Structura GPS

Structura GPS

GPS este structurat pe trei segmente:

- segmentul spatial, format din satelitii ce emit semnale;

- segmentul de control, care conduce intregul sistem;

- segmentul utilizatorilor, constituit din toate receptoarele.

1 Segmentul spatial

1.1 Constelatia

La o imprastiere maxima, segmentul spatial trebuie sa asigure vizibilitatea simultana, din orice zona, a patru pana la opt sateliti avand o inaltime deasupra orizontului (unghi de elevatie) de cel putin 15°. Acest lucru este indeplinit de sateliti cu orbite aproape circulare la o altitudine de aproximativ 20200 km si o perioada de rotatie de circa 12 ore siderale. Numarul si modul de dispunere pe orbite a satelitilor a suferit, de la lansarea programului si pana in prezent, mai multe modificari. Initial au fost prevazuti 24 sateliti plasati cate 8 in 3 plane orbitale, inclinate la 63° fata de ecuator. Mai tarziu, din motive bugetare, s-a propus reducerea segmentului spatial la 18 sateliti, cate 3 sateliti in sase plane orbitale. Aceasta schema a fost refuzata intrucat nu permitea observarea dorita 24 ore pe zi, pe intreaga suprafata a globului. In 1986, numarul satelitilor a crescut la 21, cate 3 sateliti pe fiecare din cele sase plane orbitale si 3 sateliti aditionali (de schimb) separati. Cele mai recente planuri necesita 21 sateliti operationali plus 3 sateliti de schimb, imprastiati in sase plane orbitale cu o inclinare de 55° si cu 4 sateliti in fiecare plan. In aceasta configuratie, cei trei sateliti de schimb sunt folositi pentru a-i inlocui pe cei activi deveniti inoperationali. Deci, sunt posibile 3 inlocuiri pana cand devine absolut necesara o noua lansare (permanent, la sol se afla sapte sateliti pregatiti pentru lansare).

1.2 Satelitii

Remarci generale In mod esential, pe fiecare satelit sunt instalate: o platforma pentru sustinerea dispozitivelor de emisie-receptie, ceasuri atomice, calculatoare si diverse echipamente auxiliare pentru a asigura functionarea sistemului. Echipamentul electronic al fiecarui satelit permite utilizatorului sa masoare pseudodistanta R pana la satelit; de asemenea, fiecare satelit emite un semnal ce contine datele necesare pentru calculul pozitiei sale spatiale la un moment oarecare. Cu aceste elemente, utilizatorul poate sa-si determine pozitia geocentrica , conform metodologiei prezentate in capitolul 1.1. Cele mai importante componente ale echipamentului auxiliar al fiecarui satelit sunt doua panouri solare cu suprafata de 7 m² (pentru asigurarea energiei electrice) si un sistem de propulsie ce permite reajustari ale orbitei si controlul stabilitatii.

Categorii de sateliti Sunt trei clase (sau tipuri) de sateliti GPS. Acestea sunt: Block I, Block II si Block IIR.

Din clasa Block I (greutate 845 kg) au fost lansati 11 sateliti in perioada 1978-1985, de la Vandenberg AFB - California, cu rachete purtatoare de tip Atlas F. Cu exceptia unei lansari nereusite (in 1981), toate celelalte au decurs normal. In martie 1992 ramasesera operationali 5 sateliti din seria originala tip Block I, incluzand pe cel lansat in 1978. Acest lucru este remarcabil datorita faptului ca satelitii Block I aveau o durata de viata garantata si programata de 4,5 ani. Constelatia Block I este usor diferita de constelatia Block II datorita inclinarilor planelor orbitale: 63° fata de 55°.

Au fost construiti 28 sateliti tip Block II pentru prima constelatie operationala. Dintre acestia, 21 sunt activi plus 3 sateliti de schimb (lansati efectiv in spatiu). Primul satelit tip Block II, costand aproape 50.000.000 U.S.D si cantarind mai mult de 1500 kg, a fost lansat la 14 februarie 1984 de la Centrul Spatial Kennedy, Cape Canaveral AFB in Florida, folosind o racheta Delta II. Misiunea de baza a unui satelit tip Block II dureaza 6 ani, iar durata sa de lucru (programata) este de 7,5 ani. Individual, un satelit poate ramane operational pana la 10 ani, atat timp cat consumabilele (carburanti etc.) nu sunt epuizate. Au la bord patru ceasuri atomice (doua cu rubidiu si doua cu cesiu). O diferenta importanta intre tipurile Block I si Block II se refera la disponibilitatea semnalelor emise. Tipul Block I emitea semnale ce puteau fi preluate, in totalitate, de catre toti utilizatorii (civili si militari); Block II emite semnale in mod restrictiv.

Satelitii GPS care vor inlocui treptat pe cei de tipul Block II sunt cei de tipul Block IIR, care au o durata de lucru prognozata de 10 ani. 'R' semnifica schimbare/reaprovizionare. Acesti sateliti sunt modernizati permanent, primul fiind lansat in 1995. Este deosebit de important ca satelitii Block IIR au la bord ceasuri atomice cu hidrogen, care sunt cu cel putin un ordin de marime mai precise decat ceasurile atomice de la bordul satelitilor tip Block II. Block IIR prezinta diverse facilitati pentru comunicatii si au posibilitatea de a-si determina singuri orbita, pe baza observatiilor intersateliti. Un satelit Block II R cantareste peste 2000 kg dar costa doar jumatate fata de unul Block II. Sunt lansati cu ajutorul navetelor spatiale. Fiecare naveta poate transporta pana la 3 sateliti, deci este posibila o (re)constructie foarte rapida a unei constelatii.

Atat configuratia constelatiei cat si caracteristicile constructive ale satelitilor pot suferi in viitor modificari greu de anticipat.

Semnalul satelitilor Unda purtatoare emisa de sateliti este un semnal dispersat spectral, lucru care il face destul de putin vulnerabil la un bruiaj intentionat (sau neintentionat). Tehnica dispersiei spectrale este folosita curent la diverse echipamente cum ar fi sistemele de pozitionare hidrografice si sistemele radio LAN (Local Area Network).

Cheia catre acuratetea (precizia) sistemului este faptul ca toate componentele semnalului sunt controlate foarte precis de ceasurile atomice. Satelitii tip Block II au la bord patru timpi standard, doua ceasuri cu rubidiu si doua cu cesiu. Stabilitatea in frecventa pe timp indelungat a acestor ceasuri ajunge la cateva parti din 10^-13 sau 10^-14 intr-o zi. Ceasurile cu hidrogen planificate pentru Block IIR au stabilitate de 10^-14 10^-15 intr-o zi. Aceasta mare acuratete a standardelor frecventelor este inima satelitului GPS, producand o frecventa fundamentala in banda L de 10.23 MHz. In mod evident, derivand din aceasta frecventa fundamentala prin inmultiri cu 154 si 120, se obtin doua semnale de mare stabilitate, undele purtatoare L₁ si L_{2 :}

L₁ 1575,42 MHz ;

L₂ 1227,60 MHz .

Aceste frecvente sunt esentiale pentru eliminarea surselor majore de erori, cum ar fi refractia ionosferica.

Pentru calculul pseudodistantelor din masurarea timpului de tranzit al semnalului de la fiecare satelit la receptor folosesc doua coduri de zgomot pseudoaleator (numite coduri PRN - Pseudorandom Noise) care sunt modulate (superimpuse) pe cele doua purtatoare.

Proiect: Lucrare de licenta marketing si afaceri economice internationale - dezvolatrea mixului de marketing in cadrul companiei sc.petrom. sa Proiect: Modelul comunicarii in negocieri - modelul structural

Primul este codul C/A (Coarse/Acquisition) denumit si SPS (Standard Positioning Service) care este nesecret, deci disponibil pentru folosire civila. Codul C/A, cu o lungime de unda efectiva de aproximativ 300 m, este modulat doar pe L₁ in mod intentionat (pentru interzicerea accesului utilizatorilor civili la intreaga precizie a sistemului).

Al doilea este codul P (Precision), denumit si PPS (Precise Positioning Service), care a fost rezervat pentru folosirea militarilor americani sau a altor utilizatori autorizati. Codul P, cu o lungime de unda efectiva de circa 30m, este modulat pe ambele semnale purtatoare (L₁ si L₂ ).

In plus fata de codurile PRN, pe undele purtatoare este modulat mesajul de navigatie, care contine: efemerida satelitului, coeficientii de modelare a ionosferei, informatii de stare a satelitului, timpul sistemului si informatii despre avansul si mersul (drift-ul) ceasului satelitului. O descriere amanuntita a semnalului va fi prezentata in capitolul 5.1.

Identificarea satelitilor Exista numeroase posibilitati de identificare a satelitilor: numarul de ordine al lansarii, numarul pozitiei orbitale, asignare de coduri PRN specifice fiecarui satelit, numarul de catalog NASA, denumirea internationala. Pentru a evita orice confuzie este folosit numai numarul PRN, care este transmis de satelitul insusi (prin mesajul de navigatie).

Vizibilitatea satelitilor Cu o constelatie completa, 4-8 sateliti pot fi observati din orice punct de pe suprafata Pamantului la orice ora (la o elevatie de peste 15°). Daca elevatia este redusa la 10°, ocazional se pot vedea pana la 10 sateliti, iar daca reducem in continuare elevatia la 5°, ocazional se pot observa pana la 12 sateliti.

Este de remarcat faptul ca, pentru anumite cercetari legate de precizia determinarilor, se urmaresc sateliti care in mai multe sesiuni de observatii ocupa aceeasi pozitie pe bolta cereasca (geometria figurii ramane aceeasi). Pentru planificarea efectuarii masurarilor, trebuie sa se tina cont de diferenta de 4 minute/zi dintre timpul sideral si timpul universal (TU), care provoaca, de la o zi la alta, o decalare a momentului in care avem deschisa aceeasi 'fereastra' catre sateliti. De exemplu, configuratia avuta la dispozitie azi la ora 9⁰⁰ UT va fi aceeasi maine la ora 8⁵⁶ UT.

1.3 Limitarea accesului la capabilitatile sistemului

Sunt, teoretic, doua metode pentru interzicerea accesului utilizatorilor civili la intreaga capacitate a sistemului. Prima este SA (Selective Availability = disponibilitate selectiva), iar a doua este A-S (Anti-spoofing).

Disponibilitatea selectiva Are drept scop micsorarea drastica a preciziei pe care o pot obtine utilizatorii civili. Prima data, acest tip de limitare a preciziei a fost realizat prin 'agitarea' frecventei ceasurilor satelit intr-un mod ce impiedica masurarea instantanee a unor pseudodistante precise. Pozitionarea absoluta precisa nu se mai poate face in timp real. Totusi, pentru masurarea vectorilor de baza (utilizati aproape exclusiv pentru determinari in scopuri geodezice), pierderea de precizie este foarte mica deoarece in calcule intervin diferentele intre pseudodistantele masurate din cele doua capete. Toti satelitii Block II sunt prevazuti cu dispozitiv SA, ce poate fi cuplat oricand. Disponibilitatea selectiva se aplica numai intermitent, functie de interesele proprietarului sistemului, la diverse nivele de afectare a preciziei, incepand din aprilie 1990.

A doua metoda de limitare a preciziei este truncherea mesajelor de navigatie transmise, astfel incat coordonatele satelitului sa nu poata fi calculate cu precizie. Eroarea in pozitie a satelitului transmite o eroare in pozitie a punctului.

Trebuie retinut ca acuratetea pozitionarii absolute cu GPS este puternic afectata de cuplarea dispozitivului SA. Masuratori experimentale efectuate de diversi utilizatori pun in evidenta aparitia unor erori de 50100m.

Anti-Spoofing Determinarile precise in timp real sunt dedicate utilizatorilor militari si se pot efectua numai in cod P. La proiectarea sistemului GPS, s-a prevazut posibilitatea de inchidere totala a emisiei in cod P sau de secretizare a acestuia (transformarea codului P in cod Y) ca mijloc de interzicere a accesului la codul P a tuturor utilizatorilor considerati momentan 'neautorizati'. Un al doilea motiv este de a nu permite adversarilor emiterea unor semnale cu semnaturi GPS pentru a crea confuzie si erori in punctele de statie ale utilizatorilor. A-S a intrat in functiune atunci cand intregul sistem a devenit complet operational. Accesul la codul P este posibil numai prin instalarea pentru fiecare canal al fiecarui receptor a unui AOC (Auxiliary Output Chip = integrat auxiliar de iesire), care este distribuit numai in baza unei autorizatii. A-S afecteaza drastic posibilitatea efectuarii determinarilor precise dar exista promisiuni ferme din partea proprietarului sistemului ca semnalul in cod P va redeveni disponibil in curand.

2 Segmentul de control

Acest segment cuprinde sistemul de control operational (OCS - Operational Control System), care include statia centrala de control, statiile monitor de pe tot cuprinsul lumii si statiile terestre de control. Principalele sarcini operationale ale segmentului de control sunt: urmarirea satelitilor pentru determinarea si predictia orbitelor si timpului, sincronizarea in timp a satelitilor si incarcarea mesajului de date in memoria fiecarui satelit. Sunt si multe alte activitati non-operative, cum ar fi procurarea si lansarea satelitilor, dar nu sunt importante pentru utilizatori.

1 Statia centrala de control

Initial, aceasta statie era amplasata la Vandenberg AFB, California dar a fost mutata la Falcon AFB, Colorado Springs, Colorado. Ea colecteaza datele de urmarire de la statiile monitor si calculeaza orbitele si parametrii temporali folosind un estimator Kalman. Aceste rezultate sunt transmise uneia din cele 3 statii terestre de control, pentru eventuala incarcare a datelor pe sateliti. Controlul satelitilor si operarea sistemului constituie de asemenea sarcini ale statiei centrale de control.

2 Statiile monitor

Sunt 5 asemenea statii localizate in: Hawai, Colorado Springs, Insula Ascension (in sudul Oceanului Atlantic), Diego Garcia (Oceanul Indian) si Kwajalein (in nordul Oceanului Pacific). Fiecare dintre aceste statii este dotata cu un standard de timp foarte precis (cu cesiu) si cu receptoare in cod P care masoara continuu pseudodistante precise catre toti satelitii aflati in vedere. Pseudodistantele sunt determinate la fiecare 1,5 secunde folosind date ionosferice si meteorologice. Din 15 in 15 minute, toate datele obtinute sunt transmise catre statia centrala de control.

Reteaua si modul de urmarire descrise mai sus permit determinarea efemeridelor transmise. Pentru calculul efemeridelor precise sunt folosite datele de la 5 statii suplimentare (DMA).

In afara acestei retele, dezvoltata de proprietarul sistemului, pot fi organizate oricate altele, de catre oricine, cu conditia sa dispuna de mijloacele financiare necesare. Investitiile facute ofera o independenta destul de mare fata de limitarea accesului la capabilitatile sistemului, prin determinarea propriilor efemeride precise (pe care proprietarul le pune la dispozitie restrictiv si cu intarziere).

3 Statiile terestre de control

Aceste statii sunt amplasate impreuna cu statiile monitor in Insula Ascension, Diego Garcia si Kwajalein si au legaturi de comunicatie cu satelitii. Principala lor componenta o constituie antenele terestre. Efemeridele satelitilor si informatiile de ceas, calculate in statia centrala de control si receptionate prin legaturile de comunicatie, sunt incarcate in memoria fiecarui satelit GPS prin legaturi radio in banda S. In mod normal, incarcarea catre fiecare satelit este facuta o data la 8 ore dar este posibila si o rata de transmisie mai redusa (de exemplu o data pe zi), daca se apreciaza ca modificarile sunt nesemnificative. Daca o statie terestra de control devine neoperationala, mesajele de navigatie incarcate sunt valabile pentru fiecare satelit pe o perioada de 14 zile. Conform unor calcule estimative, intr-o asemenea situatie (utilizarea unor efemeride prezise cu doua saptamani in urma), precizia de pozitionare absoluta va scadea de circa 20 ori (de la 10m la 200m).

3 Segmentul utilizatorilor

3.1 Categorii de utilizatori

Utilizatori militari In primul rand, termenul de 'segmentul utilizatorilor' este legat de conceptia Departamentului Apararii S.U.A. (U.S. DOD) asupra GPS, ca un accesoriu al programului de aparare nationala. Inca din perioada de proiectare a sistemului s-a prevazut sa se incorporeze cate un receptor GPS in fiecare sistem major de aparare. Era deci planificat ca fiecare avion, nava, vehicul de teren si chiar grup de infanterie sa aiba cate un receptor GPS care sa le coordoneze actiunile militare. Utilitatea militara a GPS a fost demonstrata in timpul razboiului din Golf (1991), in conditii de lupta. In acest razboi, dispozitivul SA (disponibilitate selectiva) - care a fost descris in capitplul 1.3 - a fost decuplat pentru ca trupele sa poata folosi receptoare construite pentru utilizari civile (in cod C/A). Receptoarele portabile in cod C/A s-au dovedit a fi foarte bune pentru navigarea in conditii de desert.

Sunt multe si variate intrebuintarile militare ce au fost propuse recent. Un producator ofera un receptor ce poate fi conectat la 4 antene. Cand antenele sunt fixate pe o suprafata rigida si intr-o schema fixa (cum ar fi colturile unui patrat), cele trei unghiuri de rotatie (spatiala) ale suprafetei pot fi determinate simultan cu pozitia sa. De exemplu, plasand antenele pe prora, pupa, babordul si tribordul unei nave vor rezulta prin determinare ruliul, tangajul, rotatia si pozitia vasului.

Multe utilizari neconventionale ale sistemului includ masurarea celei mai joase pozitii a satelitului. Receptoarele GPS de la bordul satelitilor permit pozitionari proprii foarte precise si cu mult mai putin efort decat prin aplicarea tehnicilor de urmarire de la sol. De exemplu, utilitatea satelitilor ce preiau imagini ale suprafetei terestre (cum ar fi satelitul francez SPOT) ar fi mult imbunatatita cu un receptor GPS la bord, care sa determine pozitia precisa a satelitului in momentul preluarii fiecarei imagini.

Utilizatori civili Utilizarile civile ale sistemelor de pozitionare globala au fost puse in discutie cu cativa ani inaintea proiectarii GPS. Dupa lansarea primilor sateliti, principalul obiectiv a fost construirea receptoarelor de navigatie. Utilizarea solutiei interferometrice in locul celei Doppler, pentru prelucrarea semnalului, a demonstrat ca GPS poate fi folosit nu numai pentru masuratori geodezice de vectori de baza lungi ci si pentru masuratori foarte exacte de linii scurte.

In prezent, receptoarele GPS sunt folosite pentru conducerea tuturor tipurilor de ridicari terestre iar testele efectuate conduc la aplicarea sistemului la pozitionari precise in aer, pentru a reduce lucrarile de teren destinate intocmirii sau actualizarii hartilor.

Utilizarile civile ale GPS nu se rezuma insa la problemele legate de geodezie si topografie. Una dintre principalele aplicari ale GPS este in controlul si managementul flotelor. In unele orase, vehiculele de interventie sunt deja echipate cu receptoare GPS si calculatoare ce afiseaza reteaua stradala. Localizarea fiecarui vehicul este transmisa unui dispecerat prin legaturi radio, in asa fel incat acesta sa poata urmari si reorienta vehiculele in functie de necesitatile concrete. Sisteme similare sunt planificate pentru urmarirea trenurilor si vehiculelor de transport marfuri. Natural, toate avioanele si vasele trebuie sa fie dotate cu echipamente GPS.

Extinderea continua a retelei de utilizatori civili este posibila in primul rand datorita scaderii spectaculoase a preturilor echipamentelor de receptie, concomitent cu miniaturizarea lor. Automobilistii si toti navigatorii (vase mici, de agrement) sunt interesati in determinarea permanenta a pozitiei lor, fie pentru organizarea deplasarilor, fie pentru prevenirea furturilor. Un producator japonez ofera in prezent un ansamblu GPS/sistem grafic pe calculator pentru montare pe automobile, la costul unui sistem de muzica de buna calitate.

3.2 Tipuri de receptoare

Utilizarile GPS-ului, descrise in capitolul precedent, sunt doar exemple ale aplicatiilor acestui sistem. Diversitatea reala a utilizarilor este pusa in evidenta de numarul tipurilor de receptoare disponibile astazi. In continuare se va prezenta o vedere generala a echipamentelor aflate pe piata in prezent, mai multe detalii fiind date in capitolul 5.

Din punct de vedere al tipului de perceptibilitate (cod pseudodistante sau faza purtatoarei) si al codului valabil (cod C/A sau cod P), receptoarele GPS se pot clasifica in trei grupe:

- cu pseudodistanta in cod C/A;

- cu masurarea fazei purtatoarei in cod C/A;

- cu masurarea fazei purtatoarei in cod P.

Receptoare cu pseudodistanta in cod C/A Acest tip de receptor este, in mod obisnuit, un instrument portabil, de mici dimensiuni, actionat de baterii. Diverse produse au de la 1 pana la 6 canale de receptie independente iar la iesire ofera pozitia tridimensionala prin longitudine, latitudine si inaltime sau prin coordonate plane intr-un anumit sistem de proiectie (de exemplu coordonate UTM) si inaltime (altitudine). Receptoarele cu 4 sau mai multe canale sunt absolut necesare in aplicatiile in care receptorul este in miscare, deoarece numai ele pot masura simultan minimum 4 pseudodistante necesare pentru a determina pozitia la un singur moment de efectuare a observatiilor. Pe de alta parte, un receptor cu un singur canal (mai ieftin) este potrivit in aplicatiile in care receptorul ramane fix intr-un punct, masurarea pseudodistantelor putandu-se face in mod secvential.

Receptoare cu unda purtatoare in cod C/A Majoritatea receptoarelor destinate determinarilor in scopuri geodezice folosesc codul C/A pentru a capta si reface semnalul purtator L₁. Multe instrumente au minimum necesar de canale de receptie independente (patru) pentru a permite pozitionari absolute in timp real si mai ales efectuarea de masuratori cinematice. Cele mai recente produse au 12 canale (deci pot urmari simultan toti satelitii aflati deasupra orizontului. Aceste receptoare au toate functiile modelelor descrise anterior si in plus pot stoca faza purtatoarei si cod-pseudodistantele in anume memorii, la momente de timp predefinite. Primele modele folosesc banda magnetica pentru stocarea datelor de masurare, date care sunt apoi transferate intr-un calculator personal (de regula portabil) in vederea prelucrarii. Modelele ulterioare retin datele de masurare in CIP-uri de memorie.

Acest tip de receptor a fost realizat ca sa imbunatateasca masurarea fazei, prin analizarea si a purtatoarei L₂ (cu folosirea tehnicii ridicarii la patrat). Codul P, modulat pe purtatoarea L_2, este eliminat in proces si raportul semnal/zgomot este considerabil mai bun decat la purtatoarea L₁ dupa eliminarea codului C/A. Normal, faza L₂ este utilizata in combinatie cu masuratoarea L₁, micsorandu-se efectul ionosferei asupra semnalului si furnizand astfel o acuratete mai mare vectorului determinat (mai ales pentru linii lungi).

Receptoarele cu unda purtatoare in cod C/A pot fi utilizate pentru toate tipurile de determinari precise: statice, cinematice si pseudocinematice.

Receptoare in cod P Unul dintre primele receptoare utilizate pentru cercetare, pozitionare si navigare este receptorul in cod P TI-4100, fabricat in 1984. Acest receptor a fost construit pentru satisfacerea exclusiv a cerintelor militare. Fabricarea receptoarelor civile in cod P a inceput in anii 1989-1990. In cursul anului 1991, Comitetul Federal de Control Geodezic al S.U.A. (FGCC) a testat un asemenea receptor. Acest test a demonstrat doua mari avantaje ale receptorului in cod P. Primul este capacitatea de a masura linii mari (100 km) cu o acuratete de cativa centimetri. Al doilea avantaj al receptorului in cod P este ca poate masura linii de lungime medie (20 km) cu o acuratete de cativa centimetri in mai putin de zece minute de preluare a datelor, utilizand o tehnica de prelucrare care se bazeaza pe combinarea liniara a fazelor masurate ale lui L₁ si L