Aparitia sistemelor de pozitionare globala

Aparitia sistemelor de pozitionare globala a revolutionat tehnologia masuratorilor geodezice prin utilizarea unei conceptii absolut noi: mutarea scenei operatiilor de masurare de la teren - teren la teren - spatiu. De aici decurge un avantaj deosebit si anume acela ca vizibilitatea directa intre punctele aflate pe suprafata fizica a Pamantului nu mai constituie o conditie esentiala pentru determinarea pozitiei lor. Luand in considerare si aspectul ca determinarile sunt posibile aproape in orice conditii meteorologice si de timp (ziua si noaptea) precum si faptul ca procesul de culegere a datelor de masurare nu impune o pregatire deosebita a operatorului, rezulta in mod clar ca tehnicile de pozitionare globala sunt net superioare tehnologiilor geodezice clasice. Dezvoltarea sistemelor de pozitionare globala a fost precedata de utilizarea unor alte tehnici de masurare globala, care pot fi in prezent considerate ca apartinand geodeziei spatiale clasice.

Triangulatiile optice globale, bazate pe observarea fotografica a satelitilor artificiali ai Pamantului (SAP), aveau fundamentele teoretice bine puse la punct in anul 1957 cand a fost deschisa era spatiala prin lansarea, la 4 octombrie, a satelitului rusesc Sputnik (inca din 1946, specialistii geodezi finlandezi dezvoltasera o retea de triangulatie stelara). Cu toate dificultatile de asigurare a simultaneitatii observatiilor executate asupra aceluiasi SAP din capetele unei linii de baza lunga de cateva mii de kilometri, au fost obtinute rezultate incurajatoare la scara continentala (de exemplu determinarea vectorului spatial Tromso (Norvegia) - Catania (Sicilia)).

Trilateratiile electromagnetice globale au fost dezvoltate chiar mai devreme, datorita construirii unor aparate electronice pentru masurarea distantelor foarte lungi. In 1940, din necesitati legate de pozitionarea aviatiei militare, au fost determinate diferentele dintre datumurile geodezice ale Americii de Nord si Europei (s-a utilizat sistemul HIRAN - HIgh RANging).

Un progres semnificativ s-a realizat odata cu demonstrarea posibilitatii de utilizare a shift-ului (deplasarii) Doppler (modificarea frecventei receptionate ca urmare a modificarii pozitiei reciproce emitator - receptor) ca data de masurare in vederea determinarii precise, prin calcul, a timpului de tranzit al semnalului. Prin determinarea coordonatelor satelitului la momentul emisiei semnalului, pe baza legilor lui Kepler, se creeaza astfel posibilitatea determinarii instantanee a pozitiei oriunde pe Pamant (prin retrointersectie spatiala, pe baza distantelor spre mai multi sateliti).

Sistemul TRANSIT (Time Ranging and Sequential), numit initial NNSS (Navy Navigational Sattelite System), este primul sistem modern de pozitionare globala. El a fost dezvoltat la inceputul deceniului 7 de catre U.S. Navy in cooperare cu Applied Physis Laboratory de la Jones Hopkins University.

Sistemul TRANSIT a devenit operational pentru navigatie in 1964 iar in 1968, pe baza experientelor efectuate de U.S. Geodetic Survey si U.S. Defense Mapping Agency (DMA) s-a demonstrat posibilitatea aplicarii lui pentru masuratori geodezice si geofizice.

Sistemul TRANSIT cuprinde sapte sateliti cu orbite polare aproape circulare, la o altitudine de circa 1075 kilometri si cu o perioada de rotatie de aproximativ 107 minute. Cu aceasta configuratie, un satelit poate fi observat la intervale de aproape doua ore. Fiecare satelit transmite continuu un sir de date digitale, modulate in faza pe doua frecvente stabile (400 MHz si 150 MHz). O parte a acestui sir de date contine mesajul de navigatie, care defineste pozitia satelitului la fiecare doua minute. Elementele orbitale pe care le transmit satelitii sunt calculate la sol pe baza observatiilor efectuate din patru statii de urmarire si sunt actualizate (incarcate in memoria satelitului) la un interval de timp de aproximativ 12 ore. Evident, efemerida transmisa de fiecare satelit este prognozata, precizia datelor fiind afectata de erori generate de perturbatiile care modifica in timp parametrii orbitei; implicit si precizia determinarilor va fi destul de slaba in raport cu nevoile geodezice. Se poate face si o postprocesare a datelor de observatie, pe baza parametrilor orbitali calculati din urmarirea satelitilor in momentul executarii masuratorilor, precizia posibil de atins fiind

 , unde n este numarul trecerilor observate.

Daca se executa determinari relative (translocatie), o buna parte a erorilor in pozitia satelitului afecteaza sistematic pozitiile celor doua statii terestre (capetele vectorului de baza) astfel incat precizia creste considerabil:

 , pentru o pereche de statii si

 , pentru o retea cuprinzand s statii observate simultan.

La o analiza atenta, cu toate facilitatile incontestabile oferite de sistemul TRANSIT, apar totusi unele inconveniente majore:

nu se pot face determinari in orice moment datorita numarului mic de sateliti, situatie inacceptabila pentru utilizatorii militari;

pentru scopuri geodezice, precizia determinarilor este slaba; o imbunatatire pana la un nivel acceptabil necesit cateva zile de observatii;

altitudinea relativ mica a satelitilor restrangea lungimea maxima a vectorilor de baza la valori sub 1000 kilometri.

Sistemul GPS. Pentru eliminarea acestor inconveniente, in 1973, sub conducerea Departamentului Apararii al SUA (DOD - Department of Defense) a fost proiectat un nou sistem de pozitionare globala - NAVSTAR (NAVigation System with Time and Ranging). Sistemul NAVSTAR a devenit operational in 1989, intretinerea sistemului TRANSIT fiind abandonata. Desi nu este singurul sistem de pozitionare globala operational in acest moment (de exemplu Rusia a pus deja la punct sistemul GLONASS), denumirea NAVSTAR a fost complet inlocuita in literatura de specialitate cu GPS (Global Positioning System).

Dintre definitiile date GPS, cea mai expresiva este considerata cea a lui Wooden (1985) :

'GPS este un sistem tip toate - conditiile - de - vreme, bazat pe navigatia spatiala si dezvoltat de DOD pentru a satisface nevoile militare de determinare a pozitiei, vitezei si timpului intr-un sistem de referinta unitar, oriunde pe Pamant sau in apropierea acestuia, in orice moment de timp'.

Pentru aprobarea finantarii proiectului, Congresul SUA a impus DOD dezvoltarea si de aplicatii civile, care au devenit operationale chiar inaintea celor militare.

Performantele deosebite ale GPS l-au impus extrem de repede pentru determinarile de coordonate in toate domeniile unde acestea sunt necesare (armata, geodezie, topografie, cadastru, transporturi etc.). La aceasta au contribuit din plin dezvoltarile hardware si software, singurele retineri ale unor categorii de utilizatori fiind generate de faptul ca accesul la posibilitatile sistemului este limitat in functie de interesele (in primul rand militare) ale Statelor Unite ale Americii.