El GPS es un sistema de localización mundial constituido por una constelación de satélites y estaciones terrenas que se encargan de monitorear continuamente cada uno de los satélites y de transmitir un mensaje de navegación. Este sistema permite obtener un correcto, confiable y preciso posicionamiento, junto con una actualización de la información de la localización en forma tridimensional en cualquier parte del mundo, las 24 horas del día y bajo cualquier condición climática.
La información que brinda este sistema se utiliza para realizar tanto tareas civiles como militares. De acuerdo a la finalidad de su utilización las tareas se pueden clasificar en:
Localización: se utiliza para determinar la posición de un objeto. Dentro de las tareas civiles se lo utiliza, por ejemplo, para realizar el seguimiento de vehículos sospechosos, y en las tareas militares para ubicar un objeto enemigo, como ser un avión.
Navegación: esta es una tarea que requiere mucha precisión, ya que se utiliza para obtener una posición a partir de una posición anterior. Se la utiliza tanto en tareas civiles como militares para guiar a los aviones cuando entran en zonas de clima inhóspito.
Rastreo: generalmente se utiliza para el seguimiento del armamento.
Cartografía: permite determinar con precisión la posición de ríos, bosques, montañas y carreteras para poder realizar la elaboración de mapas muy precisos. Generalmente se utiliza con la ayuda de otras técnicas como la fotogrametría, topografía y planimetría, con las cuales es posible la elaboración de sistemas de información geográfica. En la aviación militar se utiliza para evitar colisiones con montañas no detectadas y para identificar zonas.
Tiempo exacto: este tipo de tareas no concierne a las militares, ya que se utiliza por las cadenas nacionales de televisión para sincronizar las transmisiones en el ámbito nacional y para sincronizar los comerciales y programas.
En general el GPS se lo utiliza en el ámbito militar para determinar la distribución adecuada de tropas en tierra, aviones, barcos, submarinos, tanques, etc, y para realizar la guía de armamento para lograr la destrucción de objetivos.
Sin importar para que se utilice la información que brinda, el funcionamiento del GPS se basa en la medición del tiempo que le lleva a la señal de radio alcanzar el receptor, y en la triangulación de las distancias para establecer una posición. Cuanto mayor sean el número de lecturas que se toman y el ángulo de desplazamiento, hasta 90 grados, mayor será la precisión de la lectura.
Los receptores GPS recogen señales desde los satélites (como mínimo tres satélites simultáneos para determinar una posición en dos dimensiones) y mediante un procedimiento de software se calcula, entre otras cosas, la latitud, longitud y altitud de un objeto, como así también su velocidad.
Todos los satélites comprendidos en los sistemas de posicionamiento global están equipados con relojes atómicos que trabajan con un alto grado de precisión.
Un receptor puede determinar en cuanto tiempo se transmite cada señal, gracias a que la información horaria se encuentra ubicada en los códigos de transmisión de los satélites.
Esta señal contiene datos que el receptor utiliza para calcular la ubicación de los satélites y realizar los ajustes necesarios para precisar las posiciones.
Estos receptores computarizados se encargan de medir la diferencia de tiempo que existe entre la recepción y la transmisión de la señal para poder así determinar la distancia a la que se encuentra el satélite. Es muy importante destacar que para realizar este tipo de cálculos debe considerarse la velocidad de la luz para determinar los retrasos que sufre la propagación de la señal debido a las condiciones de la ionosfera y la troposfera.
Una vez que se conoce la ubicación del satélite que envió la señal, y la distancia existente entre cada satélite que participe de la triangulación, se realiza la misma para que el receptor calcule su posición en tres dimensiones.
Como las distancias que tienen que recorrer estas señales son sumamente grandes, éstas son inherentemente débiles, pero el receptor se encarga de equilibrarlas por medio de un código pseudo casual que se transmite en dos frecuencias; la frecuencia L1 (f1=1575,42 MHz) y la frecuencia L2 (f2=1227,6 MHz).
Estas frecuencias se modulan en fase mediante códigos pseudo aleatorios, que junto con los códigos binarios constituyen el mensaje de navegación (NAVDATA), el cual es sumamente confiable, ya que el único usuario que puede descifrar este mensaje es aquel que disponga de dicho código pseudo aleatorio.
Estos códigos pseudo aleatorios están compuestos por una sucesión de bits de duración T segundos. En este tipo de código cada bit es representado por una tensión que puede ser +1 o –1 para que la correlación de dos de ellos dé las diferencias en sus bits.
En ciertos casos es posible que el receptor calcule directamente las distancias, para lo cual debe contar con un reloj atómico sincronizado con el GPS. En este caso es necesario contar con la información proveniente de otro satélite adicional para evitar que el receptor necesite un reloj atómico.
Es decir que el receptor utiliza cuatro satélites para calcular la latitud, longitud, altitud y tiempo sin necesidad del reloj atómico en el mismo.
Todo sistema de posicionamiento global está compuesto por tres segmentos:
1. Segmento espacial
Es aquel que se refiere a toda constelación de satélites.
Cada satélite transmite una señal de tiempo y un mensaje de navegación, el cual será analizado por los correspondientes receptores en el segmento del usuario.
2. Segmento de control
En este segmento se encuentran las estaciones terrenas que llevan a cabo lo concerniente a monitoreo y control del correcto funcionamiento del sistema.
Las estaciones monitoras se encargan de calcular, con gran precisión, las órbitas de los satélites gracias a la información obtenida a través de las señales transmitidas por los mismos. Cuando los datos son transmitidos a la estación maestra, ésta última se encarga de calcular las efemérides de los satélites.
3. Segmento del usuario
Este segmento está comprendido por los distintos usuarios que tiene el sistema junto con los distintos tipos de receptores que en la actualidad se encuentran en el mercado. El tipo de receptor a usar dependerá del tipo de observaciones y de la disponibilidad de códigos.
Todo receptor se encarga de realizar las siguientes funciones:
•Sintonizar las señales que son emitidas por los satélites.
•Medir los tiempos de retardo que sufre la señal.
•Decodificar mediante los códigos pseudo aleatorios el mensaje de navegación.
•Extraer la información necesaria a través de cálculos sumamente precisos.
•Almacenar todos los datos necesarios.
El mensaje de navegación es aquel que brinda la siguiente información:
•Información detallada del estado en el que se encuentra cada uno de los satélites.
•Datos referidos al tiempo y al estado en que se encuentran los relojes atómicos de los satélites.
•Determina el modelo de error que existe en el reloj atómico del satélite.
•Establece el modelo de error existente en la propagación de las señales.
•Parámetros orbitales y efemérides de los satélites.
•Información sobre todas las efemérides de la constelación de satélites.
El mensaje está compuesto por 25 tramas, las cuales están constituidas por 5 subtramas cada una, que a su vez están formadas por 10 palabras de 30 bit. La velocidad de transmisión del mismo es de 50 bit / seg y el tiempo en que tarda su transmisión es de 12.5 minutos. Si bien para realizar el mensaje de navegación se utilizan códigos pseudo aleatorios, todo sistema GPS utiliza a su vez dos tipos de códigos, un código de acceso claro (C/A) y un código de acceso preciso (P).
El código C/A es un código pseudo aleatorio que se utiliza para brindar una mayor captación de las señales y es el que se utiliza en el área civil. Es un código que utiliza una sola frecuencia.
El código P también es pseudo aleatorio, pero éste es el producto de dos códigos más. Su uso es exclusivamente militar, debido a que se trata de un código sumamente preciso porque utiliza dos frecuencias distintas para evitar todo tipo de imprecisión, ya que los errores dependen de la frecuencia de la señal transmitida y al utilizarse dos frecuencias los mismos se compensan.
Este es un código que se repite cada 37 semanas, en donde en cada semana se inician los códigos con distintas secuencias para evitar todo tipo de ambigüedad.
Como puede notarse, este es un proceso largo, tedioso y complejo, por lo que es necesario realizar una preadquisición del código mediante el uso del código C/A.
Las constelaciones mas importantes de satélites que se encuentran en la actualidad son NAVSTAR y GLONASS que se describirán a continuación.
NAVSTAR (Navigation System Time And Ranging-Global Position System) del gobierno de Estados Unidos, está compuesto por 24 satélites que se encuentran a 20.200 Km. de la Tierra, y se encuentran distribuidos en 6 planos orbitales. Estos planos tienen una inclinación de 55 grados con respecto al Ecuador.
Las estaciones terrenas están distribuidas de la siguiente forma:
5 Estaciones de monitoreo ubicadas en el Ecuador.
1 Estación terrena en Isla Ascensión.
1 Estación terrena en Diego García.
1 Estación terrena en Kwajalein.
1 Estación maestra de control (MCS) situada en la base aérea de Falcon Colorado
GLONASS (Global Navigation Satellite System) del gobierno ruso, está compuesto por 24 satélites que se encuentran a 19.200Km. de distancia de la superficie terrestre. Estos satélites se encuentran distribuidos en 6 planos orbitales, pero en este caso con una inclinación de 64.8 grados con respecto al Ecuador.
En estos últimos años se ha notado que los sistemas de navegación terrestres, aquellos que son instalados en tierra, cuando son inspeccionados en vuelo producen una alarma y comienzan a transmitir señales erróneas.
Las constelaciones GPS se monitorizan desde estas estaciones terrestres, pero puede transcurrir un tiempo considerable hasta que los usuarios tengan conocimiento del mal funcionamiento del mismo.
Por lo tanto se están analizando distintas posibilidades que permitan evaluar la integridad del sistema para que éste funcione correctamente como los sistemas convencionales.
Ya se han evaluado dos métodos que se utilizan dentro del equipo de abordo que permiten perfeccionar la integridad del sistema cuando se utilizan señales GPS.
El primer método se denomina RAIM (Receiver Autonomous Integrity Monitoring) y consiste en la utilización de un receptor con supervisión autónoma de integridad, en donde este receptor / procesador GPS de abordo se encarga de determinar la integridad de las señales de navegación del sistema utilizando solamente las señales propias del GPS, o utilizando estas señales mejoradas con datos precisos de altitud barométrica.
Esta técnica requiere la información de un 5 satélite adicional para poder realizar la función RAIM, y de un 6 satélite adicional para poder separar cualquier fallo de un satélite para no considerarlo en el cálculo de la solución de la navegación.
Mediante el uso de esta técnica se logra verificar la integridad entre las medidas de pseudodistancia redundantes.
El segundo método se basa en la utilización de un sistema integrado de navegación que cuenta con sensores adicionales al sistema GPS.
En este caso el receptor GPS debe encargarse de efectuar la función de RAIM, o un sistema de navegación multisensor debe encargarse de brindar un nivel elevado de integridad equivalente al que proporciona el RAIM, el cual se requiere cuando se vuela con IFR (Instrument Flight Rules, reglas de vuelo Instrumental).
Todas estas limitaciones aquí mencionadas llevan a la conclusión de que los sistemas GPS son adecuados sólo como un sistema complementario para la navegación en ciertas fases de vuelo.
Un sistema GPS puede clasificarse de la siguiente manera:
1. Equipos GPS Clase A
Estos equipos incorporan al sistema básico un sensor GPS y una mayor capacidad de navegación.
En esta categoría los equipos GPS disponen de la función RAIM.
2. Equipos GPS Clase B
En este caso los equipos cuentan con un sensor GPS que proporciona los datos a un sistema de navegación integrado (como por ejemplo el FMS, Sistema de Navegación Multifunción).
3. Equipos GPS Clase C
En esta última clasificación se encuentran aquellos equipos que cuentan también con un sensor GPS que proporciona datos a un sistema de navegación integrado, pero en este caso también suministra al piloto automático, o director de vuelo, del sistema, señales mejoradas de guiado. Se puede citar como ejemplo el FMS.
En estos últimos años se han ido desarrollando sistemas complementarios al GPS. El más destacado de estos sistemas es el DGPS (Sistema de Posicionamiento Global Diferencial).
El tipo de sistema se basa en la utilización de las técnicas de corrección de error de las señales radioeléctricas recibidas desde las estaciones terrestres, para lo cual utiliza la información de las coordenadas geográficas junto con el tiempo real conocido en que tardan en trasmitirse las señales.
Dentro de los sistemas DGPS, el más importante es el Inmarsat (Skytix) el cual está formado por 4 satélites que se encuentran en órbita geoestacionaria sobre el Océano Pacífico, el Océano Atlántico, el Océano Indico y sobre Brasil.
Este sistema está compuesto por las siguientes estaciones monitoras:
24 Estaciones distribuidas en su mayoría en Europa Occidental.
1 Estación de control en Aberdeen, Escocia.
1 Estación de control en Singapur
Este es un Post mio viejo, que acabo de reactivarlo ya que habia sido borrado.