SISTEMA DE POSICIONAMIENTO GLOBAL

GPS

El sistema de posicionamiento global (GPS) es un sistema que permite determinar en toda la Tierra la posición de un objeto (una persona, un vehículo) con una precisión de hasta centímetros (si se utiliza GPS diferencial), aunque lo habitual son unos pocos metros de precisión. El sistema fue desarrollado, instalado y empleado por el Departamento de Defensa de los Estados Unidos. Para determinar las posiciones en el globo, el sistema GPS se sirve de 24 satélites y utiliza la trilateración.

El GPS funciona mediante una red de 24 satélites en órbita sobre el planeta Tierra, a 20 200 km de altura, con trayectorias sincronizadas para cubrir toda la superficie de la Tierra. Cuando se desea determinar la posición, el receptor que se utiliza para ello localiza automáticamente como mínimo tres satélites de la red, de los que recibe unas señales indicando la identificación y la hora del reloj de cada uno de ellos. Con base en estas señales, el aparato sincroniza el reloj del GPS y calcula el tiempo que tardan en llegar las señales al equipo, y de tal modo mide la distancia al satélite mediante el método de trilateración inversa, el cual se basa en determinar la distancia de cada satélite al punto de medición. Conocidas las distancias, se determina fácilmente la propia posición relativa respecto a los satélites. Conociendo además las coordenadas o posición de cada uno de ellos por la señal que emiten, se obtiene la posición absoluta o 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 lleva a bordo cada uno de los satélites.

La antigua Unión Soviética construyó un sistema similar llamado GLONASS, ahora gestionado por la Federación Rusa.

Actualmente la Unión Europea está desarrollando su propio sistema de posicionamiento por satélite, denominado Galileo.

A su vez, la República Popular China está implementando su propio sistema de navegación, el denominado Beidou, que está previsto que cuente con 12 y 14 satélites entre 2011 y 2015. Para 2020, ya plenamente operativo deberá contar con 30 satélites. En abril de 2011 tenían ocho en órbita.

HISTORIA:

La armada estadounidense aplicó esta tecnología de navegación utilizando satélites para proveer a los sistemas de navegación de sus flotas observaciones de posiciones actualizadas y precisas. El sistema debía cumplir los requisitos de globalidad, abarcando toda la superficie del globo; continuidad, funcionamiento continuo sin afectarle las condiciones atmosféricas; altamente dinámico, para posibilitar su uso en aviación y precisión. Esto llevó a producir diferentes experimentos como el Timation y el sistema 621B en desiertos simulando diferentes comportamientos.

Así surgió el sistema TRANSIT, que quedó operativo en 1964, y hacia 1967 estuvo disponible, además, para uso comercial militar. TRANSIT estaba constituido por una constelación de seis satélites en órbita polar baja, a una altura de 1074 km. Tal configuración conseguía una cobertura mundial pero no constante. La posibilidad de posicionarse era intermitente, pudiéndose acceder a los satélites cada 1,5 horas. El cálculo de la posición requería estar siguiendo al satélite durante quince minutos continuamente.

Posteriormente, en esa misma década y gracias al desarrollo de los relojes atómicos, se diseñó una constelación de satélites, portando cada uno de ellos uno de estos relojes y estando todos sincronizados con base en una referencia de tiempo determinado.

En 1973 se combinaron los programas de la Armada y de la Fuerza Aérea de los Estados Unidos (este último consistente en una técnica de transmisión codificada que proveía datos precisos usando una señal modulada con un código de PRN (Pseudo-Random Noise: ruido pseudoaleatorio), en lo que se conoció como Navigation Technology Program (programa de tecnología de navegación), posteriormente renombrado NAVSTAR GPS.

Entre 1978 y 1985 se desarrollaron y lanzaron once satélites prototipo experimentales NAVSTAR, a los que siguieron otras generaciones de satélites, hasta completar la constelación actual, a la que se declaró con «capacidad operacional inicial» en diciembre de 1993 y con «capacidad operacional total» y utilidad civil en abril de 1995.

En 2009, el gobierno de los Estados Unidos ofreció el servicio normalizado de determinación de la posición para apoyar las necesidades de la OACI, y ésta aceptó el ofrecimiento.

CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS Y PRESTACIONES:

El Sistema Global de Navegación por Satélite lo componen:

• Satélites en la constelación: 24 (4 × 6 órbitas)
• Altitud: 20 200 km
• Período: 11 h 58 min (12 horas sidéreas)
• Inclinación: 55 grados (respecto al ecuador terrestre).
• Vida útil: 7,5 años
• Segmento de control (estaciones terrestres)
• Estación principal: 1
• Antena de tierra: 4
• Estación monitora (de seguimiento): 5, Colorado Springs, Hawái, Kwajalein, Isla Ascensión e Isla de Diego García
• Señal RF
• Frecuencia portadora:
• Civil – 1575,42 MHz (L1). Utiliza el Código de Adquisición Aproximativa (C/A).
• Militar – 1227,60 MHz (L2). Utiliza el Código de Precisión (P), cifrado.
• Nivel de potencia de la señal: –160 dBW (en superficie tierra).
• Polarización: circular dextrógira.
• Precisión
• Posición: oficialmente aproximadamente 15 m (en el 95 % del tiempo). En la realidad un GPS portátil monofrecuencia de 12 canales paralelos ofrece una precisión de entre 2,5 y 3 metros en más del 95 % del tiempo. Con el WAAS / EGNOS / MSAS activado, la precisión asciende de 1 a 2 metros.
• Hora: 1 ns
• Cobertura: mundial
• Capacidad de usuarios: ilimitada
• Sistema de coordenadas:
• Sistema Geodésico Mundial 1984 (WGS84).
• Centrado en la Tierra, fijo.
• Integridad: tiempo de notificación de 15 minutos o mayor. No es suficiente para la aviación civil.
• Disponibilidad: 24 satélites y 21 satélites. No es suficiente como medio primario de navegación.

SEÑAL GPS:

Cada satélite GPS emite continuamente un mensaje de navegación a 50 bits por segundo en la frecuencia transportadora de microondas de aproximadamente 1.600 MHz. La radio FM, en comparación, se emite a entre 87,5 y 108,0 MHz y las redes Wi-Fi funcionan a alrededor de 5000 MHz y 2400 MHz. Más concretamente, todos los satélites emiten a 1575,42 MHz (esta es la señal L1) y 1227,6 MHz (la señal L2).

La señal GPS proporciona la “hora de la semana” precisa de acuerdo con el reloj atómico a bordo del satélite, el número de semana GPS y un informe de estado para el satélite de manera que puede deducirse si es defectuoso. Cada transmisión dura 30 segundos y lleva 1500 bits de datos codificados. Esta pequeña cantidad de datos está codificada con una secuencia pseudoaleatoria (PRN) de alta velocidad que es diferente para cada satélite. Los receptores GPS conocen los códigos PRN de cada satélite y por ello no sólo pueden decodificar la señal sino que la pueden distinguir entre diferentes satélites.

Las transmisiones son cronometradas para empezar de forma precisa en el minuto y en el medio minuto tal como indique el reloj atómico del satélite. La primera parte de la señal GPS indica al receptor la relación entre el reloj del satélite y la hora GPS. La siguiente serie de datos proporciona al receptor información de órbita precisa del satélite. 

EVOLUCIÓN DEL SISTEMA GPS:

• 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 de monitorización: 12 (el doble)
• Permitir mejor interoperabilidad con la frecuencia L1 de Galileo

El programa GPS III persigue el objetivo de garantizar que el GPS satisfaga requisitos militares y civiles previstos para los próximos 30 años. Este programa se está desarrollando para utilizar un enfoque en tres 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.

El sistema ha evolucionado y de él han derivado nuevos sistemas de posicionamiento, como sistemas de posicionamiento dinámicos, un sistema de captura de datos, que permite al usuario realizar mediciones en tiempo real y en movimiento, el llamado Mobile Mapping. Este sistema obtiene cartografía móvil 3D basándose en un aparato que recoge un escáner láser, cámaras métricas, un sensor inercial (IMU), sistema GNSS y un odómetro a bordo de un vehículo. Se consiguen grandes precisiones, gracias a las tres tecnologías de posicionamiento: IMU + GNSS + odómetro, que trabajando a la vez dan la opción de medir incluso en zonas donde la señal de satélite no es buena.

FUNCIONAMIENTO:

La información que es útil al receptor GPS para determinar su posición se llama efemérides. En este caso cada satélite emite sus propias efemérides, en la que se incluye la salud del satélite (si debe o no ser considerado para la toma de la posición), su posición en el espacio, su hora atómica, información doppler, etc.

Mediante la trilateración se determina la posición del receptor:

• 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.
• Obteniendo información de dos satélites queda determinada una circunferencia que resulta cuando se intersecan las dos esferas en algún punto de la cual se encuentra el receptor.
• Teniendo información de un tercer satélite, se elimina 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 3D exacta (latitud, longitud y altitud).

INTEGRACIÓN CON TELEFONÍA MÓVIL:

Actualmente dentro del mercado de la telefonía móvil la tendencia es la de integrar, por parte de los fabricantes, la tecnología GPS dentro de sus dispositivos. El uso y masificación del GPS está particularmente extendido en los teléfonos móviles smartphone, lo que ha hecho surgir todo un ecosistema de software para este tipo de dispositivos, así como nuevos modelos de negocios que van desde el uso del terminal móvil para la navegación tradicional punto-a-punto hasta la prestación de los llamados Servicios Basados en la Localización (LBS).

Un buen ejemplo del uso del GPS en la telefonía móvil son las aplicaciones que permiten conocer la posición de amigos cercanos sobre un mapa base. Para ello basta con tener la aplicación respectiva para la plataforma deseada (Android, Bada, IOS, WP, Symbian) y permitir ser localizado por otros.

APLICACIONES A EN LA VIDA DIARIA:

CIVILES:

• Navegación terrestre (y peatonal), marítima y aérea. Bastantes automóviles lo incorporan en la actualidad, siendo de especial utilidad para encontrar direcciones o indicar la situación a la grúa.
• Teléfonos móviles
• Topografía y geodesia.
• Construcción (Nivelación de terrenos, cortes de talud, tendido de tuberías, etc).
• Localización agrícola (agricultura de precisión), ganadera y de fauna.
• Salvamento y rescate.
• Deporte, acampada y ocio.
• A.P.R.S. Aplicación parecida a la gestión de flotas, en modo abierto para Radioaficionados
• Para localización de enfermos, discapacitados y menores.
• Aplicaciones científicas en trabajos de campo (ver geomática).
• Geocaching, actividad deportiva consistente en buscar "tesoros" escondidos por otros usuarios.
• Para rastreo y recuperación de vehículos.
• Navegación deportiva.
• Deportes aéreos: parapente, ala delta, planeadores, etc.
• Existe quien dibuja usando tracks o juega utilizando el movimiento como cursor (común en los GPS Garmin).
• Sistemas de gestión y seguridad de flotas.

MILITARES:

• Navegación terrestre, aérea y marítima.
• Guiado de misiles y proyectiles de diverso tipo.
• Búsqueda y rescate.
• Reconocimiento y cartografía.
• Detección de detonaciones nucleares.