¿Que es el GPS?
El sistema Global de posicionamiento (GPS por sus siglas en inglés) es un sistema satelitario basado en señales de radio emitidas por una constelación de 21 satélites activos en órbita alrededor de la tierra a una altura de aproximadamente 20 000 km. El sistema permite el cálculo de coordenadas tridimensionales que pueden ser usadas mediante el uso de métodos adecuados, para determinación de mediciones de precisión, dado que se poseen receptores que captan las señales emitidas por los satélites.
El GPS fue implementado por el Departamento de Defensa de los Estados Unidos con el objeto de obtener en tiempo real la posición de un punto en cualquier lugar de la tierra. El Sistema surgió debido a las limitaciones del sistema TRANSIT que en la década de los 70 proporcionaba posicionamiento usando métodos Doppler, cuya principal desventaja era la no disponibilidad de satélites las 24 horas del día.
¿PARA QUÉ USAR GPS?
La idea original del GPS, que aún hoy día se mantiene, era usarlo para navegación, para conocer la posición del observador en cualquier momento del día dentro de un sistema de referencia creado para tal fin. Esto es conocido como posicionamiento absoluto. La posición del receptor es conocida a partir de las coordenadas de los satélites y las distancias medidas a por lo menos cuatro satélites, mediante una intersección espacial. La distancia a cada satélite es determinada haciendo uso de la fórmula d = c* D t ; en donde c corresponde a la velocidad de la luz en el vacío y D t el tiempo de recorrido de la señal desde el satélite hasta el receptor.
Evidentemente se necesita proveer al sistema de un mecanismo de medida de tiempo. Tanto los satélites como los receptores son provistos de relojes para tal efecto. Debido a que no se puede tener un reloj perfecto, tanto los relojes en el receptor y satélite poseen un error que afectará la distancia medida, más si se considera la magnitud de las distancias involucradas. Debido a que el intervalo de tiempo es calculado a partir de dos relojes distintos, con errores diferentes, es que se usa el término de seudo-distancias para hacer referencia a las distancias medidas.
La determinación de coordenadas en forma absoluta presenta varios problemas. Además de los errores de reloj, se debe considerar que en la medición de seudo-distancias la señal proveniente del satélite cambiará su velocidad de propagación al atravesar capas atmosféricas de distinta densidad, lo que introduce otro error en la posición. También, debe recordarse que la posición de observación es determinada a partir de las coordenadas de los satélites, la distancia medida, por lo tanto, también se encuentra afectada por las distintas perturbaciones orbitales, que sacan a los satélites de las órbitas
teóricas. La exactitud en la determinación de coordenadas absolutas con respecto al sistema de referencia es entre 100 y 150 m en las tres coordenadas.
APLICACIONES EN TOPOGRAFIA Y GEODESIA:
La posibilidad de usar el sistema para tareas de precisión se ha estudiado desde hace mucho tiempo. En la actualidad se han desarrollado técnicas para lograr exactitud topográfica y geodésica. Estas son conocidas como técnicas diferenciales o métodos de posicionamiento relativo. Esto es, que es posible conocer con gran exactitud la diferencias de coordenadas entre dos o más receptores.
El principio se basa en la asunción de que en ambos extremos de una línea los errores de las órbitas de los satélites son iguales. 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 transmisión de las señales, los errores debidos a la ionosfera pueden eliminarse. En cuanto a la troposfera esta es considerada mediante el uso de modelos atmosféricos 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.
TIPOS 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 Cinemático: 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.
CÓMO SE FORMA EL SISTEMA 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.
EL 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.
LA CONSTELACIÓN:
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 satélites GPS se estableció en 21 satélites 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. Estos satélites tienen una inclinación de 55° con respecto al Ecuador y estan colocados en seis planos equidistantemente y con 4 satélites en cada órbita. La separación de los planos de las órbitas es
de 60° en ascensión recta (Seeber, 1993).
DEGRADACIÓN DE LA SEÑAL:
Existen dos formas para degradar la señal emitida por los satélites GPS. La primera es llamada:Selective Availability (SA), y la otra llamada Anti-Spoofing (A-S). El objetivo de ambas es negar a los usuarios el uso apropiado del sistema.
Selective Avalibility: La limitación en este caso puede ser lograda de dos maneras. La primera es mediante la manipulación de los datos de las efémerides (método e ) y la segunda mediante la desestabilización de los relojes del satélite (método d ) (Seeber, 1993). Ambos métodos afectan la medición de pseudo-distancias.
Anti-Spoofing: Este método de degradación de la señal consiste en encriptar el código P mediante el uso del llamado codigo protegido Y. Sólamente usuarios autorizados tienen acceso al código P cuando el A-S es activado.
EL SEGMENTO DE CONTROL:
Este segmento consiste de una red de estaciones que permiten controlar y retroalimentar el sistema de satélites. Esto se logra mediante el constante monitoreo de los satelites desde una serie de estaciones convenientemente ubicadas al rededor de la tierra.
Existe una estación maestra de control ubicada actualmente en el Centro de Operaciones Consolidadas del Espacio, en Colorado Springs. En esta estación se reune la información de las estaciones de monitoreo y con estos datos se calculan las orbitas de los satelites y correcciones a los relojes haciendo uso de estimadores Kalman.
Las estaciones de monitoreo son cinco y se encuentran localizadas en Hawaiii, Colorado Springs, Isla Ascención en el Océano Atlántico Sur , Diego García en el Mar Indico y Kwajalein en el Océano Pacífico Norte. Estas estaciones están equipadas con relojes de Cesio y receptores del código P que constantemente monitorear todos los satélites sobre el horizonte. Estas estaciones son usadas para la determinación de las efemérides transmitidas y modelados de reloj. Las correcciones a las órbitas y relojes son retroalimentadas a los satélites mediante las estaciones de control terrestres.
Estas estaciones se encuentran en Ascención, Diego García y Kwajalein (Hoffman-Wellenhof, Lichtenegger y Collins, 1993).
EL SEGMENTO DEL USUARIO:
Este segmento se refiere a los distintos tipos de receptores que existen en el mercado y de los distintos usuarios del sistema. Con el paso del tiempo nuevas aplicaciones se han encontrado al sistema. Se necesita, por lo tanto, diseñar y desarrollar equipos con ciertas características para adaptarse a las distintas necesidades de los usuarios.
Tipos de receptores GPS
Receptores Secuenciales
Este tipo de receptores sólo cuenta con un canal.
Sigue secuencialmente a los diferentes satélites visibles.
El receptor permanece sincronizado con cada uno de los satélites al menos 1 segundo. Durante este
tiempo adquiere la señal y calcula el retardo temporal.
Extrae el retardo de sólo 4 satélites y a partir de estos calcula la posición. Los satélites que elige son
aquellos que tienen mejor SNR.
Estos receptores son:
- Los más baratos.
- Los más lentos.
- Su precisión es menor que la de los otros tipos de receptores.
- Suele emplearse en aplicaciones de baja dinámica (barcos, navegación terrestre...)
Receptores contínuos o multicanales
En este caso estos receptores disponen de al menos 4 canales.
A cada canal se le asigna el código de 1 satélite para que se sincronice con él y adquiera el retardo con ese satélite.
Se miden los retardos simultáneamente.
Son más rápidos que los secuenciales a la hora de calcular la posición.
Su precisión también es mejor que en el modelo anterior.
Están recomendados para aplicaciones de gran dinámica (aeronaves).
Receptores con canales multiplexados
Tenemos 1 único canal físico (hardware).Tenemos 4 o más bucles de seguimiento (software).
De este modo se deben muestrear todos los satélites visibles en un tiempo inferior a 20 ms, pues así podremos obtener la información recibida de todos los satélites visibles (Tbit=20ms).
La complejidad software es mayor y necesitamos un microprocesador más potente. Pero tiene la ventaja respecto al receptor contínuo de que al emplear 1 sólo canal físico será menos sensible a las posibles variaciones de canal que en el caso de los recptores contínuos (los canales no pueden ser exactamente iguales, unos tendrán un retardo distinto al resto...).
Cesar Augusto Suarez
CI 17394384
CRF
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