MEJORA DE LOS SISTEMAS DE CARTOGRAFA DEL TERRITORIO COLOMBIANO

CAPITULO 4

SISTEMA DE POSICIONAMIENTO GLOBAL - GPS

DEPARTAMENTO DE LA GUAJIRA RIOACHA, MARZO DE 2007

U n

Unin Europea Centro Internacional de Agricultura Tropical

TABLA DE CONTENIDO

4. SISTEMA DE POSICIONAMIENTO GLOBAL - GPS 3

INTRODUCCIN 3 4. 1. UN POCO DE HISTORIA 3 4. 2. COMPONENTES DEL SISTEMA GPS 4

4. 2. 1. SEGMENTO ESPACIAL 5 4. 2. 2. SEGMENTO CONTROL 7 4. 2. 3. SEGMENTO USUARIO 8

4. 3. FUNCIONAMIENTO DEL GPS 9 4. 3. 1. TRIANGULACIN DESDE LOS SATLITES 9 4. 3. 2. CALCULO DE LAS DISTANCIAS A LOS SATLITES 10 4. 3. 3. CONTROL PERFECTO DEL TIEMPO 12 4. 3. 4. UBICACIN DE LOS SATLITES EN EL ESPACIO 13 4. 3. 5. ERRORES 14

4. 4. PRINCIPALES TIPOS DE EQUIPOS GPS 17 4. 4. 1. NAVEGADORES CONVENCIONALES 17 4. 4. 2. RECEPTORES DE CODIGO C/A AVANZADOS 18 4. 4. 3. RECEPTORES GEODSICOS CON MEDICIN DE FASE SOBRE L1 19 4. 4. 4. RECEPTORES GEODSICOS DE DOBLE FRECUENCIA 19

4. 5. PRINCIPALES TIPOS DE MTODOS DE POSICIONAMIENTO RELATIVO 20 4. 5. 1 MTODOS BASADOS EN LA LECTURA DE CDIGO. (NAVEGACIN) 20 4. 5. 2. MTODOS RELATIVOS BASADOS EN MEDIDA DE FASE DE PORTADORAS.

(CONTROL) 21 4. 6. APLICACIONES 24

4. 6. 1. GEODINMICA 24 4. 6. 2. TOPOGRAFA 24 4. 6. 3. OBRAS CIVILES 25 4. 6. 4. HIDROGRAFA 25 4. 6. 5. NAVEGACIN 25 4. 6. 6. DEFENSA CIVIL 25 4. 6. 7. MILITAR 25 4. 6. 8. NAVEGACIN AREA 25

4. 7. EJERCICIOS 26 BIBLIOGRAFA 29

BIBLIOGRAFA CITADA 29 BIBLIOGRAFA RECOMENDADA 29

4. SISTEMA DE POSICIONAMIENTO GLOBAL - GPS INTRODUCCIN Los sistemas de navegacin solucionan un problema muy antiguo en la historia de la humanidad: la necesidad de conocer la posicin sobre la superficie terrestre. Sin esa capacidad los movimientos por tierra deben basarse en puntos de referencia conocidos, y los movimientos martimos deben restringirse a una franja de mar en que la costa sea visible. Una de las maneras ms utilizadas para capturar informacin geogrfica lo constituye el sistema GPS. El trmino GPS1 procede del acrnimo de la expresin inglesa 'Global Positioning System'. (Sistema de Posicionamiento Global, aunque el nombre ms correcto es NAVSTAR) Se trata de un sistema que permite calcular las coordenadas de cualquier punto de la superficie terrestre a partir de la recepcin de seales emitidas desde una constelacin de satlites en rbita. Bsicamente, su principal funcionalidad es que permite al usuario conocer, mediante un receptor, su posicin en cualquier parte del planeta. Los diferentes mtodos e instrumentos existentes condicionan la precisin de las mediciones realizadas, existiendo un amplio abanico de posibilidades en cuanto a resolucin. En este modulo se tratara de explicar el funcionamiento general del sistema, analizando tambin las caractersticas y prestaciones de los diferentes mtodos y tipos de aparatos actualmente en el mercado. 4. 1. UN POCO DE HISTORIA2 El primer sistema de navegacin basado en satlites y utilizado para la localizacin de objetos sobre la superficie terrestre fue llamado TRANSIT (Financiado por la Fuerza Area y la Marina de los Estados Unidos), el cual entr en funcionamiento en 1965. El sistema TRANSIT estaba constituido por una constelacin de seis satlites en rbita polar baja, a una altura de 1074 Km y los datos obtenidos eran bidimensionales (Latitud, Longitud). Tal configuracin consegua una cobertura mundial pero el inconveniente principal de este sistema era la medida lenta y su paso sobre el objeto de estudio era de mnimo 30 minutos. Por este motivo, este sistema no era vlido para vehculos mviles como aviones, msiles, etc. A pesar de lo anterior, el sistema tuvo un gran xito y ello motivo a producir diferentes experimentos como el Timation (Bidimensional pero con mejor precisin temporal y financiado por la marina de los Estados Unidos) y el sistema 621B (Tridimensional y financiado por la Fuerza Area de los Estados Unidos) en desiertos simulando diferentes comportamientos. En 1973 el departamento de Defensa de Estados Unidos consolid los programas Timation y 621B en un nico sistema llamado NAVSTAR Global Positioning System el 17 de Agosto de 1974.

1 http://www.mailxmail.com/curso/informatica/gps/capitulo1.htm 2 http://homepages.mty.itesm.mx/al584299/mypaper.htm; http://www.alsitel.com/tecnico/gps/historia.htm; http://www.zonagps.com/index.php?option=com_content&task=view&id=25&Itemid=50&

Aunque el proyecto inclua 24 satlites, ciertos recortes presupuestarios los redujeron a 18 y 3 de reserva. Posteriormente se decidi completar el sistema con todos los satlites previstos. La serie se inici con el lanzamiento de un slo satlite, el 22 de febrero de 1978. En 1986 se dio luz verde al desarrollo completo del sistema y aunque en 1991 el sistema NAVSTAR-GPS an no estaba operativo al 100% demostr su potencialidad en la Guerra del Golfo Prsico que constituy un campo de pruebas inmejorable. El enorme xito que obtuvo el sistema en aquel conflicto (el mundo entero se sorprendi de la precisin con que se dirigan los msiles a sus objetivos) aceler el desarrollo final del proyecto. 4. 2. COMPONENTES DEL SISTEMA GPS3 El fundamento del sistema GPS consiste en la recepcin de seales de radio de mnimo 4 satlites de 24 que existen en orbita, de los cuales se conoce de forma muy exacta su posicin orbital con respecto a la tierra; Cada satlite enva constantemente una seal radio con informacin precisa de la hora en que se emite. Los receptores (GPS en Tierra) analizan dicha seal y calculan la diferencia de tiempo desde que se emiti hasta que se recibe. La velocidad de la radio en el vaco es la misma que la luz, y se puede estimar aproximadamente la velocidad en la atmsfera, por lo que los receptores GPS pueden calcular la distancia al satlite con bastante precisin. Conociendo la posicin de los satlites, la velocidad de propagacin de sus seales (velocidad de la luz) y el tiempo empleado en recorrer el camino hasta el usuario, por triangulacin se puede establecer la posicin en trminos absolutos del receptor. (Figura 1)

Figura 1. Principio de Triangulacin en el GPS

3 http://www.gabrielortiz.com/index.asp?Info=039; http://www.alsitel.com/tecnico/gps/sistema.htm; http://www.com.uvigo.es/asignaturas/scvs/trabajos/curso0001/biblio/GPS/gps.htm

Para entender el sistema GPS se hace necesario conocer los elementos que lo forman. Dentro del sistema GPS existen tres conjuntos de componentes denominados segmentos:

?? Segmento Espacial. ?? Segmento de control ?? Segmento del usuario.

4. 2. 1. Segmento Espacial El Segmento Espacial est constituido por los satlites que soportan el sistema y las seales de radio que emiten. Estos satlites conforman la llamada constelacin NAVSTAR (Navigation Satellite Timing and Ranging - Figura 2), constituida por 24 satlites operativos ms cuatro de reserva, mantenidos por la fuerza area estadounidense.

Figura 2. Derecha: Satlite NAVSTAR GPS. Izquierda: Lanzamiento de un satlite GPS con un Atlas F.

En el sistema NAVSTAR GPS se utilizan satlites no geoestacionarios, los cuales recorren rbitas elpticas respecto al centro de la Tierra, que forman un ngulo de 55? con el plano ecuatorial y recorren todos los puntos de la superficie terrestre. (Figura 3) Sin embargo, sus rbitas deben ajustarse para obtener una cobertura global, es decir, que en cualquier punto se vean un nmero mnimo de 3 satlites con una duracin y periodicidad aceptable para permitir en recepcin el clculo de su posicin con una precisin determinada.

Figura 3. Orbitas no geoestacionarias de los satlites NAVSTAR.

Fuente: gabrielortiz.com

Los 24 satlites y sus 4 de reserva de la constelacin NAVSTAR, circundan la tierra en rbitas a una altura alrededor de los 20.200 km de la superficie (puede ser algo ms o algo menos, dependiendo del satlite) y distribuidos de tal manera que en cada punto de la superficie terrestre se tiene posibilidad de leer la seal de al menos cuatro satlites. Esto es muy importante, porque se necesitan al menos tres satlites para conocer la posicin del observador, y que estos se dispongan con un ngulo de elevacin sobre el horizonte superior a 15; no obstante, casi siempre son ms de cuatro los satlites 'visibles'. Los satlites envan seales en la regin de radio del espectro electromagntico. La seal en s es muy compleja. Est formada por varios componentes que se estructuran sobre una seal principal con frecuencia de 10'23 MHz. A partir de esta seal principal y derivada de ella, se producen los dos componentes principales de la seal: las portadoras (carriers). Estas portadoras se emiten en la banda L del espectro (definida por el rango que va de los 390 MHz a los 1.550 MHz). La banda L del espectro es la que presenta mejor transparencia atmosfrica, lo cual es muy importante para la precisin del sistema. Las dos frecuencias portadoras (carriers) son denominadas L1 (1.57542 MHz) y L2 (1.22760 MHz). El empleo de dos frecuencias distintas se debe a que la atmsfera proporciona un cierto retardo en la propagacin de las ondas, siendo este retardo funcin de la frecuencia. Al utilizar dos frecuencias distintas se puede conocer ese retardo y compensarlo en consecuencia.

Figura 3. Frecuencias portadoras o carries. L1: 157542 MHz. La Atmsfera genera ruido en esta seal por la amplitud de la onda. L2: 122760 MHz. Por ser una amplitud de onda ms corta, pasa por la Atmsfera sin mayores interferencias.

Sobre las dos portadoras se insertan por modulacin varios cdigos cifrados que rigen el funcionamiento del sistema. Estos cdigos transportan en cdigo binario la informacin necesaria para el clculo de las posiciones. El ms bsico es el cdigo C/A (Coarse/Acquisition), que va dentro de la seal L1. Este cdigo es ledo por todos los receptores. (Incluidos los navegadores ms sencillos) Otro cdigo modulado sobre el conjunto de la L1 y la L2 es el denominado P (Precise), que permite un incremento muy notable en la precisin del sistema y en la velocidad de medicin. En funcin del nmero de observables (satlites) que un receptor es capaz de leer y analizar va el precio del mismo; por ejemplo, un receptor que slo lee cdigo C/A es mucho ms econmico que un bifrecuencia de cdigo P. Al ser un sistema nacido de la investigacin militar y con una importancia geoestratgica obvia, el gobierno de los Estados Unidos se preocup mucho de que pudiera garantizar el uso adecuado. En principio, se degradaba la seal intencionadamente para que los receptores

Atmsfera

L1 Ruido o Retardo de la seal

L2

civiles tuvieran un error mnimo intencionado que hiciera inapropiado su uso para aplicaciones militares. Era lo que se llamaba la Disposicin Selectiva (Selective Availability) que condicionaba las lecturas a un error mnimo de 100 m. a travs de la modificacin de los datos de tiempo del satlite (reportados por los relojes atmicos a bordo) y alterando las efemrides de los satlites. El 1 de Mayo de 2001, la Administracin Clinton decidi eliminar esta fuente de error intencionada, dada la importancia econmica que estaba tomando el GPS; a partir de ese momento, la precisin del sistema se mejora notablemente, tal y como se puede ver en los siguientes grficos, en los que se documenta el momento en que se elimin la Disposicin Selectiva (S/A)

Figura 4. Comparacin de los datos generados con error inducido y sin error. Fuente: grabielortiz.com por cortesa de United States Space Command

No obstante, existe otro modo de anular la seal en caso de existir un conflicto blico en alguna regin del planeta. A travs del procedimiento de Anti-Spoofing (A-S), los gestores del sistema pueden encriptar totalmente la seal. Mediante el uso de un cdigo adicional de alto secreto (denominado W), se consigue encriptar el cdigo P, que pasa a denominarse entonces cdigo Y; este cdigo Y slo se puede leer con receptores GPS militares autorizados, con lo que se garantiza la exclusividad mediante una denegacin selectiva del servicio en zonas de conflicto. 4. 2. 2. Segmento Control El segmento de control esta constituido por todas las infraestructuras en tierra necesarias para el control de la constelacin de satlites, mantenidas por la fuerza area estadounidense. Dichas infraestructuras tienen coordenadas terrestres de muy alta precisin y consisten en cinco grupos de instalaciones repartidas por todo el planeta, para tener un control homogneo de toda la constelacin de satlites.

Estas infraestructuras realizan un seguimiento continuo de los satlites que pasan por su regin del cielo, acumulando los datos necesarios para el clculo preciso de sus rbitas.

Figura 4. Infraestructura de control. 1. Estacin maestra de control (MSC) y Estacin de seguimiento ubicada en Colorado Springs. 2. Hawai, Estacin de seguimiento. 3. Isla Ascensin (Santa Elena), Estacin de seguimiento y Antena de Referencia. 4. Diego Garca (Territorio del

Reino Unido), Estacin de seguimiento y Antena de Referencia. 5. Kawajalein (Islas Marshall), Estacin de seguimiento y Antena de Referencia.

Fuente: http://www.gabrielortiz.com/index.asp?Info=039

Dichas rbitas son muy predecibles, dado que no existe friccin atmosfrica en el entorno donde se mueven los satlites; a las predicciones de las rbitas de los satlites para el futuro se les conoce con el nombre de Almanaques, cuyo clculo depende tambin del segmento de control. Sin embargo, aunque muy predecibles, las rbitas tambin tienen una degradacin debido a una serie de factores: desigual densidad de la gravedad terrestre, mareas gravitatorias provocadas por el alineamiento de la luna y los planetas, viento solar, etc. Todos estos factores conllevan a pequeas degradaciones sobre las rbitas que hay que tener en cuenta para que el sistema GPS sea preciso. Por ello, aquellas estaciones del segmento de control que estn dotadas de antenas de referencia tienen tambin la funcin de enviar a los satlites las correcciones de rbita para sus sistemas de navegacin. Dichas correcciones son transmitidas en la banda S, y una vez recibidas por cada satlite son incorporadas a los mensajes de navegacin que el satlite emite para ser captados por el receptor del usuario. A estas rbitas recalculadas con los datos de correccin (suministrados por las estaciones de tierra) y su informacin de tiempo se les denomina efemrides. El usuario no experimentado no ve por ninguna parte rastro de las efemrides, pero hasta el navegador ms sencillo las est utilizando en el momento en que estamos midiendo. 4. 2. 3. Segmento Usuario El segmento del usuario est constituido por el hardware (equipos de recepcin) y el software que se utilizan para captar y procesar las seales de los satlites. Para los usuarios del sistema GPS, el segmento usuario es quiz la parte que ms interesa puesto que del tipo de instrumental y mtodos utilizados depende la precisin alcanzada. El tipo de receptores va unido ntimamente al tipo de mtodo elegido para la medicin, y a su vez a la naturaleza de la aplicacin que se desee realizar. As, carece de sentido utilizar un receptor avanzado de doble frecuencia si no es en combinacin con un mtodo relativo, pues de no ser as estaramos utilizando un equipo que puede valer entorno a 24.000 Euros para

conseguir la misma precisin que un lector de 300 Euros. Por ello, equipos, mtodos y aplicaciones son indisolubles para el especialista.

4. 3. FUNCIONAMIENTO DEL GPS4 Los 5 pasos principales, en los cuales se resume el funcionamiento del sistema GPS son:

1. Triangulacin. La base del GPS es la "triangulacin" desde los satlites. 2. Distancias. Para "triangular", el receptor de GPS mide distancias utilizando el tiempo de

viaje de seales de radio. 3. Tiempo. Para medir el tiempo de viaje de estas seales, el GPS necesita un control muy

estricto del tiempo y lo logra con ciertos trucos. 4. Posicin. Adems de la distancia, el GPS necesita conocer exactamente donde se

encuentran los satlites en el espacio. Orbitas de mucha altura y cuidadoso monitoreo, le permiten hacerlo.

5. Correccin. Finalmente el GPS debe corregir cualquier demora en el tiempo de viaje de la seal que esta pueda sufrir mientras atraviesa la atmsfera.

4. 3. 1. Triangulacin desde los satlites Como se ha dicho anteriormente y aunque pueda parecer improbable, la idea general detrs del GPS es utilizar los satlites en el espacio como puntos de referencia para ubicaciones aqu en la tierra. Esto se logra mediante una muy, pero muy exacta, medicin de nuestra distancia hacia al menos tres satlites, lo que nos permite "triangular" nuestra posicin en cualquier parte de la tierra. La gran idea, Geomtricamente, es: Suponiendo que se mide la distancia al primer satlite y resulta ser de 11.000 millas. (20.000 Km) Sabiendo que se esta a 11.000 millas de un satlite determinado, no se puede por lo tanto estar en cualquier punto del universo sino que esto limita la posicin a la superficie de una esfera que tiene como centro dicho satlite y cuyo radio es de 11.000 millas. A continuacin se mide la distancia a un segundo satlite y se obtiene que se encuentra a 12.000 millas del mismo. Lo anterior indica que no se esta solamente en la primer esfera, correspondiente al primer satlite, sino tambin sobre otra esfera que se encuentra a 12.000 millas del segundo satlite. En otras palabras, se esta en algn lugar de la circunferencia que resulta de la interseccin de las dos esferas. Ahora, si se mide la distancia a un tercer satlite y se obtiene una distancia de 13.000 millas del mismo, esto limita an mas la posicin, a los dos puntos en los cuales la esfera de 13.000 millas corta la circunferencia que resulta de la interseccin de las dos primeras esferas. O sea,

4http://www.elgps.com/documentos/comofuncionagps/comofuncionagps.html; http://es.wikipedia.org/wiki/GPS; http://www.gabrielortiz.com/index.asp?Info=039; http://html.rincondelvago.com/gps_1.html; http://www.tel.uva.es/personales/jpozdom/telecomunicaciones/tutorial/contenido.html

que midiendo la distancia a tres satlites limitamos el posicionamiento a solo dos puntos posibles. Para decidir cual de ellos es la posicin verdadera, se podra efectuar una nueva medicin a un cuarto satlite. Pero normalmente uno de los dos puntos posibles resulta ser muy improbable por su ubicacin demasiado lejana de la superficie terrestre y puede ser descartado sin necesidad de mediciones posteriores. (Ver Figura 5)

Figura5. Principio de Triangulacin.

Fuente: http://www.asifunciona.com/electronica/af_gps/00020012mv.htm

4. 3. 2. Calculo de las distancias a los satlites Se sabe ahora que la posicin se calcula a partir de la medicin de la distancia hasta por lo menos tres satlites. Pero, cmo se puede medir la distancia hacia algo que est flotando en algn lugar en el espacio?. Esto es posible porque se mide el tiempo que tarda una seal emitida por el satlite en llegar hasta el receptor de GPS. (en Tierra) Matemticamente, es basarse en la ecuacin de la velocidad: "Si un auto viaja a 40 kilmetros por hora durante 3 horas, qu distancia recorri?

Velocidad (40 km/h) x Tiempo (3 horas) = Distancia (120 km) En el caso del GPS se esta midiendo una seal de radio, que viaja a la velocidad de la luz, alrededor de 300.000 km por segundo. Entonces el problema de medir el tiempo de viaje de la seal (Que, obviamente, viene muy rpido) es en lo que se basa el sistema. Sin embargo, la medicin de ese tiempo es compleja debido a que los tiempos son extremadamente cortos. Si el satlite estuviera justo sobre una persona, a unos 20.000 km de altura, el tiempo total de viaje de la seal hacia dicha persona sera de algo mas de 0.06 segundos. Por esta razn se necesitan relojes muy precisos. Pero, an admitiendo que se tiene relojes con la suficiente precisin, cmo se mide el tiempo de viaje de la seal? Supongase que el GPS, por un lado, y el satlite, por otro, generan una seal auditiva en el mismo instante exacto. Supongase tambin que una persona, parada al lado del receptor de GPS, pueda or ambas seales. (Obviamente es imposible "or" esas seales porque el sonido no se propaga en el vaco) La persona oira dos versiones de la seal. Una de ellas inmediatamente, la generada por nuestro receptor GPS y la otra con cierto atraso, la proveniente del satlite, porque tuvo que recorrer alrededor de 20.000 km para llegar hasta el observador. Por tal motivo, se puede decir que las seales no estn sincronizadas.

B

C A

Punto de interseccin

Si se quisiera saber cual es la magnitud de la demora de la seal proveniente del satlite se puede retardar la emisin de la seal del receptor GPS hasta lograr la perfecta sincronizacin con la seal que viene del satlite. El tiempo de retardo necesario para sincronizar ambas seales es igual al tiempo de viaje de la seal proveniente del satlite. (Figura 6) Supongase que sea de 0.06 segundos. Conociendo este tiempo, se multiplica por la velocidad de la luz y se obtiene la distancia hasta el satlite.

Tiempo de retardo (0.06 seg) x Vel. de la luz (300.000 km/seg) = Dist. (18.000 km) As es, bsicamente, como funciona el GPS.

Figura 6. Tiempo de Retardo = Tiempo de viaje de la seal del satlite

La seal emitida por el receptor GPS y por el satlite es algo llamado "Cdigo Pseudo Aleatorio" (Pseudo Random Code). La palabra "Aleatorio" significa algo generado por el azar. Este Cdigo Pseudo Aleatorio es una parte fundamental del GPS. Fsicamente solo se trata de una secuencia o cdigo digital muy complicado. O sea una seal que contiene una sucesin muy complicada de pulsos "on" y "off", como se se muestra en la Figura 7.

Figura 7. Ejemplo de Cdigo Pseudo-Aleatorio

La seal es tan complicada que casi parece un ruido elctrico generado por el azar. De all su denominacin de "Pseudo-Aleatorio". Hay varias y muy buenas razones para tal complejidad. La complejidad del cdigo ayuda a asegurarse que el receptor de GPS no se sintonice accidentalmente con alguna otra seal. Siendo el modelo tan complejo es altamente improbable que una seal cualquiera pueda tener exactamente la misma secuencia. Dado que cada uno de los satlites tiene su propio y nico Cdigo Pseudo Aleatorio, esta complejidad tambin garantiza que el receptor no se confunda accidentalmente de satlite. De esa manera, tambin es posible que todos los satlites trasmitan en la misma frecuencia sin interferirse mutuamente. Esto tambin complica a cualquiera que intente interferir el sistema desde el exterior al mismo. El Cdigo Pseudo Aleatorio le da la posibilidad al Departamento de

Defensa de EEUU de controlar el acceso al sistema GPS. Pero hay otra razn para la complejidad del Cdigo Pseudo Aleatorio: es crucial para conseguir un sistema GPS econmico. El cdigo permite el uso de la "teora de la informacin" para amplificar las seales de GPS. Por esa razn las dbiles seales emitidas por los satlites pueden ser captadas por los receptores de GPS sin el uso de grandes antenas. Cuando se explica el mecanismo de emisin de las seales por el GPS y el satlite, se asume que ambos comienzan la emisin de la seal exactamente al mismo tiempo. Pero cmo se puede asegurar que todo esta perfectamente sincronizado? 4. 3. 3. Control perfecto del tiempo Si la medicin del tiempo de viaje de una seal de radio es clave para el GPS, los relojes que se emplean deben ser exactsimos, dado que si miden con un desvo de un milsimo de segundo, a la velocidad de la luz, ello se traduce en un error de 300 km!. Por el lado de los satlites, la coordinacin (Timing) es casi perfecta porque llevan a bordo relojes atmicos de increble precisin. Sin embargo, los receptores GPS no alojan relojes atmicos porque eso hara a la tecnologa inasequible. (Los relojes tienen un precio alrededor de los 100.000 U$S) Los diseadores encontraron una solucin que permite resolver el problema con relojes mucho menos precisos en los receptores GPS. Esta solucin es uno de los elementos clave del sistema GPS y, como beneficio adicional, significa que cada receptor de GPS es en esencia un reloj atmico por su precisin. El secreto para obtener un timing tan perfecto es efectuar una medicin satelital adicional. Resulta que si tres mediciones perfectas pueden posicionar un punto en un espacio tridimensional, cuatro mediciones imperfectas pueden lograr lo mismo. Esta idea es fundamental para el funcionamiento del sistema GPS, pero su explicacin detallada excede los alcances de la presente exposicin. De todos modos, aqu va un resumen somero: Una medicin adicional remedia el desfase del timing. Si todo fuera perfecto (es decir que los relojes de los receptores GPS lo fueran), entonces todos los rangos (distancias) a los satlites se interceptaran en un nico punto (que indica nuestra posicin). Pero con relojes imperfectos, una cuarta medicin, efectuada como control cruzado, NO intersectar con los tres primeros. De esa manera la computadora del receptor GPS detectar la discrepancia y atribuir la diferencia a una sincronizacin imperfecta con la hora universal. Dado que cualquier discrepancia con la hora universal afectar a las cuatro mediciones, el receptor buscar un factor de correccin nico que siendo aplicado a sus mediciones de tiempo har que los rangos coincidan en un solo punto. Dicha correccin permitir al reloj del receptor ajustarse nuevamente a la hora universal y de esa manera tenemos un reloj atmico en la palma de la mano. Una vez que el receptor de GPS aplica dicha correccin al resto de sus mediciones, obtenemos un posicionamiento preciso.

Una consecuencia de este principio es que cualquier GPS decente debe ser capaz de sintonizar al menos cuatro satlites de manera simultnea. En la prctica, casi todos los GPS en venta actualmente, acceden a mas de 6, y hasta a 12, satlites simultneamente. Ahora bien, con el Cdigo Pseudo Aleatorio como un pulso confiable para asegurar la medicin correcta del tiempo de la seal y la medicin adicional como elemento de sincronizacin con la hora universal, se tiene todo lo necesario para medir la distancia a un satlite en el espacio. Pero, para que la triangulacin funcione se necesita conocer no slo la distancia sino que se debe conocer dnde estn los satlites con toda exactitud. En resumen: Un timing muy preciso es clave para medir la distancia a los satlites, los satlites son exactos porque llevan un reloj atmico a bordo, los relojes de los receptores GPS no necesitan ser tan exactos porque la medicin de un rango a un satlite adicional permite corregir los errores de medicin. 4. 3. 4. Ubicacin de los satlites en el espacio A lo largo de este trabajo se ha asumido que se conocen dnde estn los satlites en sus rbitas y de esa manera se pueden utilizar como puntos de referencia. Pero, cmo se puede saber donde estn exactamente? Todos ellos estn flotando a unos 20.000 km de altura en el espacio aproximadamente. Un satlite a gran altura se mantiene estable. La altura de 20.000 km es en realidad un gran beneficio para este caso, porque algo que est a esa altura est bien despejado de la atmsfera. Eso significa que orbitar de manera regular y predecible mediante ecuaciones matemticas sencillas. La Fuerza Area de los EEUU coloc cada satlite de GPS en una rbita muy precisa, de acuerdo al Plan Maestro de GPS. En tierra, todos los receptores de GPS tienen un almanaque programado en sus computadoras que les informan donde est cada satlite en el espacio, en cada momento. El Control Constante agrega precisin. Las rbitas bsicas son muy exactas pero con el fin de mantenerlas as, los satlites de GPS son monitoreados de manera constante por el Departamento de Defensa. (Figura 8)

Figura 8. Monitoreo de satlites desde estaciones de control.

Fuente: http://www.elgps.com/documentos/comofuncionagps/comofuncionagps.html

Ellos utilizan radares muy precisos para controlar constantemente la exacta altura, posicin y velocidad de cada satlite. Los errores que ellos controlan son los llamados errores de efemrides, o sea evolucin orbital de los satlites. Estos errores se generan por influencias gravitatorias del sol y de la luna y por la presin de la radiacin solar sobre los satlites. Estos

errores son generalmente muy sutiles pero si se desea una gran exactitud debemos tenerlos en cuenta. Una vez que el Departamento de Defensa ha medido la posicin exacta de un satlite, vuelven a enviar dicha informacin al propio satlite. De esa manera el satlite incluye su nueva posicin corregida en la informacin que transmite a travs de sus seales a los GPS. (Figura 9)

Figura 9. Correccin de errores. Fuente: http://www.elgps.com/documentos/comofuncionagps/comofuncionagps.html

Esto significa que la seal que recibe un receptor de GPS no es solamente un Cdigo Pseudo Aleatorio con fines de timing. Tambin contiene un mensaje de navegacin con informacin sobre la rbita exacta del satlite. Con un timing perfecto y la posicin exacta del satlite se puede pensar que se esta en condiciones de efectuar clculos perfectos de posicionamiento. Sin embargo se deben resolver resolver otros problemas primero como lo son los posibles errores que pueden influir en la precisin de los datos 4. 3. 5. Errores Hasta ahora se han tratando los clculos del sistema GPS de manera muy abstracta, como si todo el proceso ocurriera en el vaco. Pero en el mundo real hay muchas cosas que le pueden suceder a una seal de GPS para transformarla en algo menos que matemticamente perfecta. Para aprovechar al mximo las ventajas del sistema, un buen receptor de GPS debe tener en cuenta una amplia variedad de errores posibles. En primer lugar, una de las presunciones bsicas que se han usado a lo largo de este trabajo no es exactamente cierta. Se ha afirmado que se puede calcular la distancia a un satlite multiplicando el tiempo de viaje de su seal por la velocidad de la luz. Pero la velocidad de la luz slo es constante en el vaco. Una seal de GPS pasa a travs de partculas cargadas positivamente en su paso por la ionosfera y luego al pasar a travs de vapor de agua en la troposfera pierde algo de velocidad, creando el mismo efecto que un error de precisin en los relojes. (Figura 10)

Figura 10. Errores causados en la Atmsfera en la transmisin de una seal.

Fuente: http://www.elgps.com/documentos/comofuncionagps/comofuncionagps.html

Hay un par de maneras de minimizar este tipo de error. Por un lado, se puede predecir cual sera el error tipo de un da promedio. A esto se lo llama modelacin y puede ayudar pero, por supuesto, las condiciones atmosfricas raramente se ajustan exactamente el promedio previsto. Otra manera de manejar los errores inducidos por la atmsfera es comparar la velocidad relativa de dos seales diferentes (L1 y L2). Esta medicin de doble frecuencia es muy sofisticada y solo es posible en receptores GPS muy avanzados. Los problemas para la seal de GPS no terminan cuando llega a la tierra. La seal puede rebotar varias veces debido a obstrucciones locales antes de ser captada por el receptor GPS. (Figura 11)

Figura 11. Errores de la seal causados por las condiciones en Tierra.

Fuente: http://www.elgps.com/documentos/comofuncionagps/comofuncionagps.html

Este error es similar al de las seales fantasma que podemos ver en la recepcin de televisin. Los buenos receptores GPS utilizan sofisticados sistemas de rechazo para minimizar este problema. Otro error puede generarse en los relojes de los satlites. Aunque son muy precisos, no son perfectos. Pueden ocurrir minsculas discrepancias que se transforman en errores de medicin del tiempo de viaje de las seales. Y, aunque la posicin de los satlites es controlada permanentemente, tampoco pueden ser controlados a cada segundo. De esa manera pequeas variaciones de posicin o de efemrides pueden ocurrir entre los tiempos de monitoreo. La geometra bsica por si misma puede aumentar/disminuir estos errores mediante un principio denominado "Dilacin Geomtrica de la Precisin", o DGDP. En la realidad suele haber mas satlites disponibles que los que el receptor GPS necesita para fijar una posicin, de manera que el receptor toma algunos e ignora al resto.

Si el receptor toma satlites que estn muy juntos en el cielo, las circunferencias de interseccin que definen la posicin se cruzarn a ngulos con muy escasa diferencia entre s. Esto incrementa el rea gris o margen de error acerca de una posicin. (Figura 12)

Figura 12. Mala Geometra en las posiciones de los satlites con respecto al receptor en Tierra. Fuente: http://www.elgps.com/documentos/comofuncionagps/comofuncionagps.html

Si el receptor toma satlites que estn ampliamente separados, las circunferencias intersectan a ngulos prcticamente rectos y ello minimiza el margen de error. (Figura 13)

Figura 13. Buena Geometra en las posiciones de los satlites con respecto al receptor en Tierra. Fuente: http://www.elgps.com/documentos/comofuncionagps/comofuncionagps.html

Los buenos receptores son capaces de determinar cuales son los satlites que dan el menor error por Dilucin Geomtrica de la Precisin. Por ultimo, se tienen los errores intencionales, los cuales se abordaron anteriormente. El error de Disponibilidad Selectiva (S/A), el cual ya esta desactivado y el Anti-Spoofing (A-S), el cual puede ser aplicado en un futuro.

En la Tabla 1. se resumen los errores tpicos y su respectiva fuente.

FUENTES DE ERROR GPS ESTNDAR (mts)

GPS DIFERENCIAL (mts)

Reloj del Satlite 1.5 0 Errores Orbitales 2.5 0 Ionosfera 5.0 0.4 Troposfera 0.5 0.2 Ruido en el Receptor 0.3 0.3 Seal Fantasma 0.6 0.6 Disponibilidad Selectiva 30 0 Exactitud Promedio de Posicin

Horizontal 50 1.3 Vertical 78 2.0 3-D 93 2.8

Tabla 1. Fuentes de Error y magnitud aproximada del error. Fuente: Fuente: http://www.elgps.com/documentos/comofuncionagps/comofuncionagps.html

4. 4. PRINCIPALES TIPOS DE EQUIPOS GPS5 Caracterizar todos los tipos de equipos GPS que existen en el mercado es casi imposible hoy en da, dado el gran dinamismo del mercado y el amplio abanico de productos. Adems, dicha clasificacin puede realizarse por mltiples criterios, como por ejemplo en funcin de la arquitectura (receptores secuenciales, continuos o mltiplex), en funcin del mtodo de funcionamiento (correlacin de cdigo o anlisis de fase de la portadora), o en funcin de las aplicaciones a las que se destine. En este documento se clasificaran los receptores de acuerdo a la aplicacin, ya que es el nfasis que como usuarios del sistema, puede llegar a interesar ms. Existen muchas marcas y referencias de receptores GPS. Sin embargo, la mayor diversificacin es en los equipos de navegacin. Las marcas ms conocidas en receptores GPS de alta y mediana y baja precisin son: Leica, Trimble, GeoExplorer, MC-GPS y eTrex Para aplicaciones GIS, podemos destacar los siguientes tipos de receptores:

4. 4. 1. Navegadores Convencionales Los navegadores son los tipos de receptores GPS ms extendidos, dado su bajo coste y multiplicidad de aplicaciones. Consisten en receptores capaces de leer el cdigo C/A, que pueden tener incluso capacidad para leer seales diferenciales va radio o conexin software y tambin capacidad para representar cartografa sencilla en una pantalla de cristal lquido. Permiten conocer las coordenadas en varios formatos y conversin de baja precisin a datum locales desde WGS84 (el sistema geodsico de referencia en GPS). Tambin permiten la navegacin asistida con indicacin de rumbos, direcciones y seales audibles de llegada en rutas definidas por el usuario a travs de puntos de referencia. (waypoints)

5 http://www.gabrielortiz.com/index.asp?Info=039

Los precios de este tipo de navegadores pueden ir de los 200 a los 600 Euros aproximadamente, y sus precisiones pueden ir de los 25 m a los 7 m en planimetra (sin Disposicin Selectiva), y un error de al menos 16 m en altimetra, dependiendo de la visibilidad de satlites y de la geometra que presenten los mismos. En aplicaciones GIS, pueden ser utilizados para referenciar puntos a representar sobre cartografas pequeas-medias, pero generalmente no son muy aptos porque no permiten trabajar con bases de datos geogrficas definidas por el usuario ni permiten un almacenamiento de datos alfanumricos personalizado. A cambio, presentan la ventaja de que el usuario no tiene que tener ninguna formacin especfica para su manejo. (Ver ejemplo en la Figura 14)

Figura 14. Receptores GPS tipo Navegador. Fuente: http://www.zonagps.com/index.php?option=com_content&task=view&id=25&Itemid=50&

4. 4. 2. Receptores de Codigo C/A Avanzados Son receptores que adems de analizar el cdigo C/A disponen de lectura (con ciertas limitaciones) de la fase portadora L1. Estos receptores permiten el uso de metodologas diferenciales, en ocasiones bajo la forma de suscripciones a servicios va satlite como OmniStar o LandStar, consiguiendo bajo esta metodologa precisiones entorno a 1 m. en tiempo real. Son muy aptos para aplicaciones GIS porque aparte de permitir una precisin compatible con la mayora de las escalas usadas en GIS (siempre que se usen tcnicas diferenciales), permiten el manejo de bases de datos geogrficas realizadas por el usuario. Con este tipo de receptores, conectados con ordenadores porttiles y otros dispositivos mviles, es posible tanto capturar como replantear (ubicar coordenadas del plano en el terreno), con una precisin mtrica. Ello es posible porque el DGPS va satlite permite correcciones en tiempo real. Los dispositivos mviles que se conectan a este tipo de receptores suelen ser PDAs (Personal Digital Assistant), corriendo programas especficos para este tipo de tareas, como ArcPAD

de ESRI o Pocket GIS de Pocket Systems Ltd. Dichos programas suelen leer varios tipos de formatos vectoriales (generalmente SHP) y raster, lo que permite una fcil integracin de los datos GIS. De esta forma, es posible llevar las bases de datos al terreno y conocer la posicin en tiempo real, con una pantalla en color donde ver la cartografa y acceso a bases de datos asociadas. Es como llevar una versin reducida del GIS al terreno. (Figura 15) En cuanto a la correccin diferencial, es muy frecuente que sta sea proporcionada va satlite mediante suscripcin a un sistema de pago. Este tipo de servicio tiene la enorme ventaja de que se dispone de correccin instantnea sin necesidad de montar ninguna estacin de referencia, y para casi para cualquier parte del globo en tiempo real. Dicha suscripcin suele tener un precio anual de alrededor de 1.400 Euros para precisin mtrica y un solo pas; tambin se puede contratar por perodos limitados de semanas, meses o incluso por das avisando por adelantado. El precio aproximado de un equipo de estas caractersticas, incluyendo el PDA y la suscripcin al sistema DGPS va satlite por un ao est entorno a los 6.000 Euros.

Figura 15. Receptor GPS R3 y PDA de la casa Trimble

4. 4. 3. Receptores Geodsicos con Medicin De Fase Sobre L1 Son receptores que trabajan con la onda portadora L1, acumulando informacin que con postproceso permite obtener precisiones relativas centimtricas en el mejor de los casos para distancias de hasta 25 30 km y submtricas para distancias de hasta 50 km.

Permiten el clculo de vectores con su evaluacin estadstica y son aptos para el ajuste de redes, aunque se trata de una tecnologa vieja hoy en da. Este tipo de receptores suele ser usado con mtodos relativos estticos, con el uso de estaciones de referencia complementarias. Muchos de ellos son tambin compatibles con los servicios DGPS va satlite comentados anteriormente trabajando en lectura de cdigo exclusivamente, mediante la incorporacin de una tarjeta electrnica de expansin y la suscripcin al sistema. Su precio suele estar entorno a 10.000 Euros. (Sin incluir estacin base de referencia ni otro tipo de suscripciones a correccin DGPS va satlite) 4. 4. 4. Receptores Geodsicos de Doble Frecuencia Trabajan con la portadora L1 y tambin con la L2, lo cual permite disminuir los errores derivados de la propagacin desigual de la seal a travs de las distintas capas atmosfricas (sobre todo la ionosfera) y resolver un gran nmero de ambigedades. Con este tipo de equipos se pueden llegar a precisiones por debajo del centmetro con postproceso para distancias de hasta 10 km, y por debajo del metro para distancias de hasta 500 km. Adems con tcnicas de postproceso, los receptores bifrecuencia tambin se usan con correcciones en tiempo real. Para este ltimo caso, lo normal es usarlos junto con algoritmos RTK (Real Time Kinematic), que permiten precisiones centimtricas en tiempo real en combinacin con estaciones de referencia. Algunos de ellos son compatibles con sistemas DGPS va satlite; los servicios de correccin de ltima generacin va satlite junto con lectores de doble frecuencia permiten llegar hasta precisiones decimtricas en tiempo real, si bien no es muy normal ver este tipo de metodologas junto este tipo de receptores. El precio de un receptor bifrecuencia de ltima generacin est entorno a 30.000 Euros (incluyendo un receptor adicional para operar como estacin base, un emisor de radio para enviar la correccin de la seal y tecnologa RTK de inicializacin instantnea). Este ltimo tipo de receptores son ms apropiados para tareas de geodesia y topografa que para aplicaciones GIS, donde generalmente no se necesita bajar del metro de precisin.

4. 5. PRINCIPALES TIPOS DE MTODOS DE POSICIONAMIENTO RELATIVO6 Como ya se ha visto anteriormente, el instrumental utilizado (tipo de receptor), la precisin buscada y el mtodo empleado son elementos que van unidos indisolublemente, de tal manera que ha de ser adecuada la manera en que se elige el receptor para la aplicacin que se vaya a realizar y teniendo en cuenta la metodologa. Evidentemente, dichas formas tienen fundamentos mucho ms sofisticados que lo que aqu se expondr, pero sirva de introduccin el siguiente esbozo de los mtodos.

4. 5. 1 Mtodos Basados en la Lectura de Cdigo. (Navegacin) Mtodo Absoluto

6 http://www.gabrielortiz.com/index.asp?Info=039

Es el utilizado por los navegadores ms sencillos (Ver Figura 13), en el cual el usuario no tiene que hacer prcticamente nada pues el navegador se encarga de sintonizar la seal de cada satlite, ajustar su reloj, computar las distancias y calcular la posicin en consecuencia. En funcin del tipo de receptor, este mtodo tiene una precisin planimtrica entre 7 m y 25 m (sin Disposicin Selectiva), dependiendo de la geometra de la constelacin y de la calidad con que nos llegue la seal. Mtodo Diferencial (DGPS) Consiste en la utilizacin de un receptor mvil y una estacin (o estaciones) de referencia sobre coordenadas conocidas. La idea bsica para comprender el fundamento del DGPS es la utilizacin de receptores sobre puntos de coordenadas muy bien conocidas; estos receptores (llamados estaciones de referencia o estacin base), leen en todo momento las posiciones reportadas por sus observaciones GPS y las comparan con las posiciones tericas de sus coordenadas conocidas. La diferencia entre las coordenadas conocidas y las coordenadas calculadas mediante el sistema GPS, es el error. La correccin del error, el cual ha sido determinado en la estacin base, puede ser aplicado a los otros receptores GPS, conocidos como rover. La correccin de los datos tomados en campo puede hacerse en una etapa de post-procesamiento, en el cual es necesario un software especializado o tambin pueden corregirse los datos en tiempo real. Este ultimo proceso se llama DGPS en tiempo real y las correcciones vienen proporcionadas por satlites geoestacionarios, los cuales funcionan como estacin base y cuya seal cubren casi todo el planeta. Servicios de este tipo son OmniStar o LandStar y dan servicio a casi cualquier pas (salvo las zonas de latitudes muy altas). En aplicaciones GIS, la solucin DGPS junto con un servicio de pago por satlite es muy apropiada, pues permite cartografiar hasta escalas 1:5.000 y con servicio en tiempo real, con lo cual se puede interactuar con las bases de datos geogrficas y capturar informacin de forma fcil y sencilla. El precio de la suscripcin viene a costar al ao sobre 1.400 Euros (para precisin mtrica y el mbito de un solo pas). Tambin se puede contratar por perodos limitados de semanas, meses o incluso por das avisando por adelantado. 4. 5. 2. Mtodos Relativos Basados en Medida de Fase de Portadoras. (Control) Los mtodos relativos tambin utilizan dos o ms receptores para el clculo de las posiciones, pero en vez de slo con lecturas de cdigo tambin con anlisis de fase de portadora. Bsicamente el principio lgico es el mismo que veamos en el caso del DGPS con lectura de cdigo: ubicar una estacin (llamada estacin de referencia o estacin base) sobre un punto de coordenadas muy bien conocidas y comparar las posiciones que est calculando con su receptor GPS con la posicin real donde est ubicada. Despus, las conclusiones acerca de los errores detectados son aplicadas a las mediciones tomadas por otro receptor que est ubicado en una posicin no conocida, con lo cual se consigue mejorar significativamente la precisin de sus medidas. A su vez, existen varios tipos de mtodos relativos que vamos a ver a continuacin: Mtodo Relativo Esttico Consiste en la utilizacin de un receptor base sobre un punto de coordenadas conocidas y otro receptor sobre el punto a medir. Ninguno de los dos receptores se mueve durante los

prolongados tiempos de medicin. Es un mtodo utilizado en geodesia para medir a largas distancias y es hoy por hoy la manera ms precisa de obtener coordenadas por GPS. Su precisin depende de los tiempos de medicin y sobre todo el tipo de receptor empleado. Recordamos que este mtodo se puede aplicar con receptores de fase de portadora L1 o con receptores de fase de portadoras en bifrecuencia (L1+L2). En el caso de receptores de doble frecuencia la precisin del sistema viene a ser de 5 mm + 1 ppm. Las coordenadas medidas no son obtenidas por el usuario en el campo, sino que son calculadas utilizando el software apropiado. Dicho software pone en relacin las series de la estacin (o estaciones de referencia) con las series de los receptores de medida. Como la estacin de referencia ha estado ubicada en un punto de coordenadas conocidas, se puede saber en cada momento de la medicin qu error aproximado estaban induciendo los satlites; dicho error es compensado sobre la serie del receptor medidor. La idea principal de este mtodo es que las seales que han llegado hasta la estacin base han recorrido prcticamente la misma regin atmosfrica que las seales que han llegado hasta el receptor medidor, con lo cual ambas seales han estado sometidas al mismo tipo de degradaciones (sobre todo por efecto de la ionosfera). De este mtodo existe una variacin llamada Esttico Rpido pero solo es utilizable con receptores de doble frecuencia L1 y L2 y que puedan recibir informacin en cdigo C/A y P. Con este mtodo se reducen los tiempos de toma a 5 o 10 minutos mantenindose el rango de precisin del mtodo esttico. Esta variante se puso en funcionamiento debido al avance en los algoritmos de tratamiento de las seales y sistemas de bsqueda de ambigedades (errores) ms slidos y rpidos. De este modo, el tiempo de observacin y de calculo para un punto se reducen considerablemente. Mtodo Relativo Cinemtico El mtodo anterior puede que sea muy preciso, pero tiene un grave inconveniente: no se conocen las coordenadas corregidas en el momento en que estamos en el campo. Ello implica una serie de limitaciones de las cuales las ms importantes son: ?? No se pueden capturar elementos formados por un nmero muy elevado de puntos (por

ejemplo, el trazado de una pista forestal o de toda una carretera). ?? No se puede replantear (llevar informacin plasmada en el plano al terreno) ?? No podemos interactuar en tiempo real con nuestras bases de datos geogrficas. En el caso de aplicaciones GIS en las cuales la precisin no es esencial y sin embargo s lo es la captura de informacin y la interaccin en tiempo real con bases de datos geogrficas, este tipo de limitaciones son definitivas. Por eso, los mtodos relativos estticos son ms propios del campo de la geodesia y la topografa que del campo del GIS. El mtodo relativo Cinemtico, es en principio, similar al relativo esttico: el uso de una estacin de referencia sobre un punto de coordenadas conocidas y otro receptor medidor.

La diferencia es en que este receptor medidor es ahora mvil, es decir, no permanece esttico durante el tiempo de medicin sino que cambia su posicin. Con este tipo de mtodo ya se pueden capturar los trazados de elementos geomtricamente irregulares (carreteras, caminos, etc.), todo ello a cambio de una cierta disminucin en la precisin general del sistema. En este caso, con receptores geodsicos de fase de portadora L1 se pueden conseguir precisiones de 10 ppm con medicin sobre al menos 5 satlites y para distancias de la estacin base inferiores a 3 km. Para receptores geodsicos de doble frecuencia, se consiguen precisiones de 5 mm + 1 ppm. Sin embargo, en este caso las coordenadas corregidas tampoco las obtenemos en el momento de estar midiendo en el campo, sino que son calculadas en el postprocesamiento. Para resolver este inconveniente (de vital importancia en el campo de las aplicaciones GIS), se han desarrollado mtodos relativos en tiempo real. Ya se vea anteriormente el modo diferencial DGPS, que permite operar con datos en tiempo real y que se considera muy apropiado para aplicaciones GIS. En mtodos de fase de portadora, tambin existen mtodos de tiempo real y con mayor precisin. Hoy en da se puede llegar a trabajar con posiciones centimtricas en tiempo real, lo que hace muy apropiado este mtodo para tareas de la topografa de obras (especialmente el replanteo). As, en modo RTK (Real-Time Kinematik), con el que trabajan los receptores de ltima generacin, se puede conseguir precisiones centimtricas con tiempos de inicializacin instantneos. Esto garantiza una alta productividad de los operadores, que adems de no perder tiempo en la inicializacin ya no requieren de auxiliares que les porten el jaln al punto de medida como ocurra con los mtodos basados en topografa clsica. En cuanto a las precisiones, con receptores bifrecuencia de ltima generacin se pueden conseguir 10 mm + 2 ppm con inicializacin instantnea y RTK. Sin embargo, existen algunos inconvenientes de cara a la aplicacin en GIS. En primer lugar, es necesario una estacin de referencia y ubicarla en un punto con coordenadas muy bien conocidas (lgicamente, con precisin milimtrica en planimetra). En segundo lugar, algunos de estos sistemas funcionan con colectores de datos no apropiados para las tareas GIS. Dichos colectores tienen pantallas alfanumricas que las hacen aptas para tareas de replanteo y geometra de coordenadas, pero no permiten la carga de bases de datos como las que se requieren en GIS. (ficheros raster, ficheros SHP, etc.) Adicionalmente, no hay que olvidar que a mayores precisiones, mayores requerimientos de conocimientos se necesitan por parte del usuario. El adquirir un receptor sofisticado no significa un uso adecuado. Por ejemplo, el mismo traspaso de coordenadas del sistema WGS84 con que trabaja el GPS al datum local, puede desmejorar la precisin que hayamos obtenido primero, si no se es cuidadoso. Lo mismo hay que decir de las coordenadas de partida donde se estacione el receptor de referencia o base. Si estas coordenadas no tienen una precisin adecuada, no se obtendrn buenos resultados, as el trabajo de campo se haya realizado con el mayor cuidado.

En tareas GIS convencionales de inventariado de recursos e infraestructuras, una aplicacin que permita conocer las coordenadas con 1 m de precisin en planimetra y en tiempo real parece la ms adecuada para la mayor parte de los casos. Si adems es flexible de cara a la portabilidad de la informacin en colectores de datos de tipo PDA, entonces es una opcin muy aconsejable. El uso de mtodo DGPS junto con programas GIS reducidos como ArcPad corriendo sobre dispositivos mviles PDA rene todas estas caractersticas. Sin embargo, los costos de este tipo de equipos es muy alto y requiere de software especializado y no gratuito.

Principales Mtodos de Posicionamiento Relativo

Lectura Mtodo Precisin Base Receptor Frecuencias Absoluto 7 m - 25 m Mvil L1 Lectura de

Cdigo Diferencial --- Fija Mvil L1/L1+L2 Relativo Esttico 5 mm+1ppm Fijo Fijo L1/L1+L2 Relativo Rpido 5 mm + 1ppm Fijo Mvil L1+L2

Fase Portadora

Cinemtico 5 mm + 10 mm/ 5 mm + 1ppm Fijo Mvil L1/L1+L2 Tabla 2. Precisiones de los Diferentes Mtodos de Posicionamiento

4. 6. APLICACIONES La utilizacin de los satlites de la constelacin NAVSTAR con tcnicas GPS ha abierto en las Ciencias Geogrficas un inmenso abanico de posibilidades, al permitir situar puntos, con grandes precisiones, en aplicaciones geodsicas y topogrficas, y precisiones ampliamente satisfactorias para navegacin en tiempo real por tierra, mar y aire. Naturalmente, el receptor GPS puede utilizarse para todo aquello en lo que pueda ser til. No obstante, se debe tener en cuenta que son, exclusivamente, receptores de datos que calculan la posicin y que no trabajan con ningn dato analgico. (temperaturas, presin, humedad...) Son dispositivos extraordinariamente tiles para cualquier tarea de navegacin, seguimiento de rutas, almacenamiento de puntos para posteriores estudios, pero en ningn caso podemos esperar deducir datos atmosfricos a partir de ellos. Sin embargo, tambin debemos valorar que, incluso, los modelos ms "pequeos" que los fabricantes de GPS ponen a disposicin de la navegacin personal, son una evolucin de los sistemas de navegacin aeronutica y martima que se han ido perfeccionando diariamente desde hace aos. Esto supone una serie de ventajas importantes para los usuarios de GPS para la navegacin personal terrestre. En primer lugar, una cuestin de escala. Est claro que las dimensiones de la navegacin aeronutica y martima respecto de las dimensiones de la navegacin terrestre, incluso con

vehculos motorizados, son mucho mayores. Esto significa que los receptores "pequeos" tambin disponen de los recursos de navegacin y de la exactitud de los grandes slo que los primeros disponen de funciones menos sofisticadas que estos ltimos para la propia navegacin. Las principales aplicaciones son: 4. 6. 1. Geodinmica La determinacin de la formacin de la corteza terrestre a nivel local. 4. 6. 2. Topografa El apoyo fotogramtrico con excelente rendimiento en cualquier tipo de terreno. Densificacin de Redes Geodsicas, Levantamientos taquimtricos, Determinacin de las coordenadas del centro ptico de la cmara en el momento de la toma. 4. 6. 3. Obras Civiles El establecimiento de bases de replanteo de alta precisin en obras lineales de largo recorrido como carreteras, ferrocarriles..., y de grandes obras de ingeniera como tneles, puentes, presas...Tambin la determinacin de redes elctricas, telefnicas, de conduccin de aguas..., replanteo de puntos de un proyecto de ingeniera, control de calidad en obra y control de deformaciones de estructuras. Para este tipo de aplicaciones se requiere de alta precisin. 4. 6. 4. Hidrografa Localizacin de obras hidrulicas en obras hidrogrficas, el estudio de la evolucin fluvial, levantamientos batimtricos, estudios y anlisis de la evolucin de las cuencas hidrogrficas, determinacin de itinerarios fluviales y martimos 4. 6. 5. Navegacin Esta tecnologa permite la situacin instantnea y contnua de cualquier vehculo sobre una cartografa digital. Tambin permite la navegacin precisa en tiempo real as como la disponibilidad instantnea de la direccin, velocidad y aceleracin de los barcos y el guiado de los mismos. 4. 6. 6. Defensa Civil Se puede obtener una inmediata localizacin y delimitacin en zonas afectadas por grandes desastres, adems se localizan los vehculos de auxilio y servicio. En carretera se puede disponer de un mapa digital de toda la red viaria permitiendo al conductor del vehculo conocer en tiempo real la situacin del trfico de todos los itinerarios posibles para llegar al destino. 4. 6. 7. Militar Existen numerosas aplicaciones entre las que cabe destacar: Guiado de misiles. El programa EDGE (Explotation of Differential GPS for Guidance Enhancement) intenta guiar misiles hacia un blanco con el uso de GPS en lugar del anterior uso del guiado lser. Ensayos actuales consiguen acertar un blanco a 11 millas de distancia desde el lugar de lanzamiento. En otro experimento una bomba lanzada a 8 Km de altura explot a 2 m del blanco. El GPS se utiliz por primera vez en combate en la campaa Tormenta del Desierto contra Irak para guiar los

misiles de crucero CALCM lanzados por los bombarderos B-52; Apuntamiento de artillera donde los tanques al mismo tiempo que disparan tienen que moverse para no ser alcanzados por el fuego enemigo. El guiado por GPS permite disparar ms rpidamente al rebajar el tiempo necesario para apuntar. 4. 6. 8. Navegacin Area Se destaca: Vuelo libre: se usa para facilitar el control de vuelo y mejorar la seguridad del mismo. Los aviones tienen una zona protegida, la zona de alarma, alrededor de ellos. Los pilotos tienen que efectuar una maniobra evasiva en caso de interseccin entre dos zonas de alarma de dos aparatos diferentes. El GPS proporciona una situacin correcta de cada avin en el espacio en tiempo real a las estaciones controladoras y monitorizacin contnua de los aparatos; Sistemas de aterrizaje en situaciones adversas. Los sistemas de aterrizaje electrnicos se usan para permitir el aterrizaje de aviones en cualquier situacin. Los anteriores sistemas utilizaban configuraciones de antena especficas muy costosas. GPS permite un sistema ms barato y fcil, dando capacidades muy precisas de aterrizaje. La comunicacin fiable entre el avin y la torre de control permite prever desastres. 4. 7. EJERCICIOS

1. Qu significan las siglas GPS? a) Global Positioning System b) General Positioning System c) Global Positioning Source d) Global Position System

2. Cuntos satlites forman el GPS? a) 21 b) 22 c) 23 d) 24

3. Cuntas estaciones de seguimiento hay en tierra? a) 3 b) 4 c) 5 d) 6

4. Principalmente, qu nos permite medir el GPS? a) La hora y la fecha b) La posicin y la hora c) La Posicin y la altura d) La hora y la altura

5. Cundo se gest la idea del GPS? a) A comienzos de los aos 60 b) Tras la cada del Muro de Berln c) En 1969, cuando el hombre pis la Luna

d) Durante el envo de tropas a la Guerra del Golfo

6. Qu empresa fabric los primeros satlites? a) Furuno b) Rockwell c) GMA d) Satellite Divisin Inc.

7. Con qu finalidad se diseo originariamente el GPS?

a) Topogrfica b) Sanitaria c) Militar d) Astronmica

8. En qu ao y qu presidente norteamericano abri el sistema a la poblacin civil? a) 1992, Bill Clinton b) 1982, Jimmy Carter c) 1992, George Bus d) 1983, Ronald Reagan

9. Qu mtodo emplea un receptor GPS para calcular su posicin?

a) Triangulacin b) Trilateracin c) Multilateracin d) Subangulacin

10. Cuntos satlites necesita un receptor GPS para calcular su posicin? a) 2 b) 3 c) 4 d) 5

11. Los satlites emiten... a) Dos seales, una para calcular la posicin y otra la hora b) Ds seales, la segunda de las cuales tiene propsitos militares c) Una seal, ya que no se necesitan ms seales para calcular nuestra posicin d) Una seal, la que contiene nuestra posicin

12. Qu elemento principal es necesario para la medicin del tiempo?

a) Un reloj atmico situado en los satlites b) Un reloj atmico situado en los receptores c) Un reloj atmico situado en los satlites y en los receptores d) La seal emitida por un reloj atmico situado en EE.UU.

13. Cul es la funcin principal de las estaciones terrestres? a) Calcular los efectos gravitacionales del Sol y de la Luna b) Emitir seales de sincrona para los receptores

c) Detectar y corregir los errores producidos en las posiciones de los satlites d) Vigilar que los satlites no choquen entre s

14. Antes de llegar la seal de los satlites a la superficie terrestre, qu elemento

obstaculiza la llegada de la seal? a) La capa de ozono b) Las nubes c) La lluvia d) La atmsfera

15. De qu dos modos podemos compensar el error producido por el elemento anterior? a) Mediante la aplicacin de un modelo matemtico y la medicin dual b) Compensando el error internamente mediante una constante y la medicin dual c) Slo hay un modo, la aplicacin de complejos modelos matemticos d) Mediante la recepcin de una seal procedente de las estaciones terrestres y con

la aplicacin de un modelo matemtico

16. Qu es el error de trayectoria mltiple? a) Un error que se produce por el rebote de la seal de los satlites al penetrar en la

atmsfera b) Un error que se produce por el rebote de la seal de los satlites con los

accidentes geogrficos c) Un error provocado por las emisiones de las emisoras de radio d) Un error provocado por la telefona mvil

17. Qu otras causas pueden falsear nuestra posicin?

a) La desconexin de un satlite b) Nuestro propio desplazamiento c) La longitud de la antena del receptor GPS d) Los desfases en los relojes atmicos y los desvos en las trayectorias de los

satlites

18. Indique al menos tres de las cinco aplicaciones generales del GPS.

BIBLIOGRAFA Bibliografa Citada GabrielOrtiz.com. El Funcionamiento del GPS: Un Repaso a los Principales Componentes, Tipos de Receptores y Mtodos. [Cited 18 de Febrero de 2007]. Disponible desde Internet: < http://www.gabrielortiz.com/index.asp?Info=039 > ZonaGPS. Qu es el GPS ? [Cited 21 de Febrero de 2007]. Disponible desde Internet: < http://www.zonagps.com/index.php?option=com_content&task=view&id=25&Itemid=50& > Ayala Arizpe, R. J. Historia, Cronologa, Funcionamiento y Aplicacin del "GPS" a travs de tres dcadas. [Cited 22 de Febrero de 2007]. Disponible desde Internet: < http://homepages.mty.itesm.mx/al584299/mypaper.htm > El GPS. [Cited 22 de Febrero de 2007]. Disponible desde Internet: < http://www.alsitel.com/tecnico/gps/historia.htm > Rincn del Vago. [Cited 22 de Febrero de 2007]. Disponible desde Internet: < http://html.rincondelvago.com/gps_1.html > Del Pozo Domnguez, J. A. Tutorial sobre el Sistema NAVSTAR GPS. [Cited 22 de Febrero de 2007]. Disponible desde Internet: < http://www.tel.uva.es/personales/jpozdom/telecomunicaciones/tutorial/contenido.html > WikipediA. Sistema de Posicionamiento Global. [Cited 22 de Febrero de 2007]. Disponible desde Internet: < http://es.wikipedia.org/wiki/GPS > Martnez R., C. y Tourio R., J. A. GPS: Global Positioning System. [Cited 22 de Febrero de 2007]. Disponible desde Internet: < http://www.com.uvigo.es/asignaturas/scvs/trabajos/curso0001/biblio/GPS/gps.htm#configuracion > mailxmail.com. Introduccin al GPS. [Cited 22 de Febrero de 2007]. Disponible desde Internet: < http://www.mailxmail.com/curso/informatica/gps/capitulo1.htm > Bibliografa Recomendada Todo GPS. Sistema de Posicionamiento Global. [Cited 22 de Febrero de 2007]. Disponible desde Internet: < http://metaenlaces.com/contenido/espanol_localizacion_gps/radares.html > NASA. [Cited 23 de Febrero de 2007]. Disponible desde Internet: < http://science.nasa.gov/realtime/GIFTrack/giftrack_frames/frameset.htm >