Equipos de Posicionamiento por Satélite GPS y DGPS

 

 


T.S.U. Douglas Ysrael Perdomo Ramírez

 

 

 

 

SISTEMA GPS

 

 

 

Generalidades y Descripción del Sistema GPS

 

 

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, y uno de los campos en los cuales se ha manifestado especialmente dicho avance, es en las aplicaciones que conciernen a las ciencias de la Tierra, y dentro de ellas, de manera notable en el estudio de su forma y dimensiones (Geodesia), así como, en el estudio de los fenómenos físicos que afectan y condicionan dicha forma y dimensiones (Geofísica).

 

A principios de los años 80s, se empezaron a utilizar estos métodos para aplicaciones de índole civil, tales como actividades de navegación aérea, marítima y terrestre, lo que supuso un importante avance en la organización y el estado de los transportes y comunicaciones mundiales.

 

Es por ello que constituyen, hoy por hoy, unos de los sistemas de medida más usados y con mayores expectativas de futuro. Este hecho los obliga a estar en continua evolución para que la comunidad mundial obtenga resultados cada vez más satisfactorios. Pero es esta comunidad, y en concreto los profesionales de las materias afectadas, los que deben disponer de la documentación y experiencias necesarias para llegar a dominar estos métodos de trabajo y obtener de ellos el máximo rendimiento.

 

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 a 24 satélites activos en órbita alrededor de la tierra a una altura de aproximadamente 20 000 km., las 24 horas del día, desplazándose a una velocidad de 14.500 Km./h.

 

Las órbitas son casi circulares y se repite el mismo recorrido sobre la superficie terrestre (mientras la tierra rota a su vez sobre si misma) de esta forma en prácticamente un día (24 horas menos 4 minutos) un satélite vuelve a pasar sobre el mismo punto de la tierra. Los satélites quedan situados sobre 6 planos orbitales (con un mínimo de 4 satélites cada uno), espaciados equidistantes a 60 grados e inclinados unos 15 grados respecto al plano ecuatorial. Esta disposición permite que desde cualquier punto de la superficie terrestre sean visibles entre cinco y ocho satélites.

 

Normalmente  hay más número de satélites ya que se ponen en órbita unidades nuevas para reponer satélites antiguos que tienen una vida media aproximada de siete años y medio.

 

Hasta la actualidad han habido tres generaciones de satélites, los Block I (actualmente inoperativos), Block II (9 satélites entre 1989 y 1990 y 19 adicionales hasta el 1997) y Block IIR (un satélite en 1998). En enero de 1999 orbitaban 27 satélites GPS en total.

 

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. Se utilizan cuatro señales para el cálculo de posiciones en tres dimensiones y del ajuste del reloj del receptor en el bloque receptor.

 

La estación maestra de control (MCS) está situada en Falcon AFB en Colorado Spring. Las estaciones de control miden las señales procedentes de los satélites y son incorporadas en modelos orbitales para cada satélite. Los modelos calculan datos  de ajuste de órbita (efemérides) y correcciones de los relojes de cada satélite. La estación maestra envía las efemérides y correcciones de reloj a cada satélite. Cada satélite envía posteriormente subconjuntos de estas informaciones a los receptores de GPS mediante señales de radio.

 

La distancia a cada satélite es determinada haciendo uso de la fórmula         d = c* ð t ; en donde c corresponde a la velocidad de la luz en el vacío y ð 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.

 

 

 

Sistema de Posicionamiento Global

 

El Global Positioning System (GPS) o Sistema de Posicionamiento Global (más conocido con las siglas GPS; su nombre más correcto es NAVSTAR GPS) es un Sistema Global de Navegación por Satélite (GNSS) el cual permite determinar en todo el mundo la posición de un objeto, una persona, un vehículo o una nave, con una precisión hasta de centímetros usando GPS diferencial, aunque lo habitual son unos pocos metros. El sistema fue desarrollado e instalado, y actualmente es operado, por el Departamento de Defensa de los Estados Unidos.

El GPS funciona mediante una red de 24 satélites (21 operativos y 3 de respaldo) en órbita sobre sobre el globo a 20.200 km con trayectorias sincronizadas para cubrir toda la superficie de la tierra. Cuando se desea determinar la posición, el aparato que se utiliza para ello localiza automáticamente como mínimo cuatro satélites de la red, de los que recibe unas señales indicando la posición y el reloj de cada uno de ellos. En base a estas señales, el aparato sincroniza el reloj del GPS y calcula el retraso de las señales, es decir, la distancia al satélite. Por "triangulación" calcula la posición en que éste se encuentra. La triangulación en el caso del GPS, a diferencia del caso 2-D que consiste en averiguar el ángulo respecto de puntos conocidos, se basa en determinar la distancia de cada satélite respecto al punto de medición. Conocidas las distancias, se determina fácilmente la propia posición relativa respecto a los tres satélites. Conociendo además las coordenadas o posición de cada uno de ellos por la señal que emiten, se obtiene la posición absoluta o coordenadas reales del punto de medición. También se consigue una exactitud extrema en el reloj del GPS, similar a la de los relojes atómicos que desde tierra sincronizan a los satélites.

 

Utilidad del GPS

 

El GPS funciona mediante una red de satélites que se encuentran orbitando alrededor de la tierra. Cuando se desea determinar la posición, el aparato que se utiliza para ello localiza automáticamente como mínimo cuatro satélites de la red, de los que recibe unas señales indicando la posición y el reloj de cada uno de ellos. En base a estas señales, el aparato sincroniza el reloj del GPS y calcula el retraso de las señales, es decir, la distancia al satélite. Por "triangulación" calcula la posición en que éste se encuentra. La triangulación consiste en averiguar el ángulo de cada una de las tres señales respecto al punto de medición. Conocidos los tres ángulos se determina fácilmente la propia posición relativa respecto a los tres satélites. Conociendo además las coordenadas o posición de cada uno de ellos por la señal que emiten, se obtiene la posición absoluta o coordenadas reales del punto de medición. También se consigue una exactitud extrema en el reloj del GPS, similar a la de los relojes atómicos que desde tierra sincronizan a los satélites.

 

Naturalmente, podemos utilizar nuestro receptor GPS para todo aquello en lo que creamos que nos puede ser útil. No obstante, debemos tener en cuenta que son, exclusivamente, receptores de datos que calculan nuestra posición exacta y que no trabajan con ningún dato analógico (temperaturas, presión, humedad...). Son dispositivos extraordinariamente útiles para cualquier tarea de navegación, seguimiento de rutas, almacenamiento de puntos para posteriores estudios, ...pero en ningún caso podemos esperar deducir datos atmosféricos a partir de ellos.

 

Todo esto lo podemos sintetizar diciendo que un receptor GPS nos proporciona, para la navegación terrestre, muchas más prestaciones que las que podemos necesitar para orientarnos. Los seguimientos de desvío de rumbos, los seguimientos de rutas, brújulas electrónicas, etc., son funciones que podemos encontrar en nuestros "pequeños" GPS's.

Para aquellos que necesiten un GPS para situar puntos más que para orientarse o navegar, como cartógrafos, geógrafos, topógrafos, geólogos, etc., deberán valorar qué tipo de trabajo de campo van a desarrollar, de tal forma que puedan deducir si necesitan más o menos funciones de navegación, o más o menos capacidad de almacenamiento de puntos, y decidir cuáles son sus necesidades y prioridades para utilizar estos dispositivos. No obstante podemos adelantar que cualquiera de los GPS's que hemos denominado como "pequeños", acostumbran a ser suficientes para la mayoría de este tipo de trabajos. Si es necesario trabajar con sistemas de coordenadas distintas a los habituales UTM, OSGB, etc. o está previsto utilizar mucha variedad de Datums, habrá que consultar las indicaciones técnicas para cada modelo y buscar el más indicado. Casi todas las firmas disponen de modelos de gama media, que optimizan mejor estos recursos.

También es interesante destacar, la gran utilidad de estos dispositivos para cuestiones de seguridad, pensemos en la cantidad de pérdida de vidas y de situaciones traumáticas que se podrían evitar, si en cualquier tipo de actividad al aire libre en la que las cosas se han complicado y se requiere la actuación de un equipo de rescate, se les pudiera facilitar la posición exacta de las que se encuentra un accidentado. Probablemente, nos parezca un tanto sofisticado y poco ortodoxo, andar por ahí con un GPS y un teléfono móvil GSM para si tenemos problemas, pero podemos suponer que a Russell, a Barrau, incluso a Hillary les deben parecer casi igual de sofisticado un crampón de aleación con 12 puntas y fijación automática, o una prenda de Gore o un bastón telescópico ultraligero de tres tramos, o un sobre de liofilizado, o un piolet modular ergonómico...y un sin fin de cosas a las que nos hemos acostumbrado y ya nos parecen normales.

 

Fundamentos del GPS

 

 

Los fundamentos técnicos del sistema G.P.S. se basan en teoría avanzada de tratamiento de la señal. A continuación se ofrece una pequeña profundización en estos aspectos:

 

 La constelación de satélites GPS 

 

Los satélites de la constelación GPS, llamados NAVSTAR, navegan en 6 planos orbitales con una inclinación de 55º respecto al Ecuador, a una altitud de 10,898 millas náuticas, donde cada satélite tiene una zona de visión directa del 38% de la Tierra (fig.11). Las frecuencias utilizadas son de 1227.6 y 1575.42 MHz. La constelación completa consta de 28 satélites activos actualmente (año 2001). Tanto los satélites como el equipamiento de apoyo basado en tierra son financiados por el Departamento de Defensa de EE.UU., pero el servicio está disponible gratuitamente para cualquier usuario civil.

 

Señales utilizadas en el GPS 

 

Cada satélite utiliza dos portadoras de microondas. La elevada frecuencia de las mismas permite la utilización de antenas pequeñas, lo cual las hace apropiadas para su instalación en equipos portátiles.

 

Fuentes de error en el GPS 

 

En realidad, hay muchísimos problemas que pueden afectar a estos cálculos ideales que hemos visto.

 

La principal fuente de error es intencionada y se denomina Disponibilidad Selectiva o SA (Selective Availability). Consiste en la contaminación de las señales de telemetría que utilizan los usuarios no privilegiados y sirve como mecanismo de defensa ante elementos no autorizados que pretendan utilizar el GPS como sistema hostil para los EE.UU. y sus países aliados.

 

Retardo de propagación en la atmósfera. Hasta ahora, habíamos utilizado la velocidad de la luz para los cálculos, pero ésta sólo es constante en el vacío. Una señal GPS atraviesa varias capas no homogéneas de la atmósfera, produciendo un retardo adicional al de sincronización: la ionosfera está llena de partículas cargadas y su distribución en tamaño y densidad de carga es variable en función del la radiación solar, las fluctuaciones del campo magnético terrestre y otros factores.

 

Propagación multicamino. Igualmente, también puede haber errores debidos a reflexión de las señales en diversos obstáculos cercanos al receptor.

 

Errores de efemérides. Las posiciones oritales teóricas de los satélites pueden variar con el tiempo. Estos errores se denominan "errores de efemérides", y se solucionan monitorizando constantemente cada satélite, como hemos visto antes, y transmitiendo las correcciones oportunas desde el control de misión. Además, pueden aparecer errores de reloj no corregidos por el sistema de control de errores.

 

Atenuación de precisión debida a posición. Estos errores se deben a la propia posición de los satélites: si el receptor sintoniza satélites cercanos entre sí, las esferas interferentes de las que hemos hablado se intersectan en ángulos muy agudos, lo cual hace aumentar el área de error de posición.

 

Receptores GPS 

 

Funcionalmente existen tres tipos de receptores GPS:

 

Receptores secuenciales o monocanal. Están dotados de un único canal radio y por tanto sólo pueden enganchar un satélite a la vez.

 

Receptores continuos o multicanal. El receptor está equipado con al menos 4 canales, que se utilizarán para sincronizar con las emisiones de otros tantos satélites de forma simultánea.

 

Receptores multiplexados. Se dispone de un único canal físico sobre el que se implementan varios canales lógicos por software, con los que se pueden sincronizar datos de todos los satélites visibles en un tiempo no superior a unos 20 milisegundos.

 

 

Características Técnicas del GPS

 

 

v     El GPS es un sistema que nos facilita nuestra posición en la Tierra y nuestra altitud, con una precisión casi exacta, incluso en condiciones meteorológicas muy adversas.

 

v     Calcular nuestra posición actual, con lo que, podemos localizarla en un mapa.

 

v     Guiar o encaminarnos hacia un destino seleccionado (rutas).

 

v     Guardar nuestra posición actual en memoria para ayudarnos a volver a ella cada vez que lo deseemos.

 

v     Una de las características más importantes de los receptores GPS es la de poder grabar o marcar una determinada posición a través de la función Waypoint, la cual generalmente podremos asociar un nombre (o incluso un icono).

 

v     Se pueden crear rutas (agrupación en secuencia de waypoints): una ruta contiene una posición de partida y una final, así como toda una serie de localizaciones intermedias a lo largo del trayecto.

 

 

Disponibilidad Selectiva del GPS

 

La conocida como Disponibilidad Selectiva es una degradación intencionada de la señal GPS con el fin de evitar la excesiva precisión de los receptores GPS comerciales modernos.

 

 

 

 

 

 

 

Con objeto de impedir que el sistema fuese utilizado con fines no pacíficos por enemigos de los Estados Unidos (guiado de misiles fundamentalmente) el Departamento de Defensa estadounidense, encargado de su mantenimiento y precisión, optó por degradar intencionadamente la señal que emiten los satélites de la constelación NAVSTAR. Esto se llevó a cabo de dos maneras:

Con ellos se conseguía limitar la precisión horizontal a unos valores de entre 15-100 metros y 156 metros en la vertical en los modelos civiles, no viéndose afectado a los receptores militares de Estados Unidos y sus aliados al poder decodificar este error.

Tal situación ocurrió, por ejemplo, durante la Primera Guerra del Golfo Pérsico en 1992, cuando la precisión de los receptores GPS civiles disminuyó sustanciablemente, viéndose afectadas numerosas actividades que hacían uso de esta señal.

El desarrollo de nuevas técnicas que corregían estos desfases, como el uso combinado del sistema NAVSTAR estadounidense y el GLONASS ruso (este último sin recortes en la precisión) o la utilización del sistema DGPS que permitía estimar el error inducido, así como la concepción de nuevos Sistemas Globales de Navegación por Satélite (EGNOS/WAAS/MSAS/GAGAN o el Galileo europeo), y la dependencia cada vez mayor del GPS por parte de la población civil hizo que la Disponibilidad Selectiva fuese eliminada el 2 de mayo de 2000 por el presidente Bill Clinton.

El Sistema de Posicionamiento Global NAVSTAR no es el único Sistema de Posicionamiento existente. El Sistema Ruso GLONASS es también operativo, y a pesar de que actualmente la constelación no está completada, proporciona a los usuarios civiles unas precisiones en el posicionamiento absoluto típicamente mejores que las que proporciona el Sistema GPS, debido a la aplicación de la degradación intencionada de la información denominada Disponibilidad Selectiva (SA).

 

INFOGRAFÍA

Langley, R., Review and Update of GPS and GLONASS, in GPS World of July 1997.

Langley, R., GPS Receiver System Noise, in GPS World of June 1997.

Disponibilidad Selectiva, De Wikipedia, la enciclopedia libre

Enciclopedia Encarta 2006.

www.google.com.ve

www.altavista.com

www.monografias.com