Detecție mobilă: Locație GPS

Sistemul de poziționare globală (GPS)

The Global Positioning System (GPS) is a location system developed by the United States Department of Defense for military purposes. It provides accurate estimates of position, velocity, and time by using a computer network and a constellation of 24 satellites to determine the altitude, longitude, and latitude of any object on the Earth’s surface through triangulation. The system has been operational since 1995.

Utilizarea civilă a GPS

În sfera civilă, din motive de securitate, este permis doar un subset degradat de semnale GPS. Cu toate acestea, comunitatea civilă a găsit alternative pentru a obține o precizie excelentă a localizării prin tehnici diferențiale. Aceste tehnici au condus la o creștere extraordinară a aplicațiilor civile, iar în prezent există peste 70 de producători de receptoare GPS.

Principii de funcționare

Scopul Sistem GPS constă în calcularea poziției oricărui punct într-un spațiu de coordonate (x,y,z), pornind de la calcularea distanțelor punctului față de minimum trei sateliți a căror poziție este cunoscută. Distanța dintre utilizator (receptor GPS) și un satelit se măsoară prin înmulțirea timpului de zbor al semnalului emis de satelit cu viteza de propagare a acestuia.

Pentru a afla cât timp a durat călătoria semnalului radio, ceasurile sateliților și ale receptoarelor trebuie să fie setate la aceeași oră. Acest lucru se datorează faptului că ambele trebuie să trimită același cod în același timp. Dar în timp ce ceasurile sateliților sunt foarte precise, ceasurile receptoarelor sunt oscilatoare ieftine cu cuarț care nu sunt precise. Distanțele cu erori datorate sincronismului se numesc pseudorange. Diferența dintre ceasurile receptoarelor este o altă necunoscută care face necesară utilizarea a cel puțin patru sateliți pentru a afla unde sunt receptoarele.

Calcularea pseudorangelor

La calcularea pseudorangelor se ia în considerare faptul că semnalele GPS sunt slabe și sunt imersate în zgomotul de fond inerent planetei în banda radio. Acest zgomot natural este alcătuit din impulsuri aleatorii, ceea ce duce la generarea de către receptoarele GPS a unui cod pseudoaleatoriu artificial sub forma unui model de fluctuații. La fiecare moment, un satelit transmite un semnal cu același model ca seria pseudoaleatorie generată de receptor. Pe baza acestei sincronizări, receptorul calculează distanța prin deplasarea în timp a codului său pseudoaleatoriu până când acesta coincide cu codul primit; această deplasare corespunde timpului de zbor al semnalului. Acest proces este efectuat automat, continuu și instantaneu în fiecare receptor.

Stații terestre și ceasuri atomice

Deși viteza sateliților este mare (4 km/s), poziția lor instantanee poate fi estimată cu o eroare mai mică de câțiva metri pe baza unei predicții a pozițiilor anterioare într-o perioadă de 24 până la 48 de ore. Stațiile terestre verifică periodic ceasurile atomice ale sateliților, două de cesiu și două de rubidiu, trimițând efemeridele și corecțiile ceasurilor, deoarece precizia ceasurilor și stabilitatea traiectoriei sateliților sunt esențiale pentru funcționarea sistemului GPS.

Surse de eroare în GPS

Există mai multe surse de eroare care pot afecta măsurătorile GPS. Unele dintre principalele surse sunt:

- Perturbare ionosferică: Ionosfera este alcătuită dintr-un strat de particule încărcate electric care pot afecta viteza semnalelor radio care trec prin ea.

- Fenomene meteorologice: Vaporii de apă din troposferă, stratul cel mai apropiat de suprafața Pământului, pot încetini semnalele electromagnetice și pot cauza erori greu de corectat în măsurătorile GPS.

- Imprecizia în ceasuri: Chiar și cu o ajustare și un control atent, atât ceasurile atomice ale sateliților GPS, cât și ceasurile receptoarelor pot prezenta mici deviații.

- Interferențe electrice neprevăzute: Interferențele electrice pot cauza erori în corelarea codurilor pseudoaleatorii sau în calcularea orbitei, ducând la neconcordanțe de până la un metru.

- Eroare multipath: Semnalele GPS pot fi reflectate de suprafețe înainte de a ajunge la receptor, ceea ce duce la erori în distanța măsurată. Minimizarea acestei erori este o provocare, deoarece depinde de mediul în care se află antena GPS.

- Disponibilitate selectivă (S/A): Armata introduce în mod intenționat această sursă de eroare, făcând-o cea mai mare.

- Topologia receptor-satelit: Dispunerea spațială a sateliților vizibili utilizați în calcularea distanțelor poate afecta precizia măsurătorilor GPS. Receptoarele avansate pot modifica eroarea de măsurare a distanței.

Aceste surse de eroare pot fi clasificate în cele care depind de geometria sateliților și cele care nu depind de geometria sateliților. Disponibilitatea selectivă și erorile de ceas nu sunt afectate de forma satelitului, dar întârzierile ionosferice și troposferice și erorile multipath sunt foarte afectate de forma satelitului. Fiecare măsurătoare a poziției GPS are o valoare numită "incertitudine" care se bazează pe toate sursele diferite de eroare.

Aplicații GPS

Aplicațiile GPS au multiple domenii de utilizare, inclusiv sistemele de ajutor pentru navigație, modelarea spațiului atmosferic și terestru și măsurarea timpului cu mare precizie. Iată câteva exemple de sisteme GPS utilizate în domenii civile:

- Studiul fenomenelor atmosferice: Semnalele GPS sunt utile în dezvoltarea modelelor de predicție meteorologică prin analizarea schimbărilor de viteză cauzate de vaporii de apă din troposferă.

- Localizarea și navigarea în regiuni neospitaliere: GPS-ul este utilizat în expedițiile de cercetare în zone greu accesibile sau în zone fără repere. Acest lucru ajută la aprofundarea cunoștințelor despre regiunile polare sau deșertice.

- Modele geologice și topografice: GPS-ul este utilizat de geologi pentru a studia mișcarea plăcilor tectonice și pentru a prevedea cutremurele. Este, de asemenea, un instrument de bază în topografie pentru studii de teren și inventare forestiere și agricole.

- Inginerie civilă: GPS este utilizat pentru a monitoriza în timp real deformările structurilor mari supuse unor sarcini, cum ar fi structurile metalice sau de beton.

- Sisteme automate de alarmă: GPS-ul este utilizat în sistemele de alarmă conectate la senzori care monitorizează transportul de mărfuri poluante și perisabile cu risc ridicat. Alarma permite asistența rapidă a vehiculului.

- Sincronizarea semnalelor: Industria electrică utilizează GPS pentru sincronizarea ceasurilor stațiilor sale de monitorizare în vederea localizării eventualelor defecțiuni ale serviciului electric.

- Îndrumare pentru persoanele cu handicap fizic: Sistemele GPS sunt în curs de dezvoltare pentru a ajuta persoanele nevăzătoare să se orienteze prin oraș. Se studiază, de asemenea, utilizarea lor în turism pentru a optimiza rutele între diferite locuri de pe un traseu.

- Navigația și controlul flotelor de vehicule: GPS este utilizat pentru planificarea traiectoriei și controlul flotei de vehicule de către organizații precum poliția, serviciile de urgență, stațiile de taxi, serviciile de curierat și companiile de livrare.

- Sisteme de aviație civilă: GPS-ul este utilizat în aviația civilă pentru a ajuta la operațiunile de navigație și aterizare. Importanța sa a condus la dezvoltarea de sisteme menite să îmbunătățească precizia GPS.

- Navigația neasistată a vehiculelor: GPS este încorporat în sistemele DGPS pentru manevre precise în zone cu trafic intens, în vehicule terestre autonome, supraveghere în medii ostile și transport de marfă.

Datorită preciziei ridicate a măsurătorilor GPS, au fost realizate progrese importante în spațiu, pe orbite joase. Acum, roboții pot efectua singuri lucrări periculoase, cum ar fi inspectarea, repararea și asamblarea sateliților artificiali.

Viitorul GPS

În 1996, reglementările care reglementează sistemele GPS au stabilit că disponibilitatea selectivă va fi suprimată în 2006 și că va fi încorporată încă o frecvență pentru uz civil. Aceasta înseamnă că în câțiva ani, Sateliții GPS vor trimite codul civil pe frecvențele L2 și L1. Acest lucru va crea o redundanță care va face posibilă estimarea erorilor ionosferice și va oferi o precizie absolută a modului similară cu cea care poate fi obținută cu tehnici diferențiale. Semnalul pe frecvența L1 va rămâne același, astfel încât receptoarele actuale vor putea funcționa în continuare.

Segmentul de control va fi îmbunătățit prin punerea în funcțiune a unui nou sistem de control, aflat în prezent în faza de proiectare, pentru stația expert. Acesta va include până la un total de douăzeci de stații de monitorizare, ceea ce va duce la un control mai precis al efemeridei și al ceasurilor de satelit.

Cu toate acestea, sistemele actuale de navigație GPS, GLONASS și GPS/GLONASS nu sunt în măsură să îndeplinească standardele riguroase de siguranță cerute de unele aplicații civile, cum ar fi navigația aeriană. Notificarea către utilizator a erorilor privind funcționarea sistemului poate dura de la o secundă, atunci când eroarea apare în satelit, la câteva ore, în cazurile în care segmentul de control detectează defecțiunea.

Pentru a rezolva aceste dezavantaje, Europa dezvoltă EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay Service), care va fi operațional în 2003. Acest sistem va respecta standardele de siguranță pentru navigația aeriană prin instalarea pe uscat a unei rețele de 34 de antene fixe de recepție (RIMS) pentru recepționarea semnalelor GPS și reducerea erorilor de poziționare. Aceste semnale vor fi trimise către un centru de control unde informațiile din satelit vor fi calibrate, măsurându-se eventualele erori pentru a le corecta, și trimise din nou către 10 stații terestre. În plus, aceste semnale vor fi trimise către doi noi sateliți geostaționari INMARSAT situați la o altitudine de 35.000 km, care vor acționa ca repetoare și vor trimite semnalele către utilizatori. Atât SUA (WAAS: Sistem de augmentare a ariei extinse) și Japonia (MTSAS: MTSAT Satellite-Based Augmentation System) lucrează la servicii similare.

Europa va lansa, de asemenea, GNSS-1, care înseamnă "Sistemul global de navigație prin satelit 1". Acest sistem va combina serviciile GPS, GLONASS, EGNOS, WAAS și MTSAS. Acesta va fi primul pas către un sistem european de poziționare (GNSS-2 sau Galileo) care va utiliza o constelație de sateliți europeni.

În cele din urmă, trebuie remarcat faptul că, în următorii cinci ani, GPS și GPS/GLONASS vor fi singurele sisteme de poziționare bazate pe sateliți care vor fi operaționale.

În concluzie

Atingerea unor niveluri ridicate de precizie necesită o conștientizare a originilor erorilor de măsurare GPS. NOAA GPS Toolbox este un instrument esențial pentru cercetătorii și inginerii care lucrează cu tehnologia GPS, deoarece oferă software și resurse utile pentru a ajuta la reducerea acestor inexactități.