Sistema de posicionamiento global

Sistema de posicionamiento global (GPS) 260px

El GPS (Global Positioning System: sistema de posicionamiento global) o NAVSTAR-GPS es un sistema global de navegación por satélite (GNSS) que permite determinar en todo el mundo la posición de un objeto, una persona, un vehículo o una nave, con una precisión hasta de centímetros (si se utiliza GPS diferencial), aunque lo habitual son unos pocos metros de precisión. El sistema fue desarrollado, instalado y actualmente operado por el Departamento de Defensa de los Estados Unidos.

Historia

En 1952, la Unión Soviética lanzó al espacio el satélite Sputnik I, que era monitorizado mediante la observación del efecto Doppler de la señal que transmitía. Debido a este hecho, se comenzó a pensar que, de igual modo, la posición de un observador podría ser establecida mediante el estudio de la frecuencia Doppler de una señal transmitida por un satélite cuya órbita estuviera determinada con precisión.
La armada estadounidense rápidamente aplicó esta tecnología, para proveer a los sistemas de navegación de sus flotas de observaciones de posiciones actualizadas y precisas. Así surgió el sistema TRANSIT, que quedó operativo en 1964, y hacia 1967 estuvo disponible, además, para uso comercial.
Las actualizaciones de posición, en ese entonces, se encontraban disponibles cada 40 minutos y el observador debía permanecer casi estático para poder obtener información adecuada.
Posteriormente, en esa misma década y gracias al desarrollo de los relojes atómicos, se diseñó una constelación de satélites, portando cada uno de ellos uno de estos relojes y estando todos sincronizados con base en una referencia de tiempo determinado.
En 1973 se combinaron los programas de la Armada y el de la Fuerza Aérea de los Estados Unidos (este último consistente en una técnica de transmisión codificada que proveía datos precisos usando una señal modulada con un código de PRN (Pseudo-Random Noise: ruido pseudo-aleatorio), en lo que se conoció como Navigation Technology Program (programa de tecnología de navegación), posteriormente renombrado como NAVSTAR GPS.
Entre 1978 y 1985 se desarrollaron y lanzaron once satélites prototipo experimentales NAVSTAR, a los que siguieron otras generaciones de satélites, hasta completar la constelación actual, a la que se declaró con «capacidad operacional inicial» en diciembre de 1993 y con «capacidad operacional total» en abril de 1995.
En 2009, este país ofreció el servicio normalizado de determinación de la posición para apoyar las necesidades de la OACI, y ésta aceptó el ofrecimiento.

Los GPS en Cuba

En Cuba; con fines benéficos (para denominarlo de alguna forma) en conjunto con las Tecnologías Chinas, los GPS o Computadores de a Bordo, resolvieron integrar estos Sistemas a los medios terrestres y marítimos de nuestro país.
Los fines principales de este seguimiento, fue o es para un mayor control SOBRE TODAS LAS COSAS para el ahorro del combustible utilizado por nuestros móviles, los cuales antes de este tiempo, no tenían un control exacto de este preciado e imprescindible tesoro. No solo esto se puede controlar a través de este Sistema; la velocidad, los desvíos de rutas entre otros factores, a partir de este entonces entraron en un mayor y efectivo control hasta la fecha.
Actualmente se trabaja bajo los Sistemas Diferidos lo que significa que la Trayectoria se analiza luego de que el móvil realiza X trayectoria ida y regreso, se prevé que en un tiempo, nuestro país sea capaz de trabajar en tiempo real para así llevar a cabo un ANÁLISIS mas exacto.

Características técnicas y prestaciones

Operadora de satélites controlando la constelación NAVSTAR-GPS, en la Base Aérea de Schriever.
Lanzamiento de satélites para la constelación NAVSTAR-GPS mediante un cohete Delta.
El Sistema Global de Navegación por Satélite lo componen:

•  Sistema de satélites: Está formado por 24 unidades con trayectorias sincronizadas para cubrir toda la superficie del globo terráqueo. Más concretamente, repartidos en 6 planos orbitales de 4 satélites cada uno. La energía eléctrica que requieren para su funcionamiento la adquieren a partir de dos paneles compuestos de celdas solares adosados a sus costados.
•  Estaciones terrestres: Envían información de control a los satélites para controlar las órbitas y realizar el mantenimiento de toda la constelación.
•  Terminales receptores: Indican la posición en la que están; conocidas también como unidades GPS, son las que podemos adquirir en las tiendas especializadas. (computadores de abordo)

Segmento espacial

•  Satélites en la constelación: 24 (4 × 6 órbitas)

 Altitud: 23.200 Km.

 Período: 11 h 56 min. (12 horas sidéreas)

 Inclinación: 55 grados (respecto al ecuador terrestre).

 Vida útil: 7,5 años

•  Segmento de control (estaciones terrestres)

 Estación principal: 1

 Antena de tierra: 4

 Estación monitora (de seguimiento): 5

•  Señal RF

 Frecuencia portadora:

 Civil – 1575,42 MHz (L1). Utiliza el Código de Adquisición Aproximativa (C/A).

 Militar – 1227,60 MHz (L2). Utiliza el Código de Precisión (P), cifrado.

 Nivel de potencia de la señal: –160 dBW (en superficie tierra).

 Polarización: circular dextrógira.

•  Exactitud
  

 Posición: oficialmente indican aproximadamente 15 m (en el 95% del tiempo). En la realidad un GPS portátil monofrecuencia de 12 canales paralelos ofrece una precisión de 2,5 a 3 metros en más del 95% del tiempo. Con el WAAS / EGNOS / MSAS activado, la precisión asciende de 1 a 2 metros.

 Hora: 1 ns

•  Cobertura: mundial
•  Capacidad de usuarios: ilimitada
•  Sistema de coordenadas:

 Sistema Geodésico Mundial 1984 (WGS84).

 Centrado en la Tierra, fijo.

•  Integridad: tiempo de notificación de 15 minutos o mayor. No es suficiente para la aviación civil.
•  Disponibilidad: 24 satélites (70%) y 21 satélites (98%). No es suficiente como medio primario de navegación.

Evolución del sistema GPS

Estación y receptor GPS profesionales para precisiones centimétricas.

El GPS está evolucionando hacia un sistema más sólido (GPS III), con una mayor disponibilidad y que reduzca la complejidad de las aumentaciones GPS. Algunas de las mejoras previstas comprenden:

•  Incorporación de una nueva señal en L2 para uso civil.
  
•  Adición de una tercera señal civil (L5): 1176,45 MHz
  
•  Protección y disponibilidad de una de las dos nuevas señales para servicios de Seguridad Para la Vida (SOL).
  
•  Mejora en la estructura de señales.
  
•  Incremento en la potencia de señal (L5 tendrá un nivel de potencia de –154 dB).
  
•  Mejora en la precisión (1 – 5 m).
  
•  Aumento en el número de estaciones de monitorización: 12 (el doble)
  
•  Permitir mejor interoperabilidad con la frecuencia L1 de Galileo
  

El programa GPS III persigue el objetivo de garantizar que el GPS satisfará requisitos militares y civiles previstos para los próximos 30 años. Este programa se está desarrollando para utilizar un enfoque en 3 etapas (una de las etapas de transición es el GPS II); muy flexible, permite cambios futuros y reduce riesgos. El desarrollo de satélites GPS II comenzó en 2005, y el primero de ellos estará disponible para su lanzamiento en 2012, con el objetivo de lograr la transición completa de GPS III en 2017. Los desafíos son los siguientes:

•  Representar los requisitos de usuarios, tanto civiles como militares, en cuanto a GPS.
  
•  Limitar los requisitos GPS III dentro de los objetivos operacionales.
  
•  Proporcionar flexibilidad que permita cambios futuros para satisfacer requisitos de los usuarios hasta 2030.
  
•  Proporcionar solidez para la creciente dependencia en la determinación de posición y de hora precisa como servicio internacional.
  

El sistema ha evolucionado y de él han derivado nuevos sistemas de posicionamiento IPS-2 se refiere a Inertial Positioning System, sistema de posicionamiento inercial, un sistema de captura de datos, que permite al usuario realizar mediciones a tiempo real y en movimiento, el llamado Mobile Mapping. Este sistema obtiene cartografía móvil 3D basándose en un aparato que recoge un escáner láser, un sensor inercial, sistema GNSS y un odómetro a bordo de un vehículo. Se consiguen grandes precisiones, gracias a las tres tecnologías de posicionamiento: IMU + GNSS + odómetro, que trabajando a la vez dan la opción de medir incluso en zonas donde la señal de satélite no es buena.

Funcionamiento

Receptor GPS.

• La situación de los satélites puede ser determinada de antemano por el receptor con la información del llamado almanaque (un conjunto de valores con 24 elementos orbitales), parámetros que son transmitidos por los propios satélites. La colección de los almanaques de toda la constelación se completa cada 5-20 minutos y se guarda en el receptor GPS.
• La información que es útil al receptor GPS para determinar su posición se llama efemérides. En este caso cada satélite emite sus propias efemérides, en la que se incluye la salud del satélite (si debe o no ser considerado para la toma de la posición), su posición en el espacio, su hora atómica, información doppler, etc.
• El receptor GPS utiliza la información enviada por los satélites (hora en la que emitieron las señales, localización de los mismos) y trata de sincronizar su reloj interno con el reloj atómico que poseen los satélites. La sincronización es un proceso de prueba y error que en un receptor portátil ocurre una vez cada segundo. Una vez sincronizado el reloj, puede determinar su distancia hasta los satélites, y usa esa información para calcular su posición en la tierra.
• Cada satélite indica que el receptor se encuentra en un punto en la superficie de la esfera, con centro en el propio satélite y de radio la distancia total hasta el receptor.
• Obteniendo información de dos satélites se nos indica que el receptor se encuentra sobre la circunferencia que resulta cuando se intersecan las dos esferas.
• Si adquirimos la misma información de un tercer satélite notamos que la nueva esfera sólo corta la circunferencia anterior en dos puntos. Uno de ellos se puede descartar porque ofrece una posición absurda. De esta manera ya tendríamos la posición en 3D. Sin embargo, dado que el reloj que incorporan los receptores GPS no está sincronizado con los relojes atómicos de los satélites GPS, los dos puntos determinados no son precisos.
• Teniendo información de un cuarto satélite, eliminamos el inconveniente de la falta de sincronización entre los relojes de los receptores GPS y los relojes de los satélites. Y es en este momento cuando el receptor GPS puede determinar una posición 3D exacta (latitud, longitud y altitud). Al no estar sincronizados los relojes entre el receptor y los satélites, la intersección de las cuatro esferas con centro en estos satélites es un pequeño volumen en vez de ser un punto. La corrección consiste en ajustar la hora del receptor de tal forma que este volumen se transforme en un punto.
  

DGPS o GPS diferencial

Equipo de campo realizando levantamiento de información sísmica usando un receptor GPS Navcom SF-2040G StarFire montado sobre un mástil.
El DGPS (Differential GPS), o GPS diferencial, es un sistema que proporciona a los receptores de GPS correcciones de los datos recibidos de los satélites GPS, con el fin de proporcionar una mayor precisión en la posición calculada. Se concibió fundamentalmente debido la introducción de la disponibilidad selectiva (SA).
El fundamento radica en el hecho de que los errores producidos por el sistema GPS afectan por igual (o de forma muy similar) a los receptores situados próximos entre sí. Los errores están fuertemente correlacionados en los receptores próximos.
Un receptor GPS fijo en tierra (referencia) que conoce exactamente su posición basándose en otras técnicas, recibe la posición dada por el sistema GPS, y puede calcular los errores producidos por el sistema GPS, comparándola con la suya, conocida de antemano. Este receptor transmite la corrección de errores a los receptores próximos a él, y así estos pueden, a su vez, corregir también los errores producidos por el sistema dentro del área de cobertura de transmisión de señales del equipo GPS de referencia.
En suma, la estructura DGPS quedaría de la siguiente manera:

• Estación monitorizada (referencia), que conoce su posición con una precisión muy alta. Esta estación está compuesta por:

  Un receptor GPS.
  Un microprocesador, para calcular los errores del sistema GPS y para generar la estructura del mensaje que se envía a los receptores.
  Transmisor, para establecer un enlace de datos unidireccional hacia los receptores de los usuarios finales.

•  Equipo de usuario, compuesto por un receptor DGPS (GPS + receptor del enlace de datos desde la estación monitorizada).

Existen varias formas de obtener las correcciones DGPS. Las más usadas son:

•  Recibidas por radio, a través de algún canal preparado para ello, como el RDS en una emisora de FM.
•  Descargadas de Internet, o con una conexión inalámbrica.
•  Proporcionadas por algún sistema de satélites diseñado para tal efecto. En Estados Unidos existe el WAAS, en Europa el EGNOS y en Japón el MSAS, todos compatibles entre sí.

En los mensajes que se envían a los receptores próximos se pueden incluir dos tipos de correcciones:

•  Una corrección directamente aplicada a la posición. Esto tiene el inconveniente de que tanto el usuario como la estación monitora deberán emplear los mismos satélites, pues las correcciones se basan en esos mismos satélites.

 Una corrección aplicada a las pseudodistancias de cada uno de los satélites visibles. En este caso el usuario podrá hacer la corrección con los 4 satélites de mejor relación señal-ruido (S/N). Esta corrección es más flexible.
El error producido por la disponibilidad selectiva (SA) varía incluso más rápido que la velocidad de transmisión de los datos. Por ello, junto con el mensaje que se envía de correcciones, también se envía el tiempo de validez de las correcciones y sus tendencias. Por tanto, el receptor deberá hacer algún tipo de interpolación para corregir los errores producidos.
Si se deseara incrementar el área de cobertura de correcciones DGPS y, al mismo tiempo, minimizar el número de receptores de referencia fijos, será necesario modelar las variaciones espaciales y temporales de los errores. En tal caso estaríamos hablando del GPS diferencial de área amplia.
Con el DGPS se pueden corregir en parte los errores debidos a:

•  Disponibilidad selectiva (eliminada a partir del año 2000).
•  Propagación por la ionosfera - troposfera.
•  Errores en la posición del satélite (efemérides).
•  Errores producidos por problemas en el reloj del satélite.

Para que las correcciones DGPS sean válidas, el receptor tiene que estar relativamente cerca de alguna estación DGPS; generalmente, a menos de 1000 km. Las precisiones que manejan los receptores diferenciales son centimétricas, por lo que pueden ser utilizados en ingeniería.

Fuentes

• Unidad de Camiones Granma (UDECAM)