GPS (Global Positioning System). Principii de funcţionare şi aplicaţii în silvicultură

- Cozmin Lucău-Dănilă, Pierre Defourny, Christine Farcy -

1. GPS - descriere generală

GPS (Global Positioning Sistem) este un sistem de poziţionare în spaţiu cu ajutorul sateliţilor. Acest sistem a fost conceput de către Departamentul Apărării al Statelor Unite ale Americii (DoD) şi este alcătuit din trei sectoare (Hurn, 1989) (fig. 1).

Sectorul spaţial include în prezent 24 de sateliţi amplasaţi pe orbite la aproximativ 20 200 km de Pamânt, cu o perioadă de revoluţie de aproximativ 12 ore. Aceşti sateliţi sunt repartizaţi pe şase planuri, înclinate la aproximativ 55° faţă de ecuator. Fiecare satelit este dotat cu ceasuri atomice de foarte mare precizie şi transmite semnale radio sub forma a două unde: L1, cu o frecvenţă de 1575,42 MHz şi L2, cu o frecvenţă de 1227,60 MHz. Dintre acestea, doar L1 poate fi folosită de către utilizatorii civili, L2 având doar utilizatori militari.

Sectorul de control este alcătuit din cinci staţii de control repartizate pe glob, dintre acestea Colorado Springs din S.U.A. fiind cea care controlează întregul sistem. Rolul acestor staţii este de a recepţiona continuu semnalele tuturor sateliţilor, de a calcula "efemeridele" (date referitoare la poziţia fiecărui satelit), de a verifica precizia ceasurilor sateliţilor şi de a retransmite aceste date fiecărui satelit.

Sectorul utilizatori este constituit din totalitatea utilizatorilor (civili şi militari) care folosesc un receptor GPS. Un receptor GPS este un aparat capabil să recepţioneze semnalele emise de sateliţi şi, în funcţie de acestea, să determine poziţia lui pe glob. De menţionat că acest sistem utilizează ca sistem de coordonate de bază coordonatele geografice în WGS 84 (World Geodetic System 1984- http://164.214.2.59/GandG/tr8350_2.html).

2.      Principii de funcţionare

Pentru a putea determina coordonatele unui punct de pe suprafaţa Pământului (sau din apropierea acesteia) este nevoie de semnale provenind de la cel puţin patru sateliţi (fig. 2). Stabilirea poziţiei spaţiale a unui punct se poate face prin determinarea pseudodistanţei sau prin determinarea fazei.

2.1. Determinarea pseudodistanţei

Determinarea distanţei faţă de satelit se face pe baza diferenţei de timp necesare semnalului emis de satelit să ajungă la receptor. Cunoscând intervalul de timp şi viteza propagării semnalului (viteza luminii), se poate determina distanţa. Pentru a determina foarte precis intervalul de timp necesar semnalului emis de satelit să ajungă la receptor, acesta din urma emite un semnal identic, care va fi decalat faţă de cel provenit de la satelit. Acest decalaj se poate măsura foarte precis.

Fiecare satelit poate fi identificat pe baza unui număr atribuit (PRN - Pseudo Random Number), număr care este inclus în semnalul radio emis (Botton et al., 1997). În prezent este metoda utilizabilă în mediu forestier.

2.2. Determinarea fazei

În acest caz, distanţa satelit-receptor este împărţită într-un număr întreg de lungimi de undă şi o fracţiune de lungime de undă. Această metodă necesită utilizarea unui receptor capabil să determine această valoare. Este mult mai precisă (10-20 mm), dar necesită o staţionare de cel puţin 10 minute într-un punct, timp în care receptorul trebuie să fie absolut imobil şi să nu fie perioade fără semnal GPS. Aceste condiţii fac imposibilă utilizarea acestui tip de măsurători în pădure, datorită pierderilor frecvente de semnal. (Defourny, 1999).

3. Mod de funcţionare

Recepţia semnalelor emise de sateliţi şi calculul poziţiei se poate face în două moduri: în mod absolut sau autonom şi în mod diferenţial (în timp real sau în postprocesare).

3.1. Modul absolut (autonom)

În acest caz se foloseşte un singur receptor GPS. Până la 1 mai 2000 se obţinea poziţia unui punct în timp real, dar cu o precizie mică (±100 m sau <10m pentru uz militar), datorită în special unui bruiaj (Selective Availability - SA) introdus de către Departamentul Apărării al S.U.A. Modul absolut era utilizabil în cazuri în care nu se cere o precizie mare: navigare pe mare, raliul Paris - Dakar, etc. Începând cu 1 mai 2000, printr-o decizie luată de Casa Albă, s-a aprobat întreruperea bruiajului, deci în prezent se poate obţine o precizie de 10-15 m.

3.2. Modul diferenţial (dGPS)

În acest caz se folosesc două receptoare GPS, din care unul (staţie de bază) este instalat într-un punct de coordonate cunoscute şi care măsoară diferenţa dintre coordonatele cunoscute şi coordonatele rezultate din ana-liza semnalelor GPS (Hurn, 1993) (fig. 5).

Pentru a lucra în timp real, aceste diferenţe se pot înregistra într-un mesaj de tip RTCM (Radio Techical Commision for Marine) şi acesta se transmite cu ajutorul unui emiţător radio. Receptorul GPS are nevoie în acest caz de o antenă suplimentară pentru recepţionarea semnalului RTCM. Există firme care realizează antene combinate (GPS - Radio).

În general, pentru a lucra în timp real se apelează la firme specializate, care asigură transmiterea semnalului RTCM utilizând o reţea de emiţătoare radio deja existentă sau un satelit de telecomunicaţii. A doua variantă asigură o mai bună recepţie a semnalului în diferite condiţii de relief.

O altă variantă pentru recepţionarea corecţiilor în timp real este utilizarea sistemului de telefonie mobilă (GSM), care asigură o acoperire destul de bună a teritoriului.

Pentru a lucra în postprocesare este suficient ca la încheirea campaniei de teren să se aplice corecţiile diferenţiale prin utilizarea fişierului rezultat în urma înregistrărilor receptorului instalat ca staţie de bază.

În general, este indicat ca staţia de bază să fie instalată cât mai aproape de locul de muncă, pentru o mai mare precizie, astfel eliminându-se erori datorate influenţei atmosferei asupra semnalului GPS. Prin utilizarea dGPS se obţin precizii de 1-5 m (şi chiar <1m), în funcţie de receptorul utilizat şi de condiţiile de lucru.

În prezent, se poate lucra în mod RTK (Real Time Kinematic), deci măsuri în fază în timp real. În acest caz, distanţa dintre receptorul mobil şi staţia de bază nu poate depăşi 30 km. Este un mod de lucru foarte precis (1-5 cm), dar care nu poate fi aplicat în pădure datorită pierderilor frecvente de semnal.

4. Metode de lucru

4.1. Metoda statică

Înregistrarea datelor se face în puncte bine localizate, în care operatorul instalează receptorul (pe un trepied) perioade de timp bine determinate (15 sec-3 min). În acest caz, receptorul GPS înregistrează în fiecare secundă (în general) o valoare (X, Y, Z), iar la sfârşit se obţine media tuturor valorilor.

4.2. Metoda dinamică

Înregistrarea datelor se face în deplasare. Receptorul înregistrează la diferite intervale de timp (5 secunde, în general) câte o valoare (X, Y, Z), iar la sfârşit se obţine o succesiune de puncte.

4.3. Metoda dinamică "Stop and Go"

Această metodă este de fapt o îmbinare a primelor două metode. Operatorul se deplasează cu reeceptorul GPS din punct în punct pe traseul dorit, în fiecare punct staţionându-se o anumită perioadă de timp. Această metodă este cea mai indicată în cazul utilizării GPS-ului în pădure.

5. Factori care influenţează precizia măsurătorilor

Între factorii care influenţează, în general, precizia măsurătorilor GPS, se numără: capacitatea de a măsura pseudodistanţa sau pseudofaza, numărul de canale, deci numărul de sateliţi de la care poate recepţiona informaţii şi tipul de antenă.

Principalii factori implicaţi în precizia măsurătorilor sunt:

- numărul de sateliţi vizibili (minimum patru pentru a lucra în trei dimensiuni);

- reflectarea semnalului GPS de către clădiri, arbori sau alte obstacole, factor destul de dificil de cuantificat. Pentru a diminua influenţa acestui factor este indicată utilizarea unor antene de bună calitate.

- distanţa dintre receptorul mobil şi staţia de bază. Precizia scade în general cu 1mm/km.

- în cazul în care se lucrează în timp real apar erori legate de diferenţa de timp dintre momentul în care semnalul GPS este înregistrat de staţia de bază şi momentul în care această corecţie diferenţială (în general sub formă de semnal RTCM) este utilizată de către receptorul GPS;

- PDOP (Position Dilution Of Precision) este un coeficient de diminuare a preciziei ca urmare a poziţionării sateliţilor vizibili (fig. 5). Acesta include: GDOP (Geometric Dilution Of Precision) şi TDOP, determinat de precizia măsurării timpului. În plus,

GDOP = VDOP + HDOP

unde: VDOP este determinat de aranjarea în plan vertical a sateliţilor şi HDOP este determinat de aranjarea în plan orizontal a satelţilor. În general, se recomandă ca valoarea PDOP să nu depăşească valoarea 6.

            - SNR (Signal to Noise Ratio) reprezintă intensitatea semnalului GPS. Se recomandă sa fie mai mare decât 6.

- "înălţarea" sateliţilor (unghiul făcut de aceştia cu orizontul). Se recomandă să se recepţioneze semnalele de la sateliţii care au acest unghi de peste 15°, pentru a limita erorile determinate de un traseu prea lung prin atmosferă al semnalului GPS.

6. Utilizarea GPS-ului în pădure

Pădurea este un mediu heterogen care are o influenţă dificil de cuantificat asupra utilizării GPS-ului. Efectul coronamentului şi al trunchiurilor arborilor, combinat cu influenţa reliefului asupra semnalelor GPS determină luarea unor măsuri de precauţie suplimentare în cazul utilizării acestui sistem în pădure.

În primul rând, trebuie ales un receptor GPS cu un număr mare de canale (8 sau chiar 12) şi dotat cu o antenă capabilă să diminueze efectul traiectoriei multiple a semnalelor GPS.

Foarte importantă este alegerea momentului desfăşurării campaniei de tren (Lucău et al., 2000). Este indicat să se aleagă momentele din zi în care există un număr cât mai mare de sateliţi vizibili şi un PDOP cât mai mic. Nu este indicat să se lucreze în perioadele cu vânt, deoarece mişcarea ramurilor determină pierderea frecventă a semnalului GPS.

Utilizarea dGPS în timp real induce o problemă suplimentară, legată de recepţionarea semnalului radio RTCM. Aceasta determină o creştere a timpului de lucru şi deci o scădere a eficienţei sau chiar imposibilitatea de a lucra în zonele în care semnalul radio nu poate fi recepţionat.

Utilizarea DGPS în timp real ar putea fi indicată în cazul efectuării de navigari. Aceasta ar însemna identificarea pe teren a unui punct de coordonate cunoscute, de exemplu identificarea în pădure a unor arbori uscaţi ca urmare a unor atacuri de insecte, arbori care au fost în prealabil identificaţi pe fotografii aeriene şi a căror poziţie a fost stabiliă. În prezent, datorită întreruperii bruiajului voluntar, această utilizare poate fi luată în considerare cu o precizie de 5-10 m, precizie care poate fi în general acceptabilă.

7. Concluzii

GPS-ul este un sistem care permite stabilirea poziţiei spaţiale pe întreg globul, în orice condiţii meteorologice şi indiferent de zi sau noapte. Utilizarea unui receptor GPS preformant (de exemplu, Trimble ProXR) permite o înregistrare de date rapidă şi precisă. Pe lângă informaţiile legate de poziţia spaţială a punctelor se pot înregistra concomitent şi informaţii calitative, referitoare la punctul respectiv (de exemplu specia, înălţimea, diametrul unui arbore, etc.). Aceste caracteristici pot fi măsurate automat, utilizând instrumente laser care se pot ataşa direct la receptorul GPS, astfel încât la sfârşitul campaniei de teren toate informaţiile necesare sunt înregistrate.

Sistemul este uşor de manipulat şi are o autonomie mare (4-6 ore din punct de vedere al alimentarii cu baterii şi peste 12 ore de înregistrare continuă ca memorie internă). Este rezistent şi poate fi utilizat în condiţii variabile de temperatură şi umiditate.

Informaţiile înregistrate pe teren sunt uşor prelucrabile şi pot fi transmise direct către un GIS (Geographic Information Sistem), sistem care îşi va găsi o largă utilizare în gestiunea pădurilor prin introducerea tuturor datelor din amenajamentele forestiere în baze de date informatizate, care sa faciliteze accesul la informaţie.

Renunţarea la bruiajul voluntar (SA) după 1 mai 2000 măreşte considerabil precizia măsurătorilor în mod absolut (10-15 m) şi face posibilă utilizarea GPS-ului în timp real în pădure. Pentru utilizări cartografice, aplicarea corecţiilor diferenţiale (dGPS) rămâne indinspensabilă pentru atingerea unor precizii metrice.

Bibliografie

Botton, S., Duquenne, F., Egels, Y., Even, M., Willis, P., 1997. GPS localisation et navigation. Ed. Hermés, Paris, 159 p.

Defourny, P., 1999. Introduction aux techniques de positionnement par GPS. Formation continue en inginerie des sciences agronomiques, Faculté des Sciences Agronomiques - UCL, Louvain la Neuve, 45 p.

Hurn, J., 1989, GPS. A Guide to the Next Utility, Trimble Navigation Ltd, Sunnyvale, USA, 76 p.

Hurn, J., 1993, Differential GPS explained, Trimble Navigation Ltd, Sunnyvale, USA, 55 p.

Lucău, C., Farcy, C., Giot, P., Defourny, P., 2000. Positionnement par GPS en foret - une évolution radicale!, Foret Wallonne no. 47: 31-32.

Autorii: ing. Cozmin Lucău-Dănilă este asistent în cadul Facultăţii de Silvicultură Suceava; prof. dr. Pierre Defourny este profesor de geomatică (teledecţie, fotogrametrie, GPS) în cadrul Universităţii UCL Louvain-la-Neuve, Belgia, e-mail: defourny@biom.ucl.ac.be; dr. ing. Christine Farcy este cercetător  (cartgrafie informatizată în amenajamentele forestiere) în cadrul Universităţii UCL Louvain-la-Neuve, Belgia, e-mail: farcy@efor.ucl.ac.be.

	Sus
Copyright Staţiunea Experimentală de Cultura Molidului. Toate drepturile rezervate.