SISTEME DE POZITIONARE GLOBALA

SISTEME DE POZITIONARE    GLOBALA

1.1.Conceptul GNSS

GNSS (Global Navigation Satellite System) utilizeaza tehnica de pozitionare prin intermediul satelitilor pentru a furniza utilizatorilor informatii de navigatie actuale si precise.

In principiu, un astfel de sistem (GNSS) trebuie sa includa:

informatii in timp real pentru navigare

verificarea autonoma a integritatii (acuratetea solutiei de navigatie intr-un timp scurt);

precizie suficienta pentru navigarea in siguranta.

Pozitionarea are ca scop determinarea pozitiei momentane a unui obiect aflat in repaus sau in miscare. Stabilirea pozitiei unui corp in miscare, pe uscat, pe apa sau in aer, precum si determinarea si corectarea cursului acestuia, sunt probleme tipice de navigatie. Determinarea pozitiei are in foarte multe situatii ca produs final coordonate intr-un anumit sistem de referinta. Se remarca, ca operatiile de masurare si pozitionare au deci un scop comun, acela de a determina coordonate pentru diferite puncte din spatiu.

Parametrii care se pretind in prezent de la un sistem de navigatie sunt:

acuratetea (gradul de conformitate intre pozitia estimata si pozitia masurata) descris de caracteristicile predictibilitate, repetabilitate si relativitate;

integritatea - care se refera la capabilitatea sistemului de a transmite la timp atentionari catre utilizatori, cand sistemul nu este disponibil pentru navigatie;

disponibiltate - capabilitatea sistemului de a oferi servicii in zone de acoperire specificate;

acoperire - definit ca aria unde sistemul de navigatie ofera informatii de pozitie la un nivel de precizie scontat;

continuitate - posibilitatea unui sistem ca dupa o perioada de timp de functionare incorecta, sa revina la conditiile de operabilitate impuse;

increderea - probabilitatea de a executa pentru o perioada de timp data functii specifice sub anumite conditii date.

Orice sistem GNSS contine in principiu trei segmente majore:

Segmentul spatial - format dintr-o constelatie de sateliti, fiecare satelit emitand semnale RF modulate cu coduri si mesaje de navigatie. Ei sunt considerati purtatori ai propriilor coordonate;

Segmentul de control - format dintr-o retea de statii de control situata la sol utilizata la supravegherea satelitilor si actualizarea mesajelor de navigatie ale satelitilor;

Segmentul utilizator - format din totalitatea receptoarelor de radionavigatie special dedicate pentru receptia, decodarea si procesarea codurilor si a mesajelor de navigatie.

1.2.Sistemul GPS

In principiu, sistemul consta din trei segmente (segmentul spatial, segmentul de control si segmentul utilizator), asa cum se poate observa in figura 1.1.

Segmentul spatial

Pentru faza sa finala segmentul spatial era prevazut cu 24 de sateliti, dispusi in 6 plane orbitale, cate 4 sateliti in fiecare plan orbital si care evoluau la o inaltime de 20200km deasupra Pamantului, transmitand in permanenta unde radio codificate. Planurile orbitale ale satelitilor sunt inclinate fata de planul ecuatorial la 55°. Din cei 24 de sateliti, 21 erau considerati normali operationali, iar restul de 3 de rezerva, a caror scop primordial era acela, de a inlocui eventualii sateliti operationali defecti. Satelitii de rezerva emit insa si ei semnale radio si din acest motiv, mai sunt numiti si sateliti de rezerva activi.

Figura 1.1. Segmentele sistemului GPS

Orbitele sunt aproape circulare, iar timpul de revolutie al unui satelit este de circa 12 ore. Mai precis, un satelit efectueaza doua revolutii complete, cand Pamantul a efectuat o rotatie de 360° - adica dupa o zi siderala. Intrucat intre ziua siderala si ziua solara exista o diferenta de exact 4 minute, se modifica si momentele de aparitie si apunere a satelitilor cu aceasta valoare (satelitul apare si apune cu 4 minute mai devreme fata de ziua precedenta). Cu 24 de sateliti in constelatie, se pot "observa' in fiecare punct de pe glob, la orice ora din zi, fara restrictii meteorologice si la o elevatie de peste 15° intre 4 si 8 sateliti. Daca masca de elevatie se reduce la 10°, vor fi vizibili chiar si 10 sateliti si daca se reduce si mai mult (pana la 5°) ocazional vor fi vizibili chiar si 12 sateliti.

Satelitii. In esenta, satelitii GPS reprezinta platforme purtatoare de emitatoare radio, ceasuri atomice, computere precum si variate echipamente auxiliare necesare pentru operarea intregului sistem.

Satelitii GPS au diverse modalitati de a fi identificati: dupa data cand au fost lansati, numarul de catalog al NASA, numarul pozitiei orbitale sau dupa numarul PRN (pseudorandom noise) - ce reflecta portiunea de cod P ce este utilizata de satelit. In general, s-a convenit sa se foloseasca numarul PRN.

Tipurile de sateliti GPS sunt: Block I, Block II, Block NA, Block IIR, Block MM, Block IIR si Block III.

Satelitii din generatia 'Block-I' au fost sateliti prototip, conceputi pentru faza de testare si dezvoltare (1979 - 1985) si erau prevazuti cu o durata de functionare de 5 ani. Primul satelit de tip Block-I a fost lansat in februarie 1978, iar ultimul din cei 11 prevazuti, in octombrie 1985, cu ajutorul rachetelor de tip Atlas F. In general satelitii din aceasta generatie au indeplinit durata lor de functionare, multi dintre ei chiar au depasit-o astfel incat ultimul satelit de acest tip a functionat pana la sfarsitul anului 1995.

Satelitii din generatia 'Block-M' se deosebesc esential de satelitii din generatia precedenta, prin faptul ca aveau implementate tehnicile de protectie SA - Selective Availability si AS - Anti Spoofing. Primul satelit din aceasta generatie a fost lansat in februarie 1989, durata lui functionare fiind estimata la circa 7.5 ani. La bordul fiecarui satelit din 'Block-M' se afla 4 ceasuri atomice, doua cu Cesiu si doua cu Rubidiu.

Satelitii din generatia 'Block-IIA' (A are semnificatia 'Advanced' -avansat) sunt dotati cu posibilitatea de comunicare satelit-satelit. Primul satelit din aceasta generatie a fost lansat in noiembrie 1990.

Satelitii din generatia 'Block-IIR' (R are semnificatia 'Replenishment'- inlocuire) asigura facilitatea de masurare a distantei satelit-satelit - tehnica SSR Satelit-to-Satelit Ranging), iar ceasurile atomice cu hidrogen sunt cu un ordin de marime mai precise. Durata de viata este estimata la 10 ani. Lansarea satelitilor din aceasta generatie a inceput in anul 1995.

Satelitii din generatia "Block-IIM' (M are semnificatia 'Modernized' - modernizat) au inceput sa fie lansati incepand din iulie 2004.

Satelitii din generatia 'Block-IIF' (F are semnificatia 'Follow on'- continua) se doreste a fi lansati pana in 2010. Aceasta generatie va dispune de sisteme inertiale de navigatie precum si o structura avansata a semnalului. Durata lor de viata va fi de minim 10 ani si vor pregati drumul pentru noua generatie de sateliti de navigatie "Block-IM'. Prima lansare a unui satelit de acest gen se preconizeaza pentru anul 2012, dar este posibil ca aceasta data sa fie devansata cu un an sau doi.

Semnalele emise de satelitii sistemului NAVSTAR - GPS. Sarcina principala a satelitilor este de a emite semnale, care sa poata fi receptionate cu receptoare adecvate. Pentru aceasta fiecare satelit este prevazut cu ceasuri (oscilatoare), un microprocesor, un emitator si o antena. Asigurarea cu energie este realizata de baterii solare. Oscilatoarele din sateliti genereaza o frecventa    nominala fundamentala de 10,23 MHz, care sta la baza generarii celorlalte semnale. Multiplicarea frecventei fundamentale cu 154 si 120 genereaza doua unde purtatoare in banda L, asa numitele semnale L₁ si L₂, care au urmatoarele caracteristici:

Acestor frecvente le corespund urmatoarele lungimi de unda:

=19.05 cm    respectiv =24.45 cm

Utilizarea a doua frecvente este esentiala pentru eliminarea celei mai importante surse de erori si anume refractia ionosferica.

Capabilitati operationale. Din punctul de vedere al utilizatorilor civili s-a considerat, ca faza finala de realizare a sistemului a fost atinsa in iulie 1993, cand pentru prima data se dispunea de 24 de sateliti. Aceasta faza, cunoscuta sub initialele IOC (Initial Operational Capability) a devenit oficiala la 8 decembrie 1993. Din punct de vedere militar insa, sistemul se considera finalizat in faza FOC (Full Operational Capability), cand toti cei 24 de sateliti sunt din generatia Block-ll sau Block-IIA si aceasta faza era prevazuta pentru sfarsitul anului 1995.

Segmentul de control

Atributiile principale ale segmentului de control sunt:

• calcularea efemeridelor satelitilor;
• determinarea corectiilor pentru efemeridele satelitare, (inclusiv implementarea tehnicilor SA (Selective Availability) si AS (Anti-Spoofing) la sistemul NAVSTAR - GPS);

mentinerea standardului de timp, prin supravegherea starii de functionare a ceasurilor satelitare si extrapolarea mersului acestora;

transferul mesajelor de navigatie spre sateliti;

• controlul integral al sistemului.

Statiile monitoare si de control. Segmentul de control al sistemului NAVSTAR - GPS este format din 5 statii, acestea putandu-se clasifica in functie de sarcini si functionalitati in: statia de control principala (Master Control Station), statii monitoare si statii de control la sol.

Figura 1.2. Localizarea pe glob a statiilor din segmentul de control

Statia de control principala din Colorado Springs colecteaza toate datele de la statiile monitoare si calculeaza predictiile pentru orbitele satelitilor intr-un sistem de coordonate cartezian geocentric precum si pe elipsoidul echipotential World Geodetic System 1984 (WGS-84). Aceste rezultate sunt transmise ca mesaj de navigatie la statiile de control de la sol. Tot in sarcina statiei principale de control intra si determinarea corectiilor efemeridelor satelitilor. In acest sens satelitii sunt prevazuti cu antene de receptie, un sistem de propulsie pentru a executa corectiile de traiectorie si un sistem de control a stabilitatii.

Statiile monitoare, pe langa cea din Colorado Springs, sunt amplasate in bazele militare americane din Hawaii, Kwajalein (in insulele Marshall din Oceanul Pacific), Diego Garcia (insula in Oceanul Indian) si Ascension (insula in sudul Oceanului Atlantic). In statiile monitoare sunt inregistrate date de la toti satelitii vizibili, sunt masurate date meteorologice, se face o preprocesare a datelor (filtrari, statistici etc), care apoi sunt transmise statiei de control principale pentru prelucrarea finala.

Ca statii de control la sol figureaza Kwajalein, Diego Garcia si Ascension. In esenta aceste statii sunt prevazute cu antene la sol de emisie, prin care sunt transmise mesajele de navigatie spre sateliti. De regula, aceste date sunt transmise de 1 - 3 ori pe zi. Cele cinci statii ale segmentului de control operational sunt suficiente pentru determinarea efemeridelor, care sunt denumite efemeride transmise (Broadcast), care sunt mai putin precise si sunt transmise prin mesajul de navigatie de la satelit la utilizator. In cazul in care statiile de la sol nu ar mai functiona, in sateliti exista mesaje de navigatie precalculate, astfel incat precizia de pozitionare a lor va descreste gradat. Durata in care satelitii mai pot furniza serviciul de pozitionare fara a mai avea contact cu segmentul de control este dat in tabelul de mai jos:

Tabelul 1.1. Durata serviciului de pozitionare fara contact cu segmental de control

In prezent exista si alte organizatii, care calculeaza efemeride precise, ca de exemplu IGS (International GPS Service for Geodinamics), infiintat in 1990 de Asociatia Internationala de Geodezie (International Association of Geodesy - IAG). Aceste efemeride precise sunt furnizate gratuit, pe internet, dar cu o intarziere de aproximativ doua saptamani.

Segmentul utilizator

Pentru a putea receptiona semnalele emise de satelitii GPS, utilizatorul trebuie dispuna de receptoare adecvate. Un receptor GPS este format din mai multe componente. Foarte generalizat se pot enumera urmatoarele: antena cu amplificatorul de semnal, oscilatorul de inalta frecventa, microprocesorul, unitatea de control, memoria pentru stocarea datelor si sistemul de alimentare cu energie. Antena receptioneaza semnalele de la satelitii vizibili, punctul de referinta fizic pentru semnalele receptionate fiind centrul de faza, care poate sa difere fata de centrul geometric al antenei. Pozitia centrului de faza depinde de modul de constructie al antenei si variaza in functie de directia de incidenta a semnalelor satelitare.

Deci, segmentul utilizator este alcatuit dintr-o multitudine de receptoare. In functie de tipul masuratorilor pe care le poate efectua un receptor, acestea se pot clasifica pe scurt conform tabelului de mai jos:

Tabelul 1.2. Clasificarea diverselor tipuri de receptoare

In concluzie, semnalele emise de satelitii GPS si caracteristicile lor sunt sintetizate in tabelul 1.3..

Tabelul 1.3. Caracteristici semnalelor GPS

1.3.Sistemul GLONASS

Dezvoltarea sistemului satelitar GLONASS (Global Navigation Satellite System) a inceput aproximativ in aceeasi perioada cu sistemul satelitar GPS. Primul satelit GLONASS a fost lansat in anul 1982, aceasta corspunzand cu faza de dezvoltare a sistemului american. Dupa 1982 conceptia sistemului a fost de mai multe ori reluata si imbunatatita, avand ca rezultat o precizie sporita a pozitionarilor pentru navigatie si o incredere ridicata in aparatura de la bordul satelitilor, care aveau o perioada de functionare de 5 ani. La inceputul anilor '90 sistemul GLONASS a fost dat liber pentru utilizatorii civili si anume, pentru rezolvarea problemelor de navigatie si pentru determinarea parametrilor de rotatie ai Pamantului.

Sistemul GLONASS este alcatuit din trei segmente:

. segmentul spatial;

. segmentul de control;

. segmentul utilizator.

Segmentul spatial este alcatuit din 24 de sateliti plasati pe orbite la o inaltime de 19100 km. Satelitii sistemului GLONASS sunt dispusi pe trei plane orbitale, cate 8 in fiecare plan orbital. Satelitii sunt distantati la 45° pe orbita, iar in functie de argumentul latitudinii satelitii sunt decalati pe cele trei orbite cu 15°. Orbitele sunt aproape circulare, cu o inclinatie de 64.8°.

Segmentul de control consta din:

. centrul de control terestru de la Moscova;

. sincronizatorul central de la Moscova;

. statiile de monitorizare la Petersburg, Ieniseiesk si Comsomolsk pe Amur;

. echipamentul de control al navigatiei de la Moscova si Comsomolsk pe Amur.

Segmentul utilizator este alcatuit din receptoarele de navigatie si echipamente de procesare a semnalelor transmise de satelitii GLONASS in vederea determinarii pozitiei, vitezei si timpului.

Caracteristicile semnalului

Fiecare satelit GLONASS emite semnale in doua benzi de frecventa L_1B B~1.6 GHz si L_2B B~1.2 GHzB. In sistemul de navigatie GLONASS, fiecare satelit este caracterizat prin frecventa lui proprie (Frequency Division Multiple Access). Trebuie precizat faptul ca doi sateliti din acelasi plan orbital decalati la 180° emit pe aceeasi frecventa. Pe banda L₁ a sistemului GLONASS sunt transmise semnale de navigatie de doua tipuri: codul C/A (numit si precizia standard de pozitionare) si codul P (denumit si codul de precizie ridicata). Sistemele standard de pozitionare sunt destinate utilizatorilor civili. Spre deosebire de GPS, ambele coduri sunt accesibile, deoarece codul P nu este criptat. Pe banda L₂ este transmis doar codul P.

Caracteristicile sistemului

Pozitionare fixa: asemeni sistemului GPS, sistemul GLONASS este accesibil aproape in permanenta. Totusi, semnalul GLONASS fiind acoperit de zgomot este necesar sa se faca o medie a semnalelor receptionate. Rata de actualizare a informatiei in receptor variaza intre 1 - 20 actualizari pe secunda;

Dimensiuni fixe: GLONASS permite determinarea pozitiei 4D atunci cand sunt vizibili cel putin 4 sateliti. Cand sunt vizibili numai 3 sateliti si se presupune ca se cunoaste elevatia, se pot determina nivelul marii, latitudinea, longitudinea si timpul;

Capacitatea sistemului: este nelimitata;

Precizia: eroarea de pozitionare este estimata la 30 m pe orizontala si 20 - 30 m pe verticala;

Disponibilitatea sistemului este de 98%;

Increderea: durata de viata a satelitilor este de 3 ani ( 5 ani pentru satelitii modificati);

Acoperirea: globala.

Sursele de erori:

• segmentul spatial : 9.2 m;
• segmentul de control : 9.2 m;
• segmentul utilizator:

Tabelul 1.4. Sursele de erori datorate receptoarelor GLONASS

Datorita faptului ca segmentul satelitar nu este complet, disponibilitatea si precizia sistemului sunt limitate. Din aceasta cauza se recomanda neutilizarea in aplicatii critice. De asemenea numarul utilizatorilor de receptoare este limitat, desi pe piata sunt disponibile o serie de receptoare combinate GPS/ GLONASS. Utilizand un astfel de echipament, utilizatorul poate beneficia de o constelatie buna.

1.4.Sistemul GALILEO

In anul 1994, Comisia Europeana (CE) a evidentiat necesitatea ca Europa sa isi aduca contributia la dezvoltarea tehnologiilor GNSS. In 26 martie 2002, Consiliul Europei a decis in unanimitate lansarea programului de navigatie Galileo. Acesta este primul sistem de pozitionare si navigatie prin satelit orientat pe aplicatii civile.

Infrastructura sistemului este dezvoltata in trei faze:

1. dezvoltarea si validarea sistemului

2. implementarea sistemului

3. dezvoltarea operatiunilor comerciale

Programul Galileo este o alternativa la sistemele GPS si GLONASS, care ocupa o pozitie de monopol si deci in situatii de criza se poate restrange accesul la serviciile sale de mare precizie.

Alte considerente care au dus la demararea acestui program au fost:

Sistemul LORAN-C este depasit, neeficient si insuficient de fiabil in sensul ca are momente de cadere pe care nu le semnalizeaza, ceea poate duce la accidente in aplicatiile critice

Eroarea de pozitionare este mare si instabila

Sistemele GPS si GLONASS au fost dezvoltate in special pentru aplicatiile militare si sunt mai putin orientate pe aplicatii civile

Potrivit documentului MHD (Galileo Mission High-level Definition), componentele sistemului Galileo sunt grupate in urmatoarele categorii:

• Componenta globala
• Componenta regionala
• Componenta locala
• Componenta utilizator
• Componenta globala cuprinde segmentul spatial si segmentul de control.

Segmentul spatial include o constelatie 30 de sateliti, distribuiti in trei plane orbitale cu o inaltime de 23616 km. De controlul constalatiei satelitare, sincronizarea ceasurilor atomice din satelit, integritatea semnalului se ocupa segmentul de control prin cele doua centre de control Galileo (GCC - Galileo Control Centers) amplasate la sol.

Caracteristicile semnalului

Galileo va transmite zece categorii de semnale : sase pentru servicii de securitatea vietii, doua pentru servicii comerciale si doua pentru serviciul public regulat.

Tabelul 1.5. Benzile de frecventa ale sistemului Galileo

Toti satelitii sistemului Galileo impart acelasi spectru utilizand tehnici CDMA.

Figura 1.3. Caracteristicile semnalului sistemului Galileo

Spectrul de frecvente Galileo

Galileo va livra 10 semnale de navigatie cu polarizare circulara dreapta, in benzile de frecvente 1164-1215 MHz (E5_a si E5_b), 1260-1300 MHz (E6) si 1559-1592 MHz (E2, L₁, E1) denumita conventional L₁ dupa cum urmeaza:

Sase semnale, incluzand trei canale fara date (semnale pilot), sunt accesibile tuturor utilizatorilor (serviciul deschis - Open Service - OS) pe E_5a, E_5b si E₂-L₁-E₁ si pentru servicii de salvare (SOL)

Doua semnale pe E₆ cu coduri de distanta criptate sunt accesibile numai utilizatorilor autorizati de Serviciul Comercial (CS).

Doua semnale pe E6 respectiv pe E2-L₁-E1 cu date si coduri de distanta criptate sunt accesibile numai utilizatorilor autorizati de Serviciile Publice Reglementate (PRS). Pentru transmiterea oricaror mesaje cu date este utilizat un cod convolutional Viterbi.

Deoarece benzile E1 si E2 sunt foarte apropiate pentru a gazdui un semnal de navigatie ele vor fi combinate cu banda de 1663-1587 MHz folosita de banda L1 a sistemului GPS.

Tabelul 1.6. Spectrul de frecvente Galileo

Caracteristicile sistemului

Galileo ofera o precizie mare (spre 1m) si constanta, necesara pentru aplicatii cum ar fi acostarea in porturi, aterizarea avioanelor;

Galileo ofera fiabilitate superioara deoarece va include mesaje care informeaza imediat utilizatorii asupra posibilelor erori sau intreruperi de semnal si pentru ca va acoperi zone mai dificile cum ar fi Europa de Nord;

Galileo va asigura un nivel inalt de continuitate cerut de afacerile zilnice.

Relevanta pentru navigatie

Fiind inca in faza de proiect acest sistem nu are relevanta. Dar imediat ce Galileo va fi interoperabil cu sistemul GPS se asteapta aparitia pe piata a unor echipamente, receptoare care au implementate atat sistemul GPS, cat si Galileo. Unul din avantajele lui Galileo fata de GPS il constituie faptul ca va fi un sistem destinat civillilor si nu va fi controlat de un serviciu militar. Fiind la inceput, nu este clar ce serviciu va fi folosit pentru aplicatiile efectuate pe canalele navigabile din interiorul tarii.

Tabelul 1.7. Performantele sistemului Galileo

Tabelul 1.8. Caracteristicile semnalului de navigatie si serviciile

carora sunt alocate