Instroduccion GPS

SISTEMA DE POSICIONAMIENTO GLOBAL (GPS)

1.- INTRODUCCIÓN

Dentro del sector de la información que se requiere dentro de numerosos campos de aplicaciones y optimización de información resulta la gran interrogante de lo relacionado con la rapidez y resultados a obtener en levantamientos dentro del plano terrestre.

Para esto se han desarrollado numerosas técnicas, que de un modo u otro han, logrado solucionar esta interrogante. Dentro de éstas, las más utilizadas son los levantamientos topográficos y la fotogrametría. El primero, de gran precisión sobre superficies pequeñas, pero inutilizables sobre superficies de mayor tamaño por su lentitud en la obtención de resultados y costos elevados; la segunda, por su parte, de uso actual en las empresas, presenta la ventaja de que puede ser utilizada sobre superficies extensas con buenos niveles de precisión, sin embargo, requiere de condiciones ambientales favorables para la obtención de fotografías y de un proceso posterior de fotointerpretación, haciendo de ésta técnica una buena alternativa.

Hoy en día el apoyo que presentan los Sistemas de Información Geográficos (SIG), sistemas computacionales con las capacidades de conectar los elementos gráficos con una base de datos alfanumérica, es imprescindible. Además de permitir el ingreso de una superficie de terreno de acuerdo a las coordenadas en donde se encuentren sus límites e incluir todos los atributos y características que ésta posea, lograr mantener una información actualizada del patrimonio, acelerar su recuperación y análisis, estos tienen la posibilidad de permitir el ingreso de datos actualizados provenientes de distintas fuentes, analógicas y/o digitales.

Actualmente la tecnología del Sistema de Posicionamiento Global (GPS) constituyen uno de los instrumentos que eventualmente permitirán facilitar y agilizar la captura de información

2.- Antecedentes históricos de la técnología GPS

El uso de satélites artificiales para propósitos de navegación comenzó con el Sputnik en Octubre de 1957 el cual combinó los métodos de navegación celeste con los de radio navegación. Posteriormente, en Enero de 1964, se puso en funcionamiento el Transit I, primer sistema satelital de navegación, el cual realizaba el cálculo perpendicular al plano orbital, por lo que para conocer la posición se requiere realizar mediciones a dos satélites separados en el tiempo (Wells, 1987).

De esta forma llegó a ser obvio que un sistema satelital de navegación global, tendría mucho que ofrecer en términos de exactitud en todo tipo de clima, continuamente y con capacidad de navegación mundial. Entre 1967 y 1969 la Fuerza Aérea de EE.UU.

(U.S.A.F.), dirigió un estudio para formular los conceptos preliminares y para diseñar el sistema, que fue denominado 621B. Como resultado de esfuerzos, se desarrolló un sistema de navegación espacial que requería 20 satélites desplegados en órbitas sincrónicas, cuyas estelas sobre la tierra se extenderían a 60 grados de latitud norte y sur. El rastreo y control de estos satélites sería mantenido desde estaciones terrestres, ubicadas en la parte continental de los Estados Unidos y a través de conexiones intersatelitales. Este sistema fue diseñado para realizar mediciones de distancias simultáneamente de por lo menos 3 satélites y así calcular instantáneamente, una posición en la intersección de 3 esferas con centros en los satélites. Las mediciones de distancia simultánea a un cuarto satélite eliminaba la necesidad de sincronización del reloj del usuario, ya que el error sistemático de la hora podría ser calculado en la solución de navegación, que consistía en el uso de cuatro mediciones para resolver las tres incógnitas de la posición tridimensional más la hora (Wells, 1987).

Al mismo tiempo el Laboratorio Naval de Investigaciones (NRL), concibió la idea de un sistema satelital de navegación y hora llamado sistema TIMATION. Este involucraba realizar las mediciones de distancia directa desde el satélite al usuario, con un retraso en la lectura de la hora que se toma a cada minuto mientras dura el paso del satélite (Wells, 1987).

Tanto el sistema 621B como el TIMATION, eran apropiados para el sistema satelital de navegación del Departamento de Defensa, sin embargo, las restricciones presupuestarias no permitían el desarrollo de dos sistemas independientes. Es así como en un esfuerzo conjunto entre la U.S.A.F. y NRL se obtuvo un programa resultante llamado "Sistema de Posicionamiento Global NAVSTAR GPS", el cual fue aprobado para una fase de demostración en 1973. Los resultados de las pruebas de precisión sobrepasaron lo esperado y como consecuencia de ello, en 1982 se autorizó la creación de 28 satélites y sus lanzamientos. Sin embargo el accidente del transbordador especial ocurrió justo antes de enviar el primer satélite de producción lo que resultó en un retraso de 3 años para el despliegue de toda la constelación (wells, 1987).

2.1.- Sistemas GPS

Este sistema utiliza una constelación de satélites y un geo-receptor para indicar la posición de un punto en términos de Latitud, Longitud y Altitud.

La base de éste sistema está constituido por tres partes:

a) Los satélites

b) El sistema de control

c) Los georeceptores

a) Los satélites

El sistema contempla una constelación de 24 satélites, lo que da la posibilidad de medir las 24 horas del día en cualquier parte de la superficie terrestre.

Los satélites están dispuestos en seis planos orbitales circulares a 20.183 Km. de altitud, desplazados 60 grados de longitud entre ellos e inclinados a 55 grados respecto del plano ecuatorial. En cada órbita se ubican 4 satélites.

Cada satélite orbita la tierra dos veces al día, pero debido a la rotación terrestre se muestra sobre el horizonte del observador en el mismo lugar casi a la misma hora cada día (4 minutos antes). Esta consistencia de la huella satelital sobre la tierra es importante, ya que permite el pronóstico de la disponibilidad satelital a futuro permitiendo la planificación y el desempeño óptimo.

Los satélites transmiten su posición en dos frecuencias de radio L1(1575,42 Mhz), y L2 (1227,6 Mhz), estas señales contienen los códigos C/A y P además del mensaje de navegación. El código C/A es de acceso libre a todos los usuarios y se repite cada milisegundo. El código P, por su parte, de precisión o protegido, influye sobre la resolución de la señal y por tanto sobre la precisión, éste es transmitido en forma oculta, ya que su creación se debe a fines netamente militares.

El mensaje de navegación, transmitido en forma contínua, contiene el almanaque de los satélites, los parámetros de las efemérides de las órbitas satelitales pronosticadas, la información ionosférica, la información de deriva de los relojes satelitales y el estado del satélite.

Las características de los satélites se muestran en el cuadro 1.

Cuadro Nº 1. Características de los Satélites GPS

Nombre NAVSTAR

Fabricante Rockwell International

Altitud 19.620 metros

Peso 862 kilos (en órbita)

Tamaño 5 metros con los paneles solares desplegados

Período Orbital 12 horas (aprox.)

Plano Obital 55º al plano Ecuatorial

Vida Útil 7.5 años

b) El sistema de control

El sistema de control está a cargo de:

 Rastrear las órbitas verdaderas de los satélites

 Cálculo de órbitas extrapolares

 Determinación de deriva y errores de los relojes

 Determinar los parámetros del retardo ionosférico

 Mantener un alto nivel de confiablidad en el funcionamiento de los satélites

 Inyección de información a cada uno de los satélites a lo menos una vez al día.

El sistema de control está compuesto de cinco estaciones las que están ubicadas en:

 Isla Diego García

 Isla Asunción

 Isla Kwajalein

 Isla Hawai

 Colorado Spring (estación master del sistema).

c) Los geo-receptores:

Aquí se agrupan todos los equipos de diferentes marcas y características que fundamentalmente se apoyan en el sistema.

 Trimble

 Magellan

 Garmin

 Leica

 Motorola

 Ashtech

 Topcon

 Sokkia

2.2. Bases del Sistema

El sistema basa su funcionamiento en cinco principios básicos:

1.- Realización de una trilateración desde las antenas de los receptores a los satélites.

El concepto que involucra la trilateración o triángulación está determinado por las distancias que existen entre los satélites y el geo-receptor, es decir, para la determinación de la posición, debemos primeramente conocer la distancia que existe entre el instrumento y un satélite. Conocida ésta, sabemos que nos encontramos en algún lugar de la circunferencia formada por el radio del satélite; ahora bien, si incorporamos un segundo satélite, necesariamente tendremos que estar ubicados en un punto donde los radios de los satélites se crucen, o sea, en el círculo que se formaría de la intersección de las circunferencias,

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