INTRODUCCIÓN
La elaboración de mapas o cartografía se ha beneficiado mucho con los avances tecnológicos luego de la Segunda Guerra Mundial.
Algunos de los avances más importantes han sido la utilización de fotografías aéreas y sensores de control remoto, la utilización de ordenadores (computadoras) para el almacenamiento tratamiento de datos y trazado de mapas; dando lugar al uso y desarrollo de un nuevo grupo de instrumentos denominados Sistema de Información Gráfica (SIG) proporcionando infinita información relacionada con la realidad física y las diferentes actividades humanas.
En este presente trabajo desarrollaremos en específico uno de esos tantos avances tecnológicos como lo es el Sistema de Posicionamiento Global denominado comúnmente GPS.
Historia y desarrollo
Los métodos de orientación y localización utilizados con anterioridad al desarrollo del GPS fueron:
Orientación: Hace referencia a la localización de un lugar; está dada por la relación entre la dirección Norte; el Norte Magnético y el Norte de cuadrícula.
Dirección Norte: Dentro de la dirección Norte podemos encontrar las siguientes:
Norte geográfico: (NG) Es la dirección coincidente con la dirección del meridiano geográfico que pasa por el lugar.
Note de Cuadricula: (NC) Es la dirección de las líneas verticales (del cuadriculado) paralelas al meridiano central de la faja.
Norte Magnético: (NMg) Es la dirección coincidente con el meridiano magnético que pasa por el lugar
Declinación Magnética: Es el ángulo que forman las direcciones Norte geográfico con el norte magnético; se cuenta a partir del Norte geográfico; es positiva en el sentido de las agujas del reloj y el valor de este ángulo se encuentra sujeto a variaciones.
Convergencia de meridianos: Es el ángulo que forman las direcciones Norte Geográfico y norte de Coordenadas ó Cuadricula. En nuestro hemisferio es negativa para los puntos situados al este y positiva para los puntos situados al oeste del meridiano de origen.
La convergencia es más grande cuanto más alejados se encuentran los puntos del ecuador es decir es mayor al acercarse al polo y menor al acercarse al ecuador (depende de la latitud).
Se cuenta a partir del norte Geográfico y es positiva en el sentido de las agujas del reloj.
Azimut: Ángulo formado entre el Norte geográfico y una dirección llamada AB. Se cuenta a partir del Norte Geográfico y es positiva en el sentido de las agujas del reloj. (Figura A)
Ángulo de dirección: Está constituido por el ángulo que forma la dirección AB con la dirección Norte de Cuadrícula. Se cuenta con el mismo sentido que el azimut . (Figura A)
Rumbo: Angulo que forman la dirección AB con la dirección Norte Magnético
Surgimiento del GPS:
El geoposicionador utilizando ondas de radio para medir distancias, fue utilizado por primera vez a finales de los años 40 durante el transcurso de la Segunda Guerra Mundial. Este sistemha llamado “HIRAN” determinaba la posición de aviones mediante un proceso de trilateración electrónica permaneciendo hoy en día algunos activos utilizando hojas marítimas como radiofaros (ej: el "LORAN"); auxiliando la localización de navíos.
La primera constelación de satélites artificiales puesta en órbita con la finalidad específica de geoposicionamiento por ondas electromagnéticas emitidas por satélites, fue el sistema NNSS/TRANSIT; originariamente ideado para la navegación.
Estaba compuesto por 8 satélites activos en órbitas polares. Este sistema fue el precesor del GPS manteniéndose activo hasta 1993; pero presentaba errores; ya que no proporcionaba cobertura mundial y el tiempo entre cada pasada era muy extenso.
El GPS NAVSTAR/GPS fue desarrollado para sustituir el sistema TRANSIT.
Este sistema GPS establece la posición; tiempo en que se está trabajando, dirección y velocidad.
El sistema GPS posibilitó utilizar la fase de la onda portadora de banda L (de 1 a 3 Ghz y una longitud de onda de 23 Cm.).
Estaba dirigido por el Departamento de Defensa de Estados Unidos y se creó para reducir los crecientes problemas en la navegación. Al ser un sistema que supera las limitaciones de la mayoría de los sistemas de navegación existentes, el GPS consiguió gran aceptación entre la mayoría de los usuarios.
Desde los primeros satélites, se ha probado con éxito en las aplicaciones de navegación habituales.
Como puede accederse a sus funciones de forma accesible con equipos pequeños y baratos, el GPS ha fomentado muchas aplicaciones nuevas. Así en 1978 comenzó el lanzamiento de los primeros satélites NAVSTAR; sin embargo su popularidad no se dio hasta los años '80 como consecuencia del adelanto tecnológico en la informática.
En Argentina la cartografía está desactualizada e incompleta ; para revertir la situación un equipo de Estadísticas Aplicadas de la Facultad de Ciencias Astronómicas y Geofísicas de la Universidad de la plata pondrá en marcha este proyecto basándose en el sistema de posicionamiento global utilizando distintas escalas en la confección de la cartografía haciendo referencia a las diferentes relaciones entre las mediciones reales y las del mapa.
El sistema GPS fue completado en 1994; posteriormente se comenzó a realizar el cálculo de la red Posgar (Posicionamiento Geodésico Argentino). El fin fue establecer 120 puntos geográficos a lo largo del territorio a modo de “esqueleto”; base sobre la cual cada provincia podría elaborar su propia cartografía.
Esta tarea no sólo consiste en desarrollar técnicas de medición , sino también capacitar a profesionales de las provincias en las nuevas metodologías de medición satelital.
Un caso concreto es la ubicación de un punto GPS que programa el IGM en las cercanías de Bahía Blanca que formará parte de la red Posgar.
Estas gestiones fueron realizadas por el departamento de Ingeniería de la UNS.
Asimismo, los profesionales de todas las disciplinas que necesitan referir sus tareas al sistema de coordenadas adoptado por nuestro país, podrá desarrollar sus trabajos con menor tiempo y esfuerzo, puesto que los puntos más cercanos proyectados con anterioridad estaban ubicados en Coronel Suárez y Abramo (La Pampa).
GENERALIDADES
El GPS es un sistema de navegación basada en 24 satélites que proporcionan posiciones en tres dimensiones, velocidad y tiempo las 24 horas del día, en cualquier parte y bajo cualquier condición climática.
Estos satélites transmiten continuamente datos relativos a su posición y hora exacta.
Al no haber comunicación directa entre el usuario y los satélites, el GPS puede dar servicio a un número ilimitado de usuarios.
Los más económicos cuestan 300 dólares en los Estados Unidos.
El Sistema de Posicionamiento Global esta disponible en dos formas básicas :
a)- Servicio de Posicionamiento Estándar (SPS): que proporciona la posición absoluta de los puntos con una preescisión de 100 metros.
b)- Servicio de Posicionamiento Preciso (PPS): que permite obtener preescisiones mayores a 20 metros, accesible a militares estadounidenses y aliados.
En técnicas de mejor como el GPS diferencial permite a los usuarios alcanzar hasta 3 metros de medición.
El Sistema de Posicionamiento Global consta de tres divisiones: espacio, control y usuario.
La división espacio incluye los satélites y los cohetes Delta que lanzan los satélites desde Cabo Cañaveral, en Florida, Estados Unidos. Los satélites GPS se desplazan en órbitas circulares a 17.440 km de altitud, invirtiendo 12 horas en cada una de las órbitas. Éstas tienen una inclinación de 55° para asegurar la cobertura de las regiones polares. La energía la proporcionan células solares, por lo que los satélites se orientan continuamente dirigiendo los paneles solares hacia el Sol y las antenas hacia la Tierra. Cada satélite cuenta con cuatro relojes atómicos.
La división control incluye la estación de control principal en la base de las Fuerzas Aéreas Falcón, en Colorado Springs, Estados Unidos, y las estaciones de observación situadas en Falcón AFB, Hawai, en la isla de Ascensión en el Atlántico, en Diego García en el océano Índico, y en la isla Kwajalein en el Pacífico sur. Las divisiones de control utilizan las medidas recogidas en las estaciones de observación para predecir el comportamiento de las órbitas y relojes de cada satélite. Los datos de predicción se conectan a los satélites para transmitirlos a los usuarios. La división control también se asegura de que las órbitas de los satélites GPS permanezcan entre los límites y de que los relojes no se alejen demasiado del comportamiento nominal.
La división usuario es un término en principio asociado a los receptores militares. Los GPS militares utilizan equipos integrados en armas de fuego, armamento pesado, artillería, helicópteros, buques, submarinos, carros de combate, vehículos de uso múltiple y los equipos individuales para soldados. Además de las actividades básicas de navegación, su aplicación en el campo militar incluye designaciones de destino, apoyo aéreo, municiones ‘terminales’ y puntos de reunión de tropas.
Estructura del DGPS
Es Una estación monitora que conoce su posición con una precisión muy alta. Esta estación tiene:
Un receptor GPS; Un microprocesador para calcular los errores del sistema GPS y para generar la estructura del mensaje que se envía a los receptores.
Hay un canal de datos unidireccional hacia los receptores, por tanto:
Necesita un transmisor (estación monitora).
Los usuarios necesitarán un receptor para recibir estos datos.
En los mensajes que se envían a los receptores próximos se pueden incluir dos tipos de correcciones:
Una corrección directamente aplicada a la posición; e sto tiene el inconveniente de que tanto el usuario como la estación monitora deberán leer los mismos satélites, pues las correcciones se basan en esos mismos satélites. Una corrección aplicada a las seudo distancias de cada uno de los satélites visibles.
En este caso el usuario podrá hacer la corrección con los 4 satélites de mejor SNR. Esta corrección es más flexible.
El error producido por la disponibilidad selectiva varía incluso más rápido que la velocidad de transmisión de los datos. Por ello, junto con el mensaje que se envía de correcciones también se envía el tiempo de validez de las correcciones y sus tendencias.
Principio de funcionamiento:
El sistema NAVSTAR-GPS se basa en la medida simultánea de la distancia entre el receptor y al menos 4 satélites.
El sistema ofrece las siguientes informaciones:
Posición del receptor.
Referencia temporal muy precisa.
Las distancias entre el receptor y el satélite se obtienen por medio del retardo temporal entre que el satélite envía la señal hasta que el receptor la recibe.
Los métodos de posicionamiento mas usados son el absoluto, el relativo y el diferencial entre otros .
Los satélites del GPS describen órbitas a gran altura sobre la Tierra en ubicaciones precisas. Permiten que el
usuario de un receptor de GPS determine exactamente su latitud; longitud y altitud.
El receptor mide el tiempo que tardan en llegar las señales enviadas desde los diferentes satélites.
A partir de esos datos, el receptor triangula la posición exacta. Se necesitan tres satélites para determinar la latitud y la longitud, mientras que un cuarto satélite es necesario para determinar la altitud.
Tipos de receptores GPS:
Receptor secuencial:
Este tipo de receptor sólo cuenta con un canal.
Sigue secuencialmente a los diferentes satélites visibles.
El receptor permanece sincronizado con cada uno de los satélites al menos 1 segundo. Durante este tiempo adquiere la señal y calcula el retardo temporal.
Extrae el retardo de sólo 4 satélites y a partir de estos calcula la posición. Los satélites que elige son aquellos que tienen mejor SNR.
Estos receptores son:
Los más baratos.
Los más lentos.
Su precisión es menor que la de los otros tipos de receptores.
Suele emplearse en aplicaciones de baja dinámica (barcos, navegación terrestre...)
Receptor continuo o multicanal:
En este caso estos receptores disponen de al menos 4 canales.
A cada canal se le asigna el código de 1 satélite para que se sincronice con él y adquiera el retardo con ese satélite.
Se miden los retardos simultáneamente.
Son más rápidos que los secuenciales a la hora de calcular la posición.
Su precisión también es mejor que en el modelo anterior.
Están recomendados para aplicaciones de gran dinámica (aeronaves).
Tiene la ventaja respecto al receptor continuo de que al emplear 1 sólo canal físico será menos sensible a las posibles variaciones de canal que en el caso de los receptores continuos
Receptor con canal multiplezados:
Posee un único canal físico ( Hardware) con 4 ó más bucles de seguimiento Software. De este modo se deben muestrear todos los satélites visibles; obteniendo su información.
Por la complejidad de software necesitamos un microprocesador más potente; tiene la ventaja respecto al receptor continuo de que al emplear un solo canal físico será menos sensible a las posibles variaciones del canal que en el caso de los receptores continuos los canales no pueden ser exactamente iguales, unos tendrán un retardo distinto al resto.
Los métodos de medición pueden ser los siguientes:
Estático:
Éste método de medición se basa en las observaciones simultáneas entre receptores estacionarios; es necesario como mínimo una hora de observación aunque una sesión más larga mejora su precisión.
Este método se puede utilizar en áreas con movilidad limitado.
Cinemático:
Este método de medición se basa mediante observaciones simultáneas sobre receptores estacionarios y 1 ó más receptores móviles. El tiempo necesario mínimo es de un minuto de ocupación del punto por parte de los móviles; y requiere mantener 4 ó más satélites en constante recepción.
Pseudocinemático:
Este método es múltiple y corto ( 5 a 10 minutos) y realiza simultáneas sesiones de observación que deben repetirse después de cambiar la geometría de los satélites; para ello es necesario como mínimo una hora de observación.
Una de las ventajas es que no es necesario mantener la recepción entre estaciones.
Las operaciones de campo son muy similares al método cinemática; y su procesamiento similar al estático.
Desventajas:
Error instrumental del cálculo de seudo distancias como consecuencia de un error en la medida del retardo temporal de la señal.
El sistema GPS requiere sistemas de medidas de retardo muy precisos.
El reloj del satélite también puede sufrir alguna deriva (al cabo de varios años). El GPS envía al receptor una serie de modelos para corregir estas derivas.
Puede suceder que el receptor sólo sea capaz de recibir las señales de 3 satélites. En este caso se pide al usuario que introduzca la altura y se emplea el GPS en 2D.
La señal tarda unas centésimas de segundo en llegar al receptor, la posición del satélite que hay que considerar para calcular la posición del usuario es la que tenía el satélite en el momento de transmitir la señal.
Actualmente hay dificultad en su uso en ciudades con edificios altos.
La dependencia del GPS es de un único país ;EE.UU.
Las principales fuentes de error son las siguientes:
Error en el cálculo de la posición del satélite.
Inestabilidad del reloj del satélite.
Propagación anormal de la señal (velocidad de propagación no es constante).
Estos errores se corrigen a través de diferentes modelos que son transmitidos en el mensaje de navegación a los usuarios. Veremos como es el ruido del receptor el que se convierte en una de las principales fuentes de error del sistema.
Aplicaciones:
En la actualidad hay 24 satélites GPS en producción, otros están listos para su lanzamiento y las empresas constructoras han recibido encargos para preparar más y nuevos satélites para el siglo XXI.
El sistema ha tenido una buena acogida y se ha generalizado en aplicaciones terrestres, marítimas, aéreas y espaciales.
Navegación Maritima:
El Sistema de Posicionamiento Global Navstar (EUUU) se creó en 1973 para reducir los crecientes problemas en la navegación al superar las limitaciones de la mayoría de los sistemas de navegación existentes.
La navegación militar y civil utiliza la información recibida de distintos satélites para determinar su propia posición.
También se dispone de sistemas de control de seguimiento como elemento de ayuda a la navegación en los vehículos utilizados por excursionistas.
La implantación del el Sistema de Posicionamiento Global ha sido muy rápida ; antes las embarcaciones empleaban el sistema TRANSIT.
Se piensa que en poco tiempo toda la navegación marítima se basará en GPS.
Actualmente también se emplean sistemas hiperbólicos, pero estos sistemas tienden a desaparecer...
El coste del sistema GPS es bajo , además los barcos no requieren receptores de gran calidad; y lo puede usar cualquier embarcación.
En el puerto de Singapur el GPS funciona como rastreador de containeres .
Navegación terrestre:
En este caso hay dos mercados principales:
GPS MAP 180 y Garmin - Automóviles:
Integran el GPS y sistemas gráficos avanzados para proporcionar un sistema de guiado desde un punto de una ciudad a otro evitando atascos...
La gran penetración de este sistema se debe al bajo coste de los receptores
En la actualidad se emplea en aplicaciones profesionales:
Transportes internacionales ,Redes de autobuses , Policia ,Ambulancias
También estamos viendo su aparición en pruebas deportivas como en el caso del ciclismo, donde permite conocer en cada instante y en tiempo real el tiempo que saca un corredor a otro, la pendiente de una rampa de
un puerto....
Los sistemas de control de seguimiento envían camionetas y vehículos de emergencia con información óptima sobre las rutas.
Al aumentar la seguridad y disminuir el consumo de carburante, Se utilizan para mejorar el control del tráfico o tránsito rodado.
En algunas ciudades, la circulación de las principales carreteras se controlan mediante cámaras de vídeo, radares o censores , Un sistema de ordenador/ computadora central analiza la información.
Si la circulación está congestionada o atascada, el flujo de circulación mejora de modo automático ajustando los intervalos de señales de tráfico, controlando el flujo de circulación en las carreteras de acceso a las ciudades o proporcionando información a los conductores mediante señales electrónicas a lo largo de las carreteras.
Los sistemas avanzados de información al conductor están empezando a aparecer en algunos modelos de vehículos como opción. Son sistemas navegacionales en los que los conductores introducen sus destinos. Aparece entonces la mejor ruta posible en forma de mapa electrónico en una pequeña pantalla o en forma de voz sintetizada que ofrece instrucciones durante el viaje. Estos sistemas usan un dispositivo de transmisión/ recepción (contestadores) en el vehículo y un Sistema de Posicionamiento Global, empleando satélites artificiales para determinar la ubicación exacta del vehículo a lo largo de su recorrido.
El sistema Carin (del ingles , Car Information System) funciona como un mapa de consulta y guía de ruta minuciosa y consta de una computadora de abordo, censores en las ruedas y una antena que capta las señales de los satélites de GPS.
Navegación aérea:
El GPS se usa hoy en aeroplanos y barcos para dirigir la navegación en las aproximaciones a los aeropuertos y puertos.
Debido a su mayor complejidad técnica su proceso de instalación ha sido más lento.
Se están desarrollando sistemas GNSS que pretender mejorar los actuales sistemas de gestión de vuelos.
Se están instalando en áreas de bajo tráfico, ya que su uso no está justificado si tenemos en cuenta que ya existe el RADAR.
Como el GPS es un sistema desarrollado por el ejército el desarrollo del GPS en este campo ha sido más rápido que en las aplicaciones civiles.
Agricultura:
El método denominado ‘granja de precisión’ utiliza el GPS para dirigir y controlar la aplicación de fertilizantes y pesticidas .
Aplicaciones militares:
Los GPS militares utilizan equipos integrados en armas de fuego, armamento pesado, artillería, helicópteros, buques, submarinos, carros de combate, vehículos de uso múltiple y los equipos individuales para soldados. Además de las actividades básicas de navegación, su aplicación en el campo militar incluye designaciones de destino, apoyo aéreo, municiones ‘terminales’ y puntos de reunión de tropas.
Una de las aplicaciones es, el Guiado de mísiles ; y constituye una revolución para los sistemas militares
Aplicaciones geodésicas:
Los datos geodésicos suministrados por los satélites estadounidenses Navstar del Sistema de Posicionamiento Global (GPS) ayudan a realizar medidas sísmicas y de los movimientos de la tectónica de placas.
Aplicaciones altimétricas:
El monte Everest se eleva cada año unos pocos milímetros debido a las fuerzas geológicas: así, en mayo de 1999 un grupo de científicos y escaladores de National Geographic que formaban parte de la denominada Expedición del Milenio constataron, con la ayuda de nuevas tecnologías como el Sistema de Posicionamiento Global, que la cumbre era en realidad dos metros más elevada, con lo que alcanzaba los 8.850 m de altitud.
Ciencias geográficas:
Permite situar puntos con gran precisión.
Se pueden construir mapas geográficos mucho más precisos, mejorando los que había hasta ahora ; pues el GPS ofrece una referencia temporal muy exacta.
Lo usan algunos sistemas de transmisión...
Para conseguir la referencia temporal sólo se necesita un satélite, por lo que lo hace muy barato
Aplicaciones en Defensa civil:
Se utiliza para la localización y delimitación de zonas afectadas por grandes catástrofes y guiado de vehículos de auxilio.
Recptores personales:
Como sistema de guiado para invidentes; es decir este sistema colocado en una mochila sirve como lazarillo electrónico para ciegos.
Aplicaciones Futuras:
El Sistema de Posicionamiento Global será el componente clave de los sistemas aeroespaciales internacionales y se utilizará desde el despegue hasta el aterrizaje. Los conductores lo utilizarán como parte de los sistemas inteligentes en carretera y los pilotos para realizar los aterrizajes en aeropuertos cubiertos por la niebla y otros servicios de emergencia ; por otro lado el gobierno Ruso está a punto de completar su propio sistema de posicionamiento satelital ( El Glonass: Sistema de Navegación Global) que se diferencia del GPS en que las señales no se codifican
Conclusión:
Gracias a estos adelantos podemos obtener información precisa y detallada en cuanto a la localización de ciertos elementos .
Además mediante los satélites podemos observar y manejar distintas actividades además de obtener información en el campo militar , de la aviación , aeronáutica, control vehicular y demás aplicaciones. Aunque este sistema presente algunas desventajas es el más preciso en la actualidad y es medianamente accesible para cualquier usuario común.
El GPS está causando un gran impacto tanto en aspectos tecnológicos como económicos.
Bibliografía:
- Diario La Nueva Provincia 1/7/1994 y 9/8/1995
- IGM Apuntes. Introducción al GPS. Bs As 1993 Editorial Diagrama
- http://www.geocities.com/comunicacionessudg/gps 1.htm
- http://www.E.T.S.I Telecomunicación.Univ-de Valladolid.España
- http://www.nautigalia.com.gps/index5htm
- Microsoft Encarta, Enciclopedia Básica 2001
Primo Belardo Sergio Monteiro Soares. GPS Introducción y aplicaciones prácticas. Bs As 1996. Editora e Livraria Luana Ltada.
- Revista Nueva N° 258 23/6/1996
*MÉNDEZ, María de los A./Bahía Blanca/Argentina
[email protected]
