GPS

"Global Positioning System" SISTEMA DE POSICIONAMIENTO GLOBAL

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Fuente: Internet, XE1XOJ, XE1M, XE1ZVO, XE1YJS.

Hemos hablado de APRS, pero aún, no hemos entrado de lleno a la comprensión de que es y como funciona un GPS; pues para este sistema es básico (GPS instrumento de vital importancia hoy en día para la navegación y ubicación exacta de puntos  en coordenadas geográficas en la tierra).

Así es que a partir de hoy daremos a conocer algunos conceptos y términos que son propios del lenguaje utilizado en función del un GPS. (Iremos dando semana a semana algunos otros datos que serán útiles para una mejor comprensión de los que es el GPS y como funciona).

Se conocen dos sistemas (NAVSTAR Y GLONASS).

El Sistema GPS fue creado por el Departamento de Defensa de los Estados Unidos, para constituir un sistema de navegación preciso con fines militares que sustituyeran al antiguo sistema utilizado, que no era otro que las mediciones Doppler sobre la constelación Transit. 

Para ello, aprovecharon las condiciones de la propagación de las ondas de radio de la banda L en el espacio, así como la posibilidad de modular las ondas para que en ellas se pueda incluir la información necesaria que permita posicionar un objeto en el sistema de referencia apropiado.

 Este proyecto se hizo realidad entre los meses de febrero y diciembre de 1978, cuando se lanzaron los cuatro primeros satélites de la constelación NAVSTAR (Navegación por satélite en tiempo y distancia), que hacían posible el sistema que resolvería la incógnita de nuestra exacta posición en la Tierra.

El SISTEMA GLOBAL DE POSICION "NAVSTAR"

Este sector lo forman los satélites de la constelación NAVSTAR (Navegación por satélite en tiempo y distancia). La constelación está formada por seis planos orbitales, y en cada uno de ellos existe una órbita elíptica casi circular donde se alojan los satélites regularmente distribuidos. Los planos tienen una inclinación de 55º respecto al plano del ecuador, y se nombran como A, B, C, D, E y F. Cada órbita contiene al menos cuatro satélites, aunque pueden contener más. Los satélites se sitúan a una distancia de 20200 Km respecto del geocentro, y completan una órbita en doce horas sidéreas. Estos satélites son puestos en funcionamiento por el Comando de las Fuerzas Aéreas Espaciales de U.S.A (AFSPC).

Con estos fundamentos, se garantiza la presencia de al menos cuatro satélites sobre el horizonte en todos los lugares de la superficie de la Tierra. (Se necesitan mínimo 3 para marcar una ubicación; aunque a mayor número de satélites, mas precisa y exacta será la indicación de la posición en un receptor GPS. Además a mayor número de satélites que se reciban en un punto, será más precisa la altitud, que es donde mayormente se refleja la inexactitud.

Los Satélites de la constelación NAVSTAR, operan con relojes (osciladores) atómicos, que emiten señales, para poder determinar la posición de cada satélite y estos se identifican de diversos modos:

- Por su número NAVSTAR (SVN).

- Por su código de ruido pseudoaleatorio (PRN). En los códigos de transmisión existen características de ruido pseudoaleatorio traducidas en bits que identifican a cada satélite de la constelación.

- Por su número orbital. Un ejemplo sería el satélite 3D, que corresponde al satélite número tres del plano orbital D.

Así mismo, debemos añadir que los satélites disponen  de Antenas emisoras de ondas de radio (banda L). Con ellas transmiten la información al usuario (receptor de GPS).

Antenas emisoras-receptoras de ondas de radio (banda S). Sirven para actualizar su  situación a través del sector de control.

Paneles solares para disponer de la energía necesaria para su funcionamiento.

Reflectores láser para el seguimiento desde el sector de control.

La vida de los satélites oscila entre los seis y diez años, y es de reseñar que el más antiguo aun operativo tiene una edad de ocho años y medio. El más duradero fue el SVN-3 que duró trece años y medio.

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Los satélites de la constelación NAVSTAR constan de un oscilador atómico antes mencionado que genera una frecuencia fundamental v₀ de 10,23 MHz. A partir de esta frecuencia fundamental se generan dos portadoras en la banda L de radiofrecuencia, denominadas L1 y L2.

El mensaje de navegación es mandado por los satélites, y consta esencialmente de información sobre el reloj de los satélites, parámetros orbitales (efemérides), estado de salud de los satélites y otros datos de corrección. El mensaje consta de 25 grupos de 1500 bits cada uno y divididos en cinco celdas. Cada grupo se transmite con una frecuencia de 50 Hz y tarda 30 s. Esto supone que el mensaje modulado completo sobre ambas portadoras tiene una duración de 12 min. 30 s. Por razones de índole militar, se introduce un error intencionado en las efemérides radiodifundidas de los satélites, denominado Disponibilidad Selectiva (SA). Esto repercute en el posicionamiento sobre el sistema de referencia WGS84, ya que si la posición de los satélites que nos sirven de referencia está alterada nuestro posicionamiento no se va a realizar en dicho sistema, sino que se va a efectuar en un sistema arbitrario, con un error mayor o menor en función de la cantidad de SA que exista en ese instante. Este problema es importante en posicionamientos absolutos, ya que no podemos saber la posición correcta. Sin embargo, en posicionamientos diferenciales nos afecta en posición pero no en precisión, ya que la posición relativa de un punto respecto a una referencia (sus incrementos de coordenadas) no está afectada de este error.

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Quedamos la pasada semana de hacer referencia al EL SISTEMA DE REFERENCIA. DATUM WGS-84, que rige el SISTEMA NAVSTAR de GPS. 

            Las coordenadas, tanto de los satélites como de los usuarios que se posicionan con el sistema GPS, están referidas al sistema de referencia WGS84 (Sistema Geodésico Mundial de 1984). Estas coordenadas pueden ser cartesianas en el espacio respecto al centro de masas de la Tierra (X, Y, Z) o geodésicas (j, l, h). El sistema tiene las siguientes características: 

            - Origen en el Centro de Masas de la Tierra.

            - El eje Z es paralelo al polo medio.

            - El eje X es la intersección del meridiano de Greenwich y el plano del ecuador.

            - El eje Y es perpendicular a los ejes Z y X, y coincidente con ellos en el Centro de Masas terrestre.

Ahora bien, cada  sitio o zona de la tierra, tiene un DATUM específico:

DATUM: Es la referencia de la elipse que define las coordenadas dentro del sistema, que nos permite la ubicación lo más exacto posible.

Para la parte de México existe el DATUM NAD (North America Datum) 27 -MEXICO. Así es como hay que programarlo en los receptores. Ahora bien, se recomienda que por cada 800 Km. de desplazamiento, se vaya modificando el DATUM a cada zona específica. (si el Datum no es el correcto, la posición podrá dar errores entre 300 y 600 Metros.

            Los Sistemas GPS y GLONASS son sistemas autónomos, es decir, cada uno tiene su propio sistema de referencia y su propio sistema o escala de tiempo. Usan diferentes sistemas de referencia para expresar las posiciones de sus satélites, y por lo tanto, para determinar las posiciones de los usuarios.

Para poder utilizar los dos Sistemas de Posicionamiento por Satélite, GPS y GLONASS, es decir, recibir señales de los satélites de la constelación GPS y de la constelación GLONASS, es necesario establecer la relación entre los sistemas de tiempo y sistemas de referencia utilizados en los dos sistemas. El Sistema GPS utiliza el sistema de referencia WGS-84, mientras que el  Sistema GLONASS utiliza el PZ-90. Los parámetros que  definen los dos sistemas de referencia son significativamente diferentes.

El Laboratorio Lincoln de Massachusetts hizo un estudio de las precisiones que ofrecen ambos sistemas de posicionamiento y las precisiones de su uso combinado, analizando las precisiones obtenidas en posicionamiento absoluto usando en código C/A durante periodos de 24 h. La precisión con GLONASS, obtenida en estas pruebas es mejor que los niveles garantizados por el Gobierno Ruso. Además, la precisión con GLONASS es mejor  que la obtenida con GPS debido a que la Disponibilidad Selectiva está activada. Sin embargo, si la SA estuviera desactivada, la  precisión con GPS  sería  mejor  que con GLONASS. Los  siguientes valores muestran los resultados obtenidos por el Laboratorio Lincoln en una de las pruebas realizadas para la obtención de posiciones absolutas utilizando la constelación GLONASS, la constelación  GPS y su uso combinado GPS/GLONASS:

Con la disponibilidad de receptores GPS/GLONASS, el usuario puede tener acceso a un sistema combinado de hasta 48 satélites (con la dos constelaciones completas). Con todos estos satélites, los trabajos en desfiladeros y otras localizaciones de visibilidad restringida, tales como áreas boscosas, etc., es mejorada debido a la posibilidad de mayor información de más satélites. Además, una mayor constelación de satélites también mejora la ejecución del posicionamiento diferencial en tiempo real, ya que, el tiempo menor de toma de datos, con respecto a un posicionamiento diferencial calculado en post-proceso, se ve compensado por la obtención de una mayor información de más satélites. Pero eso no es todo, además el tiempo de inicialización para alcanzar precisiones de nivel  centimétrico mejora en un factor de 3 a 6 con una constelación de 48 satélites. 

            El posicionamiento posee una integridad mayor. Para un nivel de confianza de 99.9% el  posicionamiento con GPS requiere una recepción continua de 6 o mas satélites en sus constelación  de 24 satélites. Para el mismo nivel de confianza, usando GPS/GLONASS se requiere una recepción  continua de 7 satélites de los 48 de la combinación. Las operaciones de código diferencial vienen a ser más simples. Debido a que no existe una degradación deliberada de la precisión, el trabajo con GLONASS diferencial requiere mucha menor cantidad de correcciones. Es posible la detección del 100% de los fallos, tanto en disponibilidad de los satélites, como en la calidad de la información que transmiten, gracias a la existencia de los RAIM (Receiver Autonomous Integrity Monitoring), que son receptores autónomos de seguimiento íntegro que utilizan unos algoritmos que detectan anomalías en la transmisión de datos, aún  figurando un buen estado de salud  en los  mensajes de navegación y almanaques.  

            Las principales ventajas del uso combinado GPS/GLONASS son la mejora en la geometría de los satélites y la mitigación de la Disponibilidad Selectiva. Las posiciones se estiman usando los parámetros de transformación entre el sistema PZ-90 y el WGS-84.