Características Técnicas

Las características técnicas del sistema GPS son los siguientes: Un número de 21 satélites activos más 3 en reserva, orbitan alrededor de la Tierra a una altura de 20.170 km, efectuando una vuelta completa de periodos de 12 horas en seis planos orbitales situados a 55º sobre el plano ecuatorial.

Con esta disposición se asegura que, por lo menos, de cuatro a seis satélites son visibles simultáneamente en cualquier punto del planeta durante las 24 horas del día para asegurar la navegación a todo tipo de móvil. La frecuencia de transmisión se sitúa en la banda de radar de 20 cm, correspondiente a una frecuencia de 1.227,60 mhz y 1.542 mhz, incorporando a cada satélite cuatro relojes atómicos de altísima precisión.

La teoría básica del GPS se basa en la medida de la distancia desde el receptor a varios satélites, que se consideran puntos de referencia fijos en el espacio. De ahí la alta precisión requerida en los patrones de tiempo para minimizar errores. Son necesarias las indicaciones de tres satélites para obtener medidas precisas y válidas en 2D y cuatro satélites para 3D. La precisión obtenida depende de dos claves, asignadas por los americanos, la P (precisión), para uso militar, y la C/A (Coarse/Acquisition) para uso civil. En la primera de ellas se obtiene una precisión diabólica, ya que pueden resolverse cifras de centímetros. La clase C/A, que podríamos denominar "rango ampliado", proporciona menor precisión, aunque en condiciones normales el error no dificulta la utilización normal. Los parámetros proporcionados por la mayoría de los GPS comerciales son: situación geográfica en coordenadas, velocidad con respecto a tierra, tiempo estimado de llegada al punto de destino, tiempo transcurrido desde el inicio del movimiento, rumbo y desviación, puntos alternativos, entre los más importantes.

Tabla I. Características de las constelaciones NAVSTAR y GLONASS

Los osciladores a bordo de los satélites GPS generan una frecuencia fundamental f_o 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 f_o de la siguiente manera (Hoffman-Wellenhof, Lichtenegger y Collins, 1993):

f_o = 10.23 Mhz
Portadora L1 = 154 f_o = 1575.42 Mhz @ 19 cm.
Portadora L2 = 120 f_o = 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 seudo aleatorio (PRN). El primero es el llamado código C/A (Coarse adquisition) generado con una frecuencia igual a f_o/10, el cual se repite cada milisegundo. El segundo es el llamado código P (o código Preciso) generado mediante una frecuencia igual a f_o 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 : f_o/10 = 10.23 Mhz en L1 y L2
Código C/A : f_o = 1.023 Mhz en L1

El mensaje de navegación del GPS consiste en unas tramas temporizadas de datos que marcan el tiempo de transmisión de cada subparte del mensaje en el momento en que son transmitidas por el satélite. Una trama de datos ocupa 1500 bits divididos en subpartes de 300 bits. Las tramas se transmiten cada 30 segundos (50 bit/s). Tres subpartes de 6 segundos contienen datos orbitales y temporales. Las correcciones del reloj son transmitidas en la primera subparte y en la segunda y tercera se transmiten datos de información orbital (efemérides). La cuarta  contiene información del estado del satélite y otros parámetros de navegación y la quinta se usa para transmitir el almanaque de un satélite. Cada 12 minutos y medio se retransmite toda la información completando 25 tramas completas.

Fig. 5. Formato de datos GPS

EL almanaque es un conjunto de parámetros orbitales aproximados de todos los satélites. Los diez parámetros describen la órbita de cada satélite para largos periodos de tiempo (pueden ser utilizados durante varios meses en la mayoría de los casos). Son enviados por cada satélite cada 12 minutos y medio (25 tramas de datos) como mínimo. El tiempo de adquisición de señal en el arranque de un receptor GPS puede ser mejorado significativamente si dispone del almanaque actualizado.

• El código C/A tiene una tarifa de la viruta de 1.023 megaciclos, un período de 1 milisegundo (ms) y se utiliza sobre todo adquirir el código-P. modula la fase del portador L1. El código de C/A es un pseudo código al azar de repetición del ruido de 1 megaciclo (PRN). Esto ruido como código modula la señal de portador L1, "separando" el espectro sobre una anchura de banda de 1 megaciclo. El código de C/A repite cada 1023 pedacitos (un milisegundo). Hay un diverso código PRN de C/A para cada SV. Los satélites del GPS son identificados a menudo por su número de PRN, el identificador único para cada código del pseudo-al azar-ruido. El código de C/A que modula el portador L1 es la base para el SPS civil.

• El código de precisión (P) tiene una tarifa de 10.23 megaciclos, un período de 7 días y es el código que se extiende de la navegación principal. modula las fases del portador L1 y L2. El P-Co'digo es (siete días) 10 un código muy largo del megaciclo PRN. En el modo de operación de Anti-Spoofing (COMO), el código-P se cifra en el código-Y.

• El código -Y se utiliza en lugar del código-P siempre que (COMO) se active el modo de operación anti-spoofing. requiere clasificado COMO módulo para cada canal del receptor y está para el uso solamente por los usuarios autorizados con llaves criptográficas. El código-P (el Y) es la base para el PPS.

El código de C/A está disponible en la frecuencia L1 y el código-P está disponible en L1 y L2. Los varios satélites todos transmiten en las mismas frecuencias, L1 y L2, pero con asignaciones de código individuales. Debido al espectro de la extensión característico de las señales, el sistema proporciona un margen grande de la resistencia a interferencia. Cada satélite transmite un mensaje de la navegación que contiene sus elementos, comportamiento del reloj, tiempo del sistema y mensajes orbitales del estado. Además, también se proporciona los datos aproximados para cada satélite activo. Esto permite que el usuario fije para encontrar todos los satélites una vez que se haya adquirido el primer.

Tres códigos binarios cambian de fase del portador L1 y/o L2.

El mensaje de la navegación también modula la señal del código de L1-C/A. El mensaje de la navegación es los bits de 50 hertzios que consisten en datos de la señal que describen las órbitas basadas en los satélites del GPS, las correcciones del reloj, y otros parámetros del sistema.

Code Phase Tracking (Navegación)

• Si el receptor le envía un PRN distinto al satélite, este no responde y  no hay correlación de tramas.

• Cuando el receptor utiliza el mismo código que el satélite, se detecta  una débil señal de alimentación.

• Cuando el código recibido por el satélite y el del receptor terminan de ser transmitidos correctamente, la señal portadora es desencriptada y la señal de alimentación adquiere mas potencia.

• El receptor GPS utiliza la señal de alimentación recibida para alimentar el código C/A en el receptor con el código C/A del satélite GPS.

Carrier Phase Tracking (Topografía)

El CPT ha significado una revolución en el campo de la topografía. Ya no  hace falta recorrer todo el terreno para saber como es. Se pueden medir posiciones hasta 30 kms desde el punto de referencia sin puntos intermedios  ni nada. Este uso del GPS requiere que el receptor este especialmente equipado para poder analizar la fase de la señal portadora.

Las señales L1 y L2 se utilizan para topografia/cartografia. La portadora  L1 tiene una longitud de onda de 19 cms. Si los ciclos de la portadora se  tracean y analizan se pueden obtener mediciones con precisiones incluso de  milimetros, bajo ciertas circunstancias especiales.

El CPT no contiene información del tiempo de transmisión. Las señales del  CPT se distinguen unas de otras durante la desmodulación. La precisión del CPT  es tal que dos receptores podrían tracear la fase de las portadoras L1 y/o L2  al mismo tiempo. Las diferencias entre los retardos ionosféricos entre los dos receptores debe ser suficientemente pequeña para poder recibir las señales correctamente.

Las diferentes mediciones que se pueden obtener al media la fase en los  dos receptores puede reducirse utilizando un software que pueda calcular  tridimensionalmente las posiciones entre la estación de referencia y el  receptor remoto. No es difícil obtener medidas de alta precisión por debajo del centímetro, pero el problema principal aparece cuando el ruido afecta a  la señal o cuando el receptor se esta moviendo.

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