UNIVERSIDAD DE YACAMBU

PARTICIPANTE: ANGEL L. PEREZ M

C.I. V-11.490.005

TEMA: Principio de funcionamiento del DGPS

El sistema GPS (Global Positioning System o Sistema de Posicionamiento Global) fue creado por el Departamento de Defensa de los Estados Unidos (DoD, Department of Defense) para constituir un sistema de navegación preciso con fines militares que sustituyera al antiguo sistema utilizado, que no era otro que las mediciones Doppler sobre la constelación Transit.

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.

Una de las maneras más utilizadas para capturar información geográfica e incorporarla a un GIS lo constituye el sistema GPS. El término GPS procede del acrónimo de la expresión inglesa 'Global Positioning System' (Sistema de Posicionamiento Global). Se trata de un sistema que permite calcular las coordenadas de cualquier punto de la superficie terrestre a partir de la recepción de señales emitidas desde una constelación de satélites en órbita. Básicamente, su principal funcionalidad es que permite al usuario conocer, mediante un receptor, su posición en cualquier parte del planeta.

Los diferentes métodos e instrumentos existentes condicionan la precisión de las mediciones realizadas, existiendo un amplio abanico de posibilidades en cuanto a resolución. En este artículo trataremos de explicar el funcionamiento general del sistema, analizando también las características y prestaciones de los diferentes métodos y tipos de aparatos actualmente en el mercado.

PRINCIPIOS BÁSICOS DE FUNCIONAMIENTO

El sistema GPS funciona mediante unas señales de satélite codificadas que pueden ser procesadas en un receptor GPS permitiéndole calcular su posición, velocidad y tiempo.

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

Aunque los receptores GPS utilizan tecnología punta, los principios básicos de funcionamiento son sencillos y los podríamos resumir en los cuatro apartados siguientes.

Triangulación: la base del sistema

El principio básico fundamental en el funcionamiento del sistema GPS, consiste en utilizar los satélites de la constelación NAVSTAR situados en distintas órbitas en el espacio, como puntos de referencia precisa para determinar nuestra posición en la superficie de la Tierra.

Esto se consigue obteniendo una medición muy precisa de nuestra distancia hacia al menos tres satélites de la constelación, pudiéndose así realizar una "triangulación" que determine nuestra posición en el espacio.

De todas formas, si quisiéramos ser absolutamente técnicos, la trigonometría nos dice que necesitamos las distancias a cuatro satélites para situarnos sin ambigüedad. Pero en la práctica tenemos suficiente con solo tres, si rechazamos las soluciones absurdas.

Medición de las distancias

El sistema GPS funciona midiendo el tiempo que tarda una señal de radio en llegar hasta el receptor desde un satélite y calculando luego la distancia a partir de ese tiempo.

DISTANCIA = VELOCIDAD DE LA LUZ x TIEMPO

Las ondas de radio viajan a la velocidad de la luz: 300.000 km/sg en el vacío. Así, si podemos averiguar exactamente cuando recibimos esa señal de radio, podremos calcular cuanto tiempo ha empleado la señal en llegar hasta nosotros. Por lo tanto, solo nos falta multiplicar ese tiempo en segundos por la velocidad de la luz (300.000 km/sg) y el resultado será la distancia al satélite.

La clave de la medición del tiempo de transmisión de la señal de radio, consiste en averiguar exactamente cuando partió la señal del satélite. Para lograrlo se sincronizan los relojes de los satélites y de los receptores de manera que generen la misma señal exactamente a la misma hora. Por tanto, todo lo que hay que hacer es recibir la señal desde un satélite determinado y compararla con la señal generada en el receptor para calcular el desfase. La diferencia de fase será igual al tiempo que ha empleado la señal en llegar hasta el receptor.

La señal generada tanto en los satélites como en los receptores consiste en conjuntos de códigos digitales complejos. Estos códigos se han hecho complicados a propósito, de forma que se les pueda comparar fácilmente sin ambigüedad. De todas formas, los códigos son tan complicados que su aspecto es el de una larga serie de impulsos aleatorios.

Estos impulsos no son realmente aleatorios, sino que se trata de secuencias "pseudoaleatorias" cuidadosamente elegidas que en verdad se repiten cada milisegundo. Por lo que se conocen con el nombre de código "pseudoaleatorio" (PRN, Pseudo Random Noise).

Obtención de un perfecto sincronismo

Puesto que sabemos que las señales de radio transmitidas por los satélites GPS viajan a la velocidad de la luz, aproximadamente 300.000 km/sg. Un error de sincronismo entre el reloj de un satélite y el reloj de nuestro receptor de tan solo 1/100 de segundo, provocaría una desviación en la medición de la distancia de 3.000 Km.

La trigonometría nos dice que si tres mediciones perfectas sitúan un punto en el espacio tridimensional, entonces cuatro mediciones imperfectas pueden eliminar cualquier desviación de tiempo (siempre que la desviación sea consistente).

En el caso general de posicionamiento en tres dimensiones, necesitamos hacer como mínimo cuatro mediciones de distancia, para eliminar cualquier error producido por falta de sincronismo entre relojes. Por lo tanto, será imposible conseguir un posicionamiento verdaderamente preciso, si no se dispone de por lo menos cuatro satélites sobre el horizonte circundante.

Conocimiento de la posición de los satélites

Los satélites GPS no transmiten únicamente un "mensaje de tiempo", sino que también transmiten un "mensaje de datos" que contiene información sobre su órbita exacta y la salud del sistema. Un buen receptor GPS, utiliza esta información junto con la información de su almanaque interno, para definir con precisión la posición exacta de cada uno de los satélites.

FUENTES DE ERROR

Al igual que cualquier observación de topografía clásica, una observación GPS está sometida a varias fuentes de error que se pueden minimizar o eliminar según los equipos y metodología de observación que utilicemos. Son diversos los errores que afectan a las mediciones de las distancias y por consiguiente al cálculo de la posición del receptor. Estos errores son los siguientes:

Error ionosférico.

Error troposférico.

Errores inherentes al satélite.

-Desvío de relojes atómicos.

-Efemérides.

Errores en la propagación de la señal.

-Perdida de ciclos.

-Efecto multipath (Multisenda).

Errores relacionados con el receptor.

-Desvío de relojes.

-Puesta en estación.

-Manipulación de los equipos.

-Variación del centro radioeléctrico de la antena.

DILUCIÓN DE LA PRECISIÓN Y VISIBILIDAD

La geometría de los satélites visibles es un factor importante a la hora de conseguir una buena precisión en el posicionamiento de un punto. Dicha geometría cambia con el tiempo como consecuencia del movimiento orbital de los satélites en el espacio (puesto que no son geoestacionarios). El factor que mide la bondad de esta geometría es el denominado factor de dilución de la precisión (DOP, Dilution Of Precision).

Para evitar la oclusión de las señales, la DOP se calcula utilizando los satélites que realmente son visibles.

Los efectos combinados de la dilución de la precisión en posición y tiempo se denominan GDOP (Geometric Dilution Of Precision), dilución de la precisión geométrica.

GPS DIFERENCIAL (DGPS)

El GPS Diferencial consigue eliminar la mayoría de los errores naturales y causados por el usuario que se infiltran en las mediciones normales con el GPS. Estos errores son pequeños, pero para conseguir el nivel de precisión requerido por algunos trabajos de posicionamiento es necesario minimizar todos los errores por pequeños que sean.

Para realizar esta tarea es necesario tener dos receptores operando simultáneamente. El receptor de "referencia" permanece en su estación y supervisa continuamente los errores, y después transmite o registra las correcciones de esos errores con el fin de que el segundo receptor (receptor itinerante que realiza el trabajo de posicionamiento) pueda aplicar dichas correcciones a las mediciones que esta realizando, bien sea conforme las realiza en tiempo real, o posteriormente.

Disponiendo de un receptor de referencia en un lugar fijo se puede afinar la precisión de un receptor itinerante o, igualmente, una flota completa de receptores itinerantes.

El GPS autónomo se ve afectado por una serie de errores acumulativos, que mediante el uso del DGPS son minimizados e incluso eliminados totalmente.

MAGNITUD TÍPICA DE LOS ERRORES (m)
Precisión por satélite	GPS standard	GPS Diferencial
Relojes de los satélites	1,5	0
Errores de órbitas	2,5	0
Ionosfera	5,0	0,4
Troposfera	0,5	0,2
Ruido del receptor	0,3	0,3
Multisenda (Multipath)	0,6	0,6
S/A	30	0

PRECISIÓN TÍPICA DE POSICIÓN (m)
Horizontal	50	1,3
Vertical	78	2
3-D	93	2,8

Principio de funcionamiento del DGPS

Este receptor estacionario es la clave de la precisión del DGPS, puesto que reúne todas las mediciones de los satélites sobre el horizonte en una sólida referencia local.

El receptor de referencia situado en una posición fija determinada con gran exactitud (estación de referencia), recibe las mismas señales GPS que el receptor itinerante, pero en vez de trabajar como un receptor GPS normal aborda los cálculos en sentido inverso. En vez de usar las señales de tiempo para calcular su posición, emplea su posición para calcular el tiempo.

Puesto que el receptor de referencia conoce de antemano los parámetros orbitales, donde se supone que los satélites se han de localizar en el espacio y conoce exactamente las coordenadas de la estación de referencia, puede calcular la distancia teórica entre la estación de referencia y cada uno de los satélites sobre el horizonte. Entonces, dividiendo esa distancia teórica por la velocidad de la luz en el vacío averigua el tiempo, es decir, cuanto debería haber tardado la señal en llegar hasta él. Después compara ese tiempo teórico con el tiempo que realmente ha tardado. Cualquier diferencia existente corresponde al error o retraso de la señal del satélite.

Una vez calculado el error en la señal de cada satélite sobre el horizonte, los receptores de referencia tienen que facilitar esta información a todos los receptores itinerantes de su zona de influencia, con el fin de que la utilicen para corregir sus mediciones. Puesto que el receptor de referencia no tiene forma de saber cuales de los satélites disponibles sobre el horizonte, están siento utilizados en cada momento por el receptor itinerante para calcular su posición, debe analizar las señales de todos los satélites visibles y calcular sus errores instantáneos. Después codificará esta información en un formato estándar y la transmitirá simultáneamente a todos los receptores itinerantes.

Los receptores itinerantes reciben la lista completa de factores de corrección y aplican las correcciones pertinentes a las señales de los satélites que, en particular, están utilizando.

SISTEMA DE REFERENCIA WGS-84

Las coordenadas, tanto de los satélites como de los usuarios que se posicionan con el sistema GPS, están referidas al sistema de referencia WGS-84 (World Geodetic System 1984 o Sistema Geodésico Mundial de 1984). Estas coordenadas pueden ser cartesianas en el espacio respecto al centro de masas de la Tierra (X, Y, Z) o geodésicas ( , h).l,

SISTEMA RASANT

RASANT es un sistema de radiodifusión de correcciones diferenciales calculadas por el IGN en estaciones de referencia equipadas con receptores GPS. Las correcciones están basadas en el formato estándar RTCM y se envían a través del sistema RDS que incorpora la señal de Radio-2 Clásica FM (RNE2). Las frecuencias en las que puede sintonizarse RNE2 dependerán del centro emisor más cercano.

RESUMEN.

¿Cómo funciona el DGPS?

Un receptor GPS puede desplazarse a cualquier sitio y realizar mediciones por sí mismo, empleando como referencia los satélites GPS. Mientras que el DGPS implica otro receptor añadido, uno que se desplaza y otro estacionario.

Previamente se han comentado las diversas fuentes de error. A su vez las distancias entre los dos receptores son muy pequeñas comparadas con las distancias a las que se encuentran los satélites, esto quiere decir que recorrerán la atmósfera con retrasos análogos, de forma que una de las estaciones puede dedicarse a medir esos errores y facilitárselo a la otra.

Se ha de ubicar el receptor de referencia en un punto cuya posición se haya determinado con exactitud, al recibir las señales GPS realiza los cálculos en sentido inverso al de un receptor. Emplea su posición para calcular el tiempo y así obtiene el error entre el teórico y el real. Todos los receptores de referencia han de facilitar esta información de errores a todos los receptores itinerantes de su zona con objeto de que corrijan sus mediciones. El receptor de referencia reconoce todos los satélites visibles y calcula los errores instantáneos. Luego codifica esta información en un formato estándar y lo transmite a los receptores itinerantes.

Algunos trabajos no requieren correcciones en tiempo real, en este caso se conoce como GPS posprocesado.

También existe el DGPS invertido, por ejemplo, en una flota de camiones que informan periódicamente de su posición a una estación base. En lugar de enviar a los camiones las correcciones diferenciales, la corrección se realiza en la estación base. Los camiones sólo conocen su posición de una manera aproximada, pero el controlador sabría la posición exacta, hasta el punto de poder ubicar el camión en el carril de la calle en que se encuentra.

INFOGRAFIAS

Buen trabajo y su objetivo no es otro que orientar de forma básica a los usuarios de estos sistemas e invitar a los futuros usuarios a calar en su funcionamiento y posibilidades de desarrollo, abriendo el campo de la medida mediante satélites como una poderosa herramienta de trabajo

http://www.monografias.com/trabajos19/navegacion-global/navegacion-global.shtml

Pagina web que muestra en diapositivas una explicación clara del funcionamiento DGPS.

http://www.agriculturadeprecision.org/cursos/5toCursoAgPrec/Pres/Mendez-Sistemadeposicionamiento.pdf

Pagina web que enseya el fundamento del sistema GPS y explica en que consiste la recepción de entre cuatro y ocho señales de radio de otros tantos satélites de los cuales se conoce de forma muy exacta su posición orbital con respecto a la tierra

http://recursos.gabrielortiz.com/index.asp?Info=039

Excelente pagina para buscar información específica del tema en cuestión.

http://www.mundotutoriales.com/tutorial_sistema_navstar-gps-mdtutorial1051513.htm

Este tema está dirigido a usuarios de ordenadores sin conocimientos previos en redes y comunicaciones. No es una introducción exhaustiva a las redes de ordenadores, sin embargo aporta una base suficiente sobre los conceptos generales y tecnologías comunes a la mayoría de redes y comunicaciones.

http://www.um.es/docencia/barzana/II/Ii09.html