El Sistema de Posicionament Global (GPS): Funcionament i Aplicacions
Enviado por Chuletator online y clasificado en Informática y Telecomunicaciones
Escrito el en 
catalán con un tamaño de 8,89 KB
El Sistema de Posicionament Global (GPS)
1. Característiques Generals
GPS (Global Navigation Satellite System): Sistema de navegació basat en una constel·lació de satèl·lits que permeten determinar la posició geoespacial amb una cobertura global.
Posicionament absolut:
- SPS (Standard Positioning Service): Servei obert, freqüència única, precisió de 10 a 20 m.
- PPS (Precise Positioning Service): Servei d'accés restringit, freqüència dual, precisió de 3 m.
Posicionament diferencial (GPS Diferencial / DGPS): Combinació amb sistemes augmentatius (terrestres o amb satèl·lit), calen receptors específics.
Constel·lació GPS:
- 6 plans orbitals amb una inclinació de 55º amb l'Equador.
- 31 satèl·lits operatius.
- Entre 6 i 12 satèl·lits visibles des de qualsevol punt.
Les estacions de seguiment s'usen per determinar la posició dels satèl·lits a cada moment.
Cada satèl·lit emet diferents senyals codificats a partir d'un conjunt d'impulsos o bits:
- 2 codis de posicionament: Permeten calcular la distància al satèl·lit.
- C/A (Coarse Acquisition): Codi obert a tothom, s'emet a través de la portadora L1 per serveis SPS.
- P o PY (Precision): Codi encriptat d'ús restringit, més precís que el C/A, s'emet a través de les portadores L1 i L2 per al PPS.
- 1 missatge de navegació: Té la informació necessària per calcular l'hora i posició del satèl·lit.
Taula: Bandes de freqüència del GPS
| Banda | Freqüència (MHz) | Contingut |
|---|---|---|
| L1 | 1.575,42 | Codi P o PY (PPS), Codi C/A (SPS), Missatge de navegació |
| L2 | 1.227,60 | Codi P o PY (PPS), Nou codi obert (en prova i cobertura parcial), Missatge de navegació |
| L3 | 1.381,05 | Detecció d'explosions nuclears |
| L4 | 1.379,91 | Correcció ionosfèrica addicional |
| L5 | 1.176,45 | Correcció atmosfèriques adicionals amb una precisió semblant als sistemes augmentatius SBAS |
2. Determinació de la Posició en el Sistema GPS
Mètode de trilateració: Determinació de la posició amb el sistema GPS. Per situar-se, el receptor o usuari, calcula les distàncies als diversos satèl·lits visibles.
Càlcul de distància (cas ideal – sense errors):
R = c x Δt
- R: Distància estimada al satèl·lit.
- Δt: Retard entre el senyal del satèl·lit i la rèplica generada pel receptor (aprox. 67 ms).
Obtenció del retard: El receptor compara el senyal generat pel satèl·lit amb una rèplica generada al mateix receptor. S'obté variant la fase de la rèplica fins que els dos senyals coincideixen.
Equació de posició:
R = Rs - Ru
- Rs: Vector de posició del satèl·lit (conegut).
- Ru: Vector de posició de l'usuari.
La posició del satèl·lit s'obté amb els paràmetres obtinguts per les estacions de seguiment i subministrats pel missatge de navegació.
En una situació ideal calen 3 equacions (3 satèl·lits) per calcular la posició.
Càlcul de distància (cas real):
R = c x Δt - ℇ
- ℇ: Error de mesura.
En una situació real calen 4 equacions (4 satèl·lits) per calcular la posició (3 coordenades i 1 error de distància).
Si l'error de distància fos el mateix a tots els satèl·lits, podríem tenir la posició exacta.
La intersecció entre cercles no serà total perquè l'error fet en l'estimació de distàncies no és idèntic a cada satèl·lit.
Es pot reduir l'error augmentant el nombre de satèl·lits.
3. Errors en el Càlcul de Posició
UERE (User Equivalent Range Error): Error d'usuari, causat pels satèl·lits i pel receptor. Cada receptor té un UERE característic. Error en l'estimació de la posició dels satèl·lits.
- Desviacions dels rellotges dels satèl·lits.
- Errors d'efèmerides.
- Errors en el receptor:
- Desviacions del rellotge del receptor.
- Errors de correlació del senyal.
- Errors en la propagació del senyal:
- Variacions en la velocitat de propagació a la ionosfera i a la troposfera.
- Variacions en la freqüència per efecte Doppler.
- Error multipath.
- Errors induïts voluntàriament (disponibilitat selectiva).
GDOP (Geometric Dilution Of Precision): Dilució geomètrica de la precisió. Descriu l'efecte de la disposició dels satèl·lits al fer la mesura.
- Causa: àrea d'incertesa al determinar la posició.
- Depèn de la configuració dels satèl·lits al moment de mesura.
- Es pot reduir seleccionant els satèl·lits adequats i utilitzant més.
- Una DOP gran, pot donar errors de >100 m (com més gran és el DOP, més gran serà l'error de posicionament).
Taula: Valors DOP i la seva interpretació
| Valor DOP | Qualificació | Descripció |
|---|---|---|
| 0 | Ideal | Mesura exacta (situació ideal) |
| 1-3 | Bo | La mesura es considera acurada (excepte per a les aplicacions més exigents) |
| 4-6 | Acceptable | Vàlida per a la majoria d'aplicacions comercials |
| >6 | Dolent | És recomanable buscar un punt amb una visió millor del cel per captar més satèl·lits |
UNE (User Navigation Error): Error de navegació. Combinació de UERE i GDOP.
Errors externs: Errors causats després del càlcul de posició.
- Errors d'anotació.
- Errors de datum (per utilitzar cartes inadequades).
Errors en el càlcul de rumb i velocitat:
- Si la distància entre les dues posicions és petita, l'error pot ser gran.
- Les guinyades o canvis involuntaris de velocitat poden afectar al càlcul.
- Per compensar els efectes, alguns equips poden fer una mitjana durant un temps determinat.
4. Receptors de GPS Marítim
Característiques:
- Error de navegació (UNE, UHNE): Es fa al fixar la posició (UERE x GDOP).
- Time to first fix (TTFF): Temps de resposta, temps que tarda el receptor en fixar la primera posició just després de posar-lo a funcionar.
Waypoint (WP): Punt intermedi d'una ruta.
Route: Recorregut entre dos punts, està format per una seqüència de WP (mínim 2).
Track: Ruta efectiva, conjunt de posicions obtingudes pel GPS.
Funcions:
- BRG: Demora.
- COG: Rumb efectiu.
- SOG: Velocitat efectiva.
- HDG: Rumb verdader.
- ETA: Hora prevista d'arribada.
- TTG: Time to go, temps de viatge previst.
- RNG: Range, distància al següent WP.
- TRIP: Distància total.
- VTD: Velocitat d'arribada.
Les rutes es poden guardar per utilitzar-les després.
La gestió de WP permet planificar rutes introduint i editant una llista de WP consecutius.
Funcions avançades:
- Connexió al pilot automàtic.
- Càlcul d'error de crosstrack (XTE - Cross Track Error: desviació lateral en relació a la ruta fins al següent WP).
- Seguiment i selecció de satèl·lits.
- Representació de la ruta efectiva.
- Càlcul del radi d'incertesa.
- Alarmes:
- D'arribada al WP: S'activa quan entrem al cercle de proximitat del WP de destí.
- De fondeig: S'activa quan sortim del radi de seguretat marcat al voltant del punt de fondeig.
- D'error al cross track: S'activa quan passem el límit prefixat per l'error de cross track.
- De velocitat del vaixell.
- De distància recorreguda.
- De profunditat.
- De pèrdua de senyal.
Modes de visualització:
- Mode de dades.
- Mode autopista (només admet Course Up).
- Mode navegació.
- Mode Chart o plotter.
En condicions normals, la qualitat del senyal empitjora si l'angle d'elevació del satèl·lit en relació a l'horitzó és petit.