Universidad Católica De La Santisima Concepcion

Curso: Fisica I

Prof:

Carrera: Ing .(e) IinformaticaIntroducción

El Sistema de Posicionamiento Global (Global Positioning System, GPS) desarrollado por Estados Unidos, se ha incorporado masivamente a todo tipo de trabajos que necesitan de una precisión exhaustiva a la hora de determinar la posición en que se encuentra un barco, un avión, un auto, un explorador o un iceberg sobre nuestro planeta. La base de este sistema consiste en un conjunto de 21 satélites que en todo momento están describiendo una órbita en torno a la Tierra.

Estos satélites emiten su señal durante las 24 horas del día. La recepción de varias de estas señales es lo que permite al GPS portátil (del tamaño de un transistor de bolsillo), calcular su posición en la Tierra. A mayor número de satélites "visibles" por el aparato, más precisos son los cálculos. Con sucesivas posiciones el receptor puede suministrarnos otros datos derivados, como nuestra posición exacta y relativa, la velocidad de navegación o desplazamiento, cómo debemos cambiar el rumbo para llegar a nuestro destino y otras opciones.

Existe una red similar desarrollada por los rusos (GLONASS) que mantiene muchas similitudes con el sistema americano tanto en su fundamento como en su utilización, pero que no da cobertura en toda la Tierra. Como la red GPS, la GLONASS ofrece dos niveles de servicio, proporcionando a los usuarios civiles una precisión en la posición horizontal de 60 metros y una precisión en la posición vertical de 75 metros (así pues, el error en un mapa a escala 1:50.000 puede ser de 1 ó 1'5 mm).

Las nuevas tecnologías de posicionamiento global desarrolladas por los centros de investigación en materia de defensa se han ido extendiendo al resto de la sociedad pero a pesar de que esto es así, lo cierto es que el Departamento de Defensa estadounidense sigue manteniendo un cierto control sobre las posibilidades de posicionamiento global, al introducir un error intencionado en la señal suministrada por la constelación de satélites.

Este hecho hace que, para determinadas aplicaciones que requieran mucha exactitud, sean necesarias las correcciones de estos errores presentes en las lecturas realizadas por los GPS portátiles; dichas correcciones se hacen con el GPS Diferencial (DGPS).

Con la existencia de las dos redes de satélites, y para mejorar la precisión de la localización obtenida, en 1988 comenzó un proyecto para analizar la posibilidad de utilizar ambos sistemas conjuntamente para uso civil. Cada uno de los sistemas utiliza distintos estándares de referencia de tiempo y espacio, pero la conversión entre ambos no es excesivamente complicada.

En el campo civil existe un amplio abanico de usos: la navegación aérea y marítima, control de flotas de camiones, medir la deriva de los continentes, utilizar el sistema para realizar senderismo por la montaña, etc.

Principio de funcionamiento:

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

El sistema ofrece las siguientes informaciones:

• Posición del receptor.

• Referencia temporal muy precisa.

Las distancias entre el receptor y el satélite se obtienen por medio del retardo temporal entre que el satélite envia la señal hasta que el receptor la recibe. Los satélites emiten dos portadoras a la misma frecuencia. Estas portadoras están moduladas en fase (BPSK) por diferentes códigos pseudoaleatorios. El receptor GPS calcula la correlación entre el código recibido y el código del satélite cuya señal pretende detectar, de esta forma:

• Se pueden separarar las señales de los diferentes satélites.

• 
  
  Y finalmente se obtiene el retardo temporal.

Técnica basada en la medida de los retardos temporales

En principio podríamos pensar que calculando los retardos temporales entre 3 satélites y el usuario ya tendríamos la posición deseada (Xi,Yi,Zi), puesto que tres esferoides que se cortan definen un punto. ¿Por qué son necesarios entonces 4 satélites si parece que basta con 3 para obtener la posición?.

La respuesta es que, efectivamente, bastaría con sólo 3 satélites para determinar la posición. Pero esto exige una precisión muy buena y una gran estabilidad de los relojes, tanto del satélite como del receptor. Si bien los satélites cumplen estas dos condiciones, pues incorporan un reloj atómico (que son muy precisos y muy estables), este no es el caso de los receptores puesto que su precio sería desorbitado.

La solución a este problema es introducir una nueva incógnita en el sistema (además de las tres coordenadas espaciales del receptor) debido a la deriva que existe entre el reloj del satélite y el reloj del usuario. Y es por esto por lo que necesitamos 4 satélites como mínimo, y no 3 como parecía en un principio.

Puesto que GPS usa la técnica de medición de “vía única” y el reloj del receptor no se halla sincronizado con el reloj del satélite. Esta falta de sincronización es la razón para que se use el término de seudodistancia.

se emplean 4 satélites respecto a los cuales el receptor calcula las distancias respectivas. En realidad no se miden distancias, sino pseudodistancias:

Llamamos:

Entonces: ------- distancia real (sin deriva)

------------------ pseudodistancia

donde el tiempo medido es:

Este es el error producido como consecuencia de la deriva existente entre el reloj del satélite y el reloj del receptor.

Así pues, la distancia real (que es la que realmente nos interesa) será:

Las coordenadas de cada satélite son conocidas, tenemos 4 ecuaciones de la forma:

para i = 1,..,4
(xi,yi,zi) ------------ coordenadas del satélite
4 ecuaciones ~ 4 incógnitas --- solución única

Para linealizar y facilitar así su resolución se pide al usuario que introduzca una posición aproximada:

Desarrollamos en serie de Taylor en torno a este punto:

Que puede ponerse como:

Y así hemos llegado a un sistema con 4 ecuaciones y 4 incógnitas que se van a calcular conociendo las distancias a 4 satélites.

Si hay más de 4 satélites visibles se calculan las pseudodistancias respecto a todos los satélites visibles, obteniendo así un sistema con más ecuaciones que incógnitas, lo que simplifica el cálculo de la posición.
El sistema está diseñado para que sobre cualquier punto de la superficie terrestre haya al menos 4 satelites visibles.
El sistema GPS además de la posición nos ofrece una referencia temporal muy exacta, esto permite:

• Sincronizar los relojes locales (esto tiene muchas aplicaciones, p.ej. sincronización en transmisiones...).

Algunos detalles del sistema GPS

• Error instrumental del cálculo de pseudodistancias como consecuencia de un error en la medida del retardo temporal de la señal.

• El sistema GPS requiere sistemas de medidas de retardo muy precisos.

• El reloj del satélite también puede sufrir alguna deriva (al cabo de varios años). El GPS envia al receptor una serie de modelos para correguir estas derivas.

• Puede suceder que el receptor sólo sea capaz de recibir las señales de 3 satélites. En este caso se pide al usuario que introduzca la altura y se emplea el GPS en 2D.

• La señal tarda unas centésimas de segundo en llegar al receptor, la posición del satñelite que hay que considerar para calcular la posición del usuario es la que tenía el satélite en el momento de transmitir la señal.

Los receptores GPS reciben la información precisa de la hora y la posición del satélite. Recibe dos tipos de datos, los datos del Almanaque, que consiste en una serie de parámetros generales sobre la ubicación y la operatividad de cada satélite con relación al resto de satélites de la red, esta información puede ser recibida desde cualquier satélite, y una vez el receptor GPS tiene la información del último Almanaque recibido y la hora precisa, sabe donde buscar los satélites en el espacio; La otra serie de datos, también conocida como Efemérides, hace referencia a los datos precisos, únicamente, del satélite que está siendo captado por el receptor GPS, son parámetros orbitales exclusivos de ese satélite y se utilizan para calcular la distancia exacta del receptor al satélite. Cuando el receptor ha captado la señal de, al menos, tres satélites calcula su propia posición en la Tierra mediante la triangulación de la posición de los satélites captados,

Posicionamiento con GPS

Esto significa proporcionar la latitud y longitud del punto en el que nos encontramos sobre la superficie terrestre. Por tanto, la mayoría de receptores proporcionan los valores de estas coordenadas en unidades de grados (°) y minutos ('). Tanto la latitud como la longitud son ángulos y por tanto deben medirse con respecto a un 0° de referencia bien definido.

Latitud: Hemisferios Norte y Sur

La latitud se mide con respecto al Ecuador (latitud 0°). Si un punto determinado se encuentra en el hemisferio norte (sur), su coordenada de latitud irá acompañada de la letra N (S). Otro tipo de nomenclatura refiere latitudes norte con números positivos y latitudes sur con números negativos.

Longitud: Este, Oeste

Por razones históricas, la longitud se mide relativa al meridiano de Greenwich. Si medimos un ángulo al este (oeste) del meridiano de Greenwich escribimos la letra E (W) acompañando al número que da la longitud. Algunas veces se utilizan números negativos. Por ejemplo, los siguientes valores de longitud son equivalentes: W 90°; E 270°; and -90°.

Usos en topografia y Geodesia

En este caso, los mismos satélites tienen que ser usados en los extremos de la línea a medir. Además, mediante el uso de receptores que captan las dos frecuencias de transmición de las señales, los errores debidos a la ionósfera pueden eliminarse. En cuanto a la tropósfera esta es considerada mediante el uso de modelos atmósfericos adecuados. Mediante el uso de estas técnicas, se pueden lograr precisiones menores a 1 m, y dependiendo del tipo de procesamiento y equipo se puede llegar a precisiones del cm, incluso de mm.

Modalidades de medicion

Ya sea que el tipo de medición sea absoluto o relativo, se consideran dos tipos de modalidad en la manera de toma y procesamiento de las mediciones. Estas modalidades son denominadas Estática y Cinématica. Como su nombre lo indica, estática denomina a observaciones estacionarias, mientras que la modalidad cinemática implica movimiento. A continuación se presentan algunos tipos de estas modalidades (Hoffman-Wellenhof, Lichtenegger y Collins, 1993):

Absoluto Estático: Esta modalidad es usada cuando se desea posicionamiento de puntos de exactitud moderada, en el orden de 5m a 10m. En este caso el modo de calculo es realizado posteriormente.

Absoluto Cinematico: Es generalmente usado para la determinación de la trayectoria de vehículos en espacio y tiempo con una exactitud de 10m a 100m.

Relativo Estático: Cuando es usado por fases portadoras es el método más aplicado en tareas de Geodesia. En esta modalidad lo que se hace es determinar vectores o "lineas-bases" entre dos puntos en los cuales se dejan receptores estacionarios. Las precisiones logrables van desde 1 ppm hasta 0.1 ppm para puntos separados pocos kilómetros.

Relativo Cinemático: Como en el método anterior, éste involucra un mínimo de dos receptores, pero uno de éllos estacionario y otro móvil realizando observaciones simultáneas. Las precisiones logrables varían, de acuerdo al tipo de receptor y postprocesamiento, desde el orden de pocos metros hasta centímetros.

Formacion del sistema:

La descripción del sistema de posicionamiento Global sigue la división acostumbrada para los sistemas sateliltales de navegación en tres segmentos: segmento espacial que se refiere a la constelación de satélites, segmento de control que monitorea y controla todo el sistema , y segmento del usuario que consiste de los distintos tipos de receptores (Seeber, 1993). A continuación se da una breve descripción de cada uno de estos segmentos.

Segmento espacial:

La cobertura global de entre cuatro a ocho satelites simultáneos en cualquier momento con una elevación de 15° ha sido una de las metas fundamentales que se han tratado de establecer por los diseñadores e implementadores de GPS (Hoffman-Wellenhof, Lichtenegger y Collins, 1993). Esto puede ser logrado mediante la planificacion de una constelación adecuada de satélites que hagan cumplir la condición deseada.

Constelacion:

La constelación final y número total de satélites ha sufrido variaciones con el tiempo. Los primeros satélites GPS tenían una inclinación de 63° con respecto al Ecuador y los planes era colocar 24 satélites en 3 planos orbitales. Debido a cuestiones presupuestarias la constelación se pensó reducir en 18 satélites. Con esta idea, sin embargo, no se proveía la cobertura deseada (Hoffman-Wellenhof, Lichtenegger y Collins, 1993). La constelación final de satelites GPS se estableció en 21 satelites principales más tres satélites activos de repuesto orbitando la tierra en órbitas casi circulares a una elevación de aproximadamente 20200 km sobre la tierra y con un período de 12 horas sidéreas.

Conclusion

A pesar de que GPS se pensó para fines militares, éste a tenido una excelente acogida en el campo de la geodesia, permitiendo realizar trabajos que en años anteriores requerían gran cantidad de personal y grandes sumas de dinero, hoy se puede lograr más preciso y a una fracción del costo en técnicas convencionales tales como Triangulación y Poligonación. Todo esto consiguiendo precisiones al centímetro, gracias al refinamiento de las técnicas que usa GPS, y a la información proporcionada por la Red Geodésica Nacional.

Pero GPS ha debido sortear grandes desafíos que ninguna otra herramienta había enfrentado, y son las los diversos errores que afectan su buen funcionamiento, como lo son los factores atmosféricos (ionosfera), de imprecisiones en la sincronización de relojes tanto emitidos como recepcionados y su propia ubicación espacial, provocando importantes errores posicionales que han sido librados gracias a modelos matemáticos.

Sin duda que GPS seguirá evolucionando en cuanto a rendimiento y precisión, incorporando nuevos satélites a su flota y uniformando al mundo con su sistema, lo que lleva a pensar que nuevas iniciativas en esta área deberán necesariamente tomar como referencia lo que GPS ha podido avanzar.

Por último se debe mencionar la diversidad que ha conseguido GPS en todas las áreas no sólo respecto a nuestra profesión, sino que ha ocupado lugares tan impensados que hoy es utilizado tanto en deporte aventura, como también en actividades tan rutinarias como en la recolección de basura.

Que informacion entregan y en que se basan los GPS