GPS. por José Antonio Navarrete Pacheco 18/08/2010

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1 GPS por José Antonio Navarrete Pacheco GPS es un acrónimo de Global Positioning System el cual consiste en una red de satélites que están transmitiendo continuamente información codificada, la cual hace posible identificar la ubicación de lugares en la superficie terrestre por medio de la medición de la distancia a la que se encuentran los satélites. El ejercito de los estados unidos inició el diseñó de este sistema en 1973 con la finalidad de contar con un sistema de navegación de alta precisión para operaciones militares, pero en 1980 fue abierto al público. 1

2 El sistema GPS se hizo público pero el ejercito de los Estados Unidos introdujo un error de manera intencional para degradar la calidad de las posiciones calculadas, a esto se le llamó Disponibilidad Selectiva o Selective Availability (SA) El 2 de Mayo de 2000 la Disponibilidad Selectiva se eliminó, mejorando la precisión de las lecturas hasta en 10 veces, con lo cual, la calidad de las mediciones GPS depende ahora únicamente de otros factores, como son, la calidad del receptor, las fuentes de error, entre otros. Elementos del Sistema GPS El sistema GPS está conformado por tres segmentos: Una constelación de 24 satélites en operación Una red de 5 estaciones terrestres Un número indefinido de receptores. 2

3 Los Satélites: El sistema GPS cuenta con una constelación de 24 satélites NAVSTAR, además de otros 3 satélites posicionados ya en órbita por si hubiera algún desperfecto de los satélites operativos. Nombre: NAVSTAR Fabricante: Rockwell International Altitud: 12,000 millas (20,200 Km.) Peso: ± 900 Kg. Tamaño: 5.4 metros con los paneles solares desplegados Periodo Orbital: 12 horas Plano Orbital: a 55 grados del plano ecuatorial Vida útil esperada: 7.5 años Constelación actual: 24 satélites operativos mas 3 de repuesto Constelación en el Futuro: 21 satélites fabricados por Martin Marieta Satélites GPS 3

4 Los 24 satélites GPS están ubicados en 6 planos orbitales, conteniendo cada uno 4 satélites, de esta manera es seguro que en cualquier punto de la superficie terrestre existan visibles al menos 3 satélites en todo momento. Los 24 satélites GPS están ubicados en 6 planos orbitales, conteniendo cada uno 4 satélites, de esta manera es seguro que en cualquier punto de la superficie terrestre existan visibles al menos 3 satélites en todo momento. 4

5 Distribución de las órbitas de los satélites GPS con respecto a la superficie terrestre Las estaciones terrestres GPS: Estas estaciones monitorean los satélites GPS, revisando su salud operativa y su posición exacta en el espacio. La estación terrestre maestra transmite correcciones de ubicación, asi como de el código que transmiten. Existen 5 estaciones terrestres GPS. 5

6 Los receptores GPS: La principal tarea de un receptor GPS es la de localizar 4 o más satélites, medir la distancia a cada uno de ellos, y utilizando esta información, deducir la ubicación del receptor sobre la superficie terrestre, mediante trilateración. Para Medir la distancia a la que se encuentra cada satélite, el receptor GPS se vale de los códigos que está recibiendo de cada satélite, en estos códigos está contenida información como es: Su ubicación precisa en el espacio, su tiempo, su identificador, entre otras. La distancia a cada satélite GPS se obtiene midiendo el tiempo que tarda la señal en llegar al receptor, para esto, el satélite envía en su código, el tiempo actual, y el receptor puede medir esa diferencia de tiempo, y multiplicándola por la velocidad de la Luz (poco menos de km/s). Al contar con la distancia a al menos tres satélites se puede calcular la posición de un punto sobre la superficie terrestre. 6

7 Cálculo de la posición usando la tecnología GPS X Superficie de la Tierra Receptores GPS 7

8 Receptores GPS Posibilidades del GPS 8

9 Navegación GPS Fuentes de Error 9

10 Fuentes de Error Los receptores civiles tienen potenciales errores de posición debido al resultado de la acumulación del error principalmente a algunas de las siguientes fuentes: Retraso en la Ionosfera y Troposfera. Los receptores calculan un promedio pero no el monto total del retraso debido a esta fuente de error. Multi-trayecto de la señal. Ocurre cuando la señal de GPS es reflejada por objetos como edificios, lo cual genera un retraso. Errores del reloj del receptor. Errores Orbitales Número de satélites visibles Fuentes de Error Geometría de la posición de los satélites (shading). Y como consecuencia, DOP. SA (Disponibilidad Selectiva) 10

11 Errores típicos, en Metros (Por cada satélite) Fuentes de Error GPS Standard (metros) GPS Diferencial (metros) Reloj del Satélite Errores Orbitales Ionosfera Troposfera Ruido en el Receptor Señal Fantasma (multi-path) Disponibilidad Selectiva Hasta 100 m 0 Exactitud Promedio de Posición con DS Horizontal +/- 116 m +/- 1.3 Vertical +/- 60 +/ D +/- 93 +/- 2.8 Remoción de la Disponibilidad Selectiva 11

12 Antes y después de la DS 12

13 Errores típicos, en Metros (Por cada satélite) Sin Disponibilidad Selectiva Dilution of Precision - DOP (dilute diluir) Los receptores GPS calculan tu posición usando una técnica llamada Multilateración 3-D, la cual es el proceso de averiguar donde intersectan varias esferas. En el caso del GPS, cada esfera tiene un satélite en su centro; el radio de la esfera es la distancia calculada del satélite a receptor GPS. Idealmente, estas esferas deberían intersectar exactamente en un punto, teniendo como consecuencia de esto, una única posible ubicación; pero en realidad, la intersección forma más que u n p u n t o, u n á r e a. Ideal Realidad 13

14 Dilution of Precision - DOP (dilute diluir) Se dice que la precisión se diluye cuando el área donde probablemente se encuentre el receptor, se agranda. La principal causa para que la precisión se diluya es la geometría de la constelación de satélites utilizados para una medición. Las características de una mala geometría son: - Todos los satélites en la misma elevación (en º sobre el horizonte) - Satélites alineados (no se cumple la condición para Multilateración) - Los satélites están muy cercanos entre si. DOP alto DOP bajo 14

15 Valores de DOP El Valor DOP es un índice que nos indica la calidad de la geometría de la constelación de satélites GPS que estamos utilizando en cierto momento. Generalmente, los valores DOP son reportados por los receptores GPS en tres tipos de medición: horizontal, vertical y media. El DOP horizontal o HDOP mide la DOP relacionada con la latitud y longitud. DOP vertical o VDOP mide la precisión relacionada con la altitud. DOP medio, también conocido como DOP de posición o PDOP, da la calificación total de precisión para la latitud, longitud y altitud.. Cada valor DOP es reportado como un número entre 1 y 50, donde 50 representa una precisión muy pobre, y 1 representa la precisión ideal. Valores de DOP DOP Rating Description 1 Ideal 2-3 Excellent 4-6 Good 7-8 Moderated 9-20 Fair This is the highest possible confidence level to be used for applications demanding the highest possible precision at all times. At this confidence level, positional measurements are considered accurate enough to meet all but the most sensitive applications. Represents a level that marks the minimum appropriate for making business decisions. Positional measurements could be used to make reliable in-route navigation suggestions to the user. Positional measurements could be used for calculations, but the fix quality could still be improved. A more open view of the sky is recommended. Represents a low confidence level. Positional measurements should be discarded or used only to indicate a very rough estimate of the current location Poor At this level, measurements are inaccurate by half a football field or more and should be discarded Fuente: 15

16 Corrigiendo Errores GPS Diferencial Para mejora la precisión de las lecturas GPS, se han desarrollado técnicas para minimizar las fuentes de error. Una de ellas es la adquisición de señales GPS de manera diferencial. 16

17 Como Funciona el DGPS? GPS Diferencial 17

18 Bajando la señal DGPS Radio AM modificada para ser utilizada como receptor de señales DGPS. Una radio normal de AM cubre el rango de frecuencias de 530 a 1700 khz, ésta fue modificada para recibir ~300 Khz. Un receptor DGPS comercialmente disponible tiene un costo aproximado de ~ US$

19 Iniciativas locales para la disponibilidad de señal DGPS Iniciativas locales para la disponibilidad de señal DGPS 19

20 Iniciativas locales para la disponibilidad de señal DGPS Cobertura DGPS 20

21 21

22 Fin de GPS 22

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