Global Positioning Sistem

1. SISTEMUL GPS

A devenit foarte utilizat la scara mondiala un mod de a determina precis pozitia geografica a unui receptor. Sistemul, initiat si construit de ministerul Apararii din SUA este cunoscut marelui public prin initialele sale GPS, initiale care provin de la denumirea Global Pozition System.

Practic sistemul GPS se refera la un grup de sateliti apartinând Ministerului Apararii al USA, sateliti care se învârt constant pe traiectorii circulare în jurul pamântului. Satelitii transmit semnale radio de putere mica permitând tuturor celor care poseda un receptor GPS sa li se determine pozitiilor oriunde pe suprafata pamântului.

Acest sistem remarcabil de sateliti nu a fost tocmai simplu si ieftin de construit, costurile ridicându-se la miliarde de dolari cheltuiti de Administratia americana. La acestea s-au adaugat cheltuieli suplimentare datorate operatiunilor de întretinere (mentenanta), înlocuire. a unui satelit etc.

Initial receptorul GPS reprezinta un dispozitiv conectat la calculator ce permitea identificarea anumitor coordonate. Proiectantii nu au prevazut de pe atunci ca va veni o zi când vom avea posibilitatea sa avem la noi un mic receptor portabil, cu o greutate foarte mica, care va fi capabil sa ne indice nu numai coordonatele locului în care ne aflam (latitudine / longitudine) dar si sa ne localizeze pe o harta electronica. Acest proiect a avut ca scop aplicatii militare dar, din fericire, un decret dat în anul 1980 în SUA a permis raspândirea sistemului si în domeniile de aplicatii civile astfel încât astazi oricine se poate bucura de facilitatile oferite de sistemul GPS. Sistemul GPS poate fi întrebuintat în multe domenii: pe uscat, pe mare, în aer sau oriunde se poate receptiona în bune conditii semnalul de la sateliti. Se prefera totusi a nu se folosi în spatii închise, cum ar fi: interiorul cladirilor, pesteri, sau alte spatii subterane, în apa, acolo unde semnalul de la satelit poate fi receptionat distorsionat sau, datorita reflexiilor, cu un grad de eroare ce îl face neutilizabil.

Receptoarele obisnuite GPS pot identifica cu precizii de pâna la 5m diferite coordonate pe pamânt dar exista si variante de receptoare mai sofisticate care pot identifica pozitii cu precizie de câtiva centimetri. În principal, sistemele de receptie GPS se bucura de o deosebita apreciere printre acei pasionati care practica alpinismul, vânatoarea, explorarea, si lista poate continua. GPS si-a facut aparitia si în traficul rutier acolo unde poate identifica pozitia actuala a autovehiculului si, în urma unor calcule efectuate, poate sugera noi trasee pe o harta electronica.

1.1. CELE 3 SEGMENTE ALE SISTEMULUI GPS

Întregul sistem de sateliti este alcatuit din 3 segmente esentiale necesare functionarii sistemului GPS.

- segmentul "spatiu" reprezentând constelatia de sateliti;

- segmentul "control" care cuprinde statiile de la sol;

- segmentul "utilizator" care reprezinta orice utilizator.

În cele ce urmeaza se va explica mai în detaliu fiecare segment în parte

1.1.1. SEGMENTUL SPATIU

Segmentul spatiu este alcatuit dintr-o retea de 24 de sateliti care reprezinta esenta sistemului. Satelitii sunt plasati pe câte o orbita care se afla la o distanta de 12000 mile de suprafata pamântului. Operarea la o înaltime atât de mare permite semnalelor sa aiba o arie mare de acoperire. Satelitii sunt pozitionati pe orbita astfel încât un receptor de la sol sa aiba în vizor oriunde si oricând un numar de 4 sateliti. Ei se deplaseaza cu o viteza de 7000 de mile pe ora astfel ca au posibilitatea de a înconjura pamântul o data la 12 ore.

Acest sistem este proiectat astfel încât un numar de 4 sateliti vor fi vizibili din orice punct de pe suprafata pamântului sub un unghi de 15 grade. Ca surse de energie folosesc energia solara si din calculul datelor tehnice durata de viata a unui satelit este estimata la aproximativ 10 ani. Daca un satelit nu mai beneficiaza de energie solara are ca rezerva o sursa de energie secundara reprezentata de un grup de acumulatoare necesare pentru a se evita conditiile de functionare necorespunzatoare ce pot aparea. Primii sateliti GPS au fost lansati în spatiu în anul 1978, întreaga constelatie de 24 de sateliti realizându-se abia în 1994.

Fiecare satelit transmite semnale radio de putere scazuta pe câteva frecvente destinate acestui scop (L1,L2). Receptoarele GPS civile primesc semnale de la satelit pe frecventa L1=1575,42MHz în banda UHF. Semnalul de la satelit se transmite în linie dreapta ceea ce înseamna ca va reusi sa treaca prin nori, sticla si plastic dar nu va putea sa fie interceptat prin marea majoritate a obiectelor solide (cladiri, munti, etc.). Semnalul L1 receptionat de receptorul GPS este un semnal pseudoaleator care contine în esenta doua coduri: unul de protectie (codul P) si unul brut de achizitie (codul A/C).

Fiecare satelit transmite un cod unic, ceea ce face posibila identificarea fiecaruia în parte. Scopul principal al acestor doua semnale codificate este de a permite calcularea timpului cât unda ajunge de la satelit la receptor. Acest timp este adesea numit timpul de sosire. Acest timp înmultit cu viteza de propagare a semnalului permite aflarea distantei satelit - receptor. Mesajul pe care îl transmite satelitul contine date despre pozitia pe orbita, timpul, starea generala a sistemului si un model de calcul al întârzierilor prin ionosfera. Pe de alta parte, satelitii folosesc frecvente de tact provenite de la un asa numit ceas atomic.

Daca revenim putin asupra aspectului legat de banda de transmisie putem afirma ca aceste frecvente emise de satelit pe pamânt deriva de la o frecventa fundamentala de 10.23 MHz generata de un ceas atomic. Purtatoarea L1 este transmisa la frecventa de 1575.42MHz care reprezinta frecventa fundamentala înmultita cu 154. Purtatoarea L2 este transmisa pe o frecventa de 1227.60MHz care reprezinta frecventa fundamentala multiplicata cu120.

Purtatoarea L1 contine doua coduri modulatoare (C/A) si (P) primul la frecventa de 1.023MHz care reprezinta frecventa fundamentala divizata eu 10 si al doilea cod P modulat la frecventa de 10.23MHz care reprezinta frecventa fundamentala multiplicata cu 10. Purtatoarea L2 contine doar un cod modulator, tot de protectie (P), cu frecventa de 10.23MHz. Aceste coduri sunt esentiale în principal pentru a se putea identifica fiecare satelit în parte în functie de codul pe care îl transmite.