

Acelasi tip de semnal este generat si de un receptor GPS, pe una sau pe doua unde, respectiv aceleasi coduri C/A si P. In receptor se incearca apoi corelarea celor doua semnale, cel generat si cel receptionat, determinandu-se astfel: codurile si decalajul de timp dintre ele (observatii de cod) precum si mesajele de navigatie. Dupa demodulare se poate determina diferenta de faza dintre semnalul generat si cel receptionat (observatii de faza).

Codul C/A este accesibil tuturor utilizatorilor GPS.

Codul P este practic generat la frecventa ceasului satelitului si de aceea rezolutia lui este de zece ori mai buna decat a codului C/A.

Pentru a preveni utilizarea de catre neautorizati a semnalelor transmise de satelitii GPS s-au folosit de-a lungul timpului diferite metode de degradare a semnalului sau de criptare a codurilor.

Disponibilitatea selectiva (SA) (capit 1.3.3.1) a semnalului a reprezentat o metoda de alterare a preciziei de pozitionare. Ea s-a facut fie prin modificarea datelor efemeridelor (epsilon) satelitilor fie prin usoara modificare a frecventei de ceas a satelitilor.

Aplicarea SA a luat sfarsit la 1 mai 2000.

Sistemul antibruiaj (AS) (capit. 1.3.3.2) reprezinta o tehnica destinata evitarii bruiajului voit al semnalului GPS cu un semnal apropiat de acesta care poate creea astfel confuzie si erori majore de pozitionare pentru alti utilizatorii sau pentru tinte. Tehnica consta in adaugarea la codul P a unui cod criptat W obtinandu-se astfel codul Y care nu poate fi utilizat decat de utilizatorii autorizati. Tehnica AS este activa incepand de la 31 Ianuarie 1994.

3 Constelatia GPS

Nr.satelit se refera la numarul vehicolului spatial (SV), iar Nr.PRN se refera la codul pseudoaleator unic pentru fiecare satelit.

Ceasurile atomice ale satelitilor sunt pilotate cu rubidiu (Rb) sau cu cesiu (Cs).

Constelatia GPS complet operationala este compusa din 18 sateliti in Blocul II/IIA si 12 sateliti in Blocul IIR, in total 30 de sateliti.

Satelitii 35 si 36 au montate la bord dispozitive reflectoare speciale (corner-cube) pentru determinarea distantelor cu laser (Satellite Laser Ranging). Determinarea distantelor pana la sateliti in acest mod permite analizarea diferentiata intre erorile ceasurilor de la bord si erorile efemeridelor satelitilor urmariti.

Nr.PRN al satelitului 32 a fost schimbat in 01 la 28-1-93.

Blocul II/IIA a fost proiectat pentru 7.5 ani cu o durata medie a misiunilor de 6 ani. Blocul IIR a fost proiectat pentru 10 ani cu o durata medie a misiunilor de 7.5 ani.

Tabel 1 Satelitii disponibili

Nota:

A - Satelitul 24/PRN24 va fi mutat din planul orbital D1 pentru a face loc satelitului 61/PRN0

B - Satelitul 61/PRN02 a fost lansat la 6 Noiembrie 2004 ora 05:39 UT si a devenit operational la 22 Noiembrie 2004 ora 16:23 UT.

4 Satelitii geostationari SBAS (Satellite-Based Augmentation Systems)

Tabelul 2 Satelitii geostationari

EGNOS=European Geostationary Navigation Overlay System

WAAS=Wide Area Augmentation System

Nota:

A-Transmisii test intermitente.

B-Semnal test industrial.

C-Transmisii test pentru sistemul EGNOS in modul 2 fara distante.

5 Structura unui receptor GPS:

Un receptor GPS are in compunere dispozitive pentru receptia semnalului si pentru procesarea acestuia.

5.1 Antena

Fig.     Schema receptiei si procesarii semnalului satelitar

O antena omnidirectionala receptioneaza semnale de la satelitii GPS situati deasupra orizontului. Majoritatea antenelor folosite astazi sunt antene de tip microstrip sau quad. Punctul de referinta pentru o antena GPS il reprezinta centrul de faza. Cel mai important criteriu in proiectarea antenelor il constituie sensibilitatea centrului de faza. In unele cazuri centrul de faza poate diferi, ca pozitie, de centrul geometric (mecanic) al antenei. In timpul masuratorilor centrul mecanic si punctul de statie trebuie sa se afle pe aceeasi verticala. Antenele se caracterizeaza prin parametrii tehnici constructivi: frecventele receptionate, pozitia centrului de faza fata de centrul mecanic, corectiile de elevatie si azimut ale centrului de faza, temperaturile de lucru. Pentru micsorarea influentei efectului mutipath si inlaturarea reflexiilor semnalului s-au proiectat modele speciale de antene, cea mai cunoscuta fiind antena tip Choke-Ring. Antenele pot fi proiectate numai pentru unda L₁ sau pentru L₁ si L₂, precum si pentru receptionarea semnalelor DGPS. De asemenea in functie de modul cum este integrata in echipamentul GPS antena poate fi interna sau externa. Semnalul este apoi preamplificat, filtrat si trimis blocului de radio frecventa.

5.2 Blocul de radio frecventa

Fig. 3. Antena GPS

In blocul de radio frecventa se realizeaza in primul rand demodularea semnalului de coduri procesandu-se una sau doua frecvente in functie de tipul receptorului. Semnalele sunt apoi preluate pe canale separate pentru fiecare satelit receptionat. Numarul de canale reprezinta o caracteristica importanta pentru un receptor GPS. Primele receptoare GPS aveau un numar limitat de canale si urmareau satelitii secvential. Acum receptoarele au un numar suficient de canale care permit urmarirea continua (continuously tracking) a semnalelor satelitilor. Elementele de baza ale blocului de radio frecventa sunt oscilatoarele care genereaza frecventele de referinta, filtrele pentru eliminarea frecventelor nedorite si mixerele. Simplificat, principiul este urmatorul: doua oscilatii de amplitudini si frecvente diferite sunt multiplicate rezultand un semnal cu doua componente, una de inalta si una de joasa frecventa. Se aplica apoi un filtru trece-jos, iar semnalul de joasa frecventa care ramane este utilizat in continuare. Pentru executarea masuratorile de faza se utilizeaza doua metode diferite: tehnica de corelare a codurilor, care necesita cunoasterea unui cod PRN si tehnica independenta de cod, care se bazeaza pe ridicarea la patrat a semnalului. Un avantaj al ultimei metode il reprezinta faptul ca nu mai sunt necesre informatii legate de ceasul satelitului sau de elementele orbitei acestuia. Ambele metode reconstruiesc unda purtatoare nemodulata de la care se incepe masurarea fazei. Pentru a putea obtine ambele purtatoare chiar si in absenta codului P, in multe receptoare se aplica o metoda hibrida: purtatoarea L₁ este reconstituita prin corelarea codurilor utilizand codul C/A, iar purtatoarea L₂ este reconstituita prin metoda independenta de cod. In cazul receptoarelor profesionale semnalul de la antena este separat printr-un deplexor si transmis modulului de prelucrare analogica. Acesta consta practic in doua receptoare separate pentru L₁, respectiv pentru L₂, care asigura deconversia, filtrarea si in final digitalizarea semnalului. Procesarea pe L₁ se face incepand cu codul C/A. Atat pseudodistantele cat si masuratorile de faza sunt determinate prin corelarea cu codul C/A local. Se proceseaza apoi codul P, daca nu este criptat, determinandu-se pseudodistantele si masuratorile de faza prin corelarea cu codul P local. In final, daca AS este activ masuratorile de faza se obtin din corelarea codului C/A, iar pseudodistantele vor fi derivate cu ajutorul codului P-ajutator (P-Code aided) generat de receptor. Procesarea pe L₂ se face in functie de starea AS. Daca nu este activ se determina pseudodistantele si masuratorile de faza prin corelarea cu codul P local. Daca este activ masuratorile de faza si pseudodistantele vor fi derivate cu ajutorul codului P-ajutator (P-Code aided) generat de receptor. Metoda codului P-ajutator a fost aplicata prima data de Magnavox in 1990.

5.3 Microprocesorul

Microprocesorul controleaza intregul sistem permitand navigatia si obtinerea coordonatelor antenei in timp real.

5.4 Blocul de control

Blocul de control permite comunicarea interactiva cu receptorul. La majoritatea receptoarelor acest dispozitiv include tastatura si ecranul pe care sunt afisate informatii de stare ale receptorului si satelitilor.

5.5 Blocul de stocare a datelor

Stocarea observatiilor si a mesajelor de navigatie se face de obicei pe suporturi magnetice amovibile (cartele PCMCIA sau CF) si mai rar pe memorii interne, caz in care este necesara si existenta unui port de comunicare pentru date.

5.6 Blocul de alimentare

Majoritatea receptoarelor dispun de surse de alimentare interna, baterii de acumulatori reincarcabili NiCd, NiMh sau LiIon care asigura o autonomie de cel putin 6-8 ore. De obicei exista si posibilitatea conectarii unor acumulatori externi sau a unor surse de curent continuu in cazul receptoarelor de la statiile permanente de referinta.

6 In functie de marimile obsevabile cu care pot opera, receptoarele GPS se pot clasifica astfel:

6.1. Receptoare care opereaza cu codul C/A.

Aceste receptoare fac parte din categoria celor numite in mod curent navigatoare. Receptionarea semnalelor de la sateliti se face pe 4 pana la 12 canale. Determinarea pozitiei de face fie in sistem bidimensional (2D), latitudine, longitudine, fie in sistem tridimensional (3D), latitudine, longitudine si altitudini elipsoidale pe elipsoidul WGS84. De asemenea pozitia mai poate fi prezentata si sub forma de coordonate UTM, UPS, etc. Precizia de pozitionare in cazul acestor receptoare este in medie de aproximativ 15m (Estimated Position Error). Multe dintre receptoare au posibilitatea inregistrarii traseelor navigate si memorarii coordonatelor unui numar limitat de puncte intr-o memorie interna care apoi, prin intermediul unui port de comunicare, poate fi descarcata.

6. Receptoare care opereaza cu codul C/A si masuratori de faza pe unda purtatoare L₁.

Majoritatea acestor receptoare au 12 canale. Precizia de pozitionare a acestor receptoare este mult imbunatatita prin masuratorile de faza ajungand pana la 5m (EPE). De asemenea aceste receptoare pot stoca in memorie marimile masurate. Prin postprocesarea ulterioara a datelor precizia de determinare este substantial imbunatatita.

6.3. Receptoare care opereaza cu codul C/A si masuratori de faza pe L₁ si L

Prin tehnici speciale aceste receptoare masoara si faza purtatoarei L₂ aplicand un procedeu de multistratificare a semnalului care are ca efect restabilirea fazei undei purtatoare la jumatate din lungimea de unda. Codul P nu trebuie cunoscut deoarece el se pierde la procesare. Faza purtatoarei L₂ este apoi folosita in combinatie cu L₁ pentru reducerea influentei ionosferei asupra semnalului. Acest lucru duce la o crestere substantiala a preciziei de determinare a bazelor lungi.

6.4. Receptoare care opereaza cu codul C/A, codul P (Y) si masuratori de faza pe unda purtatoare L₁.

Proiectat initial pentru aplicatii militare, din 1989 accesibil si utilizatorilor civili, acest tip de receptor este capabil sa masoare cu precizie decimetrica baze lungi de pana la 100km sau baze cu lungimi medii (20km) in mai putin de doua ore.

6.5. Receptoare care opereaza cu codul C/A, codul P (Y) si masuratori de faza pe L₁ si L

Aceste receptoare inglobeaza tehnologia de varf in ceea ce priveste componentele constructive cat si metodele cele mai avansate de filtrare si procesare a semnalului. Toate acestea conduc la determinarea rapida a bazelor mari (80 - 100 km) cu precizii centimetrice.

In afara de capacitatile de receptie si prelucrare a semnalului enumerate anterior, receptoarele GPS pot avea diverse alte imbunatatiri constructive pentru cresterea performantelor:

Posibilitatea receptionarii corectiilor diferentiale DGPS transmise prin radio, GSM sau Internet de la statii fixe permanente.

Posibilitatea receptionarii corectiilor diferentiale transmise de satelitii geostationari din retelele WAAS sau EGNOS.

7 Clasificarea receptoarelor GPS in functie de precizia asigurata.

7.1.Navigatoare

Denumite generic GPS-uri de mana (handheld GPS) aceste receptoare lucreza numai cu codul C/A modulat pe L₁. Receptionarea semnalelor se face pe 8 - 12 canale. Precizia lor este de 15m EPE. Majoritatea modelelor mai noi au si posibilitatea receptionarii corectiilor DGPS de la statii terestre sau de la satelitii din retelele WAAS sau EGNOS. In acest caz se observa o crestere semnificativa a preciziei 1-3m. Pe langa functia clasica de navigare aceste receptoare mai prezinta o serie intreaga de facilitati cum sunt: memorarea coordonatelor si atributelor pentru un numar limitat de puncte, inregistrarea traseelor navigate (coordonate, altitudine, azimute, viteza, timp), busola electronica, altimetru, calculator astronomic, dirijarea pilotului automat, etc. Alimentarea se face fie cu acumulatori fie de la surse externe. Antena poate fi incorporata sau externa detasabila. Transferul de date in si din memoria interna a navigatorului se face prin intermediul unui port de comunicatii. Exista echipamente dedicate utilizarii pentru autovehicole (automotive GPS) sau pentu ambarcatiuni (marine GPS).

7.OEM

Aceste receptoare numite de obicei motoare GPS (GPS engine) sunt proiectate pentru a intra in componenta unor sisteme complexe care au nevoie fie de determinarea in mod continuu a pozitiei in care se afla la un moment dat fie au nevoie de un semnal de timp foarte precis si sincronizat. Receptoarele au intre 12 si 24 de canale si lucreaza atat cu codul C/A cat si cu masuratori de faza pe L₁, iar unele dintre ele si pe L Exista si pentru acest tip de receptoare posibilitatea de a receptiona corectii diferentiale DGPS sau SBAS, iar unele dintre ele pot receptiona si procesa si semnalele de la satelitii GLONASS. Precizia acestor receptoare variaza de la 5-8m in cazul navigatiei pana la centimetri in cazul postprocesarii diferentiale. Aceste receptoare sunt produse in diferite forme: cip GPS (chipset) si/sau modul GPS (board) pentru aplicatii OEM, receptor atasabil direct la un port USB, receptor integrat Compact Flash, receptor integrat Mini-Mouse, receptor atasabil la PDA, receptor atasabil via Bluetooth

Fig. 4. Componente GPS

Tabelul 4 Receptoare OEM

7.3. Receptoare profesionale topografice - L1 cod si faza

Fig. 5. Tipuri de receptoare GPS

Aceste receptoare proceseaza codurile C/A si P si fac de asemenea masuratori de faza pe L₁. Precizia lor se incadreaza intre 5m (autonom), 25cm (timp real-diferential) si 1cm+2ppm (postprocesare diferentiala). Receptoarele au intre 12 si 20 de canale, unele dintre ele avand posibilitatea de a receptiona si procesa si semnalele de la satelitii GLONASS. Pot lucra si in timp real, cu corectii diferentiale receptionate prin modem sau telefon GSM. Pot avea antena incorporata in aceeasi carcasa cu receptorul, tastatura, ecranul si bateriile, sau toate sau o parte din aceste componente pot fi separate si conectate intre ele prin cabluri sau porturi infrarosii sau Bluetooth.

Tabelul 5. Receptoare topografice

7.4 Geodezice - L1, L2 cod si faza

Receptoarele din aceasta categorie utilizeaza codurile C/A si P (respectiv Y atat timp cat AS este activ) si fac masuratori de faza pe L₁ si L Receptoarele au 12 - 40 canale care permit receptionarea semnalelor de la satelitii GPS, GLONASS, WAAS, EGNOS, MSAS. Precizia lor este de 5m (autonom), 5cm (timp real-diferential) si 5mm+0.5ppm (postprocesare diferentiala).

Fig. 7 Tipuri de receptoare GPS - geodezice

Receptoarele pot lucra in timp real, cu corectii diferentiale receptionate prin modem sau telefon GSM. Constructiv, receptoarele pot fi compacte, antena, receptorul, tastatura, ecranul si bateriile incorporate in aceeasi carcasa, sau componentele pot fi separate si conectate intre ele prin cabluri sau porturi cu infrarosu sau Bluetooth.

8.Statii permanente

Receptoarele folosite pentru statii permanente se incadreaza in categoria celor care fac masuratori de cod si faza pe ambele frecvente L₁ si L Antenele utilizate in acest caz sunt de tipul choke ring (Dorne & Margolin model IGS). Receptoarele au posibilitatea conectarii la senzori meteo si la senzori de inclinare. De asemenea sunt prevazute cu un port special pentru generarea semnalului de timp. Majoritatea receptoarelor au posibilitatea conectarii directe la retele locale (LAN) sau la Internet. Transmisia datelor, respectiv stocarea lor, se poate face fie direct, fie prin intermediul conectarii la un PC. Administrarea statiei poate fi facuta fie local, fie de la distanta (remote control) prin intermediul programelor specializate.

Un caz special il constituie receptoarele montate solitar cu elementele podurilor, cladirilor, constructiilor hidrotehnice, pentru urmarirea in timp real a deplasarilor acestora. Tot aici trebuie mentionate statiile permanente de monitorizare a deplasarilor crustale.

Tabelul 7. Receptoare GPS

9.Controlul utilajelor

Pentru ghidarea utilajelor terasiere sau agricole se utilizeaza receptoare simpla sau dubla frecventa care lucreaza in timp real. Receptoarele au 12 - 24 de canale iar precizia de pozitionare este de 1 - 30cm (timp real-diferential). Cu ajutorul programelor specializate si a servomecanismelor se poate asigura deplasarea utilajelor pe traiectorii predefinite sau executarea sapaturilor si/sau umpluturilor pana la cotele stabilite.

Tabelul 8

10. Sisteme inertiale

Acestea sunt de fapt sisteme de 2-4 receptoare GPS dubla frecventa integrate in aceeasi carcasa. Masuratorile de cod si faza preluate de la 2-4 antene si prelucrate simultan asigura determinarea orientarii, respectiv a orientarii si pozitiei intr-un sistem tridimensional. Sistemul poate lucra in timp real sau in mod DGPS pentru determinarea cu precizie a pozitiei sau a vitezei.

Tabelul 9

11. Sisteme mixte

Sistemul Leica SmartStation este format dintr-o statie totala din seria TPS1200 la care este atasat, coaxial cu axa verticala, modulul ATX1230 SmartAntenna. ATX1230 SmartAntenna este de fapt un receptor GPS, RTK dubla frecventa, care se integreaza si comunica cu statia totala. Toate setarile, comenzile, afisajul, functiile, operatiile si calculele specifice unui receptor GPS sunt integrate in procesorul, tastatura si afisajul statiei totale. In acest mod cele doua instrumente, TPS si GPS, sunt perfect integrate si permit executarea unor lucrari cu un grad foarte mare de precizie si independenta.