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Jul 17

Descripción del Sistema GPS

 
 Descripción del GPS (Global Positioning System)

 Introducción a los sistemas de radionavegación
 Ventajas de los sistemas de radionavegación espaciales

 Descripción del GPS
 Funcionamiento del GPS
 Triangulación conociendo la distancia a tres satélites
 Forma de medir la distancia respecto a un satélite
 Sincronización
 Sistemas de coordenadas
 Conocimiento de la posición de cada satélite

 Fundamentos técnicos del GPS
 La constelación de satélites GPS
 Señales utilizadas en el GPS
 Fuentes de error en el GPS
 Receptores GPS

 GPS diferencial
 Funcionamiento del GPS diferencial
 Fuentes de correcciones diferenciales
 Aplicaciones del GPS diferencial

 Aplicaciones del GPS

 

Introducción a los sistemas de radionavegación 

 

La navegación puede definirse como el conjunto de medios que permiten guiar a una nave de una determinada posición a otra. Así, el concepto de navegación no sólo se refiere a la determinación de una posición, sino también al establecimiento de un rumbo que nos permita llegar al destino deseado.

Los sistemas de navegación más empleados pueden englobarse en cinco categorías:

    • Pilotaje: consiste en fijar la posición de la nave respecto a marcas conocidas del terreno. Es el método más simple y antiguo de navegación.

 

    • Computación deductiva: se basa en la determinación de la posición mediante la extrapolación de una serie de mediciones de incrementos de velocidad. Este fue el método utilizado en 1927 por Charles Lindberg para cruzar el Atlántico en el famoso “Spirit of St. Louis“.

 

    • Navegación astronómica: es el método de computar la posición mediante observaciones de los astros de una forma precisa en el tiempo, utilizando instrumentos como el sextante y el cronómetro.

 

    • Navegación inercial: se basa en la utilización de acelerómetros integrados en plataformas giroscópicamente estabilizadas. Fue utilizado profusamente en los primeros años de la navegación submarina bajo las capas de hielo polares.

 

  • Navegación electrónica o radionavegación: se basa en la determinación de la posición de la nave midiendo el tiempo que tarda una onda electromagnética en viajar desde el transmisor hasta el receptor.

Las primeras experiencias de la Humanidad en el mundo de la navegación se remontan a tiempos inmemoriables. Los marineros de la Edad del Bronce, siguieron tortuosas rutas comerciales hacia Egipto y Creta. Herodoto describe cómo los Fenicios utilizaban la Estrella Polar para guiar sus navíos en peligrosos viajes. Los vikingos realizaron viajes esporádicos a través del Atlántico hacia asentamientos en Groenlandia y Norteamérica.

La aparición de la brújula magnética, cuyas primeras descripciones datan del siglo XII, se impuso a la utilización de los astros para determinar la dirección del norte. La determinación de la latitud se realizaba gracias a la ayuda del sextante, que permitía calcular la elevación de los astros. Ya en el siglo XVIII, el británico John Harrison desarrolló la navegación mediante cronómetros marinos, que infirió una mayor precisión en la determinación de la latitud, junto al uso del sextante.

Los sistemas de radionavegación propiamente dichos tuvieron su desarrollo más espectacular durante la Segunda Guerra Mundial, mediante el uso de transmisores terrestres que proporcionaban una fiabilidad razonable pero con áreas de cobertura limitadas. Los sistemas de radionavegación terrestres de mayor éxito han sido el Decca, el Omega y el Loran.

En los años más recientes, los científicos americanos y rusos han decidido desplazar los transmisores de radionavegación al espacio exterior, mediante el uso de satélites, aún a pesar del elevado coste que ésto supone: la construcción de un satélite de radionavegación y su puesta en órbita se cifra en unos 80 millones de dólares.

El sistema NAVSTAR GPS emplea satélites orbitales situados a 11.000 millas naúticas sobre la Tierra, proporcionando señales de navegación contínuas, precisas y fiables a multitud de usuarios de todo el mundo. El mantenimiento corre a cargo de presupuestos militares, pero las señales están disponibles gratuitamente para cualquier clase de usuarios civiles.

Los receptores NAVSTAR, muchos tan pequeños y compactos como calculadoras de bolsillo, se distribuyen a través de más de 50 empresas. Muchos de ellos son simples y fáciles de manejar, proporcionando una fiabilidad de entre 30 y 100 metros incluso en condiciones desfavorables. Los modelos civiles más baratos pueden adquirirse por unas 40.000 pesetas.

En la fig.1 se muestra un gráfico comparativo de la precisión de diversos sistemas de navegación. Como puede observarse, el GPS es el sistema más preciso desarrollado hasta la fecha (2001).


Fig.1. Comparativa de la precisión entre diversos sistemas de navegación.

 

  Ventajas de los sistemas de radionavegación espaciales

 

El diseño de sistemas de radionavegación basados en transmisores terrestres tiene dos alternativas fundamentales en lo referente a utilización frecuencial: el uso de frecuencias bajas posibilita la reflexión de las ondas en la ionosfera, lo cual permite extender el área de cobertura utilizando un número pequeño de transmisores (es el caso del sistema Omega). Sin embargo, este sistema no es muy preciso debido a que estas señales no pueden modularse con mucha información, dado su limitado ancho de banda, y a que la ionosfera sufre continuos cambios a lo largo del día. La otra opción es la utilización de frecuencias más altas, que permiten un mayor ancho de banda pero que tienen el inconveniente de no ser reflejadas en la ionosfera, lo cual les da un alcance meramente visual y por tanto requieren la utilización de centenares de transmisores basados en tierra y en plataformas marinas para conseguir una cobertura total del globo terrestre.

La solución a este dilema es la utilización de transmisores de alta frecuencia instalados en satélites (fig.2), que permiten cubrir sustanciales zonas del globo terráqueo atravesando la ionosfera desde fuera hacia adentro. Así pues, las dos ventajas fundamentales de los sitemas de radionavegación vía satélite son:

  • Utilización de frecuencias altas y de un ancho de banda elevado, que permite transmitir mayor cantidad de información.
  • Posibilidad de conseguir cobertura global con una reducida constelación de satélites.


Fig.2. Satélite G.P.S.

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Descripción del GPS 

 

El G.P.S. (Global Positioning System) es un sistema de radionavegación espacial desarrollado por el Departamento de Defensa de los EE.UU. a partir del año 1973. Las primeras señales de test fueron emitidas por un satélite de pruebas lanzado en junio de 1977. Con el primer grupo de satélites (Bloque I), el sistema completo fue testeado experimentalmente y refinado, al mismo tiempo que se construían las estaciones de seguimiento terrestres. Con los resultados de las pruebas surgieron los satélites del Bloque II (año 1989). El GPS comenzó a ser completamente funcional a partir de 1994 y se diseñaron los satélites más modernos del Bloque IIR, destinados a reemplazar a los del Bloque II. Los satélites GPS de última generación, actualmente en proceso de diseño, se denominan Bloque III.

Actualmente forman parte del sistema una constelación de 28 satélites operativos (fig.3) y sus correspondientes estaciones terrestres. En el segmento espacial, formado por los satélites y las estaciones de control, se utilizan lógicamente comunicaciones bidireccionales. No obstante, en el segmento terrestre los usuarios finales únicamente disponen de receptores, sin necesidad de transmitir datos de ningún tipo hacia el satélite. Esta es una gran ventaja de cara a la miniaturización de los equipos receptores de GPS.


Fig.3. Constelación de satélites G.P.S.

El segmento de control está formado por cinco estaciones monitoras, situadas en Hawaii, Kwajalein, la Isla Ascensión, Diego García y Colorado Springs; tres antenas terrestres, situadas en la Isla Ascensión, Diego García y Kwajalein, y una estación de control maestra (MCS, Master Control Station), ubicada en la Base Aérea de Schriever en Colorado (EE.UU.). Las estaciones monitoras realizan un seguimiento pasivo de los satélites, acumulando datos de telemetría que son procesados por la estación de control maestra, que a su vez se encarga de actualizar los datos de navegación que transmitirá cada satélite. La MCS envía estos datos a los satélites a través de las estaciones dotadas de antenas terrestres.

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Funcionamiento del GPS 

 

En este apartado se ofrece una breve descripción del los fundamentos del sistema GPS, comenzando con los aspectos funcionales y ofreciendo algunas explicaciones técnicas. El GPS se basa en cinco puntos fundamentales, que se describen a continuación:

 

  Triangulación conociendo la distancia a tres satélites

 

Como con cualquier otro sistema de radiolocalización, si calculamos la distancia a tres transmisores de posición conocida, podemos triangular nuestra posición en cualquier lugar de la Tierra.

Así pues, como primera premisa es necesario que nuestro receptor G.P.S. conozca la posición exacta de los satélites de la constelación.

Supongamos que tomamos nuestra distancia respecto a un satélite y resulta ser de 18.000 km. Desde el punto de vista del satélite, nuestra posición estará en algún punto de una esfera de 18000 km. de radio alrededor de él (fig.4).


Fig.4. El conocimiento de la distancia a un satélite nos ubica en algún punto de una esfera en torno a el mismo.

Ahora hacemos la misma medida de cara a otro satélite, y es de 17000 km. Por tanto, nuestra posición estará en la intersección de la anterior esfera y otra actual de radio 17000 km alrededor de este satélite. La intersección de ambas esferas es una circunferencia (fig.5), luego con dos mediciones nos ubicamos en algún punto de dicha circunferencia.


Fig.5. El conocimiento de la distancia a dos satélites nos ubica en algún punto de una circunferencia.

Si además hacemos la misma medida con respecto a un tercer satélite y resulta ser de 20000 km, por ejemplo, precisaremos nuestra posición a la intersección de las tres esferas (fig.6). La intersección de 3 esferas da lugar a dos puntos, de los cuales uno de ellos será una solución sin sentido para nuestro receptor. Como se verá más adelante, en la práctica es necesaria una medida adicional respecto a un cuarto satélite para precisar la posición.

 

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Fig.6. Triangulación utilizando tres satélites.

 

 

 

  Forma de medir la distancia respecto a un satélite

 

Como ha quedado de manifiesto en el apartado anterior, resulta fundamental conocer la distancia a los satélites con una precisión lo más exacta posible para evitar errores. Para ello, nos valemos de la medida del tiempo que le cuesta llegar a una señal desde el satélite hasta nuestro receptor.

Es decir, mediremos el tiempo de propagación de la señal electromagnética suponiendo que, idealmente, viaja a la velocidad de la luz.

Estos tiempos son muy cortos, de alrededor de 1/11 de segundo, así que se se hace necesaria la utilización de relojes de precisión. En los satélites es posible montar relojes atómicos de elevada precisión, pero los de los receptores terrestres forzosamente serán más imprecisos, luego la deriva del reloj será otro factor a tener en cuenta.

La medición del retardo se hace de la siguiente forma: cada satélite transmite una señal especial, denominada “código pseudoaleatorio”, que es distinta a la transmitida por el resto de satélites. El receptor terrestre incorpora un generador de señales pseudoaleatorias que se comparan con las señales recibidas, de forma que se pueda identificar al satélite transmisor. Una vez identificado, el tiempo que tarden en sincronizarse las señales transmitida por el satélite y generada por el receptor, será el tiempo de retardo de la señal entre el satélite y el receptor (fig.7). Conociendo la velocidad de la luz, se determina la distancia exacta al satélite.


Fig.7. Sincronización de las señales transmitida por el satélite y generada por el receptor.

 

  Sincronización

 

Como acabamos de ver, tanto el satélite como el receptor necesitan sincronizar perfectamente sus relojes pseudo-aleatorios. Si utilizáramos relojes atómicos, el coste de los receptores se elevaría muchísimo.

Así, los satélites utilizan relojes atómicos extremadamente precisos (dos de cesio y dos de rubidio, con un error de ±1 seg. cada 300.000 años y una precisión superior a 0.1 partes por billón), mientras que en los receptores GPS se emplean relojes más imperfectos de cuarzo. Esto hace que la sincronización sea dificil y que el receptor compute realmente una “pseudodistancia” a cada uno de los tres satélites, introduciéndose una nueva variable: el error del reloj. En total se tienen 4 incógnitas a determinar: longitud, latitud, altitud y error de reloj. Si se consigue sintonizar a un cuarto satélite, los datos proporcionados por éste harán que se tenga un sistema de 4 ecuaciones con 4 incógnitas que permiten al sistema de procesamiento del receptor determinar todas las variables buscadas, con la ayuda de los elementos orbitales transmitidos por cada satélite, que permiten al receptor determinar la posición de los mismos:

 

Satélite 1: (X1Ux)2 + (Y1Uy)2 + (Z1Uz)2 = (R1CB)2
Satélite 2: (X2Ux)2 + (Y2Uy)2 + (Z2Uz)2 = (R2CB)2
Satélite 3: (X3Ux)2 + (Y3Uy)2 + (Z3Uz)2 = (R3CB)2
Satélite 4: (X4Ux)2 + (Y4Uy)2 + (Z4Uz)2 = (R4CB)2

Incógnitas:

Ux , Uy , Uz Latitud, longitud, altitud del receptor.
CB error de sincronización de relojes.

Datos:

 

Xi , Yi , Zi Posición del satélite i, que el receptor determina resolviendo ecuaciones algebraicas y trigonométricas con los datos orbitales facilitados por el satélite en el instante de transmisión del pulso relevante.

 

Como puede observarse, la sincronización es la parte de mayor importancia en un sistema GPS, requiriéndose precisiones de varias billonésimas de segundo. Dado que las ondas electromagnéticas viajan aproximadamente a la velocidad de la luz, cada error de una billonésima de segundo en tiempo se traduciría en una imprecisión de por lo menos 1 pie en la localización del receptor.

Finalmente, reseñar que los receptores GPS computan la velocidad a partir de la variación de la posición respecto al tiempo, el desplazamiento Doppler de las frecuencias de transmisión de los satélites, o bien combinando ambos métodos.

 

  Sistemas de coordenadas

 

La posición determinada por el GPS está referenciada a un sistema de coordenadas denominado ECEF (Earth-Centered, Earth-Fixed). Se trata de un sistema de coordenadas que gira con la Tierra. En él, el plano XY se sitúa en el plano ecuatorial de la Tierra, hallándose el eje X en la dirección del meridiano de Greenwich y el eje X situado a 90º al Este del eje X. El eje Z es perpendicular al plano XY en la dirección del Polo Norte geográfico. El origen de coordenadas corresponde con el centro de masas de la Tierra, suponiendo ésta esférica (ver fig.8).


Fig.8. Sistema de cordenadas ECEF.

No obstante, es sabido que la Tierra no tiene forma esférica sino que presenta un “achatamiento” por los Polos, dándole más bien el aspecto de un elipsoide de revolución, modelo que resulta más exacto que el esférico. En este modelo, las secciones paralelas al Ecuador son circulares, mientras que las secciones perpendiculares al mismo y que contienen al eje de revolución son elipsoidales. Las dimensiones del elipsoide de referencia vienen completamente definidas por dos parámetros (fig.9):


Fig.9. Parámetros del elipsoide de referencia.

Estos parámetros pueden aparecer relacionados con otros, como la excentricidad (e, eccentricity) o la planitud (f, flattening), que vienen definidos de la siguiente forma:

Aunque existen numerosos modelos cuyas diferencias radican básicamente en la situación del centro de la Tierra y en las dimensiones del elipsoide, el modelo físico de la Tierra que emplean las aplicaciones GPS es el World Geodetic System de 1984 (WGS-84), caracterizado por los siguientes valores:

a = 6378137.000 metros
e2 = 0.00669437999014

Al conjunto formado por un sistema de coordenadas y un elipsoide de referencia se de denomina datum.

El siguiente paso es la conversión de coordenadas XYZ basadas en un sistema cartesiano como el descrito, a las coordenadas LLA (latitud-longitud-altura) con las que estamos comunmente familiarizados. En este proceso se ven implicadas complejas ecuaciones que normalmente son resueltas por el propio software de los recptores.

La representación sobre un mapa de las medidas realizadas con un GPS (y en coordenadas LLA) no presentarían mayor problema si no fuera porque los mapas actuales no emplean el elipsoide de referencia WGS-84. Ello se debe, además de a causas cronológicas, a que si bien este elipsoide es el que mejor representa la forma de la Tierra globalmente, no es el que mejor lo hace localmente. Este hecho da lugar a una importante conclusión: latitud, longitud y altura de un punto no son valores únicos, dependen del datum seleccionado. Así, por ejemplo, mientras en Europa occidental se emplea el European Datum de 1950 (ED 50), en Australia se emplea el Australian Geodetic Datum y en EE.UU. el North American Datum de 1983 (NAD 83). Este pequeño, en aparencia, detalle puede ser un grave problema, puesto que los errores cometidos pueden llegar a ser mayores que los asociados al propio método de navegación: errores de hasta 1.5 km dependiendo del lugar del mundo que se represente y en qué coordenadas, frente a la precisión del orden de metros del GPS.

Adicionalmente surge el problema de la proyección de las medidas tomadas en una superficie esférica o elipsoidal sobre una superficie plana como es un mapa. Aunque existen más de 250 proyecciones diferentes sobre un mapa, si la región en que se lleva a cabo la medida es suficientemente pequeña, el error introducido podrá considerarse despreciable (no así en áreas grandes). El problema de la proyección se resuelve matemáticamente mediante una transformación matricial.

Resumidamente y considerando que los ejes de rotación son los mismos entre diferentes sistemas (no siempre es así), los elipsoides diferirán en cinco parámetros: la posición del centro de coordenadas (determinada por tres coordenadas) y la longitud de los dos semiejes del elipsoide de referencia.

Para usuarios europeos, el proceso de conversión, en el que también se ven implicadas complejas ecuaciones, sería el reflejado en la fig.10. Es fundamental que los receptores realicen la conversión adecuada para el datum que se esté utilizando.

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Datum

 

D x

 

D y

 

D z

 

a

 

e2

 

WGS-84

0

0

0

6378137.000 m

0.00669437999014

 

ED 50

– 84 m

– 107 m

– 120 m

6378388.000 m

0.00672267002233

Fig.10. Conversión de datum GPS a datum europeo.

 

  Conocimiento de la posición de cada satélite

 

El Departamento de Defensa (DoD) de EE.UU. determinó las órbitas precisas para los satélites, de acuerdo con un plan general. Todos los receptores dispondrán de dicho plan (gracias a los mensajes de navegación) para conocer la posición exacta de cada satélite en todo momento.

Desde el control de misión, el DoD monitoriza constantemente la posición de los satélites utilizando radares precisos, determinando con precisión los denominados “errores de efemérides” debidos a la gravedad del Sol y la Luna, y a la presión de la radiación solar .

Una vez realizada esta monitorización, se transmite a cada satélite su posición exacta para que éste a su vez la incluya en sus señales de sincronización y en su código pseudo-aleatorio.

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Fundamentos técnicos del GPS 

 

Los fundamentos técnicos del sistema G.P.S. se basan en teoría avanzada de tratamiento de la señal. A continuación se ofrece una pequeña profundización en estos aspectos

 

 La constelación de satélites GPS

 

Los satélites de la constelación GPS, llamados NAVSTAR, navegan en 6 planos orbitales con una inclinación de 55º respecto al Ecuador, a una altitud de 10,898 millas náuticas, donde cada satélite tiene una zona de visión directa del 38% de la Tierra (fig.11). Las frecuencias utilizadas son de 1227.6 y 1575.42 MHz. La constelación completa consta de 28 satélites activos actualmente (año 2001). Tanto los satélites como el equipamiento de apoyo basado en tierra son financiados por el Departamento de Defensa de EE.UU., pero el servicio está disponible gratuitamente para cualquier usuario civil.


Fig.11. Planos orbitales de la constelación GPS (año 1998, 24 satélites).

Un receptor GPS, ya sea terrestre, marítimo o aéreo, capta las señales de cuatro o más satélites NAVSTAR de forma simultánea o secuencial, para determinar sus coordenadas de posición tridimensionales: longitud, latitud y altitud. Una cadena de pulsos binarios viaja desde el satélite hasta el receptor en un tiempo de alrededor de 1/11 de segundo. El receptor estima el tiempo de viaje de dicho tren de pulsos restando el tiempo registrado por su reloj del tiempo indicado por el satélite cuando transmitió el pulso relevante. El tiempo obtenido se multiplica por la velocidad de la luz para estimar la distancia al primer satélite.

 

 Señales utilizadas en el GPS

 

Cada satélite utiliza dos portadoras de microondas. La elevada frecuencia de las mismas permite la utilización de antenas pequeñas, lo cual las hace apropiadas para su instalación en equipos portátiles.

  • La portadora L1 se utiliza para transmitir la información de la posición.

  • La portadora L2 se emplea para medir los retardos de propagación atmosféricos.

Modulándolas, se transmiten tres tipos de códigos de datos (ver fig.12):

  • El código C/A (coarse acquisition), de precisión baja, se transmite por la portadora L1 y consiste en un código pseudoaleatorio, similar al ruido eléctrico, que se repite cada milisegundo. Como resultado del ensanchamiento del espectro al utilizar una señal moduladora de este tipo, el ancho de banda resultante es de 1 MHz. Cada satélite transmite un código distinto, lo cual permite distinguirlos. La utilización de este código se denomina Servicio de Posicionamiento Estándar (SPS, Standard Positioning System) y ofrece una precisión temporal de 340 nanosegundos y una exactitud en la precisión de la posición de 100 metros horizontalmente y 156 metros verticalmente.

  • El código P(Y), de precisión elevada, se utiliza para modular las fases de las dos portadoras L1 y L2 y tiene un periodo muy largo, de 7 días. Este código puede cifrarse y sólo está disponible para usuarios autorizados, permitiéndoles alcanzar los mayores grados de precisión en la determinación de su posición: 200 nanosegundos de precisión temporal, 22 metros en posición horizontal y 27.7 metros en posición vertical. La utilización de este código se denomina Servicio de Posicionamiento Preciso (PPS, Precise Positioning System).

  • Los datos de navegación se transmiten también por el canal L1. Consisten en información necesaria para el correcto funcionamiento del sistema, como los datos orbitales (efemérides) de los satélites, correcciones de reloj, modelos de corrección de errores de reloj y modelos de corrección de errores por propagación ionosférica y troposférica


Fig.12. Señales transmitidas dessde los satélites.

El receptor GPS de cada usuario genera réplicas de los códigos C/A y P que transmite cada satélite. Cuando “engancha” la señal de un satélite, realiza la correlación entre la señal interna y la señal recibida para determinar de qué satélite procede. Acto seguido, deshace el ensanchamiento del espectro y mediante un PLL procede a demodular los datos de navegación que el satélite transmite y a corregir la desviación de frecuencia producida por el efecto Doppler.

La combinación de las señales procedentes de cuatro o más satélites permite determinar la posición tridimensional al sistema de procesamiento del receptor, que finalmente presentará en pantalla datos sobre latitud, longitud y altitud geográficas.

 

 Fuentes de error en el GPS

 

En realidad, hay muchísimos problemas que pueden afectar a estos cálculos ideales que hemos visto. A continuación se describen las posibles fuentes de error que pueden afectar al sistema y la forma que tiene éste de corregirlos:

    • La principal fuente de error es intencionada y se denomina Disponibilidad Selectiva o SA (Selective Availability). Consiste en la contaminación de las señales de telemetría que utilizan los usuarios no privilegiados y sirve como mecanismo de defensa ante elementos no autorizados que pretendan utilizar el GPS como sistema hostil para los EE.UU. y sus países aliados. Concretamente, se manipulan los datos de posición orbital de los satélites y/o la frecuencia de reloj del satélite. Supone una degradación de la precisión de entre 30 y 100 metros. Otra forma de protección es la variación mediante cifrado del código P descrito anteriormente. El código P cifrado pasa a denominarse código Y y resulta prácticamente imposible de imitar por otro transmisor que pretenda hacerse pasar por un satélite GPS. Esta medida recibe el nombre de Anti-spoofing (A-S). La disponibilidad selectiva fue oficialmente suprimida el 1 de mayo de 2000, pero puede ser reactivada por el Departamento de Defensa de EE.UU. en cualquier momento.

 

    • Retardo de propagación en la atmósfera. Hasta ahora, habíamos utilizado la velocidad de la luz para los cálculos, pero ésta sólo es constante en el vacío. Una señal GPS atraviesa varias capas no homogéneas de la atmósfera, produciendo un retardo adicional al de sincronización: la ionosfera está llena de partículas cargadas y su distribución en tamaño y densidad de carga es variable en función del la radiación solar, las fluctuaciones del campo magnético terrestre y otros factores. La velocidad de propagación de las ondas de radio en la ionosfera es por tanto función de la frecuencia utilizada y el instante de tiempo en el que se produce la transmisión. Dado que la información del GPS se transmite a través de dos portadoras distintas, es posible realizar una medición del retardo diferencial de recepción entre ambas y modelar un algoritmo corrector del efecto ionosférico. Por otro lado, el vapor de agua de la troposfera también influye en la radiación electromagnética, introduciendo un error adicional más dificil de compensar.

 

    • Propagación multicamino. Igualmente, también puede haber errores debidos a reflexión de las señales en diversos obstáculos cercanos al receptor. La suma de las señales directa y reflejadas degrada la señal digital, lo cual obliga a la utilización de sistemas de corrección de errores “multipath“.

 

    • Errores de efemérides. Las posiciones oritales teóricas de los satélites pueden variar con el tiempo. Estos errores se denominan “errores de efemérides”, y se solucionan monitorizando constantemente cada satélite, como hemos visto antes, y transmitiendo las correcciones oportunas desde el control de misión. Además, pueden aparecer errores de reloj no corregidos por el sistema de control de errores. Todos ellos añaden una imprecisión de aproximadamente 1 metro en la determinación de la posición. Para corregir estos errores existen varios algoritmos basados en datos experimentales, cuyos coeficientes se transmiten a través del mensaje de navegación para que el receptor pueda utilizarlos.

 

  • Atenuación de precisión debida a posición. Estos errores se deben a la propia posición de los satélites: si el receptor sintoniza satélites cercanos entre sí, las esferas interferentes de las que hemos hablado se intersectan en ángulos muy agudos, lo cual hace aumentar el área de error de posición. Dado que el receptor del usuario conoce las efemérides de los satélites gracias a la demodulación del mensaje de navegación, es posible calcular qué combinación de satélites visibles proporciona la mejor geometría en un momento dado. Este cálculo se traduce en un valor denominado PDOP (Position Dilution of Precision). Dado que los satélites no son geoestacionarios, el PDOP es variable. Las mejores geometrías proporcionan valores de PDOP bajos, considerándose buenos los valores de entre 4 y 6. Las posiciones determinadas con valores de PDOP superiores a 6 pueden ser consideradas como susceptibles de error. La solución es tomar satélites más separados entre sí, cuyas esferas se intersecten en ángulos casi rectos (fig.13). Otro parámetro similar pero que incluye un factor para contabilizar errores en tiempo es el GDOP (Geometric Dilution of Precision).

  
Fig.13. Influencia del ángulo de visibilidad de los satélites.

  • El ruido puede afectar a determinadas señales, resultando en errores de unos 15 metros en la posición de cada satélite. No obstante, la utilización de técnicas de espectro ensanchado mediante códigos pseudoaleatorios hacen estos errores poco probables.

  • Los errores más graves, de incluso varias centenas de kilómetros, se deben a fallos electrónicos en alguna parte del sistema.

 

 Receptores GPS

 

Funcionalmente existen tres tipos de receptores GPS:

 

    • Receptores secuenciales o monocanal. Están dotados de un único canal radio y por tanto sólo pueden enganchar un satélite a la vez. Realizan un barrido secuencial entre 4 de todos los satélites visibles (los que ofrezcan mejor relación señal a ruido), parando al menos 1 segundo en cada canal disponible para recoger datos. El tiempo empleado en realizar el barrido secuencial introduce un pequeño error que hace que este tipo de receptores sean los más imprecisos, pero por otra parte los más baratos.

 

    • Receptores continuos o multicanal. El receptor está equipado con al menos 4 canales, que se utilizarán para sincronizar con las emisiones de otros tantos satélites de forma simultánea. Respecto a los anteriores, tienen la ventaja de realizar todas las medidas a la vez, lo cual reduce el error, y además de computar la posición de forma más rápida.

 

  • Receptores multiplexados. Se dispone de un único canal físico sobre el que se implementan varios canales lógicos por software, con los que se pueden sincronizar datos de todos los satélites visibles en un tiempo no superior a unos 20 milisegundos.

Cuando el receptor GPS de un usuario entra en funcionamiento, puede encontrarse en dos estados distintos:

 

    • Perdido. Los datos memorizados por el satélite (almanaque) la última vez que estuvo en funcionamiento tienen una fecha muy antigua. El receptor busca al satélite que le ofrezca una mejor relación señal a ruido y demodula su mensaje de navegación, consiguiendo de esta forma el almanaque y la referencia temporal. Esta situación puede llevar varios minutos.

 

  • Memorizado. El receptor comprueba que los datos que tenía almacenados en memoria son válidos y utiliza los mismos satélites que la última vez que fue empleado.

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GPS diferencial 

 

Para conseguir mayor precisión que el GPS normal, utilizaremos este sistema, capaz de realizar medidas con una precisión de alrededor de un par de metros en aplicaciones móviles, o incluso mejores en situaciones estacionarias. Con ello, el GPS se convierte en un sistema universal de medición con una granularidad muy fina.

 

 Funcionamiento del GPS diferencial

 

El GPS diferencial requiere la colaboración de 2 receptores, uno estacionario y otro el del propio usuario. El receptor estacionario es la clave porque sirve como referencia local y sólida de las diferentes mediciones. La ubicación geográfica del receptor estacionario es conocida a priori y con una precisión muy alta.

Si los dos receptores están cerca el uno del otro (en unos pocos cientos de km) las señales que les llegan a ambos han realizado el mismo recorrido a través de la atmósfera, así que, prácticamente, tendrán los mismos errores.

Por tanto, tendremos un receptor de referencia que mida los errores temporales y provea de la información de corrección a los receptores de los usuarios en su radio de alcance, eliminando todos los errores, incluso el de “Disponibilidad Selectiva”.

Para que dicho receptor corrija los errores temporales se pondrá en una localización que haya sido determinada con gran precisión y se fijará allí. Esta estación ataca estas ecuaciones del sistema descritas anteriormente “al revés”, es decir, utiliza su posición conocida para determinar el tiempo y así evaluar el error en las mediciones. Partiendo de este error, transmite las correcciones a los receptores de los usuarios a través de otro canal, por ejemplo de V-UHF (fig.14).


Fig.14. Funcionamiento del GPS diferencial.

 

 Fuentes de correcciones diferenciales

 

Hace años estas estaciones de referencia temporal del GPS eran establecidas por grandes compañías privadas. En la actualidad hay suficientes corporaciones públicas para conseguir estos servicios de forma gratuita.

A veces, en aplicaciones de tiempo real, estas estaciones transmiten sus correcciones vía radio al espacio circundante, de ahí que ahora los receptores se diseñen con radio incorporada.

En caso de que no ocurra así, para otras aplicaciones que requieran conservar todas sus medidas y el tiempo exacto de ellas, nos serviremos del GPS diferencial invertido. Con este sistema, a cada elemento concreto se le dota de un receptor GPS estándar, y un transmisor que envíe sus informaciones a una oficina de procesado, que estará dotada del correspondiente equipo para hacer las correcciones con el GPS diferencial.

 

 Aplicaciones del GPS diferencial

 

Se puede llegar a precisiones de milímetros en tiempo real con el GPS diferencial, por lo que sus aplicaciones son múltiples. Los mejor implementados actualmente son: métodos de interferometría, diseño de caminos y carreteras a partir de herramientas de CAD, aplicaciones del GPS aumentado, etc.

La Administración Federal de Aviación (FAA, Federal Aviation Administration) de EE.UU. está desarrollando un plan denominado WAAS o Sistema de Aumentación, que es básicamente un sistema de GPS diferencial con cobertura para todo el continente americano.

Hasta ahora, el proceso de captación de señales y transmisión desde las bases a un centro de datos puede llevar unos minutos, que pueden ser demasiado tiempo, por ejemplo, para el aterrizaje de un avión.

Pensando en estos casos, la FAA asentó su propio sistema de monitorización que responde mucho más rápido. En realidad, calcularon que con 24 receptores de referencia desperdigados a lo largo de todos los EEUU podrían obtener datos de corrección para todo el país, pues cada uno de ellos monitorizaría un satélite GPS.

Las especificaciones de este programa ya han sido aprobadas y están funcionando desde Enero de 1997 para agencias gubernamentales norteamericanas.

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Aplicaciones del GPS 

 

La tecnología GPS actualmente se ha convertido en un recurso cuya utilización supera con creces los objetivos para los que fue diseñada. El GPS ha pasado de tener un uso exclusivamente militar a convertirse en un instrumento de uso común que permite hacer muchos trabajos más seguros y productivos. Las aplicaciones principales del sistema son:

 

    • Localización o determinación básica de la posición.

 

    • Navegación o establecimiento de rutas entre puntos distintos.

 

    • Seguimiento o monitorización de los desplazamientos de personas u objetos.

 

    • Cartografía. El GPS se emplea en la creación de mapas de precisión.

 

  • Fuente de sincronismo con precisiones superiores al microsegundo.

La primera y más obvia aplicación del GPS es la determinación de una posición geográfica en cualquier punto del planeta y bajo cualquier tipo de condición atmosférica. La determinación de la posición exacta puede llegar a ser crítica, por ejemplo, en la localización de accidentes de cualquier tipo. Por otro lado, las aplicaciones científicas en el campo de la geodesia y la topografía son amplísimas: medición de la altitud del terreno, desplazamiento de glaciares, localización de yacimientos de petróleo y gas, y un largo etcétera.

El GPS ha sido diseñado para proporcionar datos sobre el rumbo que lleva cualquier receptor móvil, ya sea marítimo, aéreo o terrestre, asegurando que no se desvía de su ruta y optimizando la densidad del tráfico. Todo ello en redundancia de una mayor seguridad y menor consumo de combustible. El uso está tan extendido que incluso se utiliza en competiciones deportivas y en control de flotas de camiones de transporte o de autobuses urbanos.

La combinación de posicionamiento y rumbo conocidos puede aprovecharse para el control de flotas en combinación con el tradicional packet-radio, mediante el sistema APRS (Automatic Position Reporting System) utilizado en estaciones de radioaficionado.

Otro uso muy extendido es por supuesto el militar, siendo utilizado para el establecimiento de objetivos y el guiado de misiles.

Por otro lado, dada la elevada precisión de las señales emitidas por los satélites GPS, éstas también se utilizan como fuente de sincronismo para diversas redes telemáticas, como la propia Internet, mediante protocolos específicos como el NTP (Network Timing Protocol).

El receptor GPS puede interconectarse con otros sistemas electrónicos o informáticos como giróscopos, odómetros, detectores de movimiento, alarmas, etc.

El complemento ideal de un receptor GPS es sin duda el Sistema de Información Geográfica (GIS): un programa de ordenador que proporciona una base cartográfica digital sobre la que establecer posiciones y rumbos gracias a los datos facilitados por el GPS.

En definitiva, el actual abaratamiento y minimización del tamaño de los receptores hacen de esta tecnología algo cada vez más común y útil en nuestra sociedad.

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