De ce GPS ?
Incercarea de a ne
lamuri in ce stadiu ne aflam si spre ce ne indreptam este probabil una
din cel mai vechi framintari ale omului.Navigatia si pozitionarea sunt
cruciale pentru atat de multe activitati care se desfasurau chiar foarte
greoi. Odata cu trecerea anilor o serie de tehnologii au incercat sa
simplifice aceasta sarcina dar toate prezentau o serie de
dezavantaje.
In sfirsit , Departamentul de Aparare al S.U.A a decis
ca armata trebuie sa detina un sistem de pozitionare globala
superprecis.Din fericire ei au avut si banii (12 miliarde$ !!!) pentru a
construi ceva cu adevarat bun.
Rezultatul este Sistemul de
Pozitionare Globala , sistem care a schimbat navigatia pentru
totdeauna.
SUS
Ce este GPS ?
Sistemul de Pozitionare Globala (GPS) este un
sistem de radio-navigatie globala format dintr-o constelatie de 24 de
sateliti si statiile lor de la sol.
GPS-ul foloseste satelitii ca
puncte de referinta pentru a calcula pozitiile cu o acuratete de
domeniul metrilor , dar cu variante avansate de GPS se pot face
masuratori cu o acuratete mai mica de un centimetru!
Intr-un fel e ca
si cum s-ar aloca o adresa unica fiecarui metru patrat al
planetei.
Receptoarele GPS au fost miniaturizate pina la nivelul a
citeva circuite integrate astfel devenind si foarte economice.Aceasta
face tehnologia foarte accesibila practic tuturor.
La ora actuala GPS
isi gaseste locul in masini , vapoare , avioane , echipamente de
constructii , masini agricole , pina si computere portabile etc.
In
curind GPS va deveni aproape la fel de obisnuit ca un
telefon.
SUS
Cum functioneaza GPS ?
Sa urmarim in continuare cum functioneaza
GPS:
1.Baza
GPS-ului este "triangulatia" de la sateliti.
2.Pentru a triangula , un receptor GPS masoara
distanta folosind timpul de propagare al undelor
radio.
3.Pentru a masura timpul de propagare GPS-ul are
nevoie de o cronometrare precisa care poate fi obtinuta cu ajutorul unor
trucuri.
4.Pe linga distanta este nevoie a se cunoaste exact
unde se afla satelitii in spatiu.Orbitele aflate la mare altitudine si o
monitorizare atenta sunt secretul.
5.In sfirsit , trebuie corectat semnalul radio de
orice erori aparute la propagarea prin atmosfera.
Vom explica fiecare din aceste puncte in
urmatoarele cinci sectiuni.Va recomandam sa urmariti prezentarea in
ordine.Amintiti-va,stiinta este o disciplina pas-cu-pas!
Poate parea
improbabil dar toata ideea din spatele GPS-ului este de a folosi
satelitii in spatiu ca puncte de referinta pentru localizarea la
sol.
Asa este,printr-o masurare foarte,foarte corecta a distantei de
la trei sateliti putem "triangula" pozitia oriunde pe pamint.
Sa
uitam pentru moment cum masoara distanta receptorul GPS.Vom ajunge si la
asta mai tirziu.Pentru inceput sa ne gindim cum masurarea distantei de
la cei trei sateliti va poate pozitiona in spatiu.
Din punct de
vedere geometric:
-Presupunind ca masuram distanta de la un satelit
si aflam ca este 11.000 mile.
Stiind ca ne aflam la 11.000 mile de un
satelit fixeaza toate posibilele locatii in care ne putem afla in
Univers la suprafata unei sfere al carei centru este satelitul si are o
raza de 11.000 mile.
In continuare vom masura distanta pina la cel de
al doilea satelit si vom afla ca este la 12.000 mile
distanta.
Aceasta ne spune ca nu suntem doar pe prima sfera,ci suntem
si pe o sfera aflata la 12.000 mile de al doilea satelit.Cu alte cuvinte
suntem pe un cerc,undeva unde cele doua sfere se intersecteaza.
Daca
in acest moment facem o masuratoare de la al treilea satelit si aflam ca
suntem la o distanta de 13.000 mile de el, aceaste ne fixeaza pozitia
mai bine,pina la doua puncte acolo unde sfera cu raza de 13.000 mile
taie cercul care este rezultatul intersectiei primelor doua
sfere.
Deci prin masurarea distantei de la trei sateliti putem fixa
pozitia la doar doua puncte in spatiu.
Pentru a decide care dintre
ele este pozitia corecta putem face o a patra masuratoare.Dar de obicei
unul din cele doua puncte este un raspuns ridicol.(ori este prea aproape
de pamint ori se deplaseaza cu o viteza imposibila)si poate fi refuzata
fara o masuratoare.
A patra masuratoare devine foarte utila pentru
alta cauze dar,vom vorbi despre aceasta mai tirziu.
In continuare vom
vedea cum sistemul masoara distanta pina la
sateliti.
Recapitulind:Triangulatia
1.Pozitia este
determinata prin masurarea distantei pina la sateliti.
2.Matematic
avem nevoie de distanta pina la patru sateliti pentru a determina
pozitia exacta.
3.Trei distante sunt de ajuns daca refuzam
raspunsurile ridicole sau folosim unele trucuri.
4.Mai este nevoie de
o masuratoare pentru cauze tehnice care vor fi discutate mai
tirziu.
Am vazut in ultima sectiune ca pozitia este
calculata prin masurarea distantei pina la cel putin trei
sateliti.
Dar cum poti masura distanta catre ceva care pluteste in
spatiu?O facem calculind cit timp ii ia semnalului trimis de la satelit
sa ajunga la receptor.
Din punct de vedere matematic:
Intr-un fel
totul este asemanator cu vechea problema de matematica:"Daca o masina
calatoreste cu 60 mile/h pentru doua ore,cit de departe
ajunge?".
Viteza(60 mile/h X Timp(2 ore) = Distanta(120 mile)
In
cazul GPS-ului masuram un semnal radio,deci viteza va fi viteza
luminii(186.000 mile/sec) Problema este masurarea timpului de
propagare.
Cronometrarea este foarte problematica.Mai intii timpii
sunt foarte mici.Daca satelitul este chiar deasupra ,timpul de propagare
va fi de circa 0,06 secunde.Deci vom avea nevoie de niste ceasuri foarte
precise.Vom vorbi despre acestea imediat.
Presupunind ca avem ceasuri
precise,cum masuram timpul de propagare?Pentru a explica vom folosi
urmatoarea analogie:
Presupunind ca exista o cale de a face amindoi
satelitii si receptorul sa emita o melodie exact la ora 12.00.Daca
sunetul ar ajunge la noi din spatiu(ceea ce este ridicol bineinteles)si
stind linga receptor vom auzi doua versiuni ale melodiei,una de la
receptor si una de la satelit.
Aceste doua versiuni vor fi
desincronizate.Versiunea care vine de la satelit va fi intirziata pentru
ca semnalul trebuie sa parcurga mai mult de 11.000 mile.
Daca dorim
sa aflam cit de intirziata va fi versiunea de la satelit, va trebui sa
intirziem semnalul de la receptor pina la o sincronizare
perfecta.
Valoarea este trimisa inapoi si versiunea receptorului este
egala cu timpul de programare a versiunii satelitului.Deci multiplicam
acest timp cu viteza luminii si gata avem distanta pina la
satelit.
In mare cam asa functioneaza GPS-ul.
Numai ca in loc de
acea melodie satelitii si receptoarele folosesc ceva numit "Pseudo
Random Code" - care este probabil mai usor de cintat decit acea
melodie.
Un Random Cod? "Pseudo Random Code"-ul (PRC)este o parte
fundamentala a GPS-ului.Din punct de vedere fizic este un cod digital
foarte complicat,cu alte cuvinte este o secventa complicata de pulsuri1
si 0.
Sunt citeva cauze bune care explica aceasta complexitate.Mai
intii constructia complexa asigura ca receptorul sa nu se sincronizeze
accidental cu alte semnale.Tiparul este atit de complex incit este
aproape imposibil ca un semnal ratacit sa aiba aceiasi forma.
Pentru
ca fiecare satelit are propriul si unicul "Pseudo-Random Code" ceea ce
garanteaza ca receptorul nu va capta accidental semnalul altui
satelit.Deci toti satelitii pot folosi aceiasi frecventa fara a se bruia
unul cu celalalt,ceea ce face si mai dificil pentru o forta ostila sa
bruieze sistemul.De fapt "Pseudo Random Code" ofera Departamentului de
Aparare al S.U.A o cale de a controla accesul in sistem.
Dar este
alta cauza pentru complexitatea acestui "Pseudo Random-Code",motiv care
este crucial pentru a face GPS economic.Codul face posibila folosirea
"teoriei informatiei" pentru a "amplifica" semnalul GPS.De aceea
receptoarele GPS nu au nevoie de antene mari de satelit pentru a
receptiona semnalele GPS.
Prin aceasta am terminat de prezentat
primul punct al acestei analogii.Asta inseamna ca si satelitul si
receptorul genereaza codurile in acelasi timp.Dar cum ne asiguram ca
sunt perfect sincronizate?Asteptati si veti vedea.
Recapitulind:Masurarea distantei.
1.Distanta
pina la un satelit este determinata prin masurarea timpului in care
semnalul ajunge la noi de la satelit.
2.Pentru a face masurarea
presupunem ca si satelitul si receptorul genereaza acelasi "Pseudo
Random-Code" exact in acelasi timp.
3.Comparind cit de tirziu apare
"pseudo-random code"-ul, fata de codul receptorului,determinam de cit
timp a avut nevoie sa ajunga la noi.
4.Multiplicam timpul de
propagare cu viteza luminii si obtinem distanta.
Daca masurarea timpului de propagare a semnalului
radio este secretul bunei functionari a GPS,ceasurile trebuie sa fie cu
adevarat bune pentru ca daca ar avea o eroare de o miime dintr-o
secunda,la viteza luminii asta inseamna aproape 200 mile eroare!
Din
punct de vedere al satelitilor cronometrarea este aproape perfecta
pentru ca detin ceasuri atomice care sunt incredibil de precise.
Dar
ce se intimpla cu receptoarele de la sol?
Amintiti-va ca atit
satelitul cit si receptorul trebuie sa-si poata sincroniza cu precizie
"pseudo-random code" pentru a face sistemul sa functioneze.
Daca
receptoarele ar avea nevoie de ceasuri atomice , GPS ar fi o tehnologie
pe care nimeni nu si-ar putea-o permite.
Din fericire proiectantii
GPS-ului au avut ideea excelenta care ne permite sa avem niste ceasuri
mai putin precise in receptoare.Aceasta idee este una din
elementele-cheie ale GPS-ului si consta dintr-un element in plus care
face ca fiecare ceas din receptor sa nu fie mai putin precis decit
ceasurile atomice de pe satelit.
Secretul unei sincronizari perfecte
este efectuarea a inca unei masuratori la satelit.
Asa este , daca
trei masuratori perfecte pot localiza un punct in spatiul 3-D , atunci
patru masuratori imperfecte pot face acelasi lucru.
Masuratoarea in
plus rezolva erorile de sincronizare.
Daca ceasurile receptoarelor ar
fi perfecte atunci toate domeniile satelitilor s-ar intersecta intr-un
singur punct (care este practic pozitia noastra).Dar cu ceasuri
imperfecte , o a patra masuratoare , facuta ca o verificare , nu se va
intersecta cu primele trei.
Deci computerul receptorului va spune "Oh
, exista o discrepanta in masuratori.Nu sunt perfect sincronizate cu
timpul universal.
Pentru ca orice eroare de la timpul universal va
afecta masuratorile , receptorul cauta un factor de corectie care poate
reduce masuratorile de sincronizare pina se intersecteaza intr-un singur
punct.Aceasta corectie face ceasul receptorului sa se sincronizeze cu
timpul universal , si gata , aveti o acuratete atomica!
Din moment ce
aceasta corectie se aplica si la restul masuratorilor avem o pozitionare
precisa.
O consecinta a acestui principiu este ca orice GPS rezonabil
va avea nevoie de patru canale pentru a face patru masuratori
simultan.
Cu acest "pseudo-random code" si o extra-masuratoare care
ne fac perfect sincronizati la timpul universal avem tot ce ne trebuie
pentru a masura distanta pina la un satelit in spatiu.
Dar pentru a
face triangulatia sa functioneze nu este de ajuns sa stim distanta , mai
trebuie sa stim exact unde se afla satelitii.
Aceasta o vom face in
urmatoarea sectiune.
Recapitulind :Sincronizarea
perfecta
1.Sincronizarea perfecta este cheia masurarii distantei pina
la sateliti.
2.Satelitii sunt extrem de precisi pentru ca detin
ceasuri atomice.
3.Ceasurile receptoarelor nu trebuie sa fie atit de
precise pentru ca o extra-masuratoare la satelit poate elimina
erorile.
In prezentarea de mai sus am presupus ca stim unde
se afla satelitii , asta pentru a-I putea folosi ca puncte de
referinta.
Dar cum putem sti cu exactitate unde se afla?Dupa ce toti
se rotesc in spatiu la o altitudine de 11.000 mile!
Un satelit de
mare-altitudine nu are nici o problema!
Altitudinea de 11.000 mile
este un beneficiu in acest caz , pentru ca ceva aflat la o altitudine
atit de mare este mult in afara atmosferei.Asta inseamna ca va orbita
conform unor formule matematice simple.
Fortele Aeriene ale S.U.A au
lansat satelitii pe niste orbite foarte precise , conform planului
GPS.
La sol fiecare computer de pe receptor este programat sa
cunoasca pozitia exacta a fiecarui satelit in spatiu,moment cu
moment.
Orbitele de baza sunt foarte exacte dar pentru a face
lucrurile perfecte,satelitii GPS sunt in mod constant monitorizati de
catre Departamentul de Aparare al S.U.A.
Ei folosesc radare foarte
precise pentru a verifica altitudinea,pozitia si viteza fiecarui
satelit.
Erorile pe care ei le verifica si corecteaza sunt numite
"erori efemere" pentru ca afecteaza orbita satelitilor si sunt
efemere.Aceste erori sunt cauzate de pulsul gravitational al lunii si
soarelui si de presiunea radiatiei solare asupra satelitilor.
Erorile
sunt foarte mici dar daca se doreste o mare acuratete trebuie luate in
calcul.
Odata ce Departamentul de Aparare al S.U.A. a masurat pozitia
exacta a satelitului ei transmit informatia la satelit.Atunci satelitul
include pozitia corectata in semnalele de sincronizare pe care le
transmite.
Asadar semnlul GPS este mai mult decit un "pseudo-random
code" folsit pentru sincronizare.El contine deasemenea un mesaj de
navigatie cu corectii.
Cu o sincronizare perfecta si cu pozitia
exacta a satelitului credeti ca sunteti gata sa faceti un calcul perfect
al pozitiei.Dar inca mai sunt probleme.
Recapitulind:Pozitiile satelitilor.
1.Pentru a
folosi satelitii ca puncte de referinta pentru masuratori trebuie sa
stim exact unde se afla.
2.Satelitii GPS se afla la mare-altitudine
si sunt bine "fixati" pe orbita.
3.Variatiile minore ale orbitei sunt
masurate de catre Departamentul de Aparare al S.U.A.
4.Informatiile
continind eroarea sunt transmise la sateliti pentru a fi inclusa in
semnalul de sincronizare.
Pina acum am tratat calculele efectuate de catre
GPS forte abstract,ca si cum totul s-ar fi petrecut in vid.Dar in
realitate sunt o multime de lucruri care se pot petrece cu un semnal GPS
care poate face ca totul sa nu mai fie atit de matematic.
Pentru a
obtine tot ce e mai bun la sistem,un bun receptor GPS trebuie sa tina
seama de o varietate de posibile erori.Dar sa vedem ce se poate
intimpla:
Pentru inceput,una din presupunerile pe care le folosim in
prezentare nu este chiar corecta.Am spus ca vom calcula distanta pina la
un satelit,multiplicind timpul de propagare al semnalului cu viteza
luminii.Dar viteza luminii este constanta doar in vid.
In timp ce
semnalul GPS trece prin particulele incarcate ale ionosferei si apoi
prin vaporii apei din troposfera,semnalul este incetinit putin,aceasta
creind acelasi fel de erori ca niste ceasuri imprecise.
Exista o
serie de cai de a minimiza asemenea erori.De exemplu putem prezice ce
intirziere va aparea intr-o zi tipica.Aceasta este numita modelare
si,ajuta dar conditiile atmosferice sunt rareori la fel.
Alta cale de
a rezolva aceste erori induse de atmosfera ar fi de a compara vitezele
relative a doua semnale diferite.Aceasta masurare "frecventa-duala" este
foarte sofisticata si este posibila doar cu receptoare
avansate.
Probleme cu semnalul GPS nu se termina cind ating
solul.Semnalul se poate "lovi" de multe piedici locale pina ajunge la
receptor.
Aceasta este numita eroare multibanda si este similara cu
efectul de "fantoma" intilnit la receptoarele TV.Receptoarele bune
folosesc tehnici sofisticate de respingere a semnalului pentru a
minimiza problema.
Probleme la satelit.
Desi satelitii sunt foarte
sofisticati,sunt dispusi la unele mici erori in sistem.
Ceasurile
atomice pe care le folosesc sunt foarte,foarte precise dar nu sunt
perfecte.Pot aparea discrepante mici,discrepante care duc la erori la
masurare.
Desi pozitiile satelitilor sunt constant monitorizate,ele
nu pot fi urmarite in fiecare secunda.Deci mici "erori efemere" se pot
strecura intre aceste monitorizari.
Bazele geometriei pot scoate in
evidenta aceste erori dupa un principiu numit "Geometric Dilution of
Precision" sau GDOP.
Suna complicat dar principiul este chiar
simplu.
De obicei sunt mai multi sateliti disponibili decit are
nevoie un receptor pentru a fixa o pozitie,asa ca receptorul alege doar
citiva si ii ignora pe restul.
Daca alege satelitii care sunt mai
aproape unul de celalalt in spatiu,cercurile care definesc o pozitie se
vor intersecta in unghiuri mai mult decit superficiale.Aceasta mareste
zona gri a erorilor din jurul pozitiei.
Daca alege sateliti care sunt
mai indepartati cercurile se intersecteaza la unghiuri aproape corecte
ceea ce va minimiza zona erorilor.
Receptoarele bune determina care
dintre sateliti va da cel mai mic GDOP.
Erori intentionate!
Oricit
de greu v-ar veni sa credeti,acelasi guvern care a cheltuit 12 miliarde$
pentru a dezvolta cel mai precis sistem de navigatie din lume,ii
degradeaza acuratetea in mod intentionat.Tactica este numita
"Disponibilitate Selectiva" sau "SA" si ideea este ca nici o forta
ostila sau grup terorist sa poata folosi GPS pentru a face armele extrem
de precise.
In fapt,Departamentul de Aparare al S.U.A introduce unele
"zgomote" in datele ceasului de pe satelit care,la rindul lui adauga
"zgomote"(erori) in calculul pozitiei.Deasemenea Departamentul de
Aparare al S.U.A. poate trimite date referitoare la orbita eronate,date
care sunt transmise la receptoarele de la sol ca parte a mesajului
status.
Impreuna acesti factori fac din SA cea mai mare sursa de
imprecizie a sistemului.Receptoarele militare folosesc un cod de
decriptare pentru a indeparta erorile SA si,astfel fiind mult mai
precise.
Din fericire toate aceste inexactitati nu maresc foarte mult
erorile.O forma de GPS numita "GPS Diferential" poate reduce in mod
insemnat aceste probleme.dar vom afla despre el mai
tirziu.
Recapitulind:Corectarea erorilor.
1.Atmosfera si
ionosfera pamintului cauzeaza intirzieri ale semnalului GPS care se
traduce prin erori de pozitionare.
2.Unele erori pot fi rezolvate
folosind matematica si modelarea.
3.Configuratia satelitilor in
spatiu pot afecta erorile.
4.GPS Diferential poate elimina aproape
toate erorile.
SUS
GPS diferential - DGPS
GPS-ul este cel mai precis sistem radio de navigatie
dezvoltat vreodata.Pentru multe aplicatii este destul de precis.Dar asa
este natura umana sa vrea mai mult.!
O serie de ingineri au venit cu
ideea unui "GPS Diferential",practic o cale de a corecta inexactitatile
din sistemul GPS,impingind acuratetea si mai departe.
GPS Diferential
sau "DGPS" poate face masuratori cu erori de citiva metri pentru
aplicatii mobile si chiar mai bine pentru cele stationare.
Aceasta
imbunatatire a preciziei are un efect profund asupra importantei
GPS-ului ca resursa.Cu ea,GPS-ul devine mai mult decit un sistem de
navigatie pentru vapoare si avioane in jurul lumii.El devine un sistem
de masurare universal capabil de a pozitiona lucruri pe o scala extrem
de precisa.
GPS Diferential presupune cooperarea a doua
receptoare,unul stationar si celalalt in miscare facind masuratori ale
pozitiei.
Receptorul stationar este cheia.Leaga toate masuratorile
satelitilor de un punct local solid de referinta.
Sa vedem cum
functioneaza:
Problema
Va amintiti ca receptoarele GPS folosesc
semnale de sincronizare de la cel putin patru sateliti pentru a stabili
o pozitie.
Fiecare din aceste semnale de sincronizare vor avea unele
erori sau intirzieri depinzind de ce fel de obstacole au intilnit in
calatoria lor spre sol.
Pentru ca fiecare din aceste semnale care
contribuie la calculul pozitiei au unele erori,acest calcul va fi un
compus al acestor erori.
O circumstanta atenuanta
Din fericire
scara perpendiculara a sistemului GPS ne vine in ajutor.Satelitii sunt
atit de departe in spatiu incit micile distante pe care le parcurgem pe
pamint sunt insignifiante.
Astfel incit daca doua receptoare sunt
apropiate unul de celalalt,sa spunem la citeva sute de
kilometri,semnalele care ajung la ele au calatorit practic prin aceiasi
parte de atmosfera,si deci vor avea acelasi erori.
Aceasta este ideea
din spatele GPS Diferential:avem un receptor care masoara erorile de
sincronizare si care transmite informatiile corectate la celalalt
receptor care este in miscare.In acest mod pot fi eliminate toate
erorile din sistem,chiar si eroarea "Disponibilitatii Selective"
introdusa de catre Departamentul de Aparare al S.U.A.
Ideea este
simpla.Se pune receptorul referinta intr-un punct care este foarte
precis supravegheat si se tine acolo.
Acest receptor-referinta
receptioneaza acelasi semnal GPS ca si receptorul aflat in miscare dar
in loc sa functioneze ca un receptor GPS normal el lucreaza exact
invers.
In loc sa foloseasca semnalele de sincronizare pentru a-si
calcula pozitia,el isi foloseste pozitia cunoscuta pentru a calcula
sincronizarea.Realizeaza care trebuie sa fie timpul de propagare a
semnalului GPS si compara unde se afla.Diferenta este un factor de
corectie al erorii.
Dupa care receptorul transmite informatia
referitoare la eroare catre receptorul aflat in miscare pentru a-si
corecta masuratorile.
Din moment ce receptorul-referinta nu are cum
sa stie care dintre satelitii disponibili sunt folositi de receptorul
aflat in miscare pentru a-si calcula pozitia,receptorul-referinta trece
in revista toti satelitii disponibili si le calculeaza erorile.
Dupa
aceea codeaza informatia intr-un format standard si il transmite catre
receptorul aflat in miscare.
Este ca si cum receptorul-referinta ar
spune:"OK ascultati,in acest moment semnalul de la satelitul #1 este
intirziat cu 10 nanosecunde,satelitul #2 cu 3 nanosecunde,satelitul #3
cu 16 nanosecunde etc".
Receptorul aflat in miscare primeste lista
completa cu erori si aplica corectia pentru satelitii pe care ii
foloseste.
Dar in momentul de fata exista destule agentii publice
care transmit aceste corectii si asta chiar gratis!
Paza de Coasta a
S.U.A si alte agentii internationale au fixat statii de referinta peste
tot,in special in jurul celor mai cunoscute porturi si
golfuri.
Aceste statii transmit foarte des aceste informatii prin
intermediul radarelor de coasta,fixate deja in banda radio de 300
kHz.
Oricine este aflat in zona poate receptiona aceste corectii,si
deci,poate imbunatati precizia masuratorii prin intermediul
GPS.Majoritatea vapoarelor deja detin statii radio capabile sa
receptioneze frecventa de 300 kHz,deci adaugarea unui DGPS este foarte
simpla.
Multe din noile modele de receptoare GPS sunt proiectate sa
accepte corectii si unele sunt chiar echipate cu receptoare
radio.
Post-procesarea DGPS
Nu toate aplicatiile DGPS sunt la
fel.Unele nu au nevoie de legatura radio pentru ca nu au nevoie de o
pozitionare precisa imediat.
Un lucru este sa incerci sa pozitionezi
un vapor intr-o anumita zona a oceanului si cu totul altceva este daca
vrei sa inregistrezi traseul unui nou drum pe o harta.Pentru aceste
aplicatii receptoarele aflate in miscare trebuie sa inregistreze toate
masuratorile referitoare la pozitie cit si ora exacta cind a facut
masuratoarea.
Dupa aceasta aceste date pot fi compilate cu corectiile
inregistrate de catre receptoruil-referinta,pentru obtinerea unor date
corecte.Astfel nu mai este necesara legatura radio de care au nevoie
sistemele in timp real.
Daca nu detinem un receptor-referinta poate
exista o sursa alternativa de corectii in zona.
Unele institutii
academice experimenteaza via internet o cale de a distribui
corectiile.
Aceasta este alta aplicatie a DGPS,numita "DGPS inversat"
care poate face mari economii in aplicatiile care implica
pozitionare.
Sa spunem ca detineti un parc auto constituit din
autobuze si vreti sa stiti pozitia exacta pe harta (la nivel de
strada)cu mare precizie(poate chiar pe ce parte a strazii se
afla).
Deci v-ati dori o asemenea precizie dar nu vreti sa
achizionati recptoare-diferentiale pentru fiecare autobuz.
Cu un
sistem DGPS inversatobuzele pot fi echipate cu receptoare GPS standard
si un emitator pentru transmiterea pozitiilor GPS la centrala
proprie.Dupa aceasta,la centrala corectiile vor fi aplicate pozitiilor
receptionate.
Este necesar un calculator pentru efectuarea
calculelor,un emitator pentru transmiterea datelor dar obtineti pozitii
precise la costul unei statii referinta,un computer si receptoare GPS
standard.
Daca vreti sa stiti incotro se indreapta DGPS,aruncati o
privire asupra mainii,pentru ca in curind DGPS va fi capabil sa rezolve
pozitii cu o eroare nu mai mare decit degetul dvs mic.
Imaginati-va
posibilitatile.Echipamente automate de constructii ar putea transforma
desene CAD in drumuri fara nici o masuratoare manuala.Vehicule
auto-ghidate vor traversa orasul in timp ce tu citesti linistit pe
bancheta din spate.
Ca sa intelegem cum acest tip de GPS ete
dezvoltat este nevoie sa aflam cite ceva despre semnalele GPS.daca doua
receptoare se afla foarte aproape unul de celalalt,sa spunem citeva sute
de km,semnalele care ajung la ele au traversat practic aceeasi zona din
atmosfera si practic vor avea aceeasi linie.
Cuvinte ca "faza-cod" si
"faza-purtatoare" pot suna foarte complicat dar ele se refera doar la
semnalul pe care il folosim la masuratorile de sincronizare.Folosind
frecventa purtatoare a GPS-ului putem imbunatati precizia
GPS.
Conceptul este simplu dar pentru a intelege trebuie sa ne
amintim principiile de baza ale GPS.
Va amintiti ca receptorul GPS
determina timpul de propagare a semnalului de la satelit comparind
"pseudo random code"pe care il genereaza cu un cod identic in semnlul de
la satelit.
Receptorul isi ruleaza codul continuu pina se
sincronizeaza cu codul satelitului.Practic intervalul intre care
receptorul isi ruleaza codul este de fapt timpul de propagare al
semnalului.
Sa consideram doua semnale:
Daca le comparam logic vom
spune ca ele coincid.Cind semnalul A are valoarea "1",semnalul B este si
el "1".Cind semnalul A este "0",semnalul B este"0".
Dar se poate
observa in momentul sincronizarii ca sunt putin defazate.
Aceasta
este problema cu faza-cod a GPS.Compara "pseudo random codes" care au un
ciclu de aproape o microsecunda.La viteza luminii o microsecunda
inseamna aproape 300 de metri de eroare!
Faza cod a GPS nu este o
problema asa de mare pentru ca proiectantii receptoarelor au avut grija
ca semnalele sa fie fazate aproape perfect.Aparatele bune au o eroare de
1-2% dar asta tot inseamna 3-6 metri de eroare.
Receptoarele
supraveghetoare inving sistemul incepind cu "pseudo random code" si
continuind cu masuratori la frecventa purtatoare a codului.Aceasta
frecventa purtatoare este mult mai mare si deci pulsurile sunt mult mai
apropiate si bineinteles mult mai precise.
La viteza luminii,semnalul
GPS cu frecventa de 1.57 GHz are o lungime de banda de aproape 20
cm,deci semnalul purtator poate fi o referinta mult mai precisa decit
"pseudo random code".In esenta aceasta metoda consta in a numara exact
ciclurile purtatoare dintre satelit si receptor.
Problema este ca
frecventa purtatoare este foarte greu de numarat pentru ca este foarte
uniforma.Fiecare ciclu este identic cu celalalt.Pe de alta parte "pseudo
random code"este in mod intentionat complex pentru a face usoara
identificarea fiecarui ciclu in parte.
Deci trucul cu faza purtatoare
a GPS este de a folosi tehnici faza cod pentru a ne apropia.Daca
masurarea codului poate fi facuta cu o precizie,sa spunem,de un
metru,atunci mai avem doar citeva lungimi de unda purtatoare pentru a
determina care ciclu atinge maximul pulsului de
sincronizare.
Rezolvind aceasta ambiguitate a fazei purtatoare in
doar citeva cicluri este o problema mult mai maleabila si,cu computerele
din receptoare care devin din ce in ce mai inteligente devine posibil sa
se faca masuratoarea fara acest ritual al receptoarelor
supraveghetoare.
SUS
Aplicatii cu GPS
In
aceasta sectiune va vom prezenta citeva exemple de aplicatii cu
GPS.Aceste aplicatii se impart in cinci
categorii:
1.Localizarea-determinarea unei
pozitii.
2.Navigatia-deplasarea de la o locatie la
alta.
3.Urmarirea-monitorizarea deplasarii oamenilor si
obiectelor.
4.Maparea-crearea hartilor
pamintului.
5.Sincronizarea-prezentarea unei sincronizari
precise.
Unde sunt?
1.Prima si cea mai evidenta aplicatie a GPS este simpla determinare
a unei pozitii sau locatii.GPS-ul este primul sistem de localizare care
ofera date extrem de precise pentru orice punct de pe planeta,pe orice
vreme.Fie si numai pentru atit ea poate fi considerata de o utilitate
majora,dar acuratetea GPS si creativitatea utilizatorilor o fac sa fie
in mod surprinzator chiar mai mult decit atit.
Cunoscind pozitia
exacta a ceva sau cineva,devine in mod special critic cind consecintele
unor date incorecte sunt masurate in termeni umani.
Citeodata este
nevoie de un locator de referinta pentru o extrem de precisa munca
stiintifica.Doar pentru a ajunge pe cel mai inalt munte din lume a fost
foarte greu dar GPS a efectuat masuratori referitoare la cresterea
Muntelui Everest foarte usor!Datele colectate au relevat ca ghetarul
Khumbu se deplaseaza catre baza Everestului,muntele insusi chiar
crescind.
Unde ne ducem?
2.GPS ne ajuta sa
determinam exact unde suntem,dar citeodata e mai important sa stim cum
ajungem undeva.GPS a fost special proiectat pentru a furniza informatii
de navigatie pentru vapoare si avioane.Deci nu este nici o surpriza ca
din moment ce tehnologia este folositoare navigatiei pe apa,ea sa fie
foarte folositoare si in aer si pe uscat.
Pe apa:
Este interesant
ca marea,unul dintre cele mai vechi canale de transport,a fost
revolutionat de GPS,cea mai noua tehnologie de navigatie.Trimble a
introdus primul receptor GPS din lume pentru navigatia marina in anul
1985.Si dupa cum va asteptati,navigatia pe oceanele lumii este acum mai
precisa ca oricind.
In ziua de azi veti gasi receptoarele Trimble pe
vase din intreaga lume,incepid cu mici vase de pescuit si terminind cu
vapoare,pe vase de croaziera si iahturi de placere.
Dar navigatia cu
GPS nu se termina aici.
In aer:
Pilotind un monomotor Piper Cub
sau un jumbo comercial necesita aceleasi informatii precise referitoare
la navigatie,si GPS face totul pentru aceasta.
Punind la dispozitie
aparate mult mai precise de navigatie si sisteme precise de
aterizare,GPS nu face doar zborul mai sigur,dar il face si mai
eficient.Cu o navigatie "punct-cu-punct" precisa,GPS economiseste
combustibil si mareste raza de actiune a avionului asigurind pilotii ca
nu se abat de la cea mai directa ruta catre destinatie.
Precizia GPS
permite deasemenea separari mai apropiate ale avioanelor pe rute
directe,ceea ce inseamna practic mai multe avioane in spatiul aerian
deja limitat.Este in mod special foarte folositor cind trebuie sa
aterizezi cu avionul in mijlocul muntilor.Deasemenea si elicopterele
medicale salveaza minute in plus datorita preciziei navigatiei cu
GPS.
Dar nu este nevoie sa fii cu capul in nori ca sa folosesti GPS
pentru navigatie.
Pe pamint:
Orientarea pe pamint este o arta
veche si chiar o stiinta.Stelele,busola si o memorie buna a unor puncte
de referinta ajuta la deplasarea de la o destinatie la alta.Chiar si
sfatul de la cineva aflat pe traseu ajuta la orientare dar,punctele de
refewrinta se modifica,stelele isi schimba pozitia si busolele sunt
afectate de magneti si vreme.
In ziua de astazi
calatorii,biciclistii,schiorii,soferii aplica tehnologia GPS in locul
descoperirii traseului cu metode clasice.
3.Daca
navigatia este procesul prin care se ghideaza ceva dintr-un punct in
altul,atunci urmarirea este procesul monitorizarii lui in timpul
deplasarii.
Comertul se bazeaza pe vehicule pentru a distribui bunuri
si servicii fie in orase fie la nivel national.Deci un management
efectiv al vehiculelor are implicatii directe cum ar fi anuntarea unui
client despre ora sosirii unui pachet,esalonarea pe traseu a
autobuzelor,directionarea unei ambulante catre locul unui accident
etc.
GPS-ul folosit impreuna cu linii de comunicatie si computere
poate conferi coloana vertebrala pentru sisteme legate de aplicatii din
agricultura,tranzit greu,distributie urbana,siguranta publica,urmarirea
vehiculelor.Nu este nici o surpriza ca politia,serviciul de ambulanta si
pompieri au adoptat sisteme Trimble bazate GPS AVL(Automatic Vehicle
Location) care fixeaza atit pozitia urgentei cit si pe cea a celui mai
apropiat vehicul.Avind aceasta imagine clara a situatiei,dispecerii pot
reactiona imediat si confidential.
Dar altceva?
4.Traim intr-o lume mare si folosirea GPS pentru a
supraveghea si mapa precis economiseste timp si bani in cele mai multe
din aplicatii.Astazi GPS-urile Trimble fac posibila ca un singur om sa
rezolve intr-o zi ceea ce inainte lua o saptamina unei echipe intregi;si
isi fac aceasta munca la un nivel de precizie mult mai mare decit
inainte.
Trimble a revolutionat tehnologia prin care se face o
supraveghere,efectul fiind considerabil!Ati vazut felul in care GPS
fixeaza o pozitie,un traseu,vehicule.Maparea este arta si stiinta
folosirii GPS pentru a localiza locuri,si apoi a crea harti si modele cu
tot ce este in lume.Si cind spunem totul ne referim
la:munti,riuri,paduri si alt forme de relief.Animale pe cale de
disparitie,minerale pretioase si tot felul de resurse.Accidente si
dezastre,gunoi si comori arheologice.GPS mapeaza lumea.
5.Aducind
timpul precis lumii
Cind se va intimpla?
Cu toate ca GPS este
cunoscut pentru navigatie,urmarire si mapare,el mai este folosit si
pentru raspindirea orei precise,a intervalelor orare si a frecventei.GPS
face ca "sincronizarea ceasurilor" sa fie usoara si de
incredere.
Sunt trei cai fundamentale de folosire a timpului.Ca un
marker universal,timpul ne anunta cind unele lucruri s-au intimplat sau
se vor intimpla.Ca o cale de a sincroniza oameni,evenimente,chiar si
alte tipuri de semnale,timpul ajuta lumea sa se mentina in orar.Ca o
cale de a spune cit dureaza lucrurile,timpul ne ofera un precis sens al
duratiei.
Satelitii GPS sunt dotati cu extrem de precise ceasuri
atomice.Ca sistemul sa functioneze,receptoarele GPS se sincronizeaza cu
aceste ceasuri.Asta inseamna practic ca fiecare receptor GPS este in
esenta un ceas atomic.
Astronomi,companii de electricitate,retele de
calculatoare,sisteme de comunicatii,banci,statii de radio si televiziune
pot beneficia de aceasta sincronizare precisa.O firma de investitii
bancara foloseste GPS pentru a garanta ca tranzactiile se inregistreaza
in acelasi timp la toate filialele din lume.
SUS
