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ÍNDICE
El Sistema de Posicionamiento Global GPS (siglas en inglés de Global Positioning System), es un método de posicionamiento y navegación basado en las señales transmitidas por la constelación de satélites NAVSTAR (siglas en inglés de Navigation Satellite Timing And Ranging), que son recibidas por receptores portátiles en Tierra. Las señales múltiples que se reciben simultáneamente provenientes de las sucesivas posiciones de los satélites, se utilizan para resolver las ambigüedades y permitir con esto, la determinación de la posición tridimensional del punto por conocer.
El Sistema de Posicionamiento Global (GPS) fue diseñado por el Departamento de Defensa de los Estados Unidos con fines militares para proporcionar estimaciones precisas de posición, velocidad y tiempo; Este sistema esta operativo desde el año 1995 y utiliza conjuntamente una red de ordenadores y una constelación de 24 satélites para determinar por triangulación, la ubicación exacta (longitud, altitud, latitud) de cualquier objeto en la superficie terrestre.
En el ámbito civil y alegando razones de seguridad sólo se permite el uso de un subconjunto degradado de señales GPS. Sin embargo la comunidad civil ha encontrado alternativas para obtener una excelente precisión en la localización mediante las denominadas técnicas diferenciales. Gracias a ellas las aplicaciones civiles han experimentado un gran crecimiento y actualmente existen más de 70 fabricantes de receptores GPS.
El primer sistema de navegación por satélite fue el sistema TRANSIT, el cual permitía conocer la posición de un receptor a partir de conocer la posición del satélite. El programa comenzó en 1958 y se declaró operacional en 1964 tras el lanzamiento de 10 satélites. En 1967 se permitió la utilización civil y se desarrolló vertiginosamente hasta 1992, último año en que se garantizó su explotación.
El NAVSTAR-GPS (NAVigation System Time And Ranging-Global Positioning System) es un sistema de radiodeterminación desarrollado por el Departamento de Defensa (DOD) de los Estados Unidos. El sistema proporciona a los usuarios debidamente equipados información con alta precisión sobre posición, velocidad y tiempo (PTV). El GPS está diseñado para proporcionar servicio PTV a un número ilimitado de usuarios en cualquier parte sobre la superficie terrestre, mar, aire y espacio cercano.
Los sistemas de posicionamiento basados en el uso de satélites pueden dividirse en dos grandes grupos:
· Los que se configuran estrictamente como sistemas de radiodeterminación, en los que existen una estaciones centrales que emiten indiscriminadamente un conjunto de señales que analizará un receptor y le permitirán a éste obtener su posición o alguna información relativa a ella. A este grupo pertenecen los sistemas TRANSIT, NAVSTAR-GPS y GLONASS.
· Los que requieren comunicación bidireccional. En ellos, las estaciones centrales “interrogan” a los usuarios cuyos transmisores/receptores “contestan”. Sus respuestas son analizadas por las estaciones centrales quienes determinan la posición de los mismos y se la transmiten. A estos sistemas se les denomina RDSS (RadioDeter-mination Satellite Services). Dentro de este grupo están los sistemas GEOSTAR, STARFIX, EUTELTRACS, el servicio de posicionamiento INMARSAT-Standard-C y el sistema Argos.
Durante la década de los 60, la fuerza aérea de los Estados Unidos y la marina estadounidense estudiaron un variado grupo de sistemas de navegación por satélite, la marina patrocinó dos de esos programas: Transit y Timation.
· Transit empezó a operar en 1964. El sistema proporcionaba basándose en el desplazamiento Doppler, información en dos dimensiones, latitud y longitud. Su uso acabó el 31 de Diciembre de 1996.
· Timation también es un programa para proporcionar información en dos dimensiones, sin embargo está basado en la precisión temporal.
Mientras la marina estudiaba sistemas bidimensionales, la fuerza aérea conducía sus estudios hacia la un sistema de navegación en tres dimensiones (latitud, longitud y altitud) llamado 621B. Este sistema se basa en la repetición de secuencias digitales y ruido seudoaleatorio, que son pulsos binarios de unos y ceros que parecen aleatorios sin embargo se generan de forma totalmente predecible.
En 1973 el departamento de Defensa consolidó los programas Timation y 621B en un único sistema llamado NAVSTAR Global Positioning System (NAVSTAR-GPS).
Fases de desarrollo del GPS
En Diciembre de 1973 se aprueba la fase de validación – fase uno del programa GPS. Esta fase incluyó el estudio de los conceptos , realización del proyecto del sistema, y la total viabilidad del programa NAVSTAR. La fase uno se completó en 1979.
Consecuentemente empezó la fase dos e incluyó el desarrollo del equipamiento, incluyendo el desarrollo del equipamiento de usuario del GPS y el sistema de testeo. Esta fase continuó hasta 1985.
La fase tres de GPS empezó en 1985 con la producción del equipamiento del GPS y desarrollos del sistema más modernos destinados a completar la constelación de satélites, estación principal de control (MCS) y equipamiento avanzado de usuario.
Capacidad de operación
La notificación de la capacidad de operación inicial fue declarada en Diciembre de 1983, en este periodo inicial la constelación de satélites del GPS podría mantener los niveles requeridos de precisión y disponibilidad.
La capacidad de operación total define la situación en la que el sistema proporciona toda su capacidad. El NAVSTAR GPS fue declarado totalmente operativo el 17 de julio de 1995, cuando 24 satélites (tipos block II/IIA) estuvieron en sus órbitas asignadas y la constelación de satélites fue testeada con éxito. Tres de los 24 satélites que están en órbita, son de reserva, están libres y pueden recolocarse fácilmente para reemplazar algún satélite defectuoso. La declaración de la capacidad de operación total significa que el GPS ha conseguido todos los requerimientos previamente pedidos.
Arquitectura del sistema GPS
El sistema GPS se descompone en tres segmentos básicos:
Segmento
Espacial: Es una
constelación de satélites en órbitas semisíncronas alrededor de la Tierra. El
contingente total de satélites GPS está en seis planos orbitales, con tres o
cuatro satélites en cada plano. Para conseguir la capacidad de operación
completa se requieren 24 satélites en la constelación, aunque puede haber
satélites.
Segmento de
Control: Consta de
cinco estaciones monitoras encargadas de mantener en órbita los satélites y
supervisar su correcto funcionamiento, tres antenas terrestres que envían a los
satélites las señales que deben transmitir y una estación experta de supervisión
de todas las operaciones, por la tanto podemos decir, que este segmento el
cerebro del sistema, cuya misión es el seguimiento y control de los satélites ,
así como el cálculo de los datos sobre el movimiento del satélite y su posterior
transmisión a los usuarios a través de los propios satélites
Segmento de
los Usuarios: Es el
consumidor final del GPS y consiste en una variedad de receptores/procesadores
diseñados para recibir o sintonizar la señal emitida por los satélites,
decodificar el mensaje de navegación, medir los tiempos de retardo y procesar
los códigos y mensajes de navegación que envía el satélite GPS. Esta formado
por las antenas y los receptores pasivos situados en tierra. Los receptores, a
partir de los mensajes que provienen de cada satélite visible, calculan
distancias y proporcionan una estimación de posición y tiempo
Principios de funcionamiento del sistema GPS
El sistema GPS tiene por objetivo calcular la posición de un punto cualquiera en un espacio de coordenadas (x,y,z) , partiendo del cálculo de las distancias del punto a un mínimo de tres satélites cuya localización es conocida. La distancia entre el usuario (receptor GPS) y un satélite se mide multiplicando el tiempo de vuelo de la señal emitida desde el satélite por su velocidad de propagación. Para medir el tiempo de vuelo de la señal de radio es necesario que los relojes de los satélites y de los receptores estén sincronizados, pues deben generar simultáneamente el mismo código. Ahora bien, mientras los relojes de los satélites son muy precisos los de los receptores son osciladores de cuarzo de bajo coste y por tanto imprecisos. Las distancias con errores debidos al sincronismo se denominan pseudodistancias. La desviación en los relojes de los receptores añade una incógnita más que hace necesario un mínimo de cuatro satélites para estimar correctamente las posiciones.
En el cálculo de las pseudodistancias hay que tener en cuenta que las señales GPS son muy débiles y se hallan inmersas en el ruido de fondo inherente al planeta en la banda de radio. Este ruido natural está formado por una serie de pulsos aleatorios, lo que motiva la generación de un código pseudo-aleatorio artificial por los receptores GPS como patrón de fluctuaciones. En cada instante un satélite transmite una señal con el mismo patrón que la serie pseudo-aleatoria generada por el receptor. En base a esta sincronización, el receptor calcula la distancia realizando un desplazamiento temporal de su código pseudo-aleatorio hasta lograr la coincidencia con el código recibido; este desplazamiento corresponde al tiempo de vuelo de la señal (Fig. 3). Este proceso se realiza de forma automática, continua e instantánea en cada receptor.
La utilización de estos códigos pseudo-aleatorios permite el control de acceso al sistema de satélites, de forma que en situaciones conflictivas se podría cambiar el código, obligando a todos los satélites a utilizar una banda de frecuencia única sin interferencias pues cada satélite posee un código GPS propio.
Aunque la velocidad de los satélites es elevada (4 Km./s), la posición instantánea de los mismos puede estimarse con un error inferior a varios metros en base a una predicción sobre las posiciones anteriores en un período de 24 a 48 horas. Las estaciones terrestres revisan periódicamente los relojes atómicos de los satélites, dos de cesio y dos de rubidio, enviando las efemérides1 y las correcciones de los relojes, ya que la precisión de los relojes y la estabilidad de la trayectoria de los satélites son claves en el funcionamiento del sistema GPS.
Cadenas de Código GPS
Las señales de radio transmitidas por el GPS son moduladas por un código pseudoaleatorio en banda L. El GPS utiliza los códigos C/A y P, que son cadenas de bits pseudoaleatorias generadas en el reloj de abordo.
Se utilizan códigos Gold, que son unos códigos con unas buenas propiedades de autocorrelación:
El código C/A
(Coarse/Acquisition),
se obtiene multiplicando dos códigos de longitud 1023 bits con frecuencia de
reloj 1.023 MHz, utilizado por los usuarios civiles
El código P
(Precision Code),
se obtiene multiplicando dos códigos de 15.345.000 y 15.345.037 bits de
longitud. En este caso la frecuencia de reloj es de 10.23 MHz de uso militar,
con una frecuencia 10 veces superior al código C/A.
El código Y,
que se envía encriptado en lugar del código P cuando está activo el modo de
operación antiengaños2.
Frecuencia portadora L1, a 1575.42 MHz., transmite los códigos C/A y P.
Frecuencia portadora L2, a 1227.60 MHz., transmite información militar modulada en código P
El código se repite cada 37 semanas, por lo que se asignan secuencias semanales distintas a cada satélite. Los códigos se inicializan una vez por semana en la medianoche del sábado al domingo.
Cada satélite emite señales de radio mediante técnicas de espectro ensanchado, a dos frecuencias diferentes:
-f1= 1575.42 MHz
-f2=1227.60 MHz
En la figura se ve la señal que iría en la banda L1 (1575.42 MHz). En la banda L2 (1227.60 MHz) sólo se transmitiría la señal modulada por el código P.
Ambas portadoras serán moduladas por códigos binarios.
El mensaje se transmite a una velocidad de 50 bits/seg y tarda 12.5 minutos en transmitirse. Contiene 25 tramas, cada una de las cuales está constituida por cinco subtramas de 30 segundos, cada una de las cuales incluye 5 subtramas de 6 segundos formadas por 10 palabras de 30 bits.
Niveles de Servicio GPS
El sistema GPS proporciona dos niveles diferentes de servicio que separan el uso civil del militar:
Servicio de
Posicionamiento Estándar (SPS, Standard Positioning Service). Precisión
normal de posicionamiento civil obtenida con la utilización del código C/A de
frecuencia simple.
Servicio de
Posicionamiento Preciso (PPS, Precise Positioning Service). Este
posicionamiento dinámico es el de mayor precisión, basado en el código P de
frecuencia dual, y solo está accesible para los usuarios autorizados.
Los aparatos GPS se valen de una red de 24 satélites que orbitan a 20.000 kilómetros de la Tierra distribuidos en 6 órbitas, por lo que siempre pueden verse al menos 8 satélites desde casi cualquier punto terrestre.
El receptor GPS mide su distancia con los satélites calculando el tiempo que la señal tarda en llegar desde el satélite hasta receptor, y así determina su posición.
Con tomar las señales de tres satélites es suficiente para que un aparato GPS pueda triangular las señales y así calcular su posición exacta. Sin embargo, los GPS toman señales de cuatro satélites; tres para determinar el lugar y el cuarto, para calcular el tiempo exacto de viaje que tienen éstas.
Por una cuestión de seguridad, el Departamento de Defensa de Estados Unidos intencionalmente interfiere en la exactitud de los datos proporcionados, como una forma de asegurarse que ninguna fuerza terrorista se valga del GPS. El margen de error que puede tener la información recibida varía entre los 3 y los 15 metros.
El uso de los aparatos GPS es bastante simple. Desde que se encienden, los equipos se conectan automáticamente con los satélites. A partir de ahí, el usuario puede marcar en el mapa que aparece en pantalla el punto donde se encuentra y establecer puntos a medida que realiza su viaje (waypoints).
En Estados Unidos y Europa, muchos autos ya cuentan con sistemas GPS incorporados de fábrica. En la Argentina, Renault lanzó al mercado en 2004 una versión del modelo Clio con GPS que contaba con el software Movimap (desarrollado por la empresa argentina Movilogic), que también está disponible para Palm.
Más allá del sueño, cada vez más real, de los autos que pueden llevarnos a destino y detectar la mejor ruta por sí mismos, los GPS tienen otras aplicaciones: en náutica, campo y deportes como el trekking o el escalamiento de montañas.
El servicio Básico de GPS proporciona un error no mayor de 100 metros en la determinación de la posición, y puede reducirse en determinados casos hasta un mínimo de 10-15 metros.
Para lograr esto, cada uno de los 24 satélites emite una señal a los receptores en tierra. El sistema determina la localización al computar la diferencia entre el tiempo que tarda la señal desde su emisión hasta su recepción. Los satélites GPS llevan consigo relojes atómicos que proveen información precisa en cuanto al tiempo transcurrido. Una "señal de tiempo" (esto es, una marca del instante en que se envió el mensaje desde orbita) es incluida en los mensajes de GPS para que los receptores sepan cuando se envió la señal.
Como funciona el sistema GPS:
- TRIANGULACIÓN: La base del GPS es la "triangulación" desde los satélites
- DISTANCIAS: Para "triangular", el receptor de GPS mide distancias utilizando el tiempo de viaje de señales de radio.
- TIEMPO: Para medir el tiempo de viaje de estas señales, el GPS necesita un control muy estricto del tiempo y lo logra con ciertos trucos.
- POSICIÓN: Además de la distancia, el GPS necesita conocer exactamente donde se encuentran los satélites en el espacio. Orbitas de mucha altura y cuidadoso monitoreo, le permiten hacerlo.
- CORRECCIÓN: Finalmente el GPS debe corregir cualquier demora en el tiempo de viaje de la señal que esta pueda sufrir mientras atraviesa la atmósfera.
El Sistema de Posicionamiento Global (GPS) puede utilizarse para determinar posiciones y velocidades tanto en la Tierra como en el espacio. La tecnología de GPS tiene, por tanto, multitud de usos o aplicaciones.
Se puede aplicar en:
La utilización de los satélites de la constelación NAVSTAR con técnicas GPS ha abierto en las Ciencias Geográficas un inmenso abanico de posibilidades, al permitir situar puntos, con grandes precisiones, en aplicaciones geodésicas y topográficas, y precisiones ampliamente satisfactorias para navegación en tiempo real por tierra, mar y aire.
Hay dos tipos de receptores a considerar:
los expeditos,
pequeños y ligeros, que observan en posicionamiento absoluto.
los topográficos,
mayores, que exigen un estacionamiento más preciso, observando en
posicionamiento relativo.
Entre las principales aplicaciones de los Sistemas GPS se encuentran en las siguientes áreas:
Geodinámica:
Se usa para determinar la formación de la corteza terrestre a nivel local.
Topografía:
Apoyo fotogramétrico con excelente rendimiento en cualquier tipo de terreno.
Obras civiles:
permite establecer bases de replanteo de alta precisión en obras lineales de
largo recorrido, tales como carreteras, ferrocarriles, etc, y de grandes obras
de ingeniería como túneles, puentes, presas. También la determinación de redes
eléctricas, telefónicas, de conducción de aguas.
Hidrografía:
facilita la localización de obras hidráulicas en obras hidrográficas, el estudio
de la evolución fluvial.
Navegación:
permite la situación instantánea y contínua de cualquier vehículo sobre una
cartografía digital. También permite la navegación precisa en tiempo real así
como la disponibilidad instantánea de la dirección, velocidad y aceleración de
los barcos y el guiado de los mismos.
Defensa civil:
puede obtener una
inmediata localización y delimitación en zonas afectadas por grandes desastres,
además se localizan los vehículos de auxilio y servicio.
En carretera:
permite disponer de un mapa digital de toda la red viaria.
Militar: Hay
que destacar el Guaido de misiles y el apuntamiento de Artillería
Navegación aérea
: vuelo libre y los sistemas de aterrizaje en situaciones diversas
La Disponibilidad Selectiva (S/A en su acrónimo inglés) es una degradación intencionada de la señal GPS con el fin de evitar la excesiva precisión de los receptores GPS comerciales modernos.
Con objeto de impedir que el sistema fuese utilizado con fines no pacíficos por enemigos de los EE.UU. (guiado de misiles fundamentalmente) el Departamento de Defensa estadounidense, encargado de su mantenimiento y precisión, optó por degradar intencionadamente la señal que emiten los satélites de la constelación NAVSTAR. Esto se llevó a cabo de dos maneras:
Haciendo oscilar el
reloj del satélite.
Truncando los datos
enviados por las
efemérides
(senda y órbita de un satélite)
Con ellos se conseguía limitar la precisión horizontal a unos valores de entre 15-100 metros y 156 metros en la vertical en los modelos civiles, no viéndose afectado a los receptores militares de EUA y sus aliados al poder decodificar este error.
Tal situación ocurrió, por ejemplo, durante la Primera Guerra del Golfo Pérsico en 1992, cuando la precisión de los receptores GPS civiles disminuyó sustancialmente, viéndose afectadas numerosas actividades que hacían uso de esta señal.
El desarrollo de nuevas técnicas que corregían estos desfases (uso combinado del sistema NAVSTAR estadounidense y el GLONASS ruso, este último sin recortes en la precisión), la concepción de nuevos Sistemas Globales de Navegación por Satélite (EGNOS/WAAS/MSAS, el Galileo europeo, etc.) y la dependencia cada vez mayor del GPS por parte de la población civil hizo que la Disponibilidad Selectiva fuese eliminada el 2 de mayo de 2000 por el presidente Bill Clinton.