SISTEME SATELITARE DENAVIGAŢIE

•NAVSTAR – GPS.

•DGPS

•GLONASS

•GALILEO

NAVSTAR – GPS•Sistemul satelitar de navigaţie NAVSTAR –GPS (NAVigation Satellite Timing AndRanging – Global Positioning System) esteun sistem global gestionat deDepartamentul Apărării al SUA.•Sistemul NAVSTAR – GPS realizează oacoperire globală, continuu, în orice condiţiimeteorologice asigurând determinareaprecisă a poziţiei receptorului (latitudine,longitudine, înălţime), informaţiile denavigaţie şi de timp real, raportate la timpuluniversal – U.T.C.•Sateliţii sistemului sunt dotaţi cu un ceaspropriu de înaltă precizie utilizat pentrusincronizarea măsurătorilor, pentrutransmiterea mesajului satelitului şi adatelor de poziţie ale receptorului.

NAVSTAR – GPS• Poziţia vectorilor purtători de receptoare GPS este determinată prin măsurareadistanţelor înclinate (pseudodistanţe, din care trei sunt necesare pentru determinareapunctului, iar cea de-a patra pentru sincronizarea timpului, (ceasul receptorului nueste sincronizat cu ceasul satelitului);• Erorile apărute ca urmare a acestei nesincronizări determină folosirea parametruluinumit “pseudodistanţă” la cel puţin patru sateliţi vizibili, situaţi pe orbitele lor precisdeterminate.

• Precizia ridicată în determinarea poziţiilor de pe sfera terestră face ca acest sistem săfie folosit în activităţi (geodezie, construcţii speciale, etc.) ce necesită un grad ridicatde precizie al parametrilor de poziţie absoluţi;• Sistemul NAVSTAR – GPS s-a dezvoltat începând cu anul 1973 ca un sistem militar,pentru ca în prezent să fie accesibil şi pentru utilizatori civili. Acoperirea globală în treidimensiuni a fost realizată în anul 1991.

Caracteristici

• înălţimea orbitei - 20200 km;• perioada - 12h;• frecvenţa de lucru - 1575 MHz;

- 1228 MHz;• informaţii de poziţie şi navigaţie: - în patru dimensiuni: x, y, z, t;• program de lucru - continuu;• precizie - 15 m, 0,1 noduri: în codul P• număr de sateliţi - 24;• orbita - constantă, repetabilă;• ceasul satelitului - cu cesiu, rubidiu.

Compunere•segmentul spaţial;•segmentul de comandă şi control;•segmentul utilizatori.

Segmentul de comandă şi controlSegmentul de comandă şi control este format din staţiile terestre de monitorizare şi decontrol, situate la sol (staţia principală – Master Control Station lângă Colorado Spring –SUA şi trei staţii de monitorizare dotate cu staţii terestre în insulele Kwajalein, Ascension,Diego Garcia şi o staţie terestră în Hawaii)

Segmentul de comandă şi control• Datele culese de staţiile de monitorizare şi control sunt procesate,

corectate şi retransmise sateliţilor pentru a fi încorporate înmemoria acestora cu scopul corectării mesajului de navigaţie.Segmentul de comandă şi control are următoarele atribuţiuni:

• monitorizarea informaţiilor de timp, adică estimarea statutuluiceasurilor:– statutul ceasurilor este raportat la timpul GPS, generat de staţiile

terestre, menţinut în concordanţă cu timpul universal (UTC), înlimitele a 100 ns;

• monitorizarea informaţiilor de poziţie a sateliţilor:– efemerida satelitului, ce reprezintă datele de poziţie variabilă a

fiecărui satelit;– almanahul, ce reprezintă datele de poziţie reciprocă a sateliţilor

sistemului NAVSTAR – GPS;• formatarea mesajelor sateliţilor;• comanda manevrei sateliţilor pe orbită;• sincronizarea timpului între staţiile terestre în limitele a câtorva ns

în scopul delimitării sateliţilor de la o staţie la alta.

Segmentul de comandă şi control

Staţia de retransmisie realizează un schimb continuu de datecalculate, cu sateliţi GPS. În fiecare zi când un satelit se află înorizontul acestei staţii, mesajele generate de staţia principalăsunt transmise satelitului pentru împrospătarea datelor la acesta.

SEGMENTUL SPAŢIAL•Cuprinde un număr de 24 de sateliţi GPS distribuiţi pe 6 plane orbitale de la A la F, egalispaţiaţi între ei.•Planele orbitelor au o înclinare de 550 faţă de planul ecuatorului; perioada de 11h 58min.•Această configuraţie asigură un minimum de 4 sateliţi cu o elevaţie corespunzătoarecare să îl facă radiovizibili în acelaşi timp pentru un receptor GPS aflat în orice punct depe sfera terestră.•Ascensiunea dreaptă W între două plane orbitale este de 60°.

Caracteristicile principale ale sateliţilor GPS

• greutate, aproximativ 480 kg;• puterea generată de panourile solare stocată în baterii

Ni-Cd este de 450 W;• emisie în banda L în frecvenţele L1 = 1575,42 MHz

(19.05 cm) şi L2 = 1227,60 MHz (24,45 cm), ambelemultipli întregi ale frecvenţei de bază de 10,23 MHz;

• informaţiile transmise în cele două frecvenţe suntcodate de un sistem de modulaţie PRN (PseudoRandom Noise), pe frecvenţa purtătoare;

• frecvenţa de lucru cu un standard ridicat deperformanţă (ceasuri cu rubidiu şi cesiu);

• se identifică printr-un număr de identificare PRN

Informaţiile de la sateliţii GPS• Informaţiile de la sateliţii GPS sunt clasificate în:

– informaţii pentru utilizatori militari autorizaţi;– informaţii pentru utilizatori civili.

• Informaţiile sunt transmise sub forma a două pseudocoduri:– codul P sau Y pentru utilizatori autorizaţi;– codul C/A (Coarse / Acquisition), achiziţie ordinară;– codul SA (Selective Availability), acces selectiv.

• Codurile C/A şi SA sunt destinate utilizatorilor neautorizaţi.• Sistemul GPS asigură două nivele de precizie a informaţiilor pentru

poziţionare astfel:– nivelul standard SPS (Standard Positioning System);– nivelul precis PPS (Precise Positioning System).

• Nivelul precis derivă din codul precis P, iar cel standard din codul C/A.Informaţiile în codul P sunt transmise în banda L1 şi L2 iar cele în codul C/Anumai în banda L1.

• Informaţiile în codul P asigură precizia în punct la un nivel de ± 10 m, iarcele în codul C/A la un nivel de ± 100 m cu o probabilitate de 95 %(informaţiile în codul C/A fiind degradate controlat).

Parametrii orbitei GPS• Sistemul Navstar GPS este un sistem simplex, de la sateliţi la

receptorul GPS, unde intervalul de timp al semnalului GPS estetransformat în distanţă funcţie de viteza de propagare a semnalului.

• Pentru determinarea poziţiei navei în timp real semnalul GPS estecodat, iar frecvenţele purtătoare sunt modulate în codul PRN ceconstă în secvenţe binare ce pot fi identificate fără eroare.Determinarea pseudodistanţelor se face funcţie de acest cod dereferinţă, ce poate fi un cod precis P sau standard C/A.

• În codul P frecvenţa de emisie este de 10.23 MHz, perioadă 266 dezile. Fiecărui satelit i se atribuie un segment de timp de şapte zile,astfel că el poate emite în aceeaşi frecvenţă şi poate fi identificatfără dubiu. Această tehnică poartă numele de CDMA (Code DivisionMultiple Access – Cod de acces multiplu). Fiecare segment de codeste adus la zero la miezul nopţii (0h UTC) între zilele de sâmbătă şiduminică.

• În codul C/A frecvenţa de emisie este de 1.023 MHz, perioadă 1milisecundă.

Structura semnalului sateliţilor GPS

Tehnica de emisie a semnalului sateliţilor GPS se numeşte modulaţie binară bifazică.

Efemerida şi almanahul GPS• Efemerida satelitului conţine, în general, informaţiile referitoare la poziţia

satelitului pe orbita GPS. Aceste informaţii se transmit sub forma unui semnalnumit semnal de navigaţie al satelitului. El este determinat de segmentul decontrol al sistemului GPS şi este transmis la toţi sateliţii GPS.

• Pentru a recepţiona informaţiile GPS în timp real utilizatorul trebuie să aibă accesla informaţiile referitoare la poziţia şi timpul satelitului.

• Efemerida satelitului este generată în doi timpi astfel:– o efemeridă de referinţă bazată pe observaţii săptămânale de la cinci staţii de control de la sol

la satelit;– diferenţele dintre efemerida de referinţă şi observaţiile curente ale staţiilor de la sol.

• Acest semnal este procesat şi transmis pentru toţi sateliţii sistemului, spaţialvizibili şi conţine corecţiile ionosferice, troposferice şi relativiste. Aceste valorimăsurate sunt corectate la fiecare 15 minute. Pentru fiecare asemenea intervalsunt generate 2 observaţii, pentru fiecare satelit şi staţie de control. Observaţiilecorectate sunt folosite pentru a estima valorile următoarelor elemente:

– şase elemente orbitale per satelit;– trei parametri de ceas per satelit;– trei coeficienţi ai presiunii radiaţiei solare per satelit;– doi parametrii de ceas pentru o staţie de control;– un factor al scalei troposferice pentru o staţie de control;– trei parametri ai mişcării polare.

• Perturbaţiile estimate sunt folosite pentru a corecta efemerida de referinţă asatelitului şi de a genera efemerida difuzată de sistemul GPS.

Calculul timpului şi a coordonatelor satelitului GPS

• Timpul GPS este caracterizat printr-un interval standard săptămânal şi deintervalul de timp, în secunde, de la începutul săptămânii curente, putândvaria de la 0 la 604 800, la începutul şi sfârşitul săptămânii.

• Epoca iniţială GPS este datată la 5 ianuarie 1980 la ora 0 UTC. Timpul GPSeste definit ca timpul ceasului principal din staţia principală de control(MCS). Există o diferenţă între timpul GPS şi UTC, monitorizată deSegmentul de control al sistemului, diferenţă care era de 8 secunde la 1iulie 1992 (timpul GPS era în avans).

• Există de asemenea diferenţe între timpul GPS şi timpul satelitului. Timpulsatelitului este monitorizat de segmentul de control şi determinat subforma unui polinom de gradul doi şi corectat faţă de timpul GPS:

unde: tsv este timpul satelitului;de unde:

• unde t0c este epoca de referinţă pentru coeficienţii a0, a1, a2.• Timpul scurs de la epoca de referinţă este:

Structura semnalului de navigaţie a satelitului GPS

Decodificarea semnalului de navigaţie al satelitului se face de către procesorul intern alreceptorului GPS.Semnalul de navigaţie transmis de satelitul GPS este de 1500 biţi cu o rată de 50biţi/secundă pentru o perioadă de 30 de secunde; acest semnal este împărţit în cincisubpărţi a 300 biţi cu o durată de 6 secunde fiecare (10 cuvinte a câte 30 biţi fiecare,şase biţi reprezentând semnalul de control). Primele două cuvinte ale fiecărei părţi de 500 de biţi sunt TLM (Telemetry Word) încodul C/A, şi P– HOW. Formatul TLM conţine modulul de sincronizare care asigurăaccesul la informaţiile de navigaţie.

Structura semnalului de navigaţie a satelitului GPS

Semnalul de navigaţie este cuprins în trei blocuri de date astfel:• blocul de date I conţine parametrii ceasului satelitului şi apare în

prima subparte semnalului de navigaţie;• blocul de date II conţine parametrii necesari calculării

coordonatelor satelitului şi apare în a doua şi a treia subparte asemnalului de navigaţie;

• blocul de date III conţine almanahul, ora şi parametrii efemeridelortuturor sateliţilor sistemului GPS şi apare în a patra şi a cinceasubparte a semnalului de navigaţie; pentru utilizatorii autorizaţiacest bloc conţine şi informaţii despre parametrii corecţiilorionosferice.

• Subpărţile 4 şi 5 se repetă la fiecare 30 de secunde. Acestea conţin25 de pagini ce apar pe rând astfel că întreaga informaţie estedisponibilă după 12 minute şi jumătate.

• Fiecare pagină conţine almanahul unui satelit din sistemul spaţial.Aceşti parametri reprezintă datele de efemeridă, corecţiile ceasuluisatelitului, numărul de identificare şi starea tehnică a acestuia.Ultimele date de almanah pot fi folosite pentru determinareapoziţiilor calculate ale satelitului.

SISTEME DIFERENŢIALE GPS. DESTINAŢIE. COMPUNERE.CARACTERISTICI. UTILIZARE ÎN NAVIGAŢIA MARITIMĂ

• Sistemul DGPS – diferenţial GPS a fost dezvoltat pentru a se putea realizadeterminarea punctului navei cu precizie ridicată în zone speciale (bazineportuare, zone costiere etc.), precizie care nu poate fi asigurată de cătresistemul NAVSTAR – GPS în special pentru utilizatorii civili, în cod C/A.

• Principiul de funcţionare al sistemului DGPS este acela al comparăriipoziţiei GPS a unui punct fix faţă de o staţie terestră de referinţă.Diferenţele observate (în două sau trei dimensiuni) sunt considerate capoziţie diferenţială sau ca o serie de corecţii a pseudodistanţelormăsurate la satelit (pseudodistanţe diferenţiale), astfel că valoareapseudodistanţelor la sateliţi are un grad superior de precizie de unde şiprecizia sporită în determinarea punctului navei.

• Sistemul DGPS emite în banda de frecvenţe 285-325 KHz sub formaunui mesaj radio în format RTCM – SC 104 (Radiobeacons TransmittingCorrections), modulat în fază cu un singur canal – G1D.

• Pentru a se putea utiliza informaţiile DGPS este nevoie la bord de unreceptor DGPS care să poată recepţiona semnalele în format RTCM – SC104 şi de un receptor GPS capabil să folosească aceste informaţii.

Sistemul DGPS secompune din:

•sateliţi GPS;•centrul de control;

•staţii de referinţădiferenţială şi detransmitere ainformaţiilor DGPS;•staţie demonitorizare asistemului.

ALRS 8

Acoperire DGPS

Exemplu

Tabel cu staţii de coastă

SISTEMUL SATELITARGLONASS

Globalnaya NavigaţionnayaSputnikova Sistema este unsistem satelitar de navigaţiegestionat de CentrulInformaţional de CoordonareŞtiinţifică al Forţelor AerieneRuse. Acesta este completoperaţional începând cu anul1996, are acoperire globală,funcţionează continuu şifurnizează informaţii precisede navigaţie în timp real.

Primul satelit GLONASS a fostlansat pe 12 octombrie 1982de la cosmodromul dinBaikonur (Kazahstan),lansarea făcându-se cu orachetă de tip Proton K/DM-2.

Caracteristici principale:

În luna mai 2007 erauoperaţionali 18 sateliţi,urmând ca în timp numărulacestora să crească la 24.

Caracteristici:

•Orbitele satelitare sunt înnumăr de 3 şi au o înclinarede 64,8°;

•Altitudine: 19100 Km;

•Perioada: 11h 15 m;

•Elipsoid de referinţă: PZ 90;

•Frecvenţele purtătoare• L1: 1598.06 - 1605.38 MHz

•L2: 7/9 L1;

SISTEMUL EUROPEAN DE POZIŢIONARE SATELITARĂGALILEO va include o constelaţie de 30 de sateliţi plasaţi pe trei planeorbitale aproape circulare si înclinate la 56° fata de planul ecuatorului,înălţimea de revoluţie a sateliţilor fiind de 23616 Km, pentru a acoperiîntreaga suprafaţa terestră.

Infrastructura sistemului se prevede a fidezvoltata in trei faze:• 2001 – 2005: dezvoltarea şi validarea sistemului

– Definitivarea cerinţelor– Construirea a 2-4 sateliţi şi a unor componente ale

sistemului de la sol– Validarea sistemului pe orbită

• 2006 – 2007: implementarea sistemului– Construcţia şi lansarea celorlalţi 26 – 28 sateliţi– Instalarea întregului sistem de la sol

• Din 2008: dezvoltarea operaţiunilor comerciale

•Datum de referinţă European Datum ED 50