Cate ceva despre GPS (Global Positioning System)

Sistemul GPS (Global Positioning System) este un sistem de radionavigatie prin satelit care permite identificarea oricarei pozitii pe glob, prin receptionarea semnalelor de pozitionare prin satelit. Acest sistem poate determina pozitia curenta (longitudine, latitudine, altitudine), viteza si ora precisa in orice moment de timp.

Descriere generala
La inceputul anilor 1960, Departamentul de Aparare (DoD) din Statele Unite ale Americii a conceput un sistem destinat fortelor armate aeriene si navale, cu ajutorul caruia se putea determina cu o precizie de 200-500 m pozitia unui punct pe glob. Acest sistem putea oferi doua dimensiuni: longitudinea si latitudinea. In timp, odata cu perfectionarea sistemului, prin marirea numarului de sateliti lansati si prin utilizarea unor noi tehnologii de realizare a echipamentelor, s-a ajuns ca sistemul de navigatie sa ofere si o a treia dimensiune: altitudinea.

Datorita performantelor obtinute, sistemul GPS (denumirea militara fiind NAVSTAR – Navigational Sistem Tracking and Range) s-a dezvoltat rapid la scara mondiala, astfel incat a cuprins atat domeniul militar (caruia ii era destinat) cat si pe cel comercial si chiar, mai nou, personal.
Acest sistem este constituit din trei sectoare: sectorul spatial, sectorul de control si sectorul utilizatori.

Componentele sistemului GPS

Sectorul spatial include in prezent 24 de sateliti amplasati pe orbite circulare, repartizati pe sase planuri, inclinate la aproximativ 55° fata de ecuator, la o altitudine de aproximativ 20 200 km de Pamant, cu o perioada de revolutie de 11 ore si 58 minute si o viteza de circa 3.9Km/s. Amplasarea lor orbitala permite ca de pe orice pozitie de pe glob sa existe in vizibilitate directa intre sase si zece sateliti. Satelitii au o durata de viata de 10 ani, sunt dotati cu ceasuri atomice de foarte mare precizie si transmit semnale radio sub forma a doua unde: L1, cu o frecventa de 1575,42 MHz si L2, cu o frecventa de 1227,60 MHz. Dintre acestea, doar L1 poate fi folosita de catre utilizatorii civili, L2 avand doar utilizatori militari.
Sectorul de control este alcatuit din cinci statii de control repartizate pe glob, cea care controleaza intregul sistem fiind statia de la Baza Aeriana Falcon din Colorado Springs (S.U.A.). Rolul acestor statii este de a receptiona continuu semnalele tuturor satelitilor in vederea calcularii pozitiei fiecarui satelit, verificarii preciziei ceasurilor atomice si corectarii erorilor care pot interveni.

Sectorul utilizatori este constituit din totalitatea utilizatorilor (civili si militari) care folosesc un receptor GPS. Un receptor GPS este un aparat capabil sa receptioneze semnalele emise de sateliti si, in functie de acestea, sa determine pozitia lui pe glob. De mentionat ca GPS-ul utilizeaza sistemul WGS 84 (World Geodetic Sistem 1984) de coordonate pentru pozitionarea pe suprafata Pamantului.

Amplasamentul satelitilor din reteaua GPS

Principii de functionare
Pentru a putea determina coordonatele unui punct de pe suprafata Pamantului (sau din apropierea acesteia) este nevoie de semnale provenind de la cel putin patru sateliti. Stabilirea pozitiei spatiale a unui punct se poate face prin determinarea pseudo-distantei sau prin determinarea fazei.
In primul caz (cel al determinarii pseudo-distantei), determinarea distantei fata de satelit se face pe baza diferentei de timp necesare semnalului emis de satelit sa ajunga la receptor. Cunoscand intervalul de timp si ca viteza propagarii semnalului este de 300 000 km/sec (viteza luminii), se poate determina distanta. Pentru a determina foarte precis intervalul de timp necesar semnalului emis de satelit sa ajunga la receptor, acesta din urma emite un semnal identic, care va fi decalat fata de cel provenit de la satelit. Acest decalaj se poate masura foarte precis. Fiecare satelit poate fi identificat pe baza unui numar atribuit (PRN – Pseudo Random Number), numar care este inclus in semnalul radio emis. In prezent aceasta este metoda utilizata in mediul forestier.

Stabilirea pozitiei spatiale a unui punct utilizand semnalele GPS de la mai multi sateliti

In al doilea caz (cel al determinarii fazei) distanta satelit-receptor este impartita intr-un numar intreg de lungimi de unda si o fractiune de lungime de unda. Aceasta metoda necesita utilizarea unui receptor capabil sa determine aceasta valoare. Este mult mai precisa (10-20 mm), dar necesita o stationare de cel putin 10 minute intr-un punct, timp in care receptorul trebuie sa fie absolut imobil si sa nu fie perioade fara semnal GPS. Aceste conditii fac imposibila utilizarea acestui tip de masuratori in padure, datorita pierderilor frecvente de semnal.

Mod de functionare
Receptia semnalelor emise de sateliti si calculul pozitiei se poate face in doua moduri: in mod autonom (absolut) si in mod diferential (in timp real sau in post-procesare).
In modul autonom (absolut) se foloseste un singur receptor GPS. Pana la 1 mai 2000 se obtinea pozitia unui punct in timp real, dar cu o precizie mica (±100 m sau <10m pentru uz militar), datorita in special unui bruiaj (Selective Availability – SA) introdus de catre Departamentul Apararii al S.U.A. Modul absolut era folosit in cazuri in care nu se cerea o precizie mare ca de exemplu: navigare pe mare, raliul Paris-Dakar, etc. Incepand cu 1 mai 2000 Casa Alba a aprobat intreruperea bruiajului, obtinandu-se asfel o precizie de 10-15 m.

Stabilirea pozitiei spatiale a unui punct in mod absolute

Modul diferential (dGPS) presupune folosirea a doua receptoare GPS dintre care unul va fi statie de baza, instalata intr-un punct cu coordonate cunoscute astfel incat se va putea masura diferenta dintre coordonatele punctului cunoscut si cele rezultate pentru acelasi punct din analiza semnalelor GPS. Diferentele calculate vor fi folosite pentru corectarea coordonatelor determinate cu un receptor mobil in alte puncte din zona respectiva. Acest mod de lucru este foarte precis (1-5 cm), dar distanta dintre receptorul mobil si statia de baza nu trebuie sa depaseasca 30 km.

Stabilirea pozitiei spatiale a unui punct in mod diferential

Principalii factori care influenteaza precizia masuratorilor sunt in principal urmatorii:
1) tipul de receptor GPS (in principal numarul de canale);
2) numarul de sateliti vizibili la un moment dat (minimum patru pentru a lucra in trei dimensiuni);
3) reflectarea semnalului GPS de catre cladiri, arbori sau alte obstacole, factor destul de dificil de cuantificat. Pentru a diminua influenta acestui factor este indicata utilizarea unor antene de buna calitate;
4) distanta dintre receptorul mobil si statia de baza atunci cand determinarile se fac in modul diferential (precizia scade in general cu 1mm/km);
5) “inaltarea” satelitilor deasupra orizontului (unghiul facut de acestia cu orizontul). Satelitii care au acest unghi mai mare de 15º ofera o pozitionare mai exacta si o limitare a erorilor determinate de un traseu prea lung prin atmosfera al semnalului GPS.
6) in cazul in care se lucreaza in timp real apar erori legate de diferenta de timp dintre momentul in care semnalul GPS este inregistrat de statia de baza si momentul in care
aceasta corectie diferentiala (in general sub forma de semnal RTCM – Radio Techical Commision for Marine) este utilizata de catre receptorul GPS;
7) PDOP (Position Dilution Of Precision) este un coeficient de diminuare a preciziei ca urmare a pozitionarii satelitilor vizibili. Acesta include: GDOP (Geometric Dilution Of Precision) si TDOP (Time Dilution of Position), determinat de precizia masurarii timpului.
In plus: GDOP = VDOP + HDOP unde:
– VDOP (Vertical Dilution of Position) este determinat de aranjarea in plan vertical a satelitilor si se recomanda ca valoarea PDOP sa nu depaseasca valoarea 6.
– HDOP (Horizontal Dilution of Precision) este determinat de aranjarea in plan orizontal a satelitilor.
8) SNR (Signal to Noise Ratio) reprezinta intensitatea semnalului GPS si se recomanda ca aceasta  sa fie mai mare decat 6.

Influenta pozitiei satelitilor asupra preciziei masuratorilor GPS

Sistemul GPS individual se pare ca vrea sa “devina” de neinlocuit in asigurarea navigatiei terestre, aeriene sau navale si constituie o mare preocupare a cercetatorilor din domeniul sistemelor de telecomunicatii si radionavigatie.
Practic, cu ajutorul receptoarelor GPS, montate pe orice tip de vehicul, nava sau aparat de zbor, se poate calcula distanta pana la pozitia de destinatie, se poate memora ruta ce urmeaza a fi parcursa si informatiile legate de punctul de destinatie, se poate afisa ruta deja parcursa etc.
Prin arhivarea si inregistrarea datelor intr-un sistem centralizat, computerizat, s-au realizat harti ale teritoriilor care pot fi folosite in gasirea rutei optime, a distantei pana la destinatie, a pozitiei curente, a distantei parcurse etc.
Datorita identificarii cu precizie a oricarei pozitii pe glob in orice moment de timp cu un receptor portabil la un pret din ce in ce mai scazut (datorita dezvoltarii tehnologice actuale) si datorita posibilitatii interconectarii cu sistemele de procesare si analiza, sistemul GPS are o sfera de cuprindere din ce in ce mai mare si a devenit un domeniu de interes mondial pentru ca prezinta performante greu de atins in alte sisteme de radionavigatie. Posibilitatea de diferentiere a utilizatorilor si protejarea informatiilor vehiculate confera sistemului GPS siguranta si fiabilitate.
Sistemul de navigatie rutiera (comecializat sub numele de “navigator” sau pur si simplu “GPS”) este de fapt dispozitivul care, prin intermediul unui receptor, primeste informatiile primite de la sateliti si, cu ajutorul unui program special conceput ce contine o harta digitala cu drumurile si punctele de interes, interpreteaza, transforma, transpune aceste informatii intr-o interfata grafica. De asemenea, acesta poate prezenta (printr-un canal radio dedicat) informatii despre inchiderile sau conditiile de drum si despre aglomeratia din trafic printr-un serviciu suplimentar numit TMC (Traffic Message Chanel) ce functioneaza in Europa de Vest si America de Nord, dar nu poate furniza informatii privind conditiile meteo sau alti factori care pot afecta siguranta sau timpul la volan.
Sistemele GPS care se gasesc la noi pe piata sunt de doua feluri: sisteme dedicate (formate doar din receptorul GPS) si sisteme combinate (cum ar fi telefoanele mobile sau PDA-urile – Personal Digital Assistant – dotate cu un modul GPS). Sistemele dedicate au avantajul ca sunt foarte usor de folosit si au ecranul mare dar, in schimb, nu functioneaza decat cu un singur soft si nu pot fi folosite decat pentru navigatie. Sistemele combinate pot fi folosite la mai multe lucruri, softul poate fi schimbat sau actualizat si, ca dezavantaj, au ecranul mai mic si sunt mai putin precise.
Tot pe baza sistemului GPS exista diferite solutii de management a flotelor de masini care se bazeaza pe web, permitand monitorizarea vehiculelor si anume locatia, consumul de combustibil, viteza, traseu etc.
Asa cum am mai zis, aplicatiile sistemelor GPS sunt numeroase, unele chiar destul de… “casnice” ca sa zic asa: daca atunci cand sunteti departe de iubita sau iubitul vostru si vreti sa va poata spune cu exactitate unde este, un cadou potrivit ar putea fi un astfel de sistem de pozitionare global. ? Cu ajutorul acestuia, jumatatea voastra isi poate determina pozitia pe glob cu o marja de eroare de cativa metri si va poate asigura, prin telefon, ca nu s-a ratacit.
Eu personal detin un dispozitiv cu GPS si anume un smartphone de la Asus, despre care v-am vorbit acum ceva timp, de care sunt foarte multumit.

Comenteaza