Studiul critic comparativ al sistemelor de poziționare geografică

I. TEHNOLOGIA GPS

1.1 SISTEMUL DE REFERINTA GPS

De-a lungul timpului oamenii au dezvoltat mai multe modalităţi de determinare a poziţiei unui punct şi a modului de deplasare de la un punct la altul. La început marinarii foloseau pentru orientare măsurători de unghiuri dintre stele, Soare şi Lună şi în urma unor calcule laborioase determinau poziţia observatorului. Anii 1920 sunt martorii introducerii în navigaţie a unei tehnologii revoluţionare - radionavigaţia - care la început permitea navigatorilor să stabilească direcţia de unde vine semnalul radio de la staţiile aflate pe mal atunci când navele se aflau în raza de acţiune a emiţătorului. Mai târziu, evoluţia sateliţilor artificiali a permis transmiterea unor semnale de navigaţie mai precise şi a deschis o nouă eră în tehnologia de navigaţie. Sateliţii au fost utilizaţi prima dată pentru aflarea poziţiei într-un sistem bidimensional folosit de marina americană şi numit TRANSIT. Acest sistem a fost precursorul actualului sistem GPS.

NAVSTAR GPS, corespunde denumirii de NAVigation System with Timing And Ranging – Global Positioning System adică sistem de poziţionare globală pentru asistarea navigaţiei bazate pe măsurările de timp şi de distanţe relative a sateliţilor.

GPS-ul este deci un sistem de poziţionare globală, adică un sistem datorită căruia, pornind de la poziţiile mobile de-a lungul orbitelor a sateliţilor, poate fi determinată poziţia punctelor aflate în oricare parte a Terrei. Sistemul de referinţă trebuie de aceea sa fie geocentric, unic pentru tot globul şi fix cu privire la mişcarea Pământului. Sistemul adoptat pentru GPS este sistemul conform WGS’84 (Sistemul geodezic mondial 1984) schematizat în figura 1.

Poziţia sateliţilor de-a lungul orbitei lor cât şi poziţia punctelor de pe suprafaţa terestră determinate cu ajutorul sateliţilor este dată de cele trei coordonate ortogonale X, Y, Z raportate la originea unui sistem ce este descris în continuare (Fig 1). Axa Z a acestui sistem este paralelă cu direcţia polului terestru (CTP) definit în 1984 de Bureau International de l’Heure (BIH acum IRS). Axa X este definită de intersecţia planului meridianului de referinţă la WGS’84 cu planul ecuatorului conform polului terestru. Meridianul de referinţă este paralel cu meridianul zero definit de BIH. Axa Y este situată pe planul ecuatorial şi este perpendiculară pe axa X. Valorile coordonatelor cresc de la stânga la dreapta.

La acest sistem de coordonate caracteristic GPS-ului este asociat un elipsoid (elipsoidul GRS80) având aceeaşi origine cu sistemul cartezian. Coordonatele X şi Y din sistem GPS pot fi uşor transformate în coordonate geografice (latitudine şi longitudine) raportate la un elipsoid. Cotele furnizate de receptorii GPS sunt şi ele raportate la suprafaţa elipsoidului prezentat anterior. Pentru o serie de aplicaţii, cum ar fi navigaţia de exemplu, coordonatele GPS (carteziene sau geografice) pot fi utilizate direct. Pentru a folosi coordonatele GPS in geodezie sau in topografie, acestea trebuie sa fie trnasformate in mod oportun.

În geodezie şi topografie sunt luate în considerare trei suprafeţe distincte:

• Suprafaţa fizică terestră, pe care sunt efectuate măsurătorile;

• Suprafaţa de referinţă (elipsoidul), în raport cu care este determinată poziţia planimetrică a punctelor suprafeţei fizice;

• Geoidul, în raport cu care este determinată poziţia altimetrică a punctelor suprafeţei fizice.

Suprafaţa geoidului este determinată de nivelul mediu al mării. Aceasta este deci suprafaţa care se obţine dacă suprafaţa liberă a mărilor şi oceanelor ar fi pusă în comunicare şi dacă ar fi pătruns sub continente înconjurând întreaga planetă. Forma geoidului este foarte aproape de aceea a unui elipsoid de rotaţie turtit la poli dar suprafaţa sa nu este o suprafaţă geometrică regulată. Ondulaţiile mai mult sau mai puţin accentuate ale geoidului se datorează diferenţelor de densitate care există din loc în loc pe Terra.

Suprafaţa elipsoidului de referinţă este în schimb o suprafaţă geometrică regulată, definită astfel încât să aproximeze cât mai bine geoidul pentru teritoriul considerat. Deoarece forma geoidului nu este uniformă, pentru realizarea cartografiei naţionale, diferite state sau grupuri de state folosesc elipsoizi de referinţă diferiţi aleşi astfel încât să aproximeze cât mai bine geoidul în cadrul teritoriului de interes.

Recurgând la metode adecvate de transformare şi folosind un anumit număr de puncte notate în cele două sisteme, este posibilă trecerea, fără probleme particulare, ale coordonatelor X şi Y ale GPS la coordonate corespunzătoare în sistemele geodezice naţionale. Problema este de fapt în ceea ce priveşte cotele.

1.2 EVOLUTIA SISTEMULUI GPS

În anul 1973 „U.S.Department of Defence”, din Ministerul Apărării a S.U.A, lansase o comandă către „Joint Program Office din Los Angeles Air Force Base”, să elaboreze concepţia unui sistem de poziţionare bazat pe sateliţi, care să permită navigaţia: adică să ofere poziţia şi viteza unui obiect oarecare ce se află în mişcare sau în repaus. În plus se mai solicita să fie asigurate şi informaţii de timp foarte precise. Rezultatul trebuia să fie în timp real, adică să fie la dispoziţia utilizatorului imediat după măsurare. De asemenea se pretindea noului sistem să funcţioneze independent de starea vremii, la orice oră din zi sau din noapte şi în orice punct de pe suprafaţa sau în apropierea Pământului (pe pământ, pe apă şi în aer).

Rezultatul comenzii a fost: NAVSTAR GPS, sau mai simplu GPS, notaţie folosită în mod obişnuit pentru sistem, corespunzând denumirii de NAVigation System with Timing And Ranging – Global Positioning System adică sistem de poziţionare globală pentru asistarea navigaţiei bazate pe măsurările de timp şi de distanţe relative a sateliţilor.

Pentru a îndeplini condiţiile sus amintite au fost stabilite următoarele caracteristici generale:

• Orbite satelitare înalte – care asigură avantajul că se solicită un număr mai redus de sateliţi, iar stabilitatea acestora pe orbite este mult mai ridicată;

• Orbite satelitare înclinate – care asigură avantajul că pot fi observate şi în zonele polare, evitând astfel o aglomerare de sateliţi în zona polilor;

• Repartizarea uniformă a sateliţilor pe orbite – care asigură avantajul că se realizează o acoperire completă şi cu efort minim a zonelor de pe glob şi în plus sateliţii pot fi bine supravegheaţi şi controlaţi;

• Orbite satelitare simetrice – care asigură avantajul că asupra sateliţilor acţionează aceiaşi factori perturbatori, astfel încât constelaţia satelitară rămâne relativ stabilă.

Sistemul NAVSTAR- GPS a fost realizat practic în trei faze:

Faza 1: 1974 – 1979 faza de verificare şi testare – când s-a verificat concepţia sistemului, s-au lansat primii sateliţi test şi s-a făcut o evaluare a costurilor pentru realizarea sistemului;

Faza 2: 1979 – 1985 faza de dezvoltare a sistemului – când lucrările s-au concentrat asupra dezvoltării laturii tehnice a sistemului. S-au lansat noi sateliţi şi s-au realizat receptoare adecvate;

Faza 3: 1983 – 1994 faza de definitivare a sistemului – care se întrepătrunde cu faza precedentă, datorită rezultatelor foarte bune obţinute în faza de testări. În această etapă s-au lansat sateliţii pentru completarea integrală a sistemului şi s-au conceput receptoare tot mai performante. Începând din anul 1992, sistemul a fost format din 18 sateliţi, în şase plane orbitale înclinate cu 55° între ele, la aproximativ 20200 km altitudine, asigurând vizibilitate la cel puţin 4 sateliţi simultan, în orice moment al zilei, în orice punct de pe glob. Sateliţii nu erau egali distribuiţi în planele orbitale iar orbitele erau uşor turtite la poli. Constelaţia actuală este constituită din 34 de sateliţi operaţionali. Altitudinea la care sunt situaţi sateliţii este de aproximativ 20200km iar durata unei revoluţii, de 11 h 58 min.