GPS (Sistema De Posicionamiento Global o´ Global Positioning System)

Cap´ıtulo 1

Conceptos b´asicos sobre GPS.

1.1. Introduccio´n.

El Sistema de Posicionamiento Global (Global Positioning System“GPS”) es un sistema de posicionamiento que permite, a trav´es de 24 sat´elites, ver Figura 1.1 en o´rbitas alrededor de la tierra, localizar mediante coordenadas u´nicas cualquier equipo radiorreceptor terrestre [22].

Figura 1.1: Constelacio´n GPS [22].

Desde 1967 Estados Unidos dispon´ıa de un sistema de navegaci´on v´ıa sat´elite utilizando el efecto Doppler para su sistema de defensa, el cual consiste en determi- nar si la longitud de onda de la sen˜al de retorno es distinta de la longitud de onda de la sen˜al emitida porque el objeto estudiado se acerca o se aleja de la Tierra. Esta diferencia de longitud de onda se mide cuidadosamente porque, al aplicar el efecto Doppler, se puede conocer la velocidad del objeto con respecto a la Tierra. Por esta raz´on, si el objeto esta´ girando, las sen˜ales que provienen de sus distintas partes

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2 1.2. Constituci´on del sistema GPS.

cambiara´n de longitud de onda. La difusio´n de longitudes de onda en la sen˜al de retorno es utilizada. Si estas mediciones se realizan durante unos cuantos meses, la direccio´n del objeto respecto a la Tierra habra´ cambiado, y se puede determinar la direccio´n en la que gira alrededor de su eje. Lo que oblig´o al Sistema de Defensa de los Estados Unidos a cambiar su viejo sis- tema fue la necesidad de trabajar en tiempo real. ´Este sistema se llam´o NAVSTAR (Navigation Satellite Timing and Ranking; Sat´elite de Navegaci´on de Profundidad y Conteo). TRANSIT ten´ıa muchos problemas, ya que proporcionaba los para´metros obtenidos despu´es de determinado tiempo de realizar sus mediciones. La entonces URSS ten´ıa un sistema igual que el TRANSIT, de nombre TSICADA. Se concibio´ un sistema formado por 24 sat´elites en ´orbita media (MEO a 35,880.7 Kms.), que diera cobertura global y continua. La compan˜´ıa ROCKWELL fue quien se hizo responsable de proveer los 28 sat´elites que hoy en d´ıa forman la constelaci´on GPS. El primer sat´elite se lanzo´ en 1978, y se planifico´ tener la constelacio´n completa ocho an˜os despu´es. Unido a varios retrasos, el desastre ocurrido en el lanzamiento del transbordador Challenger par´o el proyecto durante tres an˜os. Por fin, en diciem- bre de 1983 de declar´o la fase operativa inicial del sistema GPS. El objetivo del sistema GPS era ofrecer a las Fuerzas Armadas de los Estados Unidos la posibilidad de posicionarse (disponer de la posici´on geogra´fica) de forma auto´noma o individual, de veh´ıculos o de armamento, con un coste relativamente bajo, con disponibilidad global y sin restricciones temporales. La iniciativa, financiaci´on y explotacio´n corrie- ron a cargo del Departamento de Defensa de los Estados Unidos. El GPS se concibio´ como un sistema militar estrat´egico. Desde 1984, con muy pocos sat´elites en ´orbita, aparecieron t´ımidamente fabricantes de receptores GPS destinados al mundo civil como las compan˜´ıas Texas Instruments y Trimble Navigation [22], [14].

1.2. Constituci´on del sistema GPS.

El sistema GPS esta´ constituido por tres sectores fundamentales, los cuales son comentados a continuacio´n:

Sector de Control.

Sector de Usuario.

Sector Espacial.

1. Conceptos b´asicos sobre GPS. 3

1.2.1. El sector de control.

Esta´ formado por cinco estaciones centrales de seguimiento, ver Figura 1.2, que controlan los sat´elites. Todos los datos se env´ıan a la central donde se procesan y se calculan los par´ametros de posici´on, los estados de los relojes ato´micos que son un tipo de relojes a los que acostumbra una frecuencia de resonancia ato´mica normal alimentada a su contador y su precisio´n depende del elemento del que se encuentre fabricado, ya sea amoniaco, cuarzo, rubidio o cesio, mencionando su capacidad de precisio´n conforme el orden de elementos presentado anteriormente, y toda la infor- maci´on que luego se transmite y almacena en la memoria de cada sat´elite para su radiodifusio´n. La precisio´n final alcanzable depende de los par´ametros de posicio´n obtenidos anteriormente. La precisio´n nominal de estos para´metros, permite la determinacio´n de la posicio´n de un sat´elite con error menor de un metro en sentido radial, 7 metros a lo largo de la trayectoria y 3 metros transversalmente. El futuro del sector de control ha de evolucionar hacia redes independientes de tipo continental o mundial, solo de seguimiento [22], [24], [5].

Figura 1.2: Control GPS.

Hay cinco estaciones oficiales de seguimiento de la constelaci´on NAVSTAR:

(a) La isla de Hawaii.

(b) La isla de Ascensio´n (Atla´ntico Sur).

(c) La isla de Diego Garc´ıa ( Oc´eano ´Indico).

4 1.2. Constituci´on del sistema GPS.

(d) En Kwajalein (Pac´ıfico Occidental).

(e) Colorado Springs.

La estaci´on central o maestra es el Centro Consolidado de Operacio´n Satelital (CSOC) o centro de control maestro que se encuentra en Colorado Springs, exacta- mente en la base Falc´on de la Fuerza A´erea de los Estados Unidos. Las otras cuatro estaciones oficiales se denominan estaciones monitoras y esta´n situadas, como se muestra en la Figura 1.3:

Figura 1.3: Estaciones oficiales de seguimiento de la constelaci´on NAVSTAR [24].

La elecci´on de la ubicacio´n de las cinco estaciones oficiales de seguimiento no es casual, sino que se ha buscado que est´en regularmente espaciadas en longitud. Adema´s las estaciones tienen unas coordenadas muy precisas. Las estaciones reciben continuamente las sen˜ales de los sat´elites, que emiten en dos frecuencias, mientras est´en sobre el horizonte, obteniendo la informaci´on necesaria para establecer la o´rbita de los sat´elites con alta precisio´n. Los datos obtenidos por las estaciones se env´ıan al CSOC, donde son procesados para calcular las efem´erides, los estados de los relojes y toda la informacio´n a transmitir a los sat´elites y que estos almacenara´n en su memoria. La transmisio´n a los sat´elites de la informaci´on mencionada puede ser transmitida por las estaciones de Ascensio´n, Diego Garc´ıa y Kwajalein. Adema´s estas estaciones tienen capacidad para enviar correcciones de reloj, comandos de telemetr´ıa y otros mensajes. Por motivos de seguridad esta transmisio´n se realiza tres veces al d´ıa. Sin

1. Conceptos b´asicos sobre GPS. 5

embargo es funcio´n exclusiva de la CSOC la activaci´on de los sistemas de maniobra de los sat´elites para hacer modificaciones orbitales. Los par´ametros que se emplean para los sat´elites GPS en cualquier otra parte que no sea una de las estaciones se basan en la extrapolaci´on de las observaciones de las estaciones. Esta extrapolaci´on de par´ametros produce una indeterminacio´n residual mayor en el ca´lculo de la posicio´n, ya que la precisio´n alcanzable depende de la exactitud de los par´ametros de los sat´elites. Adema´s de la red de estaciones antes comentada hay varios organismos que han creado su propia red de seguimiento, como es el caso de la NSWC (Centro Naval de Armas de Superficie), el Centro Nacional Geod´esico de los Estados Unidos y el Distrito Aduanero Geolo´gico de los Estados Unidos. Tambi´en existe un servicio civil para GPS (CGPS) que provee de para´metros precisos. Se piensa que el sector de control debe evolucionar hacia redes continentales o mundiales que se dediquen al seguimiento, junto al conjunto de estaciones ya existente. Una de las funciones ma´s interesantes que se le pueden dar al sector de control es la navegaci´on en tiempo real; para ello es necesario un enlace v´ıa sat´elite que aporte informacio´n de forma continua.

1.2.2. El sector de usuario.

Comprende los instrumentos utilizados para hallar coordenadas de un punto, hacer navegacio´n o adquirir tiempo con precisio´n de oscilador at´omico el cual es un oscilador de cuarzo de alta estabilidad que en los receptores ma´s evolucionados permiten la conexi´on a una fuente exterior de mayor rango, que actu´a usando las sen˜ales radiodifundidas desde los sat´elites NAVSTAR. El equipo esencial esta´ forma- do por antena y receptor, ver Figura 1.4, unidos mediante un cable o directamente. Aspectos en concreto sera´n tratados en el siguiente cap´ıtulo [22], [24], [5].

Figura 1.4: Navegacio´n GPS [24].

6 1.2. Constituci´on del sistema GPS.

1.2.3. El sector espacial.

Esta´ constituido por la constelaci´on de sat´elites NAVSTAR segu´n una planifica- cio´n en base a tres generaciones de sat´elites. Los sat´elites de la primera generacio´n eran de prueba y fueron lanzados entre 1978 y 1985 y pretend´ıan cubrir el m´aximo del territorio de Estados Unidos. La segunda generaci´on fue lanzada tras la reanudaci´on del programa espacial americano, interrumpido parcialmente por el accidente del Challenger, entre 1988 y 1991. La tercera generacio´n abarca los nuevos lanzamientos que se realizan para susti- tuir a los sat´elites que esta´n fuera de servicio o averiados. El NAVSTAR y el GPS fueron terminados el 8 de Diciembre de 1993 cuando 24 sat´elites fueron operativos de forma simulta´nea [22], [24], [5]. Para el ana´lisis del sector espacial se dividir´a ´este en los siguientes apartados:

Bloques

Constelaci´on.

Sat´elites.

Bloques.

Bloque I.

Los sat´elites del bloque I (bloque experimental), algunos todav´ıa en servicio, fueron disen˜ados por la compan˜´ıa Rockwell International. Estos sat´elites se hicieron para proporcionar de 3 a 4 d´ıas el servicio de posicionamiento sin contacto con el segmento

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