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y Aplicaciones del Sistema GPS |
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y Tipos de Receptores GPS (fijos y portátiles), marcas
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Diferencial (DGPS) |
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Ventajas, Desventjas y Limitaciones Sistemas GPS La localización - determinar una posición- y la navegación - obtener una posición a partir de la anterior- siempre han sido tareas cruciales para las actividades del ser humano a través de la historia, y estos métodos han sido siempre complicados. ¿QUÉ ES EL GPS?El sistema GPS (Global Positioning System) o Sistema de Posicionamiento Global es un sistema de posicionamiento terrestre, la posición la calculan los receptores GPS gracias a la información recibida desde satélites en órbita alrededor de la Tierra. Consiste en una red de 24 satélites, propiedad del Gobierno de los Estados Unidos de América y gestionada por el Departamento de Defensa, que proporciona un servicio de posicionamiento para todo el globo terrestre. Esto es, a grandes rasgos, el sistema GPS. A partir de esto, los receptores GPS reciben esos datos que, una vez procesados, nos muestran en el equipo
Ventajas que Ofrecido por el Sistema GPS Las ventajas del sistema GPS se pueden agrupar en unos pocos puntos:
El sistema GPS es capaz de precisiones asombrosas: en teoría se podría conocer la situación con un error de 3 cm mediante técnicas de enganche en fase. Para vehículos estas técnicas son complejas de conseguir, por lo que se usa el método "estándar" de enganche al código transmitido; de esta manera se podrían conseguir precisiones de 3 metros . La generalización del acceso a esta precisión supone un compromiso para la seguridad nacional, por lo que se procedió a modificar el sistema en varios aspectos. Para adaptar el sistema GPS a los usuarios civiles se crearon dos tipos de servicio:
La diferencia entre ambos es que el SPS permite 10 veces menor precisión y fiabilidad que el PPS. Ésta limitación es inherente al sistema. Las primeras pruebas demostraron que el sistema era mejor de lo que se diseñó en un principio, por lo que se decidió empeorar las características de forma premeditada transmitiendo información falsa desde los satélites para permitir una precisión en el servicio SPS de unos 100 metros el 90% del tiempo, lo que es suficiente para navegación pero no para dirección de armas.
VENTAJAS DEL GPS RESPECTO A LOS SISTEMAS HABITUALES DE ORIENTACIÓN En síntesis, podemos entender el GPS como un sistema que nos facilita nuestra posición en la Tierra y nuestra altitud, con una precisión casi exacta, incluso en condiciones meteorológicas muy adversas.
Además, todos los GPS's incorporan funciones de navegación realmente sofisticadas que nos harán cambiar nuestro concepto de la orientación. Por ejemplo, podemos elaborar nuestras rutas sobre mapas, registrando en el dispositivo los puntos por los que queremos, o debemos pasar y, sobre el terreno, activando esa ruta, una pantalla gráfica nos indicará si estamos sobre el rumbo correcto o nos estamos desviando en alguna dirección; o utilizar la misma función en rutas reversibles, es decir, ir registrando puntos por lo que vamos pasando para luego poder volver por esos mismos puntos con seguridad. Con todos estos datos, además podemos deducir la velocidad a la que nos estamos desplazando con exactitud, mientras mantenemos nuestro rumbo en línea recta, o deducir la velocidad a la que nos hemos desplazado si registramos todos los puntos de cambio de rumbo y un largo etc. de funciones muy útiles e interesantes que podemos ir descubriendo al utilizar estos dispositivos Los orígenes de WAAS ( Wide Area Augmentation System ) La administración federal de la aviación (FAA) y el departamento del transporte están desarrollando el programa de WAAS para el uso en acercamientos del vuelo de la precisión. Actualmente, el GPS solamente no resuelve los requisitos de la navegación del FAA para la exactitud, la integridad y la disponibilidad. WAAS corrige para los errores de la señal del GPS causados por disturbios ionosféricos, la sincronización y errores basados en los satélites de la órbita y proporciona la información vital de la integridad con respecto a la salud de cada satélite del GPS. Aunque WAAS todavía no se ha aprobado para la aviación, el sistema está disponible para el uso civil, por ejemplo para navegantes y usuarios recreacionales del GPS. Cómo trabaja WAAS consiste en aproximadamente 25 estaciones de tierra de la referencia colocadas a través de los Estados Unidos que supervisan datos del satélite del GPS. Dos estaciones principales, situadas en cualquier costa, recogen datos de las estaciones de la referencia y crean un mensaje de la corrección del GPS. Esta corrección considera órbita basada en los satélites del GPS y la deriva del reloj más señal retrasa causado por la atmósfera y el ionosfera. El mensaje diferenciado corregido es entonces difusión con uno de dos satélites geoestacionarios, o de satélites con una posición fija sobre el ecuador. La información es compatible con la estructura básica de la señal del GPS, que significa cualquier receptor WAAS-permitido del GPS puede leer la señal.
Quién beneficia de WAAS? Actualmente, la cobertura basada en los satélites de WAAS está solamente disponible en Norteamérica. No hay estaciones de la referencia de la tierra en América del sur, así que aunque los usuarios del GPS allí pueden recibir WAAS, la señal no se ha corregido y no mejoraría así la exactitud de su unidad. Para algunos usuarios en los ESTADOS UNIDOS, la posición de los satélites sobre el ecuador hace difícil de recibir las señales cuando los árboles o las montañas obstruyen la vista del horizonte. La recepción de la señal de WAAS es ideal para la tierra abierta y los usos marinas. WAAS proporciona la cobertura extendida interior y costa afuera comparada al sistema land-based de DGPS (diferencial GPS). Otra ventaja de WAAS es que no requiere el equipo de recepción adicional mientras que DGPS . Otros gobiernos están desarrollando sistemas diferenciados satellite-based similares. En Asia, es el sistema basado en los satélites de funcionamientos múltiples japonés del aumento (MSAS), mientras que Europa tiene el servicio geoestacionario euro del recubrimiento de la navegación (EGNOS). Eventual, los usuarios del GPS alrededor del mundo tendrán acceso a los datos exactos de la posición usando éstos y otros sistemas compatibles.
Desventaja Sistema GPS Unas de las desventajas de los GPS se expresa el producto de dos magnitudes, a saber: • UERE : Es el error equivalente en distancia al usuario, se define como un vector sobre la línea vista entre el satélite y el usuario resultado de proyectar sobre ella todos los errores del sistema. • Este error es equivalente para todos los satélites. • Se trata de un error cuadrático medio.
• DOP (Dilution Of Precision): Depende de la geometría de los satélites en el momento del cálculo de la posición. No es lo mismo que los 4 satélites estén muy separados (mejor precisión) que los satélites están más próximos (menor precisión). El DOP se divide en varios términos: • GDOP (Geometric DOP), suministra una incertidumbre como consecuencia de la posición geométrica de los satélites y de la precisión temporal. • PDOP (Position DOP), incertidumbre en la posición debida únicamente a la posición geométrica de los satélites. • HDOP (Horizontal DOP), incertidumbre en la posición horizontal que se nos da del usuario. • VDOP (Vertical DOP), suministra una información sobre la incertidumbre en la posición vertical del usuario.
Las principales fuentes de error son las siguientes: • Error en el cálculo de la posición del satélite. • Inestabilidad del reloj del satélite. • Propagación anormal de la señal (velocidad de propagación no es constante). Estos errores se corrigen a través de diferentes modelos que son transmitidos en el mensaje de navegación a los usuarios. Veremos como es el ruido del receptor el que se convierte en una de las principales fuentes de error del sistema.
Error en el cálculo de la posición de los satélites Los satélites se desvían de las órbitas calculadas por diferentes razones, entre estas podemos citar: • Por la variación del campo gravitatorio. • Debido a variaciones en la presión de la radiación solar. • Debido a la fricción del satélite con moléculas libres. Se ha estimado que las efemérides calculan la posición de los satélites con una precisión de 20 metros . Para disminuir (e incluso evitar) esta fuente de error se han construido varios algoritmos basados en datos experimentales (empíricos), los coeficientes de estos algoritmos se transmiten al usuario a través del mensaje de navegación para que se reduzca el error debido a esta fuente de error.
Errores debidos a inestabilidades del reloj del satélite Los satélites emplean relojes atómicos muy precisos, pero con el paso del tiempo pueden presentar alguna deriva. En el mensaje de navegación uno de los parámetros que se enviaban era el estado del reloj del satélite para tener controlado su funcionamiento. Debido a que el satélite está situado en un campo gravitatorio más débil se produce un adelanto del reloj y como consecuencia de la mayor velocidad que lleva el satélite se produce un retraso del reloj. Sobre estos dos efectos predomina el adelanto, por esto se diseñan para que en la superficie terrestre atrasen y al ponerlos en órbita funcionen bien, pero no se consigue totalmente debido a efectos relativistas. Todos los coeficientes se envían al usuario a través del mensaje de navegación y así la corrección de esta fuente de error es casi total. Errores debidos a la propagación de la señal Hemos supuesto que la velocidad de propagación de la señal es constante, pero esto no es cierto. Especialmente cuando la señal se transmite por la ionosfera y la troposfera. Por tanto las distancias medidas no son las distancias reales.
Errores debidos a la atmósfera:
Los satélites GPS envían la información a través de ondas electromagnéticas. La luz sólo se transmite a una velocidad constante en el vacío, en el mundo real la velocidad de estas ondas se ve afectada por las distintas capas de la atmósfera que debe atravesar hasta llegar a nuestros receptores. Así pues, las partículas cargadas de la ionosfera y el vapor de agua de la atmósfera producen un retardo en la señal. Como la velocidad de propagación de la señal es crítica para calcular la distancia este retardo se traduce en un error en la posición calculada. Algunos receptores añaden un factor de corrección suponiendo un tránsito típico por la atmósfera terrestre. Esto es una ayuda pero no es definitivo ya que la atmósfera varía según nuestra posición y de un momento a otro, por tanto, ningún modelo atmosférico puede compensar con precisión el retraso real. Este error sólo puede ser calculado con precisión por los equipos profesionales bifrecuencia.
Error multisenda: Una vez que las ondas emitidas por los satélites han atravesado la atmósfera todavía no están libres de perturbaciones. El efecto multisenda o multipath es causado principalmente por múltiples reflexiones de la señal emitida por el satélite en superficies cercanas al receptor. El nombre se debe a que efectivamente el receptor recibe la señal por varias sendas. Primero la antena recibe la señal directa y posteriormente las señales reflejadas. Estas señales reflejadas pueden interferir la señal directa produciendo ruidos en la recepción. Los buenos receptores incorporan software que evita que el GPS reciba las radiaciones con ángulos no procedentes del espacio La principal desventaja del este último era la no disponibilidad de satélites las 24 horas del día.
LIMITACIONES DEL GPS. El GPS es, sin duda, el más sencillo y preciso sistema de navegación disponible en la actualidad, sin embargo no debe ser el único instrumento de navegación de un vehículo, ya que además poder estropearse, el departamento de defensa de USA puede y ya lo ha hecho en alguna ocasión interrumpir, modificar o degradar las señales cuando lo considere oportuno. Las señales emitidas por los satélites se comportan, en cierto modo como la luz, ya que pueden traspasar el cristal y el plástico, sin embargo no pasan a través de montañas, túneles, edificios, superficies metálicas o estructuras similares. La antena de los receptores debe estar orientada de forma que tenga "acceso visual" a los satélites. En el modo navegación, un receptor GPS indica la distancia que falta para alcanzar un punto de destino en línea recta. Hay que tener en cuenta que en la tierra es prácticamente imposible, incluso en el desierto, seguir una trayectoria recta por largos periodos ya que los accidentes orográficos obligan a variar la dirección con frecuencia. Actualmente hay dificultad en su uso en ciudades con edificios altos.
Hay que destacar una limitación muy importante del sistema y es que si por alguna causa se pierde la conexión con el satélite, la cuenta de ciclos se rompe y es necesario volver a comenzar. No obstante mediante un ajuste polinómico en postprocesado es posible restablecer la cuenta original. |
Es muy importante entender que el cálculo de la posición y la altitud no se hace a partir de los datos de sensores analógicos de presión, humedad o temperatura (o una combinación de éstos) como en los altímetros o altímetros-barómetros analógicos, o incluso como en los más sofisticados altímetros digitales, sino que se hace a partir de los datos que nos envía una constelación de satélites en órbita que, a pesar de ser simples como satélites, nos proporcionan la fiabilidad de hacer uso de la tecnología más sofisticada y precisa de la que el hombre dispone actualmente. También debemos reparar en el hecho de que la evolución de ésos datos analógicos que, en efecto, nos van a ser muy útiles para prever los cambios atmosféricos y las condiciones ambientales para el desarrollo de la actividad que llevemos a cabo, son de una fiabilidad relativa para calcular nuestra posición y altitud exactas. 
