ResumenDGPS

Una forma de GPS en donde la fiabilidad y exactitud son aumentadas mediante la transmisión desde un receptor GPS (Modo Diferencial), colocado en un punto conocido en tierra, de un mensaje de corrección de tiempo variable. Las correcciones son automáticamente introducidas en un receptor GPS colocado a bordo y usadas para calcular una posición mejor.

El GPS es el sistema de navegación basado en radio más preciso que jamás se ha desarrollado y para muchas aplicaciones es completamente preciso. Pero la naturaleza humana quiere más. Algunos ingenieros astutos dieron con el GPS diferencial, una forma de corregir las diversas imprecisiones del sistema GPS, llevando su precisión todavía más lejos.

El GPS diferencial o DGPS puede lograr medidas precisas hasta un par de metros en aplicaciones móviles e incluso mejores en situaciones estacionarias. Esta precisión mejorada tiene un profundo efecto en la importancia del GPS como un recurso. Con ella, GPS llega a ser más que sólo un sistema para la navegación de barcos y aviones a lo largo del mundo. Se convierte en un sistema de medición universal capaz de posicionar cosas en una escala muy precisa.

El GPS diferencial supone la cooperación de dos receptores, uno que es fijo y otro que se está moviendo alrededor haciendo medidas de posición. El receptor fijo es la clave y se encarga de relacionar todas las medidas de satélite a una referencia fija.

Los receptores GPS usan señales de tiempo desde por lo menos 4 satélites para establecer una posición. Cada una de estas señales de tiempo va a tener algunos errores o retrasos dependiendo de qué tipo de problemas se haya encontrado en su descenso hasta nosotros.

Como cada una de las señales de temporización que intervienen en un cálculo de posición tiene algunos errores, este cálculo será un compuesto de estos errores.

Afortunadamente la gran escala de los sistemas GPS nos ayuda. Los satélites están tan lejos en el espacio que las pequeñas distancias que viajamos aquí en la tierra son insignificantes. Por eso, si dos receptores están muy juntos el uno del otro, digamos unos pocos cientos de kilómetros, la señal que alcanza a ambos viajará prácticamente a través del mismo pasillo de atmósfera y por ello tendrán los mismos errores.

Errores comunes: el DGPS puede eliminar todos los errores que son comunes tanto al receptor de referencia como al receptor itinerante. Esto incluye todos excepto los errores multitrayecto (porque estos ocurren justo alrededor del receptor) y los errores de cualquier receptor (porque son propios de cada receptor).

La idea que hay detrás del DGPS es que tenemos un receptor que mide los errores de temporización y proporciona la información de corrección a los otros receptores que se están moviendo alrededor. Este método prácticamente puede eliminar todos los errores del sistema, incluso el indeseable error SA que el Departamento de Defensa pone a propósito.

La idea es simple, colocar el receptor de referencia en un punto que ha sido muy precisamente examinado y mantenerlo allí. Esta estación de referencia recibe las mismas señales GPS que el receptor itinerante, pero en vez de trabajar como un receptor GPS normal, él afronta las ecuaciones al revés. En lugar de usar señales de temporización para calcular su posición, él utiliza el conocimiento de su posición para calcular el tiempo. Como sabe el tiempo de viaje que deberían tener las señales GPS, lo compara con el que realmente obtiene y la diferencia es el factor de corrección del error. El receptor fijo transmite entonces su información del error al receptor itinerante para que este pueda corregir sus mediciones.

Como el receptor de referencia no tiene forma de saber cuál de los diversos satélites disponibles puede estar usando un receptor itinerante para calcular su posición, el receptor de referencia rápidamente repasa todos los satélites visibles y calculará cada uno de sus errores. Entonces codificará está información en un formato estándar y lo transmitirá a los receptores itinerantes (Transmisión del código de error: realmente los receptores GPS no transmiten ellos mismos las correcciones, sino que están unidos o transmisores de radio separados). Es como si el receptor de referencia dijese: "Atención todo el mundo, ahora la señal del satélite número 1 está 10 ns. retrasada, la del satélite número 2 está 3 ns retrasada, la del satélite número 3 está 16 ns retrasada..." y así.

Los receptores itinerantes obtienen la lista completa de errores y aplican las correcciones para los satélites que estén usando ellos en particular. Las transmisiones del error no sólo incluyen el error de temporización de cada satélite, sino que también incluyen la tasa de cambio de este error. De este modo el receptor móvil puede interpolar su posición entre las actualizaciones.

En los primeros días del GPS, las estaciones de referencia eran establecidas por compañías privadas que tenían grandes proyectos que demandaban una alta precisión (grupos como observadores u operadores de perforación de petróleo). Y aún es un acceso muy empleado. Se compra un receptor de referencia y se establece un enlace de comunicación con los receptores itinerantes.

Pero ahora hay suficientes agencias públicas transmitiendo correcciones que tú puedes ser capaz de conseguir gratis. Los guardacostas de los EE.UU. y otras agencias internacionales están estableciendo estaciones de referencia por todos los sitios, especialmente cerca de los puertos concurridos y de las rutas marítimas. Estas estaciones a menudo transmiten sobre antenas de radio que están ya preparadas para encontrar la dirección de la radio (normalmente en el rango de los 300 Khz.). Cualquiera en la zona puede recibir estas correcciones y mejorar radicalmente la precisión de las medidas de su GPS. La mayoría de los barcos tienen ya radios capaces de sintonizar las antenas directivas, por lo que añadir DGPS puede ser bastante fácil.

Algunos receptores GPS nuevos están siendo diseñados para aceptar correcciones y algunos incluso están equipados con receptores de radio en su interior

No todas las aplicaciones de DGPS son creadas igual, algunas no necesitan enlace radio porque no requieren posicionamiento preciso inmediato. Una cosa es que estés intentando posicionar un taladro sobre un punto particular en el fondo oceánico desde un barco plataforma y otra bastante diferente es querer sólo grabar la ruta de una nueva carretera para incluirla en un mapa. Para aplicaciones como esta última, el receptor itinerante sólo necesita grabar todas sus posiciones medidas y el tiempo exacto en que se hizo cada medida. Más tarde, estos datos pueden ser unidos con las correcciones grabadas en el receptor de referencia para la depuración de los datos. Por tanto no será necesario el enlace de radio que hay que tener en los sistemas de tiempo real.

Si no tienes en receptor de referencia, puede haber fuentes alternativas para las correcciones en tu área. Algunas instituciones académicas están experimentando con Internet como medio de distribuir las correcciones.

Hay otra variante de DGPS llamada DGPS invertido que puede ahorrar dinero en ciertas aplicaciones de seguimiento. Imaginemos que tenemos una flota de autobuses y queremos localizarlos en los mapas de las calles con una gran exactitud (para así poder ver en qué lado de una intersección están aparcados o lo que sea). De cualquier modo, queremos esta precisión pero no queremos comprar receptores diferenciales caros para cada autobús. Con un sistema DGPS invertido los autobuses podrán ser equipados con receptores GPS estándar y un transmisor y podrán transmitir sus posiciones GPS estándar a la oficina de seguimiento. Entonces, en la oficina de seguimiento las correcciones serán aplicadas a las posiciones recibidas. Esto requiere un computador para realizar los cálculos y un transmisor para transmitir los datos, pero nos dará las posiciones muy exactas de toda la flota por el coste de una estación de referencia, un computador y un montón de receptores estándar.

Si quieres saber donde puede ser aplicado el DGPS, hecha una mirada a tu mano, porque pronto DGPS puede ser capaz de definir posiciones que no se desvíen más del ancho de tu dedo pequeño. Imagina las posibilidades: equipos de construcción automáticos pueden traducir dibujos asistidos por computadoras en carreteras terminadas sin ninguna medida manual, los vehiculos autodirigidos pueden llevarte a través de la ciudad mientras tú lees tranquilamente en el asiento de atrás.

Para comprender cómo está siendo desarrollado este tipo de GPS se necesita entender un poco sobre señales GPS. Si dos receptores están muy cerca el uno del otro, digamos unos pocos cientos de kilómetros, las señales que les alcanzarán habrán viajado a través prácticamente del mismo pedazo de atmósfera y tendrán prácticamente la misma trayectoria.

Sabemos que los agrimensores han estado usando GPS para hacer observaciones extremadamente precisas durante años, fijando puntos con precisión relativa del orden de milímetros. Para la gente de la calle, GPS es un recurso de navegación, te localiza en términos de latitud y longitud en cualquier parte del planeta. Pero en algunas aplicaciones de observación el trabajo no es localizar un punto de acuerdo a la latitud y longitud, sino fijar las posiciones de un grupo de puntos en relación con los otros. Estos puntos están a menudo unidos finalmente a un punto de control que los localiza con respecto al resto del mundo, pero la relación importante es realmente entre los puntos entre sí. Esta distinción es importante cuando viene a convertirse en precisión, ya que las posiciones relativas son más fáciles de medir con precisión.

Los agrimensores obtienen esta precisión usando GPS de forma muy especializada, de hecho es realmente una forma de interferometria. La interferometria es una técnica de medida basada en el hecho de que dos formas de onda igual interferirán constructiva o destructivamente entre ellas si llegan ligeramente desfasadas. El gran efecto de la interferencia es más fácil de medir que las señales en sí y ello nos da una forma muy sensible de comparar dos señales.

Los agrimensores emplean múltiples receptores como los sistemas diferenciales que hemos estado tratando pero la técnica es mucho más complicada (tan complicada que sólo geodestas entrenados con maquinas caras y un montón de tiempo pueden hacerlo). Pero incluso aunque el sistema usado por los agrimensores es demasiado complejo para la mayoría de los usuarios de GPS, uno de sus principios fundamentales está empezando a encontrar su camino en los receptores generales. Se denomina GPS de portadora-fase (="carrier-phase GPS") y puede ser varios órdenes de magnitud más preciso que el GPS de código-fase (="code-phase GPS") que usa la mayoría de la gente.

Estos nombres se refieren a la señal particular que usamos para medir los tiempos. Usar la frecuencia de portadora de GPS puede mejorar significativamente la precisión de GPS. El concepto es simple pero para entenderlo vamos a revisar unos pocos principios básicos de GPS. Recuerda que un receptor GPS determina el tiempo de viaje de una señal desde un satélite comparando el código PRC que genera, con un código idéntico en la señal del satélite.

El receptor desplaza su código retrasándolo en el tiempo hasta que se sincroniza con el código del satélite. La cantidad que tiene que desplazar el código es igual al tiempo de viaje de la señal. El problema es que los bits (o ciclos) del código PRC son tan anchos que incluso si se consigue sincronizar, hay todavía muchas desviaciones.

Si las comparas lógicamente coincidirán (cuando la señal del satélite es uno, la señal del receptor es uno y viceversa). Pero puede verse que mientras que coinciden hay un pequeño desfase. Observa que la señal del satélite está un poco adelantada respecto a la señal del receptor. De hecho, se puede desplazar la señal del satélite casi medio ciclo adelante y las señales aún coincidirán lógicamente.

Este es el problema con GPS de código-fase. Comparando los códigos PRC hay un ancho de ciclo de casi un microsegundo, y a la velocidad de la luz un microsegundo son casi 300 metros de error.

El GPS de código-fase no es realmente lo malo porque los diseñadores de receptores han dado con formas de asegurarse que las señales son casi perfectas en fase. Las buenas máquinas lo consiguen en un 1 % ó 2 %, pero es aún un error de 3 o 6 metros por lo menos.

Los receptores que usan los agrimensores examinan el ritmo del sistema comenzando con el código PRC y entonces inician las medidas basadas en la frecuencia portadora para este código. Esta frecuencia portadora es mucho mayor, por lo que sus pulsos están mucho más juntos y por tanto son más precisos.

El código PRC tiene una tasa de bit de alrededor de 1Mhz. pero su frecuencia portadora tiene un ciclo del orden de los Ghz. (lo cual es 1.000 veces más rápido).

A la velocidad de la luz la señal de 1.57 Ghz. tiene una longitud de onda de aproximadamente 20 cm., por lo que la señal portadora puede actuar como una referencia mucho más precisa que el código PRC por sí mismo. Y si podemos conseguir un 1 % de fase perfecta, como hacemos con los receptores código-fase, tendríamos una precisión de entre 3 y 4 milímetros.

En esencia este método está contando el número exacto de ciclos de portadora entre el satélite y el receptor. El problema es que la frecuencia portadora es difícil de contar porque es muy uniforme. Cada ciclo se parece a los demás. El código PRC, por otro lado, es intencionadamente complejo para facilitar la identificación del ciclo que estamos observando. Por eso el truco con GPS portador-fase es usar técnicas de código-fase para aproximarlo. Si la medida del código puede ser precisa, digamos en un metro, entonces sólo tendremos unas pocas longitudes de onda de portadora para examinarlo cuando intentamos determinar qué ciclo marca realmente el flanco de nuestro pulso de tiempo. Resolviendo esta ambigüedad de fase de la portadora a sólo unos pocos ciclos es mucho más manejable y como los computadores de los receptores mejoran cada día estamos a punto de hacer posible este tipo de medidas sin todo el ritual que los agrimensores utilizan.

La FAA (=Administración Federal de Aviación) de los EE.UU. se dio cuenta de los grandes beneficios que el GPS podría traer a la aviación, pero quisieron más; querían la precisión del DGPS y la querían para todo el continente, quizá para todo el mundo.

Su plan se denomina Sistema Aumentado de Área Amplia (="Wide Area Augmentation System" o WAAS según sus siglas en inglés) y es básicamente un sistema DGPS continental. La idea salió de algunos requisitos muy específicos que el GPS básico no podía lograr por sí mismo. Comenzó con el sistema fiable. GPS es muy fiable, pero un satélite GPS puede no funcionar bien durante un momento concreto y dar datos incorrectos.

Las estaciones de seguimiento del GPS detectan este tipo de cosas y transmiten en mensaje de estado del sistema que le pide a los receptores que ignoren el satélite estropeado hasta nuevo aviso. Por desgracia, este proceso puede llevar varios minutos, lo que podría ser demasiado tarde para un avión en mitad de un aterrizaje. Por ello la FAA tuvo la idea de que podrían configurar su propio sistema de seguimiento, el cual podría responder mucho más rápido. De hecho, ellos pensaron que podrían situar un satélite geosíncrono en algún lugar de los EE.UU. que pudiera alertar inmediatamente al avión cuando hubiera un problema. Además pensaron que podrían transmitir esta información justo sobre el canal GPS de forma que el avión podría recibirla en sus receptores GPS y no necesitaría ninguna radio adicional. Pero si tenemos un satélite geosíncrono ya transmitiendo a la frecuencia del GPS, ¿por qué no usarlo también para el posicionamiento? Añadir otro satélite ayuda al posicionamiento preciso y asegura que muchos satélites están siempre visibles alrededor del país.

Pero, es más, ¿por qué no usar ese satélite para retransmitir las correcciones diferenciales también? La FAA supuso que con 24 receptores de referencia dispersados a través de los EE.UU. con ellos podrían reunir datos de corrección bastante buenos para la mayoría del país. Esos datos podrían hacer la precisión GPS suficiente para aterrizajes de "categoría 1" (p.e.: muy cerca de la pista de aterrizaje pero no visibilidad nula). Las consecuencias de esto van mucho más allá de la aviación, porque el sistema garantiza que las correcciones DGPS lloverán desde el cielo para que las use cualquiera.

Para completar este sistema, la FAA quiere establecer Sistemas Aumentados de Área Local (Local Area Augmentation Systems o LAAS ) cerca de las pistas de aterrizaje. Esto trabajará como el WAAS pero en una escala menor. Los receptores de referencia estarán cerca de las pistas de aterrizaje y así serán capaces de dar muchos más datos de corrección de la precisión a los aviones que lleguen. Con un LAAS el avión podrá usar GPS para hacer aterrizajes de "categoría 3" (visibilidad cero).

Fuentes de Error	GPS Standard	GPS Diferencial
Reloj del Satélite	1.5	0
Errores Orbitales	2.5	0
Ionosfera	5.0	0.4
Troposfera	0.5	0.2
Ruido en el Receptor	0.3	0.3
Señal Fantasma	0.6	0.6
Disponibilidad Selectiva	30	0

Exactitud Promedio de Posición
Horizontal	50	1.3
Vertical	78	2.0
3-D	93	2.8

La "Radio Technical Commission for Maritime Services" (RTCM) estableció el Comité Especial 104 dedicado al Servicio GPS Diferencial para definir un estándar DGPS. Con la idea de que el DGPS se iba a utilizar por todo tipo de usuarios, no sólo marinos, el Comité aseguró que sus especificaciones no limitarían su uso. El Comité desarrolló una serie de recomendaciones ("1994 RTCM Recommended Standards for Differential Navstar GPS Service. Versión 2.1") sobre qué datos debe transmitir la estación base, el formato de estos datos y las reglas para utilizar las correcciones transmitidas. El Comité propuso, además, un diseño para la opción de transmitir las correcciones DGPS a través de pseudolites y otro para los radiofaros marinos que pueden suministrar estas mismas correcciones.

Existen 16 tipos diferentes de mensajes, de los cuales 12 se encuentran definidos. Todos los mensajes comienzan con dos palabras de 30 bits, en las que se encuentra un preámbulo (8 bits), el tipo de mensaje (4 bits), la identificación de la estación de referencia (12 bits) y 6 bits de paridad. Además, cada mensaje contiene una serie de palabras de 30 bits para transmitir su información particular.

Actualmente se utiliza, para la navegación marina, una red mundial de radiofaros en la banda de frecuencias medias (MF). En concreto utilizan la banda 285 y 315 KHz.

Una red DGPS utilizando como soporte o medio de transmisión los radiofaros resulta muy atractiva para la radionavegación marítima por numerosas razones. En primer lugar, los radiofaros están ampliamente difundidos y se puede contar con una red ya dispuesta por un coste muy bajo. Además, están localizados en sitios muy interesantes para algunas aplicaciones DGPS. En concreto la Guardia Costera de los EE.UU. está interesada en utilizar esta red para la navegación en bahías y zonas costeras. También la propagación por onda de superficie en estas frecuencias proporciona cobertura más allá de la línea del horizonte. Por último, los equipos son baratos de diseñar y fabricar también debido al uso de esta banda de frecuencias.

Los problemas que deben afrontar estos radiofaros DGPS están relacionados con la compatibilidad con las señales emitidas por el propio radiofaro, y el comportamiento frente al ruido atmosférico.

El formato para la transmisión de las correcciones diferenciales, se expone a continuación:

Los pseudolites son equipos de telecomunicaciones compatibles con los transpondedores de los satélites GPS y que están situados sobre el suelo en aquellas áreas donde puede resultar conveniente. Transmiten una señal muy parecida a la del GPS para usos civiles y los instantes de transmisión están controlados a través de la norma de transmisión temporal de los satélites GPS. De hecho los pseudolites pueden proporcionar el servicio GPS Diferencial más barato, pues la señal es procesada por el mismo hardware que tiene un receptor GPS. De la misma manera que los radiofaros comentados en el subapartado anterior, la señal del pseudolite transporta las correcciones diferenciales especificadas por el RTCM. Sin embargo, a diferencia de los radiofaros, la señal está en banda L y, por tanto, la propagación está limitada al horizonte.

Otra característica fundamental es que la señal que transmiten permite que un receptor GPS ligeramente modificado calcule también la pseudodistancia al pseudolite. Esta combinación de cualidades los hacen muy apropiados para aplicaciones de aterrizaje de aeronaves, sobre todo teniendo en cuenta que se encontrarán (en el aire) con más probabilidad en la zona de cobertura del pseudolite. En este caso, para aplicaciones aeronáuticas, será necesario la utilización de al menos cuatro satélites (a diferencia de los tres que pueden bastar para aplicaciones marinas).