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Sistema Mundial de localización por satélite (GPS)

Created on Thursday, 01 January 1998 Last Updated on Friday, 07 March 2014 Published on Tuesday, 30 November 1999 Written by Evelio Martínez
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Por Evelio Martínez
Publicado en la Revista RED, Enero de 1998.

Introducción

La localización – determinar una posición – y la navegación – obtener una posición a partir de la anterior – siempre han sido tareas cruciales para las actividades del ser humano a través de la historia, y estos métodos han sido siempre complicados.

GPSSi nos remontamos cinco siglos atrás, época en que los navegantes Cristobal Colón, Marco Polo y otros se destacan por sus grandes travesías alrededor del mundo, se puede observar que la importancia de contar con mecanismos de localización y navegación era vital. Mas aún, tampoco se contaba con mapas muy exactos y la única forma de navegación (orientación) eran los astros.

El descubrimiento de la electricidad (pararayos) en 1752 por Benjamin Franklin marcó un acontecimiento muy importante para la humanidad y principalmente para las comunicaciones; posteriormente el descubrimiento de las ondas electromagnéticas por Heinrich Rudolph Hertz en 1888 ayudó en gran medida a la transmisión de información a grandes distancias sin la necesidad de cables. Después surgen los primeros intentos por buscar un mecanismo de localización por medio de ondas electromagnéticas, basándose en el principio básico de calcular distancias en base al tiempo de travesía de la señal y la velocidad de la luz, basándose en antenas transmisoras de corto alcance. Estos métodos a pesar de ser aproximados tenían una gran desventaja, la cobertura era limitada. Al buscarse otros intervalos de frecuencias en los cuales la propagación de las ondas electromagnéticas fuera aún mejor, se mejoraron los niveles de aproximación, pero aún la cobertura seguía siendo limitada.

No fue sino hasta principios de los 70’s de este siglo cuando el Departamento de la Defensa de Estados Unidos comenzó a diseñar un nuevo proyecto de localización mundial por medio de tecnología satelital. Con presupuesto de 12 mil millones de dólares se inicia el proyecto y en 1978 se lanza el primero de un total de 24 satélites de órbita media (MEO) de la constelación llamada NAVSTAR GPS. La idea era tener a estos satélites como puntos de referencia para calcular posiciones – latitud, longitud y altitud. Aunque al principio este sistema fue sólo para propósitos de estrategia militar, posteriormente esta tecnología se brindó a la población civil en forma gratuita, pero con algunas "limitantes" –la aproximación. En la actualidad, con la disminución en el tamaño y en el precio de los receptores GPS, se contribuye a que esta tecnología esté al alcance de todos.

¿Qué es GPS ?

GPS (Global Positioning System) es un sistema mundial de localización constituido por una constelación de satélites, cada uno de ellos dotado con relojes atómicos, computadoras, emisores y receptores de radio y por estaciones terrenas que monitorean constantemente a cada uno de los satélites. Los receptores GPS utilizan a estos satélites como puntos de referencias para calcular la latitud, longitud, altitud – con aproximaciones en el orden de metros, inclusive centímetros– , velocidad y tiempo exacto.

¿ Como funciona GPS ?

Cada satélite transmite su posición y el tiempo exacto cada 1000 veces por segundo a la tierra, donde – cada milisegundo – un receptor computarizado puede calcular a qué distancia se encuentra de un satélite en particular que se encuentra a la vista, multiplicando la velocidad de la luz por el tiempo transcurrido de la señal del satélite al receptor GPS. Al combinar las señales de varios satélites, el receptor puede establecer con "exactitud" su propia posición, altitud e inclusive la velocidad.

La idea básica de la determinación de la posición se basa en la triangulación de los satélites. Para "triangular" un receptor GPS calcula la distancia en base al tiempo de travesía de la señal a través de las capas de la atmósfera, conociendo de antemano la velocidad de la luz. Para calcular el tiempo de travesía, los receptores GPS necesitan calcular los tiempos en ambos relojes – el del receptor y el del satélite – de una manera muy precisa, lo cual se realiza con algunos trucos. Además de la distancia, se necesita saber donde están los satélites en el espacio. Las altas órbitas y el minuciosos monitoreo son el secreto. Finalmente se debe corregir cualquier retardo que experimenta la señal al viajar a través de la atmósfera.

Características de NAVSTAR GPS

Cualquier sistema satelital como NAVSTAR está constituido por tres segmentos:

  • Segmento espacial,
  • Segmento de control, y
  • Segmento del usuario

El segmento espacial NAVSTAR GPS está constituido por una constelación de 24 satélites localizados a 20,200 kms de la superficie de la tierra. La tabla I, describe la constelación NAVSTAR GPS y la constelación de satélites GLONASS (Global Navigation Satellite System) del Gobierno Ruso. Estos dos sistemas tanto el ruso como el estadounidense son similares en operación y en características de los satélites. Los satélites son una parte esencial ya que estos son los que emiten constantemente las señales hacia los receptores GPS, cubriendo todo el globo terrestre.

El segmento de control consiste de cinco estaciones de monitoreo localizadas en Hawaii, Kwajalein, Isla Ascencion, Diego Garcia y Colorado Springs; tres estaciones terrenas en Isla Ascencion, Diego Garcia y Kwajalein, y una Estación Maestra de Control (MCS) localizada en en la base áerea de Falcon Colorado, la cual mantiene los satélites en posición orbital y su respectiva regulación de tiempo de cada satélite. Las estaciones de monitoreo rastrean todos los satélites que se encuentran a la vista, acumulando la información monitoreada. Esta información es procesada en la MCS para determinar las órbitas de los satélites y para actualizar cada mensaje de navegación de cada satélite. Una vez actualizada esta información es transmitida a cada satélite desde las estaciones terrenas.

El segmento del usuario consiste de receptores GPS que proporcionan casi instantáneamente la posición, altitud, velocidad y tiempo preciso al usuario desde cualquier parte del mundo las 24 horas del día. Estos receptores calculan la posición por medio de señales simultáneas desde tres o más satélites que estén a la vista del receptor GPS. Los receptores varían en precios, tamaños y precisión, desde los más sencillos como los que se usan para la localización de vehículos o los más sofisticados, como los que encuentran en los tableros de los aviones. Los precios de los receptores varían dependiendo de la precisión que estos ofrezcan, varían desde los $100 dólares los más simples, hasta los 40,000 dlls. los más sofisticados. Cuando se requiera comprar algún receptor GPS se recomienda que tenga un número adecuado de canales. Los receptores de un sólo canal buscan su posición por medio de señales emitidas constantemente hacia el espacio buscando las señales de los satélites. Tan pronto como éstos sean localizados, el receptor proporciona cálculos de localización y la precisión es determinada por la rapidez conque el receptor pueda encontrar las señales de los satélites. Existen algunos receptores que cuentan con 5 canales, de los cuales 4 rastrean satélites para tener una constante localización por aquello de que algún canal sea bloqueado. Existen receptores aún más sofisticados que cuentan con 12 canales. Otro factor importante es la re-adquisición rápida de la señal del satélite, que es el tiempo en el que el receptor tarda en adquirir la señal y poder hacer un cálculo rápido de localización. Receptores con estas características es posible encontrarlos a un precio cercano a los $500 dólares.

Tabla I. Características de las constelaciones NAVSTAR y GLONASS

Característica NAVSTAR GPS GLONASS
Compañía Impulsora Departamento de Defensa de EUA (NAVSTAR Systems Ltd) Gobierno Ruso
Número de satélites 24 en 6 planos orbitales 24 en 6 planos orbitales
Tipo de órbita Media (20,200 km); inclinación 63 grados; período de 12 hrs. Media (19,200 km) en 6 planos orbitales; inclinación 64.8 grados; período de 11 hrs 15 min.
Frecuencias Banda L (L1=1.57542, L2=1.2276 GHz) Banda L (L1=1.609 GHz, L2=1.251 GHz)
Método de acceso CDMA (Espectro Esparcido) CDMA (Espectro Esparcido)
Vida útil aprox. 7.5 años 7.5 años

Tipos de servicios de NAVSTAR GPS

Existen dos niveles de servicio, el primero conocido como Servicio Estándar de Localización (SPS, Standard Positioning Service), que es un servicio de determinación de la posición y tiempo que está disponible a todos los usuarios, las veinticuatro horas del día y sin cargo directo. Intencionalmente la defensa americana introduce un error para que la exactitud de este servicio no sea muy bueno. SPS provee una probabilidad de error predecible de 100 mts horizontalmente y de 156 mts verticalmente y con 340 nanosegundos en tiempo.

Por otro lado el Servicio Preciso de Localización (PPS, Precise Positioning Service) es un servicio de determinación de la posición y tiempo con alta precisión utilizado para usos militares y para otros usos del Gobierno de los Estados Unidos. Para usos civiles que no son del Gobierno Federal, ya sea domésticos y extranjeros pueden ser considerados solicitando un permiso especial. Este servicio provee una precisión predecible de 22 mts horizontalmente y 27.7 mts verticalmente y 200 nanosegundos en tiempo. Este servicio no esta disponible a los usuarios civiles, ya que los mensajes están encriptados.

¿ Que es DGPS ?

Con el fin de optimizar la precisión de GPS, se desarrolló una técnica conocida como GPS Diferencial (DGPS). La precisión en GPS va a depender de varios factores: el primer factor son las señales que emiten los satélites dirigidas al usuario civil, éstas vienen con un error implícito conocido como disponibilidad selectiva. Otro factor es la desviación de los relojes; los relojes que traen internamente los receptores GPS por supuesto no son atómicos como los que traen los satélites, el costo de estos relojes pueden en oscilar en el orden de $50,000 US dlls, por lo que es imposible e incosteable tener un receptor GPS dotado con un reloj atómico. La desviación de ambos relojes provoca que el tiempo de travesía de la señal no sea calculado de manera precisa, sumándole a ésto la velocidad de la luz , la cual se usa para efectuar los cálculos, es sólo una constante (aproximadamente 2.9979x108 m/s) pero en el vacío. Otro factor importante son las condiciones de radio-propagación de la ionosfera. Otro factor de error son las multitrayectorias de la señal, lo que hace que ésta al ser reflejada por un objeto sólido el tiempo de travesía sea inexacto. Estos y otros factores de error provocan que los cálculos que realiza el receptor GPS sean de poca aproximación.

DGPS es un método para eliminar errores en un receptor GPS, para hacer la salida más precisa. La idea principal de DGPS se basa en el hecho de que los satélites están a una altura considerable, por lo que si tomamos dos objetos separados uno del otro 200 kms, el tiempo de travesía de un satélite en particular a cada objeto tienen virtualmente los mismos errores, mas sin embargo la posición de los objetos son totalmente diferentes.

DGPS trabaja ayudándose con estaciones terrenas de referencia, éstas pertenecen a la Guardia Costera de los Estados Unidos y a agencias internacionales que establecen sus estaciones en cualquier lugar, especialmente alrededor de puertos y ríos navegables. La Estación de Referencia (con sus coordenadas geográficas exactas, ya conocidas), en vez de calcular otra vez su posición, calcula el tiempo de travesía (Tc) para c/u de los satélites que tiene a la vista y los compara con los tiempos de travesía para cada satélite (Ts). La diferencia entre Tc y Ts se le conoce como Error de Corrección (EC). Entonces, la Estación de Referencia transmite a c/u de los receptores GPS en tierra esos Errores de Corrección para que los utilicen para corregir sus respectivas medidas.

Con DGPS se pueden determinar posiciones con un alto grado de aproximación en el orden de metros, inclusive centímetros; es importante aclarar que estos receptores deben de estar equipados con DGPS; muchos de los nuevos receptores GPS están siendo diseñados para aceptar correcciones, y algunos están equipados con radio receptores en su interior.

Aplicaciones

Las aplicaciones de GPS son muy diversas, éstas se pueden clasificar en cinco categorías: localización, navegación, rastreo, cartografía y tiempo exacto. En aplicaciones de localización – determinar una posición– las más empleadas son para la localización de vehículos. Dado el alto índice de robos de vehículos, algunas compañías fabricantes de automóviles y compañías aseguradoras han empezado a instalar este tipo de aparatos en lugares ocultos dentro de los automóviles. También muchos de los taxis y camiones de carga utilizan GPS en sus vehículos para que estos sean localizados desde sus oficinas.

La navegación – obtener una posición a partir de la anterior – es una aplicación que requiere de mucha precisión, razón por la cual las compañías de aviación utilizan GPS para guiar a las aeronaves en climas inhóspitos así como para despegar y aterrizar este tipo de vehículos.

El rastreo también es otra aplicación muy importante, por ejemplo algunas compañías de flotillas de vehículos utilizan un programa de computadora provisto con un mapa de una ciudad o de una región, para rastrear todos sus vehículos. Algunas universidades y centros de investigación les ponen unos diminutos receptores GPS a animales en peligro de extinción o aves para conocer y estudiar sus trayectorias.

La cartografía es otra aplicación de mucha importancia dentro de las aplicaciones de GPS, al determinar con precisión la posición de ríos, bosques, montañas, carreteras y otros puntos es posible la elaboración de mapas muy precisos; con la ayuda de otras técnicas como la fotogrametría, topografía y planimetría es posible la elaboración de sistemas de información geográfica.

El tiempo exacto que nos brinda el sistema GPS, es utilizado por las cadenas nacionales de televisión para sincronizar las transmisiones a nivel nacional y para sincronizar los comerciales y programas. La puesta en órbita de satélites es otra aplicación que requiere de una finísima precisión debido a que se necesita poner un satélite en una posición exacta en un tiempo exacto, y evitar así posibles colisiones.

Las aplicaciones de tipo militar también son muy bastas, fue el principal motivo por lo que GPS se concibió. En la pasada guerra del golfo pérsico conocida como la tormenta del desierto, fue una prueba de fuego para el Departamento de Defensa de Estados Unidos para probar sus sistemas de localización. El sistema GPS se utiliza en la milicia para determinar la distribución adecuada de tropas en tierra, aviones, barcos, submarinos, tanques, etc., también para guiar misiles para la destrucción de objetivos. Los misiles Patriot que usaron las tropas estadounidenses para la destrucción de los misiles de Irak, es un claro ejemplo de la utilización al máximo de GPS.

Existen muchas aplicaciones más benéficas de la utilización de este sistema de localización; con GPS es posible guiar ambulancias, bomberos, policía o grupos de rescate para que estos lleguen en cuestión de minutos al sitio donde está la emergencia. Con GPS es posible que personas invidentes puedan guiase dentro de una ciudad, apoyándose en una detallada base de datos dentro del receptor. Otras áreas de aplicación de la tecnología GPS es la agricultura, minería, arqueología, construcción, exploración, cinematografía, pesca deportiva, entre otras.

Conclusión

En la actualidad existen otros sistemas satelitales que ofrecen el servicio de localización, como Inmarsat, AMSC (American Mobile Satellite Corp.), y OmniTRACS de Qualcomm, basándose en GPS y apoyándose en satélites geoestacionarios (GEOs) y sus respectivas estaciones terrenas de monitoreo;. los usos principales son el rastreo de flotillas de vehículos.

Con el lanzamiento de los satélites de órbita baja (LEO) y su puesta en operación en los próximos años, como por ejemplo Iridium, GlobalStar, Orbcomm, ODYSSEY, entre otros, habrá más opciones para aplicaciones en el área de la determinación de la posición.

El futuro de está tecnología es muy prometedor, todos de alguna manera nos vamos a ver beneficiados por las bondades del sistema mundial de localización.

Referencias:


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