SISTEMA DE POSICIONAMIENTO GLOBAL

SISTEMA DE POSICIONAMIENTO GLOBAL (GPS)

ContenidoIntroduccin2Historia2Caractersticas tcnicas4Segmento del usuario6Evolucin del sistema GPS7Funcionamiento8Relacin fsica8GPS diferencial13Vocabulario bsico en GPS15Aplicaciones16

Introduccin El Sistema de Posicionamiento Global o GPS, aunque su nombre correcto es NAVSTAR-GPS1, es un sistema global de navegacin por satlite que permite determinar en todo el mundo la posicin de un objeto, una persona, un vehculo o una nave. Podemos alcanzar una precisin hasta de centmetros, usando el GPS diferencial, pero lo habitual son unos pocos metros. Aunque su invencin se atribuye a los gobiernos de Francia y Blgica, el sistema fue desarrollado e instalado por el Departamento de Defensa de los Estados Unidos, del que actualmente se encarga. El GPS funciona mediante una red de 27 satlites (24 operativos y 3 de respaldo) en rbita a 20.200 km sobre el globo terrqueo, con trayectorias sincronizadas para cubrir toda la superficie de la Tierra. Cuando se desea determinar una posicin, el receptor que se utiliza para ello localiza automticamente como mnimo tres satlites de la red, de los que recibe unas seales indicando la posicin y el reloj de cada uno de ellos. Con base en estas seales, el aparato sincroniza el reloj del Sistema de Posicionamiento y calcula el retraso de las seales; es decir, la distancia al satlite. Por "triangulacin" los tres satlites calculan la posicin en que el GPS se encuentra. La triangulacin en el caso del Sistema de Posicionamiento Global se basa en determinar la distancia de cada satlite respecto al punto de medicin. Conocidas las distancias, se determina fcilmente la propia posicin relativa respecto a los tres satlites. Conociendo adems las coordenadas o posicin de cada uno de ellos por la seal que emiten, se obtiene la posicin absoluta o coordenadas reales del punto de medicin. Tambin se consigue una exactitud extrema en el reloj del GPS, similar a la de los relojes atmicos que llevan a bordo cada uno de los satlites. (Estos datos sern especificados ms adelante). La antigua Unin Sovitica tena un sistema similar llamado GLONASS, ahora gestionado por la Federacin Rusa. Actualmente la Unin Europea est desarrollando su propio sistema de posicionamiento por satlite, denominado Galileo.

Historia Todo empieza cuando en 1957 la Unin Sovitica lanz al espacio el satlite Sputnik I, que era monitorizado gracias al Efecto Doppler de la seal que transmita. Debido a este hecho, se comenz a pensar que, de igual modo, la posicin de un observador podra ser establecida mediante el estudio de la frecuencia Doppler de una seal transmitida por un satlite cuya rbita estuviera determinada con precisin. La armada estadounidense rpidamente aplic esta tecnologa, para proveer a los sistemas de navegacin de sus flotas, posiciones actualizadas y precisas. As surgi el sistema TRANSIT, que qued operativo en 1964, lo que podramos considerar los inicios del GPS, y hacia 1967 estuvo disponible, adems, para uso comercial. Las actualizaciones de posicin, en ese entonces, se encontraban disponibles cada 40 minutos y el observador deba permanecer casi esttico para poder obtener informacin adecuada. Posteriormente, en esa misma dcada y gracias al desarrollo de los relojes atmicos, se dise una constelacin de satlites, portando cada uno de ellos un reloj, estando todos sincronizados con base a una referencia de tiempo determinada. En 1973 se combinaron los programas de la Armada y el de la Fuerza Area de los Estados Unidos, este ltimo consistente en una tcnica de transmisin codificada que provee datos precisos usando una seal modulada con un cdigo de ruido pseudo-aleatorio (PRN), en lo que se conoci como Navigation Technology Program, posteriormente renombrado como NAVSTAR GPS. Entre 1978 y 1985 se desarrollaron y lanzaron once satlites prototipo experimentales (Block I,Block II,Block IIA,Block IIR y Block IIF)*anexoI, llevan incorporados un reloj atmico(+-1s en un milln de aos) despus siguieron otras generaciones de satlites con relojes maser pasivos de hidrgeno (+-1s en 2.7 millones de aos), hasta completar la constelacin actual, a la que se declar con capacidad operacional inicial en diciembre de 1993 y con capacidad operacional total en abril de 1995. En 1994, EEUU ofreci el servicio normalizado de determinacin de la posicin para apoyar las necesidades de la Organizacin de Aviacin Civil Internacional (OACI), y sta acept el ofrecimiento. Fig.1: Reloj atmico Caractersticas tcnicas El Sistema Global de Navegacin por Satlite lo componen: 1. Segmento espacial En el segmento espacial nos encontramos 24 satlites con trayectorias sincronizadas para cubrir toda la superficie del globo terrqueo. Ms concretamente, repartidos en 6 planos orbitales de 4 satlites cada uno. La energa elctrica que requieren para su funcionamiento la adquieren a partir de dos paneles compuestos de celdas solares adosados a sus costados. A continuacin mostramos esquemticamente la altitud a la que se encuentran, el periodo de tiempo de los satlites en orbitar, la vida til de un satlite, y la inclinacin de estos respecto al ecuador terrestre. a) Altitud: 20.200 km b) Perodo: 11 h 56 min (12 horas sidreas) c) Inclinacin: 55 grados (respecto al ecuador terrestre). d) Vida til: 7,5 aos e) Utilizan paneles solares y bateras de Ni-cad Fig.2: Satlites en orbita Fig.3: rbitas que describen los satlites 2. Segmento de control El sistema global de navegacin por satlite compuesto por el segmento de control se refiere a una serie de estaciones terrestres. stas envan informacin de control a los satlites para controlar las rbitas y realizar el mantenimiento de toda la constelacin. Se podra decir que son estaciones de rastreo automticas distribuidas globalmente y que monitorean las rbitas junto con las seales de cada satlite enviando correcciones. Activan y desactivan los satlites segn las necesidades de mantenimiento. Hay una estacin principal, 4 antenas de tierra y 5 estaciones monitoras de seguimiento. Fig.4: Mapa de estaciones terrestres Fig.5: Estacin terrestre de hawa . Segmento del usuario En este apartado nos referimos al instrumento en s. Los Sistemas de Posicionamiento indican la posicin en la que se encuentran. Conocidas tambin como Unidades GPS, son las que podemos adquirir en las tiendas especializadas. El GPS es el conjunto de elementos (Software y Hardware) que permiten determinar la posicin, velocidad y tiempo de un usuario, adems de los parmetros necesarios adicionales que requiera. A continuacin enumeraremos las partes de las que consta un GPS: 1. Antena con preamplificador 2. Seccin de radio frecuencia o canal 3. Micro procesador para reduccin, almacenamiento y procesamiento de datos 4. Oscilador de precisin para la generacin de los cdigos pseudo aleatorios utilizados en la medicin del tiempo de viaje de la seal 5. Fuente de energa elctrica 6. Interfases del usuario (pantalla, teclado de comandos). 7. Memoria de almacenamiento Qu hace un GPS? 1. Identificacin y seguimiento de los cdigos asociados a cada satlite. 2. Determinacin de la distancia. 3. Decodificacin de las seales de datos de navegacin para obtener las efemrides, el almanaque.. 4. Aplicar las correcciones (del reloj, ionosfricas,...). 5. Determinacin de la posicin y velocidad. 6. Validacin de los resultados obtenidos y almacenamiento en memoria. 7. Presentacin de la informacin. Evolucin del sistema GPS El GPS est evolucionando hacia un sistema ms slido, el GPS III, con una mayor disponibilidad y que reduzca la complejidad de las aumentaciones GPS. Algunas de las mejoras previstas comprenden: 1. Incorporacin de una nueva seal en L2 para uso civil. 2. Adicin de una tercera seal civil (L5): 1176,45 MHz 3. Proteccin y disponibilidad de una de las dos nuevas seales para servicios de Seguridad Para la Vida (SOL). 4. Mejora en la estructura de seales. 5. Incremento en la potencia de seal (L5 tendr un nivel de potencia de 154 dB). 6. Mejora en la precisin (1 5 m). 7. Aumento en el nmero de estaciones monitorizadas: 12 (el doble) 8. Permitir mejor interoperabilidad con la frecuencia L1 de Galileo El programa GPS III persigue el objetivo de garantizar que el GPS satisfaga requisitos militares y civiles previstos para los prximos 30 aos. Este programa se est desarrollando para utilizar un enfoque en 3 etapas, una de las etapas de transicin es el GPS II. El programa es muy flexible, permite cambios futuros y reduce riesgos. El desarrollo de satlites GPS II comenz en 2005, y el primero de ellos estar disponible para su lanzamiento en 2012, con el objetivo de lograr la transicin completa de GPS III en 2017. Los desafos son los siguientes: 1. Representar los requisitos de usuarios, tanto civiles como militares, en cuanto a GPS. 2. Limitar los requisitos GPS III dentro de los objetivos operacionales. 3. Proporcionar flexibilidad que permita cambios futuros para satisfacer requisitos de los usuarios hasta 2030. 4. Proporcionar solidez para la creciente dependencia en la determinacin de posicin y de hora precisa como servicio internacional. Fig.7: Antiguo Fig.8: Nuevo Funcionamiento En la introduccin hemos hecho un breve resumen de lo que es el funcionamiento del GPS para tener as una idea global, ahora vamos a explicarlo ms detalladamente teniendo en cuenta la parte fsica que nos concierne. Lo primero que tenemos que saber es que para su buen funcionamiento se necesita tener en cuenta la diferencia de frecuencias a las cuales son emitidas y recibidas las seales en dos localizaciones con distinto potencial gravitatorio. Este se basa en considerar el sistema de referencia espacio-tiempo de la Tierra, es decir, un marco solidario con el observador estacionario en Tierra. Lo que ocurre es que el satlite GPS manda una seal codificada con su tiempo de emisin y localizacin y el observador la recibir un intervalo de tiempo despus. Con esta base nos adentramos ahora en la relacin con la fsica. Relacin fsica 9. Principio de triangulacin El Principio de Triangulacin es el usado por el GPS para calcular una posicin. ste consiste simplemente en el conocimiento de la posicin del instrumento respecto a cuatro satlites diferentes, lo explicamos a continuacin detenidamente. El receptor calcula el tiempo que le ha tardado en llegar la seal emitida por el satlite, y conociendo la velocidad de propagacin de la seal, ste determina una esfera dentro de la cual est su posicin necesariamente. Como todos sabemos para ello simplemente hace uso de la frmula que nos dice que la distancia es igual a la velocidad por el tiempo empleado. Si calcula la ecuacin de una esfera alrededor de cada satlite, la interseccin de todas ella determina la posicin real del receptor. Es por ello que cuantos ms satlites haya obtendr una mayor precisin. Se llama Trilateracin Satelital. 10. Medicin precisa del tiempo La medicin del tiempo de viaje es una actividad difcil de realizar. Debido a la gran velocidad de las seales de radio y a las distancias, relativamente cortas, a la cual se encuentran los satlites de la Tierra, los tiempos de viaje son extremadamente cortos. El tiempo promedio que una seal tarda en viajar de un satlite orbitando a 20.200 km de la Tierra es de 0.067 segundos. Esto hace necesaria la utilizacin de relojes muy precisos. Los satlites portan relojes atmicos con precisiones de un nanosegundo, pero colocar este tipo de relojes en los receptores sera muy costoso. Para solucionar este problema los receptores corrigen los errores en la medicin del tiempo mediante una medicin a un cuarto satlite. Podemos verlo ms claramente con las imgenes: El punto B se desecha debido a que punto buscado debe estar cerca de la superficie. Debemos incluir el error sistemtico que existe en el reloj del receptor. Para que el reloj del receptor se sincronice con el reloj atmico de los satlites se vara el tiempo medido por el primero hasta que las tres circunferencias se corten en un punto. 3. Efectos relativistas Quien conozca algo de la Teora de Relatividad sabe que el tiempo va ms despacio durante movimientos ms rpidos. Esto va a afectar a los satlites en rbita, ya que su velocidad alrededor de la Tierra es de v= 3874 m/s, por tanto los relojes que llevan se atrasan respecto a los que estn en la superficie del planeta. La dilatacin del tiempo relativista provoca una inexactitud en el tiempo de aproximadamente 72 microsegundos al da. Tambin conocemos que el tiempo corre ms despacio cuanto mayor es el campo gravitatorio, por tanto para un observador en la Tierra el reloj del satlite ir ms deprisa que el suyo, ya que estos se encuentran a una altitud de 20.000 km y el potencial gravitatorio es entonces ms dbil. Tener en cuenta que este efecto es seis veces mayor que el anterior descrito. Con los dos efectos obtenemos que los relojes de los satlites parecen ir algo ms deprisa y es necesario corregirlo. Para ello se colocan los relojes de los satlites a una frecuencia de 10.229999995453 Mhz y se operan con 10.23 Mhz . Con este truco logramos compensar errores provocados en el clculo de la distancia de 10 km por da y tiempos de 38 milisegundos. Otro efecto relativista es el llamado Efecto Sagnac, causado por el movimiento del observador en la superficie de la Tierra, que tambin se mueve a una velocidad de 500 m/s (en el Ecuador) debido a la rotacin del planeta. Su influencia en el funcionamiento del GPS es muy pequea y complicada de calcular, por tanto solo es considerada en ocasiones especiales. Si no se tuvieran en cuenta los efectos gravitacionales y los efectos relativistas de la dilatacin del tiempo, el sistema fallara tras slo una fraccin de hora. Una vez explicados los efectos relativistas cualitativamente, podemos ver las ecuaciones que se manejan. Es el Principio de Equivalencia el que establece la relacin entre las seales emitidas en un punto A (en nuestro caso el satlite) y recibidas en un punto B (que ser la Tierra). Cuando el que recibe la seal est en un potencial gravitatorio mayor que el emisor, las seales sern recibidas ms lentamente que cuando fueron emitidas ( y viceversa). Para estimar la magnitud de las correcciones, suponemos por simplicidad que el satlite GPS est en rbita de 12h ecuatorialmente, de radio Rs desde el centro de la Tierra. Si Vs es la velocidad del satlite, tenemos Y sustituyendo datos Con esto hemos calculado los parmetros de la rbita y ya podemos calcular las correcciones necesarias, 8. Fuentes de error Un receptor GPS requiere el instante actual, posicin del satlite y retraso respecto la emisin de la seal para el clculo de su posicin. Para que sea preciso hay que tener en cuenta las diferentes fuentes de error que pueden afectar a la seal en su recorrido del satlite al receptor. Algunas de ellas son: 1. Errores debidos a la atmsfera 2. Errores en el reloj GPS 3. Interferencias por la reflexin de las seales (multipath effect) 4. Errores de orbitales, donde los datos de la rbita del satlite no son completamente precisos. 5. Geometra de los satlites visibles En la siguiente tabla podemos ver ejemplos numricos de los errores:

FUENTE ERROR

Ionosfera 5 m

Efemrides 2,5 m

Reloj satelital 2 m

Distorsin multibandas 1 m

Troposfera 0,5 m

Errores numricos 1 m o menos

GPS diferencial El DGPS o GPS diferencial, es un sistema que proporciona a los receptores de GPS correcciones de los datos recibidos de los satlites GPS, con el fin de proporcionar una mayor precisin en la posicin calculada. Se concibi fundamentalmente debido a la introduccin de la disponibilidad selectiva. El fundamento radica en el hecho de que los errores producidos por el sistema GPS afectan por igual (o de forma muy similar) a los receptores situados prximos entre s. Los errores estn fuertemente correlacionados en los receptores prximos. Un receptor GPS fijo en tierra (referencia) que conoce exactamente su posicin basndose en otras tcnicas, recibe la posicin dada por el sistema GPS, y puede calcular los errores producidos por el sistema GPS, comparndola con la suya, conocida de antemano. Este receptor transmite la correccin de errores a los receptores prximos a l, y as estos pueden, a su vez, corregir tambin los errores producidos por el sistema dentro del rea de cobertura de transmisin de seales del equipo GPS de referencia. La estructura DGPS quedara de la siguiente manera: 1. Estacin monitorizada (referencia), que conoce su posicin con una precisin muy alta. Esta estacin est compuesta por: a) Un receptor GPS. b) Un microprocesador, para calcular los errores del sistema GPS y para generar la estructura del mensaje que se enva a los receptores. c) Transmisor, para establecer un enlace de datos unidireccional hacia los receptores de los usuarios finales. 2. Equipo de usuario, compuesto por un receptor DGPS (GPS + receptor del enlace de datos desde la estacin monitorizada). Existen varias formas de obtener las correcciones DGPS. Las ms usadas son: - Recibidas por radio, a travs de algn canal preparado para ello, como el RDS en una emisora de FM. Descargadas de Internet, o con una conexin inalmbrica. Proporcionadas por algn sistema de satlites diseado para tal efecto. En Estados Unidos existe el WAAS, en Europa el EGNOS y en Japn el MSAS, todos compatibles entre s. En los mensajes que se envan a los receptores prximos se pueden incluir dos tipos de correcciones: 1. Una correccin directamente aplicada a la posicin. Esto tiene el inconveniente de que tanto el usuario como la estacin monitora debern emplear los mismos satlites, pues las correcciones se basan en esos mismos satlites. 2. Una correccin aplicada a las pseudodistancias de cada uno de los satlites visibles. En este caso el usuario podr hacer la correccin con los 4 satlites de mejor relacin seal-ruido (S/N). Esta correccin es ms flexible. Con el DGPS se pueden corregir en parte los errores debidos a: a) Disponibilidad selectiva (eliminada a partir del ao 2000). b) Propagacin por la ionosfera - troposfera. c) Errores en la posicin del satlite (efemrides). d) Errores producidos por problemas en el reloj del satlite. Fig.9: Receptor GPS Navcom SF-2040G StarFire montado sobre un mstil. Vocabulario bsico en GPS BRG (Bearing): el rumbo entre dos puntos de pasos intermedios (waypoints) CMG (Course Made Good): rumbo entre el punto de partida y la posicin actual EPE (Estimated Postion Error): margen de error estimado por el receptor ETE (Estimated Time Enroute): tiempo estimado entre dos waypoints DOP (Dilution Of Precision): medida de la precisin de las coordenadas obtenidas por GPS, segn la distribucin de los satlites, disponibilidad de ellos... ETA (Estimated Time to Arrival): tiempo estimado de llegada al destino Aplicaciones Por ltimo hablaremos de las aplicaciones del GPS. Divididas en tres grupos tenemos -Transporte, donde estn incluidas el martimo, la aviacin, autopistas y el ferrocarril. Este es el ms conocido por todos, sobretodo por la incorporacin ms reciente del GPS en los automviles y telfonos. Medio ambiente, que engloba tanto aplicaciones en la meteorologa como en la minera o construccin. Otros, dentro de este ltimo grupo hemos querido mencionar algunas aplicaciones como son telecomunicaciones, Fuerzas de Seguridad o arte. Fig.10: Aplicacin en arte. Ruta sobre la superficie terrestre con forma de letras.

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