GPS: principii si aplicatii

1. Introducere

1.1. Introducere

Determinarea pozitiei exacte in care te afli pe glob si a directiei unde te indrepti este probabil una dintre cele mai vechi preocupari ale umanitatii. Navigarea si pozitionarea este cruciala pentru atat de multe domenii, incat un mare numar de tehnologii au fost inventate pentru a le simplifica. Fiecare a avut insa, in timp, dezavantajele sale. Rezultatul unei investitii facute de Departamentul de Aparare al SUA, Global Positioning System (Sistemul Global de Pozitionare) este un sistem care a revolutionat navigatia pentru totdeauna.

GPS este un sistem mondial de radionavigare format dintr-o 'constelatie' de 24 de sateliti, impreuna cu statiile terestre aferente. GPS foloseste aceste stele artificiale ca puncte de referinta pentru a calcula pozitia terestra cu precizie de cativa metri. De fapt, cu formele avansate de GPS se pot efectua masuratori pana la mai putin de un centimetru. Receptoarele GPS au fost miniaturizate la cateva circuite integrate, devenind foarte economice si facand tehnologia extrem de accesibila. In zilele noastre, GPS isi gaseste utilizarea in autovehicule, nave, avioane, echipamente de constructie, agricultura, cinematografie etc.

La inceputul anilor '60, cateva organizatii guvernamentale din Statele Unite ale Americii, inclusiv armata, NASA si Departamentul de Transport (DOT - Department of Transportation) au fost interesati in dezvoltarea sistemelor de sateliti pentru determinarea pozitiei. Sistemul optim era vazut ca avand urmatoarele insusiri: acoperire globala, operare continua si pe orice vreme si foarte precis. In 1969, OSD (The Office of the Secretary of Defence) a stabilit programul DNSS (the Defence Navigation Satellite System) pentru consolidarea    eforturilor de dezvoltare independenta pentru fiecare serviciu militar, formand un singur sistem unic pentru toate armele. Asa s-a format conceptul sistemului NAVSTAR GPS. Programul NAVSTAR GPS a fost dezvoltat de GPS Joint Program Office (JPO). Sistemul se mai numeste si GPS.

Desi, original conceput pentru armata americana, GPS are o vasta acoperire in aplicatiile civile incluzand supraveghere, marina, terestru, aviatie si navigatia vehiculelor. GPS poate servi un numar infinit de utilizatori deoarece receptoarele utilizatorilor sunt receptoare pasive. Sistemul GPS utilizeaza principiul bazat pe timpul de propagare necesar receptarii semnalului satelitar. Fiecare satelit de GPS contine un ceas atomic foarte stabil (cesiu), care este continuu monitorizata si corectata de segmentul de control GPS.

Satelitii emit coduri de determinare a distantei (ranging codes) si datele de navigatie pe doua frecvente folosind o tehnica numita acces multiplu cu diviziune in cod (CDMA), sunt folosite frecventele L1 (1575.42 MHz) si L2 (1227.6MHz). Datele de navigatie asigura resursele pentru receptor de a determina pozitia satelitului al momentul transmisiei, tinand cont de codurile de determinare a distantei da posibilitatea receptorului GPS sa determine timpul de propagare a semnalului si astfel determina distanta satelit-receptor GPS. Aceasta tehnica cere ca si receptorul sa contina un ceas. Utilizand aceasta tehnica de masurare a pozitiei receptorului necesita 4 sateliti pentru o pozitie tridimensionala. Daca ceasul receptorului GPS a fost sincronizat cu ceasul satelitului, doar 3 sateliti sunt suficienti pentru o pozitie bidimensionala (latitudine si longitudine, dar fara altitudine). Astfel, 4 masuratori (de la 4 sateliti diferiti) sunt necesare pentru a determina latitudinea, longitudinea, altitudinea si offset-ul ceasului receptorului.

GPS asigura 2 servicii: Serviciul de Pozitionare Standard (SPS - Standard Positioning Service) si Serviciul de Pozitionare Precis (PPS - Precise Positioning Service). SPS-ul este pentru utilizatori civili, in timp ce PPS este pentru armata Statelor Unite si pentru unele agentii guvernamentale al Statelor Unite ale Americii.

1.1.1. Serviciul de pozitionare precis (PPS)

PSS-ul este particularizat pentru o precizie de 22m (2 drms, in 95% din cazuri) in plan orizontal si 27.7m (in 95% din cazuri) in plan vertical. Radacina patratica medie a distantei (sau drms - distance root mean square) este o masura generala utilizata in navigatie. 2 drms este raza cercul ce contine cel putin 95% din toate valorile posibile ce pot fi obtinute cu un sistem (in acest caz PPS) in orice punct. Serviciul PPS asigura precizia timpului de transfer UTC pana la 200nsec (95%) referinta de timp de U.S. Naval Observatory. Precizia masurarii vitezei este de 0.2 m/sec (95%).

Asa cum este aratat mai sus, PPS-ul este destinat in principal pentru armata si unele agentii guvernamentale. Civilii pot folosi acest serviciu, dar cu aprobare speciala de la Departamentul de Aparare al Statelor Unite (DOD). accesul dinainte mentionat la PPS-ul este controlat prin doua caracterizari criptografice indicate ca Antispoofing (AS) si Selective Availability (SA - acces limitat la precizie).

AS este un mecanism intentioneaza sa infranga "bruiajul inselator" (deception jamming). Bruiajul inselator este o tehnica in care un adversar sa replice unul sau mai multe coduri de determinare a distantei, semnalele datelor de navigatie si efectele Doppler a frecventei purtatoare cu intentia de inselare a receptorului victimei. In plus, in actuala politica a DOD (Department of Defence), SA este implementat sa refuze acuratete foarte buna pentru utilizatorii SPS (Standard Positioning Service).

1.1.2. Serviciul de Pozitionare Standard

Acest serviciu este disponibil pentru toti utilizatorii din intreaga lume. Aici nu este nici o restrictie in folosirea serviciului. Acest serviciu are o precizie probabila de 100 m in plan orizontal si 156 m in plan vertical. Precizia timpului de propagare UTC este pana la 340 nsec (95%). SA este principala sursa de erori al acestui serviciu. Cu toate aceste, exista tehnici de atenuare a efectelor SA

1.2. Aplicatii

GPS a evoluat de la sistem militar dedicat la utilizatori civili. Tehnologia de navigatie cu ajutorul satelitilor este utilizata in numeroase aplicatii civile si militare. Numeroase discipline incluzand toate sectoarele de transportau fost afectate. Utilizatorii nu mai sunt limitati la rute specifice datorita preciziei si/sau acoperiri limitate ale sistemelor de navigatie de la sol. Atata timp cat un utilizator este in linia orizontului a satelitului, precizia navigatiei este obtinuta.

1.2.1. Aviatie

Comunitatea aviatica a propulsat folosirea unui sistem global de navigatie prin satelit (GNSS - global navigation satellite system). Capacitatea de acoperire globala continua a GNSS permite avioanelor sa zboare direct de la o locatie la alta.

1.2.2. Ghidare a navetelor spatiale

GPS o fost folosit in cateva zboruri ale navetei spatiale ale NASA. In 1998, naveta spatiala e de asteptat sa se utilizeze GPS pentru ghidare in toate fazele de operare (lansare de la sol pe orbita si reintrare si aterizare).

1.2.3. Maritim

Navigatia este pe toate tipurile de apa: de la curse oceanice la rauri, in special pe vreme aspra. Cateva natiuni au dezvoltat o retea locala DGPS pentru a mari acuratetea in poturi, apropieri de porturi si pe rauri.

1.2.4. Terestru

In aplicatiile terestre, GNSS este utilizat pentru indrumarea rutei, urmarire si semnalizari de urgenta. Integrand receptorul GNSS cu o baza de date a strazilor, un afisaj digital si un procesor va permite soferului sa obtina directia si/sau cel mai eficient drum scurt. Combinat cu un telefon celular sau cu un sistem de transmisie de date cu acest sistem va fi posibil urmarirea vehiculelor si/sau semnalizari de urgenta. Pozitia vehiculului poate fi automat raportat la un centru de control pentru administrarea "flotilei". Activarea butonului "panica" de sofer transmite o semnalizare de urgenta, caracteristicile si pozitia vehiculului sunt transmise catre echipele de interventie.