Asuntos sobre GPS (Global Positioning Systems)

Tomado de Azimut Marine

Sistema de posicionamiento global GPS


Las siglas “GPS” han pasado a formar parte de nuestro hábito lingüístico. Su significado es de sobra conocido: “Global Positioning System”, o Sistema de Posicionamiento Global.

Y también es ampliamente conocido su uso: establecer la posición en coordenadas de latitud y longitud en cualquier lugar de la Tierra. Detrás de estas siglas y para que constantemente se sepa la posición, hay en marcha un complejo sistema de satélites y estaciones terrestres.

 

Orígenes y evolución del GPS


El GPS fue desarrollado originalmente por el Departamento de Defensa (DoD) de Estados Unidos dentro del programa NAVSTAR (NAVigation Satellite Timing And Ranging).

Durante años los barcos, aviones y unidades terrestres del Ejército estadounidense hicieron uso exclusivo del sistema dando muestra de una gran utilidad.

La comunidad internacional, con el pretexto de la mejora de la seguridad aérea y marítima, llegó a un acuerdo de uso compartido con las Fuerzas armadas, dando lugar en 1995 al uso público del GPS, aunque Estados Unidos estableció como condición la capacidad de alterar la exactitud de las posiciones con motivo de salvaguardar su propia seguridad y de las operaciones militares (algo que solo pone en marcha en lugares de conflicto bélico en determinadas circunstancias y que afecta únicamente a la señal civil).

El sistema de posicionamiento por satélite vino a sustituir al viejo sistema LORAN, cuyos satélites daban la posición bajo su cobertura dos veces al día. Otro de los sistemas de posicionamiento, igualmente eficiente, aunque menos conocido, es el desarrollado por la Agencia espacial rusa.

 

Sistema de posicionamiento GLONASS


Bajo el nombre de GLONASS (GLObal NAvigation Satellite Service) la Federación Rusa creó hace 30 años un sistema parecido al GPS, con similares prestaciones y similar modo de funcionamiento, pero totalmente libre, aunque con una exactitud ligeramente inferior al GPS.

El GLONASS es un sistema de posicionamiento por satélites orbitales en tres dimensiones (latitud, longitud y altura), velocidad tridimensional y tiempo. Está gestionado por la Agencia espacial rusa, abarcando a una comunidad de usuarios similar a los que utilizan el GPS.

La constelación satelital está integrada por 24 unidades, cuyo uso es libre y no discriminatorio.

Los equipos han logrado una alta resolución técnica, con un error inferior a 45 metros en altura y una probabilidad de acierto superior al 95%, aunque la oficina rusa señala que la precisión está entre 7 y 10 metros en espacios abiertos, lo que esperan mejorar tras la sustitución de los antiguos satélites por nuevas unidades de tercera generación.

GLONASS forma parte de los sistemas de posicionamientos habituales.

La Organización Marítima Internacional establece la señal de GPS y GLONASS como óptimas en el uso de los dispositivos de emergencia por posicionamiento, como las radiobalizas, al tener ambos una precisión inferior a 100 metros, frente a los 5 kilómetros del obsoleto sistema COSPAS-SARSAT.

De esta forma la constelación rusa está integrada en los sistemas de posicionamiento del Sistema de navegación global por satélite GNSS de la OMI.

La utilización simultánea de dos sistemas de posicionamiento (GPS y GLONASS) tiene como ventajas un incremento en la velocidad de reacción de los equipos y una mayor exactitud de la posición, lo que conlleva cálculos de navegación más precisos.

Con lo anterior, además, el usuario se garantiza contar con al menos la cobertura de una constelación satelital en caso de caída voluntaria o técnica de algunos de los sistemas (sobre todo ante la carta blanca del Pentágono de suspender la señal civil del GPS por motivos relacionados con la seguridad).

Recientemente se ha sumado a la carrera por ofrecer un sistema de posicionamiento por satélite la Agencia Espacial Europea.

El programa “Galileo” ya ha comenzado a ponerse en marcha. No obstante, la situación económica de la Unión está haciendo que el calendario no avance como estaba previsto (la fecha de explotación comercial se espera para 2015, sin que haya confirmación de que pueda ser así).


Constelación de satélites

 

Integrantes del GPS


El Sistema de posicionamiento global GPS, al igual que el GLONASS, está integrado por tres sectores o componentes:

Sector espacial: compuesto por 24 satélites dispuestos en seis órbitas a razón de 4 equipos en cada órbita. Los satélites orbitan alrededor de la Tierra a una altura de 20200 kilómetros (por debajo de los satélites geoestacionarios). La velocidad de rotación es de una vuelta a la Tierra cada 12 horas, siguiendo una ruta con una inclinación de 55º respecto al Ecuador celeste y una diferencia de 90º de arco de los satélites entre sí. A esto se han de sumar los satélites geoestacionarios de amplia cobertura del sistema WAAS/EGNOS.

Sector terrestre: también llamado de control. Se ocupa de corregir la señal obtenida de los satélites, así como posibles desviaciones de la órbita. El sector terrestre lo componen 9 estaciones: 1 general, 5 de rastreo y 3 de datos.

Sector usuario: compuesto por antena, amplificador y receptor. El equipo se encarga de seleccionar los satélites que le deben aportar la información para calcular la posición, medir el tiempo entre transmisiones y la hora.

La combinación de los tres sectores proporciona el tiempo y la posición con una cobertura global, garantizando que cualquier usuario dispone en todo momento de entre 6 y 8 satélites visibles sobre el horizonte.

 

Cómo funciona el GPS

 

Cada uno de los satélites en órbita cuenta con cuatro relojes atómicos. Los relojes atómicos son los más exactos que existen, teniendo un retraso de 1 segundo cada tres millones de años. Y es que el tiempo es fundamental para calcular la posición.

El GPS aporta el dato de posición y altura. Para eso necesita de tener cobertura de cuatro satélites. Tres para calcular la situación y uno más para la altura.

Cada uno de los satélites emite dos señales. Una que hace de matriz y otra para corregir la desviación de la ionosfera. El equipo de usuario mide el tiempo que tarda en viajar la señal desde el satélite hasta la antena receptora (conocida la hora de emisión), por lo que es fundamental que ambos estén sincronizados.

Ese tiempo, multiplicado por la velocidad de propagación de las ondas (luz) en la atmósfera, permite calcular la distancia hasta cada uno de los satélites. De esta forma se conoce dónde está cada emisor y la distancia hasta el usuario.

Con estos datos se puede establecer la posición como el lugar geométrico donde confluyen las tres esferas, con centro en cada uno de los satélites, y como radio la distancia calculada.

Sin embargo, esta posición está alterada por la posible desincronización entre los relojes de emisor y receptor y por las perturbaciones atmosféricas. De corregirla se ocupa el DGPS.


Sistemas de corrección


El Sistema de Posicionamiento Global Diferencial, DGPS, se ocupa de corregir los posibles errores en las órbitas satelitales y afinar la posición aportada por el GPS.

El conjunto está compuesto por una serie de estaciones terrestres fijas, para las que se conoce su situación exacta. De esta forma se puede comparar la situación real con la suministrada por el GPS y establecer el error para cada momento.

El error calculado se comunica y emite, siendo recibido por las antenas de usuario, cuyos equipos se ocupan de aplicar para determinar la posición correcta (con un margen máximo de 10 metros).

En la actualidad el DGPS está siendo ampliado para dar una cobertura global, tanto a usuarios de tierra, como de aire y mar. Es lo que se conoce como el Sistema de Optimización de Amplia Cobertura, WAAS/EGNOS, que está siendo desarrollado por Estados Unidos.

EGNOS es un sistema de aumento con medios suplementarios consistentes en satélites geoestacionarios (en una órbita de 35.786 kilómetros de altura) y estaciones en tierra para mejorar la fijación de la posición a través de receptores.

La idea principal es dar servicio a la aviación comercial, aunque tiene su repercusión en la marina. La principal ventaja del sistema EGNOS es su amplia cobertura y precisión en los datos, siendo un complemento para GPS y GLONASS.

EGNOS logra reducir el error a menos de dos metros. Para eso cuenta con cuatro centros de control que generan las correcciones de cada satélite.

La cobertura de EGNOS se garantiza mediante dos satélites sobre el horizonte en todo momento, de una constelación que cuenta con un total de 6 unidades en órbita y 34 estaciones en tierra.

GPS Diferencial
http://www.proteccioncivil.org/


Aplicación y funcionalidad del GPS en la Náutica


La navegación astronómica ha cumplido varios siglos, y en la actualidad no es ningún secreto para los marinos. El GPS viene a imitar a los cálculos astronómicos que se realizaban a bordo en tres momentos del día (orto, mediodía y ocaso) para establecer la posición.

Hoy en día el GPS permite conocer la posición en todo momento, con gran exactitud y en cualquier lugar del planeta.

Los equipos de GPS, con los datos aportados, son capaces de procesar la información y aportar al patrón los parámetros básicos de navegación: posición, rumbo, velocidad, hora… y así poder establecer rutas y tiempos de llegada.


Antenas de equipos GPS

Para conseguir un dato de posición lo más exacto posible, las embarcaciones de recreo cuentan con antenas GPS, unidas mediante un cable coaxial a los equipos que muestran la información y que se comparte con el resto de instrumentos de ayuda a la navegación. Las antenas GPS mejoran considerablemente la recepción de la señal y la amplifican, para ser procesada por los equipos.

Se pueden distinguir tres tipos de antenas GPS:

Antena pasiva: es la que capta la señal de los diferentes satélites y estaciones de los sistemas de posicionamiento y la reporta a los equipos, siendo el equipo receptor el que la amplifica para su procesamiento. Son antenas que ocupan poco lugar y no requieren de fuente de energía. Se instalan en lugares fijos y altos.

Antena activa: recibe la señal exterior y la amplifica antes de transmitirla a los equipos. Este tipo de antena requiere de una fuente de energía para amplificar la señal, ofreciendo mayor exactitud y una alta sensibilidad. La antena activa procesa directamente los datos y los envía por NMEA0183 o NMEA2000 (los códigos de encriptado habituales de los dispositivos electrónicos náuticos).

Antena integrada: Adicionalmente se pueden usar equipos de GPS con antena integrada, aptos para su uso en el exterior y muy adecuados para pequeñas embarcaciones. No requieren de instalación y su fuente de energía depende del propio equipo al que es solidaria.


Aplicaciones 

VHF DSC con función de Llamada Digital Selectiva, que en caso de siniestro al pulsar el botón DISTRESS transmite la posición por el canal 70. De este modo todos los barcos cercanos reciben la posición y pueden socorrer al barco siniestrado.


Radioteléfono VHF Raymarine con funcionalidad DSC
 

AIS - El dispositivo AIS utiliza señales de radio digital para intercambiar información "en tiempo real" entre barcos, estaciones costeras y ayudas a la navegación en frecuencias VHF específicas.

Esta información se utiliza para identificar y rastrear los barcos de los alrededores y disponer de datos anti-colisión avanzados y precisos.

Aunque el AIS aumenta la aplicación de su radar al operar en los puntos ciegos de éste y detectar barcos más pequeños que llevan montado un dispositivo AIS, no substituye al radar, pues depende de la correcta recepción de la información AIS transmitida y por lo tanto no puede detectar objetos como masas de tierra y faros de ayuda a la navegación.


Sistema AIS de Raymarine
 

Sonda plotter. Teniendo un receptor de GPS, sonda y plotter podemos marcar los puntos de pesca para luego volver a ellos. 


Sonda/Plotter Dragonfly 7" de Raymarine, con GPS integrado

 
Radiobaliza con GPS. Se trata de una radiobaliza que lleva un receptor de GPS para que, en caso de siniestro, pueda dar mayor precisión en la posición a las autoridades de rescate.


Radiobaliza de seguridad MT403FG de GME, también con GPS integrado

 

Algunos Link sobre GPS

Página del Grupo de Gps de Venezuela

Página de los Mapas de Centro América para Gps y Android

La página de los Garmin GPS

La Página de la NASA

La página de los Magellan GPS

Des Newman's OziExplorer GPS Mapping Software

Página GPS Española