Sistema de posicionamiento global. (GPS)

ALUMNO: Gabriela A. Colina

CONCEPTO DE GPS

• El sistema de posicionamiento global se trata deun sistema mundial de navegación desarrolladopor el departamento de defensa de los EstadosUnidos. Actualmente consta de 24 satélitesartificiales ( 21 regulares mas 3 de respaldo)y utiliza la triangulación para determinar entodo el globo la posición con una precisión de maso menos metros. Sus respectivas estaciones en latierra, cualquiera de ellos puede ser operado de díao de noche, incluso con lluvia, no requiere líneasde visual libre entre estaciones.

• Los satélites artificiales son utilizados por elGPS, como punto de referencia para el calculo deposiciones de puntos sobre la superficie de latierra con precisiones cada día mejores.

• el propósito original del sistema satelital fuepermitir a barcos, aviones y otros gruposmilitares a determinar rápidamente susposiciones geodésicas, aunque el sistema sedesarrollo con fines militares, es de granutilidad para otros grupos, como el“NATIONAL GEODETIC SURVEY”, losprofesionales de topografía y el publico engeneral .El sistema GPS puede emplearse pararealizar cualquier tipo de levantamiento quepuede hacerse con técnicas topográficasconvencionales, con excepción de loslevantamientos en los que es difícil oimposible recibir señales de los satélites comoen las minas, en la cercanía de edificios altoso en los bosques profundos.

HISTORIA

PRIMERA GENERACION DE SISTEMA DE SISTEMA DE LEVANTAMIENTO POR SATELITE.

En 1957, la Unión Soviética lanzó al espacio el satéliteSPUTNIK I, que era monitorizado mediante la observación delefecto DOPPLER de la señal que transmitía. Debido a este hecho secomenzó a pensar que, de igual modo, la posición de unobservador podría ser establecida mediante el estudio de lafrecuencia DOPPLER de una señal transmitida por un satélitecuya órbita estuviera determinada con precisión.

La armada estadounidense rápidamente aplicó esta tecnología,para proveer a los sistemas de navegación de sus flotas deobservaciones de posiciones actualizadas y precisas. Así surgió elsistema TRANSIT, que quedó operativo en 1964, y hacia 1967estuvo disponible, además, para uso comercial. En este sistema losreceptores colocados en estaciones terrestres miden cambios en lasfrecuencias de señales de radio transmitidas desde satélitesoperando en orbitas polares a altitudes de aproximadamente 1075km.

Posteriormente, en esa misma década y gracias aldesarrollo de los relojes atómicos, se diseñó unaconstelación de satélites, portando cada uno de ellos unode estos relojes y estando todos sincronizados con baseen una referencia de tiempo determinado.

En 1973 se combinaron los programas de la Armada yel de la Fuerza Aérea de los Estados Unidos (este últimoconsistente en una técnica de transmisión codificadaque proveía datos precisos usando una señal moduladacon un código de PRN (Pseudo-Random Noise: ruidoPseudo-aleatorio), en lo que se conoció como NavigationTechnology Program (programa de tecnología denavegación), posteriormente renombrado comoNAVSTAR GPS.

Entre 1978 y 1985 se desarrollaron y lanzaron oncesatélites prototipo experimentales NAVSTAR, a los quesiguieron otras generaciones de satélites, hasta completarla constelación actual, a la que se declaró con «capacidadoperacional inicial» en diciembre de 1993 y con«capacidad operacional total» en abril de 1995.

SEÑALES TRANSMITIDAS POR EL GPS

• El GPS, igual que el programa DOPPLER, se basa en observaciones de señales transmitidas desdesatélites. Estas señales se recogen en estaciones terrestres por receptores. Se miden los tiempostranscurridos durante el viaje de las señales del transmisor al receptor, de esta forma se puedencalcular las disposiciones de las estaciones receptoras.

• El GPS es un sistema empleado sobre todo por las fuerzas armadas y solo ocasionalmente es usadopara fines civiles. Por tanto, es un sistema unidimensional, es decir, que las señales se transmitensolo por los satélites y no por los receptores.

• Los satélites del GPS circulan en orbitas casi circulares a altitudes de aproximadamente 20.000 kmsobre la tierra. Este sistema consta de 18 satélites disponibles para observaciones. Este constara de 6diferentes orbitas con 3 satélites en cada uno. Las orbitas estarán inclinadas 55º respecto al plano delecuador y separadas 60º entre si.

• Cuando los satelites GPS están en orbita cada uno transmite señales únicas en forma continua endos frecuencias portadoras. Las ondas portadoras se identifican como la señal L1 con una frecuenciade 1575,42 MHz y la señal L2 con una frecuencia de 1227,60 MHz

• La señal L1 es modulada con el llamado “código de presicion o cogido (P)” y tambiéncon el “código de adquisición burda o cogido (C/A)”. La señal L2 se modula solo con elcódigo (P). Cada satélite radiodifunde sus propios códigos únicos, de manera que losreceptores son capaces de identificar el origen de las señales recibidas.

• El código C/A tiene una frecuencia de 1.023 MHz y una longitud de ondaaproximadamente 300 m. El código P, con una frecuencia de 10,23 MHz y unalongitud de onda aproximadamente de 30 m, el 10 veces mas preciso es operaciones deposicionamiento que el del codigo C/A.

nombre del código Frecuencia (MHz) Factor de p

C/A 1.023 Dividida entre 10

P 10.23 ____

L1 1.575,42 Multiplicado por 154

L2 1.227,60 Multiplicado por 120

FUNDAMENTOS DEL GPS.

• Los fundamentos involucrados en las mediciones con GPS son:

• 1. TRILATERACION SATELITAL: los satélites del sistema de posicionamientoglobal se encuentran girando alrededor de la tierra en orbitas predefinidas a unaaltura aproximadamente de 20.200 km, siendo posible conocer con exactitud laubicación de un satélite en un instante de tiempo dado, convirtiéndose por lo tantolos satélites en puntos de referencia en el espacio.

• Supongamos que un receptor en la tierra capta la señal deun primer satélite determinando la distancia de ambos.Esto solamente nos indica que el receptor puede estarubicado en un punto cualquiera dentro de la superficie deuna esfera da radio R1.

• Si medimos la distancia de un segundo satélite al mismoreceptor se generara una superficie esférica de radio R2,que al intersecarse con la primera esfera se formara unradio cuyo perímetro pudiera estar ubicado el punto amedir.

• Si agregamos una tercera medición, la intersección de la nueva esfera con las dos anteriores se reduce ados puntos sobre el perímetro del circulo descrito.

• Uno de estos dos puntos puede ser descartado por ser una respuesta incorrecta, bien sea por estar fuera deespacio o por moverse a una velocidad elevada.

• Matemáticamente es necesario determinar una cuarta medición a undiferente satélite a fin de poder calcular las coordenadas x, y, z y tiempo.

• 2. MEDICION DE DISTANCIA DESDE LOS SATELITES: la distancia deun satélite a un receptor se calcula midiendo el tiempo de viaje de la señalde radio desde el satélite al receptor. Conociendo la velocidad de la señal deradio, la distancia se determina por medio de la ecuación de movimientocon velocidad uniforme:

D= v.t

Donde:

D= distancia en km desde el satélite al punto considerado.

V= velocidad de la señal de radio, aproximadamente la velocidad de la luz (300.000km/sg).

T= tiempo de viaje de la señal en segundos.

• Para poder medir el tiempo de viaje de la señal, es necesario conocer elinstante en que la señal parte del satélite. Esto se logra generando códigospseudoaleatorios tanto en el satélite como en el receptor y sincronizandoambas señales de manera que sean generadas al mismo tiempo, luego,

comparando las dos señales se mide el desfase en tiempo (Δt) en el que laseñal del satélite y la del receptor generan el mismo código. El Δtrepresenta el tiempo de viaje de la señal. Este proceso se esquematizagráficamente de la siguiente manera:

• 3. PRECISION EN LA MEDIDA DE TIEMPO: la medición del tiempo deviaje es una actividad difícil de realizar. Debido a la gran velocidad de lasseñales de radio y a las distancias, relativamente cortas, a la cual seencuentran los satélites de la tierra, los tiempos de viaje sonextremadamente cortos. El tiempo promedio que una señal tarda en viajarde un satélite orbitando a 20.200 km a la tierra es de 0.067 segundos. Estehecho hace necesario la utilización de relojes muy precisos.

• Los satélites portan relojes atómicos con precisiones de un nanosegundo,pero colocar este tipo de relojes en los receptores seria muy costoso, parasolucionar este problema los receptores corrigen los errores en la medicióndel tiempo mediante una medición a un cuarto satélite.

• 4. POSICIONAMIENTO DEL SATELITE: como se ha dicho previamente, existen 24satélites operacionales en el sistema NAVSTAR (Navigation Satellite Timing andRanging) orbitando la tierra cada 12 horas a una altura de 20.200 km. Existen seisdiferentes orbitas inclinadas aproximadamente 55º con respecto al Ecuador.

• Alrededor de cada uno de estos planos giran cuatro satélites que son monitoreadosconstantemente por el departamento de defensa de los Estados Unidos. En la tierra existencinco estaciones de seguimiento y control maestro calcula, con los datos de las estacionesde seguimiento, la posición de los satélites en las orbitas, los coeficientes para lascorrecciones de los tiempos y transmiten esta información a los satélites.

ERRORES DEL GPS.

• Cuando en Topografía hablamos de la posición obtenida mediante técnicas GPS, seintuye que ésta, es bastante precisa y libre de errores. Sin embargo, existendiferentes fuentes de error que degradan la posición GPS desde algunos metros, enteoría, hasta algunas decenas de metros.

• Estas fuentes de error son:

• 1.- Retrasos ionosféricos y atmosféricos

• 2.- Errores en el reloj del Satélite y del receptor

• 3.- Efecto multitrayectoria

• 4.- Dilución de la precisión

• 5.- Disponibilidad selectiva (S/A)

• 6.- Anti Spoofing

• 1. Retrasos ionosféricos y atmosféricos.

Al pasar la señal del satélite a través de la ionosfera, su velocidaddisminuye, produciéndose un efecto similar a la refracción. Estosretrasos atmosféricos pueden introducir un error en el cálculo de ladistancia, ya que la velocidad de la señal se ve afectada. (La luz sólotiene una velocidad constante en el vacío).

Este retraso, no es constante de manera que existen diversos factoresque influyen:

• - A. Elevación del satélite. Las señales de satélites que seencuentran en un ángulo de elevación bajo se verán más afectadasque las señales de satélites que se encuentran en un ángulo deelevación mayor, debido a que la distancia a recorrer es mayor.

• - B. La densidad de la ionosfera está afectada por el Sol. Durante la noche, lainfluencia ionosférica es mínima. Durante el día, el efecto de la ionosfera seincrementa y disminuye la velocidad de la señal.

• - C. El Vapor de agua. El vapor de agua contenido en la atmósfera también puedeafectar las señales GPS. Este efecto, el cual puede resultar en una degradación de laposición, puede ser reducido utilizando modelos atmosféricos.

• 2. Errores en el reloj del satélite o del receptor.

A pesar de la alta precisión de los relojes (cerca de 3 nanosegundos), algunas vecespresentan una pequeña variación en la velocidad de marcha y producen pequeñoserrores, afectando la exactitud de la posición. El Departamento de Defensa de losEstados Unidos, observa permanentemente los relojes de los satélites mediante elsegmento de control y puede corregir cualquier deriva que pueda encontrar.

• 3. Efecto multitrayectoria.

• Este error puede darse cuando el receptor se sitúa cerca de una gran superficie reflectora,tal como un lago o un edificio. Es debido a que la señal del satélite no viaja directamente ala antena, sino que llega primero al objeto cercano y luego es reflejada a la antena,provocando una medición falsa. Este tipo de errores pueden ser reducidos utilizandoantenas GPS especiales que incorporan un plano de tierra, que filtra las señalesprocedentes con un ángulo de elevación bajo. Para obtener la más alta exactitud, lasolución preferida es la antena de bobina anular. Una antena de bobina anular tiene 4 ocinco anillos concéntricos alrededor de la antena que atrapan cualquier señal indirecta. Elefecto multitrayectoria afecta únicamente a las mediciones topográficas de alta precisión.

• 4. Dilución de la precisión.

• La Dilución de la Precisión (DOP) es una medida de la fortaleza de lageometría de los satélites y está relacionada con la distancia entre lossatélites y su posición en el cielo. El DOP puede incrementar el efecto delerror en la medición de distancia a los satélites. Cuando los satélites estánbien distribuidos, la posición se determina en un área menor y el margende error posible es mínimo. Cuando los satélites están muy cerca unos deotros, el área de encuentro también aumenta, de manera que se incrementala incertidumbre de la posición.

• Se puede encontrar diferentes tipos de Dilución de la Precisión.

• - VDOP: Dilución Vertical de la Precisión. Degradación de la exactitud en la direcciónvertical.

• - HDOP: Dilución Horizontal de la Precisión. Degradación de la exactitud en la direcciónhorizontal.

• - PDOP: Dilución de la Precisión en Posición. Degradación de la exactitud en posición 3D.

• - GDOP: Dilución de la Precisión Geométrica. Degradación de la exactitud en posición 3D yen tiempo.

• El valor más importante es el GDOP, pues se trata de un combinación de resto. Cabe destacarque es importante conservar una buena distribución de satélites, y eliminar aquellos cuyaelevación sea poca, pues influirán bastante a la hora de introducir fuentes de error.

• 5. Disponibilidad selectiva (S/A).

• La Disponibilidad Selectiva es un proceso aplicado por el Departamento deDefensa de los Estados Unidos a la señal GPS. Su finalidad era denegar,tanto a usuarios civiles como a las potencias hostiles, el acceso a toda laprecisión que brinda el GPS, sometiendo a los relojes del satélite a unproceso conocido como "dithering" (dispersión), el cual altera el tiempoligeramente. Además, las efemérides (o la trayectoria que el satéliteseguirá), son transmitidas ligeramente alteradas respecto a las verdaderas.El resultado final es una degradación en la precisión de la posición. Estamedida solo afectaba a aquellos usuarios que trabajaban de maneraautónoma.

• 6. Anti Spoofing.

• El efecto Anti-Spoofing es similar al efecto S/A, pues su objetivo era no permitirque los usuarios civiles y las fuerzas hostiles tengan acceso al código P de laseñal GPS, obligándolos a emplear el código C/A, al cual se aplica el efecto S/A.El efecto Anti-spoofing encripta el código P en una señal conocida como código Y.Sólo los usuarios con receptores GPS militares (EEUU y sus aliados) puedendescifrar el código Y. El código P modula a la portadora con una frecuencia de10.23 Hz., mientras que el código C/A lo hace a 1.023 Hz, resultando máspreciso, de manera que las distancias se puede calcular mejor, ya que se trasmite10 veces más por el código P. Por todas estas razones, los usuarios de receptoresGPS militares generalmente obtendrán precisiones del orden de 5 metros,mientras que los usuarios de equipos GPS civiles equivalentes únicamentealcanzarán precisiones de 15 a 100 metros.

GPS DIFERENCIAL.

• Aprovechando la propiedad de que dos receptores situados lo suficientemente cerca,recibirán los mismos errores sistemáticos, el error de posicionamiento se puedereducir de la siguiente forma:

• Un receptor GPS se sitúa en una localización estática, cuya ubicación se conocecon absoluta precisión. A este receptor se le llama estación base.

• En todo momento, la estación de referencia calcula su posición a partir de GPS,por lo que se encuentra en condiciones de evaluar las posiciones necesarias.

• Las medidas de los demás receptores GPS se modifican con las correccionesefectuadas por la estación de referencia.

CORRECCION DIFERENCIAL

• Las correcciones efectuadas porel receptor GPS puede hacerse dedos formas:

• Modo post-procesado, losresultados son almacenados porlos receptores, y posteriormentese corrigen en la computadoramediante la aplicación de unsoftware especializado.

• En tiempo real, las correccionesson enviadas en todo momentoa sus receptores, que las aplicana todas sus mediciones.

COMPONENTES DEL GPS

• SE DIVIDE EN 3 SEGMENTOS.

a. SEGMENTO ESPACIAL.

b. SEGMENTO USUARIO.

c. SEGMENTO DE CONTROL.

• A. SEGMENTO ESPACIAL:

• Consta de 24 satélites.

• 2 señales de radio L1 con frecuencia 1.575,42 MHz y L2 con frecuencia 1.227,60MHz.

• Consta de 6 planos, 4 satélites en cada plano.

• Transmisión de información por cinco estaciones.

• Estación 1: parámetros para corrección del tiempo y refracción ionósferica.

• Estación 2 y 3: información orbital precisa para el calculo de esfemérides.

• Estación 4 y 5: información orbital aproximada de todos los satélites del sistema enoperación, tiempo universal coordinado, información ionósferica e información espacial.

• B. EL SEGMENTO USUARIO: Diferentes fabricantes producen una gran variedad deequipos y productos para los usuarios de GPS. Debido al permanente desarrollotecnológico, estos equipos son constantemente mejorados en calidad y precisión haciendocada vez mas común su aplicación en diferentes disciplinas.

• Este segmento lo integran los receptores GPS que registran la señal emitida por lossatélites para el cálculo de su posición tomando como base la velocidad de la luz y eltiempo de viaje de la señal, así se obtienen las pseudodistancias entre cada satélite y elreceptor en un tiempo determinado, observando al menos cuatro satélites en tiempocomún; el receptor calcula las coordenadas X, Y, Z y el tiempo.

• Antena con preamplificador.

• Seccion de radio frecuencia o canal.

• Microprocesador para reducción, almacenamiento y procesamiento de datos.

• Oscilador de presión para la generación de códigos pseudoaleatorios utilizados en lamedición del tiempo de viaje de la señal.

• Fuente de energía eléctrica.

• Interfases del usuario (pantalla, teclado, comandos).

• Memoria de almacenamiento.

2. SEGMENTO DE CONTROL: Es una serie deestaciones de rastreo, distribuidas en la superficieterrestre que continuamente monitorea a cadasatélite analizando las señales emitidas por estos ya su vez, actualiza los datos de los elementos ymensajes de navegación, así como las correcciones dereloj de los satélites.

Las estaciones se ubican estratégicamente cercanasal plano ecuatorial y en todas se cuenta conreceptores con relojes de muy alta precisión.

Este segmento de control consta de cinco estacionesterrestres de monitoreo localizadas en Hawai, en laisla Ascension (en medio del océano Atlantico, entreSudamerica y Africa), Kwajalein (en el océanopacifico al noroeste de nueva guinea). Diego Garcia(en el océano indigo) y en Colorado Springs,Colorado (estación de control maestra).

PRECISIONES DEL GPS

• En general la exactitud, obtenida en mediciones con GPS depende de losiguiente:

• Equipo receptor.

• Planificación y procedimiento de recolección de datos.

• Tiempo de medición.

• Programas utilizados en la medición de datos.

APLICACIONES.

• AEREAS

• MARITIMAS

• TERRESTRE

• ESPACIAL.

• OTRAS APLICACIONES

Teledetección.

Búsqueda y rescate.

Vigilancia aérea.

Fotogrametría.

Medición y control geodésico.

Medición de linderos.

Mediciones hidrográficas.

Dragados.

Mediciones topográficas.

Control de deformaciones.

Mapas de inundaciones.

Mapas de recursos.

BIBLIOGRAFIA.

• TOPOGRAFIA. Wolf/ Brinker. 9ª.Edicion.

• TOPOGRAFIA PLANA. Leonardo Casanova.

• TOPOGRAFIA. Mc Cormac.