sábado, 26 de junio de 2010

Sistema de posicionamiento global





El GPS (Global Positioning System: sistema de posicionamiento mundial) o NAVSTAR-GPS1 es un sistema global de navegación por satélite (GNSS) que permite determinar en todo el mundo la posición de un objeto, una persona, un vehículo o una nave, con una precisión hasta de centímetros (si se utiliza GPS diferencial), aunque lo habitual son unos pocos metros de precisión. Aunque su invención se atribuye a los gobiernos francés y belga, el sistema fue desarrollado, instalado y actualmente operado por el Departamento de Defensa de los Estados Unidos.
El GPS funciona mediante una red de 32 satélites (28 operativos y 4 de respaldo) en órbita sobre el globo, a 20 200 km, con trayectorias sincronizadas para cubrir toda la superficie de la Tierra. 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 indicando la posición y el reloj de cada uno de ellos. Con base en estas señales, el aparato sincroniza el reloj del GPS y calcula el retraso de las señales (es decir, la distancia al satélite). Por "triangulación" (método de trilateración inversa), calcula la posición en que éste se encuentra. En el caso del GPS, la triangulación —a diferencia del caso 2-D que consiste en averiguar el ángulo respecto de puntos conocidos—, se basa en determinar la distancia de cada satélite respecto al punto de medición. Conocidas las distancias, se determina fácilmente la propia posición relativa respecto a los tres satélites. Conociendo además las coordenadas o posición de cada uno de ellos por la señal que emiten, se obtiene la posición absoluta o coordenadas reales del punto de medición. También se consigue una exactitud extrema en el reloj del GPS, similar a la de los relojes atómicos que llevan a bordo cada uno de los satélites.
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.
El Sistema Global de Navegación por Satélite lo componen:
Sistema de satélites: Está formado por 24 unidades con trayectorias sincronizadas para cubrir toda la superficie del globo terráqueo. Más concretamente, repartidos en 6 planos orbitales de 4 satélites cada uno. La energía eléctrica que requieren para su funcionamiento la adquieren a partir de dos paneles compuestos de celdas solares adosados a sus costados.
Estaciones terrestres: Envían información de control a los satélites para controlar las órbitas y realizar el mantenimiento de toda la constelación.
Terminales receptores: Indican la posición en la que están; conocidas también como unidades GPS, son las que podemos adquirir en las tiendas especializadas.

Segmento espacia
Satélites en la constelación: 24 (4 × 6 órbitas)
Altitud: 20.200 km
Período: 11 h 56 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
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 portatil monofrecuencia de 12 canales paralelos ofrece una precisión de 2,5 a 3 metros en mas 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 (70%) y 21 satélites (98%). No es suficiente como medio primario de navegación.




Evolución del sistema GPS


El GPS está evolucionando hacia un sistema más sólido (GPS III), con una mayor disponibilidad y que reduzca la complejidad de las aumentaciones GPS. Algunas de las mejoras previstas comprenden:
Incorporación de una nueva señal en L2 para uso civil.
Adición de una tercera señal civil (L5): 1176,45 MHz
Protección y disponibilidad de una de las dos nuevas señales para servicios de Seguridad Para la Vida (SOL).
Mejora en la estructura de señales.
Incremento en la potencia de señal (L5 tendrá un nivel de potencia de –154 dB).
Mejora en la precisión (1 – 5 m).
Aumento en el número de estaciones monitorizadas: 12 (el doble)
Permitir mejor interoperabilidad con la frecuencia L1 de Galileo
El programa GPS III persigue el objetivo de garantizar que el GPS satisfará requisitos militares y civiles previstos para los próximos 30 años. Este programa se está desarrollando para utilizar un enfoque en 3 etapas (una de las etapas de transición es el GPS II); muy flexible, permite cambios futuros y reduce riesgos. El desarrollo de satélites GPS II comenzó en 2005, y el primero de ellos estará disponible para su lanzamiento en 2012, con el objetivo de lograr la transición completa de GPS III en 2017. Los desafíos son los siguientes:
Representar los requisitos de usuarios, tanto civiles como militares, en cuanto a GPS.
Limitar los requisitos GPS III dentro de los objetivos operacionales.
Proporcionar flexibilidad que permita cambios futuros para satisfacer requisitos de los usuarios hasta 2030.
Proporcionar solidez para la creciente dependencia en la determinación de posición y de hora precisa como servicio internacional.

Funcionamiento

La situación de los satélites puede ser determinada de antemano por el receptor con la información del llamado almanaque (un conjunto de valores con 5 elementos orbitales), parámetros que son transmitidos por los propios satélites. La colección de los almanaques de toda la constelación se completa cada 12-20 minutos y se guarda en el receptor GPS.
La información que es útil al receptor GPS para determinar su posición se llama efemerides. 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
El receptor GPS utiliza la información enviada por los satelites (tiempo en la que emitieron las señales, localización de los mismos) y trata de sincronizar su reloj interno con el reloj atómico que poseen los satelites. La sincronización es un proceso de prueba y error que en un receptor portatil ocurre una vez cada segundo. Una vez sincronizado el reloj, puede determinar su distancia hasta los satélites, y usa esa información para calcular su posición en la tierra.
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 se nos indica que el receptor se encuentra sobre la circunferencia que resulta cuando se intersecan las dos esferas.
Si adquirimos la misma información de un tercer satélite notamos que la nueva esfera sólo corta la circunferencia anterior en dos puntos. Uno de ellos se puede descartar porque ofrece una posición absurda. De esta manera ya tendríamos la posición en 3-D. Sin embargo, dado que el reloj que incorporan los receptores GPS no está sincronizado con los relojes atómicos de los satélites GPS, los dos puntos determinados no son precisos.
Teniendo información de un cuarto satélite, eliminamos 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 3-D exacta (latitud, longitud y altitud). Al no estar sincronizados los relojes entre el receptor y los satélites, la intersección de las cuatro esferas con centro en estos satélites es un pequeño volumen en vez de ser un punto. La corrección consiste en ajustar la hora del receptor de tal forma que este volumen se transforme en un punto.

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