UNIVERSIDAD YACAMBU
MINISTERIO DE EDUCACIÓN
DIRECCIÓN DE INVESTIGACIÓN Y POSTGRADOS VIRTUALES

POSTGRADO DE GERENCIA MENCIÓN REDES Y TELECOMUNICACIONES

EQUIPOS DE POSICIONAMIENTO POR SATÉLITE

SISTEMA DE POSICIONAMIENTO GLOBAL (GPS)

 

INTEGRANTE:
Angel D. Medina
angel041072@yahoo.com

Octubre 2002.

Índice:

1. Sistema de posicionamiento global (GPS).

2. Generalidades del Sistema GPS.

2. ¿Como funciona GPS?.

3. Utilidad del Sistema GPS.

4. Características Técnicas de GPS.

5. La disponibilidad selectiva.

6. Infografia.

Sistema de posicionamiento global (GPS).

    GPS (Global Positioning System) es un sistema mundial de localización constituido por una constelación de satélites, cada uno de ellos dotado con relojes atómicos, computadoras, emisores y receptores de radio y por estaciones terrenas que monitorean constantemente a cada uno de los satélites. Los receptores GPS utilizan a estos satélites como puntos de referencias para calcular la latitud, longitud, altitud – con aproximaciones en el orden de metros, inclusive centímetros.

    La base de este sistema consiste en un conjunto de 21 satélites que en todo momento están describiendo una órbita en torno a la Tierra. Estos satélites emiten su señal durante las 24 horas del día. La recepción de varias de estas señales es lo que permite al GPS portátil (del tamaño de un transistor de bolsillo), calcular su posición en la Tierra. A mayor número de satélites "visibles" por el aparato, más precisos son los cálculos. Con sucesivas posiciones el receptor puede suministrarnos otros datos derivados, como nuestra posición exacta y relativa, la velocidad de navegación o desplazamiento, cómo debemos cambiar el rumbo para llegar a nuestro destino y otras opciones.

    Existe una red similar GLONASS como la red GPS, ofrece dos niveles de servicio, proporcionando a los usuarios civiles una precisión en la posición horizontal de 60 metros y una precisión en la posición vertical de 75 metros, es necesario mencionar que  este sistema GLONASS no da cobertura en toda la Tierra.

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Generalidades del Sistema GPS.

El Sistema del Gps consta de tres partes: El segmento del espacio, el segmento del usuario y el segmento de control. El segmento del espacio consiste en 24 satélites que están en una orbita de 11000 millas náuticas sobre la tierra. El segmento del usuario consiste en un receptor que puede ser llevado en la mano o dentro del auto. El segmento de control consiste es estaciones terrestres (5 en total, distribuidas alrededor del mundo) que monitorean a los satélites para que trabajen con precisión.

Una vuelta alrededor de la tierra equivale a una orbita; al satélite del Gps le toma 12 horas realizar una orbita. Las orbitas tienen una inclinación de 55° para asegurar la cobertura de las regiones polares. La energía la proporcionan células solares, por lo que los satélites se orientan continuamente dirigiendo los paneles solares hacia el Sol y las antenas hacia la Tierra. Cada satélite cuenta con cuatro relojes atómicos que permiten enviar señales acopladas a precisas mediciones de tiempo. Estas señales, que viajan a la velocidad de la luz, son recibidas por las estaciones terrestres. Aun viajando a esta velocidad a las señales les toma un tiempo considerable llegar al receptor. La diferencia entre el tiempo en que la señal es enviada y el tiempo en que es recibida, permite al receptor calcular la distancia al satélite.

Para un calculo preciso de la Latitud, longitud y altitud el receptor debe medir el tiempo que le toma a las señales de 4 diferentes satélites para llegar a el.
El sistema GPS puede decirte tu localización en cualquier parte de la tierra y hasta 300 pies por sobre su superficie.

    El Sistema de Posicionamiento Global (GPS) está disponible en dos formas básicas: SPS, iniciales de Standard Positioning Service (Servicio de Posicionamiento Estándar), y PPS, siglas de Precise Positioning Service (Servicio de Posicionamiento Preciso). El SPS proporciona la posición absoluta de los puntos con una precisión de 100 m. El código PPS permite obtener precisiones superiores a los 20 m; este código es accesible sólo a los militares de Estados Unidos y sus aliados, salvo en situaciones especiales.

    Las técnicas de mejora, como el GPS diferencial (DGPS), permiten a los usuarios alcanzar hasta 3 m de precisión. Los investigadores fueron los primeros en usar portadoras para calcular posiciones con una precisión de 1 cm. Todos los usuarios tienen a su disponibilidad SPS, DGPS y técnicas portadoras.

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¿Como funciona GPS?.

    El conocimiento detallado de las reglas de Mecánica Celeste y el estudio del movimiento de satélites naturales ha permitido a los científicos diseñar y poner en órbita satélites artificiales alrededor de la Tierra y de Marte (como, por ejemplo, el Viking).

    Desde que en 1957 el lanzamiento del Sputnik-1 supuso el comienzo de la era de los satélites artificiales y su posterior uso en aplicaciones para el interés de la comunidad mundial, la tecnología ha avanzado en este aspecto de manera espectacular. El primer sistema de navegación por satélite, denominado TRANSIT, surgió de la idea de invertir el problema que se planteó en 1957 con objeto de determinar la órbita del satélite artificial Sputnik-1. Dicha órbita se calculó a partir del desplazamiento Doppler que sufría la señal de 20 MHz que emitía el Sputnik-1.

    El sistema TRANSIT, puesto en órbita en 1958 y compuesto por 10 satélites que se terminaron de lanzar en 1964, permitió un rápido desarrollo de las comunicaciones satelitales, desembocando en el sistema GPS. Para ello, aprovecharon las condiciones de la propagación de las ondas de radio de la banda L en el espacio, así como la posibilidad de modular las ondas para que en ellas se pueda incluir la información necesaria que permita posicionar un objeto en el sistema de referencia apropiado.

    El GPS nació para subsanar la deficiencia más grave del sistema TRANSIT en el cual   cada satélite transmite su posición y el tiempo exacto cada 1000 veces por segundo a la tierra, donde – cada milisegundo – un receptor computarizado puede calcular a qué distancia se encuentra de un satélite en particular que se encuentra a la vista, multiplicando la velocidad de la luz por el tiempo transcurrido de la señal del satélite al receptor GPS. Al combinar las señales de varios satélites, el receptor puede establecer con "exactitud" su propia posición, altitud e inclusive la velocidad.

    Los receptores GPS reciben la información precisa de la hora y la posición del satélite. Exactamente, recibe dos tipos de datos, los datos del Almanaque, que consiste en una serie de parámetros generales sobre la ubicación y la operatividad de cada satélite con relación al resto de satélites de la red, esta información puede ser recibida desde cualquier satélite, y una vez el receptor GPS tiene la información del último Almanaque recibido y la hora precisa, sabe donde buscar los satélites en el espacio; La otra serie de datos, también conocida como Efemérides, hace referencia a los datos precisos, únicamente, del satélite que está siendo captado por el receptor GPS, son parámetros orbítales exclusivos de ese satélite y se utilizan para calcular la distancia exacta del receptor al satélite. Cuando el receptor ha captado la señal de, al menos, tres satélites calcula su propia posición en la Tierra mediante la triangulación de la posición de los satélites captados, Modulo GPS ACE II de 8 canales para integración de sistemas.

    La idea básica de la determinación de la posición se basa en la triangulación de los satélites. Para "triangular" un receptor GPS calcula la distancia en base al 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.(Frecuencia de la señales: L1 = 1575,42 MHz / L2 = 1227,6 MHz ).

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Utilidad del Sistema GPS

    El GPS fue originalmente desarrollado satisfacer necesidades militares del Departamento de Defensa de los Estados Unidos, pero nuevas formas de utilizar sus habilidades fueron continuamente descubiertas. El sistema se ha ido utilizando en barcos aviones, etc., pero hay muchas otras maneras de beneficiarse de las ventajas que provee el GPS.

    Los receptores GPS portátiles son unos dispositivos extraordinariamente útiles para cualquier tarea de navegación, orientación, seguimiento de rutas, almacenamiento de puntos para posteriores estudios, etc. No obstante debemos de tener en cuenta que son, exclusivamente, receptores de datos que calculan nuestra posición exacta y que no trabajan con ningún dato analógico (temperatura, presión, humedad), por lo que en ningún caso podemos esperar deducir datos atmosféricos a partir de ellos.

    Entre las actividades en las que es útil la utilización del GPS tenemos actividades al aire libre, ya que nos proporciona la ubicación exacta  donde nos encontramos en un momento determinado, la ubicación de automóviles, aviones o barcos, también es utilizada por  comandos policíacos y bomberiles, ya que les permite ubicar las unidades mas cercanas para atender una emergencia.

     El sistema GPS 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.

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 Características Técnicas de GPS.

Cualquier sistema satelital como NAVSTAR está constituido por tres segmentos:

* Segmento espacial.

* Segmento de control.

* Segmento del usuario.

    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 aérea 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 $ 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.

Tabla I. 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 orbítales

24 en 6 planos orbítales

Tipo de órbita

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

Media (19,200 km) en 6 planos orbítales; 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

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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.

¿ Qué 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, 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 esto 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.

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 La disponibilidad selectiva.

     La estación central del sistema GPS, situada en Estados Unidos, degrada la precisión de las señales civiles (por medio de una pequeña diferencia en el tiempo de emisión/recepción) de forma que ofrezca un pequeño error, error estimado entre los 25 y 100 metros. Esta degradación de la señal es conocida como disponibilidad selectiva (SA). Esta diferencia en las coordenadas de posición nada importante para la utilización del GPS para usos corrientes civiles, es debida a motivos de seguridad, no hay que olvidar que algunos sistemas de dirección de mísiles utilizan el sistema GPS como guía.

La disponibilidad selectiva fue eliminada el 1 de Mayo del 2000. Estuvo motivada por la excesiva precisión obtenida por los receptores civiles, por esto se decide degradar esta precisión. Esto se hace de dos formas:

Con esto es consigue degradar el UERE hasta 37.5 metros. Los receptores militares van a disponer de los modelos de errores introducidos y ellos tendrán la precisión inicial del sistema (UERE = 66.6 m).

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Infografia

http://personal.redestb.es/jatienza/gps/gps_sa.htm

En esta página usted podrá encontrar el concepto de GPS, DGPS,  sus diferentes usos y un informe comparativo del departamento de vigilancia geodésica de Estados Unidos, a demás de reportes de la Casa Blanca y un temario de preguntas y respuestas acerca de dudas sobre el sistema GPS.

http://www.mundogps.com/mundogps/formacion/glosario/masinfo.asp?CodTer=48

Esta dirección contiene el concepto de  Disponibilidad selectiva  que es un sistema manejado por el Gobierno americano mediante el cual se distorsiona la señal de los satélites GPS de manera que los receptores pierden precisión.

http://www.monografias.com/especiales/comunicamov/

Este trabajo investigativo se realiza una comparación entre los dos sistemas de comunicación que han existido, por cable o por aire, contiene una breve reseña histórica, el concepto de servicio de comunicaciones móviles, telefonía terrestre, telefonía satelital, etc.

http://www.monografias.com/trabajos5/tecgps/tecgps.shtml

Habla sobre la tecnología de GPS, contiene una introducción donde se menciona la historia de la tecnología de GPS y explica el funcionamiento de este sistema en forma detallada.

http://www.canbus.galeon.com/seguridad/gps.htm

Esta pagina se encuentra todo lo referente al funcionamiento del GPS, la base del GPS es la "triangulación" desde los satélites,  como mide distancias utilizando el tiempo de viaje de señales de radio, para medir el tiempo de viaje de estas señales, el GPS necesita un control muy estricto del tiempo y lo logra con ciertos trucos, etc.

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