GPS ó SPG

GPS ó SPG

El SPG o GPS (Global Positioning System: sistema de posicionamiento global) es un sistema global de navegación por satélite que permite determinar en todo el mundo la posición de un objeto, una persona o un vehículo con una precisión hasta de centímetros (si se utiliza GPS diferencial), aunque lo habitual son unos pocos metros de precisión.

¿Como surgió el GPS?

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 transmitía. Debido a este hecho, se comenzó a pensar que, de igual modo, la posición de un observador podría ser establecida mediante el estudio de la frecuencia Doppler de una señal transmitida por un satélite cuya órbita estuviera determinada con precisión. 

Este proyecto surgió en un principio entre William Guier y George Weiffenbach (físicos del laboratorio de física aplicada de la Universidad de Johns Hopkins, EEUU), y colegas entusiasmados por dicha información. 

A partir de esto se empezaron a preguntar si se podrían captar las señales que transmitía el satélite, y con base en ello obtener la velocidad del mismo utilizando el efecto Doppler; luego de transcurrido un lapso de tiempo y cumplidos sus objetivos, notaron que podrían rastrear la trayectoria exacta del satélite alrededor de la tierra. Ante el descubrimiento fueron convocados por Frank McClure quien les preguntó si se podría realizar el proceso inverso, es decir ubicar algo puntual sobre la superficie terrestre conociendo la posición del satélite, el primer sistema de navegación por satélite, fue utilizado por la marina estadounidense para submarinos que precisaban conocer la localización de objetivos militares para disparar misiles especiales. 

Así surgió el sistema TRANSIT, que quedó operativo entre 1964-1967.

Las actualizaciones de posición, en ese entonces, se encontraban disponibles cada 40 minutos y el observador debía 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. El siguiente avance fue el satélite Timation que proporcionaba una medida de tiempo fiable y precisa en el espacio, una tecnología requerida para el desarrollo del GPS.

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 proveía datos precisos usando una señal modulada con un código de PRN (Pseudo-Random Noise: ruido pseudo-aleatorio), lo que se conoció como Navigation Technology Program (programa de tecnología 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 país ofreció el servicio normalizado de determinación de la posición para apoyar las necesidades de la OACI (Organización de Aviación Civil Internacional), y ésta aceptó el ofrecimiento.

Funcionamiento.

El sistema de navegación esta compuesto por una flotilla de 24 satélites en órbita sobre el planeta tierra, a 20.200 km (con trayectorias sincronizadas para cubrir toda la superficie de la Tierra), y estaciones en tierra firme.

para que el GPS determine una posicion en la superficie terrestre, depende de que cada satélite en la constelación transmita su posición exacta; para ello cada satelite emite su propia efeméride. Una efeméride, es una tabla de valores que da las posiciones de los objetos astronómicos en el cielo en un momento dado.  El mismo trabaja con un software moderno que genera las posiciones de los satélites.  Tambien depende de  una señal de tiempo extremadamente precisa a los recibidores en la tierra. Dada esta información, los receptores GPS pueden calcular su distancia al satélite, y combinando esta información -de cuatro satelites- el recibidor puede calcular su posición exacta usando un proceso llamado trilateración.

La trilateración es un método matemático para determinar las posiciones relativas de objetos usando la geometría de triángulos de forma análoga a la triangulación (método de trilateración inversa) usa las localizaciones conocidas de dos o más puntos de referencia, y la distancia medida entre el sujeto y cada punto de referencia para determinar de forma única y precisa la localización relativa de un punto en un plano  bidimensional. 

para determinar una posicion exacta se necesitan cuatro satelites: 

·         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 dos satélites queda determinada una circunferencia que resulta cuando se intersecan las dos esferas en algún punto de la cual se encuentra el receptor.

·         Teniendo información de un cuarto satélite, se elimina el inconveniente de la falta de sincronización entre los relojes de los receptores GPS y los relojes de los satélites. Y es en este momento cuando el receptor GPS puede determinar una posición 3D exacta (latitud, longitud y altitud).

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 podía 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 intrínseca del sistema GPS depende del número de satélites visibles en un momento y posición determinados.

La conocida como Disponibilidad Selectiva (S/A en su acrónimo inglés) es una degradación intencionada de la señal GPS con el fin de evitar la excesiva precisión de los receptores GPS comerciales modernos.

Inicialmente el sistema NAVSTAR-GPS fue diseñado y desarrollado para aplicaciones militares. Con objeto de impedir que el sistema fuese utilizado con fines no pacíficos por enemigos de los Estados Unidos (guiado de misiles fundamentalmente) el Departamento de Defensa estadounidense, encargado de su mantenimiento y precisión, optó por degradar intencionadamente la señal que emiten los satélites de la constelación NAVSTAR, afectando a usuarios civiles que accedieran a la tecnología de manera comercial a partir de ese momento.

La limitación de su exactitud se llevó a cabo incorporando errores aleatorios a la señal, es decir, que los receptores civiles (no los militares) estarían sujetos a una degradación de la precisión, en función de las circunstancias geoestratégicas y geopolíticas del momento, que queda regulada por el Programa de Disponibilidad Selectiva o SA (Selective Availability). Esta degradación de la señal se realizó de dos formas:

·         Haciendo oscilar el reloj del satélite.

·         Truncando los datos enviados por las efemérides (senda y órbita de un satélite)

Con un elevado número de satélites siendo captados (7, 8 ó 9 satélites), y si éstos tienen una geometría 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. La funcionabilidad de los satélites es por medio de triangulación de posiciones para brindar la posición exacta de los celulares, vehículos, etc.

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 límites 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 mínimo 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 centímetros. Los errores en las electrónicas son una de las varias razones que perjudican la precisión.

Fuente	Efecto
Ionosfera	± 3 m
Efemérides	± 2,5 m
Reloj satelital	± 2 m
Distorsión multibandas	± 1 m
Troposfera	± 0,5 m
Errores numéricos	± 1 m o menos

·         Retraso de la señal en la ionosfera y la troposfera.

·         Señal multirruta, producida por el rebote de la señal en edificios y montañas cercanos.

·         Errores de orbitales, donde los datos de la órbita del satélite no son completamente precisos.

·         Número de satélites visibles.

·         Geometría de los satélites visibles.

·         Errores locales en el reloj del GPS.

Usos.

Sus usos son variados pero a modo de explicitar nombraremos algunos.

     




Agricultura: el sistema de gps junto a un sistema de información geográfica pueden determinar las condiciones del suelo, humedad, temperatura, etcétera. Además ayuda a los agricultores a conocer las operaciones de sus fincas, registros de rendimientos, de pérdida y ganancia del terreno, entre otros.

    En tierra y mar: además de determinar la posición usando sistemas de navegación a bordo, se utiliza para mejorar la presición de cartas marítimas, guiar sistemas de auto-piloto, marcar objetos sumergidos o conocer la posición exacta de naves en alta mar.

  


  Mapas y agrimensura: construcción de mapas y cartas; rutinariamente los agrimensores localizan marcadores catastrales, límites, estructuras, rasgos naturales, entre varios.

      

   


Ciencias: es usado ampliamente por ejemplo, en física, ciencias del espacio y más.

   

      Recreación: guía de rutas, actualizaciones de juegos como el geocaching (búsqueda del tesoro)

   

      Referencia de tiempo: es un cronómetro fiable, por lo que se utiliza para cualquier razón que requiera sincronización precisa.

    

    

Aviación: el gps hace posible la determinación tridimensional de la posición desde el despegue hasta el aterrizaje; sincronizar la información sobre condiciones atmosféricas peligrosas

      

   

Usos militares: se utiliza el gps para dirigir proyectiles y bombas inteligentes, organizar el despliegue de tropas, coordinación en el campo de batalla, etcétera.

  

     En las empresas: para conocer las rutas y desvíos de sus dependientes; utilizan la hora exacta del gps para realizar sus transacciones comerciales.

      



   Se utiliza para la pesca pues determinan cardúmenes, como barrido de la zona, etc; .

      

   Se usa para rastreo de animales marinos, de tierra, de aire.

     

    Rescate: muchos vehículos poseen un sistema de detección de choque o falla, cuando éste se activa el gps emite un llamado de socorro a las líneas de emergencia establecidas (por el usuario); de esta manera, por más que el usuario no pueda realizar un pedido de ayuda el gps lo hará por él.

También se está utilizando para sincronizar torres de comunicaciones celulares, redes de telecomunicación, identificar epicentros de terremotos u otros movimientos sísmicos (debido a la sincronización precisa de los dispositivos dispersos por diferentes zonas geográficas), diagnosticar tormentas e inundaciones etcétera. 

Tipos de GPS:

De mano: son receptores GPS que registran el recorrido, permiten seguir rutas pre-marcadas, y se pueden conectar a un ordenador para descargar o programar las rutas.

Este tipo de GPS se puede encontrar con y sin cartografía, y resultan ideales para su uso al aire libre, MTB, senderismo, montaña, etcétera.

Algunos modelos llevan incluidos una brújula y/o un barómetro electrónicos. 

 Navegadores : orientados a su uso en ciudad y carretera, y mucho más modernos. Estos GPS generalmente no graban el recorrido ni se conectan a un PC, y en teoría son sistemas cerrados .

GPS integrados: Ultimamante muchos dispositivos móviles, PocketPc o teléfonos móviles, llevan ya un GPS interado, son modelos de gama alta (es decir, caros). Para quien pueda permitírselo, es una buena opción. Sin embargo la misma funcionalidad se obtiene con un PocketPc o un móvil más popular, añadiendole un GPS Bluettoth.

linea de tiempo del GPS