Empleo de los sistemas de posicionamiento por satélite GPS y DGPS en diferentes áreas

¿Cómo funciona un GPS?

El sistema esta basado en una constelación de satélites que orbitan la tierra cada 12 horas. Los cuales emiten en 2 frecuencias L1 (1575.42 MHz) y L2 (1227.60 MHz. La L1 esta compuesta 2 "subseñales" la señal conocida como P-code ( código protegido) y C/A code ( el código que tiene los datos que nos interesa para situarnos), mientras que la señal L2 solo tiene P-code. Cada satélite emite la señal con un identificador propio para que esta se pueda distinguir de las señales de los demás satélites. Es por eso por lo que el sistema solo usa una frecuencia.


Condensando un poco mas de esto se desprende que, sabemos con cierta precisión, la posición exacta de cada satélite y que este emite en una frecuencia fija y conocida cada cierto tiempo.


Centrémonos en el cacharrito en cuestión, el GPS en sí. Este, lo que hace es captar las señales que emiten estos satélites y medir el tiempo que han tardado en llegar a la tierra, usando la sencilla formula de ( Velocidad x tiempo = Distancia) y sabremos "exactamente" a que distancia estamos de ese satélite.

Los sistemas GPS permiten:

 

 

¿ Y esto como nos sitúa?

Si sabemos la posición y distancia entre los 3 puntos y el punto B, sabremos la posición del punto B en cuestión. Pues esto mas o menos es lo que hace un GPS.
Con un lápiz y un papel hemos visto que según el esquema anterior, sabiendo la posición de solo 2 puntos, también sabríamos la posición del punto B.
Pero por desgracia esto no es tan sencillo, y aquí nos encontramos el problema del reloj.



Como hemos visto antes tenemos posiciones conocidas y medimos el tiempo que tardan en llegar a nosotros, si el reloj con el cual medimos "adelanta" creeremos que las líneas de los puntos origen tardan menos en cruzarse y nos dará una posición más cercana a los satélites, sí nuestro reloj "atrasa" la unión de las líneas se alejara del punto Real. ¿Cómo solucionamos esto?



Añadiendo el tercer punto, nuestra posición será mucho más certera puesto que el "error del reloj" será la misma para las 3 líneas. ( A este proceso se le llama triangulación.
Creo que después de esto, se entiende mas o menos como funciona un GPS.

El DGPS es un sistema de apoyo del GPS, el cual corrige ciertos errores de “retraso” que sufre la señal al pasar por la Ionosfera y la estratosfera, mejorando nuestra precisión.



Ya hemos visto, como se comunica nuestro GPS con los satélites, pero aquí en realidad comienza lo realmente interesante, el proceso por el cual nuestro GPS se comunica con nuestro PC o nuestro Pocket PC.

 Actualmente, se suelen usar 2 “lenguajes” , el NMEA-0183 , que es el lenguaje estándar y el sirf, “lenguaje binario” utilizado por los chips SiRF ( Muy originales inventando chip pero poco inventando nombres) y es propietario.

Acto seguido y si no os habéis dormido aun, pasare a explicar por encima, en que consisten y como “entender” las interioridades del NMEA.


La definición de NMEA es “ un interfaz eléctrico y un protocolo de datos para comunicación entre instrumentación Marina”

Características de NAVSTAR GPS

Cualquier sistema satelital como NAVSTAR está constituido por tres segmentos:

El segmento espacial NAVSTAR GPS está constituido por una constelación de 24 satélites localizados a 20,200 kms de la superficie de la tierra. La tabla I, describe la constelación NAVSTAR GPS y la constelación de satélites GLONASS (Global Navigation Satellite System) del Gobierno Ruso. Estos dos sistemas tanto el ruso como el estadounidense son similares en operación y en características de los satélites. Los satélites son una parte esencial ya que estos son los que emiten constantemente las señales hacia los receptores GPS, cubriendo todo el globo terrestre.

 

El segmento de control consiste de cinco estaciones de monitoreo localizadas en Hawaii, Kwajalein, Isla Ascencion, Diego Garcia y Colorado Springs; tres estaciones terrenas en Isla Ascencion, Diego Garcia y Kwajalein, y una Estación Maestra de Control (MCS) localizada en en la base áerea de Falcon Colorado, la cual mantiene los satélites en posición orbital y su respectiva regulación de tiempo de cada satélite. Las estaciones de monitoreo rastrean todos los satélites que se encuentran a la vista, acumulando la información monitoreada. Esta información es procesada en la MCS para determinar las órbitas de los satélites y para actualizar cada mensaje de navegación de cada satélite. Una vez actualizada esta información es transmitida a cada satélite desde las estaciones terrenas.

 

 

El segmento del usuario consiste de receptores GPS que proporcionan casi instantáneamente la posición, altitud, velocidad y tiempo preciso al usuario desde cualquier parte del mundo las 24 horas del día. Estos receptores calculan la posición por medio de señales simultáneas desde tres o más satélites que estén a la vista del receptor GPS. Los receptores varían en precios, tamaños y precisión, desde los más sencillos como los que se usan para la localización de vehículos o los más sofisticados, como los que encuentran en los tableros de los aviones. Los precios de los receptores varían dependiendo de la precisión que estos ofrezcan, varían desde los $100 dólares los más simples, hasta los 40,000 dlls. los más sofisticados. Cuando se requiera comprar algún receptor GPS se recomienda que tenga un número adecuado de canales. Los receptores de un sólo canal buscan su posición por medio de señales emitidas constantemente hacia el espacio buscando las señales de los satélites. Tan pronto como éstos sean localizados, el receptor proporciona cálculos de localización y la precisión es determinada por la rapidez conque el receptor pueda encontrar las señales de los satélites. Existen algunos receptores que cuentan con 5 canales, de los cuales 4 rastrean satélites para tener una constante localización por aquello de que algún canal sea bloqueado. Existen receptores aún más sofisticados que cuentan con 12 canales. Otro factor importante es la re-adquisición rápida de la señal del satélite, que es el tiempo en el que el receptor tarda en adquirir la señal y poder hacer un cálculo rápido de localización. Receptores con estas características es posible encontrarlos a un precio cercano a los $500 dólares.

 

Características de las constelaciones NAVSTAR y GLONASS

Característica

NAVSTAR GPS

GLONASS

Compañía Impulsora

Departamento de Defensa de EUA (NAVSTAR Systems Ltd)

Gobierno Ruso

Número de satélites

24 en 6 planos orbitales

24 en 6 planos orbitales

Tipo de órbita

Media (20,200 km); inclinación 63 grados; período de 12 hrs.

Media (19,200 km) en 6 planos orbitales; inclinación 64.8 grados; período de 11 hrs 15 min.

Frecuencias

Banda L (L1=1.57542, L2=1.2276 GHz)

Banda L (L1=1.609 GHz, L2=1.251 GHz)

Método de acceso

CDMA (Espectro Esparcido)

CDMA (Espectro Esparcido)

Vida útil aprox.

7.5 años

7.5 años

 

Tipos de servicios de NAVSTAR GPS

 

Existen dos niveles de servicio, el primero conocido como Servicio Estándar de Localización (SPS, Standard Positioning Service), que es un servicio de determinación de la posición y tiempo que está disponible a todos los usuarios, las veinticuatro horas del día y sin cargo directo. Intencionalmente la defensa americana introduce un error para que la exactitud de este servicio no sea muy bueno. SPS provee una probabilidad de error predecible de 100 mts horizontalmente y de 156 mts verticalmente y con 340 nanosegundos en tiempo.

Por otro lado el Servicio Preciso de Localización (PPS, Precise Positioning Service) es un servicio de determinación de la posición y tiempo con alta precisión utilizado para usos militares y para otros usos del Gobierno de los Estados Unidos. Para usos civiles que no son del Gobierno Federal, ya sea domésticos y extranjeros pueden ser considerados solicitando un permiso especial. Este servicio provee una precisión predecible de 22 mts horizontalmente y 27.7 mts verticalmente y 200 nanosegundos en tiempo. Este servicio no esta disponible a los usuarios civiles, ya que los mensajes están encriptados.

 

¿ Que es DGPS ?

 

Con el fin de optimizar la precisión de GPS, se desarrolló una técnica conocida como GPS Diferencial (DGPS). La precisión en GPS va a depender de varios factores: el primer factor son las señales que emiten los satélites dirigidas al usuario civil, éstas vienen con un error implícito conocido como disponibilidad selectiva. Otro factor es la desviación de los relojes; los relojes que traen internamente los receptores GPS por supuesto no son atómicos como los que traen los satélites, el costo de estos relojes pueden en oscilar en el orden de $50,000 US dlls, por lo que es imposible e incosteable tener un receptor GPS dotado con un reloj atómico. La desviación de ambos relojes provoca que el tiempo de travesía de la señal no sea calculado de manera precisa, sumándole a ésto la velocidad de la luz , la cual se usa para efectuar los cálculos, es sólo una constante (aproximadamente 2.9979x108 m/s) pero en el vacío. Otro factor importante son las condiciones de radio-propagación de la ionosfera. Otro factor de error son las multitrayectorias de la señal, lo que hace que ésta al ser reflejada por un objeto sólido el tiempo de travesía sea inexacto. Estos y otros factores de error provocan que los cálculos que realiza el receptor GPS sean de poca aproximación.

 

DGPS es un método para eliminar errores en un receptor GPS, para hacer la salida más precisa. La idea principal de DGPS se basa en el hecho de que los satélites están a una altura considerable, por lo que si tomamos dos objetos separados uno del otro 200 kms, el tiempo de travesía de un satélite en particular a cada objeto tienen virtualmente los mismos errores, mas sin embargo la posición de los objetos son totalmente diferentes.

 

DGPS trabaja ayudándose con estaciones terrenas de referencia, éstas pertenecen a la Guardia Costera de los Estados Unidos y a agencias internacionales que establecen sus estaciones en cualquier lugar, especialmente alrededor de puertos y ríos navegables. La Estación de Referencia (con sus coordenadas geográficas exactas, ya conocidas), en vez de calcular otra vez su posición, calcula el tiempo de travesía (Tc) para c/u de los satélites que tiene a la vista y los compara con los tiempos de travesía para cada satélite (Ts). La diferencia entre Tc y Ts se le conoce como Error de Corrección (EC). Entonces, la Estación de Referencia transmite a c/u de los receptores GPS en tierra esos Errores de Corrección para que los utilicen para corregir sus respectivas medidas.

 

Con DGPS se pueden determinar posiciones con un alto grado de aproximación en el orden de metros, inclusive centímetros; es importante aclarar que estos receptores deben de estar equipados con DGPS; muchos de los nuevos receptores GPS están siendo diseñados para aceptar correcciones, y algunos están equipados con radio receptores en su interior.

 

Aplicaciones

 

Las aplicaciones de GPS son muy diversas, éstas se pueden clasificar en cinco categorías: localización, navegación, rastreo, cartografía y tiempo exacto. En aplicaciones de localización – determinar una posición– las más empleadas son para la localización de vehículos. Dado el alto índice de robos de vehículos, algunas compañías fabricantes de automóviles y compañías aseguradoras han empezado a instalar este tipo de aparatos en lugares ocultos dentro de los automóviles. También muchos de los taxis y camiones de carga utilizan GPS en sus vehículos para que estos sean localizados desde sus oficinas.

La navegación – obtener una posición a partir de la anterior – es una aplicación que requiere de mucha precisión, razón por la cual las compañías de aviación utilizan GPS para guiar a las aeronaves en climas inhóspitos así como para despegar y aterrizar este tipo de vehículos.

El rastreo también es otra aplicación muy importante, por ejemplo algunas compañías de flotillas de vehículos utilizan un programa de computadora provisto con un mapa de una ciudad o de una región, para rastrear todos sus vehículos. Algunas universidades y centros de investigación les ponen unos diminutos receptores GPS a animales en peligro de extinción o aves para conocer y estudiar sus trayectorias.

La cartografía es otra aplicación de mucha importancia dentro de las aplicaciones de GPS, al determinar con precisión la posición de ríos, bosques, montañas, carreteras y otros puntos es posible la elaboración de mapas muy precisos; con la ayuda de otras técnicas como la fotogrametría, topografía y planimetría es posible la elaboración de sistemas de información geográfica.

El tiempo exacto que nos brinda el sistema GPS, es utilizado por las cadenas nacionales de televisión para sincronizar las transmisiones a nivel nacional y para sincronizar los comerciales y programas. La puesta en órbita de satélites es otra aplicación que requiere de una finísima precisión debido a que se necesita poner un satélite en una posición exacta en un tiempo exacto, y evitar así posibles colisiones.

Las aplicaciones de tipo militar también son muy bastas, fue el principal motivo por lo que GPS se concibió. En la pasada guerra del golfo pérsico conocida como la tormenta del desierto, fue una prueba de fuego para el Departamento de Defensa de Estados Unidos para probar sus sistemas de localización. El sistema GPS se utiliza en la milicia para determinar la distribución adecuada de tropas en tierra, aviones, barcos, submarinos, tanques, etc., también para guiar misiles para la destrucción de objetivos. Los misiles Patriot que usaron las tropas estadounidenses para la destrucción de los misiles de Irak, es un claro ejemplo de la utilización al máximo de GPS.

Existen muchas aplicaciones más benéficas de la utilización de este sistema de localización; con GPS es posible guiar ambulancias, bomberos, policía o grupos de rescate para que estos lleguen en cuestión de minutos al sitio donde está la emergencia. Con GPS es posible que personas invidentes puedan guiase dentro de una ciudad, apoyándose en una detallada base de datos dentro del receptor. Otras áreas de aplicación de la tecnología GPS es la agricultura, minería, arqueología, construcción, exploración, cinematografía, pesca deportiva, entre otras.


Aplicado a la Agricultura

Aunque hace tiempo que se conocen los principios de la agricultura de precisión, es sólo a partir de la llegada de servicios DGPS de haz estrecho que se han convertido en realidad práctica en Europa.

Ahora permiten un enfoque completamente nuevo a la gestión de explotaciones agrícolas, ofreciendo importantes ventajas comerciales y medioambientales.

La exactitud de posicionamiento, con un margen de error de menos de un metro, hace que sea posible ahora que una cosechadora con equipos adecuados monitorice de forma continua el rendimiento de la cosecha a medida que va cosechando una parcela individual, relacionando los niveles de crecimiento con puntos específicos de la parcela. Después de la cosecha, pueden tomarse muestras sistemáticas de suelo usando posicionamiento DGPS y los mismos datos de rendimiento, para identificar la razón de cualquier variación. Cuando esta información es cargada en una abonadora controlada por ordenador, DGPS puede asegurar que ésta aplique los productos químicos únicamente en aquellos puntos de la parcela que los necesitan. Esto puede crear significativos ahorros de costes, además de reducir problemas medioambientales asociados con el aflujo de productos químicos sobrantes.

La fiabilidad y la exactitud de GPS Diferencial ha llegado a un nivel que ofrece a los agricultores posibilidades limitadas únicamente por su imaginación. La gestión de activos, el trazado de lindes, la gestión forestal y el seguimiento de vehículos son ahora operaciones sencillas. Ahora existe la tecnología necesaria para que el arado automático se convierta en realidad práctica, y para muchos, sólo es cuestión de tiempo el que los satélites se consideren herramientas agrícolas indispensables.

  Explicación del GPS Diferencial

Cuando el Gobierno de Estados Unidos estableció el Sistema de Posicionamiento Global, lanzó 24 satélites que están cambiando el mundo. Por primera vez, han hecho posible el uso de un pequeño receptor que le indica a usted su posición, no importa donde esté en el planeta.

La navegación sin esfuerzo trae evidentes ventajas a navegantes y viajeros en lugares remotos de la tierra, y también aporta ventajas a multitud de usuarios, desde cartógrafos a empresas de transporte, servicios de emergencia, y ahora, gracias a la introducción del GPS Diferencial, a los agricultores.

Infografía

http://www.pcdemano.com/sections.php?op=printpage&artid=722

... la ultima corrección DGPS y numero de estación DPGS. ... expresión de datos que el
receptor GPS esta obligado a ... A Sistema de aviso de navegación (A = OK , V ...

 

http://archeonavale.org/martinique/pages/presesp.html

... sofisticados (magnetómetro). Cada punto notable es localizado, o con el
GPS, o por métodos ópticos clásicos (círculo hydorgráfico).

 

http://www.viamichelin.com/viamichelin/esp/tpl/pdt/prod/htm/navgps_print.htm

¿Qué es un sistema de navegación GPS?Sueña con "él", sus amigos ya lo tienen, a menudo coge el coche sin conocer el camino y piensa que "él" le evitaría algunas discusiones sobre el itinerario a seguir... Resumiendo: lo que usted necesita es un sistema de navegación asistida. Para saber cómo funciona y cuáles son sus aplicaciones, siga leyendo...

http://www.efdeportes.com/efd9/gps.htm

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.

http://www.keytronics.com.mx/sistema.html

Esta presentación pretende informar en forma general sobre la aplicación del Sistema de Posicionamiento Global GPS como una herramienta confiable para la protección, seguridad y bienestar de personas y/o mercancías, que se transporten en vehículos equipados con estos aparatos de localización y rastreo.

http://www.nautigalia.com/otrostemas/articulos.php4?id=2&pag=1

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.