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Sistema de Posicionamiento Global. GPS

Resumen: Desde tiempos remotos el hombre se preocupó por orientarse correctamente durante sus incursiones por tierra o mar para llegar a su destino sin extraviarse y después regresar al punto de partida. Probablemente el método más antiguo y primitivo que utilizó para no perderse fue el de colocar piedras en el camino o hacer marcas en los árboles, de forma tal que le permitieran regresar después sobre sus pasos.

Publicación enviada por Osmany Sousa Hernández




 


ÍNDICE
¿Qué es GPS? 5
Sistemas de Posicionamiento por Satélite. 6
Antecedentes del sistema GPS 7
Composición de GPS 7
Funcionamiento 8
Aplicaciones 9
GPS para el coche 9
Integración con telefonía móvil 10
Evolución del sistema GPS 10

INTRODUCCIÓN
Desde tiempos remotos el hombre se preocupó por orientarse correctamente durante sus incursiones por tierra o mar para llegar a su destino sin extraviarse y después regresar al punto de partida. Probablemente el método más antiguo y primitivo que utilizó para no perderse fue el de colocar piedras en el camino o hacer marcas en los árboles, de forma tal que le permitieran regresar después sobre sus pasos.

En los inicios de la navegación de largas travesías, los marinos seguían siempre la línea de la costa para no extraviarse en el mar. Los fenicios fueron los primeros navegantes que se alejaron de las costas adentrándose en el mar abierto con sus embarcaciones. Para no perder el rumbo en las travesías por el Mar Mediterráneo en los viajes que hacían entre Egipto y la isla de Creta se guiaban de día por el Sol y de noche por la Estrella Polar.

A partir del siglo XII se comenzó a utilizar la brújula o compás magnético para orientarse en las travesías por mar. Por otra parte Cristóbal Colón empleó en 1492 un nuevo instrumento inventado en aquella época para ayuda a la navegación: el astrolabio.

Durante las primeras décadas del siglo XX, el descubrimiento de las ondas de radio y su aplicación como ayuda a la navegación aumentó la fiabilidad de los cronómetros. Gracias a la radiodifusión de señales horarias los relojes de los barcos se ajustaban periódicamente a una hora exacta tomando como referencia la hora GMT (Greenwich Meridian Time) u hora del meridiano de Greenwich.

Antes de existir el sistema GPS se utilizaron otros sistemas de navegación y posicionamiento basados en la recepción de señales de radio, que aplicaban el principio matemático de la triangulación. Estos sistemas podían determinar la posición de un barco o un avión sin necesidad de conocer la distancia que los separaba de otros puntos de referencia.

Durante la Segunda Guerra Mundial se desarrollaron el radiogoniómetro, el radiofaro direccional, las radio balizas y el loran, todos ellos basados en la transmisión o recepción de ondas de radio. El radiogoniómetro fue el primero que se utilizó de forma generalizada como ayuda a la navegación.


¿Qué es GPS?
El GPS o Sistema de Posicionamiento Global aunque sus siglas GPS se han popularizado el producto en el mundo comercial, es un Sistema Global de Navegación por Satélite el cual permite determinar en todo el mundo la posición de un objeto, una persona, un vehículo o una nave, con una precisión hasta de centímetros, aunque lo habitual son unos pocos metros. Aunque su invención se le atribuye a los gobiernos franceses y belga, el sistema fue desarrollado e instalado, y actualmente es operado, por el Departamento de Defensa de los Estados Unidos.

El GPS funciona mediante una red de 27 satélites (24 operativos y 3 de respaldo) en órbita sobre el globo a 20.200 km con trayectorias sincronizadas para cubrir toda la superficie de la Tierra. Las redes satelitales, pueden tomar múltiples configuraciones en función de que tipo de orbita describan los satélites que la forman. Esto determinará cuales son las prestaciones asociadas al sistema, cobertura, velocidad, retardo, coste, movilidad y capacidad de crecimiento.

Cuando se desea determinar la posición, el aparato que se utiliza para ello localiza automáticamente como mínimo cuatro satélites de la red, de los que recibe unas señales indicando la posición y el reloj de cada uno de ellos. Con base en estas señales, el aparato sincroniza el reloj del GPS y calcula el retraso de las señales, es decir, la distancia al satélite. Por "triangulación" calcula la posición en que éste se encuentra.

La triangulación en el caso del GPS, se basa en determinar la distancia de cada satélite respecto al punto de medición. Conocidas las distancias, se determina fácilmente la propia posición relativa respecto a los tres satélites. Conociendo además las coordenadas o posición de cada uno de ellos por la señal que emiten, se obtiene la posición absoluta o las coordenadas reales del punto de medición. También se consigue una exactitud extrema en el reloj del GPS, similar a la de los relojes atómicos que llevan a bordo cada uno de los satélites.

Los satélites cuentan, entre otras cosas, con un transmisor de señales codificadas de alta frecuencia, un sistema de computación y un reloj atómico de cesio, tan exacto que solamente se atrasa un segundo cada 30 mil años.

Existen varios fabricante de estos receptores en el mundo, lo cuales han realizado aportes importantes, permitiendo obtener con precisiones más exactas las coordenadas de aquellos vehículos que cuenten con receptores de GPS instalados. Algunos de estos fabricantes utilizan el protocolo estándar NMEA, otros le agregan nuevas funcionalidades a este protocolo para que su GPS tenga funciones más específicas y sofisticadas, y otros hacen que sus productos trabajen con protocolos que ellos han creado. Entre los fabricantes más importantes de receptores de GPS se encuentran:

  • SiRF
  • Nemerix
  • Evermore
  • Garmin
  • Falcom
  • Globalsat
  • Navman
  • Pharos GPS



    Sistemas de Posicionamiento por Satélite
    Los Sistemas de Posicionamiento por Satélite permiten conocer las coordenadas de un punto dado utilizando señales provenientes de satélites artificiales que se encuentran en órbitas alrededor de la tierra. Estos sistemas son muy precisos puesto que utilizan cronómetros atómicos, los que se encuentran en los satélites, permitiendo obtener la posición requerida de un punto en el orden de los nanosegundos.

    Aunque su creación fue con fines militares también es usado por civiles ya sea para la navegación, transporte, geodésicos, hidrográficos, agrícolas y otras actividades afines. Estos sistemas de posicionamiento basados en satélites funcionan las 24 horas del día y ante cualquier situación climatológica, brindado la información de coordenadas de un punto en cualquier momento.

    Estos basan el cálculo de una posición midiendo las distancias de un mínimo de tres satélites de posición conocida. La precisión de las mediciones de distancia determina la exactitud de la ubicación final. En la práctica, un receptor capta las señales de sincronización de los satélites y las convierte en las distancias respectivas. Con el sistema de mejora de señales locales, se puede lograr una precisión en el orden de centímetros.
    En la actualidad existen dos sistemas de posicionamiento funcionando: GPS de los Estados Unidos y el GLONASS de Rusia. Se encuentra un tercero en fase de desarrollo, el Galileo, perteneciente a la Unión Europea.

    Antecedentes del sistema GPS
    El lanzamiento del satélite espacial estadounidense Vanguard en 1959 puso de manifiesto que la transmisión de señales de radio desde el espacio podría servir para orientarnos y situarnos en la superficie terrestre o, a la inversa, localizar un punto cualquiera en la Tierra.

    Los sistemas anteriores de posicionamiento que empleaban estaciones terrestres de A.M. (Amplitud Modulada) cubrían un área mayor que los de UHF (Frecuencias ultracortas), pero no podían determinar con exactitud una posición debido a las interferencias atmosféricas que afectan a las señales de radio de amplitud modulada y a la propia curvatura de la Tierra que desvía las ondas.

    Sin embargo, no fue hasta 1993 que el Departamento de Defensa de los Estados Unidos de América, basado en la experiencia recogida del satélite Vanguard puso en funcionamiento un sistema de localización por satélite conocido por las siglas en inglés GPS .

    En sus inicios el propio Departamento de Defensa programó errores de cálculo codificados en las transmisiones de los satélites GPS para limitarlo solamente a la actividad militar que sí contaba con decodificadores para interpretar correctamente las señales, pero a partir de mayo de 2000 esta práctica quedó cancelada y hoy en día el sistema GPS se utiliza ampliamente en muchas actividades de la vida civil, aunque no está exento de ser reprogramado de nuevo en caso de cualquier conflicto bélico.

    La primera prueba exitosa del sistema GPS desde el punto de vista práctico como instrumento de ayuda a la navegación, la realizó el trasbordador espacial Discovery en el propio año que se puso en funcionamiento el sistema. Actualmente los satélites GPS pertenecen a una segunda generación denominada Block II.

    Composición de GPS
    Este Sistema Global de Navegación por Satélite lo componen:
    1. Sistema de satélites. Está formado por 24 unidades con trayectorias sincronizadas para cubrir toda la superficie del globo terráqueo. Más concretamente, 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 adosadas a sus costados.

    2. Estaciones terrestres. Envían información de control a los satélites para controlar las órbitas y realizar el mantenimiento de toda la constelación.

    3. Terminales receptores: Indica la posición en la que estamos, conocidas también como Unidades GPS, son las que podemos adquirir en las tiendas especializadas.

    Funcionamiento
    Receptor GPS
    1. La situación de los satélites es conocida por el receptor con base en las efemérides (5 parámetros orbitales Keplerianos), parámetros que son transmitidos por los propios satélites. La colección de efemérides de toda la constelación se completa cada 12 min y se guarda en el receptor GPS.
     
    2. El receptor GPS funciona midiendo su distancia de los satélites, y usa esa información para calcular su posición. Esta distancia se mide calculando el tiempo que la señal tarda en llegar al receptor. Conocido ese tiempo y basándose en el hecho de que la señal viaja a la velocidad de la luz (salvo algunas correcciones que se aplican), se puede calcular la distancia entre el receptor y el satélite.

    3. Cada satélite indica que el receptor se encuentra en un punto en la superficie de la esfera con centro en el propio satélite y de radio la distancia total hasta el receptor.

    4. Obteniendo información de dos satélites se nos indica que el receptor se encuentra sobre la circunferencia que resulta cuando se interceptan las dos esferas.

    5. Si adquirimos la misma información de un tercer satélite notamos que la nueva esfera solo corta la circunferencia anterior en dos puntos. Uno de ellos se puede descartar porque ofrece una posición absurda. De esta manera ya tendríamos la posición en 3-D. Sin embargo, dado que el reloj que incorporan los receptores GPS no está sincronizado con los relojes atómicos de los satélites GPS, los dos puntos determinados no son precisos.

    6. Teniendo información de un cuarto satélite, eliminamos el inconveniente de la falta de sincronización entre los relojes de los receptores GPS y los relojes de los satélites. Y es en este momento cuando el receptor GPS puede determinar una posición 3-D exacta (latitud, longitud y altitud). Al no estar sincronizados los relojes entre el receptor y los satélites, la intersección de las cuatro esferas con centro en estos satélites es un pequeño volumen en vez de ser un punto. La corrección consiste en ajustar la hora del receptor de tal forma que este volumen se transforme en un punto.

    Aplicaciones
    Los GPS inundan el mercado para los usuarios con fines muy diversos; senderismo; montañismo; hasta incluso se ha puesto de moda en los campos de Golf. No obstante, la utilización actual más extendida es su empleo en los vehículos que circulan por carreteras (coches, camiones, autobuses...). Además se usan en:
    1. Navegación terrestre, marítima y aérea. Bastantes coches lo incorporan en la actualidad, siendo de especial utilidad para encontrar direcciones o indicar la situación a la grúa.
    2. Topografía y geodesia. Localización agrícola (agricultura de precisión).
    3. Salvamento.
    4. Deporte, acampada y ocio.
    5. Para enfermos y discapacitados.
    6. Aplicaciones científicas en trabajos de campo.
    7. Geocaching, actividad consistente en buscar "tesoros" escondidos por otros usuarios.
    8. Se lo utiliza para el rastreo y recuperación de vehículos.
    9. Navegación Deportiva
    10. Deportes Aéreos: Parapente, Ala delta, Planeadores, etc.
    11. Existe quien dibuja usando tracks o juega utilizando el movimiento como cursor

    GPS para el coche
    Este uso permite a los conductores un apoyo muy útil a la conducción, especialmente en ciudades o rutas con las que no están familiarizados. Los GPS llevan programas con voz que le dan instrucciones al conductor sobre los movimientos que deben hacer para seguir la ruta correcta (giros, toma de salidas o entradas desde unas vías a otras, etc.); estas indicaciones de voz, permiten al conductor fijar su atención en la carretera. En el caso de existir un copiloto, este puede ver, en todo momento, en la pantalla del GPS, el movimiento continúo del coche o vehículo, indicando en nombre de las calles, vías, etc.
    Algunas de las utilidades del GPS para el coche son:
     
  • Fija la ruta a seguir indicando el punto de origen y destino a través de los mapas que se descargan en el aparato
  • Avisa de los controles y de las limitaciones de velocidad
  • Mediante suscripción también introduce el factor de densidad de tráfico
  • Permite el diseño de rutas alternativas.
  • Entre otras muchas...

    Integración con telefonía móvil
    Algunos teléfonos móviles pueden vincularse a un receptor GPS diseñado a tal efecto. Suelen ser módulos independientes del teléfono que se comunican inalámbricamente vía bluetooth y que le proporcionan los datos de posicionamiento, los cuales son interpretados por un programa de navegación. Esta aplicación del GPS está particularmente extendida en los teléfonos móviles que operan con el sistema operativo Symbian y PDA con el sistema operativo Windows Mobile aunque Nokia lanzo el N95 con un modulo GPS integrado.

    Evolución del sistema GPS
    El GPS está evolucionando hacia un sistema más sólido (GPS III), con una mayor disponibilidad y que reduzca la complejidad de las aumentaciones GPS. Algunas de las mejoras previstas comprenden:
     
  • Incorporación de una nueva señal en L2 para uso civil.
  • Adición de una tercera señal civil (L5): 1176.45 MHz
  • Protección y disponibilidad de una de las dos nuevas señales para servicios de Seguridad Para la Vida (SOL).
  • Mejora en la estructura de señales.
  • Incremento en la potencia de señal (L5 tendrá un nivel de potencia de -154 dB).
  • Mejora en la precisión (1 – 5 m).
  • Aumento en el número de estaciones monitorizadas: 12 (el doble)
  • Permitir mejor interoperabilidad con la frecuencia L1 de Galileo
    El programa GPS III persigue el objetivo de garantizar que el GPS satisfará requisitos militares y civiles previstos para los próximos 30 años. Este programa se está desarrollando para utilizar un enfoque en 3 etapas (una de las etapas de transición es el GPS II) muy flexible, permite cambios futuros y reduce riesgos. El desarrollo de satélites GPS II comenzó en 2005, y el primero de ellos estará disponible para su lanzamiento en 2012, con el objetivo de lograr la transición completa de GPS III en 2017. Los desafíos son los siguientes:
     
  • Representar los requisitos de usuarios tanto civiles como militares en cuanto a GPS.
  • Limitar los requisitos GPS III dentro de los objetivos operacionales.
  • Proporcionar flexibilidad que permita cambios futuros para satisfacer requisitos de los usuarios hasta 2030.
  • Proporcionar solidez para la creciente dependencia en la determinación de posición y de hora precisa como servicio internacional.

    Conclusiones

    La tecnología GPS es bastante conocida, al menos por todo quien tenga algo que ver con la navegación o la seguridad nacional. Unido a sistemas de navegación por instrumentos, permite un nivel muy alto de automatismo en la dirección de las aeronaves. Método similar se emplea en la navegación por mar, y en el viaje por tierra. Obviamente, el sistema se puede emplear para muchas otros usos comerciales.

    Pero además, existen pequeños y elementales GPS personales, del tamaño de una calculadora de bolsillo, que permiten a un viajero saber exactamente dónde se encuentra sin ayuda de ningún otro elemento. De modo que hoy la tecnología ofrece ya la posibilidad de vivir en un mundo en el que es imposible perderse.

    La tecnología GPS revoluciono el campo de las telecomunicaciones, a su vez dieron inicio a un espectro de investigaciones y desarrollo de aplicaciones basadas en el funcionamiento de este dispositivo.

    Es una demostración de que el hombre es capaz de integrar conocimientos diversos y desarrollar nuevas tecnologías para su desarrollo pleno y social, y tener un pretexto para seguir avanzando en la investigación y proponerse metas superiores en el campo de las ciencias.



    DATOS DEL AUTOR
    Tema: Sistema de Posicionamiento Global
    Autor: Osmany Sousa Hernández
    Ingeniero en Telecomunicaciones y Electrónica
    CUJAE
    osmanys@uci.cu
    AÑO 2008


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