Sistema de Posicionamiento Global (GPS)

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Sistema de Posicionamiento Global

El Sistema de Posicionamiento Global es un sistema de radionavegación basado en el espacio que emite pulsos de navegación de gran precisión a los usuarios en la Tierra o cerca de ella.Entre las Líneas En el GPS Navstar de Estados Unidos, 24 satélites principales en 6 órbitas rodean la Tierra cada 12 horas. Además, Rusia mantiene una constelación llamada GLONASS (Sistema Global de Navegación por Satélite), y en 2007 la Unión Europea aprobó la financiación (o financiamiento) del lanzamiento de 30 satélites para formar su propia versión del GPS, conocida como Galileo, que empezó a funcionar en 2016. China lanzó dos satélites en 2000 y otro en 2003 como parte de un sistema de navegación local conocido primero como BeiDou (“Big Dipper”).Entre las Líneas En 2006, China, que tenía una participación limitada en Galileo, anunció sus planes de ampliar BeiDou a un servicio completo de GPS conocido como Sistema de Navegación BeiDou.Entre las Líneas En 2007 China comenzó a lanzar una serie de 14 satélites de segunda generación, conocidos como BeiDou-2, o Compass, para prestar servicios en China. Una constelación de tercera generación de 30 satélites, BeiDou-3, se completó en 2020 y proporciona un servicio global.

Un receptor GPS operado por un usuario en la Tierra mide el tiempo que tardan las señales de radio en viajar desde cuatro o más satélites hasta su ubicación, calcula la distancia a cada satélite y, a partir de este cálculo, determina la longitud, latitud y altitud del usuario. El Departamento de Defensa de Estados Unidos desarrolló originalmente la constelación Navstar para uso militar, pero una forma menos precisa del servicio está disponible gratuitamente para los usuarios civiles de todo el mundo. El servicio civil básico localiza un receptor a menos de 10 metros de su ubicación real, aunque se pueden utilizar varias técnicas de aumento para localizarlo a menos de 1 cm. Con tal precisión y la ubicuidad del servicio, el GPS ha evolucionado mucho más allá de su propósito militar original y ha creado una revolución en la navegación personal y comercial. Los misiles del campo de batalla y los proyectiles de artillería utilizan las señales del GPS para determinar sus posiciones y velocidades, pero también lo hacen el transbordador espacial estadounidense y la Estación Espacial Internacional, así como los aviones comerciales y privados. Las flotas de ambulancias, los automóviles familiares y las locomotoras de ferrocarril se benefician del posicionamiento GPS, que también sirve para los tractores agrícolas, los transatlánticos, los excursionistas e incluso los golfistas. Muchos receptores GPS no son más grandes que una calculadora de bolsillo y funcionan con pilas desechables, mientras que los chips informáticos GPS del tamaño de la uña de un bebé se han instalado en relojes de pulsera, teléfonos móviles y asistentes digitales personales.

Triangulación

El principio en el que se basa la capacidad de navegación sin precedentes del GPS es la triangulación. Para triangular, un receptor GPS mide con precisión el tiempo que tarda la señal de un satélite en hacer su breve viaje a la Tierra, menos de una décima de segundo. A continuación, multiplica ese tiempo por la velocidad de una onda de radio -300.000 km (186.000 millas) por segundo- para obtener la distancia correspondiente entre él y el satélite. Esto sitúa al receptor en algún lugar de la superficie de una esfera imaginaria con un radio igual a su distancia del satélite. Cuando las señales de otros tres satélites se procesan de forma similar, el ordenador integrado en el receptor calcula el punto de intersección de las cuatro esferas, determinando así la longitud, latitud y altitud actuales del usuario. (En teoría, tres satélites proporcionarían normalmente una fijación tridimensional inequívoca, pero en la práctica se utilizan al menos cuatro para compensar la inexactitud del reloj del receptor). Además, el receptor calcula la velocidad actual (velocidad y dirección) midiendo los desplazamientos instantáneos por efecto Doppler creados por el movimiento combinado de los mismos cuatro satélites.

En el sistema Navstar, cada satélite emite sus señales de navegación en dos frecuencias-1575,42 megahercios (militar/civil) y 1227,6 megahercios (militar). Estas ondas portadoras están moduladas por dos trenes de impulsos binarios pseudoaleatorios: un código C/A civil de 1 megabit por segundo (código de adquisición grueso) y un código P militar de 10 megabits por segundo (código de precisión). Están previstas tres nuevas señales civiles en 1176,45, 1227,6 y 1575,42 MHz. Hasta el año 2000, una función conocida como disponibilidad selectiva (S/A) degradaba intencionadamente la precisión de la señal civil; la S/A se suprimió en parte por motivos de seguridad relacionados con el creciente uso del GPS por parte de embarcaciones y aviones civiles.Entre las Líneas En la actualidad, el GPS civil no mejorado ofrece una varianza de error, para las distancias horizontales, de 30 metros (100 pies) con una probabilidad del 95 por ciento, es decir, el 95 por ciento de las veces la ubicación notificada está dentro de los 30 metros de la ubicación verdadera. La precisión horizontal típica es de unos 10 metros (30 pies; en comparación con los 100 metros [330 pies] con S/A), mientras que la precisión vertical, o altitud, es aproximadamente la mitad de precisa. El efecto Doppler permite a los receptores determinar la velocidad del usuario con una precisión de aproximadamente 1 metro (3 pies) por segundo. La señal militar no aumentada, por su parte, tiene una variación de error horizontal de menos de 3 metros (10 pies).

Aumento

Aunque el tiempo de viaje de la señal de un satélite a la Tierra es sólo una fracción de segundo, pueden ocurrirle muchas cosas en ese intervalo. Por ejemplo, las partículas cargadas eléctricamente en la ionosfera y las variaciones de densidad en la troposfera pueden actuar para ralentizar y distorsionar las señales de los satélites. Estas influencias pueden traducirse en errores de posición para los usuarios del GPS, un problema que puede verse agravado por errores de sincronización en los relojes de los receptores del GPS. Otros errores pueden ser introducidos por las dilataciones relativistas del tiempo, un fenómeno en el que el reloj de un satélite y el de un receptor, situados en diferentes campos gravitacionales y viajando a diferentes velocidades, se mueven a ritmos diferentes. Por último, la mayor fuente de error para los usuarios del sistema Navstar es la menor precisión del pulso del código C/A civil. Sin embargo, existen varios métodos de aumento para mejorar la precisión de los sistemas militar y civil.

Cuando se requiere información posicional con precisión milimétrica, los usuarios pueden aprovechar las técnicas de GPS diferencial. La navegación diferencial emplea una “estación base” estacionaria que se sitúa en una posición conocida sobre el terreno y supervisa continuamente las señales emitidas por los satélites GPS que tiene a la vista. A continuación, calcula y transmite correcciones de navegación en tiempo real a los receptores itinerantes cercanos. Cada receptor itinerante, en efecto, resta su solución de posición de la solución de la estación base, eliminando así cualquier error estadístico común a los dos. Los guardacostas estadounidenses mantienen una red de estaciones base de este tipo y transmiten correcciones a través de radiobalizas que cubren la mayor parte de Estados Unidos. Otras correcciones diferenciales se codifican dentro de las emisiones normales de las emisoras de radio comerciales.

Detalles

Los agricultores que reciben estas emisiones han podido dirigir sus equipos de campo con gran precisión, lo que ha convertido la agricultura de precisión en un término común en la agricultura.

Otra técnica de aumento del GPS utiliza las ondas portadoras que transmiten los pulsos de navegación de los satélites a la Tierra. Dado que la longitud de la onda portadora es más de 1.000 veces menor que la de los impulsos básicos de navegación, este enfoque “asistido por la portadora”, en las circunstancias adecuadas, puede reducir los errores de navegación a menos de 1 cm (0,4 pulgadas). Esta mejora espectacular de la precisión se debe principalmente a la menor longitud y al mayor número de ondas portadoras que inciden en la antena del receptor cada segundo.

Otra técnica de aumento es la conocida como superposición geosincrónica. Las superposiciones geosincrónicas emplean cargas útiles del GPS “a cuestas” a bordo de satélites de comunicaciones comerciales que se colocan en órbita geoestacionaria a unos 35.000 km (22.000 millas) sobre la Tierra. Estas cargas útiles, relativamente pequeñas, transmiten trenes de impulsos civiles en código C/A a los usuarios terrestres. El gobierno estadounidense está ampliando la constelación Navstar con superposiciones geosincrónicas para lograr una mayor cobertura, precisión y capacidad de supervivencia. La Unión Europea y Japón están instalando sus propios enlaces geosincrónicos.

El sistema Navstar

El sistema Navstar GPS consta de tres segmentos principales: el segmento espacial, el segmento de control y el segmento de usuario. El componente espacial está formado por la constelación Navstar en órbita alrededor de la Tierra. El primer satélite fue un modelo experimental del Bloque I lanzado en 1978. A lo largo de la siguiente década se lanzaron otros nueve satélites de desarrollo, y entre 1989 y 1993 se enviaron al espacio 23 modelos de producción Block II, más pesados y con mayor capacidad. El lanzamiento del 24º satélite del Bloque II en 1994 completó la constelación del GPS, que ahora consta de dos docenas de satélites del Bloque II (más tres de repuesto en órbita de reserva) que marchan en fila india en seis órbitas circulares alrededor de la Tierra. Las órbitas están dispuestas de manera que al menos cinco satélites estén a la vista desde la mayoría de los puntos de la Tierra en todo momento. Desde 1994, se han lanzado nuevas versiones de los satélites del Bloque II para sustituir a los modelos más antiguos. El primer satélite del Bloque III se lanzó en 2018. Se planificaron diez satélites del Bloque III con el lanzamiento final previsto para 2023.

Un satélite típico del Bloque II pesa aproximadamente 900 kg (2.000 libras) y, con sus paneles solares extendidos, mide unos 17 metros (56 pies) de ancho. Sus elementos clave son las matrices solares en forma de ala que generan energía eléctrica a partir de la luz solar, las 12 antenas helicoidales que transmiten pulsos de navegación a los usuarios en tierra y su larga antena de radio en forma de lanza que recoge las instrucciones de los ingenieros de control. A medida que el satélite recorre su órbita de 12 horas, su cuerpo principal pivota continuamente y los paneles solares giran, manteniendo sus antenas de navegación apuntando hacia el centro de la Tierra y sus paneles solares alineados perpendicularmente a los rayos del Sol.

Basado en la experiencia de varios autores, mis opiniones, perspectivas y recomendaciones se expresarán a continuación (o en otros lugares de esta plataforma, respecto a las características en 2026 o antes, y el futuro de esta cuestión):

El segmento de control consta de una estación de control principal en una base de las Fuerzas Aéreas de EE.UU. en Colorado y de otras cuatro estaciones de seguimiento no tripuladas situadas en todo el mundo: Hawái y el atolón de Kwajalein en el Océano Pacífico, Diego García en el Océano Índico y la isla de Ascensión en el Océano Atlántico. Cada estación de control rastrea todos los satélites GPS que tiene a la vista para comprobar los cambios orbitales. Las variaciones en las órbitas de los satélites se deben a la atracción gravitatoria de la Luna y el Sol, a la forma no esférica de la Tierra y a la presión de la radiación solar. Esta información se procesa en la Estación de Control Principal, y la información orbital corregida se transmite rápidamente a los satélites a través de grandes antenas en tierra. Cada 18 meses, por término medio, los satélites de un anillo determinado se desvían demasiado de su configuración original y deben ser empujados hacia atrás con propulsores de a bordo disparados por el control en tierra.

El segmento de usuarios está formado por los millones de receptores GPS que captan y descodifican las señales de los satélites. Hay cientos de receptores GPS diferentes; algunos están diseñados para instalarse en automóviles, camiones, submarinos, barcos, aviones y satélites en órbita, mientras que se han desarrollado modelos más pequeños para la navegación personal.

Datos verificados por: Brite
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Recursos

Traducción al Inglés

Traducción al inglés de Sistema de posicionamiento global: Global Positioning System.

Véase También

Transmisión digital de audio
GLONASS
NMEA
Bloques de satélites GPS
Señales GPS
Software de navegación GPS
GPS/INS
Falsificación del GPS
Sistema de posicionamiento en interiores
Sistema de aumento de área local
Sistema de posicionamiento local
Invención militar
Seguimiento de teléfonos móviles
Paradoja de la navegación
Aviso a los usuarios de Navstar
S-GPS
Rinex
Servicio basado en localización
Sistema de navegación para automóviles
Sistema global de navegación por satélite
Sistema de posicionamiento europeo Galileo
Sistema de posicionamiento en interiores
Canal de Mensajes de Tráfico
Unidad de seguimiento GPS
Waypoints
Navegación electrónica
Comunicaciones inalámbricas
Sistemas de navegación por satélite
Navegación aérea
Telecomunicaciones
Inventos de Estados Unidos
Departamento de Defensa de Estados Unidos
Constelaciones de satélites

Bibliografía

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