GPS Sistema de posicionamiento Global

Introducción El sistema GPS es lo que se denomina un sistema GNSS (Sistema Global de Navegación Satelital). El mismo permite determinar la posición de un receptor GPS sobre la Tierra utilizando las señales emitidas por satélites que orbitan el planeta. En base a las señales que llegan al receptor, este se debe encargar de calcular la posición que ocupa en el planeta.

Reseña Histórica Se creo, en un principio para propósitos militares, con el de fin conocer en forma precisa la ubicación de un objeto sobre el planeta Comenzó a desarrollarse en la década del 70 por Norteamérica Actualmente se alcanzan elevadas precisiones en la ubicación Empieza a ser superado por el sistema GALILEO desarrollado por Europa

Principio de funcionamiento Las distancias entre el receptor y los satélites se obtienen por medio del retardo temporal que existe entre que los satélites envían su señal hasta que el receptor las recibe. Cada satélite posee un código único que le permite al receptor GPS determinar de que satélite proviene cada señal. Con esta información el receptor GPS realiza una serie de cálculos para determinar su ubicación en el planeta. Dichos cálculos están basados en la TRIANGULACION

Triangulación El GPS indica la ubicación de un objeto basándose en un principio matemático: La TRIANGULACION Con un segundo satélite, la intersección de las dos esferas forman un círculo. Luego con un tercer satélite se determina un área en la cual se encuentra el receptor El receptor capta una señal enviada por cada satélite, el cual cubre un volumen esférico

Arquitectura del GPS El sistema se descompone en tres segmentos básicos: Segmento espacial: formado por 24 satélites GPS con una órbita de aprox. 20000 Km. de radio y un periodo de 12 h. Deben estar disponibles 4 satélites como mínimo en todo momento. Segmento control: consta de cinco estaciones monitoras encargadas de mantener en órbita los satélites y supervisar su correcto funcionamiento. Segmento usuario: formado por las antenas y los receptores pasivos situados en tierra.

Señal satelital de GPS Una de las características más importantes del Sistema GPS, es la medida precisa del tiempo, por esta razón, cada satélite contiene varios osciladores de alta precisión (relojes atómicos). Los satélites transmiten la información en dos frecuencias derivadas de una frecuencia de 10.23MHz Frecuencia portadora L1, a 1575.42 MHz., transmite los códigos C/A y P. Frecuencia portadora L2, a 1227.60 MHz., transmite información militar modulada en código P. La señal util enviada se denomina Mensaje de Navegación

Mensaje de Navegación El mensaje de navegación está constituido por los siguientes elementos: Efemérides (son los parámetros orbitales del satélite). Información del tiempo (horario) y estado del reloj del satélite. Modelo para corregir los errores del reloj del satélite. Modelo para corregir los errores producidos por la propagación en la ionosfera y la troposfera. Información sobre el estado de salud del satélite. Almanaque, que consiste en información de los parámetros orbitales Se transmite a un régimen binario de 50 bps y se tarda 12.5 min en enviarlo completamente.

Mensaje de Navegación El mensaje, modulado sobre ambas portadoras, consta de 25 frames de 1500 bits cada uno. Cada grupo de 1500 bits se subdivide en 5 subframes de 300 bits cada uno, que nuevamente se subdividen en palabras de 30 bits de longitud.

Modulación La transmisión se realiza con TÉCNICAS DE ESPECTRO ESPARCIDO Sobre ambas portadoras se modula el Código P y el mensaje de navegación. Sobre la L1 además se modula el código C/A. El sistema usado en GPS para modular los códigos binarios es BPSK Hay dos estados de onda en la portadora: El normal, sería el resultado de multiplicar por +1 la amplitud de la onda portadora, o sea, dejarla tal cual (sin desfasaje entre mensaje y código pseudoaleatorio.). El inverso, seria el resultado de multiplicar por -1 la amplitud de la portadora, lo que equivale a un desfase de 180 grados entre mensaje y código pseudoaleatorio.

Técnica de Espectro esparcido Al utilizar esta técnica los satélites transmiten sobre la misma portadora El fundamento de esta técnica consiste en que la señal transmitida se expande sobre un ancho de banda mayor mediante una modulación extra. La señal que se quiere transmitir se modulará con otra señal con un régimen binario mucho mayor. Esta técnica es muy robusta frente a las interferencias (característica muy importante en sistemas militares).

Códigos Sobre las portadoras L1 y L2 se envían por modulación BPSK dos códigos y un mensaje, cuya base también es la frecuencia fundamental 10.23 MHz.. El primer código llamado C/A (Course Adcquisition) es una moduladora usando la frecuencia fundamental dividida entre 10. El segundo código llamado P (Precise) modula directamente con la fundamental de 10.23 MHz.. Los códigos sirven fundamentalmente para posicionamientos absolutos y son usados principalmente para navegación. El código C/A ofrece precisiones nominales decamétricas.

Códigos Pseudoaleatorios Estos códigos están formados por una serie de n bits. a0,a1,a2,...,an-1       con ai=±1 Su espectro es similar al ruido (tienen componentes frecuenciales en todo el rango de frecuencias). Cada uno de estos códigos pseudoaleatorios se asigna a cada uno de los satélites. El receptor, para separar la señal de un satélite del resto, correlaciona las series recibidas con el código que desea detectar. ( ademas la correlacion es usada para el metodo de seudodistancia )

Correlacion de Códigos No existe correlacion entre la señal enviada por el satélite y la del receptor. Existe correlacion parcial entre la señal enviada por el satélite y la del receptor. Aun asi no se detecta de cual satélite En este instante la correlacion entre la señal enviada por el satélite y la del receptor es total. Se detecta el satélite

Tratamiento de la señal GPS Etapa de adquisición de señal: al encender el receptor GPS éste puede encontrarse en dos estados distintos: Perdido (el almanaque tiene una fecha muy antigua): El receptor prueba con distintos satélites hasta que reciba una señal con una SNR aceptable. Cuando logra engancharse con un satélite demodula el mensaje de navegación y consigue así el almanaque y la referencia temporal GPS. Memorizado (almanaque actualizado): El receptor recibe señal de los cuatro satélites que tiene visibles. Cuando el receptor ya está enganchado con un satélite se asigna el canal a los códigos de los satélites que están visibles y se inicia el proceso de sincronización con cada satélite.

Proceso de Sincronización Cuando el receptor se sincroniza con dada uno de los satélites, tras realizar la correlación, los picos de señal que superan un determinado umbral permiten obtener el retardo temporal utilizado en el metodo de seudodistancia. Este proceso se repite para los 4 satélites.

Errores Los errores que pueden producirse en el Sistema GPS se deben a varios factores. Estas fuentes de error son las siguientes: Errores debido al satélite: se destacan los errores del oscilador y los errores debido a la variación de la orbita satelital Errores debido al receptor GPS: principalmente el error introducido por el oscilador de cristal. Errores debido a la propagación de la señal: la señal no se propaga en el vacio, esto introduce retardos en la señal.

Posicionamiento con GPS Existen dos clases, según la cantidad de equipos GPS que intervengan: Posicionamiento absoluto: un posicionamiento es absoluto cuando se calcula la posición del punto utilizando las medidas de seudodistancia con un solo GPS. Dependiendo el código que se utilice y la disponibilidad selectiva se obtendrá una precisión que variará de 15 a 100 m. Posicionamiento diferencial: en este se involucran dos o más instrumentos GPS, con el fin de eliminar los errores propios del sistema GPS.

Calcular la posición Existen varios métodos para determinar la ubicación del receptor, los cuales Dependen del tipo de receptor GPS y la precisión que se desee. Todos dan como resultado una seudodistancia. Se pueden mencionar: Metodo de medida de códigos: se basa simplemente en conocer el tiempo que tardo en ser reconocida la señal satelital por el receptor. Metodo de diferencia de fase de portadoras: muy preciso, existen el metodo estático y dinámico Metodo diferencial: se utiliza aquí el método de medición de fase

Metodo de Medidas de código Se mide el tiempo que tarda la señal del satélite en llegar al receptor ( por medio de la correlacion de los dos códigos) La distancia se calcula básicamente como: dist = tseñal * C C: velocidad de la señal Se debe tener en cuenta los errores que existen en el sistema, los cuales introducen retardos en la señal Provee una aceptable precisión, con un bajo costo de receptor

Metodo de medición con diferencia de fase Aquí se mide el desfasaje de la onda portadora. La fase de la señal que llega del satélite es comparada con la fase de una señal de referencia generada en el receptor. Del desfasaje se obtiene una parte de la distancia como parte de la longitud de onda. El número de longitudes de ondas permanece desconocido. Por ello, el software debe ser mas elaborado para determinar el número de longitudes de onda desconocidas.

Metodo diferencial Se utiliza aquí el método de medición de fase que da una mayor precisión que el de la medida de códigos. Las señales de los satélites son recibidas simultáneamente por dos receptores. Con este método se anulan hasta un cierto grado errores inevitables Dentro del método diferencial y atendiendo al tipo de aplicación, existen otras dos categorías: estático y dinámico

Usos del GPS Ciencias geográficas: se pueden construir mapas geográficos mucho más precisos. Navegación marítima Navegación terrestre Navegación aérea Guiado de misiles Defensa civil, para la localización y delimitación de zonas afectadas por grandes catástrofes EL GPS ESTÁ CAUSANDO UN GRAN IMPACTO TANTO EN ASPECTOS TECNOLÓGICOS COMO ECONÓMICOS.