GPS

Satélite NAVSTAR GPS.

El sistema global de navegación por satélite (GNSS) permite determinar en todo el mundo la posición de un objeto, una persona o un vehículo con una precisión hasta de centímetros (si se utiliza GPS diferencial), aunque lo habitual son unos pocos metros de precisión. El sistema fue desarrollado, instalado y empleado por el Departamento de Defensa de los Estados Unidos. El sistema GPS está constituido por 24 satélites y utiliza la triangulación para determinar en todo el globo la posición con una precisión de más o menos metros.

El GPS funciona mediante una red de 24 satélites en órbita sobre el planeta tierra, a 20.200 km de altura, 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 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), la cual 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.

A su vez, la República Popular China está implementando su propio sistema de navegación, el denominado Beidou, prevén que cuente con 12 y 14 satélites entre 2011 y 2015. Para 2020, ya plenamente operativo deberá contar con 30 satélites. En abril de 2011 tenían 8 en órbita.

Historia

La armada estadounidense aplicó esta tecnología de navegación utilizando satélites, para proveer a los sistemas de navegación de sus flotas observaciones de posiciones actualizadas y precisas. Así surgió el sistema TRANSIT, que quedó operativo en 1964, y hacia 1967 estuvo disponible, además, para uso comercial.

Las actualizaciones de posición, en ese entonces, estaban disponibles cada 40 minutos y el observador debía permanecer casi estático para poder obtener información adecuada.

Posteriormente, en esa misma década y gracias al desarrollo de los relojes atómicos, se diseñó una constelación de satélites, portando cada uno de ellos uno de estos relojes y estando todos sincronizados con base en una referencia de tiempo determinado.

En 1973 se combinaron los programas de la Armada y el de la Fuerza Aérea de los Estados Unidos (este último consistente en una técnica de transmisión codificada que proveía datos precisos usando una señal modulada con un código de PRN (Pseudo-Random Noise: ruido pseudo-aleatorio), en lo que se conoció como Navigation Technology Program (programa de tecnología de navegación), posteriormente renombrado como NAVSTAR GPS.

Entre 1978 y 1985 se desarrollaron y lanzaron once satélites prototipo experimentales NAVSTAR, a los que siguieron otras generaciones de satélites, hasta completar la constelación actual, a la que se declaró con «capacidad operacional inicial» en diciembre de 1993 y con «capacidad operacional total» en abril de 1995.

En 2009, el gobierno de los Estados Unidos ofreció el servicio normalizado de determinación de la posición para apoyar las necesidades de la OACI, y ésta aceptó el ofrecimiento.

Características técnicas y prestaciones

Operadora de satélites controlando la constelación NAVSTAR-GPS, en la Base Aérea de Schriever.

Lanzamiento de satélites para la constelación NAVSTAR-GPS mediante un cohete Delta.

El Sistema Global de Navegación por Satélite lo componen:

Segmento espacial

• 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, Hawái, 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.
• Precisión
  • Posición: oficialmente aproximadamente 15 m (en el 95% del tiempo). En la realidad un GPS portátil monofrecuencia de 12 canales paralelos ofrece una precisión de entre 2,5 y 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.

Evolución del sistema GPS

Estación y receptor GPS profesionales para precisiones centimétricas.

• 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 de monitorización: 12 (el doble)
• Permitir mejor interoperabilidad con la frecuencia L1 de Galileo

El programa GPS III persigue el objetivo de garantizar que el GPS satisfaga 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.

El sistema ha evolucionado y de él han derivado nuevos sistemas de posicionamiento IPS-2 se refiere a Inertial Positioning System, sistema de posicionamiento inercial, un sistema de captura de datos, que permite al usuario realizar mediciones a tiempo real y en movimiento, el llamado Mobile Mapping. Este sistema obtiene cartografía móvil 3D basándose en un aparato que recoge un escáner láser, un sensor inercial, sistema GNSS y un odómetro a bordo de un vehículo. Se consiguen grandes precisiones, gracias a las tres tecnologías de posicionamiento: IMU + GNSS + odómetro, que trabajando a la vez dan la opción de medir incluso en zonas donde la señal de satélite no es buena.

Funcionamiento

Receptor GPS.

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 los EE. UU. 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.

Si se capta la señal de entre 7 y 9 satélites, y si éstos están en 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. La funcionabilidad de los satélites es por medio de triangulación de posiciones para proporcionar la posición exacta de los receptores (celulares, vehículos, etc.).

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).

Puede también mejorarse la precisión, incluso de los receptores GPS estándares (no militares) mediante software y técnicas de tiempo real. Esto ha sido puesto a prueba sobre un sistema global de navegación satelital (GNSS) como es el NAVSTAR-GPS. La propuesta se basó en el desarrollo de un sistema de posicionamiento relativo de precisión dotado de receptores de bajo costo. La contribución se dió por el desarrollo de una metodología y técnicas para el tratamiento de información que proviene de los receptores.​

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

Estación Leica de referencia DGPS.

Equipo de campo realizando levantamiento de información sísmica usando un receptor GPS Navcom SF-2040G StarFire montado sobre un mástil.

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 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.çç-permite determinar en todo el mundo la posición de un objeto, una persona o un vehículo con una precisión hasta de centímetros (.

Vocabulario básico en GPS

Vehículo de la empresa Tele Atlas con GPS cartografiando y fotografiando las carreteras en Rochester, Nueva York (EE. UU.)

• BRG (bearing): Rumbo estimado entre dos puntos de referencia (waypoints)
• CMG (Course Made Good): rumbo entre el punto de partida y la posición actual
• EPE (Estimated Position Error): margen de error estimado por el receptor
• ETE (Estimated Time Enroute): tiempo estimado entre dos waypoints
• DOP (Dilution Of Precision): medida de la precisión de las coordenadas obtenidas por GPS, según la distribución de los satélites, disponibilidad de ellos...
• ETA (Estimated Time to Arrival): hora estimada de llegada al destino

Integración con telefonía móvil

Actualmente dentro del mercado de la telefonía móvil la tendencia es la de integrar, por parte de los fabricantes, la tecnología GPS dentro de sus dispositivos. El uso y masificación del GPS está particularmente extendido en los teléfonos móviles smartphone, lo que ha hecho surgir todo un ecosistema de software para este tipo de dispositivos, así como nuevos modelos de negocios que van desde el uso del terminal móvil para la navegación tradicional punto-a-punto hasta la prestación de los llamados Servicios Basados en la Localización (LBS).

Un buen ejemplo del uso del GPS en la telefonía móvil son las aplicaciones que permiten conocer la posición de amigos cercanos sobre un mapa base. Para ello basta con tener la aplicación respectiva para la plataforma deseada (Android, Bada, IOS, WP, Symbian) y permitir ser localizado por otros.

GPS y la teoría de la relatividad

Variación del tiempo en picosegundos según la altura de la órbita debido a los efectos relativistas

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.​

La relatividad especial y general

De acuerdo con la teoría de la relatividad, debido a su constante movimiento y la altura relativa respecto, aproximadamente, 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 en un factor de ${\frac {v^{2}}{2c^{2}}}\approx 10^{-10}$, o resultar un retraso de unos 7 ms / día, siendo c = velocidad de la luz en el vacío.

El efecto de desplazamiento de frecuencia gravitacional sobre el GPS, la relatividad general predice que un reloj más cercano a un objeto masivo será más lento que un reloj más alejado. Aplicado al GPS, los receptores están mucho más cerca de la Tierra que los satélites, haciendo los relojes del GPS ser más rápido en un factor de 5 × 10 ^-10, o alrededor de 45,9 ms / día.

Al combinar la dilatación del tiempo y desplazamiento de frecuencia gravitacional, la discrepancia es de aproximadamente 38 microsegundos por día, una diferencia de 4,465 partes de 10¹⁰.​ Sin corrección, los errores en la pseudodistancia inicial se acumularía aproximadamente unos 10 km / día,. Este error en la pseudodistancia inicial se corrige en el proceso de resolución de las ecuaciones de navegación. Además las órbitas de los satélite son elípticas, en lugar de perfectamente circulares, lo que causa que los efectos de la dilatación del tiempo y desplazamiento de la frecuencia gravitacional varíen con el tiempo. Este efecto excentricidad hace que la diferencia de velocidad de reloj entre un satélite GPS y un receptor aumente o disminuya en función de la altitud del satélite.

Para compensar esta discrepancia, al patrón de frecuencia a bordo de cada satélite se le da una tasa de compensación antes del lanzamiento, por lo que marcha un poco más lento que la frecuencia de trabajo en la Tierra. Concretamente, trabaja a 10.22999999543 MHz en lugar de 10,23 MHz​ Dado que el reloj atómico a bordo de los satélites GPS se ajusta con precisión, hace que el sistema sea una aplicación práctica de la teoría científica de la relatividad en un ambiente del mundo real.​ Friedwardt Winterberg propusó colocar relojes atómicos en satélites artificiales para poner a prueba la teoría general de Einstein en 1955.​

Distorsión de Sagnac

El procesamiento de la observación GPS también debe compensar el efecto Sagnac. La escala de tiempo del GPS se define en un sistema inercial, pero las observaciones se procesan en un sistema centrado en la Tierra, fijo a la Tierra (co-rotación), un sistema en el que la simultaneidad no está definida de forma única. Se aplica una transformación de Lorentz, pues, para convertir del sistema de inercia al sistema ECEF. El recorrido señal resultante de corrección de tiempo tiene signos algebraicos opuestos de los satélites en los hemisferios celestes oriental y occidental. Haciendo caso omiso de este efecto se producirá un error de este a oeste en el orden de cientos de nanosegundos, o decenas de metros de su posición.​

Aplicaciones

Civiles

Un dispositivo GPS civil Swiss Gadget 760GS colocado en parabrisas y mostrando datos de navegación vehicular libre

Navegador GPS de pantalla táctil de un vehículo con información sobre la ruta, así como las distancias y tiempos de llegada al punto de destino.

Navegador con un software libre de navegación (Gosmore) usando mapas libres de OpenStreetMap.

• Navegación terrestre (y peatonal), marítima y aérea. Bastantes automóviles lo incorporan en la actualidad, siendo de especial utilidad para encontrar direcciones o indicar la situación a la grúa.
• Teléfonos móviles
• Topografía y geodesia.
• Construcción (Nivelación de terrenos, cortes de talud, tendido de tuberías, etc).
• Localización agrícola (agricultura de precisión), ganadera y de fauna.
• Salvamento y rescate.
• Deporte, acampada y ocio.
• A.P.R.S. Aplicación parecida a la gestión de flotas, en modo abierto para Radioaficionados
• Para localización de enfermos, discapacitados y menores.
• Aplicaciones científicas en trabajos de campo (ver geomática).
• Geocaching, actividad deportiva consistente en buscar "tesoros" escondidos por otros usuarios.
• Para rastreo y recuperación de vehículos.
• Navegación deportiva.
• Deportes aéreos: parapente, ala delta, planeadores, etc.
• Existe quien dibuja usando tracks o juega utilizando el movimiento como cursor (común en los GPS Garmin).
• Sistemas de gestión y seguridad de flotas.

Militares

• Navegación terrestre, aérea y marítima.
• Guiado de misiles y proyectiles de diverso tipo.
• Búsqueda y rescate.
• Reconocimiento y cartografía.
• Detección de detonaciones nucleares.

Véase también

• Digital Audio Broadcasting
• Dispositivo de navegación GPS ^en
• GLONASS
• NMEA
• Rinex
• Servicio basado en localización
• Sistema de navegación para automóviles
• Sistema global de navegación por satélite
• Sistema de posicionamiento europeo Galileo
• Sistema de posicionamiento en interiores
• TMC (Canal de Mensajes de Tráfico)
• Unidad de seguimiento GPS
• Waypoints

Enlaces externos

• Wikimedia Commons alberga una categoría multimedia sobre GPS.
• Sitio web educativo sobre el sistema GPS creado por el gobierno de EE. UU.
• Aplicación web para localizar coordenadas GPS en formato UTM WGS84, DMS y Decimales