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

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