Introducción Al Gps Ensayo

Introducción al GPS

Introducción al GPS El Sistema de Posicionamiento Global (GPS) es un sistema de navegación por satélite que fue desarrollado por el Departamento de Defensa de los Estados Unidos (DoD) a principios de los años setenta. Inicialmente, el GPS se desarrolló como un sistema militar para satisfacer las necesidades militares de los Estados Unidos. Sin embargo, más tarde se puso a disposición de los civiles, y ahora es un sistema de uso personal al que pueden acceder tanto los usuarios militares como los civiles [1] .GPS proporciona información continua de posicionamiento y sincronización, en cualquier lugar del mundo, bajo cualquier condición climática. Debido a que sirve a un número ilimitado de usuarios, además de ser utilizado por razones de seguridad, el GPS es un sistema pasivo (2) de alcance unidireccional. Es decir, los usuarios solo pueden recibir estas señales de satélite. Este capítulo presenta el sistema GPS, sus componentes y su idea básica.

1.1 Descripción general del GPS

El GPS consiste, nominalmente, en una constelación de 24 satélites operativos. Esta constitución, conocida como la capacidad operativa inicial (COI), se completó en julio de 1993. Sin embargo, el anuncio oficial de la COI se realizó el 8 de diciembre de 1993 [3]. Para garantizar una cobertura mundial continua, los satélites GPS1 se organizan de manera que se coloquen cuatro satélites en cada uno de los seis orbitales (Figura 1.1). Con esta geometría de constelación, cuatro a diez satélites GPS serán visibles en cualquier parte

Las órbitas de los satélites GPS son casi circulares (una forma elíptica con una excentricidad máxima es de aproximadamente 0.01), con una inclinación de aproximadamente 55∞ hacia el ecuador. El eje semimayor de una órbita GPS es de aproximadamente 26,560 km (es decir, la altitud satelital de alrededor de 20,200 km sobre la superficie de la Tierra) [4]. El período orbital del GPS correspondiente es de aproximadamente 12 horas siderales (~ 11 horas, 58 minutos). Se declaró oficialmente que el sistema GPS había alcanzado la capacidad operativa total (FOC) el 17 de julio de 1995, lo que garantiza la disponibilidad de al menos 24 satélites GPS operacionales, no experimentales. De hecho, como se muestra en la Sección 1.4, desde que el GPS alcanzó su FOC, el número de satélites en la constelación de GPS siempre ha sido más de 24 satélites operativos.

1.2 segmentos de GPS

El GPS consta de tres segmentos: el segmento espacial, el segmento de control y el segmento de usuario (Figura 1.2) [5]. El segmento espacial consiste en la constelación de 24 satélites introducida en la sección anterior. Cada GPS satélite transmite una señal que tiene varios componentes: dos ondas sinusoidales (también conocidas como frecuencias portadoras), dos códigos digitales y un mensaje de navegación. Los códigos y el mensaje de navegación se agregan a las portadoras como modulaciones bifásicas binarias [5]. Los operadores y los códigos se utilizan principalmente para determinar la distancia desde el receptor del usuario hasta el GPS

satélites El mensaje de navegación contiene, junto con otra información, las coordenadas (la ubicación) de los satélites en función del tiempo. Las señales transmitidas son controladas por relojes atómicos de alta precisión a bordo de los satélites. Más información sobre la señal GPS se encuentra en el Capítulo 2.

El segmento de control del sistema GPS consiste en una red mundial de estaciones de rastreo, con una estación de control maestra (MCS) ubicada en los Estados Unidos en Colorado Springs, Colorado. La tarea principal del segmento de control operacional es rastrear los satélites GPS para determinar y predecir las ubicaciones de los satélites, la integridad del sistema, el comportamiento de los relojes atómicos satélite, los datos atmosféricos, el almanaque satelital y otras consideraciones. Esta información luego se empaqueta y se carga en los satélites GPS a través del enlace de la banda S.

El segmento de usuarios incluye a todos los usuarios militares y civiles. Con un receptor GPS conectado a una antena GPS, un usuario puede recibir las señales GPS, que se pueden usar para determinar su posición en cualquier parte del mundo. Actualmente, el GPS está disponible para todos los usuarios en todo el mundo sin cargo directo.

1.3 generaciones de satélites GPS

La acumulación de la constelación de satélites GPS comenzó con una serie de 11 satélites conocidos como satélites Block I (Figura 1.3). El primer satélite de esta serie (y en el sistema

GPS) se lanzó el 22 de febrero de 1978; el último lanzamiento se lanzó el 9 de octubre de 1985. Los satélites del Bloque I se construyeron principalmente con fines experimentales. El ángulo de inclinación de los planos orbitales de estos satélites, con respecto al ecuador, fue de 63∞, que se modificó en las siguientes generaciones de satélites [6]. Aunque la vida útil de diseño de los satélites Block I fue de 4.5 años, algunos permanecieron en servicio por más de 10 años. El último satélite del Bloque I fue retirado del servicio el 18 de noviembre de 1995. La segunda generación de satélites GPS se conoce como Bloques II / IIAsatellites (Figura 1.3). El Bloque IIA es una versión avanzada del Bloque II, con un aumento en la capacidad de almacenamiento de datos de mensajes de navegación de 14 días para el Bloqueo II a 180 días para el Bloque IIA. Esto significa que los satélites Bloque II y Bloque II pueden funcionar continuamente, sin soporte en tierra, por períodos de 14 y 180 días, respectivamente. Un total de 28 satélites del Bloque II / IIA se lanzaron durante el período de febrero de 1989 a noviembre de 1997. De estos, 23 están actualmente en servicio. A diferencia del Bloque I, el plano orbital de los satélites del Bloque II / IIA está inclinado 55 ° con respecto al ecuador. El tiempo de vida útil de un satélite del Bloque II / IIA es de 7,5 años, que fue superado por la mayoría de los satélites Bloqueo II / IIA. Para garantizar la seguridad nacional, se agregaron algunas características de seguridad, conocidas como disponibilidad selectiva (SA) y antispoofing, a los satélites BlockII / IIA [3, 6].

Actualmente se está lanzando una nueva generación de satélites GPS, conocida como Bloque IIR (Figura 1.3). Estos satélites de reposición serán compatibles hacia atrás con el Bloque II / IIA, lo que significa que los cambios son transparentes para los usuarios. El bloque IIR consta de 21

satélites con una vida útil de 10 años. Además de la mayor precisión esperada, los satélites Block IIR tienen la capacidad de operar de forma autónoma durante al menos 180 días sin correcciones de terreno o degradación de la precisión. La capacidad de navegación autónoma de esta generación de satélites se logra en parte a través de las capacidades de alcance de satélite mutuo. Además, el segmento de control terrestre carga las efemérides y los datos del reloj predichos durante un período de 210 días para respaldar la navegación autónoma. Se agregarán más funciones a los últimos 12 satélites del Bloque IIR en el marco del programa de modernización de GPS, que se lanzará a principios de 2003 [7]. A partir de julio de 2001, se han lanzado con éxito seis Block IIR satélites.

El Bloque IIR será seguido por otro sistema, llamado Bloque IIF (para "seguir en"), que consiste en 33 satélites. La vida útil del satélite será de 15 años. Los satélites Block IIF tendrán nuevas capacidades bajo el programa de modernización de GPS que mejorará drásticamente la precisión del posicionamiento GPS autónomo (consulte el Capítulo 2 para más detalles). El primer satélite Block IIF está programado para ser lanzado en 2005 o poco después de esa fecha.

1.4 Constelación actual de satélites GPS

La actual constelación de GPS (a partir de julio de 2001) contiene cinco satélites Block II, 18Block IIA y seis Block IIR (consulte la Tabla 1.1). Esto hace que el número total de satélites GPS en la constelación sea de 29, lo que supera a la

constelación del satélite de 24 satélites por cinco satélites [8]. Todos los satélites Block I ya no están operativos.

Los satélites GPS se colocan en seis planos orbitales, que están etiquetados como Athrough F. Como actualmente hay más satélites disponibles que la constelación nominal de 24 satélites, un plano orbital puede contener cuatro o cinco satélites. Como se muestra en la Tabla 1.1, todos los planos orbitales tienen cinco satélites, a excepción del plano C orbital, que tiene solo cuatro. Los satélites pueden ser identificados por varios sistemas. Los sistemas de identificación más populares dentro de la comunidad de usuarios de GPS son el número de vehículo espacial (SVN) y el ruido pseu-dorandom (PRN); El número de PRN se definirá más adelante. Los satélites BlockII / IIA están equipados con cuatro relojes atómicos a bordo: dos de cesio (Cs) y dos de rubidio (Rb). El reloj de cesio se utiliza como la fuente principal de tiempo para controlar la señal del GPS. Sin embargo, los satélites del bloque IIR utilizan solo relojes de rubidio. Cabe señalar que dos satélites, PRN05 y PRN06, están equipados con reflectores de cubo de esquina para ser rastreados mediante clasificación láser (Tabla 1.1).

1.5 sitios de control

El segmento de control del GPS consiste en una estación de control maestra (MCS), una red mundial de estaciones de monitoreo y estaciones de control en tierra (Figura 1.4). El MCS, ubicado cerca de Colorado Springs, Colorado, es la instalación de procesamiento central del segmento de control y está disponible en todo momento [9].

Hay cinco estaciones de monitoreo, ubicadas en Colorado Springs (con theMCS), Hawai, Kwajalein, Diego García y la Isla Ascensión. Las posiciones (o coordenadas) de estas estaciones de monitoreo son conocidas con mucha precisión.

Cada estación de monitoreo está equipada con receptores GPS de alta calidad y oscilador de acesio para el seguimiento continuo de todos los satélites GPS a la vista. Tres de las estaciones de monitoreo (Kwajalein, Diego Garcia y Ascens Island) también están equipadas con antenas terrestres para cargar la información en los satélites GPS. Todas las estaciones de monitoreo y las estaciones de control de tierra no están tripuladas y operadas de forma remota desde el CMS.

Las observaciones de GPS recogidas en las estaciones de monitoreo se transmiten al MCS para su procesamiento. El resultado del procesamiento es la predicción de los datos de navegación satelital que incluyen, junto con otra información, las posiciones de los satélites en función del tiempo, los parámetros del reloj del satélite, los datos atmosféricos, el almanaque satelital y otros. Esta fresca los datos de navegación se envían a una de las estaciones de control terrestre para cargarlos en los satélites GPS a través del enlace de la banda S. La supervisión de la integridad del sistema GPS también es una de las tareas de el MCS. El estado de un satélite se establece en una condición no saludable por el MCS durante el mantenimiento o las interrupciones del satélite. Esta condición de estado del satélite aparece como parte del mensaje de navegación del satélite casi en tiempo real. El mantenimiento programado del satélite o la interrupción se informa en un mensaje llamado Aviso de aviso a los usuarios de Navstar

(NANU), que está disponible para el público a través de, por ejemplo, Centro de navegación de la Guardia Costera de los Estados Unidos [8].

1.6 GPS: La idea básica.

La idea detrás del GPS es bastante simple. Si las distancias de un punto en la Tierra (un receptor GPS) a tres satélites GPS se conocen junto con las ubicaciones satelitales, entonces la ubicación del punto (o receptor) se puede determinar simplemente aplicando el concepto bien conocido de resección [10]. ¡Eso es todo! Pero, ¿cómo podemos obtener las distancias a los satélites, así como las ubicaciones satelitales?

Como se mencionó anteriormente, cada satélite GPS transmite continuamente una señal de radio de microondas compuesta por dos portadoras, dos códigos y un mensaje de navegación. Cuando un receptor GPS está encendido, recogerá la señal GPS a través de la antena del receptor. Una vez que el receptor adquiera la señal GPS, la procesará utilizando su software integrado. El resultado parcial del procesamiento de la señal consiste en las distancias a los satélites GPS a través de los códigos digitales (conocidos como pseudodistancias) y la coordinación satelital a través del mensaje de navegación.

Teóricamente, solo se necesitan tres distancias a tres satélites seguidos simultáneamente. En este caso, el receptor estaría ubicado en la intersección de tres esferas; cada uno tiene un radio de un receptor de distancia por satélite y se centra en ese satélite en particular (Figura 1.5). Sin embargo, desde el punto de vista práctico, se necesita un cuarto satélite para

tener en cuenta el desplazamiento del bloqueo del receptor [6]. Más detalles sobre esto se dan en el Capítulo 5.

La precisión obtenida con el método descrito anteriormente se limitó recientemente a 100 m para el componente horizontal, 156 m para el componente vertical y 340 m para el componente de tiempo, todo al nivel de probabilidad del 95%. Este bajo nivel de precisión se debió al efecto de la llamada disponibilidad selectiva, una técnica utilizada para degradar intencionalmente la precisión de posicionamiento automática en tiempo real a usuarios no autorizados [3]. Con la decisión presidencial de terminar la disponibilidad selectiva, se espera que la precisión horizontal obtenida mejore a aproximadamente 22 m (nivel de probabilidad del 95%) [7, 11]. Para mejorar aún más la precisión del posicionamiento GPS, se utiliza el llamado método diferencial, que emplea dos receptores que rastrean simultáneamente los mismos satélites GPS. En este caso, se puede obtener un nivel de precisión de posicionamiento del orden de un subcentímetro a unos pocos metros.

Otros usos del GPS incluyen la determinación de la velocidad del usuario, que podría determinarse por varios métodos. El método más utilizado se basa en la estimación de la frecuencia Doppler de la señal GPS recibida [6]. Se sabe que el cambio Doppler se produce como resultado del movimiento del receptor de satélite familiar. El GPS también se puede usar para determinar la actitud de un cuerpo rígido, como un avión o una embarcación marítima. La palabra "actitud" significa la orientación, o la dirección, del cuerpo rígido, que puede describirse mediante los tres ángulos de rotación de los tres ejes del cuerpo rígido con respecto a un sistema de referencia. La actitud se determina equipando al cuerpo con

un mínimo de tres receptores GPS (o un receptor especial) conectados a tres antenas, que están dispuestas en una línea no recta [12]. Los datos recopilados en los receptores se procesan para obtener la actitud del cuerpo rígido.

PPS es el servicio autónomo de posicionamiento y sincronización más preciso. Utiliza uno de los códigos GPS transmitidos, conocido como código P (Y), al cual solo pueden acceder usuarios autorizados. Estos usuarios incluyen fuerzas militares de los Estados Unidos. La precisión de posicionamiento esperada proporcionada por el PPS es de 16 m para el componente horizontal y de 23 m para el componente vertical (nivel de probabilidad del 95%). El SPS, sin embargo, es menos preciso que el PPS. Utiliza el segundo código GPS transmitido, conocido como el código C / A, que está disponible de forma gratuita para todos los usuarios de todo el mundo, autorizados y no autorizados. Originalmente, SPS proporcionó una precisión de posicionamiento del orden de 100 m para el componente horizontal y 156 m para el componente vertical (nivel de probabilidad del 95%). Esto se logró bajo el efecto de la disponibilidad selectiva. Con la reciente decisión presidencial de descontinuar la SA, la precisión de posicionamiento autónoma del SPS se encuentra actualmente en un nivel comparable al del PPS.

En el aspecto topográfico, el GPS ha reemplazado los métodos convencionales en muchas aplicaciones. Se ha descubierto que el posicionamiento GPS es un proceso rentable, en el que se puede obtener una reducción de costos de al menos el

50% siempre que sea posible utilizar el llamado GPS cinemático en tiempo real (RTK), en comparación con las técnicas convencionales [13]. En términos de productividad y ahorro de tiempo, el GPS podría proporcionar un ahorro de tiempo de más del 75% siempre que sea posible utilizar el método RTK GPS (más información sobre las capacidades y limitaciones de RTK que se ofrecen en el Capítulo 5) [12]. El hecho de que el GPS no requiera Inter visibilidad entre estaciones también lo ha hecho más atractivo para los topógrafos en comparación con los métodos convencionales. Para aquellas situaciones en las que la señal GPS está obstruida, como en los cañones urbanos, el GPS se ha integrado con éxito con otros equipos convencionales.

El GPS tiene numerosas aplicaciones en navegación terrestre, marítima y aérea. El seguimiento y la navegación de los vehículos son aplicaciones de rápido crecimiento. Se espera que la mayoría de los usuarios de GPS estén en la navegación del vehículo.

Los usos futuros del GPS incluirán la guía y el control automáticos de la máquina, donde las áreas peligrosas se pueden mapear de manera eficiente y segura usando vehículos controlados a distancia. La reciente decisión de EE. UU. De modernizar el GPS y de limitar la disponibilidad selectiva sin duda abrirá las puertas a otras aplicaciones aún por desarrollar [10].

SISTEMA DE POSICIONAMIENTO GLOBAL, TOPOGRAFÍA Y AGRONOMÍA.

El GPS se diseñó originalmente como un sistema militar pero sus aplicaciones civiles han crecido mucho más rápido en el topografía y agronomía. En la topografía nos permite proporcionar datos topográficos de la más alta precisión. La recopilación de datos basados en GPS es mucho más rápida que las técnicas de levantamiento convencionales, ya que reduce la cantidad de equipo y mano de obra requerida y en agronomía facilitamos la siembra y la cosecha del cultivo y también proporciona otros beneficios como la agricultura de precisión que proporciona instalaciones para Los agricultores mejoran la eficiencia de sus cultivos y, por lo tanto, logran menores costos de producción y tienen un rendimiento mucho mayor que las técnicas tradicionales.

En estos aspectos, el GPS ha reemplazado a los métodos convencionales, es un proceso rentable, en el que puede obtener una reducción de costos de al menos el 50%. En términos de productividad y ahorro de tiempo, el GPS ofrece un ahorro de tiempo de más del 75%.

El GPS como futuros agrónomos nos permitirá definir en un área productiva tratamientos fitosanitarios, fertilizantes, cosechas, siembras, trabajo de la tierra, plantaciones en hileras entre otras cosas. El GPS nos dirá cuáles son las áreas que deben tratarse y cuáles deben tratarse en los próximos días. El GPS consiste, normalmente, en una constelación de 24 satélites operativos. Esta constitución, conocida como la capacidad operativa inicial (COI), las órbitas de los satélites GPS son casi circulares, con una inclinación de aproximadamente 55 ° hacia el ecuador. El eje semi-mayor de una órbita GPS es de aproximadamente 26,560 km (es

APA (American Psychological Assoc.) El-Rabbany, A. (2002). Introducción al GPS: El Sistema de Posicionamiento Global. Boston, MA: Artech House, Inc. GLOBAL POSITIONING SYSTEM, TOPOGRAPHY AND AGRONOMY.

GPS was originally designed as a military system but its civil applications have grown much faster in surveying and agronomy. In the topography it allows us to provide topographic data of the highest precision. The collection of data based on GPS is much faster than conventional survey techniques, since it reduces the amount of equipment and labor required and in agronomy we facilitate the planting and harvesting of the crop and also provide other benefits such as agriculture. precision that provides facilities for Farmers improve the efficiency of their crops and, therefore, achieve lower production costs and have a much higher yield than traditional techniques.

The GPS as future agronomists will allow us to define in a productive area phytosanitary treatment, fertilizers, harvests, sowings, work of the land, plantations in rows among other things. The GPS will tell us which are the areas that should be treated and which should be treated in the coming days. The GPS normally consists of a constellation of 24 operational satellites. This constitution, known as the initial operational capability (COI), the orbits of the GPS satellites are almost circular, with an inclination of approximately 55 ° towards the equator. The semi-major axis of a GPS orbit is approximately

26,560 km (that is, the satellite's altitude of about 20,200 km above the Earth's surface). The corresponding GPS orbital period is approximately 12 sidereal hours (~ 11 hours and 58 minutes). GPS is an indispensable tool in the development of civil activities that allows us to improve performance and reduce costs in terms of productivity and time savings.