Sistema de Posicionamiento Global

GPS

Índice

Pág.

• Introducción 3

• Historia y Desarrollo 4

• Partes del Sistema de Posicionamiento Global 5

• Funcionamiento 7

• Características Físicas de los Receptores GPS 12

• Funciones Generales de los Receptores GPS 13

• Mapas, Rutas, PC's y GPS 14

• Conclusiones 16

• Bibliografía 17

Introducción

El Sistema de Posicionamiento Global, mejor conocido como GPS (Global Positioning System) es un sistema de navegación basado en una red de 24 satélites denominada NAVSTAR, situados en una órbita geoestacionaria a unos 20.200 Km de la Tierra, y unos receptores GPS, que permiten determinar nuestra posición en cualquier lugar del planeta, de día o de noche y bajo cualquier condición meteorológica. Al no haber comunicación directa entre el usuario y los satélites, el GPS puede dar servicio a un número ilimitado de usuarios.

La red de satélites es propiedad del Gobierno de los Estados Unidos de América y está gestionado por su Departamento de Defensa (DoD).

Los receptores GPS son extraordinariamente útiles para cualquier tarea de navegación, orientación, seguimiento de rutas, almacenamiento de puntos para posteriores estudios, etc.

Desarrollo

Historia y Desarrollo:

Dirigido por el Departamento de Defensa de Estados Unidos, el Sistema de Posicionamiento Global se creó en 1973 para reducir los crecientes problemas en la navegación, y así poder localizar y manejar sus aviones, buques, vehículos y personal de tropa para su uso en combate.

En 1980, el presidente Ronald Reagan declaró que el GPS podía ser usado para cualquier tipo de fin civil. Sin embargo, por razones de seguridad, el GPS de uso civil no tenia la misma precisión milimétrica del GPS de uso militar. Esto lo lograban mediante el empleo de interferencias electrónicas, con las que el Pentágono se aseguraba la exclusividad del pleno acceso a la precisión del GPS. Con esto lograban aumentar el error nominal en el cálculo de la posición de aproximadamente 15 m. a unos 100 m.

Esto fue hasta el primero de marzo del 2000, cuando el Departamento de Defensa de Estados Unidos decidió descodificar la señal del GPS, permitiendo a los usuarios civiles disponer de toda la exactitud que es capaz de proporcionar esta tecnología.

Al ser un sistema que supera las limitaciones de la mayoría de los sistemas de navegación existentes, el GPS consiguió gran aceptación entre la mayoría de los usuarios. Desde los primeros satélites, se ha probado con éxito en las aplicaciones de navegación habituales. Como puede accederse a sus funciones de forma asequible con equipos pequeños y baratos, el GPS ha fomentado muchas aplicaciones nuevas.

Partes del Sistema de Posicionamiento Global: 

El Sistema de Posicionamiento Global consta de tres divisiones: espacio, control y usuario. La división espacio incluye la red de 24 satélites denominada NAVSTAR y los cohetes Delta que lanzan los satélites desde Cabo Cañaveral, en Florida, Estados Unidos. Los satélites GPS se desplazan en órbitas geoestacionarias a 20.200 Km. de altitud, invirtiendo 12 horas en cada una de las órbitas. Éstas tienen una inclinación de 55° para asegurar la cobertura de las regiones polares. La energía la proporcionan células solares, por lo que los satélites se orientan continuamente dirigiendo los paneles solares hacia el Sol y las antenas hacia la Tierra. Cada satélite cuenta con cuatro relojes atómicos.

La división control incluye la estación de control principal en la base de las Fuerzas Aéreas Falcon, en Colorado Springs, Estados Unidos, y las estaciones de observación situadas en Falcon AFB, Hawai, en la isla de Ascensión en el Atlántico, en Diego García en el océano Índico, y en la isla Kwajalein en el Pacífico sur. Las divisiones de control utilizan las medidas recogidas en las estaciones de observación para predecir el comportamiento de las órbitas y relojes de cada satélite. Los datos de predicción se conectan a los satélites para transmitirlos a los usuarios. La división control también se asegura que las órbitas de los satélites GPS permanezcan entre los límites y de que los relojes no se alejen demasiado del comportamiento nominal.

La división usuario es un término en principio asociado a los receptores militares. Los GPS militares utilizan equipos integrados en armas de fuego, armamento pesado, artillería, helicópteros, buques, submarinos, carros de combate, vehículos de uso múltiple y los equipos individuales para soldados. Además de las actividades básicas de navegación, su aplicación en el campo militar incluye designaciones de destino, apoyo aéreo, municiones `terminales' y puntos de reunión de tropas. La lanzadera espacial está dotada de un Sistema de Posicionamiento Global.

Con más de medio millón de receptores de GPS, los usuarios civiles tienen una división propia, grande y diversa. Incluso antes de que todos los componentes de los satélites estuvieran en órbita, los investigadores utilizaban el Sistema de Posicionamiento Global para adelantar días o semanas los métodos oficiales de investigación. El GPS se usa hoy en aeroplanos y barcos para dirigir la navegación en las aproximaciones a los aeropuertos y puertos. Los sistemas de control de seguimiento envían camionetas y vehículos de emergencia con información óptima sobre las rutas. El método denominado `granja de precisión' utiliza el GPS para dirigir y controlar la aplicación de fertilizantes y pesticidas. También se dispone de sistemas de control de seguimiento como elemento de ayuda a la navegación en los vehículos utilizados por excursionistas.

Funcionamiento:

Cada satélite procesa dos tipos de datos: las Efemérides que corresponden a su posición exacta en el espacio y el tiempo exacto en UTM (Universal Time Coordinated), y los datos del Almanaque, que son estos mismos datos pero en relación con los otros satélites de la red, así como también sus órbitas.

Cada uno de ellos transmite todos estos datos vía señales de radio ininterrumpidamente a la Tierra. Cuando nosotros encendemos nuestro receptor GPS portátil y apuntamos la antena hacia el cielo, empezamos a captar y recibir las señales de los satélites (el receptor GPS no envía ninguna señal de radio, sólo las recibe), empezando por la más fuerte, de manera que puede empezar a calcular la distancia exacta hasta ese satélite, así como saber dónde buscar los demás satélites en el espacio.

Para esto se obtienen las distancias entre el receptor y el satélite por medio del retardo temporal entre que el satélite envía la señal hasta que el receptor la recibe.

Entonces obtendremos la ecuación de un esferoide (1 ecuación por cada satélite), donde la intersección de todos estos esferoides da la posición del usuario.

Los satélites emiten dos señales a la misma frecuencia. Estas señales están moduladas en fase (BPSK) por diferentes códigos pseudo aleatorios.

El receptor GPS calcula la correlación entre el código recibido y el código del satélite cuya señal pretende detectar, de esta forma se pueden separar las señales de los diferentes satélites, y finalmente se obtiene el retardo temporal.

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 a esta pregunta 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.

Como acabo de decir, se emplean 4 satélites respecto a los cuales el receptor calcula las distancias respectivas. En realidad no se miden distancias, sino pseudodistancias, que es la a distancia entre un satélite y el receptor más algo que se debe a la deriva existente entre el reloj del satélite y el del receptor.

Llamamos:

(0) Ri = distancia (Sat, Rxor)

entonces:

(1) Ri = T c -------------- distancia real (sin deriva)

(2) Ri'= Tmedio c -------------- pseudo distancia

donde el tiempo medido es:

(3) Tmedio = T +

(4) Ri' = Ri +  !  = c 

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:

(5) Ri = Ri' - c
Las coordenadas de cada satélite son conocidas, tenemos 4 ecuaciones de la forma:

(6) (xi - Ux)2 + (yi - Uy)2 + (zi - Uz)2 = (Ri' - c)2 para i = 1,..,4

donde: (xi,yi,zi) son coordenadas del satélite.

Por lo tanto tenemos 4 ecuaciones, 4 incógnitas lo que nos da una solución única.

Para linealizar (6) y facilitar así su resolución se pide al usuario que introduzca una posición aproximada:

(7) (Ux0 , Uy0, Uz0)

Desarrollamos en serie de Taylor en torno a este punto

(8)

(9)

Que puede ponerse como:

(10)

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 pseudo distancias 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 satélites 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, como en la sincronización de transmisiones).

Posibilidad de medir la velocidad a la que se desplaza el usuario a través del desplazamiento Doppler.

(10)

relación fDoppler que seria el desplazamiento Doppler

Algunos detalles del sistema GPS:

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

(12) R = cT [relación fDoppler ~ desplazamiento Doppler]

El reloj del satélite puede sufrir alguna variación al cabo de varios años, por lo que el GPS envía al receptor una serie de modelos para corregir estos errores.

También 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 satélite que hay que considerar para calcular la posición del usuario es la que tenía el satélite en el momento de transmitir la señal.

Características Físicas de los Receptores GPS:

TAMAÑO: Los modernos receptores GPS portátiles caben en la palma de la mano y son de un tamaño similar a un teléfono móvil.

PESO: Los más típicos GPS de mano o portátiles pesan menos de 250 gramos, incluso con las pilas instaladas. A medida que les vamos añadiendo más prestaciones van aumentando de peso y tamaño.

CARCASA: La carcasa, que forma la parte exterior del GPS, es bastante fuerte, normalmente sellada y algunas veces resistente al agua o, al menos, impermeable; aunque hay que tener en cuenta que los receptores GPS no han sido fabricados para poder resistir golpes fuertes o ser sumergidos.

Algunos receptores tienen la antena receptora interna integrada en la parte superior de la carcasa, y otros tienen una pequeña antena exterior desmontable que puede moverse a una posición cercana para tener una mejor recepción de los satélites.

PANTALLA: Las dimensiones de la misma, varían de un fabricante a otro y según modelos. La mayoría de los receptores tienen pantallas de cristal líquido de alto contraste con luz de fondo electroluminiscente.

Funciones Generales de los Receptores GPS:

MENÚ: Permite acceder a la lista de las diferentes opciones disponibles en el receptor:

SATÉLITES: Muestra en la pantalla a modo de gráfico o animación cuántos satélites está "viendo" el receptor y el nivel de intensidad de la señal que se está recibiendo de cada uno de ellos. Si hay más de 4 satélites visibles, nuestro receptor escogerá los 4 mejores, basándose en la intensidad de las señales recibidas y en el ángulo de triangulación.

POSICIÓN: Muestra la posición actual, la altitud y, normalmente también la hora (con algún truco en el encendido hasta se puede mostrar la temperatura).

MAPA: Muestra gráficamente la posición y el camino seguido hasta ahora.

Si nos estamos moviendo, nuestra posición se irá desplazando y dejando una huella del camino seguido (track). Los waypoints marcados también deben aparecer en este mapa.

PUNTERO O NAVEGACIÓN: Si tenemos un destino activo (marcado) o una ruta activada, muestra la dirección a seguir, el rumbo, la distancia y tiempo estimado de llegada. Si nos estamos moviendo, se mostrará incluso la velocidad a que lo estamos haciendo.

LANDMARK O WAYPOINT LIST/RUTAS: Muestra los puntos de paso o posiciones previamente introducidas en la memoria del receptor, para renombrarlos o borrarlos, o para planificar una ruta. A veces, además del nombre, se pueden agregar iconos (existe una lista de iconos prefijada) para distinguir los puntos de paso más importantes. También existe, normalmente, una opción de rutas para editar o revisar las rutas que hemos hecho, preparar una nueva, activar o invertir alguna otra.

OPCIONES: Muchos receptores permiten escoger entre unidades distintas de

medición, tiempo, sistemas de coordenadas, norte magnético o verdadero, etc...

También existen las opciones para transmitir o recibir datos desde un PC u otro GPS o para recibir las señales de un GPS Diferencial (DGPS).

SALIDA / PUESTA DEL SOL: Algunos GPS muestran la hora de salida y de puesta del sol para ese día y en esa determinada posición.

Mapas, Rutas, PC's y GPS:

Una de las características de los receptores GPS es la de poder grabar o marcar una determinada posición a través de la función Waypoint, la cual generalmente podremos asociar un nombre (o incluso un icono).

A partir de la anterior función se pueden crear rutas (agrupación en secuencia de waypoints), las que contiene una posición de partida y una final, así como toda una serie de localizaciones intermedias a lo largo del trayecto.

También podemos hacer que sea el propio GPS el que grabe automáticamente nuestra ruta o "huella" a través de la función track (nuestro receptor grabará un punto cada vez que cambiemos de dirección), para que podamos volver, sin ningún problema, a nuestro punto de partida.

Hay dos maneras básicas de usar una ruta:

Se puede extraer las coordenadas de una ruta de un mapa topográfico, introducirlas en un computador, para posteriormente exportarlas a un receptor GPS. Una vez al aire libre únicamente hay que seguir las indicaciones del GPS.

Si durante una excursión se graba los distintos puntos de paso (de forma manual o automática), se puede deshacer el camino andado sin pérdida ninguna, o se puede exportar estos datos a un computador para guardarlos y rehacer la ruta posteriormente, o plasmar los mismos sobre un mapa topográfico digital.

Por ejemplo, elaborando una ruta sobre un mapa, registrando en el receptor los puntos por los que se quiere pasar y, una vez sobre el terreno, activando esa ruta, una pantalla gráfica indica si estamos en el rumbo correcto o nos estamos desviando en alguna dirección; o utilizar la misma función en rutas reversibles, es decir, ir registrando puntos por los que se va pasando para luego poder volver por esos mismos puntos con toda seguridad. Con todos estos datos, el GPS además puede indicar la velocidad a la que nos estamos desplazando, la velocidad media de desplazamiento (manteniendo el rumbo en línea recta), la distancia recorrida, la duración de la actividad entre otras funciones.

Conclusiones

Como hemos visto, este espectacular sistema, nos permite hacer nuestros viajes más seguros y cómodos, ya que contamos en todo momento y en cualquier parte del mundo con valiosa información que nos permite no perdernos, usar una ruta optima, o simplemente saber a que hora se oscurecerá.

Este sistema sé ira perfeccionando día a día, ya que se espera que en los próximos meses se pongan en orbita más satélites, lo que permitirá acceder a una mayor precisión, y ampliar las funciones actuales.

Ya descritas todas las excelencias de estos aparatos, no dejan de ser dispositivos electrónicos que pueden fallar (por caída, agotamiento batería, etc...) por lo que siempre deberemos de acompañarlos con nuestros habituales compañeros de viaje: la brújula y el mapa.

Bibliografía

• Enciclopedia Microsoft Encarta 2000.

• Mundo GPS: http://www.mundogps.com/

• El Anzuelo: http://www.elanzuelo.com/gps.htm

• http://etsi.tel.uva.es/~jpozdom/telecomunicaciones/portadagps.html