Cómo funciona el sistema de posicionamiento GPS

Tú estás aquí

Un Sistema Global de Navegación por Satélite (GNSS - Global Navigation Satellite System) es una constelación de satélites que transmite señales utilizadas para el posicionamiento y localización en cualquier parte del globo terrestre, ya sea en tierra, mar o aire. Estos permiten determinar las coordenadas geográficas y la altitud de un punto dado como resultado de la recepción de señales provenientes de constelaciones de satélites artificiales de la Tierra.

G.P.S. son las siglas de Global Position System (Sistema de Posición Global), un sistema GNSS desarrollado por el Departamento de Defensa de Estados Unidos que permite obtener la posición (sus coordenadas geográficas) en cualquier punto de la tierra mediante el uso de un aparato receptor que recoge la señal suministrada por un conjunto de satélites que orbitan entorno a la tierra. El aparato receptor G.P.S. es lo que se suele conocer con el simple nombre de G.P.S.

El sistema emplea un conjunto de satélites que orbitan sobre la superficie terrestre, y que recibe el nombre de Constelación de Satélites. La constelación de satélites que usa el sistema G.P.S. consta de 24 satélites operativos (aunque en la actualidad tienen 31 satélites en órbita) situados a 20.200 kilómetros de distancia de la superficie terrestre, y se denomina Navstar. El proyecto se puso en marcha 1.973 y se terminó de implementar en Marzo de 1.994. En 1.983, dos aviones cazas soviéticos derribaron un Boeing de la Korean Airlines, que por un error de posicionamiento invadió espacio aéreo ruso y fue confundido con un avión espía estadounidense. En ese momento, con el fin de evitar otra tragedia similar, Estados Unidos liberó el sistema G.P.S. para su uso libre por el resto del mundo, aunque sigue siendo gestionado por el Departamento de Defensa de los Estados Unidos.

Podéis ver un documental muy interesante de cómo el G.P.S. ha revolucionado nuestra sociedad.

Documentos TV. "GPS, una guerra global"

El G.P.S. permite la navegación por cualquier lugar de la tierra de una forma muy sencilla, con un coste gratuito y con gran precisión, por lo que su uso se ha popularizado rápidamente en todos los ámbitos, desde la geodesia, la ingeniería, la navegación marítima, el excursionismo o el alpinismo.

Para poder usar el sistema hay que adquirir un aparato receptor G.P.S. El dispositivo usa ondas de radiofrecuencia del orden de 1 GHz para comunicarse con los satélites que en ese momento se encuentren en su esfera de visión, y le proporcionan la información necesaria para obtener su posición (coordenadas geográficas) en la superficie de la tierra.

Para su correcto funcionamiento no se requiere, en la actualidad, de ningún tipo de antena, que opcionalmente pueden utilizar algunos aparatos con objeto de mejorar la recepción de la señal. Sin embargo, sí que se necesita disponer de una visión clara del cielo, por lo que no funcionará en el interior de edificios, cuevas, calles estrechas rodeadas de edificios más o menos altos, etc.

Sistema GPS de satélites

 

Precisión de los receptores

Los aparatos G.P.S. pueden proporcionar posiciones con una precisión del orden de algunos metros. La precisión conseguida depende fundamentalmente a los siguientes factores:

  • Disponibilidad Selectiva (S.A.): Con objeto de impedir el uso militar de los receptores, el gobierno de los Estados Unidos decidió controlar la precisión del sistema mediante un Programa de Disponibilidad Selectiva (S.A. - Selective Availability). Con ello la precisión de los receptores se reducía a unos 50 ó 100 metros, que podía aumentar en función de las políticas que adoptase el departamento de defensa de Estados Unidos. En la actualidad el programa S.A. está desactivado y es improbable que vuelva a ponerse en marcha, pues es posible suprimir la señal G.P.S. en áreas con conflicto bélico.
  • Número de satélites sintonizados: la precisión también depende del número de satélites que ha sintonizado el receptor para obtener la posición. Cada señal de un satélite se recibe en el receptor en un canal diferente. Los receptores podrán disponer de 8 canales, 10 canales, 12 canales, etc. Cuantos más canales disponga el receptor mayor será la precisión que puede proporcionar. Sin embargo, es posible que el receptor no sintonice en un momento dado un satélite en cada uno de sus canales disponibles. Lo normal es sintonizar entre 7 y 9 canales para tener una buena precisión en la señal.
  • Retraso Ionosférico: Cuando una onda electromagnética se trasmite por las partículas cargadas de la ionosfera lo hace con una velocidad que se ve reducida al atravesar el vapor de agua de la troposfera, lo que provoca un retraso en las señales emitidas por los satélites. Esta calidad afectará a la precisión de la posición que proporciona el receptor G.P.S. Siempre será más precisa la señal de noche que de día, ya que de noche la ionosfera está menos ionizada.
  • Señal Multi-camino: Se produce por el rebote de las ondas electromagnéticas contra obstáculos como edificios o laderas montañosas, lo que da lugar a un retraso en la recepción de las señales emitidas por el satélite.
  • Errores de Almanaque: Se producen por el desajuste horario entre los satélites y el receptor. Los satélites van provistos de relojes atómicos de la máxima precisión, pero no así los receptores.
  • Erores de Efemérides: Debidos a la imprecisión de la situación orbital. La calidad de la señal emitida por los satélites se denomina SQ (Signal Quality).

 

Constelación de Satélites

Como se ha dicho el sistema G.P.S. emplea 24 satélites que orbitan sobre la superficie terrestre a 20.200 kilómetros de altitud, y que forman la constelación Navstar. Los satélites se ubican sobre seis órbitas prácticamente circulares (excentricidad de 0’03). En cada órbita se sitúan cuatro satélites con una separación de 90º entre cada uno de ellos. Por tanto, siempre tendremos al menos 4 satélites a la vista para conocer nuestra posición.

Cada satélite da diariamente dos vueltas a la tierra (órbita semisíncrona). Las órbitas se sitúan formando un ángulo de 55º con el ecuador terrestre, y los planos orbitales se hallan separados 60º.

Con estas características la constelación de satélites forma una verdadera red que, a modo de ovillo de lana, envuelve a la tierra. En cualquier punto de la tierra deben ser visibles (desde el punto de vista de sus señales), cinco satélites de forma simultánea, con lo que se asegura la cobertura en todo momento y lugar del globo.

Satélite GPS de Navstar

 

Códigos emitidos por los satélites y triangulación de señales

Cada satélite de la constelación emite dos tipos de códigos:

  • Código Militar o Código PPS (Servicio de Posicionamiento Preciso) o Código P (Precision). No es utilizable por los receptores civiles. Usa dos frecuencias, una de 1.575’42 Hz y otra de 1.226’7 MHz, y proporciona la máxima precisión posible con fines exclusivamente militares.
  • Código Civil o Código SPS (Servicio de Posicionamiento Estándar) o Código C/A (Código de adquisición ordinaria). Es la señal reservada a usos civiles. Usa una frecuencia de 1.575’42 MHz. Inicialmente este código llevaba implícito un error en el posicionamiento conocido con el nombre de Disponibilidad Selectiva o S.A., y que fue suprimido por el gobierno de los Estados Unidos en el año 2.000. 

Pese a la supresión de la S.A., el código PPS da más precesión que el código civil C/A, debido a que el primero utiliza dos frecuencias distintas, lo que permite compensar los errores debidos a las condiciones ionosféricas.

La señal que emite un satélite consiste en dos series de datos llamadas Almanaque y Efemérides. La información del Almanaque incluye la fecha y la hora (obtenida mediante relojes atómicos provistos en los satélites), mientras que las Efemérides proporcionan la situación orbital del satélite. De este modo los satélites transmiten su situación orbital y la hora exacta, lo que equivale a decir que nos proporciona su posición con respecto al punto donde nos encontramos.

Con un solo satélite no podremos conocer nuestra posición, necesitaremos al menos tres satélites de la constelación, para poder realizar una triangulación de señales y conocer con mayor exactitud la posición. El funcionamiento es el siguiente:

  • Cada satélite indica que el receptor se encuentra en un punto en la superficie de la esfera, con centro en el propio satélite y de radio la distancia total hasta el receptor.
  • Obteniendo información de al menos dos satélites más, queda determinada una circunferencia que resulta cuando se intersecan las esferas en algún punto de la cual se encuentra el receptor.

Triangulación GPS

El G.P.S. puede proporcionar, además, la altitud del punto. Para ello es necesario disponer de un satélite más. En resumen, se requieren como mínimo cuatro satélites para la navegación tridimensional (que incluye la altitud) y sólo tres satélites para la navegación bidimensional (sin altitud) sobre la superficie terrestre.

Es interesante comprobar que el tiempo necesario para que una señal llegue de un satélite al receptor G.P.S. es sumamente pequeño pero imprescindible. Siendo la velocidad de la luz c=300.000 km/s, este tiempo es del orden de:

t = 20.200 km / 300.000 km/s = 0’067 s = 67 ms

Indicar que el sistema S.A. (Disponibilidad Selectiva) actuaba precisamente sobre el tiempo de recepción de la señal del satélite con objeto de introducir un pequeño error aleatorio en la posición.

 

G.P.S. Diferencial (D.G.P.S.)

Con objeto de mejorar la precisión de los dispositivos receptores de G.P.S. se ha ideado un sistema G.P.S. Diferencial (D.G.P.S.)  que consiste en situar un sistema de radioemisores o radiobalizas en puntos fijos de la tierra cuya posición sea conocida con exactitud. Para poder usar el sistema D.G.P.S. hay que acoplar al aparato G.P.S. un receptor D.G.P.S. o receptor Rasant que capte estas señales de los radioemisores ubicados en tierra.

Para entender el sistema, supongamos un receptor G.P.S. situado en un punto cuya posición exacta es S y cuya posición dada por el aparato es S’. La señal S’ es la resultante de introducir en la posición exacta S un error E:

S’ = S + E

Para la radiobaliza situada en tierra se conoce su posición exacta P, y se puede determinar su posición de acuerdo con un G.P.S. situado en el lugar P’. La señal medida en la radiobaliza en el mismo instante esta sujeta al mismo error E, si no se halla muy alejada del punto S. Entonces se cumple que:

P’ = P + E

Podemos obtener la posición exacta en el punto S, mediante la diferencia de las dos señales. Restando miembro a miembro las dos relaciones anteriores:

S’ - P’ = S – P

Luego:

S = S’ + ( P – P’ )

Por lo que bastará en sumar a la señal medida por el receptor G.P.S, la señal diferencial (P - P’) enviada por la radiobaliza situada en tierra, señal que es la diferencia entre su posición exacta y la determinada vía G.P.S.

El D.G.P.S. se está usando en navegación marítima utilizando una red mundial de radiofaros (radiobalizas Rasant). Sin embargo, su aplicación en tierra es limitado. En la actualidad el G.P.S. diferencial va perdiendo interés con la eliminación de la Disponibilidad Selectiva (S.A.) y el auge de los sistemas de aumentación basados en satélites.

 

Sistemas de Aumentación Basados en Satélites (S.B.A.S.)

Los Sistemas de Aumentación Basados en Satélites (S.B.A.S. - Satellite Based Augmentation System) permiten aumentar la precisión de los dispositivos G.P.S. mediante el uso de satélites adicionales geoestacionarios (que no cambian su posición en el espacio, situándose siempre sobre el mismo punto de la tierra) y múltiples estaciones de referencia. El sistema es más eficaz que el D.G.P.S., pues éste sólo utiliza una estación de referencia y el receptor debe hallarse en las inmediaciones de la misma.

Actualmente están desarrollados o en fase de implementación los siguientes sistemas SBAS:

  • WAAS (Wide Area Augmentation System), gestionado por el Departamento de Defensa de los Estados Unidos.
  • EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay Service), administrado por la Agencia Espacial Europea.
  • WAGE (Wide Area GPS Enhancement), que trasmite más precisión en los datos de efemérides y reloj de los satélites destinado a uso militar.
  • MSAS (Multi-Functional Satellite Augmentation System), operado por Japón.
  • StarFire, gestionado por la empresa John Deere.
  • QZSS (Quasi-Zenith Satellite System), propuesto por Japón.
  • GAGAN (GPS and GEO Augmented Navigation), planeado por la India.

El sistema se basa en estaciones de referencia situadas en la superficie terrestre. Cada estación de referencia observa los satélites geoestacionarios que le son visibles en un momento dado. Como se hallan en una posición fija y determinada, pueden calcular el error de posicionamiento para cada coordenada:

E = P – P’

Donde P es la posición exacta de la estación y P’ la suministrada por los satélites. Las correcciones introducidas permiten compensar efectos como el error cometido por el paso de las ondas por la ionosfera, los errores en la hora de los satélites, etc.

Los datos se transmiten desde cada estación de referencia a la estación central, que los analiza y obtiene un mapa de correcciones. Finalmente la estación central envía a un satélite geoestacionario esta información al receptor G.P.S. que pueda sintonizar con el referido satélite.

Todos los sistemas S.B.A.S son compatibles entre sí. La compatibilidad implica que un receptor que es capaz de sintonizar con un satélite W.A.A.S en Estados Unidos lo puede hacer con un satélite EGNOS en Europa y viceversa.

Para poder trabajar con el sistema S.B.A.S., el receptor G.P.S. debe estar preparado para ello. Hay que tener en cuenta que se dedican exclusivamente uno o dos canales del aparato para sintonizar con el satélite S.B.A.S., por lo que en un dispositivo de 12 canales, tan sólo 10 podrán ser utilizados para sintonizar con los satélites convencionales de la constelación. Esto no supone ninguna pérdida si se tiene en cuenta que rara vez podremos llegar a sintonizar con 10 satélites simultáneamente. Además, los satélites S.B.A.S. pueden servir también como satélites convencionales, pues envían también información de posición (código SPS).

WAAS System

 

Basado en el "Curso de Cartografía, Orientación y GPS" de Javier Urrutia. Permitida su reproducción para aplicaciones docentes, culturales y didácticas siempre y cuando éstas no persigan ánimo de lucro ni beneficio particular alguno.

Este artículo publicado en AristaSur.com pertenece a AristaSur y está protegido bajo una Licencia Creative Commons.

Secciones: