Global Positioning System

O imagine realizată de un artist grafic sugerând poziționarea față de Terra a unuia din sateliții sistemului GPS

Global Positioning System (din engleză; în traducere liberă, Sistem de Poziționare Globală; prescurtat GPS, care se citește gi-pi-es) este un sistem global de navigație prin satelit și unde radio. Sistemul GPS este o rețea de sateliți care orbitează în jurul Pământului în puncte fixe deasupra planetei, transmițând semnale tuturor receptorilor aflați la sol. Aceste semnale conțin un cod de timp și un punct de date geografice care permit utilizatorului să primească poziția exactă în care se află, viteza și ora din orice regiune de pe planetă. GPS funcționează în orice condiții meteorologice, oriunde în lume, 24 ore pe zi.

Principalul sistem de poziționare prin satelit de tip GPS este sistemul militar american numit "Navigational Satellite Timing and Ranging" (NAVSTAR). Acest sistem, inițiat și realizat de către Departamentul Apărării al Statelor Unite ale Americii (DOD), poate calcula poziția exactă = coordonatele geografice exacte ale unui obiect pe suprafața Pământului, cu condiția ca acesta să fie echipat cu dispozitivul necesar - un receptor GPS. NAVSTAR utilizează sistemul geodezic WGS84, la care se referă toate coordonatele geografice calculate de sistem.

În prezent, sistemul GPS este utilizat în numeroase domenii, aviație și marină, găsirea rutelor pentru șoferi, crearea hărților, cercetare seismică, studii climatice, căutare de comori etc. Obiectul poate fi și o persoană, care poate astfel să se orienteze pe pământ, pe apă, în aer sau și în spațiu (în apropierea Pământului).

Istoric

Dispozitivul „Jones Live Map Meter”

Primul sistem GPS, „Jones Live Map”, a fost inventat de J.W. Jones, în 1909. Dispozitivul a fost primul sistem de ghidaj pentru automobiliști ce consta din mai multe discuri imprimate cu hărți care îi arăta șoferului direcția prin manevrarea unor cadrane speciale. Discurile acopereau 100 de mile de drumuri cunoscute, cartografiate de The Touring Club of America. La fiecare 100 de mile, discul trebuia schimbat. Până în 1919, sistemul inventat de Jones, acoperea peste 500 de rute din S.U.A., de la New York la Los Angeles.

La începutul anilor '40, Marina Regală Britanică dezvoltă în timpul celui de-al Doilea Război Mondial, sistemele de radionavigație la sol, LORAN și Decca Navigator.

Ideea implementării GPS a venit odată cu lansarea navei spațiale sovietice Sputnik în 1957, care a fost proiectat inițial pentru aplicabilitate în domeniul militar în anii 1960, la începutul Războiului Rece. Doi fizicieni americani, William Guier și George Weiffenbach, de la Applied Physics Laboratory (APL), au decis să monitorizeze transmisiile radio ale satelitului Sputnik. Aceștia au realizat că, datorită efectului Doppler, puteau localiza punctul satelitului în orbită, precum și locul utilizatorului cunoscându-l pe cel al satelitului.

Primul sistem de navigație prin satelit, Transit, folosit de Marina SUA, a fost testat cu succes în 1960. Alcătuit dintr-o constelație de cinci sateliți, putea furniza o poziționare ce se actualiza o dată pe oră.

Satelitul GPS NAVSTAR

Sistemul GPS NAVSTAR a fost lansat în 1974 de către Departamentul Apărării al Statelor Unite ale Americii.

Între 1978 și 1985, sistemul GPS s-a dezvoltat rapid pentru scopuri militare, cu un total de 11 sateliți de tipul Block I.

Din 1983, utilizarea sistemului GPS se face și în scopuri civile, cu aplicabilitate în domeniul aviatic și cel naval.

În anul 1989 s-au lansat primii sateliți Block II, iar în 1993, SUA a lansat pe orbită cel de-al 24-lea satelit Navstar, care a completat o rețea de 24 de sateliți, cunoscută acum sub denumirea de Sistem de Poziționare Globală, sau GPS. Un număr de 21 de sateliți erau activi în permanență, iar alți 3 erau de rezervă. Sistemul a devenit în totalitate operațional în anul 1995. În prezent, rețeaua GPS are aproximativ 30 de sateliți activi în rețeaua GPS.

Noile cerințe pentru sistemul existent au condus la eforturi de modernizare a sistemului GPS prin implementarea noii generații de sateliți GPS III și următoarea generație a sistemului operațional de control Operational Control Segment (OCX)

Funcționare

Un sistem GPS este alcătuit din trei segmente:

Segmentul spațial

Segmentul spațial este format dintr-o constelație de sateliți, care emit semnale modulate cu coduri și mesaje de navigație; fiecare satelit transmite semnale radio sub forma a două unde, pentru utilizatorii civili și pentru utilizatori militari.

Generațiile succesive de sateliți GPS sunt desemnați prin denumirea Block:

• Block I: au fost 11 sateliți prototip, concepuți pentru faza de testare și dezvoltare (1978-1985). Greutatea lor era de 845 kg și durată de funcționare de 5 ani. Primul satelit a fost lansat în februarie 1978, iar ultimul, în octombrie 1985, cu ajutorul rachetelor de tip Atlas E/F. Sateliții din această generație au îndeplinit durata de funcționare, ultimul satelit a funcționat până la sfârșitul anului 1995.

• Block II: se deosebesc esențial de sateliții din generația precedentă, prin faptul că aveau implementate tehnicile de protecție disponibilitate selectivă (selective availability) și acces restrictiv (anti-spoofing). Durata medie de viață a acestor sateliți era de 6 ani, fiind înlocuiți începând cu anul 1995. Primul satelit din cei 9 inițiali, în greutate de cca. 1500 kg, a fost lansat în februarie 1989, iar ultimul în octombrie 1990. La bordul fiecărui satelit se aflau patru ceasuri atomice, două cu cesiu și două cu rubidiu.

• Block IIA (Advanced): un număr de 19 sateliți dotați cu posibilitatea de comunicare satelit-satelit; primul a fost lansat în noiembrie 1990, ultimul în noiembrie 1997.

• Block IIR (Replenishment): au fost lansați 12 sateliți proiectați de Lockheed Martin având o greutate de 2000 kg, iar durata de viață estimată la 10 ani. Cele trei ceasuri atomice cu rubidiu sunt cu un ordin de mărime mai precise. Lansarea sateliților din această generație a început în iulie 1997.

• Block IIR-M (Modernized): sunt 8 sateliți construiți de Lockheed Martin ce includ un nou semnal pentru aplicații militare pe frecvențele L1 și L2 și un semnal civil mai robust, cunoscut sub numele de L2C. Primul satelit a fost lansat la data de 26 septembrie 2005, lansarea finală a avut loc pe 17 august 2009.

• Block IIF (Follow on): acești sateliți în număr de 12 au fost concepuți de Boeing; prima lansare a fost în mai 2010, ultima în februarei 2016. Durata lor de viață este de minim 12 ani. Sateliții transmit un nou semnal civil pe frecvența L5.

• Block III: primii 10 sateliți vor fi construiți de Lockheed Martin Corporation și vor emite un nou semnal civil L1C pe frecvența L1. Vor fi lansați în perioada 2016-2017.

Satelit IIF aflat pe orbită

Sateliți GPS activi (februarie 2016)

Sateliți	Număr	Anul lansării	Aflați în orbită
Block I	11	1978–1985	0
Block II	9	1989-1990	0
Block IIA	19	1990-1997	0
Block IIR	12	1997-2004	12
Block IIR-M	8	2005–2009	7
Block IIF	12	2010-2016	12
Block III	12	2016-2017	0
Total	31

Segmentul de control

Segmentul de control este alcătuit din rețeaua de stații de control situată la sol; este utilizată pentru supravegherea sateliților și actualizarea mesajelor de navigație ale sateliților; aceste stații au rolul de a recepționa continuu semnalele tuturor sateliților, de a calcula datele referitoare la poziția fiecărui satelit, verificarea preciziei ceasurilor sateliților și de a retransmite aceste date fiecărui satelit.

Segmentul utilizatori este constituit din totalitatea utilizatorilor civili și militari care folosesc un receptor GPS.

Principiul de funcționare al GPS-ului este folosirea câtorva sateliți din spațiu ca puncte de referință pentru localizarea la sol. Sateliții GPS înconjoară Pământul de două ori pe zi, pe orbite foarte precis determinate și transmit semnale către stațiile terestre.

Sistemul NAVSTAR dispune la ora actuală (2016) în total de 31 sateliți, care se afla la o înălțime de 20.183 km de suprafața Pământului. Printr-o măsurare foarte exactă a distanței în linie dreaptă dintre receptor și cel puțin 4 sateliți se poate determina poziția oricărui punct de pe Pământ (latitudine, longitudine, altitudine), aceasta numindu-se "poziția calculată" (position fix în engleză), în contrast cu "localizarea", termen dedicat poziției reale a receptorului. În mod normal pentru determinarea poziției în 3D a unui punct de pe suprafața terestră cu ajutorul poziției sateliților ar fi nevoie de doar trei distanțe (trei sateliți), deoarece metoda care se utilizează este cea a triangulației. Totuși la GPS este nevoie și de a patra distanță, pentru minimizarea erorilor de poziționare datorate ceasurilor din receptoare, care nu sunt suficient de exacte în comparație cu ceasurile atomice din sateliții utilizați.

Stabilirea poziției spațiale

Stabilirea poziției spațiale a unui punct se poate face prin determinarea pseudo-distanței sau prin determinarea fazei.

• Determinarea pseudo-distanței - Distanța dintre satelit și receptor se calculează prin cronometrarea timpului de care are nevoie semnalul radio să ajungă de la satelit la receptor. Știind că semnalul radio se deplasează cu 300.000 km/s (viteza luminii), dacă se cronometrează timpul lui de propagare de la satelit la receptor, se poate deduce distanța dintre aceștia. Fiecare satelit are semnalul propriu definit printr-un cod de zgomot aleator C/A (Pseudo Random Noise), astfel încât receptorul știe exact despre ce sateliți este vorba.

• Determinarea fazei - Distanța satelit-receptor este împărțită într-un număr întreg de lungimi de undă și o fracțiune de lungime de undă. Această metodă necesită utilizarea unui receptor capabil să determine această valoare. Este mult mai precisă (10-20 mm), dar necesită o staționare de cel puțin 10 minute într-un punct, timp în care receptorul trebuie să fie absolut imobil și să nu fie perioade fără semnal GPS.

Semnalul GPS

Fiecare satelit transmite constant semnale de navigație cu o viteză de 50 biți/sec pe frecvențe din spectrul electromagnetic. Semnalele vor trece prin nori, sticlă, plastic, însă nu vor trece de majoritatea obiectelor solide (clădiri, munți, etc)

Semnalul GPS oferă coordonate precise în conformitate cu ceasul atomic al satelitului, precum și statusul în care se află satelitul. Fiecare transmisie are o durată de 30 de secunde și conține 1500 biți de informații codate. Această cantitate de date este codificată cu o secvență PRM (partial-response modulation) care diferă de la un satelit la altul. Receptorii GPS recunosc codurile PRM ale fiecărui satelit și decodează semnalul.

Sateliții din sistemul GPS transmit două semnale purtătoare: frecvența L1 (1575,45 MHz), conține mesajul de navigație și semnalele de cod SPS (Serviciul de poziționare standard), frecvența L2 (1227,60 MHz), folosită pentru măsurarea întârzierii provocată de ionosferă.

Un semnal GPS conține trei tipuri de informație:

• cod pseudoaleator, este un simplu cod I.D., ce identifică satelitul care a transmis informația.

• date efemeride, sunt transmise în mod constant de către fiecare satelit, și conțin informații importante despre starea satelitului, data și ora curentă; această parte a semnalului este esențială pentru determinarea poziției curente.

• date almanah, ce comunică receptorului GPS unde anume ar trebui să se găsească fiecare satelit la un anumit moment al zilei; fiecare satelit transmite date almanah conținând informații orbitale pentru acel satelit și pentru toți ceilalți sateliți din sistem.

Recepționarea semnalelor

Recepționarea semnalelor emise de sateliți și calculul poziției se poate face în două moduri: modul absolut și modul diferențial.

• Modul absolut folosește un singur receptor GPS, iar precizia de poziționare este de circa 10 – 15 m; este utilizabil în cazuri în care nu se cere o precizie mare (navigare pe mare)
• Modul diferențial presupune folosirea a două receptoare, dintre care unul are rolul de stație de bază, fiind instalat într-un punct fix cu coordonate cunoscute. Se măsoară diferența dintre coordonatele punctului cunoscut și cele rezultate pentru același punct din analiza semnalelor GPS. Aceste diferențe se folosesc pentru corectarea coordonatelor determinate cu un receptor mobil în alte puncte din zona respectivă. Acest mod de lucru este foarte precis (1 – 5 cm), dar distanța dintre receptorul mobil și stația de bază fixă nu are voie să depășească 30 km.

În general sistemul militar american NAVSTAR este foarte precis; totuși, pentru folosirea sa de către alte organizații sau state, de obicei numai pentru scopuri civile (navigație rutieră ș.a.), NAVSTAR pune la dispoziție doar o exactitate redusă. De asemenea, SUA își rezervă dreptul de a nu mai pune deloc la dispoziție sistemul, de exemplu în cazul unor conflicte militare ș.a.

Înregistrarea datelor

Înregistrarea datelor primite de la sateliți poate fi efectuată prin două modalități:

• metoda statică - înregistrarea datelor se face în puncte bine localizate, în care operatorul instalează receptorul; semnalele sunt recepționate la perioade de timp bine determinate (15 sec-3 min), receptorul GPS înregistrînd o valoare, iar la sfârșit se obține media tuturor valorilor.

• metoda dinamică - înregistrarea datelor se face în deplasare; receptorul înregistrează la diferite intervale de timp (5 secunde) câte o valoare, iar la sfârșit se obține o succesiune de puncte.

Metoda dinamică „Stop and Go” este o îmbinare a primelor două metode; operatorul se deplasează cu receptorul GPS din punct în punct pe traseul dorit, în fiecare punct staționându-se o anumită perioadă de timp.

Surse de erori pentru semnalul GPS

Factorii care pot degrada semnalul GPS și astfel pot afecta precizia sunt:

• întârzierile la trecerea prin ionosferă și troposferă
• reflexia semnalului - intervine atunci când semnalul GPS este reflectat de clădiri înalte sau suprafețe dure înainte de a ajunge la receptor
• erori datorate ceasului receptorului - pot apare erori minime datorate decalajului de timp deoarece ceasul incorporat al receptorului nu este atât de precis ca ceasurile atomice de la bordul sateliților GPS.
• erori orbitale - numite și erori efemeride, sunt datorate inadvertențelor dintre pozițiile raportate ale sateliților.
• numărul sateliților vizibili - precizia receptorului este cu atât mai mare, cu cât numărul de sateliți recepționați este mai mare
• geometria sateliților - reprezintă poziția relativă a sateliților la un moment dat; geometria ideală este atinsă atunci când sateliții se găsesc sub unghi cât mai mare unul față de celălalt, iar geometria nesatisfăcătoare apare atunci când sateliții se găsesc în linie sau sunt grupați.

Receptor

Receptori GPS dedicați

Receptorul GPS este un aparat capabil să recepționeze semnalele emise de sateliți și, în funcție de acestea, să determine poziția lui pe glob. Poziția este exprimată în coordonatele de bază în sistemul geodezic mondial WGS 84 (World Geodetic System 1984).

În general, receptoarele GPS sunt compuse dintr-o antenă incorporată reglată la frecvențele transmise de sateliți, receptor-procesoare, și un ceas extrem de stabil (oscilator de cristal). Acestea pot include, de asemenea, un ecran tactil pentru afișarea informațiilor pentru utilizator. Începând cu anul 2007, receptoarele au în general între 12 și 20 de canale, adică pot monitoriza simultan 12 ... 20 sateliți.

Receptoarele GPS determină localizarea exactă a utilizatorului și o afișează pe ecran, folosind măsurători de distanță de la mai mulți sateliți. Pentru a calcula o pozitie 2D (latitudine și longitudine), un receptor GPS trebuie să primească simultan semnale de la minimum trei sateliți, iar dacă culege informații de la patru sau mai mulți sateliți, poate calcula o poziție 3D (latitudine, longitudine și altitudine). De asenemea, poate calcula alte informatii utile, cum ar fi viteza, cursul, direcția de mișcare, distanța parcursă, distanța până la destinație, ora răsăritului și apusului etc.

Receptoarele GPS din prezent sunt foarte precise, datorită tehnologiei „parallel multi-channel”. Differential GPS (DGPS), GPS Diferențial, este o tehnologie care corectează semnalul GPS până la o precizie de 3-5 metri.

Anumiți factori atmosferici sau surse de erori pot afecta buna funcționare a receptoarelor GPS. În mod normal, receptorii GPS nu operează în spații închise, sub apă sau sub pământ.

Receptoare GPS hand-held

Dispozitivele de recepție GPS pot include:

• dispozitive dedicate: pentru navigație terestră (auto, moto, camioane) sau maritimă (plottere , sonare, radare, transceivere)
• dispozitive mobile: (PDA, tablet PC, smartphone, telefon mobil, cameră foto) înzestrate cu funcție GPS
• module care se conectează la un calculator laptop
• hand-held (ținute în mână): cu funcții pentru diverse activități: drumeție, fitness, ciclism, pescuit, vânătoare, jocuri cu poziționare GPS (Geocaching).

Software

Software comercial cu hărți preinstalate:

• iGO
• GARMIN
• Google Maps
• McGuider
• Mio Map
• Navigon
• NavNGo
• Sygic
• TomTom

Open source:

• Google Earth
• MoNav
• Nav4All
• Navit
• Waze
• OsmAnd

Aplicații

În prezent, sistemul GPS-ul este utilizat în numeroase domenii, având aplicații civile și militare semnificative.

Civile

Sistemul GPS are o multitudine de aplicații civile dintre cele mai diverse în multe dintre domeniile de activitate umană.

• Telefoane mobile
• Navigație și localizare rutieră: localizarea autovehiculelor în trafic, găsirea rutelor pentru șoferi
• Transporturi aeriene și navale: ghidarea prin GPS a aeronavelor, în zbor, pentru aterizare și decolare în condiții de vizibilitate slabă; conducerea navelor pe rutele cele mai scurte și sigure.
• Topografie și geodezie
• Cercetare seismică
• Studii climatice
• Minerit: localizarea și cartografierea zonelor bogate în zăcăminte, utilaje conduse prin GPS, managementul flotei de utilaje.
• Construcții: utilajele pot fi dotate cu senzori GPS de mare precizie.
• Agricultură: managementul suprafețelor de teren și asistarea lucrărilor agricole cu tractoare care sunt dotate cu sisteme automate de conducere ghidate prin GPS.
• Zootehnie: fermele pot utiliza tehnologia GPS pentru localizarea animalelor, sau implementarea de garduri virtuale.
• Silvicultură: gestiunea pădurilor prin introducerea tuturor datelor din amenajamentele forestiere în baze de date
• Recreațional: sport (ciclism, înot, alergare, camping), petrecerea timpului liber, orientare în natură, jocuri care presupun existența unui receptor GPS (Geocaching, golf).
• Ceas de mare precizie: ceas sincronizat în permanență cu ceasurile atomice cu care este dotat sistemul de sateliți.

Militare

• navigație terestră, aerienă și maritimă
• ghidare rachete și proiectile de diferite tipuri
• operațiuni de căutare și salvare
• recunoaștere și cartografiere
• detonare nucleară.

Alte sisteme GPS

Pe lângă NAVSTAR-GPS, mai există și alte sisteme de navigare, complet operaționale sau în curs de implementare:

• GLONASS sistemul rusesc
• Galileo al Uniunii Europene, planificat pentru lansare în anul 2016 și complet operațional în 2020
• BeiDou Navigation Satellite System din China, Compass va fi etapa finală a acestui proiect, numită și BeiDou-2 și va folosi 35 de sateliți
• IRNSS (Indian Regional Navigation Satellite System), proiect indian care ar urma să folosească șapte sateliți
• QZSS (Quasi-Zenith Satellite System) din Japonia.

Pericole

În condițiile în care sistemele de tip GPS se bazează pe un semnal de nivel relativ slab, există pericolul ca acesta să nu mai poată fi recepționat din diverse motive. Unul dintre motivele principale îl constituie bruiajul intenționat al semnalului GPS. Această situație poate să apară în perioade de conflict sau drept urmare a unor acțiuni cu caracter terorist.

Vezi și

• Așezare geografică
• Assisted GPS
• Coordonate geografice
• Sistem Informațional Geografic
• GPS Diferențial
• Localizator GPS
• OpenStreetMap
• Poziție calculată
• WAAS

Legături externe

• GPS navigation software
• GPS World Magazine
• Revista Connect Romania
• KidGPS Romania
• POZITIA.ro - Serviciu de localizare pentru vehicule

Bibliografie

• Johan Neuner: Sisteme de poziționare globală, Editura MatrixRom, București, 2000