Telematica rutiera - sistemul de pozitionare globala - gps

TELEMATICA RUTIERA - SISTEMUL DE POZITIONARE GLOBALA - GPS

GPS reprezinta de fapt o parte din denumirea NAVSTAR GPS . Acesta este acronimul de la NAVIGATION System with Time And Ranging Global Positioning System.

Proiectul a fost demarat de catre guvernul Statelor Unite la inceputul anilor 70. Scopul principal il reprezinta posibilitatea de a putea determina cu precizie pozitia unui mobil in orice punct de pe suprafata pamantului, in orice moment indiferent de starea vremii.

GPS este un sistem care utilizeaza o constelatie de 30 de sateliti pentru a putea oferi o pozitie precisa unui utilizator. Precizia trebuie inteleasa in functie de utilizator. Pentru un turist aceasta inseamna in jur de 15 m, pentru o nava in ape de coasta reprezinta o marime de circa 5 m, iar pentru un geodez precizie inseamna 1 cm sau chiar mai putin.

GPS poate fi utilizat pentru a obtine preciziile cerute in toate aplicatiile pomenite mai sus, singurele diferente constand numai in tipul receptorului si a metodei de lucru utilizate.

Initial GPS a fost proiectat numai pentru aplicatii militare. Curand dupa ce acest obiectiv a fost atins a devenit evident ca GPS va putea fi folosit si pentru scopuri civile pastrand totusi anumite proprietati numai pentru domeniul militar. Primele doua aplicatii civile au fost navigatia maritima si masuratorile tereste.

Dupa lansarea primului satelit artificial al Pamantului, Sputnik 1, la 04.10.1957, tehnica spatiala s-a impus ca o noua era in dezvoltarea stiintifica si tehnologica, constituind un factor dinamizator al procesului tehnico-economic, in domenii de interes major ale activitatii umane.

Domeniile de utilizare ale satelitilor artificiali specializati sant numeroase si deosebit de diversificate, printre acestea, de o deosebita importanta strategica in domeniul militar si de larga utilitate in domeniul civil fiind dezvoltarea tehnologiilor satelitare de navigatie care permit pozitionarea deosebit de precisa a mijloacelor de transport aeriene, maritime si terestre aflate in miscare sau in repaus.

Aceasta tehnologie si-a gasit, deasemenea, o larga aplicabilitate si in domeniul geodeziei si geodinamicii prin realizarea unor retele geodezice la nivel global sau national, contributii la determinarea formei si dimensiunilor Pamantului si a campului sau gravitational, determinarea deplasarilor placilor tectonice, etc.

La ora actuala functioneaza in paralel doua sisteme de pozitionare globala, respectiv sistemul de pozitionare NAVigation Satellite Timing And Ranging Global Positioning System (NAVSTAR GPS), cunoscut sub denumirea GPS, realizat si gestionat de Statele Unite ale Americii si sistemul de pozitionare GLObal NAvigation Satellite System (GLONASS), realizat si gestionat de Federatia Rusa.

Cele doua sisteme sunt asemanatoare din punct de vedere al conceptiei, al modului de functionare si al performantelor ce le ofera utilizatorilor, lucrarea urmand a face referiri numai la sistemul american, GPS.

1.1 Componentele sistemului

Sistemul de pozitionare globala GPS s-a pus in miscare incepand cu anul 1973, sub coordonarea Joint Program Office din cadrul U.S. Air Force Command's, Los Angeles Force Base, fiind la origine un sistem de pozitionare realizat in scopuri si pentru utilizare militara, care a devenit in scurt timp accesibil si sectorului civil, capatand o utilizare extrem de larga in multe tari ale lumii, inclusiv in tara noastra dupa 1992.

Acest sistem de pozitionare globala functioneaza pe principiul receptionarii de catre utilizator a unor semnale radio emise de o constelatie de sateliti de navigatie, specializati, care se misca in jurul Pamantului pe orbite circumterestre.

Sistemul a fost astfel proiectat incat permite ca in orice moment si oriunde pe suprafata Pamantului, un mobil aflat in miscare sau in repaus, sa aiba posibilitatea ca utilizand un echipament adecvat, sa isi poata stabili in timp real pozitia si viteza de deplasare pentru un mobil aflat in miscare si numai pozitia pentru un mobil aflat in repaus, intr-un sistem de coordonate geocentric tridimensional, propriu sistemului de pozitionare GPS.

Sistemul de pozitionare GPS, este constituit din trei componente sau segmente principale (Fig.1.1), care asigura functionarea acestuia, dupa cum urmeaza:

1. Segmentul spatial, constituit din constelatia de sateliti GPS;

2. Segmentul de control, constituit din statiile de la sol, care monitorizeaza intregul sistem;

3. Segmentul utilizatorilor, compus din utilizatorii civili si militari, care folosesc receptoare GPS dotate cu antena si anexele necesare;

1.1.1 Segmentul spatial

Constelatia de sateliti GPS a fost proiectata sa contina in faza finala un numar de 24 de sateliti (actualmente functioneaza un numar de 30 sateliti), amplasati pe orbite aproximativ circulare fata de suprafata Pamantului.

Planurile orbitale ale satelitilor au o inclinatie de 55⁰ fata de planul ecuatorial terestru, stelitii evoluad la o altitudine de cca. 20200km., cate 4 sateliti in fiecare dintre cele 6 planuri orbitale.

Fiecare satelit face o rotatie completa in jurul Pamantului in 12 ore siderale, respectiv in 11 ore si 56 de minute locale, zilnic rasaritul si apusul fiecarui satelit facandu-se cu 4 minute mai devreme. Fiecare satelit are o durata de functionare estimata la cca.7 ani, durata care in general a fost depasita, asigurandu-se astfel o siguranta in plus in exploatarea sistemului.

Segmentul spatial, care in prezent este complet, asigura ca la orice ora, in orice loc pe suprafata Pamantului, indiferent de conditiile meteorologice, de perioada din zi sau din noapte, sa se poata receptiona semnale radio de la minimum 4 sateliti dar si mai multi, 6 sau 8, sub un unghi de elevatie de 15⁰ deasupra orizontului, conditii absolut necesare pentru pozitionare.

Principalele functiuni ale segmentului spatial al sistemului si ale fiecarui satelit in parte pot fi sintetizate astfel:

satelitii GPS transmit permanent informatii utilizatorilor prin intermediul unor semnale radio in frecventa nominala fundamentala de 10.23 MHz, din care se genereaza cele doua unde purtatoare L1=1575.42MHz si L₂=1227.60MHz l, timpul generat de ceasurile atomice, efemeridele satelitului, starea echipamentelor auxiliare si alte informatii necesare;

mentin o referinta de timp foarte precisa, prin intermediul cesurilor de la bordul satelitilor GPS;

receptioneaza si inmagazineaza informatiile primite de la segmentul de control;

executa manevre de corectare a orbitelor satelitare;

Satelitii sistemului au fost lansati la diferite perioade de timp si apartin diferitelor "block-uri", dupa cum urmeaza:

- satelitii din "Block-I" sant primii sateliti lansati, modelul spatial fiind compus din 3 planuri orbitale inclinate la 63⁰ fata de planul ecuatorului. Lansarea celor 11 sateliti proiectati s-a efectuat in perioada 1978-1985;

- satelitii din "Block-II" au fost organizati in 6 planuri orbitale inclinate la 55⁰ fata de ecuator si au inceput sa fie lansati in perioada 1989-1995. Satelitii acestui bloc se deosebesc de satelitii primului block prin faptul ca acestia au semnalul in totalite disponibil pentru utilizatorii civili, au implementate tehnicile de protectie ale sistemului, SA (Selective Availability) si AS (Anti-Spufing) si dispun de 4 ceasuri atomice (2 cu Cesiu, 2 cu Rubidiu);

- satelitii din "Block-IIA" (Advanced), sant mai evoluati in sensul ca au posibilitatea sa comunice intre ei si au montate reflectoare laser care permit masuratori de tipul "Satelite Laser Ranging" (SLR). Au fost lansati incepand cu sfarsitul anului 1990;

- satelitii din "Block-IIR" (Relenishment) incep sa inlocuiasca satelitii din Block-ul II, dupa 1996. Acestia sant prevazuti cu ceasuri atomice cu hidrogen, de tip MASER, care au au stabilitate superioara fata de cele cu Cesiu sau Rubidiu. De asemenea acestia dispun de legaturi intersatelitare care permit ameliorarea preciziei de determinare a orbitelor satelitilor;

- satelitii din "Block-IIF" (Follow on) continua lansarile in perioada 2001-2010. Acestia vor putea gestiona eventualele variatii ale frecventei de baza si vor dispune la bord de Sisteme de Navigatie Inertiala (INS);

Proiect: Infiintarea si gestionarea unei firme, oportunitati si riscuri - analiza SWOT Referat: Faza preliminara a cercetarii

Fig. 1.1 Constalatii de sateliti

Fig.1.2 - Statiile de control ale sistemului GPS

1.1.2 Segmentul de control

Segmentul de control al sistemului GPS este constituit din statiile specializate de la sol care actualmente sunt in numar de cinci si sunt dispuse aproximativ uniform in jurul Pamantului, in zona ecuatoriala (Fig.1.2).

Principalele sarcini ale segmentului de control, sunt urmatoarele:

segmentul de control urmareste permanent prin statii de la sol satelitii sistemului, prelucrand datele receptionate in vederea calcularii pozitiilor spatio-temporale ale acestora ( efemeride), care apoi sant transmise la sateliti;

controleaza ceasurile satelitilor comparandu-le cu un ceas atomic cu hidrogen, de tip MASER;

- calculeaza corectiile orbitale, care sunt transmise la fiecare satelit si operate de motoarele racheta proprii de corectare a orbitei;

activeaza prin comenzi de la sol, la momentul dorit sau necesar, sistemele de protectie SA (Selectiv Availability) si AS (Anti - Spoofing), ale sistemului;

- stocheaza datele noi receptionate de la sateliti;

- calculeaza efemeridele prognozate (Broadcast) pentru urmatoarele 12 sau 24 de ore pe care le transmite la segmentul spatial;

- executa intregul control asupra sistemului;

Cele 5 statii la sol care formeaza segmentul de control al sistemului de pozitionare GPS au urmatoarele clasificari si atributii:

statia de control principala (Master Control Station), amplasata la Colorado Springs in Statele Unite, centralizeaza datele receptionate de la sateliti de statiile monitoare de la sol, prelucreaza aceste date pentru prognozarea orbitelor satelitilor (efemeridelor), si executa calculul corectiilor acestora precum si ale ceasurilor, date, care apoi se transmit la statiile de control ale sistemului pe care acestea le incarca la segmentul spatial, sub o forma care constituie mesajul de navigatie, receptionat de utilizatori;

statiile monitor ale segmentului de control sunt amplasate dupa cum urmeaza: insula Hawai (estul oceanului Pacific), insula Kwajalein (vestul oceanului Pacific), insula Diego Garcia (vestul oceanului Indian) si insula Ascension (oceanul Atlantic). Fiecare dintre aceste statii impreuna cu statia principala receptioneaza permanent semnalele de la satelitii vizibili, inregistreaza datele meteorologice si parametrii ionosferici pe care le transmit pentru prelucrare la statia principala;

statiile de control la sol, amplasate langa statiile monitor din insula Kwajalein, insula Diego Garcia si insula Ascension si care de fapt sunt antene la sol cu ajutorul carora se realizeaza legatura permanenta cu satelitii sistemului si prin care se transmit efemeridele, corectiile orbitelor si ale ceasurilor atomice, precum si alte date necesare bunei functionarii a sistemului.

Pentru calculul efemeridelor precise, necesare in special prelucrarii masuratorilor GPS cu utilizare in geodezie-geodinamica, se folosesc masuratori si de la alte cinci statii terestre.

1.1.3 Segmentul utilizatori

Acest segment e constituit din totalitatea utilizatorilor detinatori de receptoare GPS cu antena, in functie de calitatile receptorului si antenei, rezultand acuratetea preciziei de pozitionare sau a elementelor de navigatie. Receptoarele geodezice sunt receptoarele cele mai precise si opereaza cu lungimile de unda purtatoare L₁ si L₂ precum si codul C/A sau P.

Daca la nivelul anului 1990 existau cca. 9000 de utilizatori GPS, la nivelul anului 2000 se estimau cca. 500000 utilizatori GPS care pe grupe mari de activitati reprezentau urmatoarele cifre si procente[NGS 1994]:

1.1.4 Structura semnalului

Acuratetea sistemului de pozitionare GPS este asigurata de faptul ca toate componentele semnalului satelitar sunt controlate de ceasuri atomice.

Satelitii GPS din Block II prin ceasurile atomice de la bord, 2 cu cesiu si doua cu rubidiu, asigura o stabilitate pe perioada indelungata de 10^-12 - 10^-14secunde.

Satelitii din Block IIR, dotati cu ceasuri atomice MASER, cu hidrogen, asigura pe perioada indelungata o stabilitate echivalenta cu 10^-14 - 10^-15secunde.

Aceste ceasuri atomice, de foarte mare precizie, asigura realizarea unei frecvente fundamentale f₀ = 10.23 Mhz, in banda L.

Avand in vedere faptul ca lungimea de unda este data de relatia:

(1.1)

unde: v = c = 299 792 458 m/s (viteza luminii in vid)

f₀ = 10.23 * 10⁸ Hz (1.2)

rezulta:

(1.3)

Frecventa fundamentala "f₀", este la originea a trei parti fundamentale ale semnalului transmis de satelitii GPS si anume:

componenta portanta, care contine cele 2 unde sinusoidale L₁ si L₂;

componenta activa, care contine 2 coduri numite C/A si P ;

componenta mesaj, care contine codul D;

Cele doua unde portatoare, sunt generate prin multiplicarea frecventei fundamentale cu 154, pentru L₁ si respectiv 120, pentru L₂. Frecventele si lungimile de unda rezultate au urmatoarele valori:

(1.4)

(1.5)

Sistemul a fost proiectat cu doua frecvente, conditie teoretica indispensabila pentru eliminarea diverselor cauze de manifestare ale unor erori, cum ar fi erorile sistematice care au ca efect imediat intarzierea semnalului radio emis de satelitii GPS, datorata in principal erorilor generate de efectele erorii de ceas, refractiei ionosferice, troposferice, etc.

Determinarea distantei de la satelit la receptorul GPS terestru, esentiala pentru pozitionarea acestuia, este indispensabil legata de determinarea, cat mai precisa, a timpului de propagare al undei de la satelit la receptor, masuratoare care se realizeaza cu ajutorul codurilor generate de un algoritm cu periodicitate in timp, care moduleaza frecventele portantelor.

Aceste coduri supranumite pe acest motiv "pseudo-cazuale" sau PRN (Pseudo Random Noise) sunt utilizate sub urmatoarele denumiri:

    (1.6)

               (1.7)

Codul C/A este liber pentru utilizatorii civili si moduleaza numai lungimea de unda portanta L₁. Acest cod se repeta la fiecare milisecunda si furnizeaza informatii privind identificarea satelitului receptionat.

Codul P este codul rezervat utilizatorilor militari precum si altor utilizatori privilegiati si moduleaza lungimile de unda ale portantelor L₁ si L₂ decalate cu p/2, decalaj care se repeta saptamanal.

Codul D reprezinta codul de navigatie, are o frecventa f_D =f₀/204800 = 50 Hz, care contine informatiile privitoare la efemeridele satelitilor si parametrii reali pentru calculul pozitiei lor, starea acestora si informatii privind ceasurile de la bord.

Receptoarele de mici dimensiuni, utilizate exclusiv pentru navigatie, receptioneaza numai codurile C/A si D si asigura o pozitionare absoluta in precizia de +/- 100m.

Complexitatea semnalului GPS este deosebita si ea poate fi motivata de o serie de conditii pe care trebuie sa le asigure, printre care putem aminti:

- sistemul de pozitionare GPS, este in primul rand un sistem militar, fiind insa utilizat de un numar mare de utilizatori civili si militari, pe care trebuie sa ii pozitioneze mai mult sau mai putin precis in functie de preocuparile si specificul activitatii pe care o desfasoara,m precum si in functie de receptoarele de care beneficiaza;

- utilizatorii care dispun de posibilitatea de masurare a "codurilor", pot beneficia de pozitionare in timp real, cu anumite date privind corectiile distantelor provenite de satatiile permanente DGPS, amplasate in zonele costiere sau pe uscat, care transmit datele pentru diversi utilizatori in formatul standardizat RTCM (Radio Tehnical Commiion for Maritim Services Format);

- utilizatorii care pot masura fazele, pot realiza o pozitionare de precizie, pe care o obtin in postprocesare;

- utilizatorii care dispun de receptionarea semnalului GPS in doua frecvente dispun de posibilitatea de eliminare a erorilor sistematice, generate de efectul influentei refractiei ionosferice si troposferice;

Actualmente este in discutie posibilitatea de implementare a unei a treia lungimi de unda, denumita L₅, care sa fie folosita exclusiv de utilizatorii civili [Cina 2000], realizandu-se astfel o separare complecta de utilizatorii militari ai sistemului GPS.

1.2 Pozitionarea cu ajutorul tehnologiei GPS

Ca problema practica, pozitionarea cu ajutorul tehnologiei GPS se realizeza prin determinarea distantelor dintre punctul de statie si satelitii GPS vizibili, matematic fiind necesare masuratori la minimum 4 sateliti. Acest numar de sateliti este necesar pentru a ne putea pozitiona cat se poate de precis, numai pe baza distantelor masurate la sateliti.

Daca am avea masuratori la un singur satelit si am cunoaste pozitia acestuia, cu o singura distanta, pozitia noastra in spatiu ar fi pe o sfera cu centrul in pozitia satelitului si cu raza, distanta masurata.

Masurand distante la doi sateliti pozitia noastra se "imbunatateste", in sensul ca ne aflam pe un cerc generat de intersectia celor doua sfere care au in centru cei doi sateliti si in functie de distanta dintre acestia, cercul nostru de pozitie are o raza mai mare sau mai mica. Pozitia noastra se imbunatateste substantial in momentul in care avem masuratori si la un al treilea satelit, care deja ne localizeaza in doua doua puncte din spatiu. Aceste doua puncte sunt date de intersectia ultimei sfere, cu centrul in cel de al treilea satelit, cu cercul generat de primele doua sfere determinate. Sigur ca in acest moment putem, relativ usor, sa ne stabilim punctul in care ne aflam, insa pentru a fi rigurosi este necesara a patra masuratoare fata de un al patrulea satelit si atunci in mod cert puncul pozitionarii noastre va fi unic.

Pozitionarea se realizeaza cu ajutorul retrointersectiei spatiale de distante, in sistemul de referinta, reprezentat de elipsoidul WGS84. Fata de coordonatele spatiale care definesc permanent pozitia fiecarui satelit GPS (S^j) , in acest sistem de referinta, coordonatele spatiale ale oricarui punct de pe suprafata Pamantului (P_i) se pot determina cu deosebita precizie prin intermediul masurarii unui numar suficient de distante de la satelitii receptionati de receptorul din punctul P.

Dupa cum se poate vedea din Fig.1.3, vectorial, pozitia punctului P este rezolvata prin determinarea vectorului de pozitie R:

(1.8)

(1.9)

Vectorul "r " , reprezinta vectorul de pozitie al satelitului observat la momentul "t", vectorul "r" reprezinta vectorul distanta de la punctul considerat la satelit, iar vectorul "R" rezultat din formula (1.9), reprezinta vectorul de pozitie al punctului P.

Distanta geometrica (Fig.1.3) poate fi exprimata de relatia:

(1.10)

Pozitionarea cu ajutorul tehnologiei GPS se poate face in diferite modalitati:

Fig.1.3 - Vectorul spatial care se masoara

Pozitionare absoluta: coordonatele punctului P sunt determinate intr-un sistem de pozitionare globala, masuratorile pentru determinarea coordonatelor spatiale ale punctului P facandu-se cu doua receptoare GPS, din care unul amplasat pe un punct care are deja coordonate tridimensionale determinate intr-un sistem de referinta global (WGS84, ITRFxx, EUREF, etc).

Pozitionare relativa: sunt determinate diferentele de coordonate intre doua puncte sau componentele vectorului (baseline), ce uneste cele doua puncte stationate cu receptoare GPS. Prin aceasta modalitate se reduc sau se elimina erorile sistematice (bias), de care este afectata distanta dintre cele doua puncte.

Pozitionare diferentiala: este asemanatoare,ca procedeu, cu pozitionarea absoluta cu deosebirea ca eroarea care afecteaza distanta de la satelit la receptor este calculata si aplicata in timp real, ca o corectie diferentiala, data de catre receptorul care stationeaza pe un punct de coordonate cunoscute (base), catre receptorul care stationeaza in punctul nou.

Ca si la pozitionarea relativa, sunt eliminate sau diminuate erorile sistematice care afecteaza masuratorile GPS.

Masuratorile GPS, in geodezie sau ridicari topografice, se pot executa prin doua metode principale, care in functie de situatie, de aparatura, etc. au fiecare diferite variante:

Metoda statica care presupune masuratori cu doua sau mai multe receptoare GPS, amplasate pe punctele care urmeaza sa fie determinate si care sunt stationate, simultan, o perioada mai mare de timp, denumita sesiune de observatii. Durata acesteia este stabilita in functie de lungimea laturilor, numarului de sateliti utilizabili, de geometria segmentului spatial observabil, evaluata de PDOP (Position Dilution of Precision), precum si de precizia de determinare a punctelor noii retele.

Metoda cinematica presupune masuratori cu doua sau mai multe receptoare, din care unul amplasat pe un punct cu coordonate cunoscute (base) si restul recepoarelor sunt in miscare continua sau cu stationari foarte scurte.

In functie de metoda de masurare (achizitie a datelor), coordonatele se pot obtine prin post-procesare sau in timp real, situatie in care coordonatele sunt disponibile la teren.

In toate cazurile problema de baza este de a determina distanta (range) intre receptor si satelitii GPS, care se poate realiza prin doua doua tipuri de observatii:

Masurarea fazei codurilor din componenta activa a semnalului.

Masurarea fazei purtatoarei semnalului (carrier phase).

Aceasta a doua metoda de realizare a masuratorilor GPS, prezinta o importanta deosebita pentru aplicarea acestei tehnologii in domeniul geodeziei.