SEGMENTE SISTEMULUI GPS - CONSTELATIA DE SATELITI GSP

SEGMENTE SISTEMULUI GPS

1. Vedere generala a sistemului GPS

Sistemul Global de Pozitionare (GPS) este alcatuit din trei segmente: constelatie de sateliti, control de la sol/retea de monitorizare si echipament de receptie al utilizatorului. Termenii (conditiile) programatice ale GPS Joint Program Office (JPO) pentru aceste componente sunt spatiul, controlul operational si respectiv, segmentele de echipament pentru utilizator. Constelatia de sateliti contine sateliti pe orbita care furnizeaza semnale de determinare a distantei (ranging signals) si mesaje cu informatii catre echipamentul utilizatorului. Segmentul de control operational (OCS) detecteaza si mentine satelitii in spatiu. OCS monitorizeaza sanatatea satelitului, ii semnalizeaza integritatea si mentine configuratia orbitala a satelitilor. Pe deasupra, OCS actualizeaza corectiile ceasului al satelitului si al efemeridelor ca si alti numerosi parametrii esentiali pentru determinarea pozitiei utilizatorului, vitezei si timpului (PVT - position, velocity, time). In cele din urma, echipamentul de receptie al utilizatorului executa navigarea, cronometrarea sau alte functii de acest fel (ex. supravegherea).

2. Constelatia de sateliti GSP

Constelatia de sateliti este formata din 24 de sateliti. Satelitii sunt pozitionati in 6 planuri orbitale avand Pamantul drept centru (Earth-centred), cu patru sateliti in fiecare plan. Perioada orbitala nominala a unui satelit GSP este de o jumatate de zi siderala sau 11 ore si 58 minute. Orbitele sunt aproape circulare si sunt distantate egal fata de ecuator la 60˚ separare cu o inclinatie nominala relativa fata de ecuator de 55˚. Figura 1. descrie constelatia GSP. Raza orbitala (adica distanta nominala de la centrul masei Pamantului pana la satelit) este de aproximativ 26,600 km. Aceasta constelatie de sateliti furnizeaza 24 de ore de navigare globala a utilizatorului si posibilitatea de determinare a timpului.

Figura 2. prezinta orbitele satelitilor intr-o proiectie plana avand ca punct de referinta timpul epoca 1 iulie 1993 UTC (USNO) ora 00.00. Gandindu-ne la orbita ca la un 'inel', aceasta figura deschide fiecare orbita si o intinde pe o suprafata plana. In mod asemanator cu ecuatorul Pamantului, este ca un inel care a fost deschis si intins pe o suprafata plana. Panta fiecarei orbite reprezinta inclinarea sa fata de planul ecuatorial al Pamantului, care este de 55˚ nominal.

Amplasarile planului orbital fata de Pamant sunt definite de longitudinea nodului ascendent in timp ce amplasarea satelitului in cadrul planului orbital este definita cu ajutorul anomaliei medii. Longitudinea nodului ascendent este punctul de intersectare al fiecarui plan orbital cu planul ecuatorial. Meridianul Greenwich este punctul de referinta sau punctul unde longitudinea nodului ascendent are valoarea zero. Anomalia medie este pozitia unghiulara a fiecarui satelit in cadrul orbitei avand ecuatorul Pamantului ca punct de referinta sau punct cu valoare zero a anomalie medie. Se poate observa ca fazele relative intre cei mai multi sateliti in orbita invecinata este de aproximativ 40˚.

Se folosesc mai multe notari diferite in legatura cu satelitii in orbitele lor. Un nomenclator desemneaza o litera pentru fiecare plan orbital (cu ar fi A, B, C, D, E si F) cu fiecare satelit dintr-un plan avand desemnat un numar de la 1 la 4. Astfel raportarea unui satelit ca B3 se refera la satelitul numarul 3 din planul orbital B. A doua notare folosita este un numar de satelit NAVSTAR desemnat de Fortele Aeriene ale Statelor Unite. Aceasta notare se prezinta sub forma unui numar de vehicul de zbor (satelit) 11 pentru a se referi la satelitul NAVSTAR 11. A treia notare reprezinta configuratia generatoarelor de coduri pseudoaleatoare (PRN) de la bordul satelitilor. Acesti generatori de coduri PRN au o configuratie unica pentru fiecare satelit, in felul acesta se produc versiuni unice pentru ambele versiuni de coduri C/A si P(Y). Astfel, un satelit poate fi identificat prin codurile PRN pe care el le genereaza.

Segmentul de control operational (OCS)

(Operational Control Segment)

OCS este responsabil cu mentinerea satelitilor si functionarea lor corecta. Aceasta include mentinerea satelitilor in pozitiile orbitale corecte (denumite mentinere a postului in formatie) si monitorizarea sanatatea subsistemului satelitului si pozitia. OCS mai monitorizeaza si generatorul electric solar al satelitului, nivelul tensiunii bateriilor si nivelele propulsorului folosit pentru manevre si activeaza satelitii liberi (daca sunt disponibili). OCS actualizeaza fiecare ceas al satelitului, efemeridele, almanahul si alti indicatori din mesajul de navigatie o data pe zi sau de cate ori este nevoie. Parametrii efemeridelor se potrivesc exact cu orbitele satelitilor GSP si sunt valide numai pentru un interval intre 4 si 6 ore, depinzand de durata de timp de la ultima incarcare a segmentului de control bazat pe orarul normal de incarcare o data pe zi.

In functie de versiunea satelitului, informatiile mesajului de navigare pot fi inmagazinate pentru cel putin 14 zile pana la o durata de maximum 210 de zile in intervale de 4 sau 6 ore. Almanahul este un subansamblu cu precizie redusa a parametrilor efemeridelor. Almanahul este format din 7 pana la 15 parametrii orbitali de efemeride. Informatiile din almanah sunt folosite pentru a prevedea pozitia aproximativa a satelitului si pentru a ajuta in achizitionarea semnalului satelitului.

Mai departe, OCS rezolva anomaliile satelitului, controleaza SA si AS si face masuratori de pseudodistanta si de distanta delta la statiile de telemonitorizare pentru a determina corectiile ceasului satelitului, almanahul, si efemeride.

Pentru a indeplini functiile de mai sus, segmentul de control este alcatuit din trei componente fizice diferite: statia principala de control (MCS), statia de monitorizare si antenele terestre. Fiecare dintre aceste dispozitive este descris in sectiunile urmatoare.

4. Caracteristicile setului GPS

O diagrama bloc a setului de receptie GPS este in figura 5.. Setul GPS contine 5 componente principale: antena, receptorul, procesorul, dispozitive de intrare/iesitre (cum ar fi unitatea de afisaj) si sursa de alimentare.

4.1. Antena

Semnalele satelitare sunt receptionate de antena, care este polarizata circular spre dreapta (RHCP) si asigura aproape o acoperire emisferica. Acoperirea tipica este de 160 cu variatii ale castigului in jur de 2,5dBic la zenit catre aproape o unitate la un unghi de elevatie de 10 .(Castigul unitate al antenei RHCP poate fi exprimat ca 0dBic = 0 dB fata de antena izotrop polarizata circular). Mai jos de 10 castigul este de obicei negativ. Deoarece semnalele satelitare sunt RHCP, este convenabila o antena spirala conica. Receptoarele GPS care urmaresc codul precis P(Y) pe benzile L1 si L2 au nevoie sa fie adaptate la o largime de banda 20.46 MHz pe ambele frecvente. Daca setul urmareste doar codul C/A pe L1, antena (si receptorul) trebuie sa aiba o largime de banda de 2.046 MHz. Selectia antenei necesita evaluarea unor parametri cum ar fi: model de castig al antenei, suprafata demontare disponibila, performante aerodinamice si performante multicale. O alta solutie privind selectia antenei este necesitatea rezistentei la interferente.

4.2. Receptorul

Astazi exista doua tipuri de baza de receptoare: acelea care urmaresc ambele coduri, codul precis si codul C/A si acelea care urmaresc doar codul C/A. Utilizatorii serviciului PPS folosesc setul care urmareste codul P(Y) (codul precis) pe ambele benzi L1 si L2. Aceste seturi initiaza operatii cu receptoarele urmarind codul C/A in banda L1 si apoi schimba urmarind codul P pe oricare banda L1 sau L2. Urmarirea codului Y se produce doar cu ajutorul echipamentului criptografic (Daca semnalul satelitului este criptat si receptorul nu are un echipament criptografic propriu, receptorul ca urmarii doar codul C/A in banda L1). Pe de alta parte, utilizatorii SPS folosesc setul care urmareste exclusiv codul C/A in L1 dat fiind ca aceasta este singura frecventa in care codul C/A este emis.

Majoritatea receptoarelor au mai multe canale cu care fiecare canal urmareste transmisia de la un singur satelit. O diagrama bloc simplificata a unui receptor generic multicanal este figurat in figura 6. semnalul satelitar de RF CDMA receptionat este filtrat de un prefiltru trece banda pentru a reduce interferentele RF din afara benzii. Acesta este urmat de un preamplificator. Semnalele de RF sunt apoi translateaza in frecventa intermediara (IF). In receptoarele moderne GPS, semnalele IF sunt esantionate si cuantificate de un convertor analog/digital (A/D). Rata de esantionare a convertorului A/D este de 8-10 ori rata de imprastiere (chipping rate) a codului PRN (1,023 MHz pentru codul C/A L1 si 10,23 MHz     pentru codul P L1 si L2). Rata de esantionare minima este de doua ori cat largimea benzii de oprire a codurilor pentru a satisface criteriul lui Nyquist. Pentru codul C/A L1 largimea benzii de oprire poate usor mai mare de 2 MHz. Pe de alta parte, largimea benzii de oprire este usor peste 20 MHz pentru codul P. Esantionarea suplimentara reduce sensibilitatea receptorului la zgomotul de esantionare a A/D, astfel ca reducand numarul de biti necesari in convertorul A/D. Esantioanele sunt expediate procesorului de semnal digital (digital signal processor DSP). DSP contine N canale paralele care urmaresc simultan purtatoarele si codurile de la N sateliti. (N este in general de la 5 la 12 in receptoarele actuale). Fiecare canal contine bucle de urmarire a purtatoarei si codului pentru a executa masurarile codului si faza purtatoarei ca si demodularea datele mesajului de navigatie. Canalul poate calcula trei tipuri diferite de masuratori satelit-utilizator: pseudodistanta, distanta delta si integrarea Doppler in functie de implementare. Masurarile dorite si datele mesajului de navigatie demodulat dorit

sunt expediate catre procesor.

4. Procesorul receptorului/de navigatie

Un procesor este cerut pentru a controla si comanda receptorul prin secventa operationala a sa, incepand cu achizitia semnalului din canal si urmata de urmarirea semnalului si colectia de date. (Unele seturi de GPS capacitate de procesare integrala in interiorul ansamblului de circuite pentru a efectua aceste functii de procesari a semnalului.)

4.4. Dispozitive input/output I/O

Aceste dispozitive sunt interfete intre setul GPS si utilizator. Dispozitivele I/O sunt de doua feluri: integrate si externe. Pentru multe aplicatii, aceste dispozitive CDU (unitati de control si afisare). Unitatea de control si afisare permite operatorului introducerea de date, expune parametrii solutiei navigatiei si uzual functiile navigatiei numeros accesate cum ar fi inregistrare de puncte de intersectie, timp de mers. Cele mai multe unitati portabile au un CDU integrat