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Presentación sobre los GPS
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Sistemas globales de navegación por satélite
Universidad Bolivariana de VenezuelaPrograma de Formación de Grado en Gestión Ambiental
Laboratorio de Geomática“La casa de los saberes”
Laboratorio de Geomática – PFG en Gestión Ambiental“La casa de los saberes”
¿Que es un Sistema Global de Navegación por Satélite?
Los Sistemas Globales de Navegación por Satélite (GNSS por su acrónimo en ingles) sontodas aquellas constelaciones y sistemas basados en satélites que orbitan el globoterráqueo emitiendo frecuencias que permite a los usuarios mediante equiposespecíficos tener información en cuatro dimensiones en cualquier punto del mundo ybajo cualquier condición atmosférica.
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Antecedentes de los Sistemas Globales de Navegación por Satélite
• Un temprano precursor de los sistemas de navegación por satélite fueron los sistemas terrestres LORAN y Omega,que utilizaron los radiotransmisores de baja frecuencia (100 kHz) terrestres en vez de los satélites.
• El primer sistema de navegación por satélites fue el Transit, un sistema desplegado por el ejército de Estados Unidosen los años 1960. Transit se basaba en el efecto Doppler.
• En 1973 se combinaron los programas de la Armada y el de la Fuerza Aérea de los Estados Unidos, en lo que seconoció como Navigation Technology Program (programa de tecnología de navegación), posteriormenterenombrado como NAVSTAR GPS. La constelación actual se declaró con capacidad operacional inicial en diciembrede 1993 y con capacidad operacional total en abril de 1995.
• En octubre de 1982 la URSS lanza los tres primeros satélites de la constelación GLONASS, el sistema fue pensadopara ser funcional en el año 1991, pero la constelación no fue terminada hasta diciembre de 1995 y comenzó a seroperativo en 1996.
• La Unión Europea desarrolla Galileo con el objeto de evitar la dependencia de NAVSTAR y GLONASS, su puesta enmarcha era para el año 2008, pero se estima que no estará en operatividad hasta el 2020.
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Antecedentes de los Sistemas Globales de Navegación por Satélite
• Beidou es un proyecto desarrollado por la República Popular de China para obtener un sistema de navegación por satélite. "Beidou" es el nombre chino para la constelación de la Osa Mayor. La primera generación, BeiDou-1, ya está operativa desde el 2000 y es un sistema de posicionamiento por satélite local dando servicio a China y a sus países vecinos.
«Galileo sat constallation» de Lukas Rohr - Trabajo propio. Disponible bajo la licencia CC BY-SA 3.0 vía Wikimedia Commons -https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Galileo_sat_constallation.gif#/media/File:Galileo_sat_constallation.gif
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Composición de los Sistemas Globales de Navegación por Satélite
Los sistemas de navegación por satélite tienen una estructura claramente definida, que se divide en tres segmentosdistintos: un segmento espacial, un segmento de control, un segmento de usuarios. No se entiende un GNSS sin algunode estos tres elementos.
Segmento Espacial:
Es el segmento compuesto por los satélites que forman el sistema, tanto de navegación como de comunicación.Mientras que los primeros orbitan alrededor de la Tierra, repartiéndose en distintos planos orbitales, los segundos sonlos que forman los llamados sistemas de aumento que sirven para la corrección de errores de posicionamiento.
El segmento espacial de un GNSS debe tener el suficiente número de satélites de navegación, tales que éstos puedangarantizar una cobertura global en todo momento. Además para ser lo suficientemente robusto en el servicio, ha detener un número que le permita transmitir información de manera redundante en caso de que algún satélite dejede prestar servicio, o para que haya un mayor número de satélites en una zona que nos permitan obtener unposicionamiento más preciso.
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Composición de los Sistemas Globales de Navegación por Satélite
Segmento Control:
Formado por el conjunto de estaciones en tierra que recogen los datos de los satélites. Este segmento es complejo en su definición, siendo propio de cada país o coalición de países, y estructurándolos en función de distintos criterios como más convenga.
Sus funciones son garantizar las prestaciones del sistema mediante monitoreo del segmento espacial y aplicar correcciones de posición orbital y temporal a los satélites, enviando información de sincronización de relojes atómicos y correcciones de posicionamiento de órbitas a los distintos satélites.
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Composición de los Sistemas Globales de Navegación por Satélite
Segmento Usuario:
Formado por los equipos GNSS que reciben las señales que proceden del segmento espacial. Este dispositivo estáformado por un conjunto de elementos básicos que son:
• Antena receptora de GNSS a la frecuencia de funcionamiento del sistema, de cobertura hemiesféricaomnidireccional. Puede ser de muchas formas y materiales, dependiendo de las aplicaciones y del coste delreceptor: monopolo, dipolo, dipolo curvado, cónico-espiral, helicoidal o microstrip.
• Receptor es del tipo heterodino, basado en la mezcla de frecuencias que permite pasar de la frecuencia recibida enla antena a una baja frecuencia que podrá ser manejada por la electrónica del receptor. Contiene un reloj altamenteestable (generalmente un oscilador de cristal) y normalmente una pantalla donde mostrar la información deposicionamiento.
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Composición de los Sistemas Globales de Navegación por Satélite
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Funcionamiento de los Sistemas Globales de Navegación por Satélite
1. Triangulación.
Un satélite limita el radiode ubicación del usuariocon respecto a ladistancia del satélite.
Dos satélites limita el radio deubicación a la intercepción de lasdos circunferencias conocidas.
Tres satélites limita a dospuntos la ubicación delusuario debido a laintercepción de los tresradios conocidos.
Aunque pueda parecer improbable, la idea general detrás del GPS es utilizar los satélites en el espacio como puntos dereferencia para ubicaciones aquí en la tierra.
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Funcionamiento de los Sistemas Globales de Navegación por Satélite
2. Midiendo las Distancias de los Satélites.
• La distancia al satélite se determina midiendo el tiempo que tarda una señal de radio, emitida por el mismo, en alcanzar nuestro receptor de GPS.
• Para efectuar dicha medición asumimos que ambos, nuestro receptor GPS y el satélite, están generando el mismo Código Pseudo Aleatorio en exactamente el mismo momento.
• Comparando cuanto retardo existe entre la llegada del Código Pseudo Aleatorio proveniente del satélite y la generación del código de nuestro receptor de GPS, podemos determinar cuanto tiempo le llevó a dicha señal llegar hasta nosotros.
• Multiplicamos dicho tiempo de viaje por la velocidad de la luz* y obtenemos la distancia al satélite.
Sabemos ahora que nuestra posición se calcula a partir de la medición de la distancia hasta por lo menos tres satélites.Pero, ¿cómo podemos medir la distancia hacia algo que está flotando en algún lugar en el espacio?. Lo hacemosmidiendo el tiempo que tarda una señal emitida por el satélite en llegar hasta nuestro receptor de GPS.
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3. Midiendo las Distancias de los Satélites.
Si la medición del tiempo de viaje de una señal de radio es clave para el GPS, los relojes que empleamos deben serexactísimos, dado que si miden con un desvío de un milésimo de segundo, a la velocidad de la luz, ello se traduce enun error de 300 km!
• Un timing muy preciso es clave para medir la distancia a los satélites• Los satélites son exactos porque llevan un reloj atómico a bordo.• Los relojes de los receptores GPS no necesitan ser tan exactos porque la medición de un rango a un satélite
adicional permite corregir los errores de medición.
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4. Conocer dónde están los satélites en el espacio.
• Para utilizar los satélites como puntos de referencia debemos conocer exactamente donde están en cada momento.
• Los satélites de GPS se ubican a tal altura que sus órbitas son muy predecibles.
• Las Estaciones de Control miden y controlan las variaciones menores en sus órbitas.
• La información sobre errores es enviada a los satélites para que estos a su vez retransmitan su posición corregida junto con sus señales de timing.
A lo largo de este trabajo hemos estado asumiendo que conocemos dónde están los satélites en sus órbitas y de esa manera podemos utilizarlos como puntos de referencia.
¿Pero, cómo podemos saber donde están exactamente? Todos ellos están flotando a unos 20.000 km de altura en el espacio.
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5. Corrigiendo Errores.
Hasta ahora hemos estado tratando los cálculos del sistema GPS de manera muy abstracta, como si todo el proceso ocurriera en el vacío. Pero en el mundo real hay muchas cosas que le pueden suceder a una señal de GPS para transformarla en algo menos que matemáticamente perfecta.
Para aprovechar al máximo las ventajas del sistema un buen receptor de GPS debe tener en cuenta una amplia variedad de errores posibles. Veamos que es lo que debemos enfrentar.
• La ionosfera y la troposfera causan demoras en la señal de GPS que se traducen en errores de posicionamiento.
• Algunos errores se pueden corregir mediante modelación y correcciones matemáticas.
• La configuración de los satélites en el cielo puede magnificar otros errores
• El GPS Diferencial puede eliminar casi todos los errores
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Constelaciones GNSS
NAVSTAR GPS (USA)
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 está constituido por 24 satélites y utiliza la trilateración.
El GPS funciona mediante una red de 24 satélites en órbita sobre el planeta tierra, a20 200 km de altura, con trayectorias sincronizadas para cubrir toda la superficie dela Tierra. Cuando se desea determinar la posición, el receptor que se utiliza paraello localiza automáticamente como mínimo cuatro satélites de la red, de los querecibe unas señales indicando la identificación y la hora del reloj de cada uno deellos.
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Constelaciones GNSS
GLONASS (RUSIA)
Consta de una constelación de 31 satélites (24 en activo, 3 satélites de repuesto, 2 enmantenimiento, uno en servicio y otro en pruebas) situados en tres planos orbitales con 8satélites cada uno y siguiendo una órbita inclinada de 64,8° con un radio de 25.510 km. Laconstelación de GLONASS se mueve en órbita alrededor de la Tierra con una altitud de19.100 km (diecinueve mil cien kilómetros) algo más bajo que el GPS (20.200 km) y tardaaproximadamente 11 horas y 15 minutos en completar una órbita.
GLONASS (acrónimo en ruso ГЛОНАСС, ГЛОбальная НАвигационная Спутниковая Система tr.: Global'nayaNavigatsionnaya Sputnikovaya Sistema) es un Sistema Global de Navegación por Satélite (GNSS) desarrollado por laUnión Soviética, siendo hoy administrado por la Federación Rusa y que constituye el homólogo del GPSestadounidense y del Galileo europeo
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Constelaciones GNSS
GALILEO (UE)
Galileo es un sistema global de navegación por satélite (GNSS) desarrollado por la Unión Europea (UE), con el objeto deevitar la dependencia de los sistemas GPS y GLONASS. Al contrario de estos dos, será de uso civil. El sistema se esperaponer en marcha en 2020 después de sufrir una serie de reveses técnicos y políticos para su puesta en marcha.
El sistema Galileo estará formado por una constelación mundial de 30 satélites enórbita terrestre media distribuidos en 3 planos inclinados con un ángulo de 56° haciael ecuador, a 23222 km de altitud. Se van a distribuir diez satélites alrededor de cadaplano y cada uno tardará 14 horas para completar la órbita de la Tierra. Cada planotiene un satélite de reserva activo, capaz de reemplazar a cualquier satélite que falleen ese plano
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Constelaciones GNSS
BEIDOU (CHINA)
A diferencia de los sistemas GPS, GLONASS, y GALILEO, que utilizan satélites en órbitasbajas y ofrecen servicio global, la primera generación, Beidou-1 usa satélites en órbitageoestacionaria. Esto implica que el sistema no requiera una gran constelación desatélites, pero limita su cobertura sobre la tierra a la visible por los satélites, China eneste caso. Otra gran diferencia de BeiDou-1 es que calcula las coordenadas únicamentecon dos satélites y una estación en tierra. Esto implica la necesidad de enviar una señaldesde el dispositivo remoto, cosa que no es necesaria con GPS o GLONASS.
Beidou es un proyecto desarrollado por la República Popular de China para obtener un sistema de navegación porsatélite. "Beidou" es el nombre chino para la constelación de la Osa Mayor. La primera generación, BeiDou-1, ya estáoperativa desde el 2000 y es un sistema de posicionamiento por satélite local dando servicio a China y a sus paísesvecinos. La segunda generación, también llamada Compass o BeiDou-2, será un sistema de posicionamiento global conun funcionamiento similar al GPS.
