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SISTEMA DE POSICIONAMIENTO
GLOBAL
36 COMPILADO POR: ING: ROXANA XIMENA BURGOS BARROSO
TEMA 3: SISTEMA DE POSICIONAMIENTO
GLOBAL - GPS
Qué es el GPS? – Introducción a la Geodesia Espacial
La era de la geodesia espacial fue iniciada por la URSS en octubre de 1957 con el lanzamiento del primer
satélite artificial de la Tierra: el Sputnik I. Posteriormente pudo observarse que determinando el efecto
Doppler de las señales radiodifundidas por el Sputnik, desde estaciones de posición conocidas, era posible
establecer la órbita del satélite. Esto permitió el planteo inverso, es decir, si la órbita era conocida previamente
sería posible obtener la posición de un receptor en una ubicación cualquiera. Para ello habría que realizar
observaciones durante varios pasos del satélite. Durante la década siguiente la investigaciones se orientaron
a desarrollar y perfeccionar los métodos básicos de observaciones satelitales y de cálculo de órbitas
encaminados a implementar sistemas de posicionamiento y de determinación del campo de gravedad
terrestre, lo que permitió crear el primer sistema de posicionamiento geodésico.
Un poco de Historia
1.1 El Sistema Transit
Este sistema, concebido con fines exclusivamente militares, se basó en observaciones del efecto Doppler y
entró en operaciones en el año 1964. Posteriormente, en 1967, se comenzó a utilizar en trabajos de tipo
geodésico tales como mediciones de redes geodésicas extensas, determinación de parámetros entre
sistemas geodésicos, y otras aplicaciones científicas y tecnológicas. Estuvo funcionando hasta el año 1996.
Su salida de operación se debió fundamentalmente a que un nuevo sistema estaba operando exitosamente
1.2 El Sistema de Posicionamiento Global – GPS
La implementación del programa NAVSTAR, GPS (Navigation System Timing And Ranging, Global
positioning System, o navegación por satélite con medición de tiempo y distancia) fue iniciada en diciembre de
1973. El 22 de febrero de 1978 fue lanzado el primer satélite de una serie de cuatro. El desarrollo y
mantenimiento del sistema recae en el Departamento de Defensa de los Estados Unidos, División Sistema
Espacial. Esa dependencia se debía a que el sistema fue concebido, igual que Transit, para uso militar.
El GPS es un sistema que tiene como objetivo la determinación de las coordenadas espaciales de puntos
respecto de un sistema de referencia mundial. Los puntos pueden estar ubicados en cualquier lugar del
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planeta, pueden permanecer estáticos o en movimiento y las observaciones pueden realizarse en cualquier
momento del día. Para la obtención de coordenadas el sistema se basa en la determinación simultánea de las
distancias a cuatro satélites (como mínimo) de coordenadas conocidas. Estas distancias se obtienen a partir
de las señales emitidas por los satélites, las que son recibidas por receptores especialmente diseñados. Las
coordenadas de los satélites son provistas al receptor por el sistema.
La operatividad del sistema no implica un compromiso legal del gobierno de Estados Unidos. Por lo tanto la
Agencia Cartográfica del Departamento de Defensa, NIMA (National Imagery and Mapping Agency) puede
modificar sin previo aviso su funcionamiento alterando, por ejemplo, el denominado mensaje de navegación
(en el que está incluida información esencial para el cálculo como son las coordenadas de los satélites),
limitando el acceso a uno o más componentes de la señal, alterando el estado de los relojes, degradando la
precisión de las órbitas, etc. De todos modos el acceso a las señales que emiten los satélites es de carácter
público, no requiriéndose licencia o autorización alguna, al menos hasta el año 2012.
En la actualidad, el uso civil de GPS ha sobrepasado largamente el uso militar, convirtiéndose de hecho en un
servicio público de carácter mundial de enorme importancia y con innumerables aplicaciones. Ante incesantes
requerimientos, el gobierno de los Estados Unidos se ha comprometido a mantener operativo el sistema al
menos unos años más.
¿Qué es el efecto Doppler?
El efecto Doppler es así llamado en honor a Christian Doppler, quien fue el primero en expresar esta idea en
1842. Doppler, es el aparente cambio de frecuencia de una onda producida por el movimiento relativo
de la fuente respecto a su observador. Entendido
desde la perspectiva del sonido, Doppler determinó
que las ondas de sonido cambiarían si la fuente de
sonido o el observador se estaba moviendo. Si se
acercaban, la frecuencia sería más alta. Si se
alejaban, sería más baja.
Es de esta forma que debido a este hecho, se
comenzó a pensar que, de igual modo, la posición
de un observador podría ser establecida mediante el
estudio de la frecuencia Doppler de una señal
transmitida por un satélite cuya órbita estuviera
determinada con precisión.
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Existen muchos ejemplos cotidianos del efecto Doppler; el silbido de un tren, sirenas de autos de policía y de
bomberos, los motores de los autos de carrera. En cada caso, existe un cambio notable en el tono, mientras
se aproximan y pasan frente al receptor.
Una manera de visualizar el efecto Doppler es pensar en las ondas como pulsaciones que se emiten a
intervalos regulares. Imagina que caminas hacia adelante. Cada vez que das un paso, emites una pulsación.
Cada pulsación frente a tí estará un paso más cercano, mientras que cada pulsación detrás de ti estará un
paso más alejada, un paso que te aleja. Las pulsaciones frente a ti son de mayor frecuencia y las pulsaciones
detrás de ti tienen menor frecuencia.
El efecto Doppler no sólo se aplica a los sonidos. Funciona con todo tipo de ondas. Esto incluye la luz. Edwin
Hubble usó el efecto Doppler para determinar que el universo se está expandiendo. Hubble encontró que la
luz de galaxias distantes está corrida hacia frecuencias más elevadas, hacia el rojo final del espectro. A esto
se le conoce como el desplazamiento Doppler, o cómo desplazamiento al rojo. Si las galaxias se estuviesen
acercando, la luz se desplazara al azul. Los radares Doppler ayudan a los meteorólogos a detectar
posibles tornados.
Constitución del Sistema GPS
3.1 El Tiempo
El tiempo GPS está definido por el reloj atómico de Cesio de la Estación de Control Maestra. El origen de la
escala de tiempo GPS se fijó coincidente con el UTC (Tiempo Universal Coordinado), a las 0 horas del 6 de
enero de 1980. La unidad del UTC es el segundo atómico, pero está sometido a periódicos reajustes a causa
del movimiento irregular de la Tierra, razón por la cual la diferencia entre tiempo GPS y UTC, que se fijó en
cero segundos en 1980, se fue modificando siendo el 1 de enero de 2005 de 13 segundos.
Una unidad de tiempo utilizada por el sistema es el número de semana GPS (NSGPS) equivalente a 604800
segundos. La cuenta de la semana GPS comenzó con el origen de la escala de tiempo GPS. Cuando se
completó la semana 1023 la NSGPS se reinicializó, es decir, la medianoche de 21 de agosto de 1999 se
comenzó a contar nuevamente desde 0.
3.2 Constitución
El Sistema GPS esta constituido por tres segmentos fundamentales:
Segmento Espacial
Segmento de Control
Segmento de Usuario
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3.2.1 Segmento Espacial
Se puede observar en la Figura la disposición aproximada que tienen los satélites de la constelación
NAVSTAR, GPS que integran el segmento espacial.
Debido a que la vida útil de un satélite llega a término por envejecimiento de los paneles solares, falta de
capacidad de los acumuladores, averías no reversibles en los sistemas electrónicos o agotamiento del
combustible de maniobra, se planificó su reemplazo en bloques. Los primeros satélites puestos en órbita
fueron los integrantes del denominado Bloque I. Fueron lanzados desde la base Vandenberg, ubicada en el
estado de California. El total de satélites puestos en órbita fue 11 entre los años 1978 y 1985. Estos primeros
satélites tuvieron un peso de 845 Kg. y un promedio de vida efectiva de 7.5 años.
Los satélites del Bloque I fueron sustituidos progresivamente por los del denominado Bloque II con un total de
9 satélites. El primer satélite de este grupo fue lanzado
en el año 1989 desde el Centro Espacial Kennedy en
Cabo Cañaveral, estado de Florida. Este nuevo bloque
adiciona varias innovaciones. Entre ellas la posibilidad
de incorporar a la señal una perturbación denominada
SA (Selective Availability) que no es otra cosa que la
disminución intencional de la precisión del sistema,
también se estableció una limitación al acceso del
denominado código P. Estas características fueron
impuestas a los usuarios civiles por cuestiones de
interés militar. El peso de estos satélites es de 1500
Kg. con un período de vida de aproximadamente 10
años.
Con el lanzamiento en 1990 de los satélites del denominado Bloque IIA. La A significa Advanced. Bloque que
fue completado el 8 de diciembre de 1993, con la puesta en órbita de 15 satélites adicionales, totalizando así
24 satélites, fue declarado el sistema en plena capacidad operativa. En 1996 fue lanzado el primer satélite
del Bloque IIR. El agregado de R (replacement) se refiere a reemplazo o sustitución, es decir, estos satélites
fueron reemplazando a los satélites que salían de operación. Esta versión tiene un peso de 2000 Kg. y se
distingue por las mejoras introducidas en los relojes de a bordo.
La cuarta generación, el Bloque IIF posee importantes mejoras en el sistema de navegación de a bordo. El
lanzamiento de estos satélites comenzó en el 2001 hasta el 2010. Están diseñados para una vida útil de 15
años. Para la puesta en órbita de satélites de todas las versiones del Bloque II se utilizaron transbordadores
espaciales, que transportan simultáneamente tres satélites en cada viaje. Están equipados cada satélite con
dos paneles solares y un sistema de propulsión. Los paneles solares se utilizan para recargar los
acumuladores que permiten el funcionamiento mientras el satélite pasa por la sombra de la Tierra. Desde el
sistema de control terrestre es posible activar los sistemas de propulsión con el objetivo de corregir las órbitas
de cada satélite o incluso cambiar de posición dentro de la misma órbita.
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3.2.1.1 Constelación
A fines de 1993 cuando fue completada la constelación de
satélites del sistema sus características eran las siguientes:
- Compuesta por 24 satélites.
- Los satélites se ubican en 6 órbitas planas prácticamente
circulares, con inclinación de 55º respecto al plano del
Ecuador y con una distribución aproximadamente
uniforme; con 4 satélites en c/órbita.
- Se encuentran aproximadamente a 20180 km de altura.
- Tienen 12h de período de rotación (en tiempo sidéreo) u
11h 58m (en tiempo oficial).
- También hay satélites en órbita que se encuentran desactivados y disponibles como reemplazo.
- Con la constelación completa, se dispone, en cualquier punto y momento, entre 5 y 11 satélites observables,
con geometría favorable.
- El tiempo máximo de observación de un satélite es de hasta 4 horas 15 minutos.
- Con la incorporación de los satélites de los Bloques IIR y IIF la constelación tiene a principios del 2005, 29
satélites en órbita, distribuidos en los seis planos orbitales. La cantidad de satélites por plano es 4, 5 ó 6
según la órbita.
3.2.1.2 Relojes de los satélites
Los relojes de los satélites, son en realidad osciladores
atómicos, los que por su alta frecuencia y la gran
estabilidad de la misma, permiten efectuar mediciones
de tiempo con elevada precisión. La estabilidad se
caracteriza por el valor Δf/f, donde Δf indica la variación
de frecuencia posible en un período dado (por ejemplo
un día) y f indica la frecuencia propia del reloj. A modo
de ejemplo podemos citar los siguientes valores:
Tubo de vacío. Uno de los componentes esenciales
de los relojes atómicos en los satélites
Tipo de reloj Estabilidad Δf/f
Rubidio 10-12
Cesio 10-14
Hidrógeno 10-15
Si vinculamos la frecuencia con la medición de tiempo es posible demostrar que:
(t indica el tiempo transcurrido y Δt el error posible en la medición de t) Esto nos permite afirmar que,
considerando un reloj de rubidio y el tiempo que la señal tarda en recorrer la distancia satélite-receptor
(aproximadamente 0.066 segundos), el valor Δt es del orden de 66x10-15 segundos, y consecuentemente el
error posible en la medición de la distancia no excedería las dos centésimas de milímetro
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3.2.1.3 Portadoras y códigos
Todos los satélites emiten dos ondas portadoras en la banda L (1000 Mhz a 3000 Mhz). La portadora L1 está
modulada por dos códigos (C/A y P) y la L2 solo por el código P. Ambas portadoras incluyen además el
denominado mensaje de navegación.
3.2.2 Segmento de Control
Las funciones principales del segmento de control, denominado internacionalmente con las siglas OCS
(Operational Control Segment) son:
Monitoreo y control permanente de los satélites con el objeto de determinar y predecir las órbitas y los
relojes de a bordo.
Sincronización de los relojes de los satélites con el tiempo GPS
Transmisión, a cada satélite, de la información procesada.
Estaciones oficiales de seguimiento
Está integrado por una Estación de Control Maestra (MCS), varias Estaciones de Monitoreo (MS) y Antenas
Terrestres (GA). Las estaciones de monitoreo tienen coordenadas conocidas con gran precisión y están
equipadas con receptores GPS de doble frecuencia L1/L2 y un reloj de Cesio. Su función es determinar las
distancias a todos los satélites visibles y transmitirlas a la estación de control maestra junto con los datos
meteorológicos de cada estación.
Con los datos recibidos de las estaciones monitoras, la estación maestra, ubicada en la Base de la Fuerza
Aérea Schriever en el estado de Colorado, calcula los parámetros orbitales y los de los relojes y
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posteriormente los transmite a las antenas terrestres que los transfieren a los satélites a través de un enlace
vía banda S. Como se puede observar en la Figura, el segmento de control está integrado por 10 estaciones.
Estas están ubicadas en:
Colorado Springs (EUA)
Isla Ascensión (Atlántico Sur)
Diego García (Índico)
Kwajalein (Pacífico Occidental)
Hawaii (Pacífico Oriental)
Quito (Ecuador)
Buenos Aires (Argentina)
Hermitage (Inglaterra)
Bahrein (Golfo Pérsico)
El Segmento de Control del sistema GPS ha sido ampliado. Se ha incorporado una Back up Master Control
Station, y algunas más Monitor Station y Ground Antennas.
3.2.3 Segmento Usuario
Está formado por los instrumentos que nosotros, los usuarios,
necesitamos para utilizar el sistema GPS de cara a la navegación,
posicionamiento, control preciso de tiempos, etc.
Básicamente, un equipo GPS está compuesto por un receptor o sensor
con antena (que puede ser externa o integrada en el propio sensor,
observar la figura) que se comunica con los satélites, y por una unidad de
con- trol que permite la interoperatividad con el usuario. Adicionalmente,
cada vez se incluyen mayor número de accesorios con diversas
funcionalidades.
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3.3 Esquema del funcionamiento del GPS
Hasta ahora hemos visto que
existe una constelación de
satélites distribuidos en órbitas
determinadas, de los cuales
puede determinarse su posición
en un momento concreto en
función de la posición de una
serie de estaciones de
seguimiento en tierra que
cuentan con coordenadas bien
definidas.
Asimismo, hemos visto que el
segmento del usuario se
compone de unos receptores que
se comunican con los satélites
NAVSTAR y que nos van a
permitir determinar su posición
basándonos en la de los satélites.
La base de todo el sistema es
una medición exhaustiva de la
distancia que nos separa de los
satélites. La explicación es
sencilla: si sabemos que nos encontramos a 20.000 Km de un satélite determinado, está claro que estaremos
situados dentro de la superficie de la esfera que, con centro en el satélite, tiene un radio de 22.000 Km.
Si disponemos de las distancias a dos satélites, las posibilidades se reducen, y nos encontraremos dentro de
la circunferencia de inter- sección entre las dos esferas que tienen centros en cada uno de los satélites y radio
las distancias a cada uno de ellos respectivamente. Por último, si disponemos además de la distancia a un
tercer satélite, nuestra posición estará determinada por la intersección de la ter- cera esfera con la
circunferencia anterior (intersección de las dos primeras esferas). La intersección de una esfera con una
circunferencia da como resultado dos puntos del espacio, que serán los únicos en los que podemos
encontrarnos si disponemos de las distancias a tres satélites distintos.
En estos momentos puede surgir la pregunta de cómo podemos saber cuál de los dos puntos obtenidos
representa realmente nuestra posición. Bien, para ello existen varios métodos. Uno de ellos consistiría en
realizar otra medición más (la cuarta) a otro satélite. Otro suele ser el descartar uno de los puntos por ser
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absurdo, lo que sucede a menudo. Adicionalmente, si
conocemos nuestra altitud también podemos
descartar uno de los puntos.
3.3.1 Medición de las distancias a los satélites
De nuevo, el concepto es muy sencillo, pues se basa
en que los satélites GPS emiten señales en forma de
ondas de radio, las cuales "viajan" a la velocidad de la
luz (aproximadamente 300.000 Km/seg. en el vacío). Si
sabemos el momento en que un satélite emite una
señal y el momento en el que la recibimos en nuestro
receptor, el cálculo de la distancia es tan sencillo
como aplicar la fórmula:
S = C ⋅ ∆t
Donde C es la velocidad de la luz y ∆t el tiempo transcurrido durante el viaje de la señal desde el satélite hasta
el receptor.
Lo que ya no es tan sencillo es disponer de la tecnología suficiente como para medir con gran exactitud
intervalos muy cortos de tiempo. ¿Por qué son tan cortos dichos intervalos? Pues basta con hacer un rápido
cálculo:
Si suponemos que un satélite GPS se encuentra a unos 20.000 Km de distancia y que la luz viaja a 300.000
Km/seg., serán necesarios solamente 6/100 segundos (0,06 seg.) para que la señal llegue hasta nosotros. Por
tanto, se necesitan relojes de gran precisión, tanto en los satélites como en los receptores, para obtener
resultados satisfactorios. Los primeros disponen de relojes atómicos, con precisiones que oscilan entre 10-11
y 10-14 segundos (10-11 a 10-12 en los osciladores de Rubidio, 10-12 a 10-13 en los de Cesio y 10-14 en los
de Hidrógeno). Los receptores cuentan con osciladores de cuarzo (mucho más baratos) muy precisos (del orden
de nanosegundos, 10-9 seg.).
3.3.2 Cálculo de coordenadas
La diferencia de precisión entre unos relojes y otros es enorme (la luz recorre 30 cm en 10-9 seg., pero tan
solo recorre 0,003 mm en 10-14 seg.). Esto va a causar cierta ambigüedad a la hora de determinar nuestra
posición. Una solución al problema sería instalar relojes atómicos también en los receptores, pero el
inconveniente es el enorme costo de estos dispositivos. Existe una solución mucho más sencilla y económica,
basta con efectuar una cuarta medición a otro satélite. Se establece así un sistema de cuatro ecuaciones con
cuatro incógnitas (las tres coordenadas del punto y la desviación del reloj del receptor).
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3.3.3 Los códigos utilizados en el Sistema GPS
¿Cómo sabemos cuándo envió el satélite la señal que recibimos? Esta pregunta es de del satélite tardará algún
tiempo en llegar hasta nosotros, así que si lo comparamos con el código generado por nuestro receptor,
podremos determinar el desfase existente entre ambos.
Vayamos en primer lugar con los satélites: Los osciladores de estos generan una frecuencia fundamental
gran importancia, pues sin respuesta a la misma, no habría forma de medir el tiempo. De nuevo, todo está
pensado. Tanto los satélites como los receptores GPS están diseñados de tal manera que el oscilador
presente en ambos genera el mismo código a la misma hora. El código de 10,23 MHz. De ésta se derivan el
resto de frecuencias utilizadas, en concreto las dos frecuencias portadoras L1 y L2, obtenidas de la siguiente
forma:
Fundamental (10,23MHz ) ×154 = Portadora L1(1575,42MHz )
Fundamental (10,23MHz ) ×120 = Portadora L2 (1227,60 MHz )
Estas dos frecuencias15
portadoras (L1 y L2) se denominan con la letra L porque pertenecen a dicha banda
de radiofrecuencias, la cual está comprendida entre 1 GHz y 2 GHz.
Sobre estas dos frecuencias portadoras se transmiten, a su vez, dos códigos, a saber:
- El código C/A (Course/Acquisition) o también
denominado S (Standard) es el de menor
frecuencia (utiliza la fundamental dividida por 10,
es decir, 1,023 MHz). En principio es el que
ofrece menores precisiones y se utiliza en el
llamado SPS (Standard Positioning Service, o
Servicio de Posicionamiento Standard), para uso
civil. Se transmite sobre la portadora L1.
- El código P (Precise) se transmite directamente
a la frecuencia fundamental (10,23 MHz), ofrece mayor precisión y se utiliza en el denominado
posicionamiento preciso (PPS, Precise Positioning Service). Se transmite sobre las portadoras L1 y L2.
Junto con estos dos códigos, se envía un mensaje, que es el que suministra toda la información que
necesitan los usuarios del sistema GPS. Cada satélite debe emitir un código diferente, pues en caso contrario,
como todos se basan en las mismas frecuencias portadoras, que a su vez se derivan de una única frecuencia
fundamental, no habría forma de distinguirlos entre sí.
La complejidad del código generado es muy grande, pues se basa en desarrollos polinómicos, dando lugar a
códigos que más se parecen a una serie de impulsos aleatorios (XX), razón por la que se han denominado
códigos pseudo-aleatorios.
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3.3.4 Fuentes de error en el sistema
A pesar de que, dentro de lo posible, se ha intentado que cada uno de los componentes del sistema GPS
tenga una elevada precisión, existen fuentes conocidas de error que afectan a los resultados finales.
A continuación mostramos cuáles son:
Retraso ionosférico y atmosférico.
Ya comentamos que el GPS utiliza ondas de
radio en las transmisiones. El hecho es que al
estar los satélites a unos 20.000 Km de altitud,
las señales deben atravesar sucesivamente el
vacío, la ionosfera y la troposfera.
Hemos visto que las ondas de radio viajan a la
velocidad de la luz, que normalmente se supone
un parámetro inmutable y fijo de valor igual a
300.000 Km/seg. Sin embargo esta es la
velocidad de propagación de la luz en el vacío, cuando se propaga en otro medio existe un cierto re- tardo
que, aunque pudiera parecer muy pequeño, afecta de una manera importante a las precisas mediciones
efectuadas por los sistemas GPS.
El principal problema se encuentra en la ionosfera, una capa situada entre los 100 y los 1.000 Km de altitud en
la que se ioniza (debido a la radiación solar) una parte de las moléculas de gas existentes, liberándose
electrones en tal proceso. Estos electrones libres afectan di- rectamente a la velocidad de propagación de las
señales de radio, tanto más cuanta mayor cantidad de ellos sea interceptada por dichas señales. Este problema
tiene una solución bastante efectiva. Todo se basa en el conocimiento de que el retraso de las señales GPS es
inversamente proporcional al cuadrado de las frecuencias de las mismas, es decir, cuanto menor sea la
frecuencia (y por tanto mayor la longitud de onda), mayor será el retraso.
Teniendo esto en cuenta, si se emiten desde el satélite dos seña- les con frecuencias distintas en un instante
determinado, podemos examinar, una vez que llegan al receptor, el desfase existente entre dos partes de
dichas señales que, teóricamente, deberían haber llegado al mismo tiempo. De esta forma puede calcularse
con bastante aproximación el retraso ionosférico (partiendo de las frecuencias de ambas señales y del
desfase medido entre ambas en la recepción).
Por esta razón, se diseñó el sistema con las portadoras L1 y L2 anteriormente mencionadas.
Para poder aplicar estas correcciones necesitaremos un receptor que sea capaz de leer las portadoras L1 y
L2. A este tipo de receptores se les llama de "doble frecuencia", y su precio es bastante superior a los de una
sola.
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Una vez atravesada la ionosfera, queda todavía la troposfera, en la cual las fuentes de error más importantes
son la variación de tempera del aire seco y la presencia de vapor de agua. La primera tiene mucha mayor
influencia (alrededor del 90%), pero el gradiente térmico puede determinarse con relativa facilidad, con lo que
se eliminaría de igual manera el error cometido por este factor. Aunque la influencia del vapor de agua es
mucho menor, es muy difícil determinar la distribución del mismo en la troposfera, y por tanto corregir esta
fuente de imprecisión.
Existen unos aparatos que pueden medir la cantidad de vapor de agua en una determinada dirección. Se llaman
radiómetros de vapor de agua y se utilizan solamente en circunstancias excepcionales en las que se requiera
máxima precisión.
3.3.5 Otras fuentes de error
Podríamos destacar la imprecisión de los relojes, tanto en los satélites (muy pequeña, pero existente), como
en los receptores. Ya hemos visto que la imprecisión del reloj de tierra puede eliminarse utilizando una cuarta
determinación. Los relojes atómicos de los satélites son controlados regularmente por el DoD, efectuando las
correcciones oportunas.
Otro error de cierta importancia es el conocido como "multi- path" o "multisenda", que se produce
cuando las señales no van directamente del satélite al receptor, sino que se desvían y sufren varios rebotes
antes de alcanzar su objetivo. Los receptores GPS actuales incorporan diversos mecanismos para evitar este
fenómeno y minimizar su influencia.
3.3.5.1 Dilución de la precisión geométrica (GDOP)
Anteriormente vimos, muy por encima, que la precisión final obtenida no solamente depende de que
tengamos a nuestra disposición un cierto número de satélites, sino también de que estos tengan una situación
espacial favorable de cara a las determinaciones geométricas que vamos a efectuar. Esto puede verse
claramente en las siguientes figuras.
La GDOP es un valor adimensional
representativo de la situación espacial de los satélites
favorable o desfavorable. El valor ideal es 1, y va
creciendo según empeoran las condiciones de los
satélites visibles, hasta llegar a cierto límite en el cual
no debería realizarse ninguna medición (establecido
generalmente en 6).
Los receptores modernos, como ya se dijo, cuentan
con funciones que les permiten evaluar la distribución
espacial de los satélites y seleccionar los más
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adecuados para la medición, presentando en la pan- talla de la unidad de control la GDOP mínima disponible.
Por ello, repetimos que es mejor disponer de varios canales16 adicionales en el receptor, de forma que éste
puede efectuar el seguimiento simultáneo de un mayor número de satélites y minimizar el error GDOP.
3.3.5.2 La disponibilidad selectiva
Es una técnica mediante la cual el Departamento de Defensa de E.E.U.U. (DoD) se reserva el derecho de
degradar la precisión del método SPS (Standard Positioning Service) con el objeto de impedir a los usuarios
civiles obtener mejores de 100 metros.
A esta técnica se la ha denominado SA (Selective Availability, o Disponibilidad Selectiva) y se aplicó por primera
vez en Marzo de 1990, como consecuencia del descubrimiento de que el SPS ofrecía precisiones mucho
mayores de lo que se esperaba (casi tan grandes como las del PPS), lo cual, lógicamente, en previsión de
momentos de crisis, no interesaba a las fuerzas militares norteamericanas.
3.4 Tipos de GPS
3.4.1 Receptores geodésicos con medición de fase sobre L1
Son receptores que trabajan con la onda portadora L1
acumulando información que, con postprocesado, en gabinete
permite obtener precisiones relativas centimétricas en el mejor
de los casos para distancias de hasta 25 ó 30 km y submétricas
para distancias de hasta 50 km. Permiten el cálculo de vectores
con su evaluación estadística y son aptos para el ajuste de
redes, aunque se trata de una tecnología obsoleta hoy en día.
Este tipo de receptores suelen ser usados con métodos
relativos estáticos, con el uso de estaciones de referencia complementarias. Muchos de ellos son también
compatibles con los servicios DGPS vía satélite trabajando en lectura de código exclusivamente, mediante la
incorporación de una tarjeta electrónica de expansión y la suscripción al sistema.
3.4.2 Receptores de código C/A avanzados
Son receptores que además de analizar el código C/A disponen de lectura (con ciertas limitaciones) de la fase
portadora L1.
Estos receptores permiten el uso de metodologías diferenciales, en ocasiones bajo la forma de suscripciones a
servicios vía satélite como OmniStar® o LandStar®, consiguiendo bajo esta metodología precisiones entorno a 1
m. en tiempo real. Este tipo de servicio tiene la enorme ventaja de que se dispone de corrección
instantánea sin necesidad de montar ninguna estación de referencia, y para casi para cualquier parte del
globo en tiempo real.
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3.4.3 Navegadores convencionales
Los navegadores son los tipos de receptores GPS más extendidos, dados su bajo coste y multiplicidad de
aplicaciones. Consisten en receptores capaces de leer el código C/A, que pueden tener incluso capacidad
para leer señales diferenciales vía radio o conexión software y también capacidad para representar
cartografía sencilla en una pantalla de cristal líquido.
Permiten conocer las coordenadas en varios formatos y conversión de baja precisión a datum locales desde
WGS84 (Word Geodetic System 1984), sistema geodésico de referencia en GPS. También permiten la
navegación asistida con indicación de rumbos, direcciones y señales audibles de llegada en rutas definidas
por el usuario a través de puntos de referencia (waypoints).
4.5.1 Tipos de Navegadores Los navegadores GPS se pueden clasificar en dos grupos: dispositivos basados en GPS dedicado; y equipos
GPS que necesitan utilizarse conjuntamente con PDA, ordenador ó móvil.
a) Navegadores basados en un GPS dedicado.
Estos dispositivos proporcionan
una interfaz gráfica al usuario,
proporcionan datos de
navegación (latitud, longitud,
altitud, velocidad, satélites en
vista, hora o brújula
electrónica). Una de las
características más importantes
de estos receptores es la de
poder grabar o marcar una
determinada posición a través
de la función waypoint (punto de camino), la cual generalmente podremos asociar un nombre (o incluso un
icono). A partir de la anterior función se pueden crear rutas (agrupación en secuencia de waypoints): una ruta
contiene una posición de partida y una final, así como toda una serie de localizaciones intermedias a lo largo
del trayecto. También podemos hacer que sea el propio GPS el que grabe automáticamente nuestra ruta o
"huella" a través de la función track (nuestro receptor grabará un punto cada vez que cambiemos de
dirección), para que podamos volver, sin ningún problema, a nuestro punto de partida. Muchos de estos
equipos incorporan ó dan la posibilidad de importar cartografía, haciendo que su utilización sea más atrayente.
Dependiendo del servicio que prestan se pueden dividir en dos grupos: el primer grupo está formado por los
GPS para uso en senderismo, BTT (Bicicletas Todo Terreno), motos, atletas o marítimos. En el otro grupo
están los GPS para uso en vehículos y tienen su función principal es la de guiar al conductor por carreteras y
calles, hasta un lugar de destino.
Diferentes págnas del Garmin GPSMAP 60C
50 COMPILADO POR: ING: ROXANA XIMENA BURGOS BARROSO
TEMA 3: SISTEMA DE POSICIONAMIENTO
GLOBAL - GPS
Senderismo, BTT, atletas o deportes marítimos.
Las marcas líderes en este sector son Garmin® y Magellan®. El desarrollo de estas marcas es tan amplio que
incluso poseen su propio protocolo de transmisión de datos.
Magellan eXplorist GPS Meridian Gold
Tipos de dispositivos Magellan
Etrex Vista CX Edge 305 (HR/CAD)
Tipos de dispositivos Garmin
Las características generales de estos equipos son:
Antena integrada.
Receptor de 12 canales paralelos, compatible con la tecnología WAAS (EGNOS en Europa) de
corrección de errores, que permite precisiones de 5 metros e inferiores. Batería de pilas.
Pantalla en blanco y negro, ó a color.
Estado de satélites: Muestran datos de los satélites GPS que detectan su posición y obtienen información
sobre su estado.
Capacidad de almacenar hasta 500 waypoints de usuario con nombre y símbolo, 20 rutas reversibles, 50
puntos por ruta.
Las características específicas que suelen incluir algunos de estos equipos son:
Permiten inserción de tarjetas externas.
Resistente al agua.
Incluye altímetro barométrico y un compás electrónico.
Algunos más especializados para uso BTT, como el Edge 305 es capaz de medir la cadencia de pedaleo,
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TEMA 3: SISTEMA DE POSICIONAMIENTO
GLOBAL - GPS
el ritmo cardíaco, la velocidad, la distancia, el tiempo, las calorías quemadas, la altitud, las subidas y
pendientes y muchos datos más. Muchos de ellos poseen ó dan la posibilidad de incorporar datos de
ciudades, autopistas, carreteras principales, parques, principales vías fluviales, aeropuertos, etc. Así como mapas
topográficos y callejeros.
Interfaz con PC, a través del puerto serie, ó en el caso de los más sofisticados con puerto USB.
Utilizando protocolos propietarios como en el caso de Garmin, NMEA y RTCM.
Los dispositivos más evolucionados traen el chip SiRF Star 3 GPS, que hace que sean receptores
hipersensibles, encontrando rápidamente la señal GPS y garantiza una recepción óptima y precisa.
3.5 Nivel de precisión alcanzado con el GPS
La utilización del GPS con fines geodésicos ha pasado por gran cantidad de pruebas y experimentos para
asegurar su precisión y efectividad. Podemos decir17 que hace pocos años se hicieron mediciones
obteniendo errores del orden de 10-6. Esta exactitud lo convierte en un método increíblemente adecuado
para el control de re- des geodésicas en primer término y, hoy día, dados los enormes avances que el método
ha experimentado y su menor costo, para su utilización con fines topográficos convencionales.
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