Investigadores de la Universidad Politécnica de Cataluña y de la NASA demuestran que es posible obtener posicionamientos con errores de menos de 10 centímetros en la navegación GPS a escala regional

(octubre, 1999)

La tomografía GPS abre una nueva frontera en la navegacion de precisión como pueden ser las tareas de topografía o las maniobras de aviación

Los resultados del estudio han sido presentados recientemente en un congreso en Estados Unidos
El grupo de Astronomía y Geomática de la Universitat Politecnica de Catalunya (de los departamentos de Matemática Aplicada i Telemática i Física Aplicada), juntamente con el Dr. Óscar Colombo, de la agencia espacial estadounidense (GSFC/NASA) han demostrado que es posible la navegación GPS, a escala regional de cientos de kilómetros, con errores de menos de diez centímetros, diez veces inferiores a los que hasta ahora se tenían y ello incluso en condiciones adversas como pueden ser tormentas geomagnéticas producidas por la actividad solar. El resultado de esta investigación ha sido presentado recientemente por el equipo de la UPC (formado por los investigadores Manuel Hernández, Jaume Sanz y José Miguel Juan, en el congreso del Intitute of Navigation (ION-GPS99) celebrado en Nashville (USA), uno de los congresos más importantes en el ámbito del Sistema de Posicionamiento Global (GPS).

En el ámbito de las aplicaciones civiles, un posicionamiento en tiempo real con exactitudes de unos centimetros, a escala regional de hasta 1000Km, puede simplificar las tareas y abaratar costes en actividades que requieran dicha precisión en ingenieria civil y otras aplicaciones de topografia en general. Para la aviacion, genera grandes expectativas en el campo de los vuelos no tripulados, donde la precisión es especialmente crítica en las maniobras de aterrizaje y despegue automático.

El éxito de la nueva técnica presentada radica en un modelado muy preciso de los efectos ionosféricos (alta atmósfera) sobre la propagación de la señal GPS. Mediante técnicas tomográficas similares a las que se utilizan en medicina, se trata de reconstruir una distribución tridimensional a partir de medidas de una cierta cantidad integrada observadas desde diferentes direcciones. En este sentido, se utiliza la constelación de satélites GPS, junto con los receptores de tierra, como un enorme escáner planetario para sondear contínuamente la atmósfera y reconstruir, en tiempo real, su distribución electrónica tridimensional

A partir de un conjunto de estaciones de referencia que recogen los haces de rayos procedentes de los satélites, se consigue reproducir la distribución tridimensional de los electrones libres que interactuan con las señales emitidas por los satélites GPS, para poder estimar en cualquier punto de la región de cobertura el efecto ionosférico con un error inferior a 2.7cm. Esta cantidad constituye, dentro del algoritmo de posicionamiento, un valor límite para poder modelar con una exactitud superior al centímetro las pseudodistancias receptor-satélite (para el código y la fase de la portadora) con las que se resuelve el problema de navegación.

Una de las virtudes de la estrategia de navegación presentada es su buen comportamiento en condiciones de alta actividad solar. Actualmente nos encontramos próximos a un máximo de actividad solar, que alcanzará su valor más alto a principios del proximo año 2000. El ciclo solar, que tiene un periodo de unos once años, está jugando un papel importante en la puesta al día de los resultados en posicionamiento GPS de precisión. La época de mayor efervescencia en el desarrollo de este tipo de aplicaciones civiles ha coincidido con un periodo de baja actividad solar. A medida que ésta ha ido creciendo, buena parte de los modelos y algoritmos que involucraban a la ionosfera y en su momento funcionaban, estan dejando de funcionar.

El modelo tomográfico se ha testeado bajo diferentes condiciones de actividad geomagnética (que junto con la alta actividad solar constituyen el auténtico talón de aquiles para los modelos ionosféricos) y para ello se han utilizado datos procedentes de diferentes estaciones permanentes del norte de Estados Unidos y Canadá, correspondientes a la red de estaciones que desde principios de los años noventa mantiene el "International Geodynamical Service for GPS" (IGS) (se trata de una extensa base de datos con receptores distribuidos a lo largo de todo el planeta, y que son de libre distribución para la comunidad científica). El interés de utilizar un red de estaciones con latitudes altas, próximas al polo geomagnético boreal, radica en estudiar la respuesta del modelo en condiciones extremas.

El sistema de posicionamiento GPS
El Sistema de posicionamiento GPS fue desarrollado en la década de los 70 por el Departamento de Defensa de los Estados Unidos con el objetivo de permitir la navegación precisa, en cualquier parte del planeta, en todo momento y con independencia de las condiciomes metereológicas. El sistema GPS está formado por una constelación de al menos 24 satélites orbitando a una altura media de 20200Km sobre la superficie terrestre y con un periodo de unas 12h (dando dos vueltas cada día). El principio de posicionamiento se basa en la resolución de un sencillo problema geomérico de triangulación, donde, a partir de las distancias a un conjunto mínimo de cuatro satélites GPS, medidas por el receptor (a partir de la señnal emitida por los mismos) y de sus órbitas, es posible determinar la posición tridimensional del usuario con una precisión del orden de unas decenas de metros (precisión militar).

Dado el alto potencial del sistema para aplicaciones comerciales, a principios de los años ochenta se facilitó el acceso a usuarios civiles, si bien se introdujeron protecciones frente a su potencial utilización por fuerzas rivales en caso de conflicto militar. La exactitud del sistema se degradó hasta unos 100m para usuarios equipados con receptores no militares. Durante estas dos ultimas décadas, los científicos civiles han investigado estrategias para superar estas limitaciones, dándose la paradoja de que la misma fuente de fondos públicos, procedentes del contribuyente norteamericano, que habían financiado el diseño de sistemas de protección en los centros militares, financiaban también la investigación civil en el desarrollo de estrategias para superar estas protecciones.

En esta línea de búsqueda de una mayor exactitud para usuarios civiles, en un contexto de protecciones militares activadas, se desarrolló el concepto de "Differential GPS" (DGPS), que consiste en posicionar un receptor GPS respecto a otro que se toma como referencia y del que se conocen perfectamente sus coordenadas. Con la introducción del DGPS, y mediante la técnica denominada "Local Area DGPS" (LADGPS), consiguieron obtener precisiones del orden de unos cuantos centímetros para distancias inferiores a 10Km de la estación de referencia.

A escalas mucho más amplias, del orden de unos 1000Km, se ha establecido el sistema Wide Area DGPS (WADGPS) que permite un posicionamiento con errores del orden del metro para usuarios equipados con receptores adecuados.

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