El
Sistema de Posicionamiento Global(
GPS; en,
Global Positioning System
), y originalmente
NAVSTAR GPS, es un sistema que deja determinar en toda lala posición de cualquier objeto (una persona, un vehículo) con una precisión de hasta centímetros (si se emplea GPS diferencial), si bien lo común son unos pocos metros de precisión. desarrollo web Lugo , instalado y empleado por el, y hoy día es propiedad de la. Para determinar su posición, un usuario usa cuatro o más satélites y usa la.
El GPS funciona mediante una red de como mínimo veinticuatro satélites en órbita sobre el planeta Tierra, a más o menos veinte.000 km de altura, con órbitas distribuidas a fin de que en todo instante haya por lo menos 4 satélites visibles en cualquier punto de la tierra. Cuando se quiere determinar la posición tridimensional, el receptor que se emplea para ello encuentra automáticamente como mínimo cuatro satélites de la red, de los que recibe unas señales señalando la identificación y hora del reloj de cada uno de ellos, además de información sobre la constelación. Con base en estas señales, el aparato acompasa su propio reloj con el tiempo del sistema GPS y calcula el tiempo que tardan en llegar las señales al equipo, y de tal manera mide la distancia al satélite. Mediante el método de trilateración inversa, computa su propia posición. Se calcula también con una enorme exactitud en el tiempo, basado en los relojes atómicos a bordo cada uno de ellos de los satélites y en el segmento terreno de GPS.
La vieja Unión Soviética construyó un sistema afín llamado, ahora gestionado por la.
Ladesarrolló el. Ende la , dueña del sistema, informó que elcomenzó sus operaciones y que los satélites ya envían información de posicionamiento, navegación y determinación de la hora a usuarios de todo el planeta.
La República Popular China está incorporando su sistema de navegación, el denominado, que está previsto que cuente con 12 y 14 satélites entre 2011 y dos mil quince. Para 2020, ya de forma plena operativo deberá contar con 30 satélites. En diciembre de dos mil doce tenían catorce satélites en órbita.
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En la década de mil novecientos sesenta, el sistema de navegación terrestre OMEGA, basado en la comparación de fase de las señales emitidas a partir de pares de estaciones terrestres, se convirtió en el primer sistema mundial de radio de navegación. Las restricciones de estos sistemas impulsaron la necesidad de una solución de navegación más universal con más precisión.
Laaplicó 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 progresivo sin afectarle las condiciones atmosféricas; altamente dinámico, para permitir su uso en aviación y precisión. Esto llevó a generar diferentes ensayos como ely el sistema 621B en desiertos simulando diferentes comportamientos.
Así surgió el sistema, que quedó operativo en, y haciaestuvo disponible, además, para empleo comercial militar. TRANSIT estaba constituido por unade 6 satélites enbaja, a una altitud de 1074 km. Tal configuración conseguía una cobertura mundial, mas 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 de forma continua.
En mil novecientos sesenta y siete, la O bien.S. Navy desarrolló el satélite, que demostró la viabilidad de colocar relojes precisos al espacio, una tecnología requerida por el GPS.
Posteriormente, en esa década y gracias al desarrollo de los relojes atómicos, se diseñó una constelación de satélites, portando cada uno de ellos de ellos uno de estos relojes y estando todos acompasados con base en una referencia de tiempo determinado.
Ense combinaron los programas de lay de la(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:), en lo que se conoció como
Navigation Technology Program(programa de tecnología de navegación), más tarde renombrado NAVSTAR GPS.
Entreyse desarrollaron y lanzaron once satélites prototipo experimentales NAVSTAR, a los que siguieron otras generaciones de satélites, hasta llenar la constelación actual, a la que se declaró con «capacidad operacional inicial» en diciembre dey con «capacidad operacional total» y utilidad civil en el mes de abril de.
En, el gobierno de los Estados Unidos ofreció el servicio normalizado de determinación de la posición para apoyar las necesidades de la, y ésta aceptó el ofrecimiento.
Operadora de satélites controlando la constelación NAVSTAR-GPS, en la Base Aérea de Schriever.
Lanzamiento de satélites para la constelación NAVSTAR-GPS a través de un cohete Delta.
Ello componen:
Cada satélite GPS emite de manera continua un mensaje de navegación a cincuenta 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 marchan a en torno a 5000 MHz y 2400 MHz. Más concretamente, todos y cada uno de los satélites emiten a 1575,42 MHz (esta es la señal L1) y 1227,6 MHz (la señal L2).
La señal GPS da 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 forma que puede deducirse si es deficiente. Cada transmisión dura treinta segundos y lleva mil quinientos bits de datos codificados. Esta pequeña cantidad de datos está codificada con una secuencia pseudoaleatoria (PRN) de gran 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 iniciar de forma precisa en el minuto y en el medio minuto tal y como indique el reloj atómico del satélite. La primera una parte de la señal GPS indica al receptor la relación entre el reloj del satélite y la hora GPS. La próxima serie de datos da al receptor información de órbita precisa del satélite.
Estación y receptor GPS profesionales para precisiones centimétricas.
El programa GPS III persigue el objetivo de asegurar que el GPS satisfaga requisitos militares y civiles previstos para los próximos 30 años. Este programa se está desarrollando para emplear un enfoque en tres etapas (una de las etapas de transición es el GPS II); muy flexible, deja cambios futuros y reduce riesgos. El desarrollo de satélites GPS II comenzó en 2005, y el primero de ellos estará libre para su lanzamiento en dos mil doce, con el propósito de conseguir la transición completa de GPS III en 2017. Los desafíos son los siguientes:
El sistema ha evolucionado y de él han derivado nuevos sistemas de posicionamiento, como sistemas de posicionamiento dinámicos, un sistema de atrapa de datos, que deja al usuario realizar mediciones en tiempo real y en movimiento, el llamado Mobile Mapping.Este sistema consigue 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 logran grandes precisiones, merced a las 3 tecnologías de posicionamiento: IMU + GNSS + odómetro, que trabajando al unísono dan la opción de medir aun en zonas donde la señal de satélite no es buena.
La información que es útil al receptor GPS para determinar su posición lleva por nombre efemérides. En un caso así cada satélite emite sus propias efemérides, en la que se incluye la salud del satélite,su posición en el espacio, su hora atómica, información doppler, etc.
Mediante lase determina la posición del receptor:
Debido al carácter militar del sistema GPS, el Departamento de Defensa de los EE. UU. se reservaba la posibilidad de incluir un cierto grado de fallo azaroso, que podía variar de los 15 a los 100 m. La llamada
(S/A) fue eliminada elde. Si bien hoy día no aplique tal fallo inducido, la precisión intrínseca del sistema GPS depende del número de satélites perceptibles en un momento y posición determinados.
Si se capta la señal de entre siete y nueve satélites, y si éstos están en una geometría conveniente (están desperdigados), pueden conseguirse precisiones inferiores a dos,5 metros en el 95 por ciento del tiempo. Si se activa el sistemallamado(--), la precisión mejora siendo inferior a un metro en el 97 por cien de los casos. Estos sistemas SBAS no se aplican en Sudamérica, ya que esa zona no cuenta con este género de satélites geoestacionarios. La funcionabilidad de los satélites es por medio de triangulación de situaciones para otorgar la posición precisa de los receptores (celulares, vehículos, etcétera).
Representación visual en movimiento de la constelación de satélites GPS en conjunción con la rotación de la Tierra. Se puede ver cómo el número de satélites perceptibles desde un determinado punto de la superficie de la Tierra, en esta ilustración a 45° N, va mudando con el tiempo.
La posición calculada por un receptor GPS requiere en el momento actual la posición del satélite y el retraso medido de la señal recibida. La precisión es dependiente de la posición y el retraso de la señal.
Al introducir el retraso, el receptor compara una serie de bits (unidad binaria) recibida del satélite con una versión interna a través de (un motor de correlación cableado en un chip especializado, basado en la patente Gronemeyer'216).
Cuando se comparan los límites de la serie, las electrónicas pueden fijar la diferencia a 1 por cien de un tiempo BIT, o aproximadamente 10 nanosegundos por el código C/A. Desde ese momento las señales GPS se extienden a la velocidad de luz, que representa un error de 3 metros. Este es el fallo mínimo posible usando únicamente la señal GPS C/A.
La precisión de la posición se mejora con una señal P(Y). Al alardear exactamente la misma precisión de 1 por cien de tiempo BIT, la señal P(Y) (alta frecuencia) resulta en una precisión de más o menos 30 centímetros. Los errores en las electrónicas son una de las varias razones que dañan la precisión (ver la tabla).
Puede también mejorarse la precisión, aun de los receptores GPS estándares (no militares) mediante software y técnicas de. Esto ha sido puesto a prueba sobre un sistema global de navegación satelital (GNSS) como es el NAVSTAR-GPS. La propuesta se basó en el desarrollo de un sistema de posicionamiento relativo de precisión dotado de receptores de bajo costo. La contribución se dio por el desarrollo de una metodología y técnicas para el tratamiento de información que proviene de los receptores.
Factores que Afectan la Calidad de los Datos:
Errores Propios del Satélite.
Se refiere a los fallos que afectan la calidad de los resultados conseguidos en una medición GPS.
Errores orbitales (efemérides): Debido a que los satélites no prosiguen una órbita kepleriana normal por causa de las alteraciones, se requieren mejores estimadores de órbitas, lo que implica un proceso que está obstaculizado por conocimientos deficientes de las fuerzas que actúan sobre los satélites. Estos fallos afectan la determinación de la posición del satélite en un instante determinado respecto a un sistema de referencia escogido. Para disminuir el fallo en lugar de emplear las efemérides captadas en el receptor se usan efemérides precisas calculadas por el IGS y NASA días después de la medición.
Errores del reloj: Se refieren a las alteraciones en el sistema de tiempo del reloj del satélite, producidas por la deriva propia de los osciladores y las originadas por la acción de los efectos relativísticos. Dichos errores conllevan a que exista un diferencial entre el sistema de tiempo del satélite y del sistema GPS, el cual no va a ser incesante para todos y cada uno de los satélites sino que varia de uno a otro, dado a que la frecuencia estándar de los osciladores de los satélites tiene valores definidos para cada satélite.
Errores de la configuración geométrica: las incertidumbres en un posicionamiento son consecuencia de los fallos de las distancias asociadas con las geometrías de los satélites usados, 4 o bien más. El efecto de la geometría queda expresado por los parámetros de la llamada
Dilución de Precisión Geométrica(GDOP), el cual considera los tres parámetros de posición tridimensional y tiempo. El valor de GDOP es una medida compuesta que refleja la influencia de la constelación de satélites sobre la precisión combinada de las estimaciones de un tiempo y posición de la estación.
Al efecto se consideran: PDOP: Dilución de precisión para la posición. HDOP: Dilución de precisión para la posición. VDOP: Dilución de precisión vertical. TDOP: Dilución de precisión para el tiempo.
Errores provenientes del medio de propagación.
Errores de refracción ionosférica: En la frecuencia GPS, el rango del error por refracción en la ionósfera va desde 50 metros (máxima, al mediodía, un satélite cerca del horizonte) hasta 1 metro (mínima, en la noche, un satélite en el zenit). Debido a que la refracción ionosférica depende de la frecuencia, el efecto es estimado equiparando mediciones efectuadas en 2 frecuencias diferentes (L1=1575.42 MHz. y L2=1227.60 MHz.). Utilizando dos estaciones, una con coordenadas conocidas. Podemos corregir errores de tiempo. El retardo del tiempo de viaje en la ionosfera depende de la densidad de electrones a lo largo del camino de la señal y de la frecuencia de la misma. Una fuente influyente sobre la densidad de los electrones es la densidad solar y el campo magnético terrestre. En consecuencia la refracción ionosférica depende de la hora y del sitio de medición.
Errores de refracción troposférica: La refracción troposférica produce fallos comprendidos entre dos metros (satélite en el zenit) y veinticinco metros (satélite a 5º de elevación). La refracción troposférica es independiente de la frecuencia, por ende una medición de dos frecuencias no puede determinar el efecto mas este error puede ser compensado usando modelos troposféricos.
Multipath: Es el fenómeno en el que la señal llega por 2 o bien más trayectorias diferentes. La diferencia en las longitudes de las trayectorias causa interferencia de las señales al ser recibidas. El multipath se aprecia usualmente cuando se está midiendo cerca de superficies reflectoras, para disminuir al mínimo sus efectos se usa una antena capaz de hacer discriminaciones contra las señales que llegan de diferentes direcciones.
Errores en la recepción.
Estos errores dependen tanto del modo de medición como del tipo de receptor que se usa.
Ruido: Como la desviación estándar del estruendos en la medición es proporcional a la longitud de onda en el código.El ruido en las medidas de fase de la portadora condiciona la cantidad de datos y el tiempo de seguimiento requeridos para alcanzar un determinado nivel de precisión, resultando crucial el seguimiento y las mediciones continuas para asegurar dicha precisión.
Centro de fase de la antena: Este puede cambiar en función del ángulo de elevación del azimut (figura quince). El aparente centro de fase eléctrico de la antena GPS es el punto preciso de navegación para trabajos relativos. Si el fallo del centro de fase de la antena es común para todos y cada uno de los puntos durante la medición, estos se cancelan. En mediciones relativas se usan todas y cada una de las antenas de la red alineadas en una misma dirección (generalmente el norte magnético) para que el movimiento del centro de fase de la antena sea común y se cancele con una primera aproximación.
El(Differential GPS), o GPS diferencial, es un sistema que proporciona a los receptores de GPS correcciones de los datos recibidos de los satélites GPS, con la intención de administrar una mayor precisión en la posición calculada. Se concibió esencialmente debido la introducción de la(S.A.).
El fundamento se encuentra en el hecho de que los fallos producidos por el sistema GPS afectan por igual (o bien de forma muy similar) a los receptores ubicados próximos entre sí. Los errores están fuertemente relacionados en los receptores próximos.
Un receptor GPS fijo en tierra (referencia) que conoce exactamente su posición basándose en otras técnicas, recibe la posición dada por el sistema GPS, y puede calcular los fallos producidos por el sistema GPS, comparándola con la suya, famosa de antemano. Este receptor transmite la corrección de fallos a los receptores próximos a él, y así estos pueden, a su vez, corregir también los errores producidos por el sistema dentro del área de cobertura de transmisión de señales del equipo GPS de referencia.
En suma, la estructura DGPS quedaría de la siguiente manera:
Existen múltiples formas de conseguir las correcciones DGPS. Las más usadas son:
En los mensajes que se envían a los receptores próximos se pueden incluir 2 tipos de correcciones:
El error producido por la disponibilidad selectiva (S.A.) varía aun más rápido que la velocidad de transmisión de los datos. Por este motivo, junto con el mensaje que se envía de correcciones, también se envía el tiempo de valía de las correcciones y sus tendencias. Por ende, el receptor deberá hacer algún género de interpolación para corregir los errores producidos.
Si se deseara acrecentar el área de cobertura de correcciones DGPS y, al tiempo, disminuir al mínimo el número de receptores de referencia fijos, será necesario modelar las variaciones espaciales y temporales de los errores. En tal caso estaríamos hablando del GPS diferencial de área extensa.
Con el DGPS se pueden corregir en parte los fallos debidos a:
Para que las correcciones DGPS sean válidas, el receptor debe estar relativamente cerca de alguna estación DGPS; generalmente, a menos de 1000km. Las precisiones que manejan los receptores diferenciales son centimétricas, con lo que pueden ser utilizados en ingeniería. Deja determinar en el mundo entero la posición de un objeto, una persona o un vehículo con una precisión hasta de centímetros.
Actualmente en el mercado de la telefonía móvil la tendencia es la de integrar, por parte de los fabricantes, la tecnología GPS en sus dispositivos. El empleo y masificación del GPS está particularmente extendido en los teléfonos móviles, lo que ha hecho surgir todo un ecosistema de software para este género de dispositivos, así como nuevos modelos de negocios que van desde el empleo del terminal móvil para la navegación tradicional punto-a-punto hasta la prestación de los llamados(LBS).
Un buen ejemplo del uso del GPS en la telefonía móvil son las aplicaciones que permiten conocer la posición de amigos próximos sobre un mapa base. Para esto basta con tener la aplicación respectiva para la plataforma deseada (,,,,) y permitir ser localizado por otros.
Las nuevas tendencias en el mundo del, el deporte y el ocio han llevado a la aparición de, hay diferentes tipos deque emplean la tecnología GPS y suelen marchar conjuntados con el teléfono inteligente si se trata de dispositivos sin pantallas como son losde marcas comocon suoy las pulseras inteligentes como las deo de manera independiente en los relojes inteligentes como elo el.
Como con los teléfonos inteligentes las utilidades son las aplicaciones que dejan conocer la posición de amigos próximos sobre un mapa base o bien el seguimiento del recorrido efectuado. Para esto basta con tener la aplicación respectiva para la plataforma deseada (,,,,). Algunas aplicaciones no requieren conectar con el teléfono inteligente y proporcionan detalles de manera independiente en la pantalla del dispositivo.
Variación del tiempo en picosegundos según la altura de la órbita debido a los efectos relativistas
Los relojes en los satélites GPS requieren una sincronización con los ubicados en tierra para lo que hay que tener en cuenta lay la. Los 3 efectos relativistas son: la dilatación del tiempo, cambio de frecuencia gravitacional, y los efectos de la excentricidad. La desaceleración relativista del tiempo debido a la velocidad del satélite es de aproximadamente 1 una parte de diez
10, la dilatación gravitacional del tiempo hace que el reloj del satélite en torno a cinco partes entre diez
10más rápido que un reloj basado en la Tierra, y eldebido a rotación con relación a los receptores en la Tierra. Si no se tuviese en cuenta el efecto que sobre el tiempo tiene la velocidad del satélite y su gravedad respecto a un observador en tierra, se produciría un corrimiento de 38 microsegundos por día, que a su vez provocarían fallos de varios kilómetros en la determinación de la posición.
De pacto con la teoría de la relatividad, debido a su incesante movimiento y la altura relativa respecto, aproximadamente, un marco de referencia inercial no giratorio centrado en la Tierra, los relojes de los satélites se ven perjudicados por su velocidad. La relatividad especial pronostica que la frecuencia de los relojes atómicos moviéndose a velocidades orbitales del GPS, unos v = 4 km/s, marcar más de forma lenta que los relojes terrestres fijos en un factor de
v
2
2
c
2
≈
10
−
10
displaystyle frac v^22c^2approx 10^-10
, o resultar un retraso de unos 7 μs/día, siendo c =en el vacío.
El efecto de desplazamiento de frecuencia gravitacional sobre el GPS, la relatividad general predice que un reloj más cercano a un objeto masivo será más lento que un reloj más distanciado. Aplicado al GPS, los receptores están mucho más cerca de la Tierra que los satélites, haciendo los relojes del GPS ser más rápido en un factor de 5 × diez
-10, o bien cerca de 45,9 μs/día.
Al combinar la dilatación del tiempo y desplazamiento de frecuencia gravitacional, la discrepancia es de más o menos treinta y ocho microsegundos por día, una diferencia de cuatro,465 unas partes de 10
10.
Sin corrección, los errores en la pseudodistancia inicial se acumularía más o menos unos 10 km/día. Este fallo en la pseudodistancia inicial se corrige en el proceso de resolución de las ecuaciones de navegación. Además las órbitas de los satélite son elípticas, en lugar de perfectamente circulares, lo que causa que los efectos de la dilatación del tiempo y desplazamiento de la frecuencia gravitacional varíen con el tiempo. Este efecto excentricidad hace que la diferencia de velocidad de reloj entre un satélite GPS y un receptor aumente o disminuya en función de la altitud del satélite.
Para compensar esta discrepancia, al patrón de frecuencia a bordo de cada satélite se le da una tasa de compensación antes del lanzamiento, con lo que marcha un poco más lento que la frecuencia de trabajo en la Tierra. En concreto, trabaja a 10. MHz en lugar de 10,23 MHz
Dado que el reloj atómico a bordo de los satélites GPS se ajusta con precisión, hace que el sistema sea una aplicación práctica de la teoría científica de la relatividad en un ambiente del planeta real.
propuso poner relojes atómicos en satélites artificiales para poner a prueba la teoría general de Einstein en mil novecientos cincuenta y cinco.
El procesamiento de la observación GPS también debe compensar el. La escala de tiempo del GPS se define en un sistema inercial, pero las observaciones se procesan en un sistema centrado en la Tierra, fijo a la Tierra (co-rotación), un sistema en el que la simultaneidad no está definida de forma única. Se aplica una, pues, para convertir del sistema de inercia al sistema ECEF. El recorrido señal resultante de corrección de tiempo tiene signos algebraicos opuestos de los satélites en los hemisferios celestes oriental y occidental. Haciendo caso omiso de este efecto se producirá un fallo de este a oeste en el orden de cientos y cientos de nanosegundos, o bien decenas de metros de su posición.
Un dispositivo GPS civil Swiss Gadget 760GS colocado en parabrisas y mostrando datos de navegación vehicular libre