7. Medios No Guiados

7.8. GPS Global Positioning System

El sistema de posicionamiento global por Satélite, (Global Navigation Satellite System, GNSS) es una constelación de satélites que transmite rangos de señales utilizados para el posicionamiento y localización en cualquier parte del globo terrestre, ya sea en tierra, mar o aire.

En particular uno de ellos creado y operado por el Departamento de Defensa de los Estados Unidos,  fue el primero y mas conocido  (GPS) es un sistema de navegación basado en satélites.

Comenzado a principios de los ’80 este sistema fue declarado completamente operacional el 27 de Abril de 1995.
Completamente operacional significa que el sistema puede ser usado para determinar la posición de un receptor las 24 horas del día, en cualquier parte de la tierra. El sistema fue concebido originalmente como un auxiliar para la navegación para las fuerzas militares de los Estados Unidos, pero hoy en día el GPS sirve también para fines industriales, comerciales y civiles.
El servicio está disponible, en forma gratuita, las 24 horas del día y bajo cualquier condición meteorológica.

No podemos dejar de considerar la importancia Militar que fue el principal motivo que impulsó este sistema. Hoy en día el uso comercial creció al punto de estar presente en relojes de uso personal.

Hoy en día hay dos sistemas de Posicionamiento y otros con intensiones de implementarse.

GPS

NAVSTAR-GPS (NAVigation System and Ranging - Global Positioning System), conocido simplemente como GPS Sistema de Posicionamiento Global, de los Estados Unidos de América .

El sistema está formado por una constelación de 32 satélites que se mueven en órbita a 20.200 km aproximadamente, alrededor de seis planos con una inclinación de 55 grados. El número exacto de satélites varía en función de los satélites que se retiran cuando ha transcurrido su vida útil.

GLONASS

Sistema Orbital Mundial de Navegación por Satélite, de la Federación Rusa son los únicos que forman parte del concepto GNSS.

Tras la desmembración de la Unión Soviética y debido a la falta de recursos, el sistema perdió operatividad al no reemplazarse los satélites. En la actualidad la constelación GLONASS vuelve a estar operativa.

Galileo

Galileo es la iniciativa de la Unión Europea y la Agencia Espacial Europea, que acordaron desarrollar un sistema de radionavegación por satélite de última generación y de alcance mundial propio, que brindara un servicio de ubicación en el espacio preciso y garantizado, bajo control civil, 100 veces más preciso que los actuales sistemas.

Galileo comprende una constelación de 30 satélites (24 más 4 de reserva) divididos en tres órbitas circulares, a una altitud de aproximadamente 24000 km, que cubren toda la superficie del planeta. Estos estarán apoyados por una red mundial de estaciones terrestres. El primer satélite experimental fue lanzado el 28 de diciembre de 2005 y el 21 de abril de 2011 se lanzaron los dos primeros satélites del programa.1​ El sistema salió a producción el 15 de diciembre de 2012​ con alrededor de media constelación y se completó en 2020.


Funcionamiento

Sistema se compone de tres elementos:

  • los satélites en órbita alrededor de la Tierra
  • las estaciones terrestres de seguimiento y control
  • los receptores del GPS propiedad de los usuarios.

Desde el espacio, los satélites del GPS transmiten señales que reciben e identifican los receptores del GPS; ellos, a su vez, proporcionan por separado sus coordenadas tridimensionales de latitud, longitud y altitud, así como la hora local precisa., vemos que esto tiene su cálculo.


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

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. 

Triangulación.

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 ( pensemos en una esfera) 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.
Todas las posiciones GPS están basadas en la medición de la distancia desde los satélites hasta el receptor GPS en Tierra. Esta distancia hacia cada satélite puede ser  determinada por el receptor GPS. La idea básica es la de una intersección inversa, la cual es utilizada por los topógrafos en su trabajo diario. Si se conoce la distancia hacia tres puntos en relación a una posición, entonces se puede determinar la posición relativa a esos tres puntos. A partir de la distancia hacia un satélite, sabemos que la posición del receptor debe estar en algún punto sobre la superficie de una esfera imaginaria cuyo origen es el satélite mismo. La posición del receptor se podrá determinar al intersectar tres esferas imaginarias.
El problema con el GPS es que sólo se pueden determinar las seudodistancias y el tiempo al momento que llegan las señales al receptor.
De este modo existen cuatro incógnitas a determinar: posición (X, Y, Z) y el tiempo que tarda en viajar la señal. Observando a cuatro satélites se generan cuatro ecuaciones que se cancelan.Para calcular la distancia a cada satélite,
se utiliza una de las leyes del movimiento:
Distnacia = Velocidad(del la señal de radio) x Tiempo.

El tiempo es algo mas complicado calcularlo, imaginemos una señal que se sincroniza con el reloj atómico del satélite, luego con  una marca de tiempo podemos saber la diferencia y en definitiva saber cuanto tardó en llegar la señal.


Teoría de la Relatividad y los relojes de los Satélites.