11. EL SISTEMA DE POSICIONAMIENTO GLOBAL (GPS)

Transcripción

1 11. EL SISTEMA DE POSICIONAMIENTO GLOBAL (GPS) 11.1 INTRODUCCIÓN GPS es el acrónimo de Global Positioning System (sistema global de posicionamiento), un sistema formado por una constelación de 24 satélites, llamados NAVSTAR (Navigation Satellite Timing and Ranging), y 5 estaciones en la superficie terrestre. Estos satélites se encuentran en órbitas situadas km, aproximadamente y realizan una circunvalación a la Tierra cada 12 horas. De los 24 en funcionamiento, 21 se encuentran en servicio, mientras que los otros 3 están de reserva. Cada uno de estos satélites emite de manera continua una señal a la tierra indicando su posición y la hora de sus relojes atómicos. Las estaciones de tierra se encuentran repartidas en cinco puntos: Hawai, Isla de Ascensión, Diego García, Atolón de Kwajalein y Colorado Springs. Estas estaciones se encargan de supervisar el estado operativo de los satélites y su correcta posición en el espacio. Una de las estaciones cumple las funciones de estación principal y transmite las correcciones a los satélites. Gracias a este sistema, un usuario puede determinar con un navegador sencillo, y con muy poco margen de error su posición en la esfera terrestre en que se encuentra. En la actualidad existe una gran variedad de receptores GPS en el mercado. TOPOGRAFÍA PARA LAS TROPAS 159

2 Existe también una versión rusa del sistema de posicionamiento global. Se trata de un intento incompleto que inició el gobierno ruso (Constelación Glonass), pero que fue abandonado por falta de financiamiento. Esta constelación incompleta de satélites Glonass sólo se usa ocasionalmente como complemento al sistema GPS norteamericano en algunas aplicaciones de precisión. Por otro lado, también existe en proyecto una versión europea modernizada del GPS que actualmente se encuentra en fase de elaboración. Liderado por la Agencia Espacial Europea, denominado Proyecto Galileo, el cual estima tener operativo todo su sistema a partir del ANTECEDENTES A comienzos de los años 60, Estados Unidos decidió crear un sistema de localización para sus submarinos nucleares. Este sistema debía ser preciso, estar disponible en forma permanente, no verse afectado por las condiciones atmosféricas, funcionar en cualquier lugar del globo y, además de bajo costo. El primer sistema desarrollado fue denominado Transit, el que fue reemplazado posteriormente por el actual sistema GPS. El sistema Transit también fue liberado para uso público, sin embargo requería mayor tiempo para obtener la información y sólo permitía obtener información de uno de los satélites de la red, cuya órbita era circumpolar. En 1989 se lanzaron los primeros satélites que conformaban el sistema GPS. El lanzamiento de los satélites prosiguió hasta 1994, cuando se lanzó el 24º satélite del sistema. Como sistema diseñado para la guerra, no fue sino hasta la guerra del Golfo Pérsico, en 1991, cuando el sistema se sometió a situación de combate. El GPS cumplió su papel acorde a los requerimientos planteados. El uso del GPS no es exclusivo del ejército norteamericano. El entonces Presidente de EE.UU., Ronald Reagan, liberó el sistema GPS para la comunidad civil internacional, el cual tendría como restricción una precisión inferior a la que gozaba el ejército norteamericano, denominada Disponibilidad Selectiva. En el 2000 se eliminó esta restricción y actualmente se logran precisiones de hasta 10 metros en usos civiles. A pesar de ello, y dado que el sistema está bajo el control, entre otros, del Departamento de Defensa norteamericano, los receptores no pueden ser capaces de funcionar a más de metros de altitud ni a más de 900 nudos (1.667 km hora) de velocidad. Además, el servicio puede verse sometido a restricciones temporales. 160 TOPOGRAFÍA PARA LAS TROPAS

3 EL SISTEMA DE POSICIONAMIENTO GLOBAL (GPS) 11.3 EL FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA GPS Los 24 satélites y las 5 estaciones fijas, a partir de la información incluida en ellos y la que reciben de las estaciones, generan una señal que transmiten a los receptores. A su vez los receptores reciben la señal y calculan la posición. La base para determinar la posición de un receptor GPS es la trilateración a partir de la referencia proporcionada por los satélites en el espacio. Para llevar a cabo el proceso de trilateración, el receptor GPS calcula la distancia hasta el satélite midiendo el tiempo que tarda la señal en llegar hasta él. Para ello, el GPS necesita un sistema muy preciso para medir el tiempo. Además, es preciso conocer la posición exacta del satélite. Finalmente, la señal recibida debe corregirse para eliminar los retardos. Una vez que el receptor GPS recibe la posición de al menos cuatro satélites y conoce su distancia hasta cada uno de ellos, puede determinar su posición superponiendo las esferas imaginarias que generan. Para comprender mejor esta explicación, imagine que se encuentra a km de un primer satélite. Esta distancia indica que puede localizarse en cualquier punto de la superficie de una esfera imaginaria de km de radio. Ahora, imagine que se encuentra a km de un segundo satélite. De este modo, también se encuentra en cualquier punto de la superficie de esta segunda esfera imaginaria de km de radio. La intersección de estas dos esferas genera un círculo que disminuye las posibilidades de localizar la posición. Por otra parte, imagine que un tercer satélite se encuentra a km. Ahora las posibilidades de localización se reducen a dos puntos, aquellos donde se unen la tercera esfera y el círculo generado por las otras dos. Aunque uno de estos dos puntos seguramente dará un valor absurdo (lejos de la Tierra, por ejemplo) y puede ser rechazado sin otra consideración, se requiere de un cuarto satélite que determine cuál de ellos es el correcto, aunque esto no es necesario por la razón anteriormente mencionada. A pesar de su aparente falta de utilidad, este cuarto satélite tendrá una función concluyente en el cálculo de la localización. TOPOGRAFÍA PARA LAS TROPAS 161

4 11.4 CÁLCULO DE LA DISTANCIA Se sabe que la distancia resulta de multiplicar la velocidad por el tiempo (100 km /hora x 3 horas = 300 km). Dado que en el GPS se están midiendo señales de radio, la velocidad que se emplea en los cálculos será la de la luz, es decir, km/s. Ahora el problema se reduce a conocer la duración del viaje que realiza esta señal. Este cálculo plantea algunos problemas ya que, entre otros, su duración es muy pequeña (en algunos casos puede llegar a ser de 0,067 segundos). Pero asumiendo que se dispone de relojes muy precisos, cómo se mide este tiempo? Para comprender cómo un receptor GPS mide este tiempo, tómese el siguiente ejemplo. Imagine que a mediodía se pudieran sincronizar simultáneamente el receptor y el satélite. Una vez sincronizados, se acuerda que a partir de un instante determinado el receptor y el satélite comienzan a realizar un conteo (1, 2, 3...). Cuando la señal procedente del satélite llegue al receptor, ésta llegará con un cierto desfase como consecuencia de la distancia. Al receptor sólo le basta medir este desfase (podría ocurrir que la señal con la cuenta 100 llegue al receptor cuando éste va por la cuenta 170, lo cual representaría un desfase de 70). Una vez calculado este desfase, sólo se tiene que multiplicar el tiempo de retardo por la velocidad de la luz (en el ejemplo, y en el supuesto que los conteos se realizan en milisegundos, km /s x 0,07 s = km). Para realizar esta sincronización y este conteo, los emisores y los receptores del GPS utilizan un método denominado Seudo-Random Code (código seudo aleatorio) o PRC. El código PRC se trata de una señal digital (señal eléctrica que representa los valores 0 y 1 ) muy complicada que casi parece aleatoria, de ahí su nombre. Este código se transmite empleando una señal transportadora a una frecuencia de 1.575,42 MHz, (L1) e incluye un mensaje de estado (posición del satélite, correcciones horarias y otros estados del sistema). Los emisores también emplean una segunda frecuencia a 1.227,60 MHz, (L2) pero ésta únicamente tiene un uso militar, dada la precisión que permite su uso. El empleo de dos frecuencias distintas se debe a que la atmósfera proporciona un cierto retardo en la propagación de las ondas, siendo este retardo función de la frecuencia. Al utilizar dos frecuencias distintas se puede conocer ese retardo y compensarlo en consecuencia. El código PRC es complejo para evitar errores accidentales, su infiltración por parte de un elemento hostil y la interferencia de las señales de los distintos satélites. Gracias a la complejidad de esta señal, no es necesario emitir señales muy potentes ni transportar una antena parabólica para recibir la señal del satélite y distinguirla entre el ruido ambiental, como tradicionalmente ocurre con la televisión por satélite. Para distinguirla basta con compararla con el patrón almacenado en el receptor. 162 TOPOGRAFÍA PARA LAS TROPAS

5 EL SISTEMA DE POSICIONAMIENTO GLOBAL (GPS) 11.5 LA SINCRONIZACIÓN La precisión y la exactitud en la medida de la distancia a los satélites son factores fundamentales para el funcionamiento del sistema GPS. Para ello, debe disponerse de relojes, en virtud que una milésima de segundo a la velocidad de la luz puede suponer un error de 300 km. Para los satélites esto no supone un problema ya que cada uno de ellos dispone de un reloj atómico. Lamentablemente, dado el costo y el tamaño, es imposible incluir un reloj atómico en cada receptor. Para solucionar este problema, se simula un reloj atómico mediante la recepción de la señal de un satélite extra. La recepción de una señal adicional permite que el receptor calcule los errores producidos en la medición y comparación del tiempo y compensarlos, de ahí la necesidad de emplear cuatro satélites para la medición de la localización. Gracias a este seudo reloj atómico, los receptores pueden emplearse para algo más que el cálculo de posiciones, como la calibración de otros sistemas de navegación, la sincronización de sistemas informáticos u otros equipos, o la sincronización con el horario universal, entre otros POSICIONES DE LOS SATÉLITES Se ha mostrado como es factible calcular una localización a partir de la posición conocida de cuatro o más satélites, pero, se analizará la situación inversa, que radica en conocer la posición de un satélite que se encuentra a más de km de distancia y que da una vuelta a la Tierra cada 12 horas. Dado que en el espacio no hay atmósfera, se pueden introducir satélites en órbitas invariables que seguirán modelos matemáticos previamente calculados. De este modo, siempre se podrá conocer la posición de cada uno de los satélites en un momento dado. Para ello, los receptores GPS disponen de unos almanaques programados que permiten conocer en qué lugar del espacio se encuentran los satélites en cada momento. A pesar de que estas órbitas son suficientemente exactas, las estaciones de tierra comprueban permanentemente sus posiciones. Para ello emplean radares que miden la posición y velocidad exactas, y calculan los posibles errores. Estos errores se denominan errores de efemérides ya que afectan a la órbita de los satélites o efemérides. Estos errores se producen como consecuencia del efecto de las atracciones gravitacionales de la Luna y el Sol o por la presión de la radiación solar en los satélites. A pesar de todo ello, estos errores son mínimos, sin embargo, si se desea un sistema preciso, deben tenerse en consideración. Una vez detectados, se retransmiten estos errores a los satélites para que éstos puedan incluir la nueva información en las señales emiti- TOPOGRAFÍA PARA LAS TROPAS 163

6 das. De este modo, la señal que incluye el PRC es algo más que una señal de sincronizado, es también una señal que también contiene información sobre la efemérides CORRECCIÓN DE ERRORES A pesar de todas las correcciones realizadas, aún subsisten una serie de errores por corregir. Se ha considerado que las señales viajan en el vacío y sin ningún obstáculo. Sin embargo, nuestro planeta está rodeado por la atmósfera, que afecta considerablemente a la recepción de las señales. Para reducir este error existen dos procedimientos. El primero de ellos implica aplicar un modelo matemático a partir de la información recibida de los satélites y que simula el comportamiento de la atmósfera. El segundo método consiste en la medición dual de frecuencias, un sistema que únicamente emplean los receptores militares y que utiliza las dos señales emitidas por los satélites. Una vez que la señal llega a la superficie de la Tierra, ésta puede reflejarse en diversos obstáculos. De este modo, el receptor puede recibir una señal directa del satélite y, con un ligero desfase, la misma procedente de un reflejo. A este error se le denomina error de trayectoria múltiple. Para eliminarlo, los receptores únicamente tienen en cuenta la señal que llegó en primer lugar, la procedente directamente del satélite APLICACIONES DEL SISTEMA GPS Aunque conocer la localización nuestra posición pueda parecer algo trivial, resulta cada vez un aspecto casi imprescindible en muchos campos. En términos generales estos campos de aplicación pueden señalarse en las siguientes grandes áreas: - Posicionamiento: la aplicación más obvia del GPS es la de determinar una posición o localización. El GPS es el primer sistema que permite determinar con un error mínimo nuestra posición en cualquier lugar del planeta y bajo cualquier circunstancia - Navegación: dado que es posible calcular posiciones en cualquier momento y de manera repetida, conocidos dos puntos se puede determinar un recorrido o, a partir de dos puntos conocidos, determinar la mejor ruta entre ellos dos - Rastreo: mediante la adaptación del GPS a sistemas de comunicación, un vehículo o persona puede comunicar su posición a una central de rastreo 164 TOPOGRAFÍA PARA LAS TROPAS

7 EL SISTEMA DE POSICIONAMIENTO GLOBAL (GPS) - Topografía: gracias a la precisión del sistema, los topógrafos cuentan con una herramienta muy útil para la determinación de puntos de referencia, accidentes geográficos o infraestructuras, entre otros, lo que permite disponer de información topográfica precisa, sin errores y fácilmente actualizable - Sincronización: dada la característica adicional de medición del tiempo de que disponen los receptores GPS, se puede emplear este sistema para determinar momentos en los que suceden o sucederán determinados eventos, sincronizarlos, unificar horarios, etc ANTECEDENTES A CONSIDERAR CUANDO SE UTILIZA UN GPS DE NAVEGACIÓN En primer lugar el usuario debe saber que los equipos GPS de navegación entregan coordenadas con una precisión de ± 10 a 15 metros Asegurarse que las baterías internas del navegador estén lo suficientemente cargadas. De todas maneras se aconseja utilizar pilas nuevas si es que no se ha utilizado el GPS por un determinado tiempo Al inicializar el GPS de navegación es necesario tener en cuenta los siguientes parámetros: - Conocer y programar en el navegador el Datum o sistema de referencia sobre el cual se realizará la navegación. Considerar que si se utiliza un mapa o cartografía como base el GPS debe tener programado el mismo Datum en su sistema - Conocer y elegir el sistema de coordenadas. Pueden ser UTM (norte y este) o geográficas (latitud y longitud) - Verificar las unidades de tiempo, distancia, velocidad y altura. Recordar que el sistema interno que controla a los GPS de navegación entrega diversas alternativas especto a estas unidades - Borrar o verificar la memoria interna del GPS ya que es posible no poder grabar ningún punto si la memoria está llena - Verificar los sistemas de alarmas e iluminación que pueden causar que las baterías duren mucho menos de lo previsto. Se aconseja siempre de llevar un juego de baterías de respaldo TOPOGRAFÍA PARA LAS TROPAS 165

8 - Cambiar el idioma si es necesario. Casi todos los navegadores presentan la alternativa del idioma español Siempre tener en consideración que otra persona pudo haber usado el GPS anteriormente y haber modificado los parámetros. Por esto es que es necesario chequear los pasos anteriores antes de utilizar el navegador. 166 TOPOGRAFÍA PARA LAS TROPAS