Ce înseamnă GPS-ul? – Implementarea sistemului, principiile de funcționare și aplicațiile practice

Din cele mai vechi timpuri oamenii au încercat să pună la punct diverse metode cu ajutorul cărora să stabilească precis locul în care se aflau pe suprafața Globului. Nevoia de precizie a devenit cu atât mai importantă cu cât călătoriile din diverse motive în toate colțurile planetei s-au înmulțit și au devenit mai rapide. De-a lungul timpului au fost realizate mai multe încercări de creare a unui sistem cât mai precis, dar dezvoltarea tehnologică insuficientă a făcut ca acestea să nu devină cu adevărat utile decât în a doua jumătate a secolului al XX-lea când tehnologia spațială, în special a sateliților artificiali, a permis evoluția unui sistem care să întrunească cerințe de bază cu privire la o precizie cât mai mare.

În articolul de mai jos vei descoperi ce înseamnă GPS și care este istoricul implementării acestui mod de orientare pe hartă. De asemenea, vei afla care sunt principiile de funcționare ale sistemului și care sunt aplicațiile practice ale acestuia, precum și ce alte tipuri de navigație globală, cu ajutorul sateliților există în prezent. 

1. Ce înseamnă GPS?

GPS-ul este un sistem de poziționare globală, care reușește printr-un număr însemnat de sateliți să ofere utilizatorilor o poziționare extrem de exactă. Denumirea sistemului vine de la cuvintele Global Positioning System, care în limba engleză înseamnă sistem de poziționare global. GPS-ul își are începuturile în anii ‘70 ai secolului trecut, atunci când armata americană a pus la punct o metodă de a stabili extrem de corect localizarea geografică a unui obiect prin stabilirea latitudinii, longitudinii și altitudinii acestuia. 

1.1. Implementarea sistemului GPS

Primele încercări în realizarea unui sistem de poziționare global cu ajutorul sateliților au fost făcute în anii 60, atunci când marina militară americană a realizat primele teste de stabilire a poziției cu ajutorul semnalelor transmise de către sateliții care orbitau Pământul. Sistemul numit Transit a avut rezultate limitate, pentru că avea acoperire redusă, iar actualizarea poziționării se făcea la intervale lungi de timp, de aproximativ o oră. 

Un merit al sistemului a fost, însă, dovedirea practicabilității metodei, ceea ce a făcut ca în anul 1974 Departamentul Apărării al SUA să inițieze realizarea unui sistem mult mai complex, disponibil pe tot Globul pământesc, sistem ce a primit numele de GPS NAVSTAR. Între 1978 și 1983 sistemul a fost utilizat doar în scopuri militare, după această dată semnalele sateliților putând fi folosite și în scopuri civile. 

Din 1978 și până în prezent rachetele americane au plasat pe orbită un număr de 72 de sateliți de diverse modele, dintre care 31 sunt activi și în prezent:

• Modelul Block I – 11 sateliți utilizați pentru testarea sistemului;
• Modelul Block II – a fost reprezentat de 9 sateliți ce ofereau o precizie sporită datorită celor 4 ceasuri atomice prezente pe fiecare componentă a sistemului;
• Block II A – 19 sateliți ce aveau și posibilitatea comunicării între ei pentru creșterea preciziei poziționării;
• Block II R – 12 sateliți dotați cu ceasuri atomice cu precizie mult mai mare;
• Block II R-M – 8 sateliți ce permit crearea unui semnal mai puternic, potrivit pentru aplicații civile de mare precizie;
• Block II F – 12 sateliți cu durată de viață mai mare și cu posibilitatea transmiterii unui nou tip de semnal pentru folosire civilă;
• Block III – 12 sateliți care încorporează cele mai noi descoperiri în domeniul tehnologiei spațiale.

1.2. Principiul de funcționare a sistemului GPS

Principiul de funcționare a sistemului de bazează pe emisia unui semnal electromagnetic de fiecare dintre sateliții care formează sistemul și receptarea și interpretarea datelor de către un utilizator prin intermediul unui dispozitiv special. Prin intermediul utilizării metodei triangulației, cunoscându-se precis viteza de transmisie a radiației electromagnetice egală cu viteza luminii se poate stabili calculându-se extrem de exact durata de timp necesară parcurgerii distanței de la satelit la dispozitiv. 

Prin utilizarea concomitentă a semnalelor transmise de cel puțin 4 sateliți (trei pentru calculul propriu-zis și unul pentru control) se poate triangula poziția geografică. Acoperirea sistemului este globală, așadar utilizatorii care se află în orice punct de pe Glob pot folosi semnalele transmise pentru a identifica precis locul în care sunt. 

Pentru buna funcționare a sistemului, acesta este format din trei componente diferite:

• Componenta spațială, realizată din 24 de sateliți plasați la o altitudine de aproximativ 20000 de km și care se învârt în jurul planetei pe orbite precise, o dată la 12 ore;
• Componenta de control, formată din 5 centre de control cu rolul de a monitoriza buna funcționare a sistemului și de a interveni dacă este nevoie;
• Componenta utilizatorilor, reprezentată de sutele de milioane de dispozitive care pot prelua semnalele transmise de sateliți. Aceste dispozitive, fie sub forma unora dedicate, fie sub forma telefoanelor mobile ce dețin o antenă specială pentru preluarea semnalului, sunt folosite atât de către armata americană, cât și de diverse organizații sau de persoane private.

1.3. Avantaje și dezavantaje ale sistemului GPS

Început ca un sistem cu utlizare militară, în prezent GPS-ul este un sistem care oferă numeroase avantaje pentru o gamă diversă de activități. Printre aceste avantaje se numără:

• Acoperirea globală a sistemului (sateliții sunt poziționați în așa fel încât, în orice moment, cel puțin 3 sateliți sunt în raza de emisie și recepție a semnalului, indiferent unde se află utilizatorul);
• Sistemul GPS oferă semnal gratuit utilizatorilor, ceea ce înseamnă că ei nu vor trebui să plătească o taxă suplimentară pentru a se bucura de avantajele lui;
• Semnalul poate fi integrat într-o gamă extrem de largă de aplicații, precum cele de orientare în trafic pentru automobile, navigația de precizie a avioanelor și vapoarelor, calcularea altitudinii unui punct anume, măsurarea distanțelor într-un mod extrem de precis, obținerea de indicații către diverse locuri, precum restaurante, bănci, benzinării sau chiar găsirea persoanelor rătăcite în diverse locuri izolate.

Există, într-adevăr, și câteva dezavantaje ale sistemului, în special dacă se are în vedere destinația militară a acestuia, ceea ce face ca utilizarea pentru civili să fie de interes secundar:

• Armata SUA poate limita aflarea locației sau chiar poate bloca sistemul complet, în orice moment, dacă se consideră că acest lucru este necesar;
• Semnalul nu funcționează în interiorul clădirilor sau în zone cu obstacole fizice semnificative în calea semnalului electromagnetic;
• Anumite fenomene atmosferice pot împiedica transmiterea corectă a semnalului;
• Sistemele de recepție funcționează pe baza curentului electric, așadar dispozitivele trebuie să fie conectate la o sursă continuă, lipsa acesteia făcând imposibilă stabilirea locației.

2. Aplicații practice ale sistemului GPS

Potențialul sistemului este extrem de mare, aplicațiile lui fiind din ce în ce mai numeroase, avându-se în vedere disponibilitatea dispozitivelor de preluare a semnalului, care sunt tot mai mici ca dimensiuni, consumă energie tot mai puțin și sunt au prețuri accesibile. 

2.1. Aplicații militare ale GPS-ului

Tehnologia GPS a apărut din motive militare, armata SUA având nevoie de un instrument care să permită aflarea cu precizie mare a locului în care se află un obiect. Această caracteristică permite utilizatorilor militari să beneficieze de servicii indispensabile, precum:

• Navigația. Vehiculele militare și soldații se pot orienta cu precizie în zone nefamiliare, ceea ce ușurează coordonarea trupelor și furnizarea de muniție, hrană, alte echipamente militare;
• Țintirea precisă prin intermediul unor arme ghidate. Permite realizarea unor lovituri punctuale;
• Ghidarea rachetelor sau a altor proiectile ce au încorporate receptoare GPS;
• Căutarea și salvarea soldaților aflați în situații dificile;
• Supravegherea detonărilor nucleare la nivel global.

Sistemul și-a dovedit valoare pentru prima dată în 1991, în timpul războiului din Irak, atunci când armata americană a avut un succes deosebit, mare parte din meritul victoriilor fiind datorată tehnologiilor înalte utilizate în purtarea războiului. 

2.2. Aplicații civile ale GPS-ului

Sistemul GPS este unul dual, ceea ce face ca și civili să poată accesa semnalele transmise de sateliții lansați în spațiu de armata americană. În prezent există zeci de domenii ce se bucură de avantajele imense pe care poziționarea globală o oferă. Sistemul oferă în acest sens trei elemente importante, și anume localizarea precisă, înregistrarea mișcării și durata de timp exactă între două repere. 

Prin utilizarea celor trei avantaje civilii se pot bucura de aplicații diverse, precum: 

• Navigația precisă, în timp real, ce permite utilizarea unor hărți digitale, cu acoperire globală (Există în acest sens dispozitive dedicate navigării, dar și aplicații ce funcționează pe telefoanele mobile moderne, care au module GPS încorporate);
• Monitorizarea flotelor prin intermediul GPS-ului. Vehiculele unei flote comerciale pot fi urmărite într-un mod foarte exact printr-un sistem de monitorizare ce surprinde traseul parcurs, timpul petrecut în trafic și viteza autovehiculelor, ceea ce oferă date extrem de utile, ce pot fi folosite pentru realizarea unor economii importante, de până la 30 % din costurile totale;
• Dezvoltarea autovehiculelor autonome care nu necesită prezența unui șofer și care pot ajunge singure în orice loc de pe Glob;
• Stabilirea poziționării avioanelor;
• Cartografierea precisă;
• Sincronizarea ceasurilor cu acurateță extremă;
• Rezolvarea unor situații urgente, precum accidentele sau diverse dezastre naturale;
• Utilizarea recreațională (Jocuri bazate pe locație geografică);
• Geocaching;
• În sport.

3. Tipuri de sisteme de navigație globală cu ajutorul sateliților

Valoarea unui sistem de poziționare globală este evidentă, în acest sens sistemul GPS fiind un adevărat deschizător de drumuri. Faptul că rețeaua de sateliți este deținută de armata Statelor Unite face ca semnalul să fie limitat, atât în ceea ce privește precizia lui, cât și utilizarea în diverse domenii sensibile. Această realitate a făcut ca alte state sau organizații să-și dezvolte propriile sisteme pentru a nu se afla la cheremul armatei SUA:

• GLONASS este un sistem de navigație cu ajutorul sateliților, realizat de către statul rus. Acesta are capabilități asemănătoare cu sistemul GPS, atât în ceea ce privește acoperirea globală, cât și în ce privește acuratețea poziționării. Sistemul a fost inaugurat în anul 1976 prin lansarea primului satelit al constelației. În prezent are 24 de sateliți, ceea ce permite ca semnalul să aibă acoperire completă. Este adevărat că precizia este mai mare în zona cu latitudine nordică datorită modului de plasare a sateliților;

• Galileo este un sistem global de navigație cu ajutorul sateliților, creat de Uniunea Europeană prin intermediul Agenției Spațiale Europene. Sistemul este unul civil, gratuit și disponibil non-stop, fără posibilitatea alterării semnalului, ca în cazul sistemul GPS sau a sistemului GLONASS. Sistemul funcționează prin intermediul a 24 de sateliți funcționali, la care se adaugă 6 de rezervă, aflați deja pe orbită. Dintre aceștia 22 sunt deja funcționali, transmițând semnal către o gamă diversă de utilizatori, persoane fizice, juridice sau chiar oameni de știință;

• Beidou este un sistem de poziționare chinezesc care a debutat în anul 2000 prin lansarea a trei sateliți, acoperirea fiind doar deasupra Chinei și a zonelor învecinate. În ultimii 20 de ani constelația de sateliți a crescut, ajungând în prezent să aibă acoperire globală. Acuratețea sistemului este situată între 2,6 metri și 3,6 metri pentru publicul obișnuit și 10 cm pentru aplicațiile militare;

• NavlC este realizat de statul indian cu acoperire în zona Indiei și a Oceanului Indian. Sistemul cuprinde 8 sateliți ce oferă o precizie între 1 și 3 metri pentru public și 10 cm pentru aplicațiile militare;

• QZSS este deținut de guvernul japonez, fiind compus din 5 sateliți aflați deja în orbită, la care se vor adăuga în curând alți doi. Acoperirea este limitată în zona Japoniei și Australiei.

Statele implicate în realizarea sistemelor de poziționare cu ajutorul sateliților au în plan modernizarea acestora prin lansarea unor sateliți mai performanți, ce vor permite o acuratețe extraordinară, necesară aplicațiilor moderne. 

În concluzie, sistemul GPS este un ajutor extrem de util pentru o gamă largă de utilizatori care se pot bucura în mod gratuit de avantajele oferite. Tot mai multe domenii încorporează folosirea de aplicații ce funcționează pe baza semnalului GPS pentru a eficientiza munca și pentru a permite desfășurarea unor activități diverse în condiții de siguranță.