Sistema de posicionamiento global
El SPG o GPS (Global Positioning System: sistema de posicionamiento global) o NAVSTAR-GPS[1] es un sistema global de navegación por satélite (GNSS) que permite determinar en todo el mundo la posición de un objeto, una persona o un vehÃculo con una precisión hasta de centÃmetros (si se utiliza GPS diferencial), aunque lo habitual son unos pocos metros de precisión. El sistema fue desarrollado, instalado y actualmente operado por el Departamento de Defensa de los Estados Unidos.
El GPS funciona mediante una red de 24 satélites en órbita sobre el globo, a 20.200 kph, con trayectorias sincronizadas para cubrir toda la superficie de la Tierra. Cuando se desea determinar la posición, el receptor que se utiliza para ello localiza automáticamente como mÃnimo tres satélites de la red, de los que recibe unas señales indicando la identificación y la hora del reloj de cada uno de ellos. Con base en estas señales, el aparato sincroniza el reloj del GPS y calcula el tiempo que tardan en llegar las señales al equipo, y de tal modo mide la distancia al satélite mediante "triangulación" (método de trilateración inversa), la cual se basa en determinar la distancia de cada satélite respecto al punto de medición. Conocidas las distancias, se determina fácilmente la propia posición relativa respecto a los tres satélites. Conociendo además las coordenadas o posición de cada uno de ellos por la señal que emiten, se obtiene la posición absoluta o coordenadas reales del punto de medición. También se consigue una exactitud extrema en el reloj del GPS, similar a la de los relojes atómicos que llevan a bordo cada uno de los satélites.
La antigua Unión Soviética construyó un sistema similar llamado GLONASS, ahora gestionado por la Federación Rusa.
Actualmente la Unión Europea está desarrollando su propio sistema de posicionamiento por satélite, denominado Galileo.
A su vez, la República Popular China está implementando su propio sistema de navegación, el denominado Beidou, que preven que cuente con entre 12 y 14 satélites entre 2011 y 2015. Para 2020, ya plenamente operativo deberá contar con 30 satélites. De momento (abril 2011), ya tienen 8 en órbita.
Contenido
[editar] Historia
En 1957, la Unión Soviética lanzó al espacio el satélite Sputnik I, que era monitorizado mediante la observación del efecto Doppler de la señal que transmitÃa. Debido a este hecho, se comenzó a pensar que, de igual modo, la posición de un observador podrÃa ser establecida mediante el estudio de la frecuencia Doppler de una señal transmitida por un satélite cuya órbita estuviera determinada con precisión.
La armada estadounidense rápidamente aplicó esta tecnologÃa, para proveer a los sistemas de navegación de sus flotas de observaciones de posiciones actualizadas y precisas. Asà surgió el sistema TRANSIT, que quedó operativo en 1964, y hacia 1967 estuvo disponible, además, para uso comercial.
Las actualizaciones de posición, en ese entonces, se encontraban disponibles cada 40 minutos y el observador debÃa permanecer casi estático para poder obtener información adecuada.
Posteriormente, en esa misma década y gracias al desarrollo de los relojes atómicos, se diseñó una constelación de satélites, portando cada uno de ellos uno de estos relojes y estando todos sincronizados con base en una referencia de tiempo determinado.
En 1973 se combinaron los programas de la Armada y el de la Fuerza Aérea de los Estados Unidos (este último consistente en una técnica de transmisión codificada que proveÃa datos precisos usando una señal modulada con un código de PRN (Pseudo-Random Noise: ruido pseudo-aleatorio), en lo que se conoció como Navigation Technology Program (programa de tecnologÃa de navegación), posteriormente renombrado como NAVSTAR GPS.
Entre 1978 y 1985 se desarrollaron y lanzaron once satélites prototipo experimentales NAVSTAR, a los que siguieron otras generaciones de satélites, hasta completar la constelación actual, a la que se declaró con «capacidad operacional inicial» en diciembre de 1993 y con «capacidad operacional total» en abril de 1995.
En 2009, este paÃs ofreció el servicio normalizado de determinación de la posición para apoyar las necesidades de la OACI, y ésta aceptó el ofrecimiento.
[editar] CaracterÃsticas técnicas y prestaciones
El Sistema Global de Navegación por Satélite lo componen:
[editar] Segmento espacial
[editar] Evolución del sistema GPS
El GPS está evolucionando hacia un sistema más sólido (GPS III), con una mayor disponibilidad y que reduzca la complejidad de las aumentaciones GPS. Algunas de las mejoras previstas comprenden:
El programa GPS III persigue el objetivo de garantizar que el GPS satisfaga requisitos militares y civiles previstos para los próximos 30 años. Este programa se está desarrollando para utilizar un enfoque en 3 etapas (una de las etapas de transición es el GPS II); muy flexible, permite cambios futuros y reduce riesgos. El desarrollo de satélites GPS II comenzó en 2005, y el primero de ellos estará disponible para su lanzamiento en 2012, con el objetivo de lograr la transición completa de GPS III en 2017. Los desafÃos son los siguientes:
El sistema ha evolucionado y de él han derivado nuevos sistemas de posicionamiento IPS-2 se refiere a Inertial Positioning System, sistema de posicionamiento inercial, un sistema de captura de datos, que permite al usuario realizar mediciones a tiempo real y en movimiento, el llamado Mobile Mapping. Este sistema obtiene cartografÃa móvil 3D basándose en un aparato que recoge un escáner láser, un sensor inercial, sistema GNSS y un odómetro a bordo de un vehÃculo. Se consiguen grandes precisiones, gracias a las tres tecnologÃas de posicionamiento: IMU + GNSS + odómetro, que trabajando a la vez dan la opción de medir incluso en zonas donde la señal de satélite no es buena.
[editar] Funcionamiento
[editar] Fiabilidad de los datos
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 error aleatorio, que podÃa variar de los 15 a los 100 m. La llamada disponibilidad selectiva (S/A) fue eliminada el 2 de mayo de 2000. Aunque actualmente no aplique tal error inducido, la precisión intrÃnseca del sistema GPS depende del número de satélites visibles en un momento y posición determinados.
Con un elevado número de satélites siendo captados (7, 8 o 9 satélites), y si éstos tienen una geometrÃa adecuada (están dispersos), pueden obtenerse precisiones inferiores a 2,5 metros en el 95% del tiempo. Si se activa el sistema DGPS llamado SBAS (WAAS-EGNOS-MSAS), la precisión mejora siendo inferior a un metro en el 97% de los casos. Estos sistemas SBAS no se aplican en Sudamérica, ya que esa zona no cuenta con este tipo de satélites geoestacionarios.
[editar] Fuentes de error
La posición calculada por un receptor GPS requiere en el instante 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 atraso, el receptor compara una serie de bits (unidad binaria) recibida del satélite con una versión interna. Cuando se comparan los lÃmites de la serie, las electrónicas pueden meter la diferencia a 1% de un tiempo BIT, o aproximadamente 10 nanosegundos por el código C/A. Desde entonces las señales GPS se propagan a la velocidad de luz, que representa un error de 3 metros. Este es el error mÃnimo posible usando solamente la señal GPS C/A.
La precisión de la posición se mejora con una señal P(Y). Al presumir la misma precisión de 1% de tiempo BIT, la señal P(Y) (alta frecuencia) resulta en una precisión de más o menos 30 centÃmetros. Los errores en las electrónicas son una de las varias razones que perjudican la precisión (ver la tabla).
[editar] DGPS o GPS diferencial
El DGPS (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 el fin de proporcionar una mayor precisión en la posición calculada. Se concibió fundamentalmente debido la introducción de la disponibilidad selectiva (SA).
El fundamento radica en el hecho de que los errores producidos por el sistema GPS afectan por igual (o de forma muy similar) a los receptores situados próximos entre sÃ. Los errores están fuertemente correlacionados 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 errores producidos por el sistema GPS, comparándola con la suya, conocida de antemano. Este receptor transmite la corrección de errores a los receptores próximos a él, y asà 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 quedarÃa de la siguiente manera:
Existen varias formas de obtener las correcciones DGPS. Las más usadas son:
En los mensajes que se envÃan a los receptores próximos se pueden incluir dos tipos de correcciones:
El error producido por la disponibilidad selectiva (SA) varÃa incluso más rápido que la velocidad de transmisión de los datos. Por ello, junto con el mensaje que se envÃa de correcciones, también se envÃa el tiempo de validez de las correcciones y sus tendencias. Por tanto, el receptor deberá hacer algún tipo de interpolación para corregir los errores producidos.
Si se deseara incrementar el área de cobertura de correcciones DGPS y, al mismo tiempo, minimizar el número de receptores de referencia fijos, será necesario modelar las variaciones espaciales y temporales de los errores. En tal caso estarÃamos hablando del GPS diferencial de área amplia.
Con el DGPS se pueden corregir en parte los errores debidos a:
Para que las correcciones DGPS sean válidas, el receptor tiene que estar relativamente cerca de alguna estación DGPS; generalmente, a menos de 1000 km. Las precisiones que manejan los receptores diferenciales son centimétricas, por lo que pueden ser utilizados en ingenierÃa.
[editar] Vocabulario básico en GPS
[editar] Integración con telefonÃa móvil
Actualmente dentro del mercado de la telefonÃa móvil la tendencia es la de integrar, por parte de los fabricantes, la tecnologÃa GPS dentro de sus dispositivos. El uso y masificación del GPS está particularmente extendido en los teléfonos móviles smartphone, lo que ha hecho surgir todo un ecosistema de software para este tipo dispositivos, asà como nuevos modelos de negocios que van desde el uso del terminal móvil para la navegación tradicional punto-a-punto hasta la prestación de los llamados Servicios Basados en la Localización (LBS).
Un buen ejemplo del uso del GPS en la telefonÃa móvil es una de las nuevas aplicaciones de Apple, Buscar a mis amigos. Sirve para saber en todo momento dónde están tus amigos, como su propio nombre indica. Por supuesto, hay que autorizar a alguien si quiere localizarnos, y al revés, debemos pedir autorización a quien queramos seguir. También es posible autorizar a alguien a seguirnos de manera temporal, poniendo una fecha de caducidad. Igualmente, nunca es tarde para literalmente borrarnos del mapa haciéndonos invisibles con una sola pulsación. Hay muchas utilidades posibles para esta aplicación, desde quedar con gente, saber si tus amigos están cerca si te pasan a buscar, también se pueden obtener indicaciones para saber cómo llegar hasta donde esté tu amigo. Es una aplicación gratuita y exclusiva para iPad y iPhone.
[editar] GPS y la teorÃa de la relatividad
Los relojes en los satélites GPS requieren una sincronización con los situados en tierra para lo que hay que tener en cuenta la teorÃa general de la relatividad y la teorÃa especial de la relatividad. 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 producirÃa un corrimiento de 38 microsegundos por dÃa, que a su vez provocarÃan errores de varios kilómetros en la determinación de la posición.[2]
[editar] Aplicaciones
[editar] Civiles
[editar] Militares
[editar] Véase también
[editar] Notas y referencias
[editar] Enlaces externos
Wikimedia Commons alberga contenido multimedia sobre Sistema de posicionamiento global. Commons Sitio web educativo sobre el sistema GPS creado por el gobierno de EE. UU.
