GPS
El Sistema de
Posicionamiento Global
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DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA:
El sistema Global de
posicionamiento (GPS por sus siglas en inglés) es
un sistema satelitario basado en señales de radio
emitidas por una constelación de 21 satélites
activos en órbita alrededor de la tierra a una
altura de aproximadamente 20 000 Km. El sistema
permite el cálculo de coordenadas tridimensionales
que pueden ser usadas en navegación o ,mediante el
uso de métodos adecuados, para determinación de
mediciones de precisión, provisto que se poseen
receptores que capten las señales emitida por los
satélites. El GPS fue implementado por el
Departamento de Defensa de los Estados Unidos con
el objeto de obtener en tiempo real la posición de
un punto en cualquier lugar de la tierra. Este
sistema surgió debido a las limitaciones del
sistema TRANSIT que en la década de los 70
proporcionaba posicionamiento usando métodos
Doppler. La principal desventaja del este último
era la no disponibilidad de satélites las 24 horas
del día.
USOS EN NAVEGACIÓN:
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La idea original del GPS, que
aún hoy día se mantiene, era usarlo para
navegación. Esto es, conocer la posición del
observador en cualquier momento del día dentro
de un sistema de referencia creado para tal fin.
Esto es conocido como posicionamiento absoluto.
La posición del receptor es conocida a partir de
las coordenadas de los satélites y las
distancias medidas a por lo menos cuatro
satélites, mediante una intersección espacial.
La distancia a cada satélite es determinada
haciendo uso de la fórmula d = c* D t ;
en donde c corresponde a la velocidad de
la luz en el |
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GPSMAP
225 /
Garmin |
vacío y D t el tiempo de
recorrido de la señal desde el satélite hasta el
receptor. Evidentemente se necesita proveer al
sistema de un mecanismo de medida de tiempo. Tanto
los satélites como los receptores son provistos de
relojes para tal efecto. Debido a que no se puede
tener un reloj perfecto, tanto los relojes en el
receptor y satélite poseen un error que afectará
la distancia medida, más si se considera la
magnitud de las distancias involucradas. Debido a
que el intervalo de tiempo es calculado a partir
de dos relojes distintos, con errores diferentes,
es que se usa el término de pseudo-distancias para
hacer referencia a las distancias medidas.
La determinación de coordenadas
en forma absoluta presenta varios problemas.
Además de los errores de reloj, se debe considerar
que en la medición de pseudo-distancias la señal
proveniente del satélite cambiará su velocidad de
propagación al atravesar capas atmosféricas de
distinta densidad, lo que introduce otro error en
la posición. También, debe recordarse que la
posición de observación es determinada a partir de
las coordenadas de los satélites, la distancia
medida, por lo tanto, también se encuentra
afectada por las distintas perturbaciones
orbitales, que sacan a los satélites de las
órbitas teóricas. La exactitud en la determinación
de coordenadas absolutas con respecto al sistema
de referencia es entre 100 y 150 m en las tres
coordenadas.
USOS EN TOPOGRAFÍA Y
GEODESIA:
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La posibilidad de usar el
sistema para tareas de precisión se ha estudiado
desde hace mucho tiempo. En la actualidad se han
desarrollado técnicas para lograr exactitud
topográfica y geodésica. Estas son conocidas
como técnicas diferenciales o métodos de
posicionamiento relativo. Esto es, que es
posible conocer con gran exactitud la
diferencias de coordenadas entre dos o más
receptores. El principio se basa en la asumpción
de que en ambos extremos de una línea los
errores de las órbitas de los satélites son
iguales. |
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GPS III
Plus ( de mano) /
Garmin |
En este caso, los mismos
satélites tienen que ser usados en los extremos de
la línea a medir. Además, mediante el uso de
receptores que captan las dos frecuencias de
transmisión de las señales, los errores debidos a
la ionosfera pueden eliminarse. En cuanto a la
troposfera esta es considerada mediante el uso de
modelos atmosféricos adecuados. Mediante el uso de
estas técnicas, se pueden lograr precisiones
menores a 1 m, y dependiendo del tipo de
procesamiento y equipo se puede llegar a
precisiones del cm, incluso de mm.
MODALIDADES DE
MEDICIÓN:
Ya sea que el tipo de
medición sea absoluto o relativo, se consideran
dos tipos de modalidad en la manera de toma y
procesamiento de las mediciones. Estas modalidades
son denominadas Estática y Cinemática. Como su
nombre lo indica, estática denomina a
observaciones estacionarias, mientras que la
modalidad cinemática implica movimiento. A
continuación se presentan algunos tipos de estas
modalidades (Hoffman-Wellenhof, Lichtenegger y
Collins, 1993):
ABSOLUTO ESTÁTICO: Esta
modalidad es usada cuando se desea posicionamiento
de puntos de exactitud moderada, en el orden de 5m
a 10m. En este caso el modo de calculo es
realizado posteriormente.
ABSOLUTO CINEMÁTICA: Es
generalmente usado para la determinación de la
trayectoria de vehículos en espacio y tiempo con
una exactitud de 10m a 100m.
RELATIVO ESTÁTICO: Cuando
es usado por fases portadoras es el método más
aplicado en tareas de Geodesia. En esta modalidad
lo que se hace es determinar vectores o
"líneas-bases" entre dos puntos en los cuales se
dejan receptores estacionarios. Las precisiones
logrables van desde 1 ppm hasta 0.1 ppm para
puntos separados pocos kilómetros.
RELATIVO CINEMÁTICA: Como
en el método anterior, éste involucra un mínimo de
dos receptores, pero uno de ellos estacionario y
otro móvil realizando observaciones simultáneas.
Las precisiones logrables varían, de acuerdo al
tipo de receptor y postprocesamiento, desde el
orden de pocos metros hasta centímetros.
COMPONENTES DE LA SEÑAL:
Los osciladores a bordo de
los satélites GPS generan una frecuencia
fundamental fo con una estabilidad en
el rango de 10-13 . Dos señales
portadoras en la banda L (llamadas L1 y L2) se
generan mediante la multiplicación entera de
fo de la siguiente manera
(Hoffman-Wellenhof, Lichtenegger y Collins,
1993):
fo = 10.23 Mhz
Portadora L1 =
154 fo = 1575.42 Mhz @ 19
cm.
Portadora L2 = 120 fo = 1227.60
Mhz @ 24.4 cm
Para lograr obtener las lecturas
de los relojes, se hace uso de dos códigos. Estos
códigos se caracterizan por contener en ellos un
ruido pseudo aleatorio (PRN). El primero es el
llamado código C/A (Coarse adquisition) generado
con una frecuencia igual a fo/10, el
cual se repite cada milisegundo. El segundo es el
llamado código P (o código Preciso) generado
mediante una frecuencia igual a fo la
cual es repetida aproximadamente cada 266.4 días.
Las señales portadoras L1 y L2 son moduladas con
el código P mientras que el código C/A es modulado
para la L1 solamente:
Código P : fo10 =
10.23 Mhz en L1 y L2
Código C/A : fo
= 1.023 Mhz en L1
FORMACIÓN DEL SISTEMA:
La descripción del sistema de
posicionamiento Global sigue la división
acostumbrada para los sistemas satelitales de
navegación en tres segmentos: segmento espacial
que se refiere a la constelación de satélites,
segmento de control que monitorea y controla todo
el sistema , y segmento del usuario que consiste
de los distintos tipos de receptores (Seeber,
1993). A continuación se da una breve descripción
de cada uno de estos segmentos.
SEGMENTO ESPACIAL:
La cobertura global de entre
cuatro a ocho satélites simultáneos en cualquier
momento con una elevación de 15° ha sido una de
las metas fundamentales que se han tratado de
establecer por los diseñadores e implementadores
de GPS (Hoffman-Wellenhof, Lichtenegger y Collins,
1993). Esto puede ser logrado mediante la
planificación de una constelación adecuada de
satélites que hagan cumplir la condición
deseada.
CONSTELACIÓN:
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La constelación final y número
total de satélites ha sufrido variaciones con el
tiempo. Los primeros satélites GPS tenían una
inclinación de 63° con respecto al Ecuador y los
planes era colocar 24 satélites en 3 planos
orbitales. Debido a cuestiones presupuestarias
la constelación se pensó reducir en 18
satélites. Con esta idea, sin embargo, no se
proveía la cobertura deseada (Hoffman-Wellenhof,
Lichtenegger y Collins, 1993). La constelación
final de satélites GPS se estableció en 21
satélites principales más tres satélites activos
de repuesto orbitando la tierra en órbitas casi
circulares a una elevación de aproximadamente
20200 Km. sobre la tierra y con un período de 12
horas sidéreas. |
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GPS 126
/
Garmin |
Estos satélites tienen una
inclinación de 55° con respecto al Ecuador y están
colocados en seis planos equidistantemente y con 4
satélites en cada órbita. La separación de los
planos de las órbitas es de 60° en ascensión recta
(Seeber, 1993).
DEGRADACIÓN DE LA PRECISIÓN:
Existen dos formas para
degradar la señal emitida por los satélites GPS.
La primera es llamada Selective
Availability (SA), y la otra llamada
Anti-Spoofing (A-S). El objetivo de ambas
es negar a los usuarios el uso apropiado del
sistema.
Selective Avalibility: La
limitación en este caso puede ser lograda de dos
maneras. La primera es mediante la manipulación de
los datos de las efemérides (método e ) y la
segunda mediante la desestabilización de los
relojes del satélite (método d ) (Seeber, 1993).
Ambos métodos afectan la medición de
pseudo-distancias.
Anti-Spoofing: Este método de
degradación de la señal consiste en encriptar el
código P mediante el uso del llamado código
protegido Y. Solamente usuarios autorizados tienen
acceso al código P cuando el A-S es activado.
SEGMENTO DE
CONTROL:
Este segmento consiste de
una red de estaciones que permiten controlar y
retroalimentar el sistema de satélites. Esto se
logra mediante el constante monitoreo de los
satélites desde una serie de estaciones
convenientemente ubicadas al rededor de la
tierra.
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Existe una estación maestra
de control ubicada actualmente en el Centro
de Operaciones Consolidadas del Espacio, en
Colorado Springs. En esta estación se reúne la
información de las estaciones de monitoreo y con
estos datos se calculan las orbitas de los
satélites y correcciones a los relojes haciendo
uso de estimadores Kalman. Las estaciones de
monitoreo son cinco y se encuentran
localizadas en Hawaiii, Colorado Springs, Isla
Ascensión en el Océano Atlántico Sur , Diego
García en el Mar Indico y Kwajalein en el Océano
Pacífico Norte. Estas estaciones están equipadas
con relojes de Cesio y receptores del código P
que constantemente monitorean todos los
satélites sobre el horizonte. Estas estaciones
son usadas para la determinación de las
efemérides transmitidas y modelados de reloj.
Las correcciones a las órbitas y relojes son
retroalimentadas a los satélites mediante las
estaciones de control
terrestres. |
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GPS 12
CX
(de
mano)/Garmin |
Estas estaciones se
encuentran en Ascensión, Diego García y Kwajalein
(Hoffman-Wellenhof, Lichtenegger y Collins,
1993).
SEGMENTO DEL USUARIO:
Este segmento se refiere a los
distintos tipos de receptores que existen en el
mercado y de los distintos usuarios del sistema.
Con el paso del tiempo nuevas aplicaciones se han
encontrado al sistema. Se necesita, por lo tanto,
diseñar y desarrollar equipos con ciertas
características para adaptarse a las distintas
necesidades de los usuarios.
TIPOS DE RECEPTORES:
El tipo de receptor a usar
dependerá del tipo de observaciones y de la
disponibilidad de códigos. Los receptores GPS
pueden ser clasificados de acuerdo a sus
características de la siguiente manera (Seeber,
1993):
Código C/A
Código C/A + fase
portadora L1
Código C/A + fase portadora L1 +
fase portadora L2
Código C/A + código P + fases
portadoras L1, L2
Otra clasificación de los
receptores es por el tipo de usuarios (Seeber,
1993):
Receptores
militares
Receptores civiles
Receptores para
navegación
Receptores geodésicos.
Fuente: Escuela de Topografía,
Catastro y Geodesia / Universidad Nacional
Heredia - Costa Rica
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