SISTEME DE POZITIONARE GLOBALA CU SATELITI.

Principii de baza.

Dezvoltarea tehnicii militare, in special dupa cel de al II-lea razboi mondial, a condus inevitabil la aparitia necesitatii unei orientari permanente in spatiu. Astfel, avioanele, rachetele sau vasele militare aflate in mars, pe mare sau in aer, puteau fi mai usor urmarite si indrumate daca s-ar fi dispus de un sistem care sa permita determinarea pozitiei lor in orice moment.

Figura - Principiul de functionare GPS

Datorita distantelor mari fata de bazele de comanda, se impunea conceperea unui sistem global de pozitionare, care sa faca legatura intre diversele locuri de pe glob cu alte locuri de pe glob prin intermediul satelitilor. Pentru a putea determina coordonatele vectorilor militari, se impunea realizarea unei retele de puncte de coordonate cunoscute. Daca pentru a determina coordonatele unor puncte de detaliu aflate pe suprafata terestra, a fost creata reteaua geodezica, similar a fost conceputa o "retea de puncte" aflate in spatiu, puncte ce aveau coordonate cunoscute, denumit Sistem de Pozitionare Globala (G.P.S).

Asa cum am vazut in capitolul referitor la metode de indesire a retelelor geodezice, prin stationarea unui punct in vederea determinarii coordonatelor lui, avem nevoie de cel putin (matematic) trei puncte de coordonate cunoscute. in mod similar, daca aceste trei puncte sunt situate nu pe suprafata terestra ci pe bolta cereasca, problema pare aparent rezolvabila. Numai ca, datorita distantei mari, punctele de pe bolta vor trebui sa fie "vizibile". Acest lucru este posibil numai daca aceste puncte vor emite un semnal care sa permita atat identificarea punctului cat si determinarea pozitiei lui la un anumit moment. Pentru a putea ajunge la un receptor terestru, un astfel de semnal are nevoie de un timp, timp in care insa satelitul se deplaseaza si ajunge intr-o pozitie cu alte coordonate. Problema timpului necesar pentru a parcurge distanta de la satelit la receptorul terestru se rezolva prin "vizarea" unui al patrulea satelit (figura 9.1). Inca din faza de inceput, s-a stabilit ca tema de rezolvat pentru acest sistem de pozitionare, o precizie de 10 cm pentru distante de ordinul a 2000 km.

Segmentele componente ale sistemului.

Daca principiile de baza au fost aratate mai sus, realizarea practica presupune existenta unei retele compacte de sateliti, a caror traiectorie de miscare sa fie posibil de definit in orice moment. Acest lucru va fi posibil urmarind segmentele ce contribuie la exploatarea sistemului de pozitionare globala.

Figura - Segmente componente ale GPS.

Dupa cum se vede din figura 9.2, sistemul contine atat partea tehnica cat si cea comerciala: satelitii si statiile de urmarire si control au costat suficient de multi bani pentru ca dupa satisfacerea necesitatilor militare, sistemul sa nu produca bani. In prezent el este folosit pentru foarte multe aplicatii civile, iar prin precizia si randamentul lucrarilor pe care il asigura, sistemul este din ce in ce mai mult folosit in lucrarile de topografie, produsele rezultate fiind extrem de precise.

Aplicatiile sistemului nu sunt numai in domeniul militar si cel al masuratorilor terestre. O serie de firme constructoare de automobile au inceput sa livreze pe piata masini echipate cu sisteme de pozitionare, atat de performante incat conducatorul indicand punctul de plecare si destinatia, poate capata un traseu optim de urmat care sa fie cel mai scurt, sau cel mai rapid, sau cel cu cele mai mari sanse de evitare a locurilor predispuse blocajelor rutiere. Acelasi sistem echipeaza vehicolele ce participa la raliuri de anduranta, cu trasee ce strabat zone aride, fara puncte de reper, iar prezenta echipamentului GPS asigura o orientare extrem de rapida.

Daca echipamentele descrise mai sus, sunt toate stationare pe masinile pe care sunt montate, tehnica a mers mai departe si s-au produs receptoare GPS pentru personal, care pot fi folosite pentru determinarea pozitiei in orice punct cu erori de ordinul a 10-15 metri dupa o receptionare de semnal satelitar ce dureaza 2 minute. Practic, putem afirma ca in prezent se poate determina pozitia unui obiect oriunde pe glob.

Segmentul spatial.

Pe de alta parte, acesti sateliti vor fi astfel distribuiti incat sa asigure o acoperire uniforma a intregului glob terestru. O astfel de distrubutie presupune existenta a 6 orbite pe care graviteaza cate patru sateliti. Cei 24 de sateliti, impreuna cu traseele lor, constituie segmentul spatial al GPS.

Caracteristicile tehnice ale satelitilor din sistemul GPS se refera la:

.altitudine - 20200 km

.perioada - 12 ore

.frecvente - 1575 MHz

- 1228 MHz

.date de navigatie - 4D, X, Y, Z, t

.inregistrare - continua

.precizie - 15m (codul P)

.constelatie de sateliti - 24

.geometrie - repetabila

.ceasul satelitului - rubidium, cesium

Figura - Constelatia satelitii GPS.

Orbitele satelitilor sunt inclinate fata de ecuator cu un unghi de 30. Unghiul intre doi sateliti de pe aceeasi orbita este de 120, iar unghiul intre doua orbite vecine este de 60. Satelitii GPS au 845 kg si dispun de sisteme de stabilizare a orbitei. Pentru determinarea cu precizie a timpului, sunt folosite oscilatoare din clasa de precizie 10^-12 - 10^-13 s, pe baza de cesium sau rubidium. In afara frecventei de baza de 10 Mhz, sunt folosite alte doua frecvente purtatoare, cu valori de :

L₁ = 154 x 10 MHz = 1575,42 Mhz

L₂ = 120 x 10 MHz = 1227,60 Mhz

fiecare satelit emitand ambele frecvente, folosite atat ca semnale de navigatie cat si pentru mesaje de date .

Segmentul de control.

Rolul acestui segment este poate cel mai important din intregul sistem. El este cel ce controleaza satelitii, verifica timpul satelitilor, calculeaza efemeridele (orbitele) si corectiile de timp ale satelitilor, precum si datele de navigatie precum si continutul fiecarui mesaj emis de sateliti. Segmentul se compune dintr-o statie principala (Master Control Station / MCS) situata in Colorado Springs, trei statii de monitorizare si antene terestre in Kwajalein, Ascension si Diego Garcia, precum si doua statii de monitorizare in Colorado Springs si Hawaii (figura 9.4).

Statiile de monitorizare receptioneaza semnalele de la sateliti si le trimit la statia centrala impreuna cu datel meteorologice. Aici, informatiile primite sunt preluate si prelucrate, obtinandu-se efemeridele si corectiile de ceas astfel ca sa se poata alcatui mesajele satelitare. Aceste date prelucrate se redirectioneaza catre statiile de antene care le retrimit sub forma de mesaje la fiecare satelit in parte.

Figura -- Alcatuirea segmentului de control.

Statia principala are rolul de a calcula efemeridele satelitilor, pentru ca apoi aceste date sa fie "injectate" in mesajele catre sateliti. Un alt obiectiv este acela de a testa starea de "sanatate" a ficarui satelit, iar in momentul in care, din diverse motive, ceva nu este normal cu un satelit, prin mesajele ce acesta le va transmite, va avertiza utilizatorii ca nu este disponibil pentru a putea fi utilizat in masuratori.

Structura semnalului GPS.

Deoarece in masuratorile cu sateliti este nevoie de informatii foarte precise asupra timpului si frecventelor, de ordinul a 1ms, se impune ca frecventele sa fie deosebit de stabile, cu valori de 1*10^-15 s, pe durata mai multor ore. Din acest motiv, singurele dispozitive care pot asigura o astfel de precizie sunt ceasurile atomice. Cum in sistemul international de unitati de masura, secunda de timp este definita ca parte a perioadei de oscilatie a atomului de Cesiu¹³³, atat statiile terestre cat si sateliti sunt echipati cu ceasuri pe baza de cesiu (sau ribidiu).

Semnalele folosite la comunicare intre sateliti si statiile terestre, sau intre sateliti si utilizatori, sunt semnale modulate. Vom avea astfel de-a face cu semnale purtatoare, coduri si date pentru toate informatiile receptionate. In acest fel, frecventa de baza este de 10,23 Mhz si apartine ceasului atomic. Frecventele semnalului purtator sunt doua si anume L₁ cu valoarea 1575,42 Mhz, ceea ce corespunde unei lungimi de unda de 19,05 cm si L₂ cu valoarea 1227,60 Mhz, cu o lungime de unda de 24,45 cm. Codurile folosite sunt denumite P, cu o frecventa de 10,23 Mhz, cu o lungime de unda corespunzatoare de 29,31 m si o ciclicitate de 267 zile, respectiv codul C/A cu aceeasi valoare a frecventei, lungime de unda de 293,1 m si ciclicitate de 1 milisecunda. Pentru date, frecventa de 50 bps si durata 30 s.

Figura - Structura semnalului GPS.

Structura semnalului emis de satelitii GPS este prezentata in figura 9.5. La sol, semnalele sunt receptionate prin intermediul antenelor, de receptoarele GPS. Daca in masuratorile clasice, se impunea ca intre punctele retelei de sprijin sa existe vizibilitate directa, acum se impune ca vizibilitatea sa fie catre sateliti. Pentru a putea fi receptionate, semnalele trebuie sa nu fie perturbate de eventuale obstacole, cum sunt constructiile inalte sau vegetatia. Dar perturbarea semnalului se poate datora si reflectarii lui de catre sol sau constructiile aflate la oarecare distanta de antena. Pentru a elimina posibilitatea receptionarii unor semnale parazite, antenele sunt prevazute cu un 'guler' care ecraneaza semnalele venite de sub linia orizontului si in plus operatorul are posibilitatea sa seteze unghiul de panta minim peste care se pot observa satelitii. De obicei, se receptioneaza satelitii aflati la peste 15 unghi de panta.

Figura - Influenta pozitiei satelitilor asupra PDOP.

In vederea determinarii cu precizie a coordonatelor punctelor prin observatii la sateliti, este necesar ca acestia sa fie dispusi uniform pe bolta cereasca; o conformatie a satelitilor grupati, conduce la rezultate proaste ale determinarilor. Functie de marimile care se vor determina, o serie de coeficienti arata acuratetea determinarilor :

pentru pozitia orizontala - HDOP

pentru pozitia verticala - VDOP

pentru determinari tridimensionale - PDOP

pentru timp -     TDOP

In configuratiile de sateliti din figura 10.6, pentru punctul A vom beneficia de determinari tridimensionale bune, satelitii fiind dispusi sub unghiuri mari unul fata de celalalt, in timp ce determinarile punctului B vor fi mai putin precise.

Locul tehnologiei GPS in cadrul masuratorilor terestre.

O evaluare corecta a pozitiei masuratorilor GPS in cadrul tehnicilor de masurare a terenului trebuie sa se bazeze pe de o parte pe o analiza atat a posibilitatilor legate de domeniul lungimilor extreme ce se pot determina, pe de alta parte pe preciziile obtinute cu tehnicile respective si nu in ultimul rand pe criteriul costurilor pentru aparatura si personal. Aceasta comparatie se poate urmari in figura 9.7.

Metodele clasice permit determinari ce nu depasesc lungimi de 60 km cu precizii de circa 0 -0,30m. Aproximativ in acelasi domeniu de lungime se inscriu metodele inertiale respectiv metodele tranzit.

La cealalta extrema a distantelor se afla interferometria cu baze foarte lungi sau masuratori laser de distante la sateliti. Ambele sunt metode extrem de sofisticate si costisitoare, greu de utilizat in activitatea cotidiana. Intre aceste categorii se situeaza tehnologia GPS, cu posibilitati de masurare atat in domeniul masuratorilor clasice cat si in cel al distantelor foarte lungi (de ordinul miilor de kilometri).

Figura - Compararea tehnicilor de masurare.

Daca ne raportam la preciziile determinarilor, observam ca domeniul clasic si cel al GPS sunt comparabile numai in domeniul distantelor mai mici de 15 km, deoarece peste aceasta valoare, tehnica GPS este mult mai precisa. Un alt amanunt care trebuie avut in vedere este cel care se refera la manevrabilitate. Deoarece au fost facuti pasi importanti in domeniul miniaturizarii receptoarelor, practic acestea au devenit extrem de comod de folosit, indiferent de pozitia pe glob sau conditiile de relief.