Universidad de Yacambú

1) Historia del GPS.
2) Conceptos Básicos y generalidades del Sistema GPS.
3)Utilidad, basamentos y características esenciales del GPS.
4) Áreas de aplicación del GPS.
5) Principio de medida, Navegación mediante efecto Doppler.
6) Fundamentos geométricos y matemáticos del sistema.
7) Fuentes de error y precisión dentro del sistema GPS.
8) Algunos equipos GPS.

Primer sistema de navegación basado en satélites. Entrada en servicio en 1965. Al principio de los años 60 los departamentos de defensa, transporte y la agencia espacial norteamericanas (DoD, DoT y NASA respectivamente) tomaron interés en desarrollar un sistema para determinar la posición basado en satélites. El sistema debía cumplir los requisitos de globalidad, abarcando toda la superficie del globo; continuidad, funcionamiento continuo sin afectarle las condiciones atmosféricas; altamente dinámico, para posibilitar su uso en aviación y precisión.

Esto llevó a producir diferentes experimentos como el Timation y el sistema 621B en desiertos simulando diferentes comportamientos. El sistema Transit estaba constituido por una constelación de seis satélites en órbita polar baja, a una altura de 1074 Km. Tal configuración conseguía una cobertura mundial pero no constante. La posibilidad de posicionarse era intermitente, pudiéndose acceder a los satélites cada 1.5 h. El cálculo de la posición requería estar siguiendo al satélite durante quince minutos continuamente.

Constelación Transit

    Transit trabajaba con dos señales en dos frecuencias, para evitar los errores debidos a la perturbación ionosférica. El cálculo de la posición se basaba en la medida continua de la desviación de frecuencia Doppler de la señal recibida y su posterior comparación con tablas y gráficos. El error de Transit estaba en torno a los 250 m. Su gran aplicación fue la navegación de submarinos y de barcos.
Navstar. Sistema de posicionamiento global (GPS)
Transit tenía muchos problemas. La entonces URSS tenía un sistema igual que el Transit, de nombre Tsicada. Había que dar un gran salto. La guerra fría fomentaba invertir unos cuantos billones de pesetas en un revolucionario sistema de navegación, que dejara a la URSS definitivamente atrás.
    Se concibió un sistema formado por 24 satélites en órbita media, que diera cobertura global y continua. RockWell (California) se llevó uno de los contratos más importantes de su época, con el encargo de 28 satélites por 170.000.000.000 (ciento setenta mil millones) de pesetas.
Constelación Navstar
    El primer satélite se lanzó en 1978, y se planificó tener la constelación completa ocho años después. Unido a varios retrasos, el desastre de la lanzadera Challenger paró el proyecto durante tres años. Por fin, en diciembre de 1983 de declaró la fase operativa inicial del sistema GPS. El objetivo del sistema GPS era ofrecer a las fuerzas de los EE.UU. la posibilidad de posicionarse (disponer de la posición geográfica) de forma autónoma o individual, de vehículos o de armamento, con un coste relativamente bajo, con disponibilidad global y sin restricciones temporales. La iniciativa, financiación y explotación corrieron a cargo del Departamento de Defensa de los EE.UU. (DoD), el GPS se concibió como un sistema militar estratégico.

Constelación Navstar
Satélite Navstar
    En 1984 un vuelo civil de Korean Airlines fue derribado por la Unión Soviética al invadir por error su espacio aéreo. Ello llevó a la administración de Reagan a ofrecer a los usuarios civiles cierto nivel de uso de GPS, llegando finalmente a ceder el uso global y sin restricciones temporales, de esta forma se conseguía un retorno a la economía de los EE.UU. inimaginables unos años atrás. Además suponía un gran liderazgo tecnológico originando un vertiginoso mercado de aplicaciones.
Desde 1984, con muy pocos satélites en órbita, aparecieron tímidamente fabricantes de receptores GPS destinados al mundo civil (Texas Instruments y Trimble Navigation).

2) Generalidades
¿Qué es el GPS?
El sistema GPS (Global Positioning System) o Sistema de Posicionamiento Global es un sistema compuesto por una red de 24 satélites denominada Navstar, situados en una órbita a unos 20.200 Km. de la Tierra, y unos receptores GPS que permiten determinar una posición en cualquier lugar del planeta, de día o de noche y bajo cualquier condición meteorológica.

El sistema GPS es capaz de precisiones asombrosas: en teoría se podría conocer la situación con un error de 3 cm mediante técnicas de enganche en fase. Para vehículos estas técnicas son complejas de conseguir, por lo que se usa el método "estándar" de enganche al código transmitido; de esta manera se podrían conseguir precisiones de 3 metros. La generalización del acceso a esta precisión supone un compromiso para la seguridad nacional, por lo que se procedió a modificar el sistema en varios aspectos.

Para adaptar el sistema GPS a los usuarios civiles se crearon dos tipos de servicio:
SPS (Standard Positionig Service)
PPS (Precise Positioning Service)
La diferencia entre ambos es que el SPS permite 10 veces menor precisión y fiabilidad que el PPS. Esta limitación es inherente al sistema.

    Las primeras pruebas demostraron que el sistema era mejor de lo que se diseñó en un principio, por lo que se decidió empeorar las características de forma premeditada transmitiendo información falsa desde los satélites para permitir una precisión en el servicio SPS de unos 100 metros el 90% del tiempo, lo que es suficiente para navegación pero no para dirección de armas.
    Cabe mencionar que este sistema de posicionamiento global, a pesar de haber sido inventado hace ya casi tres décadas para algunos resulta desconocido. Esto lo podemos atribuir a dos cosas, primero, que el sistema empezó a funcionar de forma pública en 1990, hace casi trece años. En segundo, el hecho de que en un comienzo era una tecnología publica pero no muy accesible para todos, pues tener un GPS era algo costoso y con el paso del tiempo ha cambiado.
    Es importante recalcar como un descubrimiento o creación que surgió con fines bélicos, es también capaz de ser utilizado a favor del bienestar de la población, mediante seguridad aérea, marítima y prontamente terrestre entre otras. Este sistema ha subsistido como el único en su categoría y es controlado por Estados Unidos. Pero en un futuro próximo quizá habrá otra red semejante creada y coordinada por los países europeos.

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.

Aún 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 decir la localización de un objeto en cualquier parte de la tierra y hasta 300 pies por sobre su superficie. Las técnicas de mejora, como el GPS diferencial (DGPS), permiten a los usuarios alcanzar hasta 3m 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.

Las características del sistema GPS se pueden agrupar en unos pocos puntos:

Determinación de la posición tridimensional. Con tres coordenadas: latitud, longitud, altura sobre el nivel del mar, o cualesquiera.
Determinación tridimensional de la velocidad.
Determinación del tiempo exacto con un error de un microsegundo.
Cobertura global las 24 horas del día.
Alta fiabilidad.
Independencia de transmisores terrestres.
Gran precisión en todo tipo de condiciones atmosféricas.
Evaluación de la precisión conseguida.
Versátil y válido para todo tipo de usuarios.

4) Áreas de aplicación del GPS.

Algunas de las muchas aplicaciones del GPS son las siguientes:
Aplicaciones en la navegación

Navegación marítima

    Su implantación ha sido muy rápida (como se ha mencionado anteriormente, antes las embarcaciones empleaban el sistema TRANSIT). Se piensa que en poco tiempo toda la navegación marítima se basará en GPS. Actualmente también se emplean sistemas hiperbólicos, pero estos sistemas tienden a desaparecer. El costo del sistema GPS es bajo (además los barcos no requieren receptores de gran calidad) y lo puede usar cualquier embarcación.

Navegación terrestre

En este caso hay dos mercados principales:

GPSMAP 180 / Garmin

Automóviles

    Integran el GPS y sistemas gráficos avanzados para proporcionar un sistema de guiado desde un punto de una ciudad a otro evitando atascos.

Receptores personales,

Excursiones en 4x4, como sistema de guiado para invidentes.

    La gran penetración de este sistema se debe al bajo costo de los receptores.

En la actualidad se emplea en aplicaciones profesionales:

Transportes internacionales
Redes de autobuses
Policia
Ambulancias

    También se está observando su aparición en pruebas deportivas como en el caso del ciclismo, donde permite conocer en cada instante y en tiempo real el tiempo que saca un corredor a otro, la pendiente de una rampa de un puerto....

Navegación aérea

    Debido a su mayor complejidad técnica su proceso de instalación ha sido más lento. Se están desarrollando sistemas GNSS que pretender mejorar los actuales sistemas de gestión de vuelos. Se están instalando en áreas de bajo tráfico, ya que su uso no está justificado si tenemos en cuenta que ya existe el RADAR.

Raystar 120 WAAS / Receiver / Receptor GPS - Diferencial Raytheon

Aplicaciones militares

    Como el GPS es un sistema desarrollado por el ejército el desarrollo del GPS en este campo ha sido más rápido que en las aplicaciones civiles.

Se emplea en la nevegación militar (aeronaves, vehículos terrestres, barcos...).

Una de las aplicaciones es:

Guiado de misiles

    Constituye una revolución para los sistemas militares, se usa para el posicionamiento de las tropas.

Ciencias geográficas

Permite situar puntos con gran precisión. Se pueden construir mapas geográficos mucho más precisos, mejorando los que había hasta ahora.

Otras aplicaciones

    Sincronización, pues el GPS ofrece una referencia temporal muy exacta. Lo usan algunos sistemas de transmisión... Para conseguir la referencia temporal sólo se necesita un satélite, es muy barato

    Defensa civil, para la localización y delimitación de zonas afectadas por grandes catástrofes y guiado de vehículos de auxilio.

    El GPS está causando un gran impacto tanto en aspectos tecnológicos como económicos.

Raynav 300 GPS - Ploter / Raytheon

Limitaciones

    La más importante es la dependencia de un único país EE.UU. Concretamente del DoD (departamento de defensa). Cuando ellos quieran pueden eliminar el uso por parte de los civiles del sistema. Actualmente hay dificultad en su uso en ciudades con edificios altos. También es difícil garantizar su integridad, pues en caso de guerra se pueden lanzar misiles para eliminar algún satélite. Además de todas las aplicaciones militares para las que el sistema fue inicialmente diseñado, los civiles cuentan con una herramienta muy potente para la localización y temporización.

    Un equipo portátil GPS calcula la posición cada medio segundo con una precisión más que suficiente para navegación marina y vehículos terrestres El uso adecuado de DGPS puede permitir la aplicación a muchas nuevas áreas tales como:

Repostaje en vuelo bajo condiciones de visibilidad nulas.
Dirección de misiles autónomos.
Localización y control de tropas en operaciones militares remotas.
Estabilización y orientación respecto a la Tierra de la estación espacial internacional comparando la posición de dos GPS situados a una distancia de 109.1 metros.
Localización de aeronaves en aeropuertos (aproximación) con una precisión de 1 metro, lo que permitiría un posible sistema de aterrizaje a ciegas o incluso automático.
Medida precisa de distancias mediante interferometría gracias al enganche en fase con la portadora dentro de cada pulso del código P.
Geodesia e investigación climática, medida de la dinámica tectónica del planeta?
Soporte del tiempo internacional atómico en el Instituto Internacional de Pesas y Medidas de París.
Sector de ocio tal como la navegación de placer, los viajes de aventura, etc.

Cuando la fuente de ondas y el observador están en movimiento relativo con respecto al medio material en el cual la onda se propaga, la frecuencia de las ondas observadas es diferente de la frecuencia de las ondas emitidas por la fuente. Este fenómeno recibe el nombre de efecto Doppler en honor a su descubridor.

Este efecto esta directamente relacionado con la naturaleza ondulatoria del sonido. Cuando el origen de las ondas se desplazan en un sentido causa que ancho de banda del la onda se acorte en la dirección hacia adonde se esta moviendo y se alarguen en el sentido contrario. De esta manera el tono del sonido cambia haciéndose mas alto en la dirección hacia donde el origen de la onda se acerca y de tono bajo hacia adonde se aleja.

Estos códigos están formados por una serie impar de n bits con una duración de T segundos.

Los errores del sistema GPS son una combinación de ruido y desajustes. Los errores por ruido son efecto de ruido del código PRB (alrededor de un metro) y ruido en el receptor (un metro aproximado). Los errores por desajuste son resultado de la disponibilidad selectiva y otros factores.

Disponibilidad Selectiva
Desde la creación del sistema hasta el 1 de mayo de 2000 el sistema GPS incorporaba un error intencionado la disponibilidad selectiva (SA selective Availability).
La disponibilidad selectiva es la degradación intencionada que de las señales del servicio de posicionamiento estándar (SPS) mediante variaciones en los datos de corrección de reloj.
La disponibilidad selectiva está controlada por el Departamento de defensa de los estados unidos para limitar la precisión a los usuarios no pertenecientes al gobierno o defensa estadounidenses. La precisión potencial del código C/A de 30 metros es reducida hasta 100 metros (dos desviaciones estándar).

Los errores de los relojes de los satélites no corregidos por las estaciones de control de tierra pueden originar errores de 1 metro.
Los errores en efemérides pueden producir 1 metro de error.
Retardos troposféricos, 1 metro. La troposfera es la capa más baja de la atmósfera (desde la superficie hasta entre 8 y 13 Km), esta capa esta afectada por cambios de temperatura, presión y humedad asociados a cambios meteorológicos. Se requieren modelos de los retardos troposféricos que aproximen estos parámetros.
Retardos por la ionosfera, 10 metros. La ionosfera es la capa de la atmósfera que va desde los 50 hasta 500 Km de altura y consiste en aire ionizado. El modelo de transmisión para esta capa, que es enviado en la trama de datos, sólo puede eliminar la mitad de los posibles 70ns dejando un residuo que puede dar errores de 10 metros. Los receptores que usan las portadoras L1 y L2 pueden corregir todo el error.
Multicamino: ½ metro. El multicamino es causa por la reflexión de las señales en superficies próximas al receptor y pueden interferir o producir errores en las señales que llegan directamente desde los satélites al receptor. El error por multicamino es muy difícil de detectar y en ocasiones es imposible de evitar.
Las espúreas pueden producir errores de cientos de kilómetros.
Errores en el segmento de control debido a fallos humanos o de computación pueden causar errores desde un metro a cientos de kilómetros.
Errores de usuario, incluyendo la selección de un Datum geodésico erróneo, pueden causar errores desde uno hasta unos cientos de metros
Errores en el receptor debidos a fallos de programa o del hardware pueden producir errores esporádicos de cualquier magnitud.
Ruido y desvío de relojes, pueden resultar en errores de alrededor de los 15 metros para cada satélite utilizado en cálculo de la posición.

A continuación se presentan algunos equipos GPS existentes en el mercado:

	El eTrex® porta las mejores características de un receptor GPS de 12 canales y las pone en un paquete de 170 gr. que mide solamente 10 x 5 cm. El resultado es una unidad que literalmente cabe en la palma de su mano.
El eTex Vista combina un mapa base de Norte y Sudamérica, con un alímetro/barómetro y brújula electrónica. La brújula proveed de información de dirección mientras que está parado y el altímetro determina su altitud precisa.
	El revolucionario GPS II+ es el GPS de mano de alta capacidad de GARMIN. Con un impresionante receptor de 12 canales paralelos para una rápida y mejorada adquisición de señal de satélite, el GPS II Plus está diseñado para seguir cualquier ruta que tenga en mente.
Nueva mejora del modelo eTrex. En este caso, este receptor permite su utilización con el sistema WAAS. Este sistema permite obtener precisiones en el plano horizontal de 3 metros, en lugar de los 10-12 actuales.

El Sistema Global de Posicionamiento 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.

Al principio de los 60 los departamentos de defensa, transporte y la agencia espacial norteamericanas (DoD, DoT y NASA respectivamente) tomaron interés en desarrollar un sistema para determinar la posición basado en satélites.

En este artículo se analiza la historia, desarrollo, funcionamiento y aplicaciones del denominado "GPS" cuyas siglas significan Global Positioning System. En español conocido como Sistema de Posicionamiento Global.

El sistema basado en satélites debía cumplir los requisitos de globalidad, abarcando toda la superficie del globo; continuidad, funcionamiento continuo sin afectarle las condiciones atmosféricas; altamente dinámico, para posibilitar su uso en aviación y precisión.

El sistema de posicionamiento global NAVSTAR/GPS (Navigation System Using Timing and Ranging/Global Positioning System) es el proyecto espacial más caro de la historia de la humanidad y fue desarrollado por el Departamento de Defensa de los EE.UU. Su finalidad era meramente militar, y perseguía dotar a las tropas y dispositivos militares de una referencia espacial y temporal precisa.

El sistema GPS es utilizado en la actualidad por muchos otros sistemas e inclusive ya es una herramienta de trabajo, por ejemplo es utilizado en aeronaves, para guiarse en el espacio, por los geólogos para la medición de movimientos telúricos, por ingenieros y guardia civil para monitoreo de monumentos o estructuras como puentes colgantes y evidentemente por la fuerza militar y secreta de los Estados Unidos de América.

El sistema NAVSTAR-GPS (Sistema de NAVegación y Alineación GPS) se basa en la medida simultánea de la distancia entre el receptor y al menos 4 satélites.

Los sistemas de navegación solucionan un problema muy antiguo en la historia de la humanidad: La necesidad de conocer la posición sobre la superficie terrestre. Sin esa capacidad los movimientos por tierra deben basarse en puntos de referencia conocidos, y los movimientos marítimos deben restringirse a una franja de mar en que la costa sea visible.

Es posible que en el futuro haya un sistema internacional proporcionando servicio de posicionamiento similar al que ofrece el GPS. Este sistema podría ser construido y administrado por un único país o por un consorcio de países, ya que es inconcebible que una entidad comercial pueda construir tal sistema. Actualmente, existe sólo una alternativa al GPS que es el sistema GLONASS ( Global Orbiting Navigation Satellite System ) de la Federación Rusa. La agencia espacial europea, ESA (European Spacial Agency), proyecta crear un sistema similar al GPS que proporcione más servicios que se llamará

La historia del GPS demuestra cómo una investigación básica hizo posible en primer lugar el desarrollo de una tecnología de defensa vital y posteriormente una gran variedad de aplicaciones comerciales. Existen muchos otros avances tecnológicos que han contribuido al desarrollo del GPS, entre los que podemos mencionar las tecnologías de control y lanzamiento de satélites, los microchips, la tecnología de microondas y la radionavegación.