SISTEMA DE POSICIONAMIENTO GLOBAL (GPS)
Antecedentes del GPS
Sistema diseñado por el Departamento de Defensa de los Estados Unidos, para permitir a los soldados determinar en forma autónoma su posición geográfica en unos 10 metros de precisión.
Desde 1973 se dio uso civil para cualquier usuario sin costo alguno, desde 1984, autorizado por el presidente Ronald Reagan.
Más de 9000 receptores GPS fueron usados por los EE.UU en la guerra del golfo pérsico denominada: “Tormenta del Desierto”.
La comunidad internacional, con el pretexto de la mejora de la seguridad aérea y marítima, llegó a un acuerdo de uso compartido con las Fuerzas armadas, dando lugar en 1995 al uso público del GPS, aunque Estados Unidos estableció como condición la capacidad de alterar la exactitud de las posiciones con motivo de salvaguardar su propia seguridad y de las operaciones militares (algo que solo pone en marcha en lugares de conflicto bélico en determinadas circunstancias y que afecta únicamente a la señal civil).
El sistema de posicionamiento por satélite vino a sustituir al viejo sistema LORAN, cuyos satélites daban la posición bajo su cobertura dos veces al día. Otro de los sistemas de posicionamiento, igualmente eficiente, aunque menos conocido, es el desarrollado por la Agencia espacial rusa.
¿Qué es GPS?
El Sistema de Posicionamiento Global (GPS) es una constelación de satélites que gira alrededor de la Tierra. El gobierno de los Estados Unidos mantiene el programa, el cual tiene como objeto definir las posiciones geográficas en y sobre la superficie de la tierra.
Este sistema proporciona información sobre posición y tiempo a nivel mundial en todas las condiciones atmosféricas y durante las 24 horas.
Un sistema de navegación similar llamado GLONASS (GLObal NAvigation Satellites System) se desarrolló en la antigua Unión Soviética. El sistema, también diseñado con fines militares, reservó un subconjunto de señales sin codificar para las aplicaciones civiles. Actualmente la responsabilidad del sistema es de la Federación Rusa. De los 24 satélites, distribuidos en tres planos orbitales inclinados 64.8° a 19,100 km de altitud y período 11h 15 min solo funcionan 14.
A pesar del beneficio que supone la ausencia de perturbación en la señal GLONASS, la incertidumbre sobre su futuro ha limitado su demanda, sin embargo se han comercializado receptores que combinando las señales GPS y GLONASS, mejoran la precisión de las medidas.
Integrantes del GPS
El Sistema de posicionamiento global GPS, al igual que el GLONASS, está integrado por tres sectores o componentes:
• Sector espacial:
Compuesto por 24 satélites dispuestos en seis órbitas a razón de 4 equipos en cada órbita. Los satélites orbitan alrededor de la Tierra a una altura de 20200 kilómetros (por debajo de los satélites geoestacionarios). La velocidad de rotación es de una vuelta a la Tierra cada 12 horas, siguiendo una ruta con una inclinación de 55º respecto al Ecuador celeste y una diferencia de 90º de arco de los satélites entre sí. A esto se han de sumar los satélites geoestacionarios de amplia cobertura del sistema WAAS/EGNOS.
• Sector terrestre:
También llamado de control. Se ocupa de corregir la señal obtenida de los satélites, así como posibles desviaciones de la órbita. El sector terrestre lo componen 9 estaciones: 1 general, 5 de rastreo y 3 de datos.
• Sector usuario:
Compuesto por antena, amplificador y receptor. El equipo se encarga de seleccionar los satélites que le deben aportar la información para calcular la posición, medir el tiempo entre transmisiones y la hora.
La combinación de los tres sectores proporciona el tiempo y la posición con una cobertura global, garantizando que cualquier usuario dispone en todo momento de entre 6 y 8 satélites visibles sobre el horizonte.
Cómo funciona el GPS
Cada uno de los satélites en órbita cuenta con cuatro relojes atómicos. Los relojes atómicos son los más exactos que existen, teniendo un retraso de 1 segundo cada tres millones de años. Y es que el tiempo es fundamental para calcular la posición.
El GPS aporta el dato de posición y altura. Para eso necesita de tener cobertura de cuatro satélites. Tres para calcular la situación y uno más para la altura.
Cada uno de los satélites emite dos señales. Una que hace de matriz y otra para corregir la desviación de la ionosfera. El equipo de usuario mide el tiempo que tarda en viajar la señal desde el satélite hasta la antena receptora (conocida la hora de emisión), por lo que es fundamental que ambos estén sincronizados.
Ese tiempo, multiplicado por la velocidad de propagación de las ondas (luz) en la atmósfera, permite calcular la distancia hasta cada uno de los satélites. De esta forma se conoce dónde está cada emisor y la distancia hasta el usuario.
Con estos datos se puede establecer la posición como el lugar geométrico donde confluyen las tres esferas, con centro en cada uno de los satélites, y como radio la distancia calculada.
Sin embargo, esta posición está alterada por la posible desincronización entre los relojes de emisor y receptor y por las perturbaciones atmosféricas. De corregirla se ocupa el DGPS.
A continuación se presenta un video para una mejor comprensión de la programación y uso del GPS en topografía.
El sistema GPS está constituido por tres segmentos: el segmento espacial, el segmento de control y el segmento del usuario. La Fuerza Aérea de los Estados Unidos desarrolla, mantiene y opera los segmentos espacial y de control.
- Segmento espacial:
Consiste en una constelación de satélites que transmiten señales de radio a los usuarios.
Estados Unidos se compromete a mantener la disponibilidad de al menos 24 satélites GPS operativos, el 95% del tiempo.
Para garantizar este compromiso, la Fuerza Aérea ha estado volando 31 satélites GPS operativos durante los últimos años.
Constelación de 24 satélites: Circundan la tierra con una órbita de 26,560 km de altitud, formando 6 órbitas a-b-c-d-e-f, con ángulo de inclinación de 55° respecto al Ecuador. Una revolución alrededor de la tierra en 12 horas. El segmento está diseñado para proporcionar cobertura con 4 a 8 satélites por encima de cualquier horizonte.
Frecuencia de la señal: Los satélites transmiten una señal de radiofrecuencia (PRN bits) formadas por ondas electromagnéticas que viajan a la velocidad de la luz (300,000 km/seg) emitidas en las frecuencias (L1 – L2).
Portadora L1: Se utiliza para transmitir la información de la posición.
Portadora L2: Se emplea para medir los retardos de propagación atmosféricos.
- Segmento de control:
Consiste en una red global de instalaciones terrestres que rastrean los satélites GPS, monitorean sus transmisiones, realizan análisis y envían comandos y datos a la constelación.
El Segmento de Control Operacional (OCS) actual incluye una estación de control maestra, una estación de control maestra alternativa, 11 antenas de comando y control y 16 sitios de monitoreo. Las ubicaciones de estas instalaciones se muestran en el mapa.
Consta de cinco estaciones monitoras encargadas de mantener en órbita los satélites y supervisar su correcto funcionamiento, tres antenas terrestres que envían a los satélites las señales que deben transmitir y una estación experta de supervisión de todas las operaciones.
Está compuesta por una Estación Maestra Control en Colorado Springs (EEUU), Estaciones de Monitoreo y Estaciones Terrestres localizadas en Hawaii, Kwajalein, Diego García e Isla Ascención y una en Cabo cañaveral (Florida).
Las estaciones reciben las señales de los satélites.
- Segmento del usuario:
Consiste en el equipo receptor del GPS que recibe las señales de los satélites del GPS y las procesa para calcular la posición tridimensional y la hora precisa.
La índole gratuita, interrumpida y fiable del Sistema de Posicionamiento Global (GPS) ha permitido a los usuarios de todo el mundo desarrollar cientos de aplicaciones que afectan casi todas las facetas de la vida moderna.
Las aplicaciones que se describen en el presente sitio web son sólo unos cuantos ejemplos. Cada día se inventan nuevos usos del GPS, cuya única limitación es la creatividad de la imaginación humana.
Está formado por antenas y los receptores pasivos situados en tierra. Lo constituyen todos los receptores GPS y sus programas de procesos de datos (Software).
Comprende un número ilimitado de receptores que reciben las señales y calculan la posición instantánea y otros datos de navegación.
A continuación la representación gráfica del funcionamiento de los tres segmentos:
Tipos de receptores GPS
Los receptores, a partir de los mensajes que provienen de cada satélite visible, calculan distancias y proporcionan una estimación de posición y tiempo.
Cubren las más diversas posibilidades de aplicación en sistema GPS, se pueden clasificar en:
- Receptores de navegación
- Receptores de una frecuencia
- Receptores de doble frecuencia
Principios de funcionamiento del sistema GPS
El sistema GPS tiene por objetivo calcular la posición de un punto cualquiera, coordenadas (x,y,z), partiendo del cálculo de las distancias del punto a un mínimo de tres satélites cuya localización es conocida.
La distancia entre el usuario (receptor GPS) y un satélite se mide multiplicando el tiempo de vuelo de la señal emitida desde el satélite por su velocidad de propagación.
Para medir el tiempo de vuelo de la señal de radio es necesario que los relojes de los satélites y de los receptores estén sincronizados, pues deben generar simultáneamente el mismo código.
Ahora bien, mientras los relojes de los satélites son muy precisos, los de los receptores son osciladores de cuarzo de bajo coste y por tanto imprecisos. Las distancias con errores debidos al sincronismo se denominan pseudo distancias. La desviación en los relojes de los receptores añade una incógnita más que hace necesario un mínimo de cuatro satélites para estimar correctamente las posiciones.
GPS Navegadores
Son receptores usualmente de tamaño pequeño y portátiles. Debe de tenerse en cuenta que estos equipos no son aptos para el uso de las técnicas GPS diferenciales, solamente para navegación.
Precisión: 5 a 10 metros, almacenan en su memoria los datos observados.
Fuentes de error en los GPS
A continuación se describen las fuentes de error que en la actualidad afectan de forma significativa a las medidas realizadas con el GPS.
- Perturbación ionosférica:
La ionosférica está formada por una capa de partículas cargadas eléctricamente que modifican la velocidad de las señales de radio que la atraviesan.
- Fenómenos meteorológicos:
En la troposfera, cuna de los fenómenos meteorológicos, el vapor de agua afecta a las señales electromagnéticas disminuyendo su velocidad.
- Los errores generados:
Son similares en magnitud a los causados por la ionósfera, pero su corrección es prácticamente imposible.
- Imprecisión en los relojes:
Los relojes atómicos de los satélites presentan ligeras desviaciones a pesar de su cuidadoso ajuste y control; lo mismo sucede con los relojes de los receptores.
- Interferencias eléctricas imprevistas:
Las interferencias eléctricas pueden ocasionar correlaciones erróneas de los códigos pseudo-aleatorios o un redondeo inadecuado en el cálculo de una órbita. Si el error es grande resulta fácil detectarlo, pero no sucede lo mismo cuando las desviaciones son pequeñas y causan errores de hasta un metro.
- Error multisenda:
Las señales transmitidas desde los satélites pueden sufrir reflexiones antes de alcanzar el receptor. Los receptores modernos emplean técnicas avanzadas de proceso de señal y antenas de diseño especial para minimizar este error, que resulta muy difícil de modelar al ser dependiente del entorno donde se ubique la antena GPS.
- Interferencia Disponibilidad Selectiva S/A:
Constituye la mayor fuente de error y es introducida deliberadamente por los militares.
- Topología receptor-satélites:
Los receptores deben considerar la geometría receptor-satélites visibles utilizada en el cálculo de distancias, ya que una determinada configuración espacial puede aumentar o disminuir la precisión de las medidas.
GPS y su finalidad
- Como navegador
- Para obtener una ruta de un sitio a otro.
- Obtener las coordenadas ciertos puntos estratégicos geográficos
- Convertirlas a coordenadas cartesianas (x , y) para poderla ubicar en un plano ya sea con una página de Excel o un software.
- Se utilizará un programa llamado GeoCalc para poder pasar dichas coordenadas.
FUENTES:
https://www.azimutmarine.es/sistema-posicionamiento-gps
Clase en línea ing Raúl Martínez Bermúdez
TOPOGRAFÍA UNIVERSITARIA 