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GPS – FUNCIONAMIENTO
1 - RESENA HISTORICA
Desde cuando el hombre apareció sobre la superficie terrestre, ha tenido el problema de
saber en qué sitio se halla y hacia dónde se mueve. Inicialmente marcaba esos lugares con
árboles o piedras que la lluvia, la nieve o la niebla, volvían inservibles. Posteriormente
recurrió a las estrellas, y para poder identificarlas tuvo que acudir a instrumentos como el
astrolabio o el sextante, pero solamente podía observarlas en noches claras.
Hacia el año de 1940 y mediante señales de radio, se hizo posible determinar una posición
con mayor exactitud; se desarrollaron los sistemas LORAN, OMEGA y DECCA con tal
fin, que tenían limitaciones como el poco alcance de las ondas de radio y el hecho de que
las tormentas eléctricas las afectaban notoriamente.
A partir del lanzamiento del primer satélite se pensó
en utilizarlos como sistemas de estrellas que
“iluminaban” con señales de radio grandes
extensiones de la Tierra, y hacia 1960 se diseño el
sistema TRANSIT, que empleaba satélites de baja
altura para hacer mediciones geográficas usando un
método diferente del actual, el cual no era muy
exacto; quedó fuera de servicio hacia 1995.
Existe también un sistema ruso similar llamado GLONASS (GLObal NAvigation Satellite
System), y los europeos están trabajando sobre un sistema propio para la Europa. El GPS se
basa en una constelación de 24 satélites alrededor de la Tierra, en _____ planos orbitales,
que giran a una altura aproximada de ____________ kilómetros. Tres de los cuatro satélites
de cada órbita
funcionan permanentemente, mientras que el cuarto es de repuesto. Con esta distribución se
garantiza que
desde cualquier lugar del planeta hay siempre visibles entre cuatro y ocho satélites.
En 1993 empezó a operar el Sistema de Posicionamiento Global (GPS) NAVSTAR
(Navigation System by Time and Range), que fue desarrollado por el Departamento de
Defensa de los EE.UU.
El uso civil del sistema GPS para cualquier usuario sin costo alguno, solo fue permitido por
el presidente Reagan en ______ como consecuencia del derribe de un avión coreano al
ingresar por equivocación al espacio aéreo soviético.
Estos satélites usan una tecnología de medición tan precisa como para definir posiciones
exactas en cualquier lugar del mundo durante las ____ horas del día. Normalmente se
consiguen aproximaciones de unos _____ metros, que es aproximadamente la anchura de
una calle, y en el llamado “modo diferencial”, los topógrafos realizan mediciones con
precisiones hasta de _____ centímetro.
2 - UTILIDAD DEL SISTEMA
Con la tecnología actual de circuitos integrados, los receptores GPS se están haciendo lo
suficientemente
pequeños y baratos como para que cualquier persona pueda llevarlos para saber
exactamente dónde se
encuentra en cualquier momento.
Por esto se cree que en poco tiempo el GPS será un nuevo tipo de ___________________
_______________________.
Sus aplicaciones casi no tienen ________________.
Llenarán las necesidades de usuarios tradicionales, como ___________ y
___________________.
De igual manera servirán a despachadores, conductores de vehículos,
bomberos, ambulancias, brigadas de rescate, etc.
Se pueden diseñar con ellos sistemas para evitar colisiones en el aire.
Para los sistemas de información geográfica (SIG), el GSP puede
implementar y actualizar sus bases de datos a bajo costo.
Los _____________________ ya los están utilizando para optimizar la
fumigación y la aplicación de abonos y lograr mayor eficiencia en sus
cosechas.
Los ______________________ comienzan a estar dotados, mediante
ellos, de mapas electrónicos que muestran instantáneamente el camino a
cualquier destino.
A los __________________ les está reduciendo notoriamente el tiempo y el
costo en los levantamientos topográficos.
Los _________________________ disminuyen con GPS los costos de
movimiento de tierras, realizan rápidamente inventarios de caminos y carreteras,
etc.
En general, el sistema GPS tiene muchas ventajas para la ingeniería con
respecto a los métodos tradicionales, principalmente por su
____________________________, y porque puede utilizarse en cualquier
momento.
Su aplicación solamente está restringida en aquellos sitios con
________________ inevitables a los satélites, como en las zonas urbanas de
construcciones muy altas, o en túneles y minas. Para estos casos se puede
emplear equipo complementario que mide distancias con base en rayos
infrarrojos.
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3 – CONCEPTOS BASICOS
3.1 – Características físicas
La última generación de la constelación del sistema GPS consta de 25 satélites en órbita
(uno de repuesto). Los
satélites del sistema GPS, tienen las siguientes características:
Nombre NAVSTAR
Fabricante Rockwell International
Peso 900 Kilos
Tamaño Cinco metros de ancho con los paneles extendidos
Tiempo de Vida 7.5 años
Costo U$ 40 millones
Altitud 20 200 Kilómetros
Período Orbital 12 horas (dos vueltas a la tierra en el día)
Reloj Tiene 4 relojes atómicos (2 de Rubidio y 2 de Cesio) con precisión de billonésimas
de
segundos al mes.
3.2 – Segmentos de funcionamiento
El sistema GPS consta fundamentalmente para su funcionamiento de tres segmentos:
• Segmento Espacial
• Segmento de Control
• Segmento del Usuario
a – Segmento Espacial
La constelación GPS está constituida por _____ satélites colocados en órbitas estacionarias,
de manera que
completan una vuelta alrededor de la Tierra cada _____ horas.
El periodo de revolución es de 12 horas siderales (o sea 11 horas 58 minutos). Cada satélite
hace dos veces la
vuelta de la Tierra en 24 horas siderales, o sea 23 horas 56 minutos. En consecuencia, los
satélites son visibles
4 minutos más temprano cada día.
Para ofrecer un cubrimiento óptimo, existen ____ planos orbitales inclinados de ___° con
respecto al ecuador,
cada uno con ____ satélites, a _______ Km de altura aproximadamente (Punto de equilibrio
de gravitación
sobre la Tierra).
Los satélites GPS deben cumplir las siguientes funciones:
•
1
_________________________________________________________________________
________
•
2
_________________________________________________________________________
________
•
3
_________________________________________________________________________
________
•
4
_________________________________________________________________________
________
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b - Segmento de Control
El sistema de control de GPS consiste en una red de instalaciones terrestres que observan y
mantienen los
satélites. Son ___ estaciones que son: Colorado Springs, Hawai, Asunción, Diego García,
Kwajalein.
Este sistema de control es operado por el Comando Espacial de la Fuerza Aérea de los
Estados Unidos. Las
estaciones de observación (MS) realizan dos operaciones:
•
1
–
_________________________________________________________________________
___
•
2
–
_________________________________________________________________________
___
Debido a que las órbitas de los satélites varían por el efecto de fuerzas irregulares (campo
de gravedad,
atmósfera, etc.), los satélites no siguen con exactitud la órbita predicha. La estación MCS
utiliza la información
de las estaciones de observación para determinar la posición real de cada satélite en el
espacio. Esta
información es el mensaje de navegación ascendente enviado ___________________ a
cada satélite desde la
estación MCS por medio de las antenas terrestres (GA).
La estación maestra también observa el estado de cada satélite y, cuando es necesario,
reporta la condición de
“_________________” mientras se realiza el mantenimiento.
c - Segmento del Usuario
Esta parte del sistema está integrada por todos los ______________, civiles o militares. Un
usuario puede
recibir las señales de los satélites por medio de los ______________ GPS, y procesarlas
con una computadora
incorporada.
Los receptores de los usuarios utilizan las señales de los satélites para calcular su propia
posición, su velocidad
y para sincronizarse sobre el reloj de los satélites.
Los receptores se componen de:
•
1
–
_________________________________________________________________________
___
•
2
–
_________________________________________________________________________
___
•
3
–
_________________________________________________________________________
___
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4 - FUNCIONAMIENTO DEL GPS
El funcionamiento correcto del sistema GPS depende de los siguientes cuatro pasos o
procesos:
4.1 - Determinación de la posición
Para determinar la posición de un punto es necesario medir sus distancias desde un grupo
de satélites:
• si se conoce su distancia a un satélite se sabe que el punto está sobre la superficie de una
__________________ que tiene esa distancia como radio.
• si se conoce su distancia a dos satélites se restringe la posición a la circunferencia donde
las
esferas de esos radios se ____________________.
• si se conoce su distancia a tres satélites se reduce el número de posiciones a
_______________,
donde la tercera esfera corta al círculo anterior.
• si se conoce la distancia a un cuarto satélites se puede saber cuál de los dos puntos
anteriores
es el _________________.
Por eso se dice que matemáticamente se necesitan cuatro mediciones para determinar la
posición del punto
requerido.
4.2 - Determinación de las distancias
Estas distancias se establecen multiplicando la _________________ de la señal de radio
que envía el satélite
(que es igual a la velocidad de la luz) por el _________________ que tarda en llegar del
satélite al receptor.
Para determinar ese tiempo, el satélite y el receptor generan sincronizadamente una
sucesión de ___________
digitales, con una determinada secuencia, para que se les pueda comparar fácilmente y sin
ambigüedad.
Estos códigos se generan exactamente al mismo __________, tanto en el satélite como en
el receptor; cuando
se recibe el código en el receptor se mira retrospectivamente para ver cuánto hace que se
generó allí ese
mismo código y así podemos conocer el tiempo transcurrido desde que ese código
específico partió del satélite
y llegó al receptor; se determina de este modo cuánto tarda la señal en recorrer la
_______________.
Desfase de códigos da tiempo transcurrido.
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4.3 - Obtención de una sincronización perfecta
Si los relojes de los satélites y del receptor no están ____________________ sincronizados,
cualquier pequeña
diferencia da lugar a errores en la localización del punto, debido a la gran
__________________ con que viaja
la señal. Los satélites están equipados con relojes _________________ (que emplean las
oscilaciones de un
átomo particular como control), que son sumamente precisos, y también costosos; cada
satélite lleva
___________ de ellos para estar seguros de que por lo memos uno funcione siempre bien.
Sin embargo los receptores, por razones de ____________, no pueden tener relojes tan
________________;
pero haciendo la medición de una distancia adicional se pueden usar relojes medianamente
precisos, sin
menoscabo de la exactitud en la localización del punto. La trigonometría permite hacer la
afirmación de que si
tres mediciones perfectas ubican un punto en el espacio, cuatro mediciones imperfectas
pueden eliminar
cualquier desajuste de tiempo, desde que ese desajuste sea consistente.
Para explicar este principio se aplica el siguiente raciocinio, suponiendo que el reloj del
receptor no es perfecto
como uno atómico sino que se adelanta un poco: si la estación está a una distancia
equivalente a la recorrida
por la luz en cuatro segundos desde el satélite A y a seis segundos desde el satélite B, en
dos dimensiones
estas dos distancias ubican la estación en un punto como X (Figura1). Esa posición se
obtendría con dos
relojes perfectos.
Fig1: Ubicación (X) con relojes sincronizados
Pero si el reloj del receptor está adelantado un segundo, señalaría que el satélite A está a
cinco segundos, y el
B, a siete segundos, o sea, que ubicarán el receptor en XX, distinto de X (Figura2), y esa
posición se aceptaría
como perfecta puesto que no se sabría que el reloj del receptor está adelantado un segundo.
Fig2: Ubicación (XX) con reloj del receptor adelantado.
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Si adicionalmente se toma la distancia desde un tercer satélite, C, y ese satélite estuviera a
una distancia de
ocho segundos del receptor, considerando los relojes perfectos, la posición del receptor
estaría en X de la
Figura3.
Fig3: Ubicación con relojes sincronizados.
Pero si se presentara ese error de un segundo en el receptor, las líneas de puntos mostrarían
las “pseudo
distancias” causadas por el reloj adelantado, llamando “pseudo distancias” las distancias
con errores
ocasionados en la falta de sincronización; o sea, que no existe un punto que esté a cinco
segundos A, a siete
de B y a nueve de C (Figura 4).
Fig4: Ubicaciones con reloj del receptor adelantado.
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Las computadoras de los receptores se programan para que cuando reciban una serie de
datos como éstos,
que no se intersectan en un punto, asuman que hay algo erróneo a causa de que el reloj
interno del receptor
está desajustado. Entonces la computadora va restando o sumando la misma cantidad de
tiempo a todas las
mediciones, hasta que logra una respuesta que permita que todas las distancias pasen por un
punto.
En este caso, la computadora “concluye” que restando un segundo a las tres mediciones
puede hacer que las
circunferencias se corten en un punto, o sea, que el reloj estaba adelantado un segundo. En
realidad lo que la
computadora hace es resolver el problema de cuatro ecuaciones con cuatro incógnitas para
hallar el desajuste
de los relojes. Así entonces, al añadir una medición se pueden eliminar los errores que
pueda tener el reloj del
receptor.
4.4 - Determinar la posición de cada satélite en el espacio
El hecho de que los satélites giren tan alto en el espacio es una gran ______________ para
su funcionamiento,
pues, estando libres de la atmósfera terrestre, las predicciones de sus órbitas son muy
_________________.
Algunos receptores GPS tienen un ________________________ que les indica dónde se
encuentra cada
satélite en un momento dado.
Pero, además, el Departamento de Defensa los controla permanentemente: cada satélite del
sistema pasa
sobre cada una de las estaciones de control ____ veces al día, lo cual da oportunidad de
medir su altitud,
posición y velocidad para encontrar los errores de ________________ ocasionados por la
atracción lunar y
solar y otros fenómenos celestes; esta información de ajuste se retransmite al satélite, que
luego emite esas
pequeñas correcciones junto con la información de tiempo.
Entonces los satélites no sólo transmiten los códigos para medir el tiempo transcurrido sino
también información
sobre su posición _______________________.