Republica Bolivariana de Venezuela

Estudios Virtuales

Cátedra: Equipos de Posicionamiento por Satélite

 

 

 

Participante: Mirelys M. Petit Cedeño

 

 

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.

Desde tiempos muy remotos se puede observar que la importancia de contar con mecanismos de localización y navegación era vital. Grandes personajes de la historia mundial, navegantes en su totalidad, no contaban con mapas muy exactos para ubicar su destino, los cuales tenían que recurrir a la única forma de orientación, los astros.

Con el descubrimiento de la electricidad y posteriormente, el descubrimiento de las ondas electromagnéticas se logró la transmisión de información a grandes distancias sin la necesidad de cables. Los primeros intentos por buscar un mecanismo de localización por medio de ondas electromagnéticas, se basó en el principio básico de calcular distancias en relación al tiempo de travesía de la señal y la velocidad de la luz, basándose en antenas transmisoras de corto alcance.

Este método a pesar de ser aproximado tenía una gran desventaja, tenía una cobertura 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. Este proyecto se inicia en el  año 1978, y es allí cuando 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.

Principio de la Medida.

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. Aunque pueda parecer improbable, la idea general detrás del GPS es utilizar los satélites en el espacio como puntos de referencia para ubicaciones aquí en la tierra.

 

La gran idea, Geométricamente, es:

 

Supongamos que medimos nuestra distancia al primer satélite y resulta ser de 11.000 millas (20.000 Km)

 

Ver Figura 1

 

Sabiendo que estamos a 11.000 millas de un satélite determinado, no podemos por lo tanto estar en cualquier punto del universo sino que esto limita nuestra posición a la superficie de una esfera que tiene como centro dicho satélite y cuyo radio es de 11.000 millas.

A continuación medimos nuestra distancia a un segundo satélite y descubrimos que estamos a 12.000 millas del mismo.

Esto nos dice que no estamos solamente en la primera esfera, correspondiente al primer satélite, sino también sobre otra esfera que se encuentra a 12.000 millas del segundo satélite. En otras palabras, estamos en algún lugar de la circunferencia que resulta de la intersección de las dos esferas

 

Ver Figura 2

 

Si ahora medimos nuestra distancia a un tercer satélite y descubrimos que estamos a 13.000 millas del mismo, esto limita nuestra posición aún más, a los dos puntos en los cuales la esfera de 13.000 millas corta la circunferencia que resulta de la intersección de las dos primeras esferas.

 

Ver Figura 3

 

O sea, que midiendo nuestra distancia a tres satélites limitamos nuestro posicionamiento a solo dos puntos posibles.

Para decidir cual de ellos es nuestra posición verdadera, podríamos efectuar una nueva medición a un cuarto satélite. Pero normalmente uno de los dos puntos posibles resulta ser muy improbable por su ubicación demasiado lejana de la superficie terrestre y puede ser descartado sin necesidad de mediciones posteriores.

Veamos ahora como el sistema mide las distancias a 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. 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.

Mensaje de Navegación.

Información sobre cada satélite de la constelación NAVSTAR, modulado sobre las portadoras L1 y L2 a una frecuencia de 10.23 Mhz y transmitido a una velocidad de 50 bits/s, su duración es de 12 min 30 segundos. Los datos aparecen estructurados en 25 grupos, cada uno de los cuales consta de 5 celdas, en las cuales la información que se adjunta consiste básicamente en el estado del reloj en la escala de tiempo GPS, efemérides radiodifundidas, modelos de la ionosfera para usuarios monofrecuencia y almanaque.

El mensaje de navegación está constituido por los siguientes elementos:

·         Efemérides (son los parámetros orbitales del satélite).

·         Información del tiempo (horario) y estado del reloj del satélite.

·         Modelo para corregir los errores del reloj del satélite.

·         Modelo para corregir los errores producidos por la propagación en la ionosfera y la troposfera.

·         Información sobre el estado de salud del satélite.

·         Almanaque, que consiste en información de los parámetros orbitales (constelación de satélites).

Se transmite a un régimen binario de 50 bps y se tarda 12.5 min en enviarlo completamente.

 

Su estructura se detalla a  continuación:

 

Consiste en una supertrama compuesta de 25 tramas de 1500 bits. A su vez, cada una de estas tramas se divide en 5 subtramas de 300 bits cada una. Cada subtrama contiene 10 palabras de 30 bits cuyo significado es el siguiente: mensaje de telemetría (TLM), palabra HOW, correcciones a los relojes de los satélites, vigencia de las correcciones impuestas al reloj (AODC), retardo de grupo (TGD) para evitar el efecto de la propagación ionosférica, posición exacta del satélite, predicciones de los parámetros futuros, vigencia de los datos del almanaque (AODE), mensajes especiales y datos de almanaque global. Las dos primeras palabras son generadas por cada satélite, mientras que el resto se generan desde el centro de control del sistema GPS.

El almanaque recoge los parámetros orbitales aproximados de todos los satélites, describiendo sus órbitas en períodos de tiempo prolongados (útiles durante meses en muchos casos). La información dura un total de 150 segundos (7500 bits), pero dado que sólo se incluye una palabra por trama (6 segundos), son necesarias 25 tramas para transmitir el almanaque completo. Así pues, un receptor necesita de 12,5 minutos para obtener el almanaque, aunque dado que su validez se estima en unos 6 meses, su utilidad no es importante si se usa el equipo habitualmente.

 

Ver Figura 4

 

Cuenta Doppler Integrada.

El fenómeno físico llamado efecto Doppler, es la magnitud del cambio de frecuencia, que es función de la distancia al satélite. El fenómeno consiste en que cuando un transmisor (satélite) se acerca a un receptor, la señal recibida en el receptor tiene una frecuencia mayor que la transmitida. Al alejarse el satélite de la estación receptora, la frecuencia disminuye respecto a la frecuencia emitida. Si se conoce  la frecuencia de transmisión, la órbita del satélite y el tiempo preciso de la observación, puede calcularse la posición de la estación receptora.

            La primera generación de sistemas de levantamiento por satélite (década 1970) operó con el efecto Doppler y utilizó los satélites de navegación de la marina de los EE.UU llamados “Transit”. Este sistema fué el precursor del sistema GPS,  y en el mismo los receptores colocados en estaciones terrestres, medían cambios en las frecuencias de señales de radio transmitidas desde satélites operando en órbitas polares a altitudes de alrededor de 1075 Km de altura.

Interpretación Geométrica y Matemática.

El efecto Doppler es el cambio de frecuencia de las ondas, ya sean sonoras, luminosas o de cualquier otro tipo, cuando el emisor de las ondas se acerca o se aleja del observador

A partir de la observación del movimiento del emisor, del observador y de los sucesivos frentes de onda, se obteniene la fórmula que describe el efecto Doppler.

Ver Figura 5

Ver Figura 6

En la parte superior de la figura, tenemos dos señales, que pueden corresponder a dos picos consecutivos de una onda armónica, separados un periodo P. En la parte inferior, los dos puntos coloreados representan las posiciones del emisor (en rojo) y del observador (en azul). En el instante inicial t=0 en el que se emite la primer señal, el emisor y el observador están separados una distancia d desconocida, que no afecta al fenómeno en cuestión.

La primera señal es recibida por el observador en el instante t. La señal se desplaza el camino marcado en trazo grueso negro en la parte superior de la figura, desde que se emite hasta que se recibe, podemos por tanto, escribir la ecuación

vs·t=d+vO·t

La segunda señal se emite en el instante, y se recibe en el instante. En el intervalo de tiempo entre la primera y la segunda señal, el emisor se desplaza. La segunda señal recorre desde que se emite hasta que se recibe, el camino señalado en trazo grueso negro en la parte inferior de la figura.

Eliminando la cantidad desconocida entre las dos ecuaciones, relacionamos el periodo de las ondas recibidas, con el periodo de las ondas emitidas.

Teniendo en cuenta que la frecuencia es la inversa del periodo, obtenemos la relación entre frecuencias, o fórmula del efecto Doppler.

Exactitud  de las Situaciones.

La exactitud del sistema GPS es muy alta, si el receptor tiene una visión clara del cielo y lo tenemos bien orientado, podemos llegar a tener entre 4 y 6 metros de margen de error. La EPE nos muestra el margen de error en metros, este dato lo calcula el software del receptor en base a la geometría del sistema GPS y a la precisión del reloj interno del receptor.

Ver Figura 7

El circulo de color gris, que rodea la flecha que representa nuestra posición, nos indica la EPE.

 Nos puede suceder, y de hecho es algo normal, que dos receptores idénticos, puestos uno frente al otro, nos den una posición distinta. Esto es debido a varios factores como el reloj interno de cuarzo, el ruido de la señal y la geometría de los satélites. Esto no quiere decir que no nos podamos fiar de nuestro receptor, ya que la diferencia es mínima.

Los equipos profesionales son mucho más exactos y mucho más caros.

Otro dato a tener en cuenta es que el agua atenúa la señal de radio y en zonas de bosque frondoso y húmedo, después de llover, la señal se recibe con peor calidad ya que las ondas de radio son absorbidas por las gotas de agua procedentes de la lluvia. Lo mismo sucede con todos los tejidos orgánicos que contienen agua, como el cuerpo humano, por lo que es importante mantener el receptor alejado del cuerpo, para que no interfiera con la señal de radio.

           Otro aspecto a tomar en cuenta es el siguiente: El sistema GPS fue diseñado y desarrollado para aplicaciones militares, por lo que los receptores que podemos encontrar en el mercado son para uso civil, es entonces cuando el Departamento de Defensa de los EEUU necesitaba tener una manera de limitar esa exactitud para prevenir que esta tecnología fuera usada de una manera no pacífica.

Para limitar su exactitud se incorporaron errores aleatorios a la señal, es decir, que los receptores civiles (no los militares) están sujetos a una degradación de la precisión, en función de las circunstancias geoestratégicas y geopolíticas del momento, que queda regulada por el Programa de Disponibilidad Selectiva del DoD de los EEUU o SA (Selective Availability). De todo ello se deduce que, habitualmente, los receptores GPS tienen un error nominal en el cálculo de la posición de aprox. 15 m. que pueden aumentar hasta los 100 m. cuando el DoD lo estime oportuno.

Si la utilización que fuéramos a dar a nuestro receptor GPS requiriese más precisión aún, casi todas las firmas disponen de dispositivos opcionales DGPS (GPS Diferencial) que disminuyen el error hasta un margen de 1 a 3 metros. El DGPS consiste en instalar un receptor GPS en una situación conocida, de tal manera que este GPS dará errores de situación al compararlos con su exacta situación, y así poder determinar cual es el factor de error que está introduciendo cada satélite. Esta información se envía vía radio en una frecuencia determinada que puede ser captada por un receptor diferencial que la introducirá en nuestro GPS (preparado para DGPS) y éste calculará nuestra nueva posición teniendo en cuenta este factor de error.

Precisión del Sistema GPS

La precisión es muy variable, dependiendo fundamentalmente del equipo elegido y del método de trabajo seleccionado, sin entrar en detalles de los equipos y de los métodos de trabajo, las precisiones son las siguientes:

Observable: Código ▼

CÓDIGO

MÉTODO

PRECISIÓN

 

 

S/A OFF

S/A ON

P

Autónomo

3 m

30 m

C/A

Autónomo

15-20 m

100 m

C/A

Diferencial

2,5 m

--

C/A

Submétrico

30-70 cm

--

Observables: Código C/A y fase L1 ▼

Observables: Código C/A, fase L1 y fase L2 ▼

SV: Satélites (SV, Spacial Vehicle).

LB: línea base.

Las precisiones y los tiempos de observación dependen de las líneas base.

Fuentes de Error.

Los errores del sistema GPS son una combinación de ruido, desajustes y espúreas. Los errores por ruido son efecto de ruido del código PRB (alrededor de un metro) y ruido en el receptor (un metro aproximado). Los errores por desajuste son resultado de la disponibilidad selectiva y otros factores.

 

Disponibilidad Selectiva

 

Desde la creación del sistema hasta el 1 de mayo de 2000 el sistema GPS incorporaba un error intencionado la disponibilidad selectiva (SA selective Availability).

 La disponibilidad selectiva es la degradación intencionada que de las señales del servicio de posicionamiento estándar (SPS) mediante variaciones en los datos de corrección de reloj. La disponibilidad selectiva está controlada por el Departamento de defensa de los estados unidos para limitar la precisión a los usuarios no pertenecientes al gobierno o defensa estadounidenses. La precisión potencial del código C/A de 30 metros es reducida hasta 100 metros (dos desviaciones estándar).

El desvío de relojes por la disponibilidad selectiva es diferente para cada satélite, por lo que la posición resultante viene en función de los errores combinados de los datos de los satélites que se hayan utilizado en el cálculo de la posición. Debido a que los desvíos cambian paulatinamente en unas horas, los cálculos de posición o los pseudo-rangos no se pueden promediar en periodos inferiores a unas horas. Se deben aplicar correcciones diferenciales con un ratio menor que el tiempo de correlación de disponibilidad selectiva (y otros errores de sincronismos).

A partir de mayo de 2000 la disponibilidad selectiva ha cambiado en su funcionamiento, al principio se trataba de un error global (para todos los usuarios civiles) pero después de esta fecha el gobierno USA mantendrá el máximo de la precisión constantemente salvo en las zonas o momentos en que por razones de seguridad así se requiera, de forma que puede activar la D.S. de forma focalizada.

 

Otras fuentes de error

 

Los errores de los relojes de los satélites no corregidos por las estaciones de control de tierra pueden originar errores de 1 metro.

Los errores en efemérides pueden producir 1 metro de error.
Retardos troposféricos, 1 metro. La troposfera es la capa más baja de la atmósfera (desde la superficie hasta entre 8 y 13 Km), esta capa esta afectada por cambios de temperatura, presión y humedad asociados a cambios meteorológicos. Se requieren modelos de los retardos troposféricos que aproximen estos parámetros.
Retardos por la ionosfera, 10 metros. La ionosfera es la capa de la atmósfera que va desde los 50 hasta 500 Km de altura y consiste en aire ionizado. El modelo de transmisión para esta capa, que es enviado en la trama de datos, sólo puede eliminar la mitad de los posibles 70ns dejando un residuo que puede dar errores de 10 metros. Los receptores que usan las portadoras L1 y L2 pueden corregir todo el error.
Multicamino: ½ metro. El multicamino es causa por la reflexión de las señales en superficies próximas al receptor y puede interferir o producir errores en las señales que llegan directamente desde los satélites al receptor.

El error por multicamino es muy difícil de detectar y en ocasiones es imposible de evitar.

Las espúreas pueden producir errores de cientos de kilómetros.

Errores en el segmento de control debido a fallos humanos o de computación pueden causar errores desde un metro a cientos de kilómetros.

Errores de usuario, incluyendo la selección de un Datum geodésico erróneo, pueden causar errores desde uno hasta unos cientos de metros.

Errores en el receptor debidos a fallos de programa o del hardware pueden producir errores esporádicos de cualquier magnitud.

Ruido y desvío de relojes, pueden resultar en errores de alrededor de los 15 metros para cada satélite utilizado en cálculo de la posición.

Dilución Geométrica de la Precisión (GDOP) y visibilidad.

Los errores del GPS se ven incrementados por las diferencias de los vectores entre el receptor y los satélites. El volumen del prisma descrito por los vectores desde el receptor a los satélites utilizados en  el cálculo de la posición es inversamente proporcional a la GDOP.

Un GDOP pobre (con un valor alto) representando un volumen pequeño del prisma, aparece cuando los ángulos desde el receptor a los distintos satélites utilizados en el cálculo son similares.

 

Un GDOP bueno, un valor pequeño representando un volumen del prisma grande, se consigue cuando los ángulos desde el receptor a los distintos satélites son distintos.

 

El GDOP es calculado a partir de las relaciones geométricas entre el receptor y  los satélites que el receptor utiliza para la navegación. Para propósitos de planificación a menudo se calcula el GDOP a partir del almanaque y de la posición estimada del receptor. Sin embargo, el GDOP no tiene en cuenta los objetos que puedan bloquear la señal que los satélites transmiten al receptor. El GDOP estimado no puede ser utilizado en la práctica.

 

Para evitar la oclusión de las señales, la GDOP se calcula utilizando los satélites que realmente son visibles.

En general los errores de rango de las señales de los satélites se ven multiplicado por el valor de GDOP  para estimar la posición resultante o el error en el tiempo. El valor GDOP (ECEF XYZ DOP) puede ser rotado en un sistema Norte-Este-Abajo (NED North-East-Down) para producir valores de dilución de la posición en los planos vertical y horizontal.

 

Componentes GDOP

PDOP

Position Dilution of Precision (3-D),  a menudo la DOP esférica.

HDOP

Horizontal Dilution of Precision (Latitud, Longitud). 

VDOP

Vertical Dilution of Precision (Altura).

TDOP

Time Dilution of Precision (Tiempo)

 

Mientras que cada uno de estos componentes GDOP puede ser calculado individualmente, ellos son calculados a partir del mismo GDOP y no son independientes entre sí. Por ejemplo un TDOP muy alto causará errores en el reloj que finalmente puede causar errores en la posición.

Disolución de la Precisión.

Contribución puramente geométrica a la incertidumbre de un posicionamiento. Las mediciones de los satélites pueden ser mejores o peores dependiendo de qué satélites se empleen para efectuar una medición de posición, ya que dependiendo de los ángulos relativos en el espacio la geometría puede aumentar o disminuir la incertidumbre, al no ser realmente las distancias medidas valores exactos, sino que se ven afectadas de unos posibles errores que hacen que estén definidas dentro de una banda de incertidumbre. Así, el lugar geométrico de puntos a una determinada distancia del satélite es en realidad una esfera "difusa". Como la posición del usuario quedaba definida por la intersección de dichas esferas ya no será un único punto sino un cierto volumen.

Ver Figura 8

         La DOP es un valor adimensional que describe la 'solidez' de la figura observable distanciométricamente, constituida por el receptor y los vectores que determina el receptor con los satélites a la vista. Su valor ideal es uno, pero aumenta si la geometría empeora, pudiéndose producir una situación en la que habiendo suficientes satélites a la vista, deba suspenderse la observación porque la DOP supere un valor establecido como puede ser 6 (el que habitualmente se emplea). Así pues la DOP es un factor por el que se multiplica el error cometido en las determinaciones de las distancias a los satélites para establecer el error final de posicionamiento.

Ver Figura 9

Eliminación por USA de la Disponibilidad Selectiva en los GPS.

Degradación introducida deliberadamente por el Sector de Control de GPS, controlada a través del Plan Federal de Radionavegación de EEUU, para reducir la precisión en los posicionamientos con GPS. La degradación se produce al introducir modificaciones en la información contenida en el mensaje de navegación correspondiente al estado de los osciladores atómicos de los satélites, parámetros orbítales de la constelación e incremento en el ruido de la fase. Desde el 1 de mayo de 2000 la disponibilidad selectiva se encuentra desactivada, con lo cual se ha incrementado la precisión que obtiene en posicionamiento un receptor autónomo.

 

En 1996 la administración de los estados unidos creo el Comité Ejecutivo Interdepartamental de GPS ( IGEB Interagency GPS Executive Board), comité formado por miembros del Departamento de Estado, Comercio, Interior, Agricultura y Justicia y NASA con la intención del control, supervisión y explotación del Sistema GPS.

Desde su creación y debido a la presión de los departamentos de Comercio, Agricultura y Justicia se ha estado estudiando la posibilidad de eliminar el sistema de disponibilidad selectiva. El uso masivo del sistema para todo tipo de actividad y la precisión  alcanzada mediante los sistemas de corrección diferencial restaban validez a la D.S. por lo que  a partir de las 24 h. del 1 de mayo de 2000 se mandó la orden de desactivar el error S.A. a los satélites GPS.

COMPARATIVAS DE FUNCIONAMIENTO

    Observaciones del centro de control de Colorado Springs durante el 2 de mayo de 2000.
 

Ver Figura 10

 

Comparaciones del departamento de vigilancia geodésica de U.S.A.

Ver Figura 11

 

Ver Figura 12

 

La decisión de suspender la SA es la última medida tomada en un intento de conseguir un mayor interés por el GPS de los usuarios civiles y comerciales de todo el mundo. Existen planes de modernizar el GPS añadiéndole dos nuevas señales para realzar su uso comercial y civil. Esta iniciativa está en marcha y el presupuesto favorecerá una modernización mediante la incorporación de algunas de estas características en 18 satélites adicionales que o bien están a la espera para ser puestos en órbita o bien están en fase de construcción.

Originalmente desarrollado por el Departamento de Defensa como un sistema militar, el GPS ha llegado a tener una utilidad global. Esto beneficia a usuarios de todo el mundo en aplicaciones muy diversas que incluyen tierra, aire, marina, ferrocarril, telecomunicaciones, respuesta a emergencias, exploraciones petroleras, minería y muchas más. Los usuarios civiles comprobarán una drástica mejora en la precisión de su GPS gracias a la eliminación de la SA. Por ejemplo, los equipos de emergencia que responden a una llamada de auxilio ahora pueden determinar en que lugar de la autopista se ha efectuado esa llamada, con el consiguiente ahorro de tiempo. Este aumento de precisión permitirá a las nuevas aplicaciones basadas en el GPS emerger de nuevo y realzar las vidas de la gente en todo el mundo.

Conclusiones

Podemos entender el GPS como un sistema que nos facilita nuestra posición en la tierra y nuestra altitud, con una precisión casi exacta, incluso en condiciones meteorológicas muy adversas. Es muy importante entender que el cálculo de la posición y la altitud no se hace a partir de los datos de sensores analógicos de presión, humedad o temperatura (o una combinación de éstos) como en los altímetros o altímetros-barómetros analógicos, o incluso como en los más sofisticados altímetros digitales, sino que se hace a partir de los datos que nos envía una constelación de satélites en órbita que, a pesar de ser simples como satélites, nos proporcionan la fiabilidad de hacer uso de la tecnología más sofisticada y precisa de la que el hombre dispone actualmente. También debemos reparar en el hecho de que la evolución de ésos datos analógicos que, en efecto, nos van a ser muy útiles para prever los cambios atmosféricos y las condiciones ambientales para el desarrollo de la actividad que llevemos a cabo, son de una fiabilidad relativa para calcular nuestra posición y altitud exactas. Podemos elaborar nuestras rutas sobre mapas, registrando en el dispositivo los puntos por los que queremos, o debemos pasar y, sobre el terreno, activando esa ruta, una pantalla gráfica nos indicará si estamos sobre el rumbo correcto o nos estamos desviando en alguna dirección; o utilizar la misma función en rutas reversibles, es decir, ir registrando puntos por lo que vamos pasando para luego poder volver por esos mismos puntos con seguridad. Con todos estos datos, además podemos deducir la velocidad a la que nos estamos desplazando con mayor precisión, mientras mantenemos nuestro rumbo en línea recta, o deducir la velocidad a la que nos hemos desplazado.

Glosario

Almanaque

Información enviada de forma períodica por los satélites de la constelación, informando sobre ellos mismos y el resto de satélites miembros del sistema, su nivel de salud, etc. Esta información suele variar con poca frecuencia, de año en año. En marzo de 2005, cuando escribo este documento, la última actualización del almanaque es de diciembre de 2004.

EPE : Es la Estimación de Error de Posición. Está expresada en metros y el receptor la calcula en base a la exactitud del reloj interno y a la geometría del sistema. La EPE es aproximada y optimista, pero nos da una idea de lo que sucede.

Efemérides

Información enviada por los satélites, dando la posición precisa de los mismos. Esta información sí cambia frecuentemente, siendo actualizada por las estaciones de seguimiento de la Tierra. Los parámetros orbitales de los satélites se van actualizando a medida que su movimiento se ve alterado por la atracción del Sol y la Luna, la diferencia de gravedad entre distintas zonas de la corteza terrestre, viento solar, etc. Un período de cambio típico sería de 4 horas.

Constelación

El conjunto de los satélites GPS. También el conjunto de satélites de la constelación visibles desde una posición dada.

Adquisición

Se denomina así a la operación realizada por la unidad GPS para poder acceder a la información (incluyendo tiempo) y la posición de los satélites. La operación puede resultar más o menos costosa en tiempo y recursos (batería), como describiré más adelante.

Un detalle importante es que la calidad y la potencia de las señales de los satélites requeridas para poder realizar la adquisición es bastante superior a la que precisa una vez en funcionamiento.

Por ejemplo, se puede requerir una antena exterior para completar la adquisición y desconectarla posteriormente. Esto puede ser interesante si se trata de una antena activa, que consume energía eléctrica o una antena aparatosa y difícil de llevar.

Fix

Una "posición" proporcionada por una unidad GPS. Es decir, cada una de las medidas de posición que nos ofrece.

2D fix

El sistema GPS permite obtener posiciones en el espacio tridimensional. Pero para ello se requiere tres satélites y un reloj local extremadamente preciso (un reloj atómico) o, sencillamente y lo habitual, cuatro satélites a la vista.

Si solo disponemos de tres satélites, se puede obtener una posición (latitud/longitud) si suponemos que estamos en la superficie terrestre, a nivel del mar. Si no es el caso (por ejemplo, estamos en una montaña), la posición obtenida puede ser muy imprecisa.

Dado que la posición obtenida en estos casos sólo es válida si nos movemos en un entorno bidimensional (latitud y longitud, exclusivamente), la posición así proporcionada se denomina 2D fix.

3D fix

Si tenemos a la vista cuatro o más satélites, podemos proporcionar una posición tridimensional precisa. Tenemos, por lo tanto, un 3D fix.

Si hay a la vista más satélites, una unidad GPS de buena calidad utilizará aquellos que geométricamente nos proporcionan una posición más precisa. En teoría eso supone tres satélites a nivel del horizonte, separados por 120 grados, y otro satélite sobre nuestro cénit. Si hay más satélites, se pueden utilizar también para mejorar la precisión del Fix.

Pero los satélites cercanos al horizonte son ocultados con mucha falicidad por cualquier obstáculo, además de estar sujetos a una mayor dispersión troposférica y a multitrayecto, por lo que los receptores GPS suelen exigir un mínimo de altura (entre 5 y 15 grados) sorbe el horizonte para utilizar un satélite.

Hay que recordar que el sistema GPS, por diseño, proporciona una mayor precisión horizontal que vertical. El error asociado a la posición vertical suele ser en torno al doble de la horizontal.

DOP

Dilution of Precision. Esta imprecisión está derivada de la geometría de los satélites respecto al receptor GPS. Dado que sus órbitas son conocidas (almanaque), existen algoritmos para calcular las diferentes DOP, tanto en tiempo real como con antelación.

GDOP

Geometric Dilution of Precision. Constituída por cuatro componentes: tiempo, posición horizontal, posición vertical y posición tridimensional.

PDOP

Position Dilution of Precision. Se trata de la imprecisión tridimensional. Es inversamente proporcional al area del polígono delimitado por las intersecciones de las líneas de visión a los satélites con una esfera centrada en el observador.

Por lo tanto, las peores posiciones son aquellas con los satélites muy cerca en el cielo, o situados en línea.

HDOP

Horizontal Dilution of Precision. Imprecisión en el plano de superficie.

VDOP

Vertical Dilution of Precision. Imprecisión en la posición vertical.

TDOP

Time Dilution of Precision. Imprecisión en el tiempo.

CEP

Circular Error Probability. Radio del círculo dentro del cual caen el 50% de las medidas horizontales.

SEP

Spheric Error Probability. Radio de la esfera dentro del cual caen el 50% de las medidas tridimensionales.

Arranque autónomo

Si se activa una unidad GPS sin que ésta tenga un almanaque actualizado, ni unas efemérides, debe descargar ambas cosas de los satélites. El tiempo normal para ello, con cielo despejado, puede ser superior a 90 segundos. En situaciones urbanas o con cielo muy obstaculizado, el tiempo puede ser muy superior.

En mi experiencia personal, mi primer arranque requirió una media hora.

Cold Start

Si la unidad GPS tiene un almanaque válido (recordemos que la validez normal de un almanaque es de varios meses) tan solo deberá recibir las efemérides de los satélites. Transmitiendo a 50 bps, el tiempo normal de adquisición es de unos 45 segundos, dependiendo de en qué punto de la transmisión se arranque el GPS.

Las efemérides de los satélites tienen una validez de varias horas, por lo que un encendido "cercano" de la unidad GPS puede necesitar un simple "warm start".

Warm Start

Si la unidad GPS tiene un almanaque y unas efemérides recientes (menos de cuatro horas), necesita obtener una referencia de tiempo y sincronización con la transmisión de "espectro ensanchado" de los satélites. El tiempo de adquisición, en este caso, es de unos 7-15 segundos.

Hot Start

Si la unidad GPS tiene un almanaque, unas efemérides actualizadas y un tiempo local razonablemente preciso (por ejemplo, acabamos de pasar por un túnel), el tiempo de adquisición es muy bajo.

EPE

Estimated Position Error. Es el error máximo "estimado" en la posición. Sin recurrir a algoritmos especiales o a retocar el "firmware" del receptor GPS, el EPE se puede calcular, aproximadamente como:

Porcentaje de las medidas dentro del círculo

Ecuación

68%

DOP * URA * (1 sigma)

50%

DOP * URA * (1 sigma) * 0.73

95%

DOP * URA * (1 sigma) * 2

99'7%

DOP * URA * (1 sigma) * 3

(1 sigma) es la desviación estándar del error de posición debido a la calidad interna del receptor.

URA

User Range Accuracy. Estimación del error por causas internas al satélite.

SA

Selective Availability. Mecanismo por medio del cual EE.UU. añade errores en las referencias enviadas por los satélites, con el fin de disminuir la precisión del sistema. Actualmente está desactivado.

UTM

Universal Transverse Mercator. Rejilla en los mapas.

WayPoint

Referencia de posición, en una ruta determinada.

Geoide

Superficie gravitacional equipotencial, básicamente equivalente al MSL.

MSL

Mean Sea Level. Nivel medio del mar.

Elipsoide

Modelo matemático de la superficie terrestre, correspondiente a un "datum" determinado.

Datum

Descripción matemática de la Tierra. Típicamente se define como un elipsoide de revolución, con sus dos radios (ecuatorial y polar), o su radio ecuatorial y el nivel de "achatamiento".

Hay que tener en cuenta que diferentes zonas del mundo y diferentes mapas pueden utilizar un "datum" distinto, por lo que pueden no encajar exactamente. Se trata de un detalle a tener muy en cuenta.

El "datum" actual y más moderno es el WGS-84 (equivalente al NAD 83 norteamericano).

HAE

Height Above Ellipsoid. Altura del dispositivo GPS respecto al elipsoide de referencia.

GNSS

Global Navigation Satellite Systems. Cualquiera de los sistemas de navegación por satélite existentes. Por ejemplo, el sistema GPS norteamericano, el sistema de navegación GLONASS ruso, o el futuro sistema europeo, Galileo.

MultiPath

Multitrayecto. Es una de las causas de error sistemáticos más importantes. Se debe a la reflexión de las señales GPS en edificios, estructuras metálicas, etc.

El multitrayecto introduce dos problemas: atenuación selectiva (si se reciben varias señales simultaneamente), e incremento de la distancia medida al satélite (ya que en vez de tomar la distancia real, se toma la distancia a través del multitrayecto).

Por ejemplo, no puedo poner la antena GPS en el exterior de la ventana porque, según la posición de los satélites, los rebotes radioeléctricos en la misma me dejan sin cobertura (por la atenuación selectiva). En cambio si muevo la antena medio metro, la recepción es excelente.

Uno de los problemas más graves del multitrayecto es que el error en la posición puede ser muy alto, y ello no se ve reflejado en el DOP. Afortunadamente el multitrayecto es muy sensible a la posición de los satélites (que cambia constantemente), de la antena y del entorno, por lo que sus efectos suelen ser claramente obvios cuando se comparan medidas.

 

Infografía

http://www.gva.es/icv/GLOSARIO.HTM

http://www.traccionatv.com/elgps.htm#014

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