Sistema de Posicionamiento Global (GPS): Funcionamiento, Segmentos y Aplicaciones

Introducción al Sistema de Posicionamiento Global (GPS)

El Sistema de Posicionamiento Global (GPS), originalmente conocido como NAVSTAR GPS, es un sistema de radionavegación basado en satélites que permite determinar la posición, velocidad y tiempo de un objeto en cualquier parte del mundo. Fue puesto en servicio en 1978 y es administrado por el Departamento de Defensa de los Estados Unidos. Utiliza la constelación NAVSTAR, un conjunto de satélites que orbitan la Tierra y proporcionan información de alta precisión sobre:

• Navegación
• Ubicación exacta en 3D
• Tiempo (sincronización)

Principios Básicos de Funcionamiento del GPS

• Trilateración inversa espacial: Se determina la posición a partir de la distancia a varios satélites.
• Distancia = Tiempo de viaje x Velocidad de la luz: La distancia a cada satélite se calcula multiplicando el tiempo que tarda la señal en llegar al receptor por la velocidad de la luz.
• Los satélites actúan como estaciones de control en órbita.
• Se miden las distancias hacia cada satélite utilizando códigos que dependen del tiempo.
• Los satélites utilizan relojes atómicos de alta precisión, mientras que los receptores GPS emplean relojes más económicos.
• Un error de 1/10 de segundo equivale a un error de 30,000 km. Un error de 1/1,000,000 de segundo equivale a un error de 300 m.
• Se necesitan al menos cuatro satélites para determinar latitud, longitud, altura y tiempo.
• Cada satélite GPS transmite varias señales: dos ondas portadoras (L1 y L2) y dos códigos (C/A y P en L1, P en L2).
• Seudodistancias (Código): Cada satélite transmite una señal única que se repite aproximadamente cada segundo. El receptor compara una señal generada internamente con la señal recibida. A partir de la diferencia de tiempo, se puede derivar la distancia. El reloj del receptor debe estar sincronizado con el reloj del satélite.
• D = V(Δt)
• Mediciones de GPS con código (pseudorangos o seudodistancias): D = V x T
• Distancia a partir de observaciones de fase: El receptor compara una fase autogenerada con la fase recibida. Distancia = Número de ciclos x Longitud de onda.

Segmentos del Sistema GPS

• Segmento Espacial: Compuesto por la constelación de satélites NAVSTAR.
• Segmento de Control: Responsable del monitoreo y control de los satélites.
• Segmento de Usuario: Constituido por los receptores GPS y el software de procesamiento de datos.

Segmento de Control NAVSTAR

El segmento de control tiene como misión el seguimiento continuo de todos los satélites de la constelación NAVSTAR con los siguientes objetivos:

• Determinar los parámetros orbitales de las órbitas de cada satélite.
• Determinar el estado de sus osciladores.
• Transmitir los parámetros calculados a los satélites para que estos puedan transmitirlos a los usuarios.

Hay tres tipos de instalaciones:

• Estación Maestra de Control (MCS): Coordina y controla todo el sistema.
• Estaciones Monitoras (MS): Reciben señales de los satélites y calculan sus órbitas.
• Antenas Terrestres: Transmiten datos a los satélites.

Puntos de Control

• Fase 1: Cinco estaciones distribuidas en longitud por la superficie terrestre (Colorado Springs, Hawái, Kwajalein, Diego García e Isla Ascensión).
• Fase 2: Se incluyó Cabo Cañaveral (Florida).
• Fase 3: Se incluyeron seis estaciones del NIMA (Quito, Washington, Buenos Aires, Hermitage, Bahrain, Salisbury).

Estaciones Monitoras

Las estaciones monitoras reciben las señales transmitidas por los satélites visibles y obtienen información necesaria para calcular con gran precisión las órbitas de los satélites utilizando receptores de doble frecuencia con relojes de cesio. Una vez obtenidos estos datos, se calculan las efemérides de los satélites con un error menor de 1 metro en sentido radial, 7 metros en el de la trayectoria y 3 metros en la perpendicular a la misma. También toman datos meteorológicos para calcular el retardo troposférico. Existen 12 estaciones monitoras, una en cada punto de control.

Cálculo de Efemérides

A partir de la observación de los satélites por las estaciones monitoras, de las cuales se conocen con gran exactitud las coordenadas en el sistema de referencia WGS84, la estación maestra recoge estas observaciones y produce una estimación del estado de los satélites (estado de los relojes y parámetros de las efemérides). Las predicciones se realizan con los filtros de Kalman, una sofisticada herramienta estadística de estimación residente en una supercomputadora.

Efemérides Precisas

Una de las fuentes de error más importantes es la poca precisión de las efemérides transmitidas por el mensaje de navegación del satélite. Existen organismos de control en tierra que calculan sus propias efemérides con precisión de algún metro. Se puede llegar a precisiones subcentimétricas en posición horizontal y del orden del centímetro en posición vertical. Conocidas con gran precisión las posiciones de una serie de puntos en tierra, se obtienen las posiciones de los satélites observando sus señales.

Determinación de Órbitas GPS por el IGS

Siete centros de análisis pertenecientes al International GPS Service for Geodynamics (IGS) determinan las órbitas independientemente usando los datos de las estaciones IGS repartidas por todo el mundo. Cada uno de ellos calcula con software distinto. Las órbitas calculadas son combinadas para una solución de órbitas final del IGS. Permiten llegar a precisiones subcentimétricas en posición horizontal y del orden del centímetro en posición vertical.

Constelación NAVSTAR

• Bloques: Bloque I, Bloque IIA, IIR, IIF, Bloque III.
• Puesta en órbita: Cohetes Atlas F y Delta 2.
• Relojes u osciladores: Cuarzo, rubidio, cesio, máser de hidrógeno.

Características de la Constelación

• Seis órbitas casi circulares a 20,180 km de altitud, nombradas A, B, C, D, E y F, con 55º de inclinación.
• Cuatro satélites por órbita, 24 en total.
• Periodo de 12 horas de tiempo sidéreo.
• La configuración se repite 4 minutos antes cada día solar.
• Existen satélites desactivados y disponibles como reserva (spares).
• Fuente de frecuencia por bloques:
  • Bloque I: Algunos tenían osciladores de cuarzo.
  • Bloque II: Osciladores de cesio.
  • Bloque IIA: Osciladores de cesio y rubidio.
  • Bloque IIR: Osciladores de rubidio.
  • Bloque III: Posiblemente osciladores de máser de hidrógeno.

Segmento de Usuario

Constitución

• Cualquier receptor o grupo de receptores GPS en tierra, mar, aire o en el espacio.
• Software de exploración de datos GPS recogidos por el receptor.

Aplicaciones

• Navegación en general: terrestre, aérea, marina.
• Levantamientos geodésicos, topográficos y cartográficos.
• Geodinámica y geofísica.
• Detección remota: troposfera, ionosfera.
• Transporte de tiempo y frecuencia.

Receptores GPS

• Desde el tamaño de una calculadora hasta las dimensiones de un armario rack.
• Elementos imprescindibles:
  • Antena.
  • Sección de radiofrecuencia.
  • Microprocesador + firmware.
  • Oscilador.
  • Fuente de alimentación.
• Elementos accesorios:
  • Interfaz de usuario.
  • Memoria.
  • Dispositivo de puesta en estación.
  • Puertos.
• Otros elementos:
  • Dispositivo de retransmisión.
  • Conexión de frecuencia externa.
  • Salida de tiempo 1PPS.

Antena GPS

• Objetivo: Convertir la radiación electromagnética procedente de los satélites en señal eléctrica y viceversa (receptoras y emisoras).
• Preamplificador: Elemento amplificador de la señal recogida por la antena para evitar pérdidas por resistividad de cables.
• Tipos de antenas: Monopolar o dipolar, cuadrifilar o hélice, microstrip sobre elementos cerámicos (miniaturización, fácil construcción, bajo costo), choke ring.

Problemas de la Antena GPS

• Interferencia RF.
• Multitrayectoria o multipath (planos de tierra, choke ring).

Dispositivos de Puesta en Estación

• Base de estacionamiento sobre pilar.
• Trípode + plataforma nivelante + plomada óptica.
• Jalón o poste nivelado.
• Incorporado al vehículo, aeronave o navío.
• Sostenible a mano.