Necesitatea Existentei Unui Sistem de Depistare Geografica

Deși necesitatea existenței unui sistem de localizare geografica la nivel global există de mult timp, atât în domeniul civil cât și în domeniul militar, cauza principală care a condus la apariția sistemului GPS a fost amenițarea unui atac nuclear la adresa Statelor Unite ale Americii din timpul Războiului Rece.

Sistemul GPS (Global Positioning System) este un sistem de localizare în spațiu de către Departamentul de Apărare (Department of Defence) al Statelor Unite ale Americii, încă din anii 70. Astfel în 1973 au fost puse bazele rețelei de sateliți Navstar care stă la baza sistemului GPS așa cum este și el cunoscut. Cu ajutorul sistemului GPS, orice utilizator care deține un receptor GPS are acces în mod gratuit la rețeaua de sateliți putându-și stabili locația obținând trei coordonate: latitudine, longitudine și altitudine. Inițial GPS a fost proiectat pentru aplicații militare, curând dup ace acest obiectiv a fost atins a devenit evident că GPS va putea fi folosit și pentru scopuri civile păstrând totuși anumite proprietăți numai pentru domeniul militar. Primele două aplicații civile au fost navigația maritimă și măsurătorile terestre.

Domeniile de utilizare ale sateliților artificiali sânt numeroase și deosebit de diversificate, printer acestea , de o deosebită importanță strategică în domeniul militar și de largă utilitate în domeniul civil fiind dezvoltarea tehnologiilor satelitare de navigație care permit poziționarea deosebit de precisă a mijloacelor de transport aeriene, maritime și terestre aflate în mișcare sau în repaus.

Această tehnologie și-a găsit deasemenea o largă aplicabilitate și în domeniul comunicațiilor mobile prin realizarea unor rețele la nivel național sau global, contribuții la localizarea utilizatorului cu o precizie foarte exactă.

Evoluția Sistemului GPS

Rezultatul comenzi a fost :NAVSTAR GPS sau mai simplu GPS, notație folosită în mod obișnuit pentru un sistem, corespunzând denumirii de Navigation System with Timing and Ranging – Global Positioning System adică sistem de poziționare globală pentru asistarea navigației bazate pe măsurările de timp și de distanțe relative a sateliților. Pentru a îndeplini condițiile de sus amintite au fost stabilite următoarele caracteristici generale:

Orbite satelitare înalte : care asigură avantajul că se asigură un număr mai redus de sateliți, iar stabilirea acestora pe orbite este mult mai ridicată;

Orbite satelitare înclinate : care asigură avantajul că pot fi observate și în zonele polare, evitând astfel o aglomerare de sateliți în zona polilor;

Repartizarea uniformă a sateliților pe orbite : care asigură avantajul că se realizează o acoperire completă și cu efort minim a zonelor de pe glob și în plus sateliți pot fi bine supravegheați și controlați;

Orbite satelitare simetrice : care asigură avantajul că asupra sateliților actionează aceiași factori perturbatori, astfel încât constelația satelitară rămâne relative stabilă. Sistemul NAVSTAR-GPS a fost realizat practice în trei faze:

Faza 1: 1974-1979 faza de verificare și testare – când s-a verificat concepția sistemului, s-au lansat primii sateliți test și 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 lansa noi sateliți și s-au realizat receptoare adecvate;

Faza 3: 1983-1994 faza de definitivare a sistemului – care se întrepătrunde cu faza precedent, datorită rezultatelor foarte bune obținute în faza de testări. În această etapă sau mai lansat sateliții pentru completarea integrală a sistemului și s-au conceput receptoare tot mai performante.

Începând din anul 1992, sistemul a fost format din 18 sateliți, în șase plane orbitale înclinate cu 55 ° între ele, la aproximativ 20 200 km asigurând vizibilitate la cel puțin 4 sateliți simultan, în orice moment al zilei, în orice punct de pe glob. Sateliți nu erau egali distribuiți în planele orbitale iar orbitele erau ușor turtite la poli. Constelația actuală este constitutită din 34 de sateliți operaționali, altiduinea la care sunt situați sateliți este de aproximativ 20 200 km iar durata unei revoluții este de 11h 58 min.

Structura Sistemului GPS

Acest sistem de poziționare global funcționează pe principiul recepționării de către utilizator a unor semnale radio emise de o constelație de sateliți de navigație, specializați, care se mișcă în jurul Pământului pe orbite circumterestre.

Sistemul a fost astfel proiectat încât permite ca în orice moment și oriunde pe suprafața Pământului, un mobil aflat în mișcare sau în repaus, să aibă posibilitatea ca utilizând un echipament, să își poată stabili în timp real poziția si viteza de deplasare pentru un mobil aflat în mișcare și numai poziția pentru un mobil aflat în repaus, într-un sistem de coordonate geometric tridimensional, propriu sistemului de poziționare GPS.

Sistemul GPS este conceput din 3 segmente principale (fig.1)

Segmentul spațial: construit din constelația de sateliți GPS;

Segmentul de control: construit din stațiile de la sol, care monitorizează întregul sistem;

Segmentul utilizatorilor : compus din utilizatorii civili și militari, care folosesc receptoare GPS dotate cu antenă și anexele necesare;

(Fig.1, Curs Tehnologii Geodezice Spațiale)

Segmentul spațial

Sateliți NAVSTAR-GPS transmit semnale de timp sincronizate pe două frecvențe purtătoare, parametri de poziție ai sateliților și informații adiționale cum ar fi starea sateliților. Segmentul spațial, care în present care este complet, asigură ca la orice oră, în orice loc pe suprafața Pământului, indiferent de condițiile meteorologice, din perioada din zi sau din noapte, să se poată recepționa semnale radio de la minimum 4 sateliți dar și mai mulți 6 sau 8, sub un unghi de elevație de 15° deasupra orizontului, condiții absolute necesare pentru poziționare. Sarcina principală a sateliților este de a emite semnale, care să poată fi recepționate cu receptoare adecvate.Pentru fiecare satelit este prevăzut cu ceasuri (oscilatoare), un microprocessor și o antenă. Asigurarea cu energie este realizată cu baterii solare. Satelitul GPS are un oscilator de înaltă precizie cu frecvența fundamentală de 10.23 MHz (banda L de frecvențe) din care generează cele două unde purtătoare L1= 1 575.42 MHz și L2= 1 227.60 MHz, timpul generat de ceasurile atomice, efemeriadele, starea echipamentelor auxiliare și alte informații necesare. Semnalul de navigație actual constă în:unda purtătoare din banda L modulată cu codul P sau cu codul C/A(S) și mesajul de navigație. Codul are caracteristicile unui zgomot aleator, dar este de fapt un cod binar generat cu un algoritm mathematic și de aceea este denumit ''zgomot pseudo-aleator’’ (PRN – Pseudo Range Noise). Codul P și codul C/A sunt defazate cu 90 ° unul față de celălalt. Codul C/A se repetă la fiecare 1 ms, pe când codul P are o perioadă de 267 zile. Această secvență de 267 zile este divizată astfel încât fiecărui satelit îi este ascociată o porțiune unică de o săptămână din cod, care nu se suprapune cu nici o altă secvență a altui satelit. Pentru măsurarea precisă a timpului fiecare conține câteva oscilatoare de înaltă precizie, cu un grad de stabilitate de ordinul 10-14. (tabelul 1.2)

(Tabel 1.2)

f- frecvența oscilatorului

Codul P este generat la frecvența ceasului GPS-ului de 10.23MHz(Mbps). De aceea o secvență de cod corespunde la un interval de timp de aproximativ 100ns, ceea ce este echivalent cu o distanță de 50m. Rezoluția poate fi îmbunătățită prin interpolare (sub 1m).

Codul C/A nu este atât de complex, el reprezintă o secvență de cod cu o frecvență de 1.023 MHz, corespunzănd la o rezoluție în distanță de aproximativ 300m. În prezent purtătoarea L1 este modulată cum ambele coduri (P și C/A), pe când purtătoarea L2 este modulată numai pe codul P. Întregul mesaj este divizat în 5 subsegemnte, fiecare constând în zece cuvinte. Fiecare cuvânt are 30 de biți fiecare. Subsegmentul 1:conține parametri de corecție de ceas pentru a da utilizatorului despre corecția de timp GPS și coeficienții unui model de propagare prin ionosferă pentru utilizatori monofrecvență; Subsegmentul 2-3: conține efemeriadele satelitului precalculate din informațiile stațiilor terestre urmărite, pe baza acestor parametri se poate calcula poziția satelitului, într-un sistem geometric de coordonate; Subsegmentul 4: este rezervat pentru mesaje alfanumerice ale unor aplicații viitoare; Subsegmentul 5: conține datele de almanah pentru un satelit, acest subsegment conține în mod succcesiv almanahul a 25 de sateliți. Culegerea unui almanah necesită maximum 12,5 minute.

Măsurarea codului P pe ambele frecvențe permite și determinarea corecției de refracție în troposferă. Absența codului C/A pe L2 este intenționată și este una dintre limitările impuse utilizatorilor neautorizați ai sistemului. Codurile sunt mărci precise de timp care permit procesului intern al receptorului să calculeze momentul transmisiei semnalului satelitului. Timpul de tranziție este în fond reprezentat de ,,deplasarea" fazei între secvențe identice de cod (P sau C/A) generate de către oscilatoarele receptorului și satelitului . Toate ceasurile satelitului sunt sincrionizate cu timpul sistemului GPS. Dacă receptorul a fost echipat cu un ceas de înaltă precizie sincronizat cu timpul GPSm atunci el va măsura distanța ,,adevărtată".

În general, receptoarele sunt echipate cu ceasuri de cristal care nu pot stabiliza timpul ca și ceasurile stabile ale satelitului, implicit și distanța măsurată va fi afectată de eroarea de ceas a receptorului. Această cantitate măsurată este cunoscută ca ,,pseudodistanță" și de aceea utilizatorul trebuie să urmărească 4 sateliți și să rezolve 4 ecuații cu 4 necunoscute : componentele preciziei 3D(x,y,z) și corecția de ceas a receptorului (dT).

Segmentul de control

Segmentul de control al sistemului GPS este construit din stațiile specializate de la sol care actualmente sunt în număr de cinci și sunt dispuse aproximativ uniform în jurul Pământului, în zona ecuatorială (fig 1.3)

(Fig 1.3 – Stațiile de control ale sistemului GPS)

Datele de la stațiile de urmărire (stații monitor), a căror poziții sunt bine cunoscute, sunt transmise către stații master , aici orbitele satelițiilor sunt precalculate împreună cu corecțiile de ceas ale sateliților. Aceste date sunt apoi transmise satelițiilor corespunzători formând o parte esențială a mesajului satelitului. Sincronizarea timpului sateliților este una din funcțiile cele mai importante ale segmentului de control. De aceea, stația master este conectată direct cu timpul standard al Observatorului Naval al USA din Washinton D.C. ,,Defense Mapping Agency (D.M.A) este serviciul care furnizează efermeriade precise pentru sateliții sistemului GPS pe o bază de calcul săptămânal .

D.M.A operează cu 5 stații monitor, distribuite global pentru a întări acoperirea sateliților furnizate de către cele 5 stații monitor ale Fortelor Aeriene (U.S.A.F). Aceste stații sunt: Colorado Spring din Colorado care este stația master (Master Control Station), Hawaii, Kwajalein (în insulele Marshall din Oceanul Pacific), Diego Garcia (insulă în Oceanul Indian) și Ascension (insulă în Oceanul Atlantic). Vizibilitatea simultană a satelitului din două sau mai multe stații asigură urmărirea continuă a acestui chiar dacă una sau mai multe nu funcționează corespunzător. În același timp, aceste observații asigură formarea diferențelor simple sau duble pentru prelucrarea datelor. Toate stațiile master au fost pozioționate în sistemul de coordonate WGS 84 cu ajutorul măsurătorilor Transit (Doppler). Pentru calcul efemeriadelor precise necesare în special prelucrării măsurătorilor GPS cu utlizare în geodezie – geodinamică, se folosesc măsurători și de la alte 5 stații terestre.

Segmentul utilizator

Segmentul utilizator include diferite tipuri de receptoare și echipament perferic, necesare pentru operațiile de teren ale receptoarelor GPS și pentru prelucrarea datelor cu programul de post procesare GPS . Receptoarele GPS sunt componentele principale ale segmentului utilizator și cuprind : receptorul GPS propriu-zis, antena , platforma antenei și preamfiplicator; cablu conector; apărători împotriva semnalelor reflectate , cabluri , baterie și bastoane de măsurare a înălțimii antenei. Antenele receptoarelor GPS pot fi : antene helix, antene spiral-helix și antene microstrip (cu banda îngustă).

Antenele recepționează semnalele de la sateliți vizibilii, punctul de referință fizic pentru semnalele receptționate fiind centrul de fază care poate să difere față de centrul geometric al antenei . Poziția centrului de fază depinde de modul de construcție al antenei și variază în funcție de direcția de incidență a semnalelor satelitare. Semnale sunt transmise mai întâi la amplificatorul de semnal și ulterior la unitatea de înaltă frecvență ca unitate efectivă de recepție. Aici semnalele sunt identice și apoi prelucrate , la majoritatea receptoarelor semnalele recepționate de la un satelit sunt dirijate spre un canal unic de recepție. Întreaga instalație de recepție este coordonată de un microprocesor, care asigură și stocarea datelor și efectuează și calculele pentru o poziționare în timp real.

Scopul prelucrării semnalului constă în a determina tipul de propagare a semnalului prin intermediul codului C/A sau P(y), să decodifice semnalul de navigație și să reconstruiască unda purtătoare a semnalului. Dacă un receptor poate să înregistreze numai codurile si mesajele de navigație, se vorbește de receptoare de navigație.

Politica de Siguranță a sistemului GPS

Departament of Defense își rezervă toate drepturile asupra întregului sistem GPS, fără să comunice utitlzatorilor unele carențe de utilizare. Tehnica SA (Selective Availability) este o reducere voită a preciziei pentru poziționarea în timp real, deci influențează mai ales navigația în timp real. Diminuearea preciziei este realizată pe de o parte prin manipularea controlată a ceasului din sateliți (procesul difther), când se produc erori controlate pe perioadă lungă și scurtă în toate mărimile măsurabile (coduri și purtătoare), iar pe de altă parte printr-o denaturare controlată a efemeriadelor transmise (procesul epsilon). Mărimea denaturării controlate a detalor poate fi dirijată de segmentul de control al sistemului. Fără tehnica SA activată, se estimează că precizia poziționării în timp real cu codul C/A este de 15-30 m. Cu tehnica SA activată potențialul de precizie se reduce la cca. 100 m în poziția planimetrică și cca 140 m în poziți altimetrică. Deși uneori tehnica SA este dezactivată pentru o perioadă de timp, utilizatorul trebuie să procedeze în permanență ca și cum ar fi activată. În mod oficial tehnica SA a fost implementată pentru prima dată la 25 martie 1990 la toți sateliți.

Tehnica A-S (anti-spoofing) produce o recodificare a codului P. Noul cod rezultat se numește codul Y și este accesibil numai unui grup restrâns de utilizatori autorizați . Navigația în timp real cu codul P este substanțial mai precisă față de navigația cu codul C/A și poate aduce avantaje substanțiale în cazul unei conflagrații. Acesta a fost motivul principal pentru care s-a recodificat codul P . Inițial era planificat ca tehnica A-S să fie activată după atingerea fazei finale din punct de vedere militar când segemntul spațial este prevăzut numai cu sateliți din generația ,,Block II’’.

Poziționarea cu ajutorul Tehnologiei GPS

După cum am precizat încă de la început, GPS-ul a fost dezvoltat ca și sistem militar, fiind pus ulterior la dispoziția civililor. Poziționarea cu ajutorul tehnologiei GPS se realizează prin determinarea distanțelor dintre punctul de stație și stateliții GPS vizibili, matematic fiind necesare măsuratori la minimum 4 sateliți. Acest număr de sateliți este necesar pentru a ne putea poziționa cît se poate de precis, numai pe baza distanțelor măsurate la sateliți. Dacă am avea măsurători la un singur satelit și am cunoaște poziția acestuia, poziția noastră în spațiu ar fi o sferă. Măsurind distanțe la doi sateliți ne aflam pe un cerc generat de intersecția celor două sfere. În momentul în care avem măsurători și la un al treilea satelit, ne localizează în două puncte din spatiu. Pentru o precizie ridicată este necesară a patra măsurătoare față de un al patrulea satelit și atunci în mod cert punctul poziționării noastre va fi unic.

Poziționarea se realizează cu ajutorul retrointersecției spațiale de distanțe , în sistemul de referință , reprezentat de elipsoidul WGS84. Sistemul WGS 84 definește înălțimea geoidului pe tot întinsul globului, iar birourile de prelucrare a imaginilor prin satelit publică hărți grilă din 10 în 10 grade ale înălțimii reale ale acestui geioid. Indiferent de tipul navigației determinarea curentă a poziției pe glob se face exprimând în grade sau distanță față de Ecuator sau Greenwich coordonatele de longitudine sau latitudine. Cu toate acestea, pentru a menține avantajul de partea militarilor, în Statele Unite, Departamentul pentru Apărare furnizează două nivele de servicii GPS:

Serviciul de Poziționare Precis (PPS –Precise Positiong Service)

Serviciul Standard de Poziționare (SPS – Standard Positoning Service)

SPS este cel mai utilizat la nivel global, fiind folosit de utilizatori civili, fără restricție. Precizia semnalului este intenționat degradat de catre Deparatamentul Apărării SUA , considerându-se că în majoritatea cazurilor civile este suficient

PPS este folosit de armată și este cel mai precis sistem de poziționare autonomă . Este accesibil doar unor persoanelor/ sistemelor autorizate.

GPS-ul și sistemul de telefonie celular

Telefonia mobilă a devenit tot mai utilizată în zilele noastre, atât numărul abonați cât și aria de acoperire sunt în continuă creștere. Pe lângă aceasta exista tendința de convergență a telefoniei (transmisie de voce) cu diferite servicii conexe, spre exemplu transmisia de date. Una din problemele majore ale telefoniei mobile este imposibilitatea de a stabili cu precizie poziția telefonului. Cu toate ca pot apărea reacții care iau în considerare dreptul la intimitate, există în mod indubitabil aplicații în care cunoașterea poziției este întemeiată și utilă: spre exemplu apelurile de urgență.

În consecință Comisia Federală pentru Comunicații (FCC- Federal Comunications Commission ) a impus începând cu octombrie 2001 ca apelurile de urgență să poată fi localizate cu precizie de cel puțin 125 m (cu o probabilitate de 67%). Prevederea lasă la latitudinea operatorilor modul în care se va face localizarea: la nivelul rețelei sau la nivelul terminalului. Majoritatea rețelelor folosesc metoda diferenței timpului de sosire (TDOA – Time Difference Of Arrival ) sau cea a unghiului de sosire (AOA – Angle Of Arrival) pentru a determina poziția apelantului. Este evident că elementul fundamental în această tehnică este sincronizarea în timp, care poate fi obținută prin echiparea stațiilor cu receptoare de baza de timp bazate pe GPS. Pentru a crește precizia poziției calculate și pentru a reduce dimensiunea, complexitatea și consumul receptoarelor GPS în cazurile utilizări terminalelor mobile a căror funcției primară nu este obținerea poziției a fost dezvoltat cu sistem numit Assisted GPS (A-GPS). Cu dezvoltarea acestui sistem prin intermediul unei rețele radio (3G/WCDMA/GSM/WIFI) dispozitivu are acces, cu o viteză considerabil mai mare (de ordinul sutelor de kbps), la un server dedicat care are un semnal GPS bun și primește și stochează periodic informația orbitală de la sateliți.

Sistemul A-GPS are două moduri de funcționare:

Mobile Station Assited (MSA- Stație Mobilă Asistată) : în care dispozitivul

A-GPS primește un ceas de referință și asistență pentru recepționarea informațiilor de la sateliți cu ajutorul cărora receptionează aceste informații, le trimite către serverul A-GPS, care îi calculează poziția și i-o returnează.

Mobile Station Based (MBS- Bazat pe stația mobilă) : în care dispozitivul A-GPS

primește informația orbitală, un ceas de referință și alte informații opționale de asistență de la serverul A-GPS, dispozitivul recepționează semnalul de la sateliți și iși calculează local poziția.

Metoda localizării la nivelul terminalului presupune încorporarea unui receptor GPS în acesta. In condițiile actuale în care disponibilitatea selectivă a fost eliminată, cu această metodă se pot obține precizii chiar și de zece ori mai mari decât cele impuse de FCC. Spre deosebire de localizarea la nivelul rețelei, localizarea la nivelul terminalului este mult mai ușor de implementat și nu necesită instalarea de echipament suplimentar din partea operatorului. Integrarea GPS-ului cu sistemele de telefonie mobilă și dezvoltarea serviciilor 3G, 4G are avantajul de a permite o mai bună și mai rapidă transmitere a datelor culese către serverul principal.