Sistema de Posicionamiento Global (GPS)

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1 Sistema de Posicionamiento Global (GPS)
REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITÉCNICA “ANTONIO JOSÉ DE SUCRE” VICE-RECTORADO PUERTO ORDAZ Departamento de Ingeniería Electrónica Sistema de Posicionamiento Global (GPS) Profesor: Charlo González Integrantes: Bruno Gonnet. Iván Díaz. Jonathan Calderón. Cohorte Nro 4 / Febrero 2011

2 Sumario Introducción. Historia. Sistema de posicionamiento global .
Principio de funcionamiento del GPS. GPS diferencial o DGPS. Aplicaciones del GPS. Tipos de receptores GPS. Otros sistemas alternativos de posicionamiento. Conclusión.

3 Introducción Desde los tiempos remotos el hombre siempre se ha preocupado por orientarse correctamente durante sus viajes ya sean por tierra o por mar para llegar a su destino sin extraviarse. Como por ejemplo: Siglo XII se comenzó a utilizar la brújula o compás magnético. Aproximadamente 1492 se invento el astrolabio. Años después surgió el sextante. En los Años 60, la armada y la fuerza aérea norteamericanas decidieron crear un sistema de localización llamado GPS. Brújula Astrolabio Sextante Navegador GPS

4 Introducción El sistema de “GPS” nace en 1973 y queda oficialmente declarado como funcional en Es un sistema que inicialmente se desarrolló por el Departamento de Defensa de los Estados Unidos con enfoque de estrategia bélica pero a través de los años el gobierno de Estados Unidos decidió permitir el uso al público en general con ciertas limitaciones de exactitud. El sistema consta de 24 satélites en orbita alrededor de la tierra que emiten dos señales con su posición y hora de acuerdo a un reloj a bordo de cada satélite. Una de las señales es de caracter civil y permite una precisión de hasta 3 metros, mientras que la señal militar permite una precisión de hasta 1 cm. Es un sistema utilizado en la actualidad por muchos otros sistemas e inclusive ya es una herramienta de trabajo, por ejemplo es utilizado en aeronaves, para guiarse en el espacio, por los geólogos para la medición de movimientos telúricos, por ingenieros y guardia civil para monitoreo de monumentos o estructuras como puentes colgantes y evidentemente por la fuerza militar y secreta de los Estados Unidos de América.

5 Historia 1920’s Orígenes de la radionavegación.
Principios de la II Guerra Mundial – LORAN, el primer sistema de navegación basado en la llegada diferenciada de señales de radio desarrollado por el laboratorio de Radiación de MIT. LORAN fue también el primer sistema de posicionamiento capaz de funcionar bajo cualquier condición climatológica pero es solamente bidimensional (latitud y longitud). Navegador Loran Transmisores 1959     TRANSIT. El sistema TRANSIT, también conocido como NAVSAT (Navigation Satellite System), fue el primer sistema de navegación por satélite en funcionar. En su primera etapa, fue utilizado por la marina de los EE.UU para conseguir información precisa para el lanzamiento de misiles submarinos y para la navegación de los barcos y submarinos, también se utilizó para estudios topográficos, geotécnicos e hidrográficos.

6 Historia 1963   La compañía aeroespacial lanzó un estudio en la utilización de un sistema espacial para el sistema de navegación para los vehículos en movimiento a gran velocidad y tres dimensiones; esto los llevó directamente al concepto de GPS. El concepto involucraba medir los tiempos de llegada de las señales de radio transmitidas por los satélites cuyas posiciones eran bien conocidas. Esto proporcionaba la distancia al satélite cuya posición era conocida que a la vez establecía la posición del usuario. 1964   Timation, un sistema satelita, Naval es desarrollado por Roger Easton en los laboratorios de investigación Naval para el desarrollo de relojes de alta estabilidad, capacidad de transferencia de tiempo y navegación en dos dimensiones. 1974     Julio 14. El primer satélite de NAVSTAR fue lanzado. 1978     El primer  block de satélites fue lanzado. Un total de 11 satélites fueron lanzados entre 1978 y Un satélite fue perdido debido a una falla de lanzamiento. El vuelo KAL007 de Korean Airlines de Anchorage a Seúl se salió de su ruta, penetrando en el espacio aéreo de la URSS, tras lo cual fue abatido por un avión de combate soviético Su-15. Los 269 pasajeros y la tripulación murieron. El gobierno de Estados Unidos informa que el sistema GPS podrá ser utilizado por las aplicaciones civiles.

7 Historia 1988   El secretario de las Fuerzas Aéreas anuncia la expansión de la constelación de GPS de 18 a 21 satélites y tres repuestos. Honda creó el primer sistema de navegación en 1983, culminándolo en 1990 para el Honda Legend Acura Legend. Este sistema usaba un sistema analógico y un acelerómetro para fijar las localidades, ya que el sistema GPS no estaba aún disponible. 1993 EE.UU. lanzó su 24º satélite Navstar a la órbita, que completó la moderna constelación de satélites GPS. Satélite Navstar Navegador GPS Constelación GPS 24 Sat

8 Sistema de Posicionamiento Global
GPS (Global Positioning System) es una constelación de 24 satélites artificiales uniformemente distribuidos en un total de 6 órbitas, de forma que hay 4 satélites por órbita. Esta configuración asegura que siempre puedan "verse" al menos 8 satélites desde casi cualquier punto de la superficie terrestre. Los satélites GPS orbitan la Tierra a una altitud de unos km y recorren dos órbitas completas cada día. El sistema de posicionamiento global esta compuesto por: Sistema de satélites: Está formado por 24 unidades con trayectorias sincronizadas para cubrir toda la superficie del globo terráqueo. Se encuentran repartidos en 6 planos orbitales de 4 satélites cada uno. La energía eléctrica que requieren para su funcionamiento la adquieren a partir de dos paneles compuestos de celdas solares adosados a sus costados.  Estaciones terrestres: Envían información de control a los satélites para controlar las órbitas y realizar el mantenimiento de toda la constelación.  Terminales receptores: Indican la posición en la que están conocidas también como unidades GPS, son las que podemos adquirir en las tiendas especializadas.

9 Sistema de Posicionamiento Global
Segmento espacial Satélites en la constelación: 24 (4 × 6 órbitas) Altitud: km Período: 11 h 56 min (12 horas sidéreas) Inclinación: 55 grados (respecto al ecuador terrestre) Vida útil: 7,5 años Segmento de control (estaciones terrestres) Estación principal: 1 Antena de tierra: 4 Estación monitora (de seguimiento): 5 Señal RF Frecuencia portadora: Civil – 1575,42 MHz (L1). Utiliza el Código de Adquisición Aproximativa (C/A). Militar – 1227,60 MHz (L2). Utiliza el Código de Precisión (P), cifrado. Nivel de potencia de la señal: –160 dBW (en superficie tierra). Polarización: circular dextrógira. Exactitud Posición: oficialmente indican aproximadamente 15 m (en el 95% del tiempo). GPS portátil monofrecuencia de 12 canales paralelos ofrece una precisión de 2,5 a 3 metros en más del 95% del tiempo. Con el WAAS / EGNOS / MSAS activado, la precisión asciende de 1 a 2 metros. Hora: 1 ns Cobertura: mundial Capacidad de usuarios: ilimitada

10 Funcionamiento del GPS
El funcionamiento del GPS se realiza llevando a cabo los siguientes pasos: Triangulación desde los satélites. Midiendo las distancias a los satélites. Control perfecto del tiempo. Conocer donde están los satélites en el espacio. Corrigiendo errores.

11 Funcionamiento del GPS
Triangulación desde los satélites / 2. Midiendo las distancias a los satélites. Cada satélite envía una serie de señales codificadas que los receptores en tierra pueden decodificar y de esta manera estimar el tiempo que tardó la señal en viajar desde el satélite Navstar-GPS (emisor) hasta el receptor. Posteriormente el receptor determina la diferencia en tiempo y finalmente utilizando la velocidad de la luz determina la distancia. Distancia = (T1-T2)* km/s en donde: T1: Tiempo en que es emitida la señal por el satélite T2: Tiempo en que es recibida la señal por el receptor en tierra El receptor en tierra utiliza el tiempo de viaje de la señal enviada por el satélite para determinar su distancia.

12 Funcionamiento del GPS
3. Control perfecto del tiempo. Si la medición del tiempo de viaje de una señal de radio es clave para el GPS, los relojes que se emplean deben ser muy exactos, dado que si miden con un desvío de un milésimo de segundo, a la velocidad de la luz, ello se traduce en un error de 300 km. Por el lado de los satélites, la coordinación (Timing) es casi perfecta porque llevan a bordo relojes atómicos de increíble precisión. Sin embargo, los receptores GPS no alojan relojes atómicos porque eso haría a la tecnología inasequible. De esa manera la computadora del receptor GPS detectará la discrepancia y atribuirá la diferencia a una sincronización imperfecta con la hora universal. Dado que cualquier discrepancia con la hora universal afectará a las cuatro mediciones, el receptor buscará un factor de corrección único que siendo aplicado a sus mediciones de tiempo hará que los rangos coincidan en un solo punto. Dicha corrección permitirá al reloj del receptor ajustarse nuevamente a la hora universal. Una vez que el receptor de GPS aplica dicha corrección al resto de sus mediciones, obtenemos un posicionamiento preciso. El secreto para obtener un timing tan perfecto es efectuar una medición satelital adicional. Resulta que si tres mediciones perfectas pueden posicionar un punto en un espacio tridimensional, cuatro mediciones imperfectas pueden lograr lo mismo. Si todo fuera perfecto (es decir que los relojes de los receptores GPS lo fueran), entonces todos los rangos (distancias) a los satélites se interceptarían en un único punto (que indica nuestra posición). Pero con relojes imperfectos, una cuarta medición, efectuada como control cruzado, NO intersectará con los tres primeros.

13 Funcionamiento del GPS
4. Conocer donde están los satélites en el espacio. Para utilizar los satélites como puntos de referencia debemos conocer exactamente donde están en cada momento. Los satélites de GPS se ubican a tal altura que sus órbitas son muy predecibles. El Departamento de Defensa controla y mide variaciones menores en sus órbitas. La información sobre errores es enviada a los satélites para que estos a su vez retransmitan su posición corregida junto con sus señales de timing.

14 Funcionamiento del GPS
5. Corrigiendo errores. La ionosfera y la troposfera causan demoras en la señal de GPS que se traducen en errores de posicionamiento. Algunos errores se pueden corregir mediante modelación y correcciones matemáticas. La configuración de los satélites en el cielo puede magnificar otros errores. El GPS Diferencial puede eliminar casi todos los errores.

15 GPS diferencial o DGPS El aparato ubicado en la posición conocida recibe el nombre de receptor base y al segundo aparato se le denomina receptor móvil. La estación base determina la distancia entre cada uno de los satélites visibles y su posición (la cual es conocida) y luego determina el error asociado a la medición de distancia (error en distancia). Esta información es radiada al receptor móvil, el cual aplica la corrección al respectivo satélite, obteniendo de esta manera una posición más exacta.

16 Aplicaciones del GPS Las principales aplicaciones son: Geodinámica
La determinación de la formación de la corteza terrestre a nivel local. Topografía El apoyo fotogramétrico con excelente rendimiento en cualquier tipo de terreno. Densificación de Redes Geodésicas, Levantamientos taquimétricos, Determinación de las coordenadas del centro óptico de la cámara en el momento de la toma. Obras Civiles El establecimiento de bases de replanteo de alta precisión en obras lineales de largo recorrido como carreteras, ferrocarriles, y de grandes obras de ingeniería como túneles, puentes, presas. También la determinación de redes eléctricas, telefónicas, de conducción de aguas, replanteo de puntos de un proyecto de ingeniería, control de calidad en obra y control de deformaciones de estructuras. Para este tipo de aplicaciones se requiere de alta precisión. Hidrografía Localización de obras hidráulicas en obras hidrográficas, el estudio de la evolución fluvial, levantamientos batimétricos, estudios y análisis de la evolución de las cuencas hidrográficas, determinación de itinerarios fluviales y marítimos

17 Aplicaciones del GPS Navegación
Esta tecnología permite la situación instantánea y continúa de cualquier vehículo sobre una cartografía digital. También permite la navegación precisa en tiempo real así como la disponibilidad instantánea de la dirección, velocidad y aceleración de los barcos y el guiado de los mismos. Defensa Civil Se puede obtener una inmediata localización y delimitación en zonas afectadas por grandes desastres, además se localizan los vehículos de auxilio y servicio. En carretera se puede disponer de un mapa digital de toda la red viaria permitiendo al conductor del vehículo conocer en tiempo real la situación del tráfico de todos los itinerarios posibles para llegar al destino.

18 Aplicaciones del GPS 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 láser. 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 explotó a 2 m del blanco. El GPS se utilizó por primera vez en combate en la campaña Tormenta del Desierto contra Irak para guiar los misiles de crucero CALCM lanzados por los bombarderos B-52; Apuntamiento de artillería 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 más rápidamente al rebajar el tiempo necesario para apuntar.

19 Aplicaciones del GPS Navegación Aérea
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 intersección entre dos zonas de alarma de dos aparatos diferentes. El GPS proporciona una situación correcta de cada avión en el espacio en tiempo real a las estaciones controladoras y monitorización continúa de los aparatos; Sistemas de aterrizaje en situaciones adversas. Los sistemas de aterrizaje electrónicos se usan para permitir el aterrizaje de aviones en cualquier situación. Los anteriores sistemas utilizaban configuraciones de antena específicas muy costosas. GPS permite un sistema más barato y fácil, dando capacidades muy precisas de aterrizaje. La comunicación fiable entre el avión y la torre de control permite prever desastres.

20 Tipos de receptores GPS
Receptores Secuenciales Este tipo de receptores sólo cuenta con un canal. Sigue secuencialmente a los diferentes satélites visibles. El receptor permanece sincronizado con cada uno de los satélites al menos 1 segundo. Durante este tiempo adquiere la señal y calcula el retardo temporal. Extrae el retardo de sólo 4 satélites y a partir de estos calcula la posición. Los satélites que elige son aquellos que tienen mejor SNR. Estos receptores son: Los más baratos. Los más lentos. Su precisión es menor que la de los otros tipos de receptores. Suele emplearse en aplicaciones de baja dinámica (barcos, navegación terrestre).

21 Tipos de receptores GPS
Receptores continuos o multicanales En este caso estos receptores disponen de al menos 4 canales. A cada canal se le asigna el código de 1 satélite para que se sincronice con él y adquiera el retardo con ese satélite. Se miden los retardos simultáneamente. Son más rápidos que los secuenciales a la hora de calcular la posición. Su precisión también es mejor que en el modelo anterior. Están recomendados para aplicaciones de gran dinámica (aeronaves). Receptores con canales multiplexados Tienen 1 único canal físico (hardware), 4 o más bucles de seguimiento (software). De este modo se deben muestrear todos los satélites visibles en un tiempo inferior a 20ms, pues así podremos obtener la información recibida de todos los satélites visibles (Tbit=20ms). La complejidad software es mayor y necesitamos un microprocesador más potente. Pero tiene la ventaja respecto al receptor continuo de que al emplear 1 sólo canal físico será menos sensible a las posibles variaciones de canal que en el caso de los receptores continuos (los canales no pueden ser exactamente iguales, unos tendrán un retardo distinto al resto).

22 Otros sistemas alternativos de posicionamiento
Además del sistema de posicionamiento global GPS, existe una segunda alternativa que hace años se encuentra en funcionamiento denominada GLONASS y una tercera en proyecto conocida como Galileo GLONASS La segunda alternativa al Sistema de posicionamiento global GPS estadounidense la constituye el Sistema de satélites de navegación global GLONASS (GLObal NAvigation Satellite System) de administración rusa, cuyas funciones son similares a las del GPS, pero con marcadas diferencias en su forma de operar. GALILEO La tercera alternativa de posicionamiento global es el sistema Galileo, controlado por la Unión Europea y que se espera entre en explotación en el año Este sistema, actualmente en fase de desarrollo por la Agencia Espacial Europea, rinde honor con su nombre al famoso físico y astrónomo italiano Galileo Galilei ( ). El principio de funcionamiento del sistema europeo será idéntico al GPS norteamericano. Estará formado por 30 satélites geoestacionarios distribuidos en tres órbitas circunterrestres situadas aproximadamente a 24 mil kilómetros de altura sobre la Tierra. De ese total de satélites en órbita se encontrarán siempre operativos 27, mientras los 3 restantes se mantendrán en reserva.

23 Conclusión Hemos recorrido 40 años de historia, durante los cuales la tecnología GPS ha pasado del más alto secreto militar a ser una de las tecnologías de consumo más populares del mundo. El GPS (Sistema de Posicionamiento Global) es un sistema que proporciona una dirección disponible nueva, única e instantánea para cada punto de la superficie del planeta. De origen militar, en la actualidad emite también una señal para usos civiles. Aunque GPS no es una tecnología genérica sino una concreción de los sistemas de posicionamiento mediante radiofrecuencia propiedad del Departamento de Defensa de los EE UU, en la práctica hoy por hoy constituye un nuevo estándar internacional que permite determinar ubicaciones y distancias. Asociado a otras tecnologías, el GPS permite, también, localizar objetos y personas.

24 Conclusión (cont…) Podemos destacar al GPS como un sistema de radiolocalización que, además de la posición, también permite conocer la velocidad del movimiento, la orientación del desplazamiento y la traza del recorrido que se ha efectuado. Todo sistema de navegación se basa en el principio de, a partir de una información conocida, deducir más información a priori desconocida. Por ejemplo, los marinos utilizan la información que les brindan los faros para deducir su posición en la costa. Si, a lo largo de la historia, la navegación marina se ha servido de señales luminosas tales como hogueras o estrellas, en la actualidad el sistema GPS proporciona un sistema de navegación por toda la superficie de la Tierra utilizando, en lugar de señales luminosas, señales de radio. Las señales de radio son emitidas de forma ininterrumpida por un conjunto de satélites que orbitan a más de km de altitud. Estas señales contienen datos relativos a la posición del satélite en el espacio y a la hora actual en un formato internacional denominado UTC (tiempo universal coordinado).

25 Conclusión (cont…) Finalmente para el buen funcionamiento del sistema GPS, cada satélite debe mantener una órbita extremadamente precisa y estable, y debe ser visible desde la superficie terrestre. Visible, en este contexto, no significa que se pueda distinguir a simple vista, sino que las señales que emite puedan ser recibidas en línea recta, es decir, debe tener LOS ( Linea de Vista ) que nada se interponga entre el satélite y el receptor GPS. El receptor GPS es un dispositivo electrónico móvil (portátil) que puede escuchar las señales emitidas por los satélites y, procesando la información que contienen, calcular la posición en la que se encuentra (el receptor).