Sistema de Posicionamiento Global - Global Positioning System

Sistema de posicionamiento global (GPS)
NAVSTAR GPS logo.png

País / es de origen Estados Unidos
Operador (es) Fuerza Espacial de EE. UU.
Escribe Militar, civil
Estado Operacional
Cobertura Global
Precisión 500–30 cm (16–0,98 pies)
Tamaño de la constelación
Satélites totales 77
Satélites en órbita 31
Primer lanzamiento 22 de febrero de 1978 ; Hace 43 años ( 22 de febrero de 1978 )
Lanzamientos totales 75
Características orbitales
Régimen (s) 6x aviones MEO
Altura orbital 20,180 km (12,540 millas)
Otros detalles
Costo $ 12 mil millones
(constelación inicial)
$ 750 millones por año
(costo operativo)
Concepción artística del satélite GPS Block II-F en órbita terrestre.
Receptores de GPS civiles (" dispositivo de navegación GPS ") en una aplicación marina.
Un aviador senior del Comando Espacial de la Fuerza Aérea revisa una lista de verificación durante las operaciones del satélite del Sistema de Posicionamiento Global.

El Sistema de Posicionamiento Global ( GPS ), originalmente Navstar GPS , es un sistema de radionavegación basado en satélites propiedad del gobierno de los Estados Unidos y operado por la Fuerza Espacial de los Estados Unidos . Es uno de los sistemas globales de navegación por satélite (GNSS) que proporciona información de geolocalización e información de tiempo a un receptor GPS en cualquier lugar de la Tierra o cerca de ella, donde haya una línea de visión sin obstáculos para cuatro o más satélites GPS. Los obstáculos como montañas y edificios pueden bloquear las señales GPS relativamente débiles .

El GPS no requiere que el usuario transmita ningún dato y funciona independientemente de cualquier recepción telefónica o de Internet, aunque estas tecnologías pueden mejorar la utilidad de la información de posicionamiento del GPS. El GPS proporciona capacidades de posicionamiento críticas para usuarios militares, civiles y comerciales de todo el mundo. El gobierno de los Estados Unidos creó el sistema, lo mantiene y lo controla, y lo hace accesible libremente para cualquier persona que tenga un receptor GPS.

El proyecto GPS fue iniciado por el Departamento de Defensa de EE. UU. En 1973. El primer prototipo de nave espacial se lanzó en 1978 y la constelación completa de 24 satélites entró en funcionamiento en 1993. Originalmente limitado al uso por parte del ejército de los EE. UU., El uso civil estaba permitido desde el 1980 tras una orden ejecutiva del presidente Ronald Reagan después del incidente del vuelo 007 de Korean Air Lines . Los avances en tecnología y las nuevas demandas en el sistema existente ahora han llevado a esfuerzos para modernizar el GPS e implementar la próxima generación de satélites GPS Block IIIA y el Sistema de Control Operacional de Próxima Generación (OCX). Los anuncios del vicepresidente Al Gore y la administración Clinton en 1998 iniciaron estos cambios, que fueron autorizados por el Congreso de los Estados Unidos en 2000.

Durante la década de 1990, el gobierno de los Estados Unidos degradó la calidad del GPS en un programa llamado "Disponibilidad selectiva"; esto fue suspendido el 1 de mayo de 2000 por una ley firmada por el presidente Bill Clinton .

El servicio de GPS está controlado por el gobierno de Estados Unidos, que puede denegar selectivamente el acceso al sistema, como le sucedió al ejército indio en 1999 durante la Guerra de Kargil , o degradar el servicio en cualquier momento. Como resultado, varios países han desarrollado o están en proceso de establecer otros sistemas de navegación por satélite mundiales o regionales. El Sistema Ruso de Navegación Global por Satélite ( GLONASS ) se desarrolló al mismo tiempo que el GPS, pero sufrió una cobertura incompleta del mundo hasta mediados de la década de 2000. GLONASS se puede agregar a los dispositivos GPS, haciendo que haya más satélites disponibles y permitiendo que las posiciones se fijen de manera más rápida y precisa, dentro de los dos metros (6.6 pies). El sistema de navegación por satélite BeiDou de China inició sus servicios globales en 2018 y finalizó su despliegue completo en 2020. También están el sistema de navegación por satélite Galileo de la Unión Europea y el NavIC de la India . El sistema de satélites Quasi-Zenith de Japón (QZSS) es un sistema de aumento basado en satélites GPS para mejorar la precisión del GPS en Asia-Oceanía , con navegación por satélite independiente del GPS programada para 2023.

Cuando se levantó la disponibilidad selectiva en 2000, el GPS tenía una precisión de aproximadamente cinco metros (16 pies). Los receptores GPS que usan la banda L5 pueden tener una precisión mucho mayor, señalando con una precisión de 30 centímetros (11,8 pulgadas), mientras que los usuarios de alto nivel (generalmente aplicaciones de ingeniería y topografía) pueden tener precisión en varias de las señales de ancho de banda dentro de dos centímetros, e incluso precisión submilimétrica para mediciones a largo plazo. En mayo de 2021, 16 satélites GPS están transmitiendo señales L5, y las señales se consideran preoperativas, programadas para llegar a 24 satélites aproximadamente en 2027.

Historia

Animación del sistema de constelación de GPS

El proyecto GPS se lanzó en los Estados Unidos en 1973 para superar las limitaciones de los sistemas de navegación anteriores, combinando ideas de varios predecesores, incluidos estudios de diseño de ingeniería clasificados de la década de 1960. El Departamento de Defensa de EE. UU. Desarrolló el sistema, que originalmente usaba 24 satélites, para uso del ejército de los EE. UU. , Y entró en pleno funcionamiento en 1995. El uso civil se permitió desde la década de 1980. Roger L. Easton del Laboratorio de Investigación Naval , Ivan A. Getting de la Corporación Aeroespacial y Bradford Parkinson del Laboratorio de Física Aplicada tienen el mérito de haberlo inventado. El trabajo de Gladys West se considera fundamental en el desarrollo de técnicas computacionales para detectar posiciones de satélites con la precisión necesaria para GPS.

El diseño del GPS se basa en parte en sistemas de radionavegación terrestres similares , como LORAN y Decca Navigator , desarrollados a principios de la década de 1940.

En 1955, Friedwardt Winterberg propuso una prueba de relatividad general : detectar la desaceleración del tiempo en un campo gravitacional fuerte utilizando relojes atómicos precisos colocados en órbita dentro de satélites artificiales. La relatividad especial y general predice que los observadores de la Tierra verían los relojes de los satélites GPS correr 38 microsegundos más rápido por día que los relojes de la Tierra. El diseño de GPS corrige esta diferencia; sin hacerlo, las posiciones calculadas por GPS acumularían hasta 10 kilómetros por día (6 mi / d) de error.

Antecesores

Cuando la Unión Soviética lanzó el primer satélite artificial ( Sputnik 1 ) en 1957, dos físicos estadounidenses, William Guier y George Weiffenbach, en la Universidad Johns Hopkins 's Laboratorio de Física Aplicada (APL) decidieron monitorear sus transmisiones de radio. En cuestión de horas se dieron cuenta de que, debido al efecto Doppler , podían señalar dónde estaba el satélite a lo largo de su órbita. El Director de la APL les dio acceso a su UNIVAC para hacer los pesados ​​cálculos requeridos.

A principios del año siguiente, Frank McClure, subdirector de la APL, pidió a Guier y Weiffenbach que investigaran el problema inverso: localizar la ubicación del usuario, dada la del satélite. (En ese momento, la Armada estaba desarrollando el misil Polaris lanzado desde un submarino, lo que requería que conocieran la ubicación del submarino). Esto los llevó a ellos ya APL a desarrollar el sistema TRANSIT . En 1959, ARPA (rebautizada como DARPA en 1972) también jugó un papel en TRANSIT.

TRANSIT se probó con éxito por primera vez en 1960. Utilizaba una constelación de cinco satélites y podía proporcionar una posición de navegación aproximadamente una vez por hora.

En 1967, la Marina de los Estados Unidos desarrolló el satélite Timation , que demostró la viabilidad de colocar relojes precisos en el espacio, una tecnología necesaria para el GPS.

En la década de 1970, el sistema de navegación terrestre OMEGA , basado en la comparación de fases de la transmisión de señales de pares de estaciones, se convirtió en el primer sistema de navegación por radio del mundo. Las limitaciones de estos sistemas impulsaron la necesidad de una solución de navegación más universal con mayor precisión.

Aunque había una gran necesidad de una navegación precisa en los sectores militar y civil, casi ninguna de ellas se consideró una justificación para los miles de millones de dólares que costaría en investigación, desarrollo, despliegue y operación de una constelación de satélites de navegación. Durante la carrera armamentista de la Guerra Fría , la amenaza nuclear a la existencia de Estados Unidos fue la única necesidad que justificó este costo en opinión del Congreso de Estados Unidos. Este efecto disuasorio es la razón por la que se financió el GPS. También es la razón del ultrasecreto en ese momento. La tríada nuclear consistía en misiles balísticos lanzados desde submarinos (SLBM) de la Armada de los Estados Unidos junto con bombarderos estratégicos de la Fuerza Aérea de los Estados Unidos (USAF) y misiles balísticos intercontinentales (ICBM). Considerada vital para la postura de disuasión nuclear , la determinación precisa de la posición de lanzamiento del SLBM fue un multiplicador de fuerza .

La navegación precisa permitiría a los submarinos de misiles balísticos de los Estados Unidos obtener una localización precisa de sus posiciones antes de lanzar sus SLBM. La USAF, con dos tercios de la tríada nuclear, también tenía requisitos para un sistema de navegación más preciso y confiable. La Marina de los Estados Unidos y la Fuerza Aérea de los Estados Unidos estaban desarrollando sus propias tecnologías en paralelo para resolver lo que era esencialmente el mismo problema.

Para aumentar la capacidad de supervivencia de los misiles balísticos intercontinentales, se propuso utilizar plataformas de lanzamiento móviles (comparables a los SS-24 y SS-25 soviéticos ), por lo que la necesidad de fijar la posición de lanzamiento era similar a la situación del SLBM.

En 1960, la Fuerza Aérea propuso un sistema de radionavegación llamado MOSAIC (Sistema móvil para un control preciso de misiles balísticos intercontinentales) que era esencialmente un LORAN 3-D. En 1963 se realizó un estudio de seguimiento, el Proyecto 57, y fue "en este estudio donde nació el concepto de GPS". Ese mismo año, se adoptó el concepto como Proyecto 621B, que tenía "muchos de los atributos que ahora se ven en el GPS" y prometía una mayor precisión para los bombarderos de la Fuerza Aérea y los misiles balísticos intercontinentales.

Las actualizaciones del sistema TRANSIT de la Marina fueron demasiado lentas para las altas velocidades de operación de la Fuerza Aérea. El Laboratorio de Investigación Naval (NRL) continuó avanzando con sus satélites Timation (Time Navigation), lanzados por primera vez en 1967, segundo en 1969, con el tercero en 1974 llevando el primer reloj atómico en órbita y el cuarto lanzado en 1977.

Otro predecesor importante del GPS provino de una rama diferente del ejército de los Estados Unidos. En 1964, el Ejército de los Estados Unidos orbitó su primer satélite Sequential Collation of Range ( SECOR ) utilizado para levantamientos geodésicos. El sistema SECOR incluía tres transmisores terrestres en ubicaciones conocidas que enviarían señales al transpondedor del satélite en órbita. Una cuarta estación en tierra, en una posición indeterminada, podría usar esas señales para fijar su ubicación con precisión. El último satélite SECOR se lanzó en 1969.

Desarrollo

Con estos desarrollos paralelos en la década de 1960, se comprendió que se podía desarrollar un sistema superior sintetizando las mejores tecnologías de 621B, Transit, Timation y SECOR en un programa de servicios múltiples. Los errores de posición orbital de los satélites, inducidos por variaciones en el campo gravitatorio y la refracción del radar, entre otros, debían resolverse. Un equipo dirigido por Harold L Jury de la División Aeroespacial Panamericana en Florida de 1970 a 1973, utilizó la asimilación de datos en tiempo real y la estimación recursiva para hacerlo, reduciendo los errores sistemáticos y residuales a un nivel manejable para permitir una navegación precisa.

Durante el fin de semana del Día del Trabajo en 1973, una reunión de unos doce oficiales militares en el Pentágono discutió la creación de un Sistema de Satélite de Navegación de Defensa (DNSS) . Fue en este encuentro donde se creó la síntesis real que se convirtió en GPS. Más tarde ese año, el programa DNSS se llamó Navstar. Navstar a menudo se considera erróneamente como un acrónimo de "Sistema de navegación con cronometraje y alcance", pero la Oficina del Programa Conjunto de GPS nunca lo consideró como tal (es posible que TRW haya abogado una vez por un sistema de navegación diferente que usara ese acrónimo). Con los satélites individuales asociados con el nombre Navstar (como con los predecesores Transit y Timation), se utilizó un nombre más completo para identificar la constelación de satélites Navstar , Navstar-GPS . Se lanzaron diez prototipos de satélites " Bloque I " entre 1978 y 1985 (una unidad adicional se destruyó en un lanzamiento fallido).

El efecto de la ionosfera en la transmisión de radio se investigó en un laboratorio de geofísica del Laboratorio de Investigación de Cambridge de la Fuerza Aérea , rebautizado como Laboratorio de Investigación Geofísica de la Fuerza Aérea (AFGRL) en 1974. AFGRL desarrolló el modelo Klobuchar para calcular correcciones ionosféricas a la ubicación GPS. Cabe destacar el trabajo realizado por la científica espacial australiana Elizabeth Essex-Cohen en AFGRL en 1974. Estaba preocupada por la curva de las trayectorias de las ondas de radio ( refracción atmosférica ) que atraviesan la ionosfera desde los satélites NavSTAR.

Después de que el vuelo 007 de Korean Air Lines , un Boeing 747 que transportaba a 269 personas, fuera derribado en 1983 después de perderse en el espacio aéreo prohibido de la URSS , en las cercanías de las islas Sakhalin y Moneron , el presidente Ronald Reagan emitió una directiva que hace que el GPS esté disponible gratuitamente para uso civil. una vez suficientemente desarrollado, como bien común. El primer satélite Bloque II se lanzó el 14 de febrero de 1989 y el satélite 24 se lanzó en 1994. Se ha estimado el costo del programa GPS en este momento, sin incluir el costo del equipo del usuario, pero sí los costos de los lanzamientos de los satélites. en US $ 5 mil millones (equivalente a $ 9 mil millones en 2020).

Inicialmente, la señal de mayor calidad se reservaba para uso militar y la señal disponible para uso civil se degradaba intencionalmente, en una política conocida como Disponibilidad Selectiva . Esto cambió cuando el presidente Bill Clinton firmó el 1 de mayo de 2000 una directiva de política para desactivar la disponibilidad selectiva para proporcionar a los civiles la misma precisión que se le otorgaba a los militares. La directiva fue propuesta por el Secretario de Defensa de los Estados Unidos, William Perry , en vista del crecimiento generalizado de los servicios diferenciales de GPS por parte de la industria privada para mejorar la precisión civil. Además, el ejército de los Estados Unidos estaba desarrollando activamente tecnologías para negar el servicio de GPS a posibles adversarios a nivel regional.

Desde su implementación, EE. UU. Ha implementado varias mejoras al servicio de GPS, incluidas nuevas señales para uso civil y una mayor precisión e integridad para todos los usuarios, al mismo tiempo que se mantiene la compatibilidad con los equipos de GPS existentes. La modernización del sistema de satélites ha sido una iniciativa en curso del Departamento de Defensa de los Estados Unidos a través de una serie de adquisiciones de satélites para satisfacer las crecientes necesidades del mercado militar, civil y comercial.

A principios de 2015, los receptores GPS del Servicio de Posicionamiento Estándar (SPS) de alta calidad y grado FAA proporcionaban una precisión horizontal superior a 3,5 metros (11 pies), aunque muchos factores como la calidad del receptor y la antena y los problemas atmosféricos pueden afectar esta precisión.

El GPS es propiedad y está operado por el gobierno de los Estados Unidos como recurso nacional. El Departamento de Defensa es el administrador del GPS. La Junta Ejecutiva Interagencial de GPS (IGEB) supervisó las cuestiones de política de GPS de 1996 a 2004. Después de eso, el Comité Ejecutivo Nacional de Posicionamiento, Navegación y Cronometraje basado en el Espacio fue establecido por directiva presidencial en 2004 para asesorar y coordinar a los departamentos y agencias federales en asuntos relacionados con el GPS y sistemas relacionados. El comité ejecutivo está presidido conjuntamente por los subsecretarios de Defensa y Transporte. Su membresía incluye funcionarios de nivel equivalente de los Departamentos de Estado, Comercio y Seguridad Nacional, el Estado Mayor Conjunto y la NASA . Los componentes de la oficina ejecutiva del presidente participan como observadores del comité ejecutivo y el presidente de la FCC participa como enlace.

El Departamento de Defensa de EE. UU. Está obligado por ley a "mantener un Servicio de posicionamiento estándar (como se define en el plan federal de radionavegación y la especificación de señal del servicio de posicionamiento estándar) que estará disponible de forma continua en todo el mundo" y "desarrollar medidas para evitar el uso hostil del GPS y sus aumentos sin interrumpir o degradar indebidamente los usos civiles ".

Cronología y modernización

Resumen de satélites
Cuadra
Periodo de lanzamiento
Lanzamientos de satélites Actualmente en órbita
y saludable
Suc
Cess
Fail-
Ure
En
preparación
Plan-
nida
I 1978-1985 10 1 0 0 0
II 1989-1990 9 0 0 0 0
IIA 1990-1997 19 0 0 0 0
IIR 1997-2004 12 1 0 0 7
IIR-M 2005-2009 8 0 0 0 7
IIF 2010-2016 12 0 0 0 12
IIIA 2018– 5 0 5 0 5
IIIF - 0 0 0 22 0
Total 75 2 5 22 31
(Última actualización: 08 de julio de 2021)

USA-203 del Bloque IIR-M no es saludable
Para obtener una lista más completa, consulte Lista de satélites GPS

  • En 1972, la Central Inercial Guidance Test Facility de la USAF (Holloman AFB) llevó a cabo pruebas de vuelo de desarrollo de cuatro prototipos de receptores GPS en una configuración Y sobre White Sands Missile Range , utilizando pseudo-satélites terrestres.
  • En 1978, se lanzó el primer satélite GPS experimental Block-I.
  • En 1983, después de que un avión interceptor soviético derribara el avión de pasajeros civil KAL 007 que se desvió hacia el espacio aéreo prohibido debido a errores de navegación, matando a las 269 personas a bordo, el presidente de los Estados Unidos, Ronald Reagan, anunció que el GPS estaría disponible para uso civil una vez que estuviera terminado. aunque se había publicado anteriormente [en la revista Navigation], y que el código CA (código grueso / de adquisición) estaría disponible para los usuarios civiles.
  • En 1985, se habían lanzado diez satélites experimentales Block-I más para validar el concepto.
  • A partir de 1988, el mando y control de estos satélites se trasladó de Onizuka AFS, California al 2do Escuadrón de Control de Satélites (2SCS) ubicado en la Estación de la Fuerza Aérea Falcon en Colorado Springs, Colorado.
  • El 14 de febrero de 1989 se lanzó el primer satélite moderno Block-II.
  • La Guerra del Golfo de 1990 a 1991 fue el primer conflicto en el que los militares utilizaron ampliamente el GPS.
  • En 1991, un proyecto para crear un receptor GPS en miniatura terminó con éxito, reemplazando los receptores militares anteriores de 16 kg (35 lb) por un receptor de mano de 1,25 kg (2,8 lb).
  • En 1992, la segunda ala espacial, que originalmente administraba el sistema, fue desactivada y reemplazada por la 50.a ala espacial .
    Emblema del 50 ° Ala Espacial
  • En diciembre de 1993, el GPS alcanzó la capacidad operativa inicial (IOC), con una constelación completa (24 satélites) disponible y proporcionando el Servicio de posicionamiento estándar (SPS).
  • La Capacidad Operativa Total (FOC) fue declarada por el Comando Espacial de la Fuerza Aérea (AFSPC) en abril de 1995, lo que significa la disponibilidad total del Servicio de Posicionamiento Preciso (PPS) seguro de las fuerzas armadas.
  • En 1996, reconociendo la importancia del GPS para los usuarios civiles y militares, el presidente estadounidense Bill Clinton emitió una directiva de política declarando al GPS un sistema de doble uso y estableciendo una Junta Ejecutiva Interagencial de GPS para administrarlo como un activo nacional.
  • En 1998, el vicepresidente de los Estados Unidos, Al Gore, anunció planes para actualizar el GPS con dos nuevas señales civiles para mejorar la precisión y confiabilidad del usuario, particularmente con respecto a la seguridad de la aviación, y en 2000 el Congreso de los Estados Unidos autorizó el esfuerzo, refiriéndose a él como GPS III. .
  • El 2 de mayo de 2000 se suspendió la "Disponibilidad selectiva" como resultado de la orden ejecutiva de 1996, que permitía a los usuarios civiles recibir una señal no degradada a nivel mundial.
  • En 2004, el gobierno de los Estados Unidos firmó un acuerdo con la Comunidad Europea que establece una cooperación relacionada con el GPS y el sistema Galileo de Europa .
  • En 2004, el presidente de los Estados Unidos, George W. Bush, actualizó la política nacional y reemplazó la junta ejecutiva con el Comité Ejecutivo Nacional de Posicionamiento, Navegación y Cronometraje basados ​​en el espacio.
  • En noviembre de 2004, Qualcomm anunció pruebas exitosas de GPS asistido para teléfonos móviles .
  • En 2005, se lanzó el primer satélite GPS modernizado y comenzó a transmitir una segunda señal civil (L2C) para mejorar el rendimiento del usuario.
  • El 14 de septiembre de 2007, el antiguo Sistema de Control de Segmentos Terrestres basado en mainframe se transfirió al nuevo Plan de Evolución de la Arquitectura.
  • El 19 de mayo de 2009, la Oficina de Responsabilidad del Gobierno de los Estados Unidos emitió un informe advirtiendo que algunos satélites GPS podrían fallar en 2010.
  • El 21 de mayo de 2009, el Comando Espacial de la Fuerza Aérea disipó los temores de fallas del GPS y dijo: "Existe un pequeño riesgo de que no sigamos superando nuestro estándar de rendimiento".
  • El 11 de enero de 2010, una actualización de los sistemas de control terrestre provocó una incompatibilidad de software con entre 8.000 y 10.000 receptores militares fabricados por una división de Trimble Navigation Limited de Sunnyvale, California.
  • El 25 de febrero de 2010, la Fuerza Aérea de los EE. UU. Otorgó el contrato para desarrollar el Sistema de Control Operacional de Próxima Generación (OCX) GPS para mejorar la precisión y disponibilidad de las señales de navegación GPS y servir como una parte crítica de la modernización del GPS.

Premios

Air Force Space Commander presenta a la Dra. Gladys West con un premio al ser incluida en el Salón de la Fama de los Pioneros del Espacio y Misiles de la Fuerza Aérea por su trabajo en GPS el 6 de diciembre de 2018.
El vicecomandante de la AFSPC, el teniente general DT Thompson, presenta a la Dra. Gladys West con un premio al ser incluida en el Salón de la Fama de los Pioneros del Espacio y los Misiles de la Fuerza Aérea.

El 10 de febrero de 1993, la Asociación Aeronáutica Nacional seleccionó al Equipo GPS como ganador del Trofeo Robert J. Collier de 1992 , el premio de aviación más prestigioso de Estados Unidos. Este equipo combina investigadores del Laboratorio de Investigación Naval, la USAF, Aerospace Corporation , Rockwell International Corporation e IBM Federal Systems Company. La cita los honra "por el desarrollo más significativo para la navegación y vigilancia seguras y eficientes de aeronaves y naves espaciales desde la introducción de la radionavegación hace 50 años".

Dos desarrolladores de GPS recibieron el premio Charles Stark Draper de la Academia Nacional de Ingeniería en 2003:

El desarrollador de GPS Roger L.Easton recibió la Medalla Nacional de Tecnología el 13 de febrero de 2006.

Francis X. Kane (Col. USAF, retirado) fue incluido en el Salón de la Fama de Pioneros del Espacio y Misiles de la Fuerza Aérea de los EE. UU. En Lackland AFB, San Antonio, Texas, el 2 de marzo de 2010 por su papel en el desarrollo de tecnología espacial y el diseño de ingeniería. concepto de GPS realizado como parte del Proyecto 621B.

En 1998, la tecnología GPS fue incorporada al Salón de la Fama de la Tecnología Espacial de la Fundación Espacial .

El 4 de octubre de 2011, la Federación Astronáutica Internacional (IAF) otorgó al Sistema de Posicionamiento Global (GPS) su Premio 60 Aniversario, nominado por el miembro de la IAF, el Instituto Americano de Aeronáutica y Astronáutica (AIAA). El Comité de Honores y Premios de la IAF reconoció la singularidad del programa GPS y el papel ejemplar que ha desempeñado en la construcción de la colaboración internacional en beneficio de la humanidad.

El 6 de diciembre de 2018, Gladys West fue incluida en el Salón de la Fama de los Pioneros de Misiles y Espacio de la Fuerza Aérea en reconocimiento a su trabajo en un modelo geodésico de la Tierra extremadamente preciso, que finalmente se utilizó para determinar la órbita de la constelación GPS.

El 12 de febrero de 2019, cuatro miembros fundadores del proyecto recibieron el Premio Reina Isabel de Ingeniería y el presidente de la junta de adjudicación declaró: "La ingeniería es la base de la civilización; no hay otra base; hace que las cosas sucedan. Y eso es exactamente lo que han hecho los galardonados de hoy: han hecho que sucedan cosas. Han reescrito, de manera importante, la infraestructura de nuestro mundo ".

Concepto basico

Fundamentos

El receptor GPS calcula su propia posición y tiempo basándose en los datos recibidos de múltiples satélites GPS . Cada satélite lleva un registro preciso de su posición y hora, y transmite esos datos al receptor.

Los satélites llevan relojes atómicos muy estables que están sincronizados entre sí y con relojes terrestres. Cualquier desviación del tiempo mantenido en el suelo se corrige a diario. Del mismo modo, las ubicaciones de los satélites se conocen con gran precisión. Los receptores GPS también tienen relojes, pero son menos estables y menos precisos.

Dado que la velocidad de las ondas de radio es constante e independiente de la velocidad del satélite, el tiempo de retraso entre el momento en que el satélite transmite una señal y el receptor la recibe es proporcional a la distancia del satélite al receptor. Como mínimo, cuatro satélites deben estar a la vista del receptor para que pueda calcular cuatro cantidades desconocidas (tres coordenadas de posición y la desviación de su propio reloj de la hora del satélite).

Descripción más detallada

Cada satélite GPS emite continuamente una señal ( onda portadora con modulación ) que incluye:

  • Un código pseudoaleatorio (secuencia de unos y ceros) que es conocido por el receptor. Al alinear en el tiempo una versión generada por el receptor y la versión del código medida por el receptor, el tiempo de llegada (TOA) de un punto definido en la secuencia del código, llamado época, se puede encontrar en la escala de tiempo del reloj del receptor.
  • Un mensaje que incluye la hora de transmisión (TOT) de la época del código (en la escala de tiempo del GPS) y la posición del satélite en ese momento

Conceptualmente, el receptor mide los TOA (según su propio reloj) de cuatro señales de satélite. A partir de los TOA y los TOT, el receptor forma cuatro valores de tiempo de vuelo (TOF), que son (dada la velocidad de la luz) aproximadamente equivalentes a los rangos del receptor-satélite más la diferencia de tiempo entre el receptor y los satélites GPS multiplicada por la velocidad de la luz. que se denominan pseudo-rangos. A continuación, el receptor calcula su posición tridimensional y la desviación del reloj de los cuatro TOF.

En la práctica, la posición del receptor (en coordenadas cartesianas tridimensionales con origen en el centro de la Tierra) y el desplazamiento del reloj del receptor con respecto a la hora del GPS se calculan simultáneamente, utilizando las ecuaciones de navegación para procesar los TOF.

La ubicación de la solución centrada en la Tierra del receptor generalmente se convierte a latitud , longitud y altura en relación con un modelo elipsoidal de la Tierra. La altura puede luego convertirse en altura relativa al geoide , que es esencialmente el nivel medio del mar . Estas coordenadas pueden mostrarse, como en una pantalla de mapa en movimiento , o pueden registrarse o utilizarse por algún otro sistema, como un sistema de guía de vehículos.

Geometría de satélite de usuario

Aunque generalmente no se forman explícitamente en el procesamiento del receptor, las diferencias de tiempo conceptual de llegada (TDOA) definen la geometría de medición. Cada TDOA corresponde a un hiperboloide de revolución (ver Multilateración ). La línea que conecta los dos satélites involucrados (y sus extensiones) forma el eje del hiperboloide. El receptor está ubicado en el punto donde se cruzan tres hiperboloides.

A veces se dice incorrectamente que la ubicación del usuario está en la intersección de tres esferas. Si bien es más simple de visualizar, este es el caso solo si el receptor tiene un reloj sincronizado con los relojes de los satélites (es decir, el receptor mide los rangos reales de los satélites en lugar de las diferencias de rango). Existen notables ventajas de rendimiento para el usuario que lleva un reloj sincronizado con los satélites. Lo más importante es que solo se necesitan tres satélites para calcular una solución de posición. Si fuera una parte esencial del concepto de GPS que todos los usuarios necesitaran llevar un reloj sincronizado, se podría desplegar un número menor de satélites, pero el costo y la complejidad del equipo del usuario aumentarían.

Receptor en funcionamiento continuo

La descripción anterior es representativa de una situación de arranque del receptor. La mayoría de los receptores tienen un algoritmo de seguimiento , a veces llamado rastreador , que combina conjuntos de mediciones satelitales recopiladas en diferentes momentos; de hecho, aprovecha el hecho de que las posiciones sucesivas del receptor suelen estar cerca unas de otras. Después de que se procesa un conjunto de mediciones, el rastreador predice la ubicación del receptor correspondiente al siguiente conjunto de mediciones de satélite. Cuando se recopilan las nuevas mediciones, el receptor utiliza un esquema de ponderación para combinar las nuevas mediciones con la predicción del rastreador. En general, un rastreador puede (a) mejorar la posición del receptor y la precisión del tiempo, (b) rechazar mediciones incorrectas y (c) estimar la velocidad y dirección del receptor.

La desventaja de un rastreador es que los cambios en la velocidad o la dirección solo se pueden calcular con un retraso, y esa dirección derivada se vuelve inexacta cuando la distancia recorrida entre dos mediciones de posición cae por debajo o cerca del error aleatorio de la medición de posición. Las unidades GPS pueden utilizar mediciones del desplazamiento Doppler de las señales recibidas para calcular la velocidad con precisión. Los sistemas de navegación más avanzados utilizan sensores adicionales como una brújula o un sistema de navegación inercial para complementar el GPS.

Aplicaciones que no son de navegación

El GPS requiere que cuatro o más satélites sean visibles para una navegación precisa. La solución de las ecuaciones de navegación proporciona la posición del receptor junto con la diferencia entre la hora registrada por el reloj a bordo del receptor y la hora real del día, eliminando así la necesidad de un reloj basado en el receptor más preciso y posiblemente poco práctico. . Las aplicaciones para GPS, como la transferencia de tiempo , la sincronización de señales de tráfico y la sincronización de estaciones base de teléfonos celulares , hacen uso de esta sincronización económica y altamente precisa. Algunas aplicaciones de GPS utilizan este tiempo para la visualización o, salvo para los cálculos de posición básicos, no lo utilizan en absoluto.

Aunque se requieren cuatro satélites para el funcionamiento normal, se aplican menos en casos especiales. Si ya se conoce una variable, un receptor puede determinar su posición utilizando solo tres satélites. Por ejemplo, un barco en mar abierto normalmente tiene una altura conocida cercana a los 0 m , y es posible que se conozca la altura de un avión. Algunos receptores GPS pueden usar pistas o suposiciones adicionales, como reutilizar la última altitud conocida , navegación a estima , navegación inercial o incluir información de la computadora del vehículo, para dar una posición (posiblemente degradada) cuando hay menos de cuatro satélites visibles.

Estructura

El GPS actual consta de tres segmentos principales. Estos son el segmento espacial, un segmento de control y un segmento de usuario. La Fuerza Espacial de los Estados Unidos desarrolla, mantiene y opera los segmentos espaciales y de control. Los satélites GPS transmiten señales desde el espacio y cada receptor GPS utiliza estas señales para calcular su ubicación tridimensional (latitud, longitud y altitud) y la hora actual.

Segmento espacial

Satélite GPS bloque II-A no lanzado en exhibición en el Museo del Aire y el Espacio de San Diego
Un ejemplo visual de una constelación de GPS de 24 satélites en movimiento con la Tierra girando. Observe cómo cambia con el tiempo el número de satélites a la vista desde un punto dado en la superficie de la Tierra. El punto de este ejemplo está en Golden, Colorado, EE. UU. ( 39,7469 ° N 105,2108 ° W ). 39 ° 44′49 ″ N 105 ° 12′39 ″ W /  / 39,7469; -105.2108

El segmento espacial (SS) está compuesto por 24 a 32 satélites, o Vehículos Espaciales (SV), en órbita terrestre media , y también incluye los adaptadores de carga útil a los propulsores necesarios para ponerlos en órbita. El diseño del GPS originalmente requería 24 SV, ocho cada uno en tres órbitas aproximadamente circulares , pero esto se modificó a seis planos orbitales con cuatro satélites cada uno. Los seis planos de la órbita tienen una inclinación de aproximadamente 55 ° (inclinación relativa al ecuador de la Tierra ) y están separados por 60 ° de ascensión recta del nodo ascendente (ángulo a lo largo del ecuador desde un punto de referencia hasta la intersección de la órbita). El período orbital es de medio día sidéreo , es decir, 11 horas y 58 minutos, de modo que los satélites pasan sobre las mismas ubicaciones o casi las mismas ubicaciones todos los días. Las órbitas están dispuestas de modo que al menos seis satélites estén siempre dentro de la línea de visión desde cualquier lugar de la superficie de la Tierra (ver animación a la derecha). El resultado de este objetivo es que los cuatro satélites no están espaciados uniformemente (90 °) dentro de cada órbita. En términos generales, la diferencia angular entre los satélites en cada órbita es de 30 °, 105 °, 120 ° y 105 °, lo que suma 360 °.

Orbitando a una altitud de aproximadamente 20.200 km (12.600 millas); Con un radio orbital de aproximadamente 26.600 km (16.500 millas), cada SV realiza dos órbitas completas cada día sidéreo , repitiendo la misma trayectoria terrestre todos los días. Esto fue muy útil durante el desarrollo porque incluso con solo cuatro satélites, la alineación correcta significa que los cuatro son visibles desde un punto durante algunas horas al día. Para operaciones militares, la repetición de seguimiento terrestre se puede utilizar para garantizar una buena cobertura en las zonas de combate.

A febrero de 2019, hay 31 satélites en la constelación de GPS , 27 de los cuales están en uso en un momento dado y el resto está asignado como en espera. Un 32o se lanzó en 2018, pero a julio de 2019 todavía está en evaluación. Hay más satélites fuera de servicio en órbita y disponibles como repuestos. Los satélites adicionales mejoran la precisión de los cálculos del receptor GPS al proporcionar mediciones redundantes. Con el aumento del número de satélites, la constelación se cambió a una disposición no uniforme. Se demostró que tal disposición mejora la precisión, pero también mejora la confiabilidad y la disponibilidad del sistema, en relación con un sistema uniforme, cuando fallan varios satélites. Con la constelación ampliada, nueve satélites suelen ser visibles en cualquier momento desde cualquier punto de la Tierra con un horizonte despejado, lo que garantiza una redundancia considerable sobre el mínimo de cuatro satélites necesarios para una posición.

Segmento de control

Estación de monitoreo terrestre utilizada de 1984 a 2007, en exhibición en el Museo de Misiles y Espacio de la Fuerza Aérea .

El segmento de control (CS) está compuesto por:

  1. una estación de control principal (MCS),
  2. una estación de control maestra alternativa,
  3. cuatro antenas de tierra dedicadas, y
  4. seis estaciones de monitoreo dedicadas.

El MCS también puede acceder a las antenas terrestres de la red de control satelital (SCN) (para capacidad adicional de comando y control) y a las estaciones de monitoreo de la NGA ( Agencia Nacional de Inteligencia Geoespacial ). Las rutas de vuelo de los satélites son rastreados por estaciones de monitoreo dedicadas de la Fuerza Espacial de EE. UU. En Hawai , Kwajalein Atoll , Isla Ascensión , Diego García , Colorado Springs, Colorado y Cabo Cañaveral , junto con estaciones de monitoreo NGA compartidas operadas en Inglaterra, Argentina, Ecuador, Bahrein. , Australia y Washington DC. La información de seguimiento se envía al MCS en la Base de la Fuerza Espacial Schriever a 25 km (16 millas) al ESE de Colorado Springs, que es operada por el 2do Escuadrón de Operaciones Espaciales (2 SOPS) de la Fuerza Espacial de EE. UU. Luego, 2 SOPS contacta con cada satélite GPS regularmente con una actualización de navegación utilizando antenas terrestres dedicadas o compartidas (AFSCN) (las antenas terrestres dedicadas GPS están ubicadas en Kwajalein , Isla Ascensión , Diego García y Cabo Cañaveral ). Estas actualizaciones sincronizan los relojes atómicos a bordo de los satélites con unos pocos nanosegundos entre sí y ajustan las efemérides del modelo orbital interno de cada satélite. Las actualizaciones son creadas por un filtro de Kalman que utiliza entradas de las estaciones de monitoreo terrestres, información del clima espacial y varias otras entradas.

Las maniobras de los satélites no son precisas según los estándares del GPS, por lo que para cambiar la órbita de un satélite, el satélite debe estar marcado como insalubre , para que los receptores no lo utilicen. Después de la maniobra del satélite, los ingenieros rastrean la nueva órbita desde el suelo, cargan las nuevas efemérides y marcan el satélite como saludable nuevamente.

El segmento de control de operación (OCS) sirve actualmente como segmento de control de registro. Proporciona la capacidad operativa que admite a los usuarios de GPS y mantiene el GPS operativo y funcionando dentro de las especificaciones.

OCS reemplazó con éxito la computadora mainframe heredada de la década de 1970 en la Base de la Fuerza Aérea de Schriever en septiembre de 2007. Después de la instalación, el sistema ayudó a habilitar actualizaciones y proporcionó una base para una nueva arquitectura de seguridad que respaldaba a las fuerzas armadas de EE. UU.

OCS seguirá siendo el sistema de control de tierra de registro hasta que el nuevo segmento, el Sistema de Control de Operaciones GPS de Próxima Generación (OCX), esté completamente desarrollado y funcional. Las nuevas capacidades proporcionadas por OCX serán la piedra angular para revolucionar las capacidades de misión del GPS, lo que permitirá a la Fuerza Espacial de EE. UU. Mejorar en gran medida los servicios operativos de GPS para las fuerzas de combate de EE. UU., Socios civiles y una miríada de usuarios nacionales e internacionales. El programa GPS OCX también reducirá costos, horarios y riesgos técnicos. Está diseñado para proporcionar un 50% de ahorro en los costos de mantenimiento a través de una arquitectura de software eficiente y una logística basada en el rendimiento. Además, se espera que GPS OCX cueste millones menos que el costo de actualizar OCS mientras proporciona cuatro veces la capacidad.

El programa GPS OCX representa una parte fundamental de la modernización del GPS y proporciona importantes mejoras en la garantía de la información sobre el programa GPS OCS actual.

  • OCX tendrá la capacidad de controlar y administrar satélites GPS heredados, así como la próxima generación de satélites GPS III, al tiempo que habilita la gama completa de señales militares.
  • Construido sobre una arquitectura flexible que puede adaptarse rápidamente a las necesidades cambiantes de los usuarios de GPS actuales y futuros, lo que permite el acceso inmediato a los datos del GPS y al estado de la constelación a través de información segura, precisa y confiable.
  • Proporciona al combatiente información más segura, procesable y predictiva para mejorar el conocimiento de la situación.
  • Permite nuevas señales modernizadas (L1C, L2C y L5) y tiene capacidad de código M, lo que el sistema heredado no puede hacer.
  • Proporciona mejoras significativas en la garantía de la información sobre el programa actual, incluida la detección y prevención de ataques cibernéticos, al tiempo que aísla, contiene y opera durante dichos ataques.
  • Admite capacidades y habilidades de comando y control de mayor volumen casi en tiempo real.

El 14 de septiembre de 2011, la Fuerza Aérea de los EE. UU. Anunció la finalización de la Revisión de Diseño Preliminar de GPS OCX y confirmó que el programa OCX está listo para la siguiente fase de desarrollo.

El programa GPS OCX no ha cumplido hitos importantes y está adelantando su lanzamiento hasta 2021, 5 años después de la fecha límite original. Según la Oficina de Contabilidad del Gobierno, incluso este nuevo plazo parece inestable.

Segmento de usuarios

Los receptores GPS vienen en una variedad de formatos, desde dispositivos integrados en automóviles, teléfonos y relojes, hasta dispositivos dedicados como estos.
La primera unidad GPS portátil, un Leica WM 101, exhibida en el Museo Nacional de Ciencias de Irlanda en Maynooth .

El segmento de usuarios (EE. UU.) Está compuesto por cientos de miles de usuarios militares estadounidenses y aliados del Servicio de Posicionamiento Preciso GPS seguro, y decenas de millones de usuarios civiles, comerciales y científicos del Servicio de Posicionamiento Estándar. En general, los receptores GPS se componen de una antena, sintonizada con las frecuencias transmitidas por los satélites, receptores-procesadores y un reloj muy estable (a menudo un oscilador de cristal ). También pueden incluir una pantalla para proporcionar información de ubicación y velocidad al usuario. Un receptor se describe a menudo por su número de canales: esto significa cuántos satélites puede monitorear simultáneamente. Originalmente limitado a cuatro o cinco, esto ha aumentado progresivamente a lo largo de los años, de modo que, a partir de 2007, los receptores suelen tener entre 12 y 20 canales. Aunque hay muchos fabricantes de receptores, casi todos utilizan uno de los conjuntos de chips producidos para este propósito.

Un módulo receptor GPS OEM típico que mide 15 mm × 17 mm (0,6 pulg. × 0,7 pulg.)

Los receptores GPS pueden incluir una entrada para correcciones diferenciales, utilizando el formato RTCM SC-104. Por lo general, tiene la forma de un puerto RS-232 a una velocidad de 4.800 bit / s. En realidad, los datos se envían a una velocidad mucho menor, lo que limita la precisión de la señal enviada mediante RTCM. Los receptores con receptores DGPS internos pueden superar a los que utilizan datos RTCM externos. A partir de 2006, incluso las unidades de bajo costo suelen incluir receptores del Sistema de aumento de área amplia (WAAS).

Un receptor GPS típico con antena integrada.

Muchos receptores GPS pueden transmitir datos de posición a una PC u otro dispositivo mediante el protocolo NMEA 0183 . Aunque este protocolo está definido oficialmente por la Asociación Nacional de Electrónica Marina (NMEA), las referencias a este protocolo se han compilado a partir de registros públicos, lo que permite que las herramientas de código abierto como gpsd lean el protocolo sin violar las leyes de propiedad intelectual . También existen otros protocolos patentados, como los protocolos SiRF y MTK . Los receptores pueden interactuar con otros dispositivos mediante métodos que incluyen una conexión en serie, USB o Bluetooth .

Aplicaciones

Aunque originalmente era un proyecto militar, el GPS se considera una tecnología de doble uso , lo que significa que también tiene importantes aplicaciones civiles.

El GPS se ha convertido en una herramienta útil y ampliamente utilizada para el comercio, los usos científicos, el seguimiento y la vigilancia. La hora exacta del GPS facilita las actividades cotidianas como operaciones bancarias, operaciones de teléfonos móviles e incluso el control de las redes eléctricas al permitir una conmutación de transferencia bien sincronizada.

Civil

Esta antena está montada en el techo de una cabaña que contiene un experimento científico que necesita una sincronización precisa.

Muchas aplicaciones civiles utilizan uno o más de los tres componentes básicos del GPS: ubicación absoluta, movimiento relativo y transferencia de tiempo.

  • Atmósfera : estudia los retrasos de la troposfera (recuperación del contenido de vapor de agua) y los retrasos de la ionosfera (recuperación del número de electrones libres). Recuperación de los desplazamientos de la superficie terrestre debido a la carga de presión atmosférica.
  • Astronomía : los datos de sincronización de reloj y de posición se utilizan en astrometría y mecánica celeste y en la determinación precisa de la órbita. El GPS también se utiliza tanto en astronomía amateur con pequeños telescopios como en observatorios profesionales para encontrar planetas extrasolares .
  • Vehículo automatizado : aplicación de ubicación y rutas para que los automóviles y camiones funcionen sin un conductor humano.
  • Cartografía : tanto los cartógrafos civiles como los militares utilizan ampliamente el GPS.
  • Telefonía celular : la sincronización del reloj permite la transferencia de tiempo, que es fundamental para sincronizar sus códigos de extensión con otras estaciones base para facilitar el traspaso entre celdas y admitir la detección de posición híbrida GPS / celular para llamadas de emergencia móviles y otras aplicaciones. Los primeros teléfonos con GPS integrado se lanzaron a fines de la década de 1990. La Comisión Federal de Comunicaciones de los EE. UU. (FCC) ordenó la función en el teléfono o en las torres (para uso en triangulación) en 2002 para que los servicios de emergencia pudieran localizar a las personas que llaman al 911. Posteriormente, los desarrolladores de software de terceros obtuvieron acceso a las API de GPS de Nextel en el momento del lanzamiento, seguidos por Sprint en 2006 y Verizon poco después.
  • Sincronización del reloj : la precisión de las señales de tiempo del GPS (± 10 ns) es superada solo por los relojes atómicos en los que se basan y se utiliza en aplicaciones como los osciladores disciplinados del GPS .
  • Servicios de emergencia / socorro en casos de desastre : muchos servicios de emergencia dependen del GPS para las capacidades de ubicación y sincronización.
  • Equipados con GPS radiosondas y radiosondas : medir y calcular la velocidad del viento y la dirección de la presión atmosférica hasta 27 km (89.000 pies) de la superficie de la Tierra.
  • Ocultación de radio para aplicaciones de ciencias meteorológicas y atmosféricas.
  • Seguimiento de flotas : se utiliza para identificar, localizar y mantener informes de contacto con uno o más vehículos de la flota en tiempo real.
  • Geodesia : determinación de los parámetros de orientación de la Tierra, incluido el movimiento polar diario y subdiario, y las variabilidades de la duración del día, el centro de masa de la Tierra, el movimiento del geocentro y los parámetros del campo de gravedad de bajo grado.
  • Geofencing : los sistemas de rastreo de vehículos , los sistemas de rastreo de personas y los sistemas de rastreo de mascotas usan GPS para ubicar dispositivos que están conectados o transportados por una persona, vehículo o mascota. La aplicación puede proporcionar un seguimiento continuo y enviar notificaciones si el objetivo abandona un área designada (o "cercada").
  • Geoetiquetado : aplica coordenadas de ubicación a objetos digitales como fotografías (en datos Exif ) y otros documentos con fines tales como crear superposiciones de mapas con dispositivos como Nikon GP-1
  • Seguimiento de aeronaves por GPS
  • GPS para minería : el uso de RTK GPS ha mejorado significativamente varias operaciones mineras, como perforación, excavación, rastreo de vehículos y topografía. RTK GPS proporciona precisión de posicionamiento a nivel de centímetros.
  • Minería de datos GPS : es posible agregar datos GPS de múltiples usuarios para comprender patrones de movimiento, trayectorias comunes y ubicaciones interesantes.
  • Recorridos GPS : la ubicación determina qué contenido mostrar; por ejemplo, información sobre un punto de interés que se aproxima.
  • Navegación : los navegantes valoran las mediciones de orientación y velocidad digitalmente precisas, así como las posiciones precisas en tiempo real con el apoyo de correcciones de órbita y reloj.
  • Orbit determinación de satélites de baja órbita con receptor GPS instalado a bordo, tales como GOCE , GRACE , Jason-1 , Jason-2 , TerraSAR-X , TanDEM-X , CHAMP , Sentinel-3 , y algunos CubeSats, por ejemplo, CubETH .
  • Mediciones de fasores : el GPS permite una marca de tiempo de alta precisión de las mediciones del sistema de energía, lo que hace posible calcular fasores .
  • Recreación : por ejemplo, Geocaching , Geodashing , GPS dibujo , waymarking , y otros tipos de localización basada en juegos móviles , tales como Pokémon Go .
  • Marcos de referencia : realización y densificación de los marcos de referencia terrestres en el marco del Sistema Global de Observación Geodésica. Ubicación conjunta en el espacio entre las observaciones de alcance láser satelital y microondas para derivar parámetros geodésicos globales.
  • Robótica : robots autónomos de navegación automática que utilizan sensores GPS, que calculan la latitud, la longitud, el tiempo, la velocidad y el rumbo.
  • Deporte : utilizado en fútbol y rugby para el control y análisis de la carga de entrenamiento.
  • Topografía : los topógrafos utilizan ubicaciones absolutas para hacer mapas y determinar los límites de la propiedad.
  • Tectónica : el GPS permite la medición directa del movimiento de fallas de los terremotos . Entre terremotos, el GPS se puede utilizar para medir el movimiento y la deformación de la corteza para estimar la acumulación de tensión sísmica para crear mapas de amenaza sísmica .
  • Telemática : tecnología GPS integrada con computadoras y tecnología de comunicaciones móviles en sistemas de navegación automotriz .

Restricciones al uso civil

El gobierno de Estados Unidos controla la exportación de algunos receptores civiles. Todos los receptores de GPS capaces de funcionar a más de 60.000 pies (18 km) sobre el nivel del mar y 1.000 kN (500 m / s; 2.000 km / h; 1.000 mph), o diseñados o modificados para su uso con misiles y aviones no tripulados, se clasifican como municiones. (armas), lo que significa que requieren licencias de exportación del Departamento de Estado .

Esta regla se aplica incluso a unidades puramente civiles que solo reciben la frecuencia L1 y el código C / A (Grueso / Adquisición).

Inhabilitar la operación por encima de estos límites exime al receptor de la clasificación como munición. Las interpretaciones de los proveedores difieren. La regla se refiere al funcionamiento tanto a la altitud como a la velocidad objetivo, pero algunos receptores dejan de funcionar incluso cuando están parados. Esto ha causado problemas con algunos lanzamientos de globos de radioaficionados que alcanzan regularmente los 30 km (100.000 pies).

Estos límites solo se aplican a unidades o componentes exportados desde Estados Unidos. Existe un comercio creciente de varios componentes, incluidas las unidades GPS de otros países. Estos se venden expresamente como libres de ITAR .

Militar

Colocación de un kit de guía GPS en una bomba tonta , marzo de 2003.
Proyectil de artillería guiado por GPS Excalibur M982 .

A partir de 2009, las aplicaciones de GPS militares incluyen:

  • Navegación: los soldados usan el GPS para encontrar objetivos, incluso en la oscuridad o en territorio desconocido, y para coordinar el movimiento de tropas y suministros. En las fuerzas armadas de los Estados Unidos, los comandantes usan el Asistente digital del comandante y los rangos inferiores usan el Asistente digital del soldado .
  • Seguimiento de objetivos: varios sistemas de armas militares utilizan GPS para rastrear posibles objetivos terrestres y aéreos antes de marcarlos como hostiles. Estos sistemas de armas pasan las coordenadas del objetivo a municiones guiadas con precisión para permitirles atacar objetivos con precisión. Los aviones militares, particularmente en funciones aire-tierra , usan GPS para encontrar objetivos.
  • Guía de misiles y proyectiles: el GPS permite apuntar con precisión varias armas militares, incluidos misiles balísticos intercontinentales , misiles de crucero , municiones guiadas con precisión y proyectiles de artillería . Se han desarrollado receptores GPS integrados capaces de soportar aceleraciones de 12.000 go aproximadamente 118 km / s 2 (260.000 mph / s) para su uso en proyectiles de obús de 155 milímetros (6,1 pulgadas) .
  • Búsqueda y rescate.
  • Reconocimiento: el movimiento de patrulla se puede gestionar más de cerca.
  • Los satélites GPS llevan un conjunto de detectores de detonación nuclear que consta de un sensor óptico llamado bhangmeter , un sensor de rayos X, un dosímetro y un sensor de pulso electromagnético (EMP) (sensor W), que forman una parte importante de los Estados Unidos. Sistema de detección de detonaciones nucleares . El general William Shelton ha declarado que los satélites futuros pueden eliminar esta función para ahorrar dinero.

La navegación tipo GPS se utilizó por primera vez en la guerra en la Guerra del Golfo Pérsico de 1991 , antes de que el GPS se desarrollara por completo en 1995, para ayudar a las Fuerzas de la Coalición a navegar y realizar maniobras en la guerra. La guerra también demostró la vulnerabilidad de GPS para ser atascado , cuando las fuerzas iraquíes instalaron dispositivos en los posibles objetivos que emitía ruido de radio, lo que altera la recepción de la señal GPS débil interferencia.

La vulnerabilidad del GPS a las interferencias es una amenaza que sigue creciendo a medida que aumentan los equipos y la experiencia de interferencias. Se ha informado de que las señales de GPS se han bloqueado muchas veces a lo largo de los años con fines militares. Rusia parece tener varios objetivos para este comportamiento, como intimidar a los vecinos mientras socava la confianza en su dependencia de los sistemas estadounidenses, promover su alternativa GLONASS, interrumpir los ejercicios militares occidentales y proteger los activos de los drones. China utiliza la interferencia para disuadir a los aviones de vigilancia estadounidenses cerca de las disputadas Islas Spratly . Corea del Norte ha montado varias operaciones importantes de interferencia cerca de su frontera con Corea del Sur y en alta mar, interrumpiendo los vuelos, el transporte marítimo y las operaciones de pesca. Las Fuerzas Armadas de Irán interrumpieron el GPS del avión civil Flight PS752 cuando derribó el avión.

Cronometraje

Segundos bisiestos

Si bien la mayoría de los relojes derivan su hora de la hora universal coordinada (UTC), los relojes atómicos de los satélites están configurados en "hora GPS". La diferencia es que la hora del GPS no se corrige para que coincida con la rotación de la Tierra, por lo que no contiene segundos intercalares u otras correcciones que se agregan periódicamente a UTC. La hora del GPS se estableció para coincidir con UTC en 1980, pero desde entonces ha divergido. La falta de correcciones significa que el tiempo del GPS permanece en un desplazamiento constante con el Tiempo Atómico Internacional (TAI) (TAI - GPS = 19 segundos). Se realizan correcciones periódicas a los relojes de a bordo para mantenerlos sincronizados con los relojes de tierra.

El mensaje de navegación GPS incluye la diferencia entre la hora GPS y UTC. A partir de enero de 2017, la hora del GPS está 18 segundos por delante de la UTC debido al segundo intercalar que se agregó a la UTC el 31 de diciembre de 2016. Los receptores restan esta compensación de la hora del GPS para calcular los valores de UTC y de zona horaria específica. Es posible que las nuevas unidades GPS no muestren la hora UTC correcta hasta después de recibir el mensaje de compensación UTC. El campo de compensación GPS-UTC puede acomodar 255 segundos intercalares (ocho bits).

Precisión

La hora del GPS tiene una precisión teórica de aproximadamente 14 nanosegundos, debido a la desviación del reloj en relación con la hora atómica internacional que experimentan los relojes atómicos de los transmisores GPS.La mayoría de los receptores pierden algo de precisión en su interpretación de las señales y solo tienen una precisión de aproximadamente 100 nanosegundos.

Formato

A diferencia del formato de año, mes y día del calendario gregoriano , la fecha del GPS se expresa como un número de semana y un número de segundos a la semana. El número de la semana se transmite como un campo de diez bits en los mensajes de navegación C / A y P (Y), por lo que vuelve a ser cero cada 1.024 semanas (19,6 años). La semana cero del GPS comenzó a las 00:00:00 UTC (00:00:19 TAI) el 6 de enero de 1980 y el número de la semana volvió a ser cero por primera vez a las 23:59:47 UTC del 21 de agosto de 1999 (00 : 00: 19 TAI el 22 de agosto de 1999). Ocurrió por segunda vez a las 23:59:42 UTC del 6 de abril de 2019. Para determinar la fecha gregoriana actual, se debe proporcionar un receptor GPS con la fecha aproximada (dentro de los 3584 días) para traducir correctamente la señal de fecha del GPS. Para abordar esta preocupación en el futuro, el mensaje de navegación civil GPS modernizado (CNAV) utilizará un campo de 13 bits que solo se repite cada 8.192 semanas (157 años), por lo que durará hasta 2137 (157 años después de la semana cero del GPS).

Comunicación

Las señales de navegación transmitidas por los satélites GPS codifican una variedad de información, incluidas las posiciones de los satélites, el estado de los relojes internos y el estado de la red. Estas señales se transmiten en dos frecuencias portadoras independientes que son comunes a todos los satélites de la red. Se utilizan dos codificaciones diferentes: una codificación pública que permite una navegación de menor resolución y una codificación encriptada utilizada por el ejército de EE. UU.

Formato de mensaje

Formato de mensaje GPS
Subtramas Descripción
1 Reloj satelital,
relación de tiempo GPS
2-3 Efemérides
(órbita satelital precisa)
4-5 Componente de almanaque
(sinopsis de la red de satélite,
corrección de errores)

Cada satélite GPS transmite continuamente un mensaje de navegación en las frecuencias L1 (C / A y P / Y) y L2 (P / Y) a una velocidad de 50 bits por segundo (ver bitrate ). Cada mensaje completo tarda 750 segundos ( 12+12 minutos) para completar. La estructura del mensaje tiene un formato básico de una trama de 1500 bits de longitud compuesta por cinco subtramas, cada una de las cuales tiene una longitud de 300 bits (6 segundos). Las subtramas 4 y 5 se submutan 25 veces cada una, de modo que un mensaje de datos completo requiere la transmisión de 25 tramas completas. Cada subtrama consta de diez palabras, cada una de 30 bits de longitud. Por tanto, con 300 bits en una subtrama multiplicada por 5 subtramas en una trama multiplicada por 25 tramas en un mensaje, cada mensaje tiene una longitud de 37.500 bits. A una velocidad de transmisión de 50 bits / s, esto da 750 segundos para transmitir un mensaje de almanaque completo (GPS) . Cada cuadro de 30 segundos comienza precisamente en el minuto o medio minuto indicado por el reloj atómico de cada satélite.

La primera subtrama de cada cuadro codifica el número de la semana y el tiempo dentro de la semana, así como los datos sobre la salud del satélite. La segunda y la tercera subtramas contienen las efemérides , la órbita precisa del satélite. Las subtramas cuarta y quinta contienen el almanaque , que contiene información aproximada de la órbita y el estado de hasta 32 satélites en la constelación, así como datos relacionados con la corrección de errores. Así, para obtener una ubicación precisa del satélite a partir de este mensaje transmitido, el receptor debe demodular el mensaje de cada satélite que incluye en su solución durante 18 a 30 segundos. Para recopilar todos los almanaques transmitidos, el receptor debe demodular el mensaje durante 732 a 750 segundos o 12+12 minutos.

Todos los satélites emiten en las mismas frecuencias, codificando señales utilizando acceso múltiple por división de código único (CDMA) para que los receptores puedan distinguir satélites individuales entre sí. El sistema utiliza dos tipos de codificación CDMA distintos: el código grueso / de adquisición (C / A), al que puede acceder el público en general, y el código preciso (P (Y)), que está encriptado para que solo el ejército de EE. UU. Y otros Las naciones de la OTAN a las que se les ha dado acceso al código de cifrado pueden acceder a él.

La efemérides se actualiza cada 2 horas y es suficientemente estable durante 4 horas, con disposiciones para actualizaciones cada 6 horas o más en condiciones no nominales. El almanaque se actualiza normalmente cada 24 horas. Además, los datos de las siguientes semanas se cargan en caso de actualizaciones de transmisión que retrasen la carga de datos.

Frecuencias de satélite

Descripción general de la frecuencia GPS
Banda Frecuencia Descripción
L1 1575,42 MHz Códigos de adquisición aproximada (C / A) y precisión cifrada (P (Y)), más los códigos L1 civil ( L1C ) y militar (M) en los futuros satélites del Bloque III.
L2 1227,60 MHz Código P (Y), más los códigos L2C y militares en el Bloque IIR-M y satélites más nuevos.
L3 1381,05 MHz Se utiliza para la detección de detonación nuclear (NUDET).
L4 1379,913 MHz En estudio para una corrección ionosférica adicional.
L5 1176,45 MHz Propuesto para su uso como señal de seguridad de vida (SoL) para civiles.

Todos los satélites emiten en las mismas dos frecuencias, 1,57542 GHz (señal L1) y 1,2276 GHz (señal L2). La red de satélites utiliza una técnica de espectro ensanchado CDMA en la que los datos del mensaje de baja tasa de bits se codifican con una secuencia pseudoaleatoria (PRN) de alta tasa que es diferente para cada satélite. El receptor debe conocer los códigos PRN de cada satélite para reconstruir los datos reales del mensaje. El código C / A, para uso civil, transmite datos a 1.023 millones de chips por segundo, mientras que el código P, para uso militar estadounidense, transmite a 10.23 millones de chips por segundo. La referencia interna real de los satélites es 10,22999999543 MHz para compensar los efectos relativistas que hacen que los observadores en la Tierra perciban una referencia de tiempo diferente con respecto a los transmisores en órbita. La portadora L1 está modulada por los códigos C / A y P, mientras que la portadora L2 solo está modulada por el código P. El código P se puede cifrar como un código P (Y) que solo está disponible para equipos militares con una clave de descifrado adecuada. Tanto los códigos C / A como P (Y) comunican la hora exacta al usuario.

La señal L3 a una frecuencia de 1,38105 GHz se utiliza para transmitir datos desde los satélites a las estaciones terrestres. Estos datos son utilizados por el Sistema de Detección de Detonaciones Nucleares (NUDET) de los Estados Unidos (USNDS) para detectar, localizar y reportar detonaciones nucleares (NUDET) en la atmósfera de la Tierra y cerca del espacio. Uno de los usos es la aplicación de los tratados de prohibición de los ensayos nucleares.

Se está estudiando la banda L4 en 1,379913 GHz para una corrección ionosférica adicional.

La banda de frecuencia L5 a 1,17645 GHz se agregó en el proceso de modernización del GPS . Esta frecuencia entra en un rango protegido internacionalmente para la navegación aeronáutica, prometiendo poca o ninguna interferencia en todas las circunstancias. El primer satélite Block IIF que proporciona esta señal se lanzó en mayo de 2010. El 5 de febrero de 2016, se lanzó el duodécimo y último satélite Block IIF. El L5 consta de dos componentes portadores que están en cuadratura de fase entre sí. Cada componente de la portadora es una clave de desplazamiento bifásica (BPSK) modulada por un tren de bits independiente. "L5, la tercera señal de GPS civil, eventualmente apoyará las aplicaciones de seguridad de la vida para la aviación y proporcionará una mayor disponibilidad y precisión".

En 2011, se otorgó una exención condicional a LightSquared para operar un servicio de banda ancha terrestre cerca de la banda L1. Aunque LightSquared había solicitado una licencia para operar en la banda de 1525 a 1559 ya en 2003 y se publicó para comentarios públicos, la FCC le pidió a LightSquared que formara un grupo de estudio con la comunidad de GPS para probar los receptores de GPS e identificar problemas que podrían surgen debido a la mayor potencia de señal de la red terrestre LightSquared. La comunidad GPS no se había opuesto a las aplicaciones LightSquared (anteriormente MSV y SkyTerra) hasta noviembre de 2010, cuando LightSquared solicitó una modificación a su autorización de Componente Terrestre Auxiliar (ATC). Esta presentación (SAT-MOD-20101118-00239) equivalió a una solicitud para ejecutar varios órdenes de magnitud más de potencia en la misma banda de frecuencia para estaciones base terrestres, esencialmente reutilizando lo que se suponía que era un "vecindario tranquilo" para señales del espacio como el equivalente a una red celular. Las pruebas realizadas en el primer semestre de 2011 han demostrado que el impacto de los 10 MHz inferiores del espectro es mínimo para los dispositivos GPS (menos del 1% del total de dispositivos GPS se ven afectados). Los 10 MHz superiores destinados a LightSquared pueden tener algún impacto en los dispositivos GPS. Existe cierta preocupación de que esto pueda degradar seriamente la señal GPS para muchos usos de los consumidores. La revista Aviation Week informa que las últimas pruebas (junio de 2011) confirman un "bloqueo significativo" del GPS por parte del sistema de LightSquared.

Demodulación y decodificación

Demodulación y decodificación de señales de satélite GPS utilizando el código Coarse / Acquisition Gold .

Debido a que todas las señales de satélite se modulan en la misma frecuencia portadora L1, las señales deben separarse después de la demodulación. Esto se hace asignando a cada satélite una secuencia binaria única conocida como código Gold . Las señales se decodifican después de la demodulación mediante la adición de los códigos Gold correspondientes a los satélites monitoreados por el receptor.

Si la información del almanaque se ha adquirido previamente, el receptor elige los satélites para escuchar por sus PRN, números únicos en el rango del 1 al 32. Si la información del almanaque no está en la memoria, el receptor ingresa a un modo de búsqueda hasta que se obtiene un bloqueo en uno de los satélites. Para obtener un bloqueo, es necesario que haya una línea de visión sin obstáculos desde el receptor hasta el satélite. El receptor puede adquirir el almanaque y determinar los satélites que debe escuchar. A medida que detecta la señal de cada satélite, lo identifica por su patrón de código C / A distinto. Puede haber un retraso de hasta 30 segundos antes de la primera estimación de posición debido a la necesidad de leer los datos de efemérides.

El procesamiento del mensaje de navegación permite determinar el momento de la transmisión y la posición del satélite en ese momento. Para obtener más información, consulte Demodulación y decodificación, avanzado .

Ecuaciones de navegación

Descripción del problema

El receptor utiliza mensajes recibidos de satélites para determinar las posiciones de los satélites y la hora de envío. Los X, Y, y Z componentes de posición del satélite y el enviado de tiempo ( s ) se designan como [ x i , y i , z i , s i ] donde el subíndice i denota el satélite y tiene el valor 1, 2,. .., n , donde n  ≥ 4. Cuando la hora de recepción del mensaje indicada por el reloj del receptor a bordo es i , la hora real de recepción es t i = i - b , donde b es la desviación del reloj del receptor desde el relojes GPS mucho más precisos empleados por los satélites. La polarización del reloj del receptor es la misma para todas las señales de satélite recibidas (suponiendo que los relojes de los satélites estén todos perfectamente sincronizados). El tiempo de tránsito del mensaje es i - b - s i , donde s i es la hora del satélite. Suponiendo que el mensaje viajó a la velocidad de la luz , c , la distancia recorrida es ( i - b - s i ) c .

Para n satélites, las ecuaciones a satisfacer son:

donde d i es la distancia geométrica o intervalo entre el receptor y el satélite i (los valores sin subíndices son la x, y, y z componentes de posición del receptor):

Al definir pseudorrangos como , vemos que son versiones sesgadas del rango verdadero:

.

Dado que las ecuaciones tienen cuatro incógnitas [ x, y, z, b ] —los tres componentes de la posición del receptor GPS y el sesgo del reloj— son necesarias señales de al menos cuatro satélites para intentar resolver estas ecuaciones. Pueden resolverse mediante métodos algebraicos o numéricos. Abell y Chaffee analizan la existencia y singularidad de las soluciones GPS. Cuando n es mayor que cuatro, este sistema está sobredeterminado y se debe utilizar un método de ajuste .

La cantidad de error en los resultados varía con la ubicación de los satélites recibidos en el cielo, ya que ciertas configuraciones (cuando los satélites recibidos están muy juntos en el cielo) provocan errores mayores. Los receptores suelen calcular una estimación actual del error en la posición calculada. Esto se hace multiplicando la resolución básica del receptor por cantidades llamadas factores de dilución geométrica de posición (GDOP), calculados a partir de las direcciones relativas del cielo de los satélites utilizados. La ubicación del receptor se expresa en un sistema de coordenadas específico, como latitud y longitud, utilizando el datum geodésico WGS 84 o un sistema específico del país.

Interpretación geométrica

Las ecuaciones GPS se pueden resolver mediante métodos numéricos y analíticos. Las interpretaciones geométricas pueden mejorar la comprensión de estos métodos de solución.

Esferas

Escenario de multilateración (trilateración) de rango real cartesiano 2-D.

Los rangos medidos, llamados pseudorrangos, contienen errores de reloj. En una idealización simplificada en la que los rangos están sincronizados, estos rangos verdaderos representan los radios de esferas, cada una centrada en uno de los satélites transmisores. La solución para la posición del receptor está entonces en la intersección de las superficies de estas esferas; ver trilateración (más generalmente, multilateración de rango real). Se requieren señales de al menos tres satélites, y sus tres esferas normalmente se cruzan en dos puntos. Uno de los puntos es la ubicación del receptor, y el otro se mueve rápidamente en sucesivas mediciones y normalmente no estaría en la superficie de la Tierra.

En la práctica, existen muchas fuentes de inexactitud además del sesgo del reloj, incluidos los errores aleatorios y la posibilidad de pérdida de precisión al restar números cercanos entre sí si los centros de las esferas están relativamente cerca entre sí. Esto significa que es poco probable que la posición calculada a partir de tres satélites solo sea lo suficientemente precisa. Los datos de más satélites pueden ayudar debido a la tendencia a que los errores aleatorios se cancelen y también al dar una mayor dispersión entre los centros de las esferas. Pero al mismo tiempo, por lo general, más esferas no se cruzarán en un punto. Por lo tanto, se calcula una intersección cercana, generalmente a través de mínimos cuadrados. Cuantas más señales estén disponibles, mejor será la aproximación.

Hiperboloides

Tres satélites (etiquetados como "estaciones" A, B, C) tienen ubicaciones conocidas. Se desconocen los tiempos reales que tarda una señal de radio en viajar desde cada satélite hasta el receptor, pero se conocen las verdaderas diferencias de tiempo. Luego, cada diferencia horaria ubica al receptor en una rama de una hipérbola enfocada en los satélites. Luego, el receptor se ubica en una de las dos intersecciones.

Si se resta la pseudodistancia entre el receptor y el satélite i y la pseudodistancia entre el receptor y el satélite j , p i - p j , la polarización del reloj del receptor común ( b ) se cancela, lo que da como resultado una diferencia de distancias d i - d j . El lugar de los puntos que tienen una diferencia constante en la distancia a dos puntos (aquí, dos satélites) es una hipérbola en un plano y un hiperboloide de revolución (más específicamente, un hiperboloide de dos láminas ) en el espacio 3D (ver Multilateración ). Por lo tanto, a partir de cuatro mediciones de pseudodistancia, el receptor se puede colocar en la intersección de las superficies de tres hiperboloides, cada uno con focos en un par de satélites. Con satélites adicionales, las múltiples intersecciones no son necesariamente únicas y, en su lugar, se busca la solución que mejor se adapte.

Esfera inscrita

Un círculo más pequeño ( rojo ) inscrito y tangente a otros círculos ( negro ), que no necesariamente tienen que ser mutuamente tangentes.

La posición del receptor se puede interpretar como el centro de una esfera inscrita (insfera) de radio bc , dada por el sesgo del reloj del receptor b (escalado por la velocidad de la luz c ). La ubicación de la insfera es tal que toca otras esferas. Las esferas que las circunscriben están centradas en los satélites GPS, cuyos radios son iguales a los pseudorrangos medidos p i . Esta configuración es distinta de la descrita anteriormente, en la que los radios de las esferas eran los rangos insesgados o geométricos d i .

Hiperconos

El reloj del receptor no suele tener la misma calidad que los de los satélites y no se sincronizará con precisión con ellos. Esto produce pseudorrangos con grandes diferencias en comparación con las distancias reales a los satélites. Por lo tanto, en la práctica, la diferencia de tiempo entre el reloj del receptor y la hora del satélite se define como una desviación de reloj desconocida b . A continuación, las ecuaciones se resuelven simultáneamente para la posición del receptor y la polarización del reloj. El espacio de solución [ x, y, z, b ] puede verse como un espacio - tiempo de cuatro dimensiones , y se necesitan señales de al menos cuatro satélites. En ese caso, cada una de las ecuaciones describe un hipercono (o cono esférico), con la cúspide ubicada en el satélite y la base una esfera alrededor del satélite. El receptor está en la intersección de cuatro o más de estos hiperconos.

Métodos de solución

Mínimos cuadrados

Cuando hay más de cuatro satélites disponibles, el cálculo puede utilizar los cuatro mejores, o más de cuatro simultáneamente (hasta todos los satélites visibles), según el número de canales del receptor, la capacidad de procesamiento y la dilución geométrica de precisión (GDOP).

El uso de más de cuatro implica un sistema de ecuaciones sobredeterminado sin una solución única; tal sistema puede resolverse mediante un método de mínimos cuadrados o mínimos cuadrados ponderados.

Iterativo

Tanto las ecuaciones para cuatro satélites, como las ecuaciones de mínimos cuadrados para más de cuatro, no son lineales y necesitan métodos de solución especiales. Un enfoque común es la iteración en una forma linealizada de las ecuaciones, como el algoritmo de Gauss-Newton .

El GPS se desarrolló inicialmente asumiendo el uso de un método de solución de mínimos cuadrados numéricos, es decir, antes de que se encontraran soluciones de forma cerrada.

Forma cerrada

S. Bancroft desarrolló una solución de forma cerrada para el conjunto de ecuaciones anterior. Sus propiedades son bien conocidas; en particular, los proponentes afirman que es superior en situaciones de bajo GDOP , en comparación con los métodos iterativos de mínimos cuadrados.

El método de Bancroft es algebraico, a diferencia de numérico, y se puede utilizar para cuatro o más satélites. Cuando se utilizan cuatro satélites, los pasos clave son la inversión de una matriz 4x4 y la solución de una ecuación cuadrática de una sola variable. El método de Bancroft proporciona una o dos soluciones para las cantidades desconocidas. Cuando hay dos (generalmente es el caso), solo uno es una solución sensible cerca de la Tierra.

Cuando un receptor usa más de cuatro satélites para una solución, Bancroft usa el inverso generalizado (es decir, el pseudoinverso) para encontrar una solución. Se ha argumentado que los métodos iterativos, como el enfoque del algoritmo de Gauss-Newton para resolver problemas de mínimos cuadrados no lineales (NLLS) sobredeterminados, generalmente brindan soluciones más precisas.

Leick y col. (2015) afirma que "la solución de Bancroft (1985) es una solución de forma cerrada muy temprana, si no la primera". Posteriormente se publicaron otras soluciones de formato cerrado, aunque su adopción en la práctica no está clara.

Fuentes de error y análisis

El análisis de errores de GPS examina las fuentes de error en los resultados de GPS y el tamaño esperado de esos errores. El GPS realiza correcciones para errores de reloj del receptor y otros efectos, pero algunos errores residuales permanecen sin corregir. Las fuentes de error incluyen mediciones del tiempo de llegada de la señal, cálculos numéricos, efectos atmosféricos (retrasos ionosféricos / troposféricos), efemérides y datos de reloj, señales de trayectos múltiples e interferencia natural y artificial. La magnitud de los errores residuales de estas fuentes depende de la dilución geométrica de la precisión. Los errores artificiales pueden resultar de los dispositivos de interferencia y amenazar a los barcos y aeronaves o de la degradación intencional de la señal a través de la disponibilidad selectiva, que limitó la precisión a ≈ 6–12 m (20–40 pies), pero se ha desactivado desde el 1 de mayo de 2000.

Mejora de la precisión y topografía

Aumento

La integración de información externa en el proceso de cálculo puede mejorar sustancialmente la precisión. Dichos sistemas de aumento generalmente se nombran o describen en función de cómo llega la información. Algunos sistemas transmiten información de error adicional (como la desviación del reloj, la efímera o el retraso ionosférico ), otros caracterizan errores previos, mientras que un tercer grupo proporciona información adicional de navegación o del vehículo.

Ejemplos de sistemas de aumentación incluyen el Sistema de Ampliación de Área Amplia (WAAS), el Servicio de Superposición de Navegación Geoestacionaria Europea (EGNOS), el GPS Diferencial (DGPS), los sistemas de navegación inercial (INS) y el GPS Asistido . La precisión estándar de unos 15 m (49 pies) se puede aumentar a 3-5 m (9,8-16,4 pies) con DGPS ya unos 3 m (9,8 pies) con WAAS.

Monitoreo preciso

La precisión se puede mejorar mediante el monitoreo y la medición precisos de las señales GPS existentes de formas adicionales o alternativas.

El error restante más grande suele ser el retraso impredecible a través de la ionosfera . La nave espacial transmitió los parámetros del modelo ionosférico, pero persisten algunos errores. Esta es una de las razones por las que las naves espaciales GPS transmiten en al menos dos frecuencias, L1 y L2. El retraso ionosférico es una función bien definida de la frecuencia y el contenido total de electrones (TEC) a lo largo del camino, por lo que medir la diferencia de tiempo de llegada entre las frecuencias determina el TEC y, por lo tanto, el retraso ionosférico preciso en cada frecuencia.

Los receptores militares pueden decodificar el código P (Y) transmitido tanto en L1 como en L2. Sin claves de descifrado, todavía es posible utilizar una técnica sin código para comparar los códigos P (Y) en L1 y L2 para obtener gran parte de la misma información de error. Esta técnica es lenta, por lo que actualmente solo está disponible en equipos topográficos especializados. En el futuro, se espera que se transmitan códigos civiles adicionales en las frecuencias L2 y L5. Todos los usuarios podrán realizar mediciones de doble frecuencia y calcular directamente los errores de retardo ionosférico.

Una segunda forma de monitoreo preciso se llama Mejora de la fase de portadora (CPGPS). Esto corrige el error que surge porque la transición de pulso del PRN no es instantánea y, por lo tanto, la operación de correlación (coincidencia de secuencia satélite-receptor) es imperfecta. CPGPS utiliza la onda portadora L1, que tiene un período de , que es aproximadamente una milésima parte del período de bits del código C / A Gold de , para actuar como una señal de reloj adicional y resolver la incertidumbre. El error de diferencia de fase en el GPS normal asciende a 2-3 m (6 pies 7 pulg. A 9 pies 10 pulg.) De ambigüedad. El funcionamiento de CPGPS dentro del 1% de la transición perfecta reduce este error a 3 cm (1,2 pulgadas) de ambigüedad. Al eliminar esta fuente de error, CPGPS junto con DGPS normalmente logra entre 20 y 30 cm (7,9 y 11,8 pulgadas) de precisión absoluta.

El posicionamiento cinemático relativo (RKP) es una tercera alternativa para un sistema de posicionamiento preciso basado en GPS. En este enfoque, la determinación de la señal de alcance se puede resolver con una precisión de menos de 10 cm (3,9 pulgadas). Esto se hace resolviendo el número de ciclos que la señal es transmitida y recibida por el receptor mediante el uso de una combinación de datos de corrección de GPS diferencial (DGPS), transmisión de información de fase de señal de GPS y técnicas de resolución de ambigüedad a través de pruebas estadísticas, posiblemente con procesamiento en real. -time ( posicionamiento cinemático en tiempo real , RTK).

Seguimiento de fase portadora (topografía)

Otro método que se utiliza en aplicaciones topográficas es el seguimiento de fase de portadora. El período de la frecuencia de la portadora multiplicado por la velocidad de la luz da la longitud de onda, que es de aproximadamente 0,19 m (7,5 pulgadas) para la portadora L1. La precisión dentro del 1% de la longitud de onda en la detección del borde de ataque reduce este componente del error de pseudodistancia a tan solo 2 mm (0,079 pulgadas). Esto se compara con 3 m (9,8 pies) para el código C / A y 0,3 m (1 pie 0 pulgadas) para el código P.

La precisión de 2 mm (0,079 pulg.) Requiere medir la fase total: el número de ondas multiplicado por la longitud de onda más la longitud de onda fraccionada, lo que requiere receptores especialmente equipados. Este método tiene muchas aplicaciones topográficas. Es lo suficientemente preciso para el seguimiento en tiempo real de los movimientos muy lentos de las placas tectónicas , normalmente de 0 a 100 mm (0,0 a 3,9 pulgadas) por año.

La triple diferencia seguida de la búsqueda de raíces numéricas y la técnica de mínimos cuadrados pueden estimar la posición de un receptor dada la posición de otro. Primero, calcule la diferencia entre satélites, luego entre receptores y finalmente entre épocas. Otros órdenes de tomar diferencias son igualmente válidos. Se omite la discusión detallada de los errores.

La fase total de la portadora del satélite se puede medir con ambigüedad en cuanto al número de ciclos. Dejado denotar la fase de la portadora de satélite j medido por el receptor i en el momento . Esta notación muestra el significado de los subíndices i, j y k. El receptor ( r ), el satélite ( s ) y la hora ( t ) vienen en orden alfabético como argumentos y para equilibrar la legibilidad y la concisión, sea ​​una abreviatura concisa. También definimos tres funciones,: , que devuelven diferencias entre receptores, satélites y puntos de tiempo, respectivamente. Cada función tiene variables con tres subíndices como argumentos. Estas tres funciones se definen a continuación. Si es una función de los tres argumentos enteros, i, j y k, entonces es un argumento válido para las funciones,: , con los valores definidos como

,
, y
 .

Además, si son argumentos válidos para las tres funciones y un y b son constantes a continuación es un argumento válido con los valores definidos como

,
, y
 .

Los errores del reloj del receptor se pueden eliminar aproximadamente diferenciando las fases medidas del satélite 1 con las del satélite 2 en la misma época. Esta diferencia se designa como

La doble diferenciación calcula la diferencia entre la diferencia del satélite del receptor 1 y la del receptor 2. Esto elimina aproximadamente los errores del reloj del satélite. Esta doble diferencia es:

La triple diferenciación resta la diferencia del receptor del tiempo 1 de la del tiempo 2. Esto elimina la ambigüedad asociada con el número integral de longitudes de onda en la fase de la portadora, siempre que esta ambigüedad no cambie con el tiempo. Por tanto, el resultado de la triple diferencia elimina prácticamente todos los errores de polarización del reloj y la ambigüedad de los enteros. El retardo atmosférico y los errores de efemérides de los satélites se han reducido significativamente. Esta triple diferencia es:

Los resultados de triple diferencia se pueden utilizar para estimar variables desconocidas. Por ejemplo, si se conoce la posición del receptor 1 pero se desconoce la posición del receptor 2, puede ser posible estimar la posición del receptor 2 utilizando la determinación de la raíz numérica y los mínimos cuadrados. Los resultados de triple diferencia para tres pares de tiempo independientes pueden ser suficientes para resolver los componentes de tres posiciones del receptor 2. Esto puede requerir un procedimiento numérico. Se requiere una aproximación de la posición del receptor 2 para utilizar dicho método numérico. Este valor inicial probablemente se pueda proporcionar a partir del mensaje de navegación y la intersección de las superficies de las esferas. Una estimación tan razonable puede ser clave para el éxito de la búsqueda de raíces multidimensionales. La iteración de tres pares de tiempo y un valor inicial bastante bueno produce un resultado de triple diferencia observado para la posición del receptor 2. El procesamiento de pares de tiempo adicionales puede mejorar la precisión, sobredeterminando la respuesta con múltiples soluciones. Los mínimos cuadrados pueden estimar un sistema sobredeterminado. Los mínimos cuadrados determinan la posición del receptor 2 que mejor se ajusta a los resultados de triple diferencia observados para las posiciones del receptor 2 bajo el criterio de minimizar la suma de los cuadrados.

Cuestiones reglamentarias del espectro relativas a los receptores GPS

En los Estados Unidos, los receptores GPS están regulados por las reglas de la Parte 15 de la Comisión Federal de Comunicaciones (FCC) . Como se indica en los manuales de los dispositivos habilitados para GPS vendidos en los Estados Unidos, como dispositivo de la Parte 15, "debe aceptar cualquier interferencia recibida, incluida la interferencia que pueda causar un funcionamiento no deseado". Con respecto a los dispositivos GPS en particular, la FCC establece que los fabricantes de receptores GPS "deben usar receptores que discriminen razonablemente contra la recepción de señales fuera de su espectro asignado". Durante los últimos 30 años, los receptores GPS han operado junto a la banda del Servicio Móvil por Satélite y han discriminado la recepción de servicios móviles por satélite, como Inmarsat, sin ningún problema.

El espectro asignado para el uso de GPS L1 por la FCC es de 1559 a 1610 MHz, mientras que el espectro asignado para uso de satélite a tierra propiedad de Lightsquared es la banda del Servicio de satélite móvil. Desde 1996, la FCC ha autorizado el uso con licencia del espectro vecino a la banda GPS de 1525 a 1559 MHz a la compañía LightSquared de Virginia . El 1 de marzo de 2001, la FCC recibió una solicitud del predecesor de LightSquared, Motient Services, para utilizar sus frecuencias asignadas para un servicio integrado por satélite y terrestre. En 2002, el Consejo de la Industria de GPS de EE. UU. Llegó a un acuerdo de emisiones fuera de banda (OOBE) con LightSquared para evitar que las transmisiones de las estaciones terrestres de LightSquared emitan transmisiones en la banda GPS vecina de 1559 a 1610 MHz. En 2004, la FCC adoptó el acuerdo OOBE en su autorización para que LightSquared implemente una red en tierra auxiliar a su sistema satelital, conocida como Componentes de torre auxiliares (ATC): "Autorizaremos MSS ATC sujeto a condiciones que garanticen que el El componente terrestre agregado sigue siendo un accesorio de la oferta principal de SMS. No pretendemos, ni permitiremos, que el componente terrestre se convierta en un servicio independiente ". Esta autorización fue revisada y aprobada por el Comité Asesor de Radio Interdepartamental de EE. UU., Que incluye al Departamento de Agricultura de EE. UU., Fuerza Espacial de EE. UU., Ejército de EE. UU., Guardia Costera de EE . UU. , Administración Federal de Aviación , Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio (NASA), Departamento de Interior y Departamento de Transporte de EE. UU .

En enero de 2011, la FCC autorizó condicionalmente a los clientes mayoristas de LightSquared, como Best Buy , Sharp y C Spire, a comprar únicamente un servicio integrado satelital basado en tierra de LightSquared y revender ese servicio integrado en dispositivos equipados solo para utilice la señal terrestre utilizando las frecuencias asignadas de LightSquared de 1525 a 1559 MHz. En diciembre de 2010, los fabricantes de receptores de GPS expresaron su preocupación a la FCC de que la señal de LightSquared interferiría con los dispositivos receptores de GPS, aunque las consideraciones de política de la FCC previas a la orden de enero de 2011 no se referían a ningún cambio propuesto al número máximo de estaciones LightSquared terrestres. o la potencia máxima a la que podrían operar estas estaciones. La orden de enero de 2011 hace que la autorización final esté supeditada a los estudios de problemas de interferencia del GPS llevados a cabo por un grupo de trabajo dirigido por LightSquared junto con la industria del GPS y la participación de una agencia federal. El 14 de febrero de 2012, la FCC inició un procedimiento para anular la Orden de renuncia condicional de LightSquared basándose en la conclusión de la NTIA de que actualmente no había una forma práctica de mitigar la interferencia potencial del GPS.

Los fabricantes de receptores GPS diseñan receptores GPS para utilizar el espectro más allá de la banda asignada por GPS. En algunos casos, los receptores GPS están diseñados para utilizar hasta 400 MHz de espectro en cualquier dirección de la frecuencia L1 de 1575,42 MHz, porque los servicios móviles por satélite en esas regiones están transmitiendo desde el espacio a la tierra y a niveles de potencia proporcionales a los servicios móviles por satélite. . Según lo regulado por las reglas de la Parte 15 de la FCC, los receptores de GPS no tienen garantía de protección contra señales fuera del espectro asignado por GPS. Esta es la razón por la que el GPS funciona junto a la banda del Servicio de satélite móvil y también la razón por la que la banda del Servicio de satélite móvil funciona junto al GPS. La relación simbiótica de la asignación del espectro asegura que los usuarios de ambas bandas puedan operar de manera cooperativa y libre.

La FCC adoptó reglas en febrero de 2003 que permitían a los titulares de licencias de Mobile Satellite Service (MSS) como LightSquared construir una pequeña cantidad de torres auxiliares en tierra en su espectro con licencia para "promover un uso más eficiente del espectro inalámbrico terrestre". En esas reglas de 2003, la FCC declaró "Como asunto preliminar, se espera que el [Servicio Comercial de Radio Móvil (" CMRS ")] y el MSS ATC tengan diferentes precios, cobertura, aceptación y distribución de productos; por lo tanto, los dos servicios aparecen, en el mejor de los casos, ser sustitutos imperfectos entre sí que estarían operando en segmentos de mercado predominantemente diferentes ... Es poco probable que MSS ATC compita directamente con CMRS terrestres por la misma base de clientes ... ". En 2004, la FCC aclaró que las torres terrestres serían auxiliares, señalando que "autorizaremos MSS ATC sujeto a condiciones que aseguren que el componente terrestre agregado siga siendo auxiliar a la oferta principal de MSS. No pretendemos, ni lo haremos permitir, que el componente terrestre se convierta en un servicio autónomo ". En julio de 2010, la FCC declaró que esperaba que LightSquared utilizara su autoridad para ofrecer un servicio integrado satelital-terrestre para "brindar servicios de banda ancha móvil similares a los provistos por proveedores móviles terrestres y mejorar la competencia en el sector de banda ancha móvil". Los fabricantes de receptores GPS han argumentado que el espectro con licencia de LightSquared de 1525 a 1559 MHz nunca se concibió para ser utilizado para banda ancha inalámbrica de alta velocidad según las reglas de ATC de la FCC de 2003 y 2004, dejando en claro que el componente de torre auxiliar (ATC) sería, de hecho , auxiliar del componente de satélite primario. Para generar apoyo público de los esfuerzos para continuar la autorización de la FCC de 2004 del componente terrestre auxiliar de LightSquared frente a un servicio LTE simple basado en tierra en la banda del servicio satelital móvil, el fabricante de receptores GPS Trimble Navigation Ltd. formó la "Coalición para salvar nuestro GPS".

La FCC y LightSquared se han comprometido públicamente a resolver el problema de la interferencia del GPS antes de que se permita que la red funcione. Según Chris Dancy, de la Asociación de Pilotos y Propietarios de Aeronaves , los pilotos de aerolíneas con el tipo de sistemas que se verían afectados "pueden desviarse y ni siquiera darse cuenta". Los problemas también podrían afectar la actualización de la Administración Federal de Aviación al sistema de control de tráfico aéreo , la orientación del Departamento de Defensa de los Estados Unidos y los servicios de emergencia locales , incluido el 911 .

El 14 de febrero de 2012, la FCC decidió prohibir la red de banda ancha nacional planificada por LightSquared después de ser informada por la Administración Nacional de Telecomunicaciones e Información (NTIA), la agencia federal que coordina los usos del espectro para las fuerzas armadas y otras entidades del gobierno federal, que "hay no hay forma práctica de mitigar la interferencia potencial en este momento ". LightSquared está desafiando la acción de la FCC.

Otros sistemas

Comparación del tamaño de la órbita de las constelaciones GPS , GLONASS , Galileo , BeiDou-2 e Iridium , la Estación Espacial Internacional , el Telescopio Espacial Hubble y la órbita geoestacionaria (y su órbita cementerio ), con los cinturones de radiación de Van Allen y la Tierra a escala.
La Luna 's órbita es de alrededor de 9 veces más grande que la órbita geoestacionaria. (En el archivo SVG, coloque el cursor sobre una órbita o su etiqueta para resaltarla; haga clic para cargar su artículo).

Otros sistemas notables de navegación por satélite en uso o en varios estados de desarrollo incluyen:

Ver también

Notas

Referencias

Otras lecturas

enlaces externos