Sistem global de pozitie gps in aviatie

SISTEM GLOBAL DE POZITIE GPS IN AVIATIE

Introducere

Sistemul GPS este un sistem american de radionavigatie prin satelit care permite identificarea oricarei pozitii pe glob, prin receptionarea semnalelor de pozitionare prin satelit. Sistemul GPS conceput initial, cu aplicabilitate in domeniul militar, se baza pe utilizarea a patru sateliti, pe cunoasterea timpului de propagare dintre acestia si pe folosirea unui receptor GPS cu ajutorul carora se poate determina longitudinea, latitudinea, altitudinea si ora precisa in orice moment de timp. Precizia masurarii cu un astfel de sistem variaza intre 30 m (militar) si 150 m (comercial).

Utilizare

Accesul la sistemul GPS actual este caracterizat de norme si reguli foarte precise. Din punct de vedere al calitatii utilizatorului, in sistemul GPS sunt definite doua categorii: utilizatori autorizati (legaturi militare sau oficiale) si utilizatori comuni (legaturi comerciale sau individuale). Aceasta deosebire este evidentiata de clasa de precizie in care sunt incadrate cele doua categorii de utilizatori. Din acest motiv sunt definite doua tipuri de servicii oferite prin sistemul GPS: PPS (Precise Positioning Service) si SPS (Standard Positioning Service).

De asemenea, pentru diferentierea si protejarea utilizatorilor, se utilizeaza modalitatea de accesare cu acces selectiv, SA (Selective Availability) si cu acces restrictiv, AS (Anti Spoofing).

Accesul selectiv este modalitatea de diferentiere a tipului de serviciu oferit de sistemul GPS (PPS sau SPS). Aceasta este exprimata printr-o programare preferentiala a preciziei datelor oferite prin satelit, in functie de tipul utilizatorului si prin performantele receptorului GPS oferit.

Un receptor GPS ce lucreaza in serviciul PPS este echipat cu procesor de gestiune a cheilor si cu module specializate suplimentare.

Sistemul GPS poate fi utilizat in diverse aplicatii, cu diferite moduri de functionare:

Navigatia in sistem GPS autonom;

G.P.S. ca si majoritatea sistemelor de navigatie utilizate astazi asigura localizarea aeronavei prin metoda triangulatiei. In cazul DME de exemplu, aeronava cere unor radiobalize fixe de pe sol, informatii asupra distantei care o despart de ele. Trasand pe harta cercuri cu razele ce corespund distantelor la 3 balize cunoscute, aflam un punct comun la intretaierea lor, punct care ar trebui sa fie pozitia aeronavei. Metodele trogonometrice si computerul permit calcularea automata a coordonatelor acestui punct cu atat mai precis cu cat mai exact au fost determinate distantele dintre aeronava si baliza.

Principii

In sistemul GPS balizele nu se afla pe pamant in puncte fixe cunoscute, iar semnalele provin de la emitatoare radio in banda de unde ultrascurte plasate pe sateliti la inaltimea de 20 000 km. Acesti sateliti botezati SV (Space Vehicle) in limbajul comun, nu sunt geostationari deasupra ecuatorului ca cei pentru emisiunile de televiziune, ci sunt in miscare executand o rotatie completa in 12 ore (deci o viteza lineara de aproximativ 14 000 km/ora) si o inclinatie de 55⁰ in raport cu ecuatorul.

Satelitii ecuatoriali geosincroni nu ar fi operationali pe tot globul deoarece ar acoperi defectuos regiunile polare dar si pe cele ecuatoriale unde satelitii ar fi aliniati intr-un plan.

S-a retinut ideea de a plasa satelitii pe 6 orbite aparent elicoidale care asigura cu un total de 21 sateliti ca (aproape) in orice punct al globului aparatul receptor GPS sa "vada" minim 4 sateliti pentru a putea determina pozitia in spatiu a aeronavei.

Semnalele omnidirectionale emise de sateliti pe unde ultrascurte se propaga in linie dreapta aidoma luminii, cu o viteza de 300 000 km/sec. si sunt captate de receptor dupa un interval de timp.

Masurand timpul scurs putem calcula distanta fata de satelit. Cunoscand distanta stim ca aeronava se gaseste undeva pe o sfera cu o raza cunoscuta. Fiind vorba de o localizare in spatiu nu mai sunt suficiente 3 balize ca in sistemul DME ci de 4 balize. O eroare de ¹/₁₀₀₀ sec. in masurarea timpului poate atrage cu usurinta o eroare de pozitie de 300 km. Pentru a reduce cat mai mult erorile satelitii au la bord cate un ceas atomic cu cesiu si rubidiu care trebuie sa aibe o precizie de 10^{- 13}.

Aceasta precizie absolut necesara inseamna ca ele nu trebuie sa devieze mai mult de 1 sec. la fiecare 30 000 ani! De fapt ceasurile tuturor satelitilor sunt calate pe ora oficiala universala cu o precizie de 176 nanosecunde (1 nanosecunda = 1 miliardime de secunda).

Pentru un calcul ar trebui sa avem un orologiu atomic si la bordul avionului, ceea ce este insa prea costisitor si ar ocupa prea mult loc. In scopul de a corecta eroarea de timp a ceasului de bord (ceea ce este un simplu ceas cu cuart), receptorul asculta un al patrulea satelit. Daca distanta rezultata nu confirma punctele de pozitie obtinute de informatiile celor trei sateliti anteriori, receptorul pune aceasta pe seama erorii momentane a ceasului de bord si incepe sa decaleze de o parte si de alta ora ceasului de bord pana cand cele patru sfere imaginate de noi se intersecteaza intr-un punct unic. In acest fel ceasul de bord a fost reglat la ora exacta a ceasurilor atomice de pe sateliti, iar pozitia a fost determinata cu o mai mare percizie. Cei 21 de sateliti care emit de fapt ora exacta, aidoma unui "ceas vorbitor", pot asigura simultan pentru milioane de receptoare de pe glob legatura cu cei 4 sateliti necesari localizarii. Pot exista rare situatii cand receptorul "vede" pentru scurte intervale de 10 - 20 de minute doar trei sateliti. Si in cazul acesta introducand manual in receptorul de bord altitudinea adevarata putem sa aflam coordonatele pozitiei momentane. Sunt cunoscute la actuala densitate de sateliti, in Europa de exemplu, "gauri" de 10 - 20 de minute dimineata sau seara in zona Mediteranei.

Prezentare si explicare a modului de functionare

G.P.S. ca si majoritatea sistemelor de navigatie utilizate astazi asigura localizarea aeronavei prin metoda triangulatiei. In cazul DME de exemplu, aeronava cere unor radiobalize fixe de pe sol, informatii asupra distantei care o despart de ele. Trasand pe harta cercuri cu razele ce corespund distantelor la 3 balize cunoscute, aflam un punct comun la intretaierea lor, punct care ar trebui sa fie pozitia aeronavei. Metodele trogonometrice si computerul permit calcularea automata a coordonatelor acestui punct cu atat mai precis cu cat mai exact au fost determinate distantele dintre aeronava si baliza.

In sistemul GPS balizele nu se afla pe pamant in puncte fixe cunoscute, iar semnalele provin de la emitatoare radio in banda de unde ultrascurte plasate pe sateliti la inaltimea de 20 000 km. Acesti sateliti botezati SV (Space Vehicle) in limbajul comun, nu sunt geostationari deasupra ecuatorului ca cei pentru emisiunile de televiziune, ci sunt in miscare executand o rotatie completa in 12 ore (deci o viteza lineara de aproximativ 14 000 km/ora) si o inclinatie de 55⁰ in raport cu ecuatorul.

Satelitii ecuatoriali geosincroni nu ar fi operationali pe tot globul deoarece ar acoperi defectuos regiunile polare dar si pe cele ecuatoriale unde satelitii ar fi aliniati intr-un plan.

S-a retinut ideea de a plasa satelitii pe 6 orbite aparent elicoidale care asigura cu un total de 21 sateliti ca (aproape) in orice punct al globului aparatul receptor GPS sa "vada" minim 4 sateliti pentru a putea determina pozitia in spatiu a aeronavei.

Semnalele omnidirectionale emise de sateliti pe unde ultrascurte se propaga in linie dreapta aidoma luminii, cu o viteza de 300 000 km/sec. si sunt captate de receptor dupa un interval de timp.

Masurand timpul scurs putem calcula distanta fata de satelit. Cunoscand distanta stim ca aeronava se gaseste undeva pe o sfera cu o raza cunoscuta. Fiind vorba de o localizare in spatiu nu mai sunt suficiente 3 balize ca in sistemul DME ci de 4 balize. O eroare de ¹/₁₀₀₀ sec. in masurarea timpului poate atrage cu usurinta o eroare de pozitie de 300 km. Pentru a reduce cat mai mult erorile satelitii au la bord cate un ceas atomic cu cesiu si rubidiu care trebuie sa aibe o precizie de 10^{- 13}.

Aceasta precizie absolut necesara inseamna ca ele nu trebuie sa devieze mai mult de 1 sec. la fiecare 30 000 ani! De fapt ceasurile tuturor satelitilor sunt calate pe ora oficiala universala cu o precizie de 176 nanosecunde (1 nanosecunda = 1 miliardime de secunda).

Pentru un calcul ar trebui sa avem un orologiu atomic si la bordul avionului, ceea ce este insa prea costisitor si ar ocupa prea mult loc. In scopul de a corecta eroarea de timp a ceasului de bord (ceea ce este un simplu ceas cu cuart), receptorul asculta un al patrulea satelit. Daca distanta rezultata nu confirma punctele de pozitie obtinute de informatiile celor trei sateliti anteriori, receptorul pune aceasta pe seama erorii momentane a ceasului de bord si incepe sa decaleze de o parte si de alta ora ceasului de bord pana cand cele patru sfere imaginate de noi se intersecteaza intr-un punct unic. In acest fel ceasul de bord a fost reglat la ora exacta a ceasurilor atomice de pe sateliti, iar pozitia a fost determinata cu o mai mare percizie. Cei 21 de sateliti care emit de fapt ora exacta, aidoma unui "ceas vorbitor", pot asigura simultan pentru milioane de receptoare de pe glob legatura cu cei 4 sateliti necesari localizarii. Pot exista rare situatii cand receptorul "vede" pentru scurte intervale de 10 - 20 de minute doar trei sateliti. Si in cazul acesta introducand manual in receptorul de bord altitudinea adevarata putem sa aflam coordonatele pozitiei momentane. Sunt cunoscute la actuala densitate de sateliti, in Europa de exemplu, "gauri" de 10 - 20 de minute dimineata sau seara in zona Mediteranei.

Satelitii (SV) transmit in permanenta un mesaj de navigatie pentru ca pozitia si traiectoria sa fie cunoscute de catre receptor. Un mare centru de control de la Colorado Springs (SUA), impreuna cu alte cinci statii terestre reactualizeaza zilnic pozitia lor. O parte a mesajului de navigatie este comun tuturor SV si consta intr-un almanah care descrie in mod succint toata constelatia celor 21 de sateliti. Odata ce receptorul GPS se fixeaza asupra unui satelit, afla unde sa caute pe cei patru care ii asigura, din punct de vedere geometric, cea mai exacta localizare. O alta parte a mesajului o constituie efemeridele care permit calculul precis al orbitei. Orbita este circulara in mod teoretic, dar practic este usor deformata din diferite cauze, (neregularitatea suprafetei terestre, mareele, vantul solar). Sa nu uitam ca nici pamantul nu este sferic, raza exacta fiind variabila in diferite puncte ale globului. Receptorul GPS dispune prin almanah si efemeride de o buna baza de calcul si poate prevedea traiectoria satelitului in spatiu. Aceste date sunt in mod constant corectate si transmise pe aceeasi unda purtatoare ca si top-urile orare pe care le transmite satelitul.

Zone de lucru

Datorita dezvoltarii tehnologice actuale, ceea ce a dus la micsorarea pretului de cost al receptorului si la posibilitatea interconectarii cu sistemele de procesare si analiza computerizate, sistemul GPS a patruns in domeniul comercial si individual.

Sistemul GPS individual, cel care potrivit estimarilor efectuate va deveni in scurt timp de neinlocuit in asigurarea navigatiei terestre, aeriene sau navale, constituie la aceasta ora preocuparea principala a cercetarilor din domeniul sistemelor de telecomunicatii si radionavigatie.

Practic, cu ajutorul noilor receptoare GPS, montate pe orice tip de vehicul, nava sau aparat de zbor se poate calcula distanta de la pozitia lor curenta la pozitia de destinatie, se pot memora ruta ce urmeaza a fi parcursa si informatiile legate de punctul de destinatie, se poate afisa ruta deja parcursa etc.

Prin realizarea unor receptoare cu 3, 4, 5 sau 6 canale, s-a permis obtinerea tuturor parametrilor necesari navigatiei, putand fi astfel urmariti toti satelitii ce se gasesc in zona de vizibilitate directa.

Prin racordarea receptorului la un microcomputer a fost creat un sistem de achizitii de date pentru exploatarea resurselor de titei si gaz metan.

Sistemele GPS montate in autoturisme au o mare dezvoltare in Japonia, unde pana in prezent sunt in functiune aproape 500.000 de receptoare GPS, care ofera lista cu obiectivele turistice importante care se gasesc pe ruta ce urmeaza a fi parcursa pana la destinatie, iar mai recent au fost montate sisteme de televiziune care permit descrierea rutei, gasirea cu precizie a pozitiei vehiculului pe harta, precum si informatii cu privire la traseele ce pot fi urmate pana la destinatie.

Prin arhivarea si inregistrarea datelor intr-un sistem centralizat, computerizat se pot realiza harti ale teritoriului care pot fi folosite in gasirea rutei optime, a distantei pana la destinatie, a pozitiei curente, a distantei parcurse, etc.

Un alt domeniu de utilizare a sistemului GPS il reprezinta navigatia maritima si aeriana. Pentru marirea preciziei in determinarea pozitiei curente, specialistii au pus la punct un sistem GPS mai performant denumit DGPS. Prin acest sistem informatiile provenite de la doua sau mai multe receptoare sunt comparate in permanenta cu date precise stabilite intr-o statie teritoriala, astfel incat erorile de calcul provenite de la receptor uzual GPS sa fie micsorate. In sistemul DGPS (GPS diferential), un receptor GPS conectat la un sistem de calcul si programare adecvat, care poate oferi informatii de pozitie foarte precise va transmite in permanenta date catre celelalte receptoare GPS cu care se afla in legatura. Dupa ce sunt prelucrate si analizate, aceste date sunt utilizate in calculul corectiilor ce se impun pentru stabilirea pozitiei precise. Precizia masurarii pozitiei poate ajunge la doar 3 m.

Precizie si erori

Interpretarea celor afisate pe micul ecran, care mai nou poate fi chiar o harta a traseului, planificat inainte de zbor, trebuie facuta, inca, cu oarecare rezerve. Sunt inca multe capcane din cauza fazei in care se afla implementarea GPS-ului ca instrument suveran in navigatie. Eroarea distantei este in medie de 100 m pentru utilizatorii civili, in timp ce receptoarele militare au in medie o precizie de 15 m. Din cauza decalarilor aleatorii a unor date, introduse intentionat (Selective Availability) precizia poate varia intre 10 m si 100 m, chiar in 10 minute.

Eroarea finala denumita DOP (Dilution of Precision) se compune din eroarea orizontala si verticala. DOP depinde de geometria (pozitia) satelitilor utilizati pentru determinarea distantelor. Statistic pe o perioada semnificativa se constata ca eroarea pe verticala este mai mare si anume de 140 m, ceea ce face ca in zbor pe caile aeriene inferioare sa nu ne putem baza decat pe indicatiile altimetrului, deoarece distanta dintre doua nivele de zbor alaturate este de 300 m.

Factori ce afecteaza raza de actiune - precizia

Receptoarele GPS din ultima generatie controleaza simultan 6 sateliti, eliminand singure pe cel defect, dar numai 70 - 80% din timp avem la dispozitie 6 sateliti in acelasi timp.

GPS-ul diferential, cu un numar mai mare de sateliti va permite probabil in cativa ani si "apropierea" si aterizarea avioanelor comerciale, faza finala a zborului care cere o precizie mult mai mare.

Si interferentele cu emisiunile radio pe UHF, instalatiile VOR si DME pot altera rezultatele. Se poate pierde un satelit in viraj, si din cauza unui element de structura plasat intre antena si satelit. Perturbatiile atmosferice si electromagnetice nu provoaca prea multe neplaceri, dar antenei, in cazul GPS-ului portabil, trebuie sa i se gaseasca un loc convenabil in cabina.

GPS calculeaza drumul adevarat de urmat spre telul urmator programat si-l transforma pentru comfortul pilotului in drum magnetic desi el nu cunoaste notiunea de nord magnetic. Practic vom avea intotdeauna o diferenta fata de compasul magnetic sau radialul VOR.