14 Capítulo II Sistema de Posicionamiento Global (GPS) 2.1 Introducción GPS. Navegación es la ciencia que tiene por objeto determinar la situación geográfica de un buque en un momento dado, así como asegurar su conducción de un punto a otro, mediante referencias dirigidas a objetos terrestres, por medios radioeléctricos u observaciones a astros cuando no es posible contar con la ayuda de aquellos. Para navegar es necesario calcular: - Posición. - Distancia al destino. - Orientación. - Tiempo de viaje. A través de los años, se han desarrollado diferentes sistemas de ayuda a la navegación; orientación astronómica, brújula, sextante, radio navegación, etc. Destacándose entre ellos los sistemas de radio navegación. El éxito del TRANSIT estimuló al Departamento de Defensa estadounidense para estudiar otros sistemas más avanzados. Así nació en 1973 el NAVSTAR-GPS, cuya implantación definitiva se concluyó en 1992. El NAVSTAR-GPS (NAVigation System Time And Ranging - Global Positioning System, Sistema de Posicionamiento Global) es un sistema de radiodeterminación desarrollado por el Departamento de Defensa (DOD) de los Estados Unidos. El sistema proporciona a los usuarios debidamente equipados información con alta precisión sobre posición, tiempo y velocidad (PTV), las 24 horas del día, en cualquier parte del mundo y en todas las condiciones climáticas. El GPS está diseñado para proporcionar servicio PTV a un número ilimitado de usuarios en cualquier parte sobre la superficie terrestre, mar, aire y espacio cercano.
15 Es posible que en el futuro haya un sistema internacional proporcionando servicio de posicionamiento similar al que ofrece el GPS. Este sistema podría ser construído y administrado por un único país o por un consorcio de países, ya que es inconcebible que sólo una entidad comercial pueda construir tal sistema. Actualmente, existe sólo una alternativa al GPS que es el sistema GLONASS (Global Orbiting Navigation Satellite System) de la Federación Rusa. La agencia espacial europea, ESA (European Spacial Agency), proyecta crear un sistema similar al GPS que proporcione más servicios, que se llamará GALILEO. Los sistemas de posicionamiento basados en el uso de satélites dividirse en dos grandes grupos: pueden - Los que se configuran estrictamente como sistemas de radiodeterminación, en los que existen una estaciones centrales que emiten indiscriminadamente un conjunto de señales que analizará un receptor, y le permitirán a éste obtener su posición o alguna información relativa a ella. A este grupo pertenecen los sistemas TRANSIT, NAVSTAR-GPS y GLONASS. - Los que requieren comunicación bidireccional. En ellos, las estaciones centrales interrogan a los usuarios cuyos transmisores/receptores contestan. Sus respuestas son analizadas por las estaciones centrales quienes determinan la posición de los mismos y se la transmiten. A estos sistemas se les denomina RDSS (Radio Determination Satellite Services). Dentro de este grupo están los sistemas GEOSTAR, STARFIX, EUTELTRACS, el servicio de posicionamiento INMARSAT-Standard-C y el sistema Argos. 2.2 Historia del GPS. Durante la década de los 60, la fuerza aérea de los Estados Unidos y la marina estadounidense estudiaron un variado grupo de sistemas de navegación por satélite, la marina patrocinó dos de esos programas: Transit y Timation. Transit empezó a operar en 1964. El sistema proporcionaba información basándose en el desplazamiento Doppler, información en dos dimensiones, latitud y longitud. Su uso acabó el 31 de Diciembre de 1996.
16 Timation también es un programa para proporcionar información en dos dimensiones, sin embargo está basado en la precisión temporal. Mientras la marina estudiaba sistemas bidimensionales, la fuerza aérea conducía sus estudios hacia un sistema de navegación en tres dimensiones (latitud, longitud y altitud) llamado 621B. Este sistema se basa en la repetición de secuencias digitales y ruido seudoaleatorio, que son pulsos binarios de unos y ceros que parecen aleatorios, sin embargo se generan de forma totalmente predecible. En 1973 el departamento de Defensa consolidó los programas Timation y 621B en un único sistema llamado NAVSTAR Global Positioning System. 2.2.1 Fases de desarrollo del GPS. En Diciembre de 1973 se aprueba la fase de validación fase uno del programa GPS. Esta fase incluyó el estudio de los conceptos, realización del proyecto del sistema, y la total viabilidad del programa NAVSTAR. La fase uno se completó en 1979. Consecuentemente empezó la fase dos, e incluyó el desarrollo del equipamiento de usuario del GPS y el sistema de testeo. Esta fase continuó hasta 1985. La fase tres de GPS empezó en 1985 con la producción de su equipamiento y desarrollos del sistema, más modernos, destinados a completar la constelación de satélites, estación principal de control (MCS) y equipamiento avanzado de usuario. 2.2.2 Capacidad de operación. La notificación de la capacidad de operación inicial fue declarada en Diciembre de 1983, en este periodo inicial la constelación de satélites del GPS podría mantener los niveles requeridos de precisión y disponibilidad. La capacidad de operación total define la situación en la que el sistema proporciona toda su capacidad. El NAVSTAR GPS fue declarado totalmente operativo el 17 de Julio de 1995, cuando 24 satélites (tipos block II/IIA) estuvieron en sus órbitas asignadas y la constelación de satélites fue testeada con éxito. Tres de los 24 satélites que están en órbita, son de reserva, están libres y pueden recolocarse fácilmente para
17 reemplazar algún satélite defectuoso. La declaración de la capacidad de operación total significa que el GPS ha conseguido todos los requerimientos previamente pedidos. 2.3 Características. básicas: El Sistema de Posicionamiento Global (GPS) está disponible en dos formas a. SPS: Standard Positioning Service (Servicio de Posicionamiento Estándar). - Disponible para cualquier usuario en cualquier parte del mundo. - No tiene restricciones ni límite de uso. - Ofrece una precisión de 100m en el plano horizontal y 156m en altura. b. PPS: Siglas de Precise Positioning Service (Servicio de Posicionamiento Preciso). - Precisión de 10m en el plano horizontal y 14m en altura. - Ofrece información temporal en UTC con una precisión de 100 seg. Referencia al observatorio de la marina americana UTC (USNO). - La velocidad puede calcularse con un error de 0.1m/seg. 2.4 Funcionamiento del GPS. Los satélites GPS circundan la tierra dos veces al día en una órbita muy precisa y transmiten una señal de información a tierra. Los receptores GPS toman esta información y usan la triangulación para calcular la posición exacta del usuario. Teniendo en cuenta cómo funciona el GPS en forma breve, es preciso considerar que los satélites GPS llevan relojes atómicos de alto grado de precisión. La información horaria se sitúa en los códigos de transmisión mediante los satélites, de forma que un receptor puede determinar en cada momento en cuánto tiempo se transmite la señal. Esta señal contiene datos que el receptor utiliza para calcular la ubicación de los satélites y realizar los ajustes necesarios para precisar las posiciones. El receptor utiliza la diferencia de tiempo entre el momento de la recepción de la señal y el tiempo de transmisión para calcular la distancia al satélite. El receptor tiene en cuenta los retrasos en la propagación de la señal debidos a la ionosfera y a la troposfera. Con tres
18 distancias a tres satélites y conociendo la ubicación del satélite desde donde se envió la señal, el receptor calcula su posición en dos dimensiones. Sin embargo, para calcular directamente las distancias, el usuario debe tener un reloj atómico sincronizado con el Sistema de Posicionamiento Global. Midiendo desde un satélite adicional se evita que el receptor necesite un reloj atómico. El receptor utiliza cuatro satélites para calcular la latitud, la longitud, la altitud y el tiempo. La distancia a cada satélite es determinada haciendo uso de la siguiente forma. PR c Δt =c t = Velocidad de la luz. = Tiempo de recorrido de la señal desde el satélite al receptor. Siendo la diferencia de tiempo la variable que se exige mayor precisión. Para determinar la distancia real de cada satélite se debe corregir la distancia de acuerdo a la siguiente fórmula: R PR - c ( ta tu - ts) R = Distancia real. PR = Distancia medida. c = Velocidad de la Luz. Δta = Retraso en la propagación y otros errores. Δtu = Corrección de reloj del receptor a partir de tiempo de sistema GPS. Δts = Corrección de reloj de satélite a partir de tiempo de sistema GPS.
19 Figura 2.1 Distancia medida de un satélite. El efecto de error de reloj de receptor, al utilizar tres satélites simultáneamente para obtener una posición (Figura 2.2). Las distancias no se cortan en un punto, produciéndose un área ABC. Cada satélite tiene su propio error Δtu, el cual puede ser restado para cada satélite, cortando las señales en el punto P, que corresponde a la posición del usuario. Este error de reloj de receptor es calculado permanentemente desde el momento que se recibe la señal del satélite. Figura 2.2 Corrección por error de recepción de la hora. Conociendo la distancia, desde el satélite al receptor; la posición espacial de cada satélite, es posible determinar geométricamente la posición del receptor, ya que cada satélite es el centro de una esfera con centro en un punto conocido y de radio calculado (Figura 2.3).
20 Figura 2.3 La tierra, los tres satélites con sus órbitas y posiciones conocidas y el corte del lugar geométrico de las esferas, proporciona la posición del buque. Por lo tanto un receptor satelital debe estar conectado a la señal de por lo menos tres satélites para poder calcular una posición 2D (latitud y longitud) y rastrear movimiento. Con cuatro o más satélites a la vista, el receptor puede determinar la posición tridimensional (3D) del usuario (latitud, longitud y altitud). Una vez que la posición del usuario ha sido determinada, la unidad GPS puede calcular otra información, tal como velocidad, dirección, seguimiento, distancia de viaje, distancia a destino, hora de salida y puesta de sol, y mucho más. 2.5 Divisiones del GPS. El GPS consta de tres divisiones: espacio, control y usuario. 2.5.1 Espacio. En el sistema NAVSTAR GPS se utilizan satélites no geoestacionarios, ya que recorren todos los puntos de la superficie terrestre, pero sus órbitas deben ajustarse para obtener una cobertura global, es decir, que en cualquier punto se vean un número mínimo de satélites con una duración y periodicidad aceptable para permitir en recepción el cálculo de su posición con una precisión determinada. La división espacio incluye los satélites y los cohetes Delta que lanzan los satélites desde Cabo Cañaveral, en Florida, Estados Unidos. Los satélites GPS se
21 desplazan en órbitas circulares a 17.440 km de altitud, invirtiendo 12 horas en cada una de las órbitas. Éstas tienen una inclinación de 55 para asegurar la cobertura de las regiones polares. La energía la proporcionan células solares, por lo que los satélites se orientan continuamente dirigiendo los paneles solares hacia el Sol y las antenas hacia la Tierra. Cada satélite cuenta con cuatro relojes atómicos. Figura 2.4 Constelación GPS 2.5.2 Control. El segmento de control está compuesto por: - Una estación maestra de control (MCS) situada en la base aérea Falcon en Colorado Spring. - Cinco estaciones monitoras (MS) situadas en Hawai, Kwajalein, Diego García, Ascensión y Colorado Spring. Se está considerando poner otra estación monitora en la estación aérea de Cabo Cañaveral. Figura 2.5 Estaciones de control
22 La estación maestra de control es la central de procesado del GPS y está funcionando las 24 horas al día, los 7 días de la semana. Sus funciones son seguimiento, monitorización y manejo de la constelación de satélites GPS, además de actualizar el mensaje de navegación. Las estaciones monitoras son unos receptores radio muy precisos localizadas en posiciones determinadas con mucha precisión. Su función es el seguimiento pasivo de los satélites GPS que tiene a la vista, más de 11 simultáneamente, y obtiene la información necesaria para calcular con gran precisión sus respectivas órbitas. Las estaciones monitoras hacen un pequeño procesamiento de datos, o mejor dicho, envían a la estación maestra de control sus medidas y observaciones de mensajes de navegación. La información la procesa la MCS para estimar y predecir las efemérides y parámetros de reloj de los satélites. Efemérides se refiere a los parámetros de localización y órbita exactos de un satélite, es decir, sus datos de seguimiento. Con esto se puede calcular la posición de un satélite con un error menor de 1 m. en sentido radial, 7 m. en la de la trayectoria y 3 m. en la dirección perpendicular a la misma. Utilizando esta información, la estación maestra envía periódicamente a cada satélite efemérides y datos de reloj actualizados en los mensajes de navegación. 2.5.3 Usuario. El segmento de usuario es el consumidor final del GPS y consiste en una variedad de receptores/procesadores civiles y militares específicamente diseñados para recibir o sintonizar la señal emitida por los satélites, y así calcular las soluciones de navegación (posición, altitud, velocidad y tiempo). El GPS fue diseñado para dos niveles de usuarios, los que usan el Servicio de Posicionamiento Estándar /Standard Positioning Service (SPS) y los que utilizan el Servicio de Posicionamiento Preciso /Precise Positioning Service (PPS). En generales, - El PPS está reservado para uso militar - El SPS para otros usos. Los receptores GPS son los que predominan actualmente, y existen del tipo portátiles (de mano), para montaje en vehículos (aviones, yates, automóviles, etc.), e
23 integrados dentro de otros equipos (cámaras fotográficas, unidades de referencia de tiempo, teléfonos celulares, etc.). Figura 2.6 división usuario Debido al gran potencial para aplicaciones especializadas y variadas, el equipamiento de usuario puede variar significativamente en su diseño y función. Algunas aplicaciones generales del GPS son: - Navegación. - Posicionamiento. - Transferencia de tiempo. - Geodesia. 2.6 Precisión del GPS. A pesar de toda su complejidad, el sistema de GPS no es perfecto. Aún bajo condiciones ideales, siempre tiene un error que puede ir desde ±1 metro, hasta más de ±30 metros, dependiendo de la cantidad de satélites que están visibles, las condiciones atmosféricas, y si existen obstáculos naturales o artificiales que obstruyan parcial o totalmente la señal de los satélites. A continuación detallamos los factores que pueden influenciar la exactitud de los resultados de un GPS, y cuánto pueden aumentar su error:
24 Efectos en la ionósfera: Error de efemérides: Error de reloj del satélite: Distorsión por rebote de señal: Efectos en la troposfera: Errores en cálculos numéricos: ± 5 metros ± 2.5 metros ± 2 metros ± 1 metro ± 0.5 metros ± 1 metro Ya que la señal del satélite debe viajar a través de la atmósfera, condiciones inusuales en la misma pueden causar retrasos en la transmisión de las señales. También puede haber problemas cuando las señales rebotan en objetos grandes cercanos, tales como colinas o rascacielos, dando al receptor la impresión que un satélite está más lejos. También sucede a veces que los satélites envían datos atrasados de su órbita exacta, lo cual también afecta el resultado final. Todos estos efectos, como puede verse arriba, pueden llegar a sumar un error de hasta unos ±12 metros en el cálculo de la posición final. Finalmente, existe el tema de la Disponibilidad Selectiva (SA, por sus siglas en inglés). Esto es una característica en el diseño inicial del GPS, el cual intencionalmente agregaba un error al azar de hasta ±100 metros a la señal utilizada por civiles. La señal utilizada por los militares no era afectada por este error. De esta manera, razonaban, misiles enviados por otra nación que utilizarán GPS, no podrían ser tan exactos como los misiles estadounidenses, dándoles una ventaja militar significativa. Sin embargo, el 1 de Mayo de 2001, el Presidente Bill Clinton anunció que deshabilitarían definitivamente la Disponibilidad Selectiva, de esta manera dando al mundo una herramienta de posicionamiento global invaluable. Estados Unidos aún conserva la posibilidad de interferir o deshabilitar por completo la señal de GPS en un área geográfica limitada, sin interferir con la señal en otros lados del mundo. 2.7 GPS diferencial o DGPS (Differential GPS). Para reducir significativamente los errores introducidos por todos los factores arriba descritos, se utiliza comúnmente sistemas de GPS diferencial, el cual introduce una mayor exactitud en el sistema. Ese tipo de receptor (GPS + receptor del enlace de datos desde la estación monitorizada), además de recibir y procesar la información de los satélites, recibe y procesa, simultáneamente, otra información adicional procedente de una estación terrestre situada en un lugar cercano y reconocido por el receptor. Esta información complementaria permite corregir las inexactitudes que se puedan introducir en las señales que el receptor recibe de los satélites. En este caso, la estación terrestre
25 transmite al receptor GPS los ajustes que son necesarios realizar en todo momento, éste los contrasta con su propia información y realiza las correcciones mostrando en su pantalla los datos correctos con una gran exactitud. Permiten a los usuarios alcanzar hasta 3 m de precisión. El único inconveniente del GPS Diferencial es que la señal que emite la estación terrestre cubre solamente un radio aproximado de unos 200 kilómetros. Existen también receptores GPS mucho más sofisticados que funcionan recibiendo múltiples señales de radiofrecuencia. En esos dispositivos el margen de error no sobrepasa los 25 centímetros. 2.8 Aplicaciones del sistema GPS. Originalmente las aplicaciones del sistema GPS eran estrictamente militares, pero después del derribo de un jumbo coreano tras invadir el espacio aéreo de la antigua Unión Soviética por un error de navegación en 1984, el presidente Reagan permitió el uso de GPS para navegación civil. A partir de entonces se pueden dividir las aplicaciones de GPS en dos, aplicaciones militares y aplicaciones civiles. 2.8.1 Aplicaciones Militares. Aviación: reconocimiento y localización de objetivos, cálculo de rutas, aproximación al aterrizaje, precisión de los bombardeos, etc. Fuerzas terrestres: supervivencia, emplazamiento de la artillería, reconocimiento y localización de objetivos, recuperación de equipos, puntos de encuentro, evacuaciones, etc. Operaciones navales: navegación, operaciones anfibias, patrulla costera, emplazamiento de minas, posicionamiento de submarinos, etc. Lanzamiento de armas: misiles autoguiados usando GPS.
26 2.8.2 Aplicaciones Civiles. Usos marítimos: navegación recreativa (es la mayor aplicación civil), posicionamiento, submarinismo, localización de bancos de pesca, puntos de encuentro, navegación en puertos y zonas costeras (con sistema DGPS), etc. Aviación civil: posicionamiento, navegación aérea, aproximación al aterrizaje. Transporte terrestre: mejora en la eficiencia y seguridad en el transporte de mercancías, vehículos autoguiados. Protección civil: optimización en el uso y guiado de vehículos de emergencia (policía, bomberos, ambulancias) mediante control de semáforos, telemetría, etc. 2.9 Aplicaciones Futuras. En la actualidad hay 24 satélites GPS en producción, otros están listos para su lanzamiento y las empresas constructoras han recibido encargos para preparar más y nuevos satélites para el siglo XXI. Al aumentar la seguridad y disminuir el consumo de carburante, el Sistema de Posicionamiento Global será el componente clave de los sistemas aeroespaciales internacionales y se utilizará desde el despegue hasta el aterrizaje. Los conductores lo utilizarán como parte de los sistemas inteligentes en carretera y los pilotos para realizar los aterrizajes en aeropuertos cubiertos por la niebla y otros servicios de emergencia. El sistema ha tenido una buena acogida y se ha generalizado en aplicaciones terrestres, marítimas, aéreas y espaciales. Por consiguiente, el GPS ha sido ofrecido y reconocido como elemento del Sistema mundial de radionavegación para su aplicación a la navegación en otras aguas. Pero si no se aumenta su precisión, el GPS no es adecuado para la navegación en entradas y accesos a puertos o en aguas restringidas. El GPS no dispone de una función de aviso instantáneo en caso de avería del sistema.
27 2.10 Navegación astronómica vs. GPS. El G.P.S. es un instrumento que posee una cobertura mundial y se caracteriza por mejorar la seguridad de la navegación, ya que permite situarse con bastante precisión, y sin la necesidad de complicados cálculos. Sin embargo, alguna forma de control es necesaria debido a que pueden ocurrir fallas electrónicas, problemas eléctricos, rayos e inundaciones, estas causales demuestran que el sistema G.P.S. no tiene garantía de estar siempre en operación, y por otro lado los satélites están controlados por un solo país (Estados Unidos). Si éstos, por algún motivo fallan, todo las señales transmitidas a los sistemas GPS sería nula. Es aquí donde nace la importancia de la navegación astronómica, como un sistema de control, la cual reúne características básicas, manuales, que requieren de más tiempo para su elaboración, pero de igual forma presentan exactitud. Alguna de estas características: - No requiere del uso de electricidad. - Su fuente de datos (los astros) es independiente de la del G.P.S. - Con la dupla G.P.S sextante cada instrumento está verificando el correcto funcionamiento del otro. - Puede emplearse en altamar donde ya no hay más referencias que los astros. (además un sextante puede ser utilizado en navegación costera, no ya para tomar alturas de astros sino para obtener ángulos verticales y horizontales a puntos notables de la costa, obteniéndose posiciones de mucha precisión). Siempre hay que tener presente que atrás de un G.P.S. debe haber un navegante bien preparado. En ese caso será un complemento de las habilidades marineras. Es por ello que el sextante es un instrumento obligatorio a bordo de las embarcaciones que hacen navegación astronómica o de altura, y el uso del mismo es una de las habilidades que deben conocer patrones (en navegación costera) y pilotos (en navegación de altura). Algunos especialistas en teoría plantean que el GPS llevará la derrota del buque, colocando en riesgo unas de las principales prácticas del marino. La clave para mantener estas habilidades reside en posicionarse a través de los astros. Buena disciplina a bordo será apagar el GPS por varias horas (excepto para efectuar algún necesario chequeo), y navegar con el sol, la luna, las estrellas y los planetas. Esto mejora la habilidad como marinos, y la mantiene siempre preparada.