Naturaleza de los GPS

Naturaleza del GPS

El GPS (por sus siglas en inglés: Global Positioning System), significa traducido al español: Sistema de Posicionamiento Global, el cual facilita determinar en todo el mundo la posición de un objeto, una persona o un vehículo, con una precisión hasta de centímetros (si se utiliza el GPS diferencial), aunque lo habitual son unos pocos metros de precisión. El sistema ha sido desarrollado, instalado y empleado por el Departamento de Defensa de los Estados Unidos, y está constituido, hasta el año 2011, por 24 satélites que utilizan la triangulación para determinar en todo del globo la posición con una precisión de centímetros hasta unos pocos metros.

                               Ejemplo de un dispositivo móvil GPS, marca Garmin

Dichos satélites orbitan el planeta tierra a 20.200 km de distancia, con trayectorias sincronizadas para cubrir toda la superficie. Cuando se desea determinar la posición, el receptor que se utiliza para ello localiza automáticamente como mínimo tres satélites de la red, de los que recibe unas señales radioeléctricas indicando la identificación y la hora del reloj de cada uno de ellos. Con base en estas señales, el aparato sincroniza el reloj del GPS y calcula el tiempo que tardan en llegar las señales al equipo, y de tal modo mide la distancia al satélite mediante "triangulación" (método de trilateración inversa), que consiste en determinar la distancia de cada satélite con respecto al punto de medición. Conocidas las distancias, se determina fácilmente la propia posición relativa respecto a los tres satélites, obteniéndose así la posición absoluta mediante coordenadas reales del punto de medición. También se logra conseguir una exactitud extrema en el reloj del GPS, similar a la de los relojes atómicos que llevan a bordo cada uno de los satélites.

Diagrama explicativo del método de triangulación aplicado en la localización mediante la tecnología GPS. En el gráfico los satélites son los puntos P1, P2 y P3. El punto de intersección "B", es la localización de un dispositivo en la Tierra.

La antigua Unión Soviética construyó un sistema similar llamado GLONASS, ahora gestionado por la Federación Rusa. Actualmente la Unión Europea está desarrollando su propio sistema de posicionamiento por satélite, denominado Galileo. A su vez, la República Popular China está implementando su propio sistema de navegación, denominado Beidou, que prevén cuente con entre 12 y 14 satélites entre 2011 y 2015. Para 2020, ya plenamente operativo, deberá contar con 30 satélites. De momento (abril 2011), ya tienen 8 en órbita.

El Sistema Global de Navegación por Satélite lo componen:

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

·         Altitud: 20.200 km

·         Período: 11 h 58 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, Colorado Springs, Hawai, Kwajalein, Isla de Ascensión e Isla de Diego García

·         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 y 21 satélites. No es suficiente como medio primario de navegación.

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.

Mediante la trilateración se determina la posición del receptor:

·         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 queda determinada una circunferencia que resulta cuando se intersecan las dos esferas en algún punto de la cual se encuentra el receptor.

·         Teniendo información de un cuarto satélite, se elimina 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).

Fiabilidad de los datos

Debido al carácter militar del sistema GPS, el Departamento de Defensa de USA se reservaba la posibilidad de incluir un cierto grado de error aleatorio, que podía variar de los 15 a los 100 m. La llamada disponibilidad selectiva (S/A) fue eliminada el 2 de mayo de 2000. Aunque actualmente no aplique tal error inducido, la precisión intrínseca del sistema GPS depende del número de satélites visibles en un momento y posición determinados.

Con un elevado número de satélites siendo captados (7, 8 ó 9 satélites), y si éstos tienen una geometría adecuada (están dispersos), pueden obtenerse precisiones inferiores a 2,5 metros en el 95% del tiempo. Si se activa el sistema DGPS llamado SBAS (WAAS-EGNOS-MSAS), la precisión mejora siendo inferior a un metro en el 97% de los casos. Estos sistemas SBAS no se aplican en Sudamérica, ya que esa zona no cuenta con este tipo de satélites geoestacionarios. Los satélites funcionan por medio de triangulación de posiciones para brindar la posición exacta de los celulares, vehículos y demás objetos.

Fuentes de error

La posición calculada por un receptor GPS requiere en el instante actual, la posición del satélite y el retraso medido de la señal recibida. La precisión es dependiente de la posición y el retraso de la señal.

Al introducir el atraso, el receptor compara una serie de bits (unidad binaria) recibida del satélite con una versión interna. Cuando se comparan los límites de la serie, las electrónicas pueden meter la diferencia a 1% de un tiempo BIT, o aproximadamente 10 nanosegundos por el código C/A. Desde entonces las señales GPS se propagan a la velocidad de luz, que representa un error de 3 metros. Este es el error mínimo posible usando solamente la señal GPS C/A.

La precisión de la posición se mejora con una señal P(Y). Al presumir la misma precisión de 1% de tiempo BIT, la señal P(Y) (alta frecuencia) resulta en una precisión de más o menos 30 centímetros. Los errores en las electrónicas son una de las varias razones que perjudican la precisión (ver la tabla).

Fuente	Efecto
Ionosfera	± 3 m
Efemérides	± 2,5 m
Reloj satelital	± 2 m
Distorsión multibandas	± 1 m
Troposfera	± 0,5 m
Errores numéricos	± 1 m o menos

·         Retraso de la señal en la ionosfera y la troposfera.

·         Señal multirruta, producida por el rebote de la señal en edificios y montañas cercanos.

·   Errores de orbitales, donde los datos de la órbita del satélite no son completamente precisos.

·         Número de satélites visibles.

·         Geometría de los satélites visibles.

·         Errores locales en el reloj del GPS.

DGPS o GPS diferencial

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 a 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.

GPS y la teoría de la relatividad

Los relojes en los satélites GPS requieren una sincronización con los situados en tierra para lo que hay que tener en cuenta la teoría general de la relatividad y la teoría especial de la relatividad. Los tres efectos relativistas son: la dilatación del tiempo, cambio de frecuencia gravitacional, y los efectos de la excentricidad. La desaceleración relativista del tiempo debido a la velocidad del satélite es de aproximadamente 1 parte de 10¹⁰, la dilatación gravitacional del tiempo hace que el reloj del satélite alrededor de 5 partes entre 10¹⁰ más rápido que un reloj basado en la Tierra, y el efecto Sagnac debido a rotación con relación a los receptores en la Tierra. Si no se tuviese en cuenta el efecto que sobre el tiempo tiene la velocidad del satélite y su gravedad respecto a un observador en tierra, se produciría un corrimiento de 38 microsegundos por día, que a su vez provocarían errores de varios kilómetros en la determinación de la posición.

De acuerdo con la teoría de la relatividad, debido a su constante movimiento y la altura relativa respecto, aproximadamente, a un marco de referencia inercial no giratorio centrado en la Tierra, los relojes de los satélites se ven afectados por su velocidad. La relatividad especial predice que la frecuencia de los relojes atómicos moviéndose a velocidades orbitales del GPS, unos v = 4 km / s, marcar más lentamente que los relojes terrestres fijos, lo cual genera un retraso de unos 7 m/s / día.

Funcionamiento de un receptor GPS

Un dispositivo receptor GPS comprende una antena de recepción, un receptor y una calculadora.

El receptor capta las ondas electromagnéticas emitidas por los satélites GPS, que sabemos se desplazan a la velocidad de la luz (300.000 km/s). Con este dato podemos saber la distancia (d = v*t) entre el satélite y el receptor.

El tiempo en recibir una señal, desde que ha sido emitida por el satélite, varía entre 67 y 86 milisegundos, según sea la posición del satélite respecto a la Tierra y al receptor.

Conociendo la distancia y la posición del satélite, es posible trazar un círculo dentro del cual se encuentra obligatoriamente el receptor.

Con la recepción de 4 o más señales de otros tantos satélites de la red GPS, el ordenador integrado en el receptor, calcula la intersección de tres círculos (cada uno establecido por la señal de un satélite distinto) y establece las coordenadas de latitud y longitud. La señal del cuarto satélite permite obtener la altitud.

La precisión en la determinación de las coordenadas terrestres, depende de varios factores, pero un factor clave es la fiabilidad del reloj del receptor: un error de un nanosegundo puede provocar un error de 30 m en el cálculo de la posición.

Algunas marcas famosas de dispositivos GPS

El siguiente listado es tan solo una muestra de las múltiples marcas de dispositivos GPS presentes en el mercado. Las hay para todos los gustos y necesidades. El hecho de que no se indiquen otras marcas no significa que la calidad de las mismas sea inferior a las aquí expuestas.

Garmin

Mio

Tomtom

Swis Gadget

Magellan

Becker

Fujitsu

Nokia

Arkom

Fuentes: Wikipedia, Enciclopedia en línea.

              Buscador Google imágenes.