Universidad de los AndesFacultad de Ingeniería

Departamento de Fotogrametría

Sistema de Posicionamiento Global “GPS”

Topografia IProf: Eugenia DelgadoEst: Emiro Cerrada V-20200633 Emmily Pino V-19593793

Mérida, junio del 2014

REFERENCIAS

• Wolf P. y Ghilani C., Topografía, Alfa omega, undécima edición, 2009

• Leonardo Casanova. Topografía Plana Mérida Venezuela: Universidad de Los Andes.

• Ashby, Neil Relativity and GPS. Physics Today, May 2002.

• Guillermo Sánchez. «Sistema posicionamiento global (GPS) y las teorías de la relatividad»

CONCEPTO

• Los satélites artificiales son utilizados por el G.P.S, como punto de referencia para el cálculo de posiciones de puntos sobre la superficie de la tierra con precisiones cada día mejores. Este sistema proporciona servicios fiables de posicionamiento y navegación.

El sistema de posicionamiento global, G.P.S. es un sistema mundial de navegación desarrollado por el Departamento de Defensa de los Estados Unidos basado en el espacio. Actualmente este sistema consta de 24 satélites artificiales (21 regulares más 3 de respaldo) y sus respectivas estaciones en tierra, este es un sistema espacial conocido como la constelación NAVSTAR que proporciona información para ubicar cualquier punto geográficamente y hacer mapas sin importar las condiciones del tiempo. Estos instrumentos están integrados esencialmente por una antena y un receptor.

HISTORIADesde la antigüedad del ser humano a sentido gran curiosidad por el posicionamiento de la tierra en el universo y del hombre dentro de ella, es por eso que desde las tempranas eras comenzamos con el estudio de nuestra posición muchos fueron los astrónomos y filósofos que dedicaron tiempo a este tema como Galileo y Platón para referirnos a algunos, hasta comienzos de los años 50 del siglo pasado los mapas cartográficos eran el elemento mas desarrollado en este ámbito y fue cuando países potencia como Estados Unidos y la Unión Soviética decidieron desarrollar el sistema de posicionamiento por medio de satélites. Es el primer sistema de navegación basado en satélites; el sistema debía cumplir los requisitos de globalidad abarcando toda la superficie del globo

HISTORIA

El sistema de posicionamiento global, conocido como “GPS”, quedó oficialmente inaugurado en 1995. Este sistema -nacido en el seno de del Departamento de Defensa de los EE.UU.- fue  concebido originalmente como un sistema estratégico militar, pero con el paso del tiempo se desarrollaron una enorme cantidad de aplicaciones civiles.

Desde sus inicios puramente militares, sus aplicaciones han ido incrementándose constantemente en diversas áreas y los equipos receptores de G.P.S han ido disminuyendo tanto en tamaño como en costo.

DESCRIPCION DEL SISTEMA

Exactamente, recibe dos tipos de datos, los datos del Almanaque, que consiste en una serie de parámetros generales sobre la ubicación y la operatividad de cada satélite en relación al resto de satélites de la red, esta información puede ser recibida desde cualquier satélite, y una vez el receptor GPS tiene la información del último Almanaque recibido y la hora precisa, sabe donde buscar los satélites en el espacio; la otra serie de datos, también conocida como Efemérides, hace referencia a los datos precisos, únicamente, del satélite que está siendo captado por el receptor GPS, son parámetros orbitales exclusivos de ese satélite y se utilizan para calcular la distancia exacta del receptor al satélite

DESCRIPCION DEL SISTEMA Cuando el receptor ha captado la señal de, al menos, tres satélites

calcula su propia posición en la Tierra mediante la triangulación de la posición de los satélites captados, y nos presentan los datos de Longitud, Latitud y Altitud calculados. Los receptores GPS pueden recibir, y habitualmente lo hacen, la señal de más de tres satélites para calcular su posición. En principio, cuantas más señales recibe, más exacto es el cálculo de posición.

En el campo de la ingeniería civil, el G.P.S se ha convertido en una herramienta indispensable para profesionales y técnicos en la determinación de posiciones realización de levantamientos topográficos con rapidez y precisión

Actualmente la tecnología existente permite manejar los datos obtenidos por medio de G.P.S. con los programas de aplicación en las ramas de ingeniería y geodesia.

En el campo de la ingeniería civil, el sistema de posicionamiento global con navegadores sencillos GPS, tienen la capacidad de proporcionar coordenadas en cualquier punto sobre la superficie de la Tierra con precisión mas o menos 10 m, mientras que unidades de levantamientos más sofisticadas pueden dar una posición relativa con una precisión de unos cuantos milímetros y, por lo tanto, son adecuadas para levantamientos de control y detalles. Una de las ventajas particulares es que no requiere una línea visual libre entre puntos de observación, y el equipo puede trabajar de día o de noche, en todo tiempo, sin afectarse por lluvia niebla o nieve.

Actualmente la tecnología existente permite manejar de aplicación en las ramas de ingeniería y geodesia.

DESCRIPCION DEL SISTEMAAPLICADO A INGENIERÍA

Cada uno de los satélites de la constelación NAVSTAR transmite dos señales de radio, L1 con una frecuencia de 1.575,43 MHz y L2 1.227,6 MHz. La señal L1 se modula con dos códigos de ruido pseudo aleatorios (Pseudo Random Noise, PRN), denominados Servicio de Posicionamiento Preciso (PPS) o código P o protegido, el cual puede ser encriptado para uso militar y el código de adquisición grueso (C/A Coarse/Adquisition) conocido como Servicio Estándar de Posicionamiento (SPS).

La señal L2 se modula solamente con el código P. La mayoría de los receptores de uso civil usan el código C/A para obtener la información del sistema G.P.S

SEÑAL DE GPS

SEÑAL DE GPS

Además de los códigos, los satélites transmiten a los receptores información en un paquete de Información repetitivo de cinco diferentes bloques con duración de 30 segundos.

Bloque 1: Contiene los parámetros de corrección de tiempo y refracción ionosférica.

Bloques 2 y 3: Contienen información orbital y precisa para el cálculo de efemérides

Bloques 4 y 5: Con información orbital aproximada de todos los satélites del sistema en operación, tiempo universal coordinado, información ionosférica e información especial.

El Estado de la Señal o Mensajes de Navegación.

Estos mensajes de navegación o de estado, se encuentran en una señal de baja frecuencia añadida al código "L1", la cual da información acerca de las orbitas d los satelites, las correcciones de su reloj y otras señales de estado del Sistema

SEÑAL DE GPS

FUNDAMENTOS DEL GPS

El sistema de posicionamiento global por satélite o G.P.S., se basa en la medición de distancias a partir de señales de radio transmitidas por un grupo de satélites artificiales cuya órbita se conoce con precisión y captadas y decodificadas por receptores ubicados en los puntos cuya posición se desea determinar. Si medimos las distancias de al menos tres diferentes satélites a un punto sobre la tierra, es posible determinar la posición de dicho punto por trilateración.

Recordaremos que la trilateración es un procedimiento similar a la triangulación pero basado en la medidas de los lados de un triángulo.

FUNDAMENTOS INVOLUCRADOS EN LAS MEDICIONES DE G.P.S.

-Trilateración Satelital

-Medición de distancia desde los satélites

-Medición precisa del tiempo

-Conocimiento preciso de la órbita del satélite

-Corrección de errores en la propagación de la onda

FUNDAMENTOS DEL GPS

-Trilateración Satelital

Los satélites del sistema de posicionamiento global se encuentran girando alrededor de la Tierra en órbitas predefinidas a una altura aproximada de 20.200 kilómetros, siendo posible conocer con exactitud la ubicación de un satélite en un instante de tiempo dado, convirtiéndose por lo tanto los satélites en puntos de referencia en el espacio.

-Medición de distancia desde los satélites

La distancia de un satélite a un receptor se calcula midiendo el tiempo de viaje de la señal de radio desde el satélite al receptor. Conociendo la velocidad de la señal de radio, la distancia se determina por medio de la ecuación de movimiento con velocidad uniforme.

• D = v.t

D = distancia en kilómetros desde el satélite al punto considerado

v = velocidad de la señal de radio, aproximadamente la velocidad de la luz v ≈300.000 km/s

t = tiempo de viaje de la señal en segundos

FUNDAMENTOS DEL GPS

-Precisión en la medida del tiempo

La medición del tiempo de viaje es una actividad difícil de realizar. Debido a la gran velocidad de las señales de radio y a las distancias, relativamente cortas, a la cual se encuentran los satélites de la Tierra, los tiempos de viaje son extremadamente cortos. El tiempo promedio que una señal tarda en viajar de un satélite orbitando a 20.200 kilómetros a la Tierra es de 0,067 segundos. Este hecho hace necesario la utilización de relojes muy precisos. Los satélites portan relojes atómicos con precisiones de un nanosegundo, pero colocar este tipo de relojes en los receptores sería muy costoso. Para solucionar este problema los receptores corrigen los errores en la medición del tiempo mediante una medición a un cuarto satélite.

FUNDAMENTOS DEL GPS

-Posicionamiento del satélite

Como se ha mencionado previamente, existen 24 satélites operacionales en el sistema NAVSTAR (Navigation Satellite Timing and Ranging) orbitando la Tierra cada 12 horas a una altura de 20.200 kilómetros. Existen seis diferentes órbitas inclinadas aproximadamente 55º con respecto al Ecuador.

Alrededor de cada uno de estos planos giran cuatro satélites que son monitoreados constantemente por el Departamento de Defensa delos Estados Unidos. EnTierra existen cinco estaciones de seguimiento y control: tres estaciones para la alimentación de datos y una estación de control maestro. La estaciónde control maestro calcula, con los datos de las estaciones de seguimiento, la posición de los satélites en las órbitas (efemérides), los coeficientes para las correcciones de los tiempos y transmiten esta información a los satélites.

FUNDAMENTOS DEL GPS

-Corrección de errores

Los errores que afectan las mediciones con G.P.S. se pueden agrupar en tres tipos diferentes:

Errores propios del satélite

Errores originados por el medio de propagación

Errores en la recepción

FUNDAMENTOS DEL GPS

La posición calculada por un receptor GPS requiere en el instante actual, la posición del satélite y el retraso medido de la señal recibida. La precisión es dependiente de la posición y el retraso de la señal.

Al introducir el atraso, el receptor compara una serie de bits (unidad binaria) recibida del satélite con una versión interna. Cuando se comparan los límites de la serie, las electrónicas pueden meter la diferencia a 1% de un tiempo BIT, o aproximadamente 10 nanosegundos por el código C/A. Desde entonces las señales GPS se propagan a la velocidad de luz, que representa un error de 3 metros. Este es el error mínimo posible usando solamente la señal GPS C/A.

La precisión de la posición se mejora con una señal P(Y). Al presumir la misma precisión de 1% de tiempo BIT, la señal P(Y) (alta frecuencia) resulta en una precisión de más o menos 30 centímetros. Los errores en las electrónicas son una de las varias razones que perjudican la precisión (ver la tabla).

Puede también mejorarse la precisión, incluso de los receptores GPS estándares (no militares) mediante software y técnicas de tiempo real. Esto ha sido puesto a prueba sobre un sistema global de navegación satelital (GNSS) como es el NAVSTAR-GPS. La propuesta se basó en el desarrollo de un sistema de posicionamiento relativo de precisión dotado de receptores de bajo costo. La contribución se dio por el desarrollo de una metodología y técnicas para el tratamiento de información que proviene de los receptores.

FUENTES DE ERROR DEL GPS

FUENTES DE ERROR DEL GPS

EFECTOFUENTE ± 3 mEfemérides ± 2,5 mReloj satelital ± 2 mDistorsión multibandas ± 1 mTroposfera ± 0,5 mErrores numéricos ± 1 m o menos

Retraso de la señal en la ionosfera y la troposferaSeñal multirruta, producida por el rebote de la señal en edificios y montañas cercanos.Errores de orbitales, donde los datos de la órbita del satélite no son completamente precisos.Número de satélites visibles.Geometría de los satélites visibles.Errores locales en el reloj del GPS.