GPS
El sistema de posicionamiento global (GPS)
es un sistema que permite determinar en todo el mundo la posición de un objeto
(una persona, un vehículo) con una precisión de hasta centímetros (si se
utiliza GPS diferencial), aunque lo habitual son unos pocos metros de
precisión. El sistema fue desarrollado, instalado y empleado por el
Departamento. Para determinar las posiciones en el globo, el sistema GPS está
constituido por 24 satélites y utiliza la trilateración.
El GPS funciona mediante una red de 24 satélites en
órbita sobre el planeta tierra, a 20 200 km de altura, con
trayectorias sincronizadas para cubrir toda la superficie de la Tierra.
Cuando se desea determinar la posición, el receptor que se utiliza para ello
localiza automáticamente como mínimo cuatro satélites de la red, de los que
recibe unas señales indicando la identificación y la hora del reloj de cada uno
de ellos. Con base en estas señales, el aparato sincroniza el reloj del GPS y
calcula el tiempo que tardan en llegar las señales al equipo, y de tal modo
mide la distancia al satélite mediante el método de trilateración inversa, la
cual se basa en determinar la distancia de cada satélite respecto al punto de
medición. Conocidas las distancias, se determina fácilmente la propia posición
relativa respecto a los satélites. Conociendo además las coordenadas o posición
de cada uno de ellos por la señal que emiten, se obtiene la posición absoluta o
coordenada reales del punto de medición. También se consigue una exactitud
extrema en el reloj del GPS, similar a la de los relojes atómicos que llevan a
bordo cada uno de los satélites.
La antigua Unión
Soviética construyó un sistema similar llamado GLONASS,
ahora gestionado por la Federación
Rusa.
Actualmente la Unión
Europea está desarrollando su propio sistema de posicionamiento por
satélite, denominado Galileo.
A su vez, la República
Popular China está implementando su propio sistema de navegación, el
denominado Beidou,
prevén que cuente con 12 y 14 satélites entre 2011 y 2015. Para 2020, ya
plenamente operativo deberá contar con 30 satélites. En abril de 2011 tenían
ocho en órbita.
CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS Y PRESTACIONES
El Sistema
Global de Navegación por Satélite lo componen: Segmento espacial
·
Satélites en la
constelación: 24 (4 × 6 órbitas)
·
Altitud:
20 200 km
·
Inclinación: 55 grados
(respecto al ecuador terrestre).
·
Vida útil: 7,5 años
·
Segmento de control
(estaciones terrestres)
·
Estación principal: 1
·
Antena de tierra: 4
·
Estación monitora (de
seguimiento): 5, Colorado Springs, Hawái, Kwajalein, Isla
de Ascensión e Isla de Diego García
·
Señal RF
·
Frecuencia portadora:
·
Civil – 1575,42 MHz
(L1). Utiliza el Código de Adquisición Aproximativa (C/A).
·
Militar – 1227,60 MHz
(L2). Utiliza el Código de Precisión (P), cifrado.
·
Nivel de potencia de
la señal: –160 dBW (en superficie tierra).
·
Precisión
·
Posición: oficialmente
aproximadamente 15 m (en el
95 % del tiempo). En la realidad un GPS portátil mono frecuencia de 12
canales paralelos ofrece una precisión de entre 2,5 y 3 metros en más del
95 % del tiempo. Con el WAAS / EGNOS / MSAS activado, la precisión asciende
de 1 a 2 metros.
·
Cobertura: mundial
·
Capacidad de usuarios:
ilimitada
·
Sistema de
coordenadas:
·
Centrado en la Tierra,
fijo.
·
Integridad: tiempo de
notificación de 15 minutos o mayor. No es suficiente para la aviación civil.
·
Disponibilidad: 24
satélites y 21 satélites. No es suficiente como medio primario de navegación.
SEÑAL GPS
Cada satélite GPS emite continuamente un mensaje de
navegación a 50 bits por segundo en la frecuencia transportadora de microondas
de aproximadamente 1.600 MHz. La radio FM, en comparación, se emite a entre
87,5 y 108,0 MHz y las redes Wi-Fi funcionan a alrededor de 5000 MHz
y 2400 MHz. Más concretamente, todos los satélites emiten a
1575,42 MHz (esta es la señal L1) y 1227,6 MHz (la señal L2).
La señal GPS proporciona la “hora de la semana” precisa de
acuerdo con el reloj atómico a bordo del satélite, el número de semana GPS y un
informe de estado para el satélite de manera que puede deducirse si es
defectuoso. Cada transmisión dura 30 segundos y lleva 1500 bits de datos
codificados. Esta pequeña cantidad de datos está codificada con una secuencia
pseudoaleatoria (PRN) de alta velocidad que es diferente para cada satélite.
Los receptores GPS conocen los códigos PRN de cada satélite y por ello no sólo puede
decodificar la señal sino que la pueden distinguir entre diferentes satélites.
Las transmisiones son cronometradas para empezar de forma
precisa en el minuto y en el medio minuto tal como indique el reloj atómico del
satélite. La primera parte de la señal GPS indica al receptor la relación entre
el reloj del satélite y la hora GPS. La siguiente serie de datos proporciona al
receptor información de órbita precisa del satélite.
EVOLUCION DELSISTEMA GPS
·
Incorporación de una
nueva señal en L2 para uso civil.
·
Adición de una tercera
señal civil (L5): 1176,45 MHz
·
Protección y
disponibilidad de una de las dos nuevas señales para servicios de Seguridad Para la Vida (SOL).
·
Mejora en la
estructura de señales.
·
Incremento en la
potencia de señal (L5 tendrá un nivel de potencia de –154 dB).
·
Mejora en la precisión
(1-5 m).
·
Aumento en el número
de estaciones de monitorización: 12 (el doble)
El programa GPS III persigue el objetivo de garantizar que el GPS
satisfaga requisitos militares y civiles previstos para los próximos 30 años.
Este programa se está desarrollando para utilizar un enfoque en tres etapas
(una de las etapas de transición es el GPS II); muy flexible, permite cambios
futuros y reduce riesgos. El desarrollo de satélites GPS II comenzó en 2005, y
el primero de ellos estará disponible para su lanzamiento en 2012, con el
objetivo de lograr la transición completa de GPS III en 2017. Los desafíos son
los siguientes:
·
Representar los
requisitos de usuarios, tanto civiles como militares, en cuanto a GPS.
·
Limitar los requisitos
GPS III dentro de los objetivos operacionales.
·
Proporcionar
flexibilidad que permita cambios futuros para satisfacer requisitos de los
usuarios hasta 2030.
·
Proporcionar solidez
para la creciente dependencia en la determinación de posición y de hora precisa
como servicio internacional.
El sistema ha evolucionado y de él han derivado nuevos sistemas de
posicionamiento IPS-2 se refiere a Inercial Positioning System, sistema de
posicionamiento inercial, un sistema de captura de datos, que permite al
usuario realizar mediciones a tiempo real y en movimiento, el llamado Mobile
Mapping. Este sistema obtiene cartografía móvil 3D basándose en un aparato que
recoge un escáner láser, un sensor inercial, sistema GNSS y un odómetro a bordo
de un vehículo. Se consiguen grandes precisiones, gracias a las tres
tecnologías de posicionamiento: IMU + GNSS + odómetro.
FUNCIONAMIENTO
La información que es útil al receptor GPS para determinar su posición
se llama efemérides. En este caso cada satélite emite sus propias efemérides,
en la que se incluye la salud del satélite (si debe o no ser considerado para
la toma de la posición), su posición en el espacio, su hora atómica,
información doppler, etc.
Mediante la trilateración se
determina la posición del receptor:
·
Cada satélite indica
que el receptor se encuentra en un punto en la superficie de la esfera, con
centro en el propio satélite y de radio la distancia total hasta el receptor.
·
Obteniendo información
de dos satélites queda determinada una circunferencia que resulta cuando se
intersecan las dos esferas en algún punto de la cual se encuentra el receptor.
·
Teniendo información
de un tercer satélite, se elimina el inconveniente de la falta de
sincronización entre los relojes de los receptores GPS y los relojes de los
satélites. Y es en este momento cuando el receptor GPS puede determinar una
posición 3D exacta (latitud, longitud y altitud).
FIABILIDAD DE LOS DATOS
Debido al carácter
militar del sistema GPS, el Departamento de Defensa de los EE. UU. se reservaba
la posibilidad de incluir un cierto grado de error aleatorio, que podía variar
de los 15 a los 100 m. La llamada disponibilidad
selectiva (S/A) fue eliminada el 2 de mayo de 2000.
Aunque actualmente no aplique tal error inducido, la precisión intrínseca del
sistema GPS depende del número de satélites visibles en un momento y posición
determinados.
Si se capta la señal
de entre siete y nueve satélites, y si éstos están en una geometría adecuada
(están dispersos), pueden obtenerse precisiones inferiores a 2,5 metros en el
95 % del tiempo. Si se activa el sistema DGPS llamado SBAS (WAAS-EGNOS-MSAS),
la precisión mejora siendo inferior a un metro en el 97 % de los casos.
Estos sistemas SBAS no se aplican en Sudamérica, ya que esa zona no cuenta con
este tipo de satélites geoestacionarios. La funcionabilidad de los satélites es
por medio de triangulación de posiciones para proporcionar la posición exacta
de los receptores (celulares, vehículos, etc.).
FUENTE DE ERROR
La posición calculada por un receptor GPS requiere en el instante
actual, la posición del satélite y el retraso medido de la señal recibida. La
precisión es dependiente de la posición y el retraso de la señal.
Al introducir el atraso, el receptor compara una serie de bits (unidad
binaria) recibida del satélite con una versión interna. Cuando se comparan los
límites de la serie, las electrónicas pueden meter la diferencia a 1 % de
un tiempo BIT, o aproximadamente 10 nanosegundos por el código C/A. Desde entonces
las señales GPS se propagan a la velocidad de luz, que representa un error de 3
metros. Este es el error mínimo posible usando solamente la señal GPS C/A.
La precisión de la posición se mejora con una señal P(Y). Al presumir la
misma precisión de 1 % de tiempo BIT, la señal P(Y) (alta frecuencia)
resulta en una precisión de más o menos 30 centímetros. Los errores en las
electrónicas son una de las varias razones que perjudican la precisión (ver la
tabla).
Puede también mejorarse la precisión, incluso de los receptores GPS
estándares (no militares) mediante software y técnicas de tiempo real.
Esto ha sido puesto a prueba sobre un sistema global de navegación satelital
(GNSS) como es el NAVSTAR-GPS. La propuesta se basó en el desarrollo de un
sistema de posicionamiento relativo de precisión dotado de receptores de bajo
costo. La contribución se dio por el desarrollo de una metodología y técnicas
para el tratamiento de información que proviene de los receptores.
|
Fuente
|
Efecto
|
|
± 3 m
|
|
|
± 2,5 m
|
|
|
Reloj satelital
|
± 2 m
|
|
Distorsión
multibandas
|
± 1 m
|
|
Troposfera
|
± 0,5 m
|
|
Errores numéricos
|
± 1 m o menos
|
·
Señal multirruta,
producida por el rebote de la señal en edificios y montañas cercanos.
·
Errores de orbitales,
donde los datos de la órbita del satélite no son completamente precisos.
·
Número de satélites
visibles.
·
Geometría de los
satélites visibles.
·
Errores locales en el
reloj del GPS.
Factores que Afectan la Calidad de los Datos:
Errores Propios del Satélite.
Se refiere a los errores que afectan la calidad de los resultados
obtenidos en una medición G.P.S.
Errores orbitales (efemérides): Debido a que los satélites no siguen una
órbita kepleriana normal por causa de las perturbaciones, se requieren mejores
estimadores de órbitas, lo que implica un proceso que está obstaculizado por
conocimientos insuficientes de las fuerzas que actúan sobre los satélites.
Estos errores afectan la determinación de la posición del satélite en un
instante determinado con respecto a un sistema de referencia seleccionado. Para
disminuir el error en vez de utilizar las efemérides captadas en el receptor se
utilizan efemérides precisas calculadas por el IGS y NASA días después de la
medición.
Errores del reloj: Se refieren a las variaciones en el sistema de tiempo
del reloj del satélite, producidas por la deriva propia de los osciladores y
las originadas por la acción de los efectos relativísticos. Dichos errores
conllevan a que exista un diferencial entre el sistema de tiempo del satélite y
del sistema G.P.S., el cual no va a ser constante para todos los satélites sino
que varía de uno a otro, debido a que la frecuencia estándar de los osciladores
de los satélites tiene valores definidos para cada satélite.
Errores de la configuración geométrica: las incertidumbres en un
posicionamiento son consecuencia de los errores de las distancias asociadas con
las geometrías de los satélites utilizados, cuatro o más. El efecto de la
geometría queda expresado por los parámetros de la denominada Dilución
de Precisión Geométrica (GDOP), el cual considera los tres parámetros
de posición tridimensional y tiempo. El valor de GDOP es una medida compuesta
que refleja la influencia de la constelación de satélites sobre la precisión
combinada de las estimaciones de un tiempo y posición de la estación.
Al efecto se consideran: PDOP: Dilución de precisión para la posición.
HDOP: Dilución de precisión para la posición. VDOP: Dilución de precisión
vertical. TDOP: Dilución de precisión para el tiempo.
Errores Provenientes del Medio de Propagación.
Errores de refracción ionosférica: En la frecuencia GPS, el rango del
error por refracción en la ionósfera va desde 50 metros (máxima, al mediodía,
un satélite cerca del horizonte) hasta 1 metro (mínima, en la noche, un
satélite en el zenit). Debido a que la refracción ionosférica depende de la
frecuencia, el efecto es estimado comparando mediciones realizadas en dos
frecuencias diferentes (L1=1575.42 MHz. y L2=1227.60 MHz.). Usando dos
estaciones, una con coordenadas conocidas. Podemos corregir errores de tiempo.
El retardo del tiempo de viaje en la ionosfera depende de la densidad de
electrones a lo largo del camino de la señal y de la frecuencia de la misma.
Una fuente influyente sobre la densidad de los electrones es la densidad solar
y el campo magnético terrestre. Por lo tanto la refracción ionosférica depende
de la hora y del sitio de medición.
Errores de refracción troposférica: La refracción troposférica produce
errores comprendidos entre 2 metros (satélite en el zenit) y 25 metros
(satélite a 5º de elevación). La refracción troposférica es independiente de la
frecuencia, por lo tanto una medición de dos frecuencias no puede determinar el
efecto pero este error puede ser compensado usando modelos troposféricos.
Multipath: Es el fenómeno en el cual la señal llega por dos o más trayectorias diferentes. La diferencia en las longitudes de las trayectorias causa interferencia de las señales al ser recibidas. El multipath se nota usualmente cuando se está midiendo cerca de superficies reflectoras, para minimizar sus efectos se utiliza una antena capaz de hacer discriminaciones en contra de las señales que llegan de diferentes direcciones.
Errores en la Recepción.
Estos errores dependen tanto del modo de medición como del tipo de
receptor que se utiliza.
Ruido: Como la desviación estándar del ruido en la medición es
proporcional a la longitud de onda en el código. El ruido en las medidas de
fase de la portadora condiciona la cantidad de datos y el tiempo de seguimiento
requeridos para alcanzar un determinado nivel de precisión, resultando crucial
el seguimiento y las mediciones continuas para asegurar dicha precisión.
Centro de fase de la antena: Este puede cambiar en función del ángulo de
elevación del azimut (figura 15). El aparente centro de fase eléctrico de la
antena GPS es el punto preciso de navegación para trabajos relativos. Si el
error del centro de fase de la antena es común para todos los puntos durante la
medición, estos se cancelan. En mediciones relativas se usan todas las antenas
de la red alineadas en una misma dirección (usualmente el norte magnético) para
que el movimiento del centro de fase de la antena sea común y se cancele con
una primera aproximación.
VOCABULARIO EN GPS
·
DOP (Dilution of
Precision): medida de la
precisión de las coordenadas obtenidas por GPS, según la distribución de los
satélites, disponibilidad de ellos...
INTEGRACIÓN CON TELEFONÍA
Actualmente dentro del
mercado de la telefonía móvil la tendencia es la de integrar, por parte de los
fabricantes, la tecnología GPS dentro de sus dispositivos. El uso y
masificación del GPS está particularmente extendido en los teléfonos móviles smartphone, lo que ha hecho surgir todo un
ecosistema de software para este tipo de dispositivos, así como nuevos modelos
de negocios que van desde el uso del terminal móvil para la navegación
tradicional punto-a-punto hasta la prestación de los llamados Servicios
Basados en la Localización (LBS).
Un buen ejemplo del
uso del GPS en la telefonía móvil son las aplicaciones que permiten conocer la
posición de amigos cercanos sobre un mapa base. Para ello basta con tener la
aplicación respectiva para la plataforma deseada (Android, Bada, IOS, WP, Symbian)
y permitir ser localizado por otros.
APLICACIONES CIVILES Y MILITARES DEL GPS
MilitaresTopografía y geodesia.
·
Construcción
(Nivelación de terrenos, cortes de talud, tendido de tuberías, etc).
·
A.P.R.S. Aplicación
parecida a la gestión de flotas, en modo abierto para Radioaficionados
·
Para localización de
enfermos, discapacitados y menores.
·
Para rastreo y
recuperación de vehículos.
·
Navegación deportiva.
·
Existe quien dibuja
usando tracks o juega utilizando el movimiento como cursor (común en los GPS
Garmin).
·
Sistemas de gestión y
seguridad de flotas.
·
Navegación terrestre,
aérea y marítima.
·
Reconocimiento y
cartografía.
·
Detección de
detonaciones nucleares.
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