TEORÍA DEL GPS, GPRS Y SU DESARROLLO

II. TEORÍA DEL GPS, GPRS Y SU DESARROLLO

El desarrollo de las Telecomunicaciones en el mundo es el pilar que ha permitido que las fronteras y distancias no sean una limitante para realizar negocios en el mundo. En México, aunque se cuenta con cierto retraso tecnológico en cuanto a telecomunicaciones se refiere, es del mismo modo la base que permite que las empresas se conecten al resto del mundo para operar en línea.

Dentro de las Telecomunicaciones, el GPS (Global Positioning System) es un desarrollo que ha permitido que los sistemas de comunicación evolucionen a sistemas que integran una infinidad de servicios y funciones como las del posicionamiento satelital.    

2.1 Historia del GPS

El Sistema de Posicionamiento Global o GPS por sus siglas en inglés, fue desarrollado en 1978 por el Departamento de Defensa de los Estados Unidos de Norte América en conjunto con el Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT por sus siglas en inglés). En un principio, éste sistema consistía en una red de 11 satélites en órbita y su funcionalidad era estrictamente para fines militares.

El primer acercamiento en el desarrollo del sistema GPS fue en 1951 cuando Rusia lanzó al espacio el satélite artificial (Sputnik). Científicos e investigadores del MIT detectaron que la potencia de la señal de radio del satélite cambiaba en función de la órbita en la cual éste se encontraba. Cuando se alejaba de la posición de los investigadores en la tierra, la intensidad de la señal disminuía y de manera inversa la intensidad de la señal se incrementaba al acercarse a la posición de éstos últimos. Ésta observación en las variaciones de intensidad en la señal de radio permitió identificar la órbita en la cual se encontraba el satélite.

Ya antes del descubrimiento descrito en el párrafo anterior, el Dr. Ivan Getting había desarrollado un sistema para encontrar la posición de un trasmisor basado en la diferencia del tiempo de llegada de 3 señales de radio.

Sin embargo, no fue hasta 1973 cuando surgió el interés de los Estados Unidos por desarrollar un sistema de Navegación Satelital utilizando la tecnología existente de la fuerza aérea y de la fuerza naval.

Los primeros 11 satélites artificiales que fueron puestos en órbita, se lanzaron entre 1978 y 1985 para crear una red satelital en diferentes órbitas del planeta. La principal función de estos satélites fue para fines militares tales como espionaje (principalmente al bloque Soviético), detección de explosiones atómicas para identificar pruebas atómicas en cualquier parte del mundo, y una de las más importantes en el campo de las Telecomunicaciones, la activación de relojes atómicos.

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Figura 2.1 Constelación de Satélites

Fuente: http://www.pocketgpsworld.com/howgpsworks.php; 19 de Mayo del 2009

El reloj atómico es un dispositivo que generan señales de sincronía por medio del cambio en los niveles de energía de los átomos. Su precisión es de 1 nanosegundo (1 segundo errado por cada 109 segundos que transcurre) por lo cual es muy estable para la medición de tiempos. Como referencia, en la actualidad los equipos de comunicación en todo el mundo se encuentran sincronizados por medio de los relojes atómicos. Sin éstos últimos, sería imposible la interoperabilidad de las redes de telefonía celular y fija entre los diferentes países del mundo.

El nombre de reloj atómico se debe a que son utilizadas las frecuencias de resonancia a las cuáles el átomo oscila. Para esto se utiliza un contador que cuantifica las oscilaciones y genera la señal de reloj que requieren los circuitos integrados para trasmitir la información. Estas resonancias son estables en el espacio-tiempo, es decir, un átomo de hidrógeno o de cesio es "Aquí y Ahora" en sí mismo, tan exacto como hace un millón de años o incluso como lo era o lo es en otra galaxia. Sin el reloj de sincronía no sería posible recuperar las datos que son enviados ya se de manera inalámbrica o por cualquier otro medio.

http://es.wikipedia.org/wiki/Reloj_at%C3%B3mico, 19 de Mayo del 2009.

A pesar del que el uso del sistema GPS, tal como ya se mencionó, era rigurosamente para uso militar en los Estado Unidos, surgió la necesidad de liberar el servicio para el público en general con sus limitantes desde luego. Una serie de accidentes aéreos forzó al gobierno a utilizar este sistema para ayudar a los rescates y localización de las naves comerciales. Dado que la red satelital de ese momento no era suficiente para solventar la demanda comercial del servicio, fue necesario incrementar la cantidad de satélites a 24 en el año de 1995.

http://www.maps-gps-info.com/gps-history.html,19 de Mayo del 2009.

Actualmente el sistema GPS ha tenido un gran desarrollo tecnológico que permite tener mayor precisión en los cálculos de localización. Por ejemplo, en 1995 existía en promedio un error de cien metros en la ubicación del objetivo, en la actualidad se manejan errores en rangos de centímetros. Los algoritmos desarrollados no solo permiten conocer la posición, sino también la velocidad y tiempo transcurrido. Desde luego existen limitantes de precisión ya que el gobierno de los Estados Unidos por seguridad nacional no liberó las señales del sistema GPS al 100%, para el sector comercial existe una cierta degradación de las señales de radio que refleja un porcentaje de error en los cálculos. A pesar de esto, los desarrolladores de receptores GPS han creado soluciones por medio de algoritmos diferenciales que ayudan a compensar los errores.

http://www.iai.csic.es/users/gpa/postscript/Pozo-Ruz00a.pdf ;22/Mayo/2009.

2.2 Funcionamiento del GPS

La órbita en la cual se encuentran los satélites del sistema GPS, corresponde a una distancia radial de 26,560 kilómetros con respecto a la superficie de la tierra. Existe un departamento especializado en el ejército de los estados unidos cuya finalidad es mantener el control de los satélites en la órbita correspondiente.

Como ya se ha mencionado, el funcionamiento del GPS consiste en determinar la posición del receptor GPS que se encuentra en algún punto de la superficie terrestre. Para esto, es necesario que por lo menos se involucren las señales de 3 satélites cuyas posiciones son conocidas desde una base de control por antenas terrestres en constante comunicación con los satélites en orbita.

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Figura 2.2 Triangulación de señales para ubicar un punto terrestre

Fuente: http://www.pocketgpsworld.com/howgpsworks.php., 19 de Mayo del 2009

La distancia entre cada satélite y el receptor GPS se mide multiplicando el tiempo de traslado de la señal por la velocidad de ésta última ( la velocidad de la luz aproximadamente). Éste cálculo solo es correcto siempre y cuando el reloj tanto de los satélites (ya se mencionó que es muy preciso) y el del receptor GPS se encuentren sincronizados. El reloj de los receptores GPS, a diferencia de los atómicos, son de cuarzo y no cuentan con la estabilidad suficiente para que los cálculos se puedan considerar correctos. Por esta razón es necesario un cuarto satélite que ayude a corregir las diferencias en las señales de reloj entre el transmisor y el receptor.

http://www.iai.csic.es/users/gpa/postscript/Pozo-Ruz00a.pdf., 22/Mayo/2009

2.3 Aplicaciones del GPS

En la actualidad la aplicación del GPS puede ser apreciada tanto con fines militares como civiles. Como ya se mencionó, para cuestiones civiles el GPS tiene sus limitantes que de alguna forma se han venido afrontando, sin embargo, existen múltiples aplicaciones donde la precisión de la que se carece no es un factor tan indispensable.

 Dentro de las aplicaciones más destacadas se pueden enlistar las siguientes:

• Rastreo Satelital: En éste caso se utiliza el GPS para localizar puntos en cualquier parte del planeta tierra. La finalidad de lo anterior puede ser para fines de seguridad o bien de logística.
• Ingeniería Civil: El GPS funciona como herramienta para detectar problemas en estructuras que a simple vista no es posible detectar.
• Seguridad: En situaciones donde es necesario trasmitir comandos de manera remota o bien recibir señales en lugares aislados y remotos, se utiliza el GPS para interactuar con los satélites y lograr un control y monitoreo.
• En Telecomunicaciones: Actualmente es utilizado por las compañías telefónicas del mundo para sincronizar las señales de reloj de sus equipos de trasmisión de datos.
• Aeronáutica: Aviones y barcos comerciales o militares, utilizan el GPS como herramienta para trazar rutas de manera automática y para ser monitoreados desde los centro de control.
• Fenómenos Atmosféricos: La señal del GPS al ser retrasada en la troposfera en función de la cantidad de vapor de agua, les permite a los científicos analizar las condiciones climatológicas y de este modo predecir ciertos fenómenos atmosféricos.
• Deporte: Existen deportes como el ciclismo y alpinismo donde el GPS le permite orientar sus trayectos y conocer su distancia con respecto a un punto conocido.
• Control de flotillas: Cada vez son más las compañías de autotransporte de carga terrestre que utilizan el GPS como una herramienta de logística y servicio de valor agregado al cliente.

http://www.iai.csic.es/users/gpa/postscript/Pozo-Ruz00a.pdf .Fecha de consulta 25 de Mayo del 2009

2.4 Fundamentos Teóricos de GPRS y GSM

La red GSM es uno de los estándares de comunicaciones móviles con mayor penetración en Europa y parte de América. La principal característica de  GSM se enfoca en que las comunicaciones son completamente digitales. De hecho la Red GSM es denominada como red de segunda generación. A diferencia de las redes de primera generación, donde las comunicaciones eran analógicas y sólo se podía trasmitir voz, en la red GSM es posible el envío de mensaje de texto corto y los mensajes multimedia (con imágenes).

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