5.-Principio
de funcionamiento
El sistema
NAVSTAR-GPS se basa en la medida simultánea de la distancia entre el receptor y
al menos 4 satélites.
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El sistema ofrece las siguientes informaciones: v Posición del receptor. v Referencia temporal muy precisa. |
Las distancias
entre el receptor y el satélite se obtienen por medio del retardo temporal
entre que el satélite envía la señal hasta que el receptor la recibe.
5.1-
Técnica basada en la medida de los retardos
temporales
En principio
podríamos pensar que calculando los retardos temporales entre 3 satélites y el
usuario ya tendríamos la posición deseada (Xi,Yi,Zi),
puesto que tres esferoides que se cortan definen un punto.
En realidad
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
necesitamos 4 satélites como mínimo.
Como acabamos
de ver se emplean 4 satélites respecto a los cuales el receptor calcula las
distancias respectivas. En realidad no se miden distancias, sino
pseudodistancias.
Este es el error producido como
consecuencia de la deriva existente entre el reloj del satélite y el reloj del
receptor.
Si hay más de 4
satélites visibles se calculan las pseudodistancias respecto a todos los
satélites visibles, obteniendo así un sistema con más ecuaciones que
incógnitas, lo que simplifica el cálculo de la posición.
El sistema está diseñado para
que sobre cualquier punto de la superficie terrestre haya al menos 4 satélites
visibles.
5.2-
Estructuras de las señales transmitidas
5.2.1Códigos pseudoaleatorios
Estos códigos están formados por una
serie impar de n bits con una duración de T segundos. a0,a1,a2,...,an-1
con ai=±1.
Su espectro es similar al
ruido (tienen componentes frecuenciales en todo el rango de frecuencias).
Cada uno de estos códigos
pseudoaleatorios se asigna a cada uno de los satélites. El receptor, para
separar la señal de un satélite del resto, correla las series recibidas con el
código que desea detectar.
Es muy
importante que el receptor y el satélite estén sincronizados para que la
correlación comience cuando llega la señal procedente del satélite. De esta forma
calcularemos el retardo.
Los códigos deben tener una buena
función de autocorrelación:
v
Para t=0 debe haber
un pico lo más acusado posible (el código será mejor cuanto más largo).
v
El nivel de los
lóbulos secundarios debe ser bajo (el código será mejor cuanto más aleatorio
sea).
estas
características las cumplen los códigos GOLD:
Como se ve en
la figura los códigos GOLD se forman a partir de 2 registros de desplazamiento
de N etapas. Se suman las salidas de ambos registros de desplazamiento y de
esta forma obtenemos un código GOLD de 2N-1 bits.
El sistema NAVSTAR-GPS emplea dos tipos
de códigos:
v
Código C/A
(Clear/Adquisition) ---> empleado para navegación de baja precisión (uso
civil).
v
Código P --->
empleado para navegación de alta precisión (uso militar).
Las características de estos dos
códigos son las siguientes_
Código
C/A
El código C/A tiene una longitud de 1023 bits, y se transmite a una velocidad
de 1.023 Mbps, por lo que se repite 1000 veces por segundo
Código P
Para obtenerlo se multiplica la salida
de dos códigos (P1,P2)
La frecuencia de reloj que se emplea es de 10.23 MHz
La longitud de los dos códigos que se multiplican para obtener el código P es
de:
P1: 15345000 bits
P2: 15345034 bits
El periodo de
estos códigos es de 267 días, aunque únicamente se emplean 7 días y al cabo de
la semana se resetea este código, asignando secuencias semanales distintas a
cada satélite. Así, en este caso no hay ningún tipo de ambigüedad. El receptor
únicamente correla una determinada parte del código.
Otro parámetro importante es la distancia asociada a la duración de 1 bit:
La precisión en la medida del retardo está asociada con el
tiempo duración de 1 bit. Si se ha estimado que la precisión medida del retardo es de
1% aproximadamente, entonces el error
instrumental en el cálculo de las pseudodistancias es:
Códigos C/A: 3m
Códigos P: 0.3m
Cada satélite emite dos frecuencias
portadoras coherentes entre si,
f1=10.23*154=1575.42 MHz
f2=10.23*120=1227.6 MHz
Estas
portadoras estarán moduladas en fase por los códigos pseudoaleatorios que hemos
visto anteriormente, su estructura es la siguiente:
5.2.2- Técnica de espectro ensanchado
El fundamento
de esta técnica consiste en que la señal transmitida se expande sobre un ancho
de banda mayor mediante una modulación extra.
v
La señal que queremos
transmitir se modulará con otra señal con un régimen binario mucho mayor.
v
Esta técnica es muy
robusta frente a las interfrencias (característica muy importante en sistemas
militares).
Los diagramas
de bloques del transmisor y del receptor se muestran a continuación:
5.2.3Mensaje de navegación (NAV DATA)
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 correguir
los errores del reloj del satélite.
v
Modelo para correguir
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.
Su estructura
se muestra a continuación:
5.3-
Diagrama de bloques del generador de la señal GPS
Las señales que transmite el sistema
GPS tienen la estructura siguiente:
Como ya hemos visto, cada satélite
emite dos frecuencias portadoras coherentes entre si,
v
f1=10.23*154=1575.42
MHz
v
f2=10.23*120=1227.6
MHz
El diagrama de bloques del
generador de la señal GPS es el siguiente:
5.4-
Proceso de seguimiento
Cuando el
receptor ya está enganchado con un satélite se asigna el canal/es a los códigos
de los satélites que están visibles y se inicia el proceso de enganche con cada
satélite
Cuando nos
hemos sincronizado con dada uno de los satélites, tras realizar la correlación
detectamos los picos que superan un determinado umbral y a partir de ellos
obtenemos el retardo temporal y con esto la ecuación de un esferoide donde está
el usuario. Repitiendo este proceso para 4 satélites obtenemos la posición del
usuario.
v
Debemos seguir los
picos que superan el umbral para ver como varía esa distancia. A esto se le
llama lazo de seguimiento al código.
También hay un
lazo de seguimiento a la portadora. Este tiene como misión estar continuamente
enganchados a las portadoras que emite el satélite.
Veamos estos dos lazos mediante un diagrama de bloques: