Trabajo
realizado pro:
1. Principio de la Medida:
La idea principal de la determinación de la posición se basa en la
triangulación de los satélites. Para "triangular" un receptor GPS
calcula la distancia basándose en el tiempo de travesía de la señal a través de las capas de la atmósfera,
conociendo de antemano la velocidad de la luz. Para calcular el tiempo de
travesía, los receptores GPS necesitan calcular los tiempos en ambos relojes -
el del receptor y el del satélite - de una manera muy precisa, lo cual se
realiza con algunos trucos. Además de la distancia, se necesita saber donde
están los satélites en el espacio. Las altas órbitas y el minuciosos monitoreo
son el secreto. Finalmente se debe corregir cualquier retardo que experimenta
la señal al viajar a través de la atmósfera.
1. La base del GPS es la “triangulación” de satélites.
2.Para “Triangular”, un receptor de GPS mide distancia basándose en el tiempo
que duran en viajar las señales de radio.
3. Para medir estas señales, GPS es bien preciso al medir tiempo, lo que
adquiere mediante algunos trucos.
4. Además de la distancia, se necesita saber donde están exactamente los
satélites en el espacio. El secreto está en uso de órbitas altas y monitoreo
detallado.
5. Finalmente cualquier retardo que sufra la señal mientras viaja en la
atmósfera
debe ser corregido.
Aunque parezca improbable, la
idea general del GPS consiste en usar Satélites en el espacio como puntos de
referencia para ubicaciones aquí en la tierra. Usando tres satélites podemos
“triangular” nuestra posición cual sea en la tierra.
Técnica basada en la medida de los retardos temporales
Se podría pensar que calculando los retardos temporales entre 3 satélites y el
usuario ya se tendría la posición deseada (Xi,Yi,Zi), puesto que tres
esferoides que se cortan definen un punto. ¿Por qué son necesarios entonces 4
satélites si parece que basta con 3 para obtener la posición?.
La respuesta a esta pregunta es que, efectivamente, bastaría
con sólo 3 satélites para determinar la posición. Pero esto exige una precisión
muy buena y una gran estabilidad de los relojes, tanto del satélite como del
receptor. Si bien los satélites cumplen estas dos condiciones, pues incorporan
un reloj atómico (que son muy precisos y muy estables), este no es el caso de
los receptores puesto que su precio sería desorbitado.
La solución a este problema es introducir una nueva
incógnita en el sistema (además de las tres coordenadas espaciales del
receptor) debido a la deriva que existe entre el reloj del satélite y el reloj
del usuario. Y es por esto por lo que se necesita 4 satélites como mínimo, y no
3 como parecía en un principio.
2.
Mensaje de navegación:
El mensaje de navegación está constituido por los siguientes elementos:
v Efemérides.- (son los parámetros orbitales del satélite).
v Información del tiempo (horario) y estado del reloj del satélite.
v Modelo para corregir los errores del reloj del satélite.
v Modelo para corregir los errores producidos por la propagación en la
ionosfera y la troposfera.
v Información sobre el estado de salud del satélite.
v Almanaque, que consiste en información de los parámetros orbitales
(constelación de satélites).
Se transmite a un régimen binario de 50 bps y se tarda 12.5 min en enviarlo
completamente.
A diferencia del GPS, el GLONASS
emplea dos mensajes de navegación diferentes que van sumados en módulo 2 a los
códigos C/A y P respectivamente. Ambos mensajes de navegación son transmitidos
a 50 bps, y su función primaria es la de proporcionar información a cerca de
las efemérides de los satélites y la distribución de los canales.
La información contenida en las
efemérides permite al receptor GLONASS conocer exactamente la posición de cada
satélite en cada momento. Además de las efemérides, en el mensaje de navegación
hay otro tipo de información como :
1. Cronometraje de épocas.
2. Bits de sincronización.
3. Bits de corrección de errores.
4. Estado de salud del satélite.
5. Edad de los datos.
6. Bits de reserva.
También puede ser incluida información
que permita el uso de los sistemas GPS y GLONASS simultáneamente (offset entre
los sistemas de tiempos respectivos, diferencias entre los modelos WGS-84 y
PZ-90, etc...).
El mensaje de navegación C/A.
Cada satélite GLONASS
emite un mensaje de navegación C/A constituido por una trama que a su vez está
formada por 5 subtramas. Cada subtrama contiene 15 palabras de 100 bits cada
una. Cada subtrama tarda 15 segundos en ser emitida, por lo que una trama
completa es emitida cada 2.5 minutos.
Las tres primeras palabras de
cada subtrama contienen las efemérides propias del satélite, y llegan al
receptor cada 30 segundos. El resto de palabras contiene información de
efemérides aproximadas del resto de satélites de la constelación (almanaque). Cada
subtrama tiene la información del almanaque de 5 satélites, por lo que es
necesario leer todas las subtramas para conocer las efemérides aproximadas de
todos los satélites, lo que lleva 2.5 minutos. Mediante el almanaque, el
receptor puede localizar rápidamente los satélites más apropiados, captarlos y
leer sus efemérides exactas para proceder a realizar las medidas con toda
precisión.
Al igual que en GPS, las
efemérides tiene varias horas de validez, por lo que el receptor no necesita
estar leyendo continuamente el mensaje de navegación para calcular la posición
exacta.
El mensaje de navegación P.
No existen publicaciones
oficiales sobre el código P, pero diversas organizaciones e investigadores
individuales han estudiado este mensaje y han publicado sus resultados.
Cada satélite GLONASS emite una trama formada por 72 subtramas. Cada subtrama
contiene 5 palabras de 100 bits. Una subtrama tarda 10 segundos en ser emitida,
por lo que la trama completa tarda 12 minutos en ser emitida.
Las tres primeras palabras de
cada subtrama contiene las efemérides detalladas del propio satélite, por lo
que estas llegarán al receptor cada 10 segundos una vez establecida la
recepción. El resto de palabras contienen el almanaque de los demás satélites,
y es necesario leer las 72 subtramas para tener la información de todos los
satélites.
El mensaje de navegación C/A.
Cada satélite GLONASS emite un mensaje de navegación C/A constituido por una
trama que a su vez está formada por 5 subtramas. Cada subtrama contiene 15
palabras de 100 bits cada una. Cada subtrama tarda 15 segundos en ser emitida,
por lo que una trama completa es emitida cada 2.5 minutos.
Las tres primeras palabras de
cada subtrama contienen las efemérides propias del satélite, y llegan al
receptor cada 30 segundos. El resto de palabras contiene información de
efemérides aproximadas del resto de satélites de la constelación (almanaque).
Cada subtrama tiene la información del almanaque de 5 satélites, por lo que es
necesario leer todas las subtramas para conocer las efemérides aproximadas de
todos los satélites, lo que lleva 2.5 minutos. Mediante el almanaque, el
receptor puede localizar rápidamente los satélites más apropiados, captarlos y
leer sus efemérides exactas para proceder a realizar las medidas con toda
precisión.
Al igual que en GPS, las efemérides tienen varias horas de validez, por lo que
el receptor no necesita estar leyendo continuamente el mensaje de navegación
para calcular la posición exacta.
Estructura del Mensaje de Navegación.-
El mensaje de navegación está compuesto
de 5 subtramas. Cada subtrama contiene 10 palabras de 30 bits (ver la figura).
Palabra/Subtrama 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
1 T H C C C C
2 T H E E E E E E E E
3 T H E E E E E E E E
4 p.18 T H I I I U U U
5 T H
Un frame de bit de datos consiste
en 1500 bits divididos en cinco tramos de 300 bits. Un tramo de datos se
transmite cada 30 segundos.
La palabra 1 de cada subtrama es
la “Palabra telemétrica” (T), la palabra 2 es “handover word” (H). La subtrama
de ésta página no contiene información realmente relevante. Las palabras 3 a la
10 contienen la información relevante.
La subtrama 1 contiene el número
de la semana GPS, SV acc. y salud, y los parámetros de corrección del reloj
(C).
Las subtramas 2 y 3 contienen el
parámetro de efemérides (E).
Los receptores deben programarse
para asociar cada número SV con las subtramas.
Las subtramas 4 y 5 contienen 25
páginas subconmutadas so información de todos los SV, (tales como parámetros
del almanaque, salud, etc.). La subtrama realmente importante es la 4, página
18; donde son dados los parámetros de corrección de la ionósfera (I), y los
parámetros de la hora GPS respecto a la UTC (U).
Un juego completo de 25 tramas
(125 subtramas) componen el mensaje de navegación que es enviado en un período
de 12.5 minutos.
Cuenta Doppler Integrada:
Cuando la fuente de ondas y el
observador están en movimiento relativo con respecto al medio material en el
cual la onda se propaga, la frecuencia de las ondas observadas es diferente de
la frecuencia de las ondas emitidas por la fuente. Este fenómeno recibe el
nombre de efecto Doppler en honor a su descubridor.
En primer lugar, se va a observar el fenómeno, y después se obtendrá la fórmula que relaciona la frecuencia de las ondas
observadas con la frecuencia de las ondas emitidas, la velocidad de propagación
de las ondas vs, la velocidad del emisor vE y la velocidad del observador vO.
Considerese que el emisor produce ondas de forma continua, pero
solamente se representarán los sucesivos frentes de ondas, circunferencias
centradas en el emisor, separados por un periodo, de un modo semejante a lo que
se puede observar en la experiencia en el laboratorio con la cubeta de ondas. Se fijará la velocidad de propagación del sonido en una unidad
vs=1, y que el periodo de las ondas sea también la unidad, P=1, de modo que los
sucesivos frentes de onda se desplazan una unidad de longitud en el tiempo de
un periodo, es decir, la longitud de las ondas emitidas es una unidad, l =vsP.
El observador en reposo. Empezamos por el caso más sencillo, en el que el
observador está en reposo, a la izquierda o a la derecha del emisor de ondas.
Vamos a estudiar diversas situaciones dependiendo de la velocidad del emisor.
El emisor está en reposo (vE=0). Se dibujan los sucesivos frentes de ondas que
son circunferencias separadas una longitud de onda, centradas en el emisor. El
radio de cada circunferencia es igual al producto de la velocidad de
propagación por el tiempo transcurrido desde que fue emitido.
3. Interpretación Geométrica y Matemática:
A partir de la observación del movimiento del emisor, del
observador y de los sucesivos frentes de onda, vamos a obtener la fórmula que
describe el efecto Doppler.
Supongase dos señales, que pueden corresponder a dos picos
consecutivos de una onda armónica, separados un periodo P. En el instante
inicial 0 en el que se emite la primer señal, el emisor y el observador están
separados una distancia d desconocida, que no afecta al fenómeno en
cuestión.
La primera señal es recibida por el observador en el
instante t. La primera señal se desplaza el camino marcado en trazo
grueso negro en la parte superior de la figura, desde que se emite hasta que se
recibe, podemos por tanto, escribir la ecuación:
vst=d+vOt
La segunda señal se emite en el instante P, y se recibe en
el instante t’. En el intervalo de tiempo entre la primera y la segunda señal,
el emisor se desplaza vEP. La segunda señal recorre desde que se emite hasta
que se recibe, el camino señalado en trazo grueso negro en la parte inferior de
la figura. Por tanto, se puede escribir la ecuación.
d-vEP+vOt’=vs(t’-P)
Eliminando la cantidad desconocida d entre las dos
ecuaciones, relacionamos el periodo P’=t’-t, de las ondas observadas,
con el periodo P de las ondas emitidas.
Teniendo en cuenta que la frecuencia es la inversa del periodo, se obtiene la
relación entre frecuencias, o fórmula del efecto Doppler.
4)
Obtención de situación
La función más esencial de un receptor de GPS es tomar la transmisión de al
menos cuatro satélites y combinar la información presente en esas transmisiones
con información presente en el almanaque electrónico, para poder
matemáticamente determinar la posición del receptor en la Tierra. La
información básica que provee un receptor es latitud, longitud y altitud (o un
tipo de medida similar) de su posición actual. Algunos receptores combinan
estos datos con otra información, como mapas, para convertir al receptor en un
aparato más amigable. Usted puede utilizar los mapas almacenados en la memoria
del receptor, conectarlo a una computadora que posee mapas más detallados o
simplemente comprar un mapa detallado de su área y utilizar el receptor para
trazar su ubicación.
Los geógrafos han cartografiado cada esquina de la Tierra,
así que puede encontrar mapas con el nivel de detalle que usted prefiera. Usted
puede confiar en el GPS como una forma extremadamente precisa de obtener datos
posicionales, que pueden ser aplicados a datos geográficos que se han acumulado
a través de los años. Los receptores de GPS son un excelente herramienta de
navegación, con aparentemente una cantidad interminable de aplicaciones!
5)
Exactitud de las situaciones
Se define el radio de la esfera o círculo (3D/2D) en la que estarán el 50% de
las medidas.
La precisión depende de dos parámetros
Exactitud en la determinación de las pseudodistancias.
Geometría de los satélites.
C/A (con disp select) P
3D -- 75.7 m 13.5 m
2D -- 43 m 7.7 m
Vertical 49.7 m 8.8 m
En cuanto a la precisión en la referencia temporal tenemos:
Sin disponibilidad selectiva: 50 ~ 100 ns
Con disponibilidad selectiva: 300 ns
Como se pudo observar, la exactitud depende principalmente
del número de satélites disponibles y la geometría de estos satélites. Existen
receptores de GPS muy sofisticados y caros, (mas de U$S 50.000), que pueden
proporcionar exactitudes dentro de un centímetro usando más de una frecuencia
de GPS. Sin embargo, un GPS de uso particular puede tener una exactitud entre 3
y 6 metros, que para el uso en 4 x 4 es bastante preciso.
6) Fuentes de error
Errores
debidos a la determinación de la posición exacta 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 radiacción 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 envian 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
Se ha 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.
El efecto más importante se produce en la propagación por la
ionosfera, este puede llegar a ser de hasta 100 metros. Para corregir este
error los receptores civiles (códigos C/A y 1 sola frecuencia) usan modelos
empíricos caracterizados por parámetros dependientes de la hora, latitud,
estación... Todos estos parámetros se transmiten en el mensaje de navegación.
Para los receptores militares (que usan las dos frecuencias) el método para
corregir este error es más eficaz.
7)
Disponibilidad selectiva
Infografía
1.http://www.hipermarketing.com/nuevo%204/contenido/tecnologia/TELECOMUNICACIONES/nivel4gps.html
El sistema GPS funciona en cinco pasos
lógicos: Triangulación, Medición de distancia, Tiempo, Posición y Corrección.
2.http://www.gpstopografica.com/que_es_gps.htmhttp://www.gpstopografica.com/que_es_gps.htm
El principio de
funcionamiento de un sistema GPS es muy simple: utiliza la cantidad de tiempo
que la señal toma en llegar al receptor en tierra para calcular la distancia a
la que se encuentra.
3. http://www.geocities.com/pepeypaqui/parapente/gps.htm
Como el sistema GPS
fue diseñado para un uso militar, el Departamento de Defensa creó dos códigos
de transmisión: el código "P" (Precisión) para uso miliar, y el
código "C/A" (Acceso Civil) para el resto de los mortales.
4.http://www.uco.es/~bb1rofra/documentos/comofuncionagps/comofuncionagps.html
Como funciona el
sistema GPS, en cinco pasos lógicos:
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.
5. http://www.nautigalia.com/gps/index1.htm
El mensaje de
navegación está constituído por los siguientes elementos:
Efemérides (son los parámetros orbitales del satélite).
Información del tiempo (horario) y estado del reloj del satélite.
Modelo para correguir los errores del reloj del satélite.
Modelo para correguir los errores producidos por la propagación en la ionosfera
y la troposfera.
Información sobre el estado de salud del satélite.
Almanaque, que consiste en información de los parámetros orbitales
(constelación de satélites).
6. http://www2.aena.es/gccc/glonass.htm
A diferencia del GPS,
el GLONASS emplea dos mensajes de navegación diferentes que van sumados en
modulo 2 a los códigos C/A y P respectivamente. Ambos mensajes de navegación
son transmitidos a 50 bps, y su función primaria es la de proporcionar
información a cerca de las efemérides de los satélites y la distribución de los
canales.
7. http://www.humanas.unal.edu.co/geografia/estudiantes/gps/gps3.htm
Cada satélite del
sistema esta equipado con relojes de cesio que son corregidos dos veces al día,
lo que permite una precisión de 15 nanosegundos en la sincronización de tiempos
de los satélites respecto al Sistema de Tiempos GLONASS (GLONASST) el cual es
generado en la Central de Sincronización de Tiempos de Moscú.
8. http://www.dioptra.es/Explorer/servicios/glosario%20gps/cuerpom.htm
NAVDATA utiliza un
formato básico de 1.500 bits con una velocidad de transmisión de 50 bps, por lo
que es radiodifundido en 30 segundos. Consta de 5 submensajes de 300 bits y 10
palabras cada uno. El submensaje 1 contiene los datos referentes al reloj y los
parámetros de corrección ionosférica. Los submensajes 2 y 3 soportan las
efemérides del SV.
9. http://telecom.iespana.es/telecom/gps/
La información que se
modula con el código C/A permite acceder al servicio GPS. Los datos que
contiene son necesarios para la determinación de la posición. Son datos
exclusivos de cada satélite, aunque hay una pequeña parte que se refiere a los
32 posibles satélites del sistema GPS.