409_sistema de Posicionamiento Global Gps Aplicado Al Control de Maquinaria Pesada

INSTITUTOPOLITCNICONACIONAL

ESCUELASUPERIORDEINGENIERIAYARQUITECTURAZACATENCO.

SISTEMADEPOSICIONAMIENTOGLOBALGPSAPLICADOALCONTROLDEMAQUINARIA

PESADA.

TESIS

PARAOBTENERELTITULODE

INGENIEROCIVIL

PRESENTA:

REYESABONCESAMUEL

AGRADECIMIENTOS.

ADIOS:

Pordarmelaoportunidaddevivir,yporestarconmigoentodomomento.

AMISPADRES:

Por haber depositado toda su confianza en m, por habermeapoyadoincondicionalmenteenmividaabasedesacrificios,amor,yesmero.

AMISHERMANOS:

Porsuamistadincondicional.

AMIESPOSA:

Porsuapoyomoralentodomomento,porsuconfianzayamor.

AMISSUEGROS:

Porsuapoyoyconfianza.

ALING.RICARDOLPEZRAMREZ.

Portodosuapoyosugerenciasyopiniones,yaqueesosirviparaeldesarrollodeestetrabajo.

ALING.RICARDONUESVZQUEZ.

Porsusobservaciones,comentarios,ysufinaatencin.

ALIPNYALAESIAUNIDADZACATENCO.

Pordarmelaformacinprofesionalyticademipersona,yatodoslosprofesoresqueconsuesfuerzoydedicacinlogranformardacondatcnicosprofesionalesconlamsaltacalidad.

PRLOGO.

Elcontenidodeestatesisrespondealasexpectativasdelestudianteenlacarreradeingenieracivilyegresadosdela misma, ya que fortalece y complementa losconocimientos y experiencias fundamentales de elingenierocivil.

Esta tesis fue realizada con la intencin de despertar elintersporconocer losavancestecnolgicosaplicadosenla topografa, logrando as unamejor infraestructura conmayorrapidezyprecisin

El xito en la vida moderna se logra pormedio de lacomunicacinylacultura.

SISTEMADEPOSICIONAMIENTOGLOBAL(GPS)APLICADOALCONTROLDE

MAQUINARIAPESADA.

NDICE

Prlogo.

UNIDAD1Evolucindelosequipostopogrficos...........1

1.1 Queslatopografa?...............................................11.2 Equipostopogrficos. ..............................................21.2.1 Transito.......................................................................21.2.2 Teodolitoptico........................................................31.2.3 Teodolitoelectrnico..................................................41.2.4 Ocularacodado..........................................................51.2.5 Distacimetro.............................................................61.2.6 Estacinsemitotal.....................................................91.2.7 Estacintotal..............................................................101.2.8 Precisin....................................................................111.2.9 NavegadoresGPS....................................................121.2.9.1Gpstopogrficos......................................................131.3 Histor iadelossatlites. .........................................151.3.1 Satlitesdecomunicaciones.....................................151.3.2 Cronologadelosprincipalessatlitesde...

Comunicaciones......................................................181.4 Bandasdefr ecuencia. ...........................................201.4.1 Labandac..............................................................201.4.2 Labandaku............................................................201.4.3 Labandaka............................................................211.4.4 Orbitas....................................................................221.5 ComponentesyaplicacionesVSAT. ..................231.5.1 Paragrandescompaasmultinacionales...............241.5.2 ParaproveedoresdeInternet(ISP)........................24

UNIDAD2QueselsistemaGPS?.................................25

2.1 NAVSTARsistemaGPS. ........................................272.2 Histor iaycr onologadelsistemaGPS. .................302.2.1Segmentoespacial........................................................332.2.2Planificacindelasobservaciones...............................352.2.3Segmentodecontrol....................................................362.2.4Segmentoutilitario......................................................372.3 PrecisindelDGPS...................................................382.3.1Nmerodesatlitesvisibles.......................................382.3.2Dilucindelaprecisinposicional(PDOP)...............392.3.3Relacinsealruido...................................................392.3.4Elevacin.....................................................................392.3.5Factoresambientales..................................................402.4 GPSyagr iculturadeprecisin. .............................412.4.1Receptoresgeodsicos...............................................422.4.2Obtencindelainformacin......................................422.4.3Diferenciasconlosmtodostradicionales.................432.4.4Estticorelativo..........................................................432.4.5Cinemticorelativo....................................................442.4.6Pseudocinemticorelativo.........................................45

UNIDAD3FuncionamientodelsistemaGPS................46

3.1 Geometr adelaobser vacin. .................................463.2 Sistemasdemedida. ................................................503.2.1Medicindeladistancia.............................................503.2.2Pseudodistancia..........................................................523.2.3Otraformademedirdistanciaalossatlites..............533.2.4Medidasdefase..........................................................543.2.5Principiosdefuncionamientodegps.........................55

UNIDAD4CmofuncionaelsistemaGPSencincopasoslgicos.......................................................... 61

4.1 Latr iangulacindesdelossatlites. ....................624.1.1Midiendolasdistanciasalossatlites.......................624.2 Uncdigoaleator io. .................................................654.2.1Controlperfectodeltiempo.......................................674.3 Unamedicinadicionalremediaeldesfasedel

timing. .......................................................................684.4 Conocerdondeestnlossatlitesenelespacio.........704.4.1Unsatliteagranalturasemantieneestable.............704.4.2Elcontrolconstanteagregaprecisin........................714.4.3Corrigiendoelmensaje..............................................724.4.4Corrigiendoerrores....................................................73

UNIDAD5Fuentesdeerror..............................................74

5.1 Tiempo. .....................................................................745.2 Unrudoviajeatr avsdelaatmsfera. .................795.2.1Ionosfera......................................................................795.2.2Troposfera..................................................................805.3 Relojesdelossatlites. ............................................805.3.1Erroresdeorbita..........................................................805.3.2Multitrayectoria..........................................................815.3.3Geometrasatelital......................................................815.3.4Receptoresdegps.......................................................825.3.5Efemrides.................................................................835.4 Problemasenelsatlite. ........................................855.4.1Algunosngulossonmejoresqueotros.....................855.4.2Erroresintencionales.................................................865.5 Tcnicasyprecisiones.............................................875.5.1Posicionamientoautnomo.......................................875.5.2Correccindiferencial...............................................875.5.3Lalneafinal.............................................................915.5.4Programacin............................................................925.5.5Resumendelasfuentesdeerrordelsistemagps......95

UNIDAD6ElsistemadereferenciaDatumWGS84querigeelsistemaNavstardeGPS...................96

6.1 Sector usuar io. ......................................................996.2 Navstar yglonass. .................................................1006.3 Posicionamientoglobalentiemporealsobreuna

cartatopogrfica....................................................103

6.3.1VentajasdelusodelGPSconelsoftwareapropiado.103

UNIDAD7Maquinariadeobracivilguiadaporcontrolremotocon tcnicasdeGPScinemticoenTiemporeal. ...............................................108

7.1 Fuer tecooperacinentreespecialistas. .............1097.2 Problemasprcticos. ...........................................1127.2.1Simulacin..............................................................1137.3 Pruebasreales. ....................................................1157.3.1Perspectivasdenegocio.........................................1167.4 AplicacionesdelsistemaGPS. ...........................116

Conclusiones. ....................................................................120

Bibliografa........................................................................122

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PRESENTA:

REYESABONCESAMUEL

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1

UNIDAD1EVOLUCINDEEQUIPOSTOPOGRFICOS.

1.1 QUESLATOPOGRAFA?

*La topografa se define del griego: (topos, lugar y graphein,describir) como la ciencia que trata de los principios y mtodosempleadosparadeterminarlasposicionesrelativasdelospuntosdela superficie terrestre,pormediode lasmedidas,yusando los treselementosdelespacio,estoselementospuedenser:dosdistanciasyunaelevacin,ounadistanciaunaelevacinyunadireccin. (Verfiguran.1).

Elconjuntodeoperacionesnecesariasparadeterminarlasposicionesdepuntosenlasuperficiedelatierra,tantoenplantacomoenaltura,los clculos correspondientes y la representacin en un plano(trabajo de campo + trabajo de oficina) es lo que comnmente sellamaLevantamientoTopogrficoLatopografacomocienciaqueseencargade lasmedicionesde lasuperficiede la tierra,sedivideentresramasprincipalesquesonlageodesia, la fotogrametray latopografaplana.

Figuran.1*FernandoGarcaMrquez,Cursobsicodetopografa,definicinaplicacionesydivisindelatopografa,Primeraedicin,Editorial:PaxMxico,Mxico,2003,Pg.1.


2

1.2 EQUIPOSTOPOGRFICOS.

*Podemosclasificaralequipoentrescategoras:Paramedirngulosse encuentran la brjula, el transito y el teodolito, Para medirdistancias. aqu se encuentra la cinta mtrica, el odmetro, y eldistanciometro(Verfiguran.2)

Figuran.2

Paramedirpendienteseencuentranelniveldemano,deriel,elfijo,basculante,automtico.

1.2.1 TRANSITO.

Instrumento topogrfico para medir ngulos verticales yhorizontales, con una precisin de 1 minuto (1 ) o 20 segundos(20"),loscrculosdemetalseleenconlupa,losmodelosviejostienen cuatro tornillos para nivelacin, actualmente se siguenfabricando pero con solo tres tornillos niveladores.

*http://www.precisiontopografica.com/glosario.htm


3

Paradiferenciauntransitodeunminutoyunode20segundos,enlosnonioslosde1minutotienenenelextremoelnumero30ylosde20segundostraenelnumero20(Verfiguran.3)

Figuran.3

1.2.2 TEODOLITOPTICO.

Es la evolucin de el trnsitomecnico, en este caso, los crculosson de vidrio, y traen una serie de prismas para observar en unocular adicional. La lectura del ngulo vertical y horizontal laprecisin va desde 1 minuto hasta una dcima de segundo. (Verfiguran.4)


4

Figuran.4

1.2.3 TEODOLITOELECTRNICO.

Es la versin del teodolito ptico, con la incorporacin deelectrnicaparahacer las lecturasdel circulovertical yhorizontal,desplegando los ngulos en una pantalla eliminando errores deapreciacin,esmassimpleensuuso,yporrequerirmenospiezasesmassimplesufabricacinyenalgunoscasossucalibracin.

Lasprincipalescaractersticasquesedebenobservarparacompararestos equipos hay que tener en cuenta la precisin el numero deaumentos en la lente del objetivo y si tiene o no compensadorelectrnico(Verfiguran.5).


5

Figuran.5

1.2.4 OCULARACODADO.

Esteesunaccesorioparateodolitosyestaciones.

*Cuandounoestamuycercadeunaestructuramuyalta,requerimosapuntareltelescopiohaciaarribaparapoderverlapartemasaltadela estructura, es comnque ya no sea tan fcil poner el ojo en elocularporcomoeselequipo(Verfiguran.6),existeunaccesorioquenospermiteverinclusoalzenit,esteeselocularacodado,(Verfigura n.7) los haymuy sencillos, que puede ser simplemente unpequeo prisma, tambin hay otros que requieren que se retire elocularyposteriormenteponerestaextensinquejuntoconelprismanospermitetenerunaexcelenteVisual.

* http://www.precisiontopografica.com/glosario.htm


6

El los teodolitospticosse requierendosoculares,unoparaverelobjeto y otro para hacer las lecturas del ngulo, en las estacionestotalesyteodolitoselectrnicos,soloserequiereuno.

Figuran.6Figuran.7

1.2.5 DISTANCIOMETRO.

Dispositivo electrnico para medicin de distancias, funcionaemitiendounhazluminosoyasea infrarrojoo lser,esterebotaenunprisma odirectamente sobre la superficie, y dependiendode eltiempoquetardaelhazenrecorrerladistanciaescomosedeterminaesta.

En esencia un distanciometro solo puede medir la distanciainclinada, para medir la distancia horizontal y desnivel, algunostienen un teclado para introducir el ngulo vertical y por senos ycosenoscalcularlasotrasdistancias,estosepuederealizarconunasimple calculadora cientfica de igual manera, algunosdistaciometros, poseen un puerto para recibir la informacindirectamente de un teodolito electrnico para obtener el ngulovertical.


7

Hayvariostipos:

Monturaenhorquilla.

Estos se montan sobre la horquilla del transito o teodolito, elproblemadeestosesqueesmastardadotrabajar,yaqueseapuntaprimeroeltelescopio,ydespuseldistanciometro.

Monturaeneltelescopio.

Esmsfcil trabajarconestos,yaquesoloesnecesarioapuntareltelescopio ligeramente debajo del prisma para hacer la medicin,este tipo de montura es mas especializado, y no todos losdistaciometrosquedanentodoslosteodolitos.

Engeneral ajustede la puntera, puede resultar unpocoengorrosoconestosequipos,yaqueesmuyfcilquesedesajuste.

Elalcancedeestosequipospuedeserdehasta5,000metros

Tambinexistendistanciometrosmanuales,estos tienenunalcancedehasta200metros,sonmuytilesparamedirrecintosydistanciascortasen general.

Porsufuncionamientoexistendedostipos:

Por ultrasonido.

Son losms econmicosysualcanceno llegaa los50metros, sedebe tener cuidado con estos, ya que si la superficie no estaperpendicular al equipo, o es irregular, puede arrojar resultadosincorrectos o nomedir en absoluto, haymodelosmas sofisticadosquetienenunamiralser,porloqueserimportantenoconfundirlosconlossiguientes.


8

Porlser .

Son muy precisos y confiables, su alcance mximo es de 200metros,auncuandoenexterioresydistanciasdemsde50metrosserecomiendacontarconmira,yaqueaesasdistanciaoconlaluzdelda,resultadifcilsaberdondeestaapuntandoellser.

(Figuran.8).(Figuran.9).(Figuran.10).

Laimagendelaizquierdaesundistanciometro(Verfiguran.8).

Laimagendelcentroesuntelescopio(Verfiguran.9).

Laimagendeladerechaesundistanciometromanual (Verfiguran.10)


9

1.2.6 ESTACINSEMITOTAL.

En este aparato se integra el teodolito ptico y el distanciometro,ofreciendo la misma lnea de vista para el teodolito y eldistanciometro, se trabaja ms rpido con este equipo, ya que seapunta al centro del prisma, a diferencia de un teodolito condistanciometro, en donde en algunos casos se apunta primero elteodolitoy luegoeldistanciometro,o seapuntadebajodelprisma,actualmente resulta ms caro comprar el teodolito y eldistanciometroporseparado(Verfiguran.11).

Enlaestacinsemitotal,comoenelteodolitoptico,laslecturassonanalgicas,porloqueelusodelalibretaelectrnica,norepresentagranventaja,serecomiendamejorunaestacintotal.

Estosequipossiguensiendomuytilesencontroldeobra,replanteoyaplicacionesquenorequierenusodeclculodecoordenadas,solongulosydistancias.

Figuran.11


10

1.2.7 ESTACINTOTAL.

Es la integracin del teodolito electrnico con un distanciometro(Verfiguran.12).

Lashayconclculodecoordenadas.

Alcontarconlalecturadengulosydistancias,alintegraralgunoscircuitosmas,laestacinpuedecalcularcoordenadas.

Lashayconmemor ia.

Con algunos circuitosmas, podemos almacenar la informacin delas coordenadas en la memoria del aparato, sin necesidad deapuntarlasenuna libretacon lpizypapel, estoeliminaerroresdelpizyagilizaeltrabajo.

Lashaymotorizadas.

Agregandodosservomotores,podemoshacerquelaestacinapuntedirectamente al prisma, sin ningn operador, esto en teorarepresenta laventajaqueunlevantamiento lopuedehacerunasolapersona.

Lashaysinpr isma.

Integrantecnologademedicinlser,quepermitehacermedicionessin necesidad de un prisma, es decir pueden medir directamentesobre casi cualquier superficie, su alcance esta limitado hasta 100metros,perosualcanceconprismapuedellegaralos5,000metros,esmuytilparalugaresdedifcilaccesooparamedicionesprecisascomoalineacindemquinasocontroldedeformaciones.


11

Lasprincipalescaractersticasquesedebenobservarparacompararestos equipos hay que tener en cuenta: la precisin, el nmero deaumentos en la lente del objetivo, si tiene o no compensadorelectrnico, alcance de medicin de distancia con un prisma y sitienememoriaono.

Figuran.12

1.2.8 PRECISIN.

Esimportantealahoradecomparardiferentesequipos,diferenciarentreresolucinenpantallayprecisin,puesresultaquelamayorade lasestaciones,desplieganunsegundoderesolucinenpantalla,perolaprecisincertificadapuedeserde3a9segundos,esloquehace la diferencia entre un modelo y otro de la misma serie, porejemplo:laSet510esde5segundosylaSet310esde3segundos.


12

Escomnquesepiensequeuntopgraforesuelvesusnecesidadescontringulos,yaquepuededividircualquierpolgonoentringulosyapartirdeahobtenerporejemploelrea,estocon laayudadesenos, cosenos y el teorema de Pitgoras, para definir estostringulosutilizaelteodolito,yessabidoqueconociendo3datosdeun tringulo sabemos todo de el, (por ejemplo 2 ngulos y unadistancia,3distancias,etc.etc.),estainformacinesposteriormenteprocesadaparaobtenercoordenadasypoderdibujarporejemploenautocad.

Actualmenteexisteotrogrupodeinstrumentosquepermitenobtenercoordenadasgeogrficas,estossonlosGPS.

Sistema de posicionamiento global (Global Positioning System),haydostipos.

1.2.9 NAVEGADORESGPS.

*Estos son ms para fines recreativos y aplicaciones que norequieren gran precisin, consta de un dispositivo que cabe en lapalma de la mano, generalmente tienen la antena integrada, suprecisinpuedeserde15mts,perosiincorporaelsistemaWASSpuedeserde3mts,(Verfiguran.13).

Adems de proporcionar nuestra posicin en el plano horizontalpueden indicar la elevacin por medio de la misma seal de lossatlites,algunosmodelostienentambinbarmetroparadeterminarlaalturaconlapresinatmosfrica.



13

Losmodelosquenoposeenbrjulaelectrnica,puedendeterminarla"direccindemovimiento"(rumbo),esdeciresnecesarioestarenmovimiento para que indique correctamente para donde esta elnorte.

Figuran.13

1.2.9.1 GPSTOPOGRAFICOS

*Estos equipos tienen precisiones desde varios milmetros hastamenosdemediometro.

Existen GPS de una banda (L1) y de dos bandas (L1, L2), ladiferencia es que para los GPS de una banda se garantiza laprecisinmilimtricaparadistanciasmenoresa40kmentreantenas,en los GPS de dos bandas es de hasta 300km, si bien se puedenrealizar mediciones a distancias mayores, ya no se garantiza laprecisindelaslecturas.



14

LosGPS topogrficos requierendosantenas,ya seaqueelusuariotenga las dos, que solo tenga una y compre los datos a unainstitucincomoel INEGIoOmnistar(DGPS).

Sedice entoncesque se esta trabajando enmododiferencial, (Verfiguran.14)

LadiferenciaenpreciodeunGPSdeunabandacontraunodeDosbandaspuedesermuygrande,y loesmascuando losGPSdedosbandas incorporan la funcin RTK (Real Time Kinematic)...normalmentelaformadetrabajarconequiposquenoincorporanlafuncin RTK es: trasladar los equipos a campo, se hacen laslecturas,peroessolohastaqueseregresaagabinetequeseobtienenlas mediciones, con un sistema RTK, los datos se obtienendirectamenteencampoyelaltopreciodeestosequiposesporqueincorporan una computadora, y un sistema de radio comunicacinentrelasdosantenas.

Figuran.14


15

1.3 HISTORIADELOSSATELITES

1.3.1 SATELITESDECOMUNICACIONES.

*Laideaprimariaquesugirielestablecimientodecomunicacionesmediante un satlite puede situarse en 1945, cuando el escritorArthurC.ClarkepublicunartculoqueabordabalaposibilidaddeenviaryrecibirsealesdeunlugaraotrodelplanetasituandounaestacinenelespacioaniveldelEcuadorterrestreyaunadistanciade aproximadamente 36.000 Km., de forma que esa estacinaparecieracomosiestuvierafijarespectodelaTierra.AestarbitaselallamarbitaocinturndeClarkeo,mascientficamente,rbitaterrestreGeoestacionaria(GEO).

Enladcadade1950yaliniciodelade1960,sehicieronintentospor establecer sistemas de comunicaciones rebotando seales englobos meteorolgicos metalizados pero, desafortunadamente, lassealesrecibidasfueronmuydbilesparatenerunusoprctico.

Despus,laArmadadeEstadosUnidosnotenelcielounaespeciedeglobometeorolgicopermanente la lunayconstruyunsistemafuncional de comunicaciones entre los barcos y tierra firmerebotandosealesenella.

El progreso en el campo de la comunicacin satelital tuvo queesperarhastaellanzamientodelprimersatliteTelstarIen1962,elcual sedaalpocotiempocomoconsecuenciade las radiacionesdelrecindescubiertocinturn devanAllen.

*http://www.monografias.com/trabajos19/navegacionglobal/navegacionglobal.shtml top


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Fuedosaosdespus,en1964,enqueselanzunnuevosatlite,elTelstar II, a partir dedonde seviene trabajandocon transmisionessatelitales de telefona, TV, fax y datos. La diferencia entre unsatlite artificial y uno real es que el artificial puede ampliar lassealesantesdedevolverlas.

Los satlites de comunicaciones tienen algunas propiedadesinteresantes que los hacen atractivos paramuchas aplicaciones, yaqueselospuedevercomounagranrepetidorademicroondasenelcielo. Un satlite contiene varios transponders, cada uno de loscuales capta alguna porcin del espectro, amplifica la seal deentrada y despus la redifunde a otra frecuencia para evitar lainterferenciaconlasealoriginal.Loshacesretransmitidospuedenser amplios y cubrir una fraccin sustancial de la superficie de laTierra,oestrechosycubrirunreadeslocientosdekilmetrosdedimetro.

Los sistemas tradicionales de comunicaciones va satlite sebasanenlaideadeA.Clarke,lassealessetransmitenentrelasdiferentesestacionesterrestresmedianteunsatlitesituadoenunadeterminadarbitadelaTierra.Estassealesviajansobreunaondaportadoraenelmargendemicroondasypermitentransportargrandescantidadesde informacin al mismo tiempo que pueden focalizarse en hacesextremadamenteestrechos,loquelashaceespecialmenteapropiadasparalascomunicaciones.

Esta focalizacin se realiza, mediante una antena, en un hazmuyestrechoquesedirigealsatlite.Cuandoelsatliterecibeelhaz,lassealessonextremadamentedbilesdebidoalcaminorecorrido,porlo que debe amplificarlas para compensar la prdida de potenciasufridadurantelatransmisinporelespacio.


17

Trasamplificarelhaz lo retransmitea laTierra,enconcreto, a lasestacionesreceptorasquedebenrecibir laseal.Enestesentido,elsatliteactacomounaestacinrepetidoraenelespacio.

Cuando el satlite est diseado nicamente para esta funcin derepetidor,esdecir,paraacogerlasealyretransmitirlaotravezalatierra, se dice que el satlite es transparente. Los avances en latecnologa han permitido agregar a esta funcin bsica inherentefuncionesdevaloraadidoentrminosdecontrolycomandodeloscircuitosdemicroondasdelsatlite,ascomodeprocesamientoonboard,entreotros.

*En el contexto de la transmisin se utilizan dos conceptosfundamentales: el enlace ascendente o uplink y el enlacedescendenteodownlink.Elmodoenqueseutilizanestosenlacesesel siguiente. En la estacin terrestre, la seal se superpone a laportadoraaunadeterminadafrecuenciayseenvaalsatlite(enlaceascendente)enelsatlite,unavezquesehaamplificadolaseal,sesuperponeaunaportadoraaunafrecuenciadiferentedelaanterioryseenvaalaTierra(enlacedescendente).



18

1.3.2 CRONOLOGIADELOSPRINCIPALESSATELITESDECOMUNICACIONES

(*FUENTE:NASA)

1945ArthurC.ClarkeArticle:"ExtraTerrestrialRelays"

1955JohnR.PierceArticle:"OrbitalRadioRelays"

1956FirstTransAtlanticTelephoneCable:TAT1

1957Sputnik:Russialaunchesthefirstearthsatellite.

19601stSuccessfulDELTALaunchVehicle

1960 AT&T applies to FCC for experimental satellitecommunicationslicense

1961FormalstartofTELSTAR,RELAY,andSYNCOMPrograms

1962TELSTARandRELAYlaunched

1962CommunicationsSatelliteAct(U.S.)

1963SYNCOMlaunched

1964INTELSATformed

1965COMSAT's EARLYBIRD: 1st commercial communicationssatellite

1969INTELSATIIIseriesprovidesglobalcoverage

1972ANIK:1stDomesticCommunicationsSatellite(Canada)


19

1974WESTAR:1stU.S.DomesticCommunicationsSatellite

1975INTELSATIVA:1stuseofdualpolarization

1975 RCA SATCOM: 1st operational bodystabilized comm.satellite

1976MARISAT:1stmobilecommunicationssatellite.

1976PALAPA:3rdcountry(Indonesia)to launchdomesticcomm.satellite

1979INMARSATformed.

1988TAT8:1stFiberOpticTransAtlantictelephonecable.

Figuran.15(Serviciosmvilessatelitales).

* http://nasa.gov/


20

1.4 BANDASDEFRECUENCIA.

*Elespectroelectromagnticoesunproblemaconelquetodosnosenfrentamos. Los nombres ms comunes para ciertas bandasfrecuencialesdatandeantesdelaSegundaGuerraMundial.

Aunque el IEEE intente imponer una convencin de nombresestndaresfcilesdeusar,lociertoesquelamayoradelaspersonasdelsectorserefierenalossegmentosdelespectroderadioporunaclasificacin de bandas basadas en letras (que en general sonimprecisas).En laSegundaGuerraMundial, losdesarrolladoresderadaresdelosEstadosUnidosyGranBretaanombraronpartesdelespectro con letras, tales como laBandaL,BandaC,BandaKuoBandaKa.Lasletrasfueronescogidasdeformaaleatoria,paraqueelenemigonopudierasabersobreloqueestabanhablando.Durantelos siguientes aos hubo discrepancias sobre los nombres y susinconsistencias.

1.4.1 LabandaCfuelaprimeraendestinarsealtrficocomercialpor satliteenella seasignandosintervalosde frecuencia,elmsbajo para trfico de enlaces descendentes (desde el satlite) y elsuperiorparatrficodeenlacesascendentes(haciaelsatlite).Parauna conexin dplex se requiere un canal en cada sentido. Estasbandas ya estn sobre pobladas porque tambin las usan lasportadorascomunesparaenlacesterrestresdemicroondas.

1.4.2 La banda Ku es la banda ms alta disponible para lasportadoras de telecomunicaciones comerciales. Esta banda no estcongestionada an y a estas frecuencias los satlites pueden estarespaciadostancercacomo1grado.

* http://nasa.gov/


21

*EstabandaproporcionamspotenciaquelaCy,enconsecuencia,elplatodelaantenareceptorapuedesermspequeo,delordende1.22metrosdedimetro,aunquelacoberturaesmayor.AlabandaKu,noleafectanlasinterferenciasterrestres,peroslasturbacionesmeteorolgicas, por ejemplo, la lluvia, que produce distorsiones yruido en la transmisin. Las tormentas fuertes casi nunca abarcanreas extensas, de modo que con usar varias estaciones terrestresampliamente separadas en lugar de una sola se puede resolver elproblema, a expensas de gastarms en antenas, cables y circuitoselectrnicosparaconmutarconrapidezentreestaciones.

1.4.3 LabandaKase espera paliar la creciente saturacinde lasbandasCyKu.

* http://nasa.gov/


22

1.4.4 Orbitas

Lasdistintasrbitasalasquesepuedensituarlossatlites,ydelasque depende, en cierta manera, el tipo de servicio prestado y eltamaonecesariodelaantenadelequiporeceptorson:

LEO (Low Earth Orbit), ICO (Intermediate Circular Orbit).TambindenominadoMEO(MediumEarthOrbit),HEO(HighlyEllipticalOrbit).,GEO(GeosynchronousEarthOrbit).

(Nota:Verfiguran.16)

Figuran.16


23

1.5 COMPONENTESYAPLICACIONESVSAT.

*Unavezfijadoelsatliteensurbita,seenvanlassealesdesdelaestacin terrena al satlite que acta como retransmisor, de talmaneraquepuedasercaptadaporlosequiposderecepcin(VSAT)situadosentierraoenaeronaves.

Los componentes de un sistema VSAT (Very Small ApertureTerminal) son la antenaparablica (reflectorms iluminador) y elamplificador de bajo ruido (LNA) que constituyen la unidadexterior, y el receptor de seal ounidad interior que constade losmoduladores/demoduladores,codificadorypuertodeconexin.

Laantenaparablicasueletenerundimetrocomprendidoentre0,5y3metros,dependiendodelniveldesealrecibidoenellugar,queest directamente ligado a la potencia de emisin del satlite, labanda de frecuencia a la que trabaje y a la rbita en la que seencuentre.

LossistemasVSATsehanidoextendiendoconformesupreciohadisminuido, popularizndose de tal manera que son ya numerososlos hogares que disponen de uno de ellos para recibir seales detelevisin, con los que se pueden captar ms de 100 emisionesdistintas,abiertasocodificadas,correspondientesavariospases,delmismoodistintocontinente.

Los sistemasVSATsonun complementode los sistemas terrenos,vacableoradio,permitiendounacoberturaampliayundespliegueinmediato,conloquesepresentancomomuyadecuadosparazonascon una pobre infraestructura y con un costo del servicioindependientedeladistanciaalaqueseencuentrenlosusuarios.

* http://nasa.gov/


24

*Un sistema de este tipo se puede emplear para mltiplesaplicaciones,comopuedeserelserviciotelefnico,laradiodifusinde TV, transmisin de datos, servicios de emergencia y delocalizacin GPS, meteorologa, etc., aunque las ms comunessuelen ser las unidireccionales (difusinpuntomultipunto), ya queenestecasolosterminalessonmssimplesyeconmicos.

1.5.1 PARAGRANDESCOMPAIASMULTINACIONALES

AlgunosejemplostpicosdelusodelossistemasVSAT,ademsdelosdedifusindetelevisinytelefona,son:

Intercambiodedatosentretodassusoficinas Correoelectrnicoinstantneoparatodossusempleados Nivel de seguridad mayor que la que ofrecen los sistemas

terrenos Videoconferencia dealtacalidadparatelereuniones.

1.5.2 PARALOSPROVEEDORESDESERVICIODEINTERNET(ISP).

AccesoaaltavelocidadalosgrandesnodosdeInternet Difusinconunacoberturainstantneaparagrandesreas.

* http://nasa.gov/


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UNIDAD2

QUESELSISTEMAGPS?

*Elsistemadeposicionamientoglobal(GPS)esunatecnologaquele permite al usuario obtener su posicin las 24 hrs. del da encualquierpuntodelaTierra.

El sistema GPS o Sistema de Posicionamiento Global, naci enEstados Unidos con el objetivo de mejorar su anterior sistemamilitar de satlites de navegacin, denominado TRANSITdisponibledesde1967ymuyusadoentcnicasgeodsicasentodoelmundo.Deestaformasepretendaconseguirunanavegacinentiempo real, precisa y de forma continua en tierra,mar o aire, sinimportarlascondicionesmeteorolgicasybajounsistemaunificadode cobertura global con precisiones de unos pocos metros encoordenadas.

El sistema deba cumplir los requisitos de globalidad, abarcandotoda la superficie del globo continuidad, funcionamiento continuosinafectarlelascondicionesatmosfricasaltamentedinmico,paraposibilitarsuusoenaviacinyprecisin.

* http://www.medicionesgps.com.ar/gpsexplica.html


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EstollevaproducirdiferentesexperimentoscomoelTimationyelsistema621Bendesiertossimulandodiferentescomportamientos.Elsistema TRANSIT estaba constituido por una constelacin de seissatlites en rbita polar baja, a una altura de 1074 Km. Talconfiguracinconseguaunacoberturamundialperonoconstante.

Laposibilidaddeposicionarseeraintermitente,pudindoseaccedera los satlites cada 1.5 h. El clculo de la posicin requera estarsiguiendoalsatlitedurantequinceminutoscontinuamente.

**Unsistemadeposicionamiento,comoelnombrelosugiere,esunmtodoparaidentificarygrabar,generalmenteenformaelectrnica,la ubicacindeunobjetoopersona.Este sistemapuede ser usadopara registrar el recorrido de un vehculo a travs de la superficieterrestre,enelaireoenelespacio.

Estos sistemas pueden ser de gran utilidad en la agriculturamoderna, de hecho, se lo puede considerar como la base de laagricultura de precisin, ya que cada dato tomado, como porejemplorendimiento,humedad,altimetra,materiaorgnica,etc.,vaa estar exactamente localizado y de esta forma tenemos laposibilidad de volver a l, localizarlo, obrar en consecuencia, ypodergrabarnuevamenteelresultado.

** ACADEMIAPOLITCNICAMILITAR (2001): "Lectura deCartas Topogrficas"(CDROM).AcademiaPolitcnicaMilitar.Santiago,Chile.

2.1 NAVSTAR.SISTEMADE


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POSICIONAMIENTOGLOBAL(GPS)

TRANSIT tena muchos problemas. La entonces URSS tena unsistema igual que el TRANSIT, de nombreTSICADA.Haba quedar un gran salto. La guerra fra fomentaba invertir unos cuantosbillonesdepesetasenunrevolucionariosistemadenavegacin,quedejaraalaURSSdefinitivamenteatrs.

Se concibi un sistema formado por 24 satlites en rbitamedia,quedieracoberturaglobalycontinua.ROCKWELL (California)sellev uno de los contratos ms importantes de su poca, con elencargode28satlites.

El primer satlite se lanz en 1978, y se planific tener laconstelacincompletaochoaosdespus.Unidoavariosretrasos,eldesastre de la lanzadera Challenger par el proyecto durante tresaos. Por fin, en diciembre de 1983 de declar la fase operativainicial del sistemaGPS.El objetivodel sistemaGPSera ofrecer alasfuerzasdelosEEUU.laposibilidaddeposicionarse(disponerdela posicin geogrfica) de forma autnoma o individual, devehculos o de armamento, con un coste relativamente bajo, condisponibilidadglobaly sinrestriccionestemporales.

Lainiciativa,financiacinyexplotacincorrieronacargodelDepartamentodeDefensadelosEEUU.(DoD),elGPSseconcibicomounsistemamilitarbastanteaceptable.

En1984unvuelocivildeKoreaAirlinesfuederribadoporlaUninSoviticaalinvadirporerrorsuespacioareo.


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EllollevalaadministracinReaganaofreceralosusuarioscivilesciertoniveldeusodeGPS,llegandofinalmenteacederelusoglobalysinrestriccionestemporales,deestaformaseconseguaunretornoalaeconomadelosEEUU.inimaginablesunosaosatrs.

Adems supona un gran liderazgo tecnolgico originando unvertiginoso mercado de infinitas aplicaciones.Desde 1984, con muy pocos satlites en rbita, aparecierontmidamente fabricantes de receptores GPS destinados al mundocivil(TexasInstrumentsyTrimbleNavigation).

Hoy en da el GPS supone un xito para la administracin yeconoma americana no interesando a nadie que se reduzca lainversinenelsistema,sinotodo locontrario.

LapolticadelaadministracindeEEUU.esmantenercoste0paraelusuarioelsistemaGPS,potenciarsusaplicacionescivilesalavezquesemantieneelcarctermilitar.

Lasaplicacionesdisponiblesseorientanaprincipalmente asistemasde navegacin y aplicaciones cartogrficas: topografa, cartografa,geodesia, sistema de informacin geogrfica (GIS), mercado derecreo (deportes de montaa, nutica, expediciones de todo tipo,etc.),patronesdetiempoysistemasdesincronizacin,aplicacionesdiferenciales que requieran mayor precisin adems de lasaplicacionesmilitaresyespaciales.

En cuanto al reparto del mercado los ms importantes son lanavegacinmartima,laareaylaterrestre.


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Pero el autnticomercado delGPS en elmundo es la navegacinterrestre.Con435millonesdeturismosy135millonesdecamioneseselmsampliomercadopotencialdelasaplicacionescomercialesdelGPS.DehechoelcrecimientodeequipamientodeGPSmundialesen tornoa los2.000millonesdedlaresanuales, loque llevaaunapenetracindel4%enelao2001.

Una vez consolidado militarmente dicho sistema, sus enormesaplicaciones no pasaron desapercibidas al sector comercial, querpidamenteyaprovechandoqueseobtieneunposicionamientoentiempo real muy aceptable, inicio su uso y divulgacin entre lacomunidadcientfica.

Elrangodeprecisindeunaposicinvadelos30mtsaunospocosmm,dependiendodelequipamientoylastcnicasutilizadas.


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2.2 HISTORIAYCRONOLOGADELSISTEMAGPS.

Enlossiguientesreglonesestardescritalahistoriaycronologadelsistema GPS desde sus predecesores hasta su etapa deimplementacintotal.

1920sOrgenesdelaradionavegacin.

PrincipiosdelaIIGuerraMundialLORAN,elprimersistemadenavegacin basado en la llegada diferenciada de seales de radiodesarrollado por el laboratorio deRadiacindeMIT. LORAN fuetambin el primer sistema de posicionamiento capaz de funcionarbajo cualquier condicin climatolgica pero es solamentebidimensional(latitudylongitud).

1959TRANSIT,elprimersistemaoperacionalbasadoensatlites,fue desarrollado por Johns Hopkins (Laboratorio de FsicaAplicada)bajoelDr.RichardKirschner.

ApesardequelaintencindeTRANSITeradarsoportealaflotillade lamarinadeEstadosUnidos, las tecnologasempleadasparaelsistema demostraron ser tiles para el sistema de posicionamientoglobal(GPS).

Elprimersatlitefuelanzadoen1959.

1960Elprimersistemadeposicionamientode tresdimensionesessugeridoporRaytheonCorporationennecesidaddelafuerzaarea.


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1963Lacompaaaeroespaciallanzunestudioenlautilizacindeunsistemaespacialparaelsistemadenavegacinparalosvehculosenmovimientoa granvelocidady tresdimensiones esto los llevdirectamentealconceptodeGPS.Elconceptoinvolucrabamedirlostiempos de llegada de las seales de radio transmitidas por lossatlites cuyas posiciones eranbien conocidas.Estoproporcionabala distancia al satlite cuya posicin era conocida que a la vezestablecalaposicindelusuario.

1963 La fuerza area da apoyo a este estudio bautizndoloSistema621B.

1964Timation,unsistemasatelital,NavalesdesarrolladoporRogerEaston en los laboratorios de investigacin Naval para eldesarrollode relojesdealtaestabilidad,capacidadde transferenciadetiempoynavegacinendosdimensiones.

1968EldepartamentodedefensadelosEstadosUnidosestableceuncomit llamadoNAVSEG (NavigationSatelliteExecutiveComit)para coordinar los esfuerzos de diversos grupos de navegacinsatelital.

1971 El sistema 621B es probado por la fuerza area dandoresultadosdeunaprecisindecentsimasdemilla.

1973 Elsecretariodeladefensadecidequelosdiferentessistemasde navegacin que se estaban creando, se unificaran y crearon unsoloyrobustosistemadenavegacin.


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1974Junio.Rockwell international fuecontratadocomoproveedordelossatlitesGPS.

1974Julio14.ElprimersatlitedeNAVSTARfuelanzado

1978 El primer block de satlites fue lanzado. Un total de 11satlitesfueronlanzadosentre1978y1985.Unsatlitefueperdidodebidoaunafalladelanzamiento.

1982DoDdecidereducirlaconstelacindesatlitesde24a18.

1983Despus de la cada de unaUnin Sovitica, el gobierno deEstadosUnidosinformaqueelsistemaGPSpodrserutilizadoporlasaeronavesciviles.

1988ElsecretariodelasFuerzasAreasanuncialaexpansindelaconstelacindeGPSde18a21satlitesytresrepuestos.

1989El primerodel unblockde28 satlites es lanzado en CaboCaaveral,Florida

1990DodActivaSAunadegradacinenlaexactituddelSistemadeformaplaneada.ElsistemaesprobadoenlaguerradelPrsico.

1991 El gobierno ofrece el sistema de GPS a la comunidadinternacionalsincostodurantelossiguientes10aos.

1993 El gobierno declara el sistema formalmente funcionado consus24satlitesenorbita.1995ElgobiernodeEstadosUnidos,BillClintonsecomprometemedianteunacartaalaICAOaproveerlassealesdeGPSalacomunidadinternacional.


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2.2.1 SEGMENTOESPACIAL.

*Comprende la constelacin de satlites denominada NAVSTAR(nombrequedesignaalconjuntoy tipode los satlitesutilizados).Dichaconstelacinestformadapor24Satlites,de loscualesporlomenos4sernvisiblesalmismotiempo,acualquierhoradelday desde cualquier punto de la superficie terrestre. Los satlites sedistribuyen en 6 rbitas circulares con una inclinacin de 55respectoalplanoecuatorialterrestrey60conrespectoalasrbitasadyacentes,aunaaltitudaproximadade20200km.yconunperiodoorbitalde12horas.

Los planos y se nombran como A, B, C, D, E y F. Cada rbitacontienealmenoscuatrosatlites,aunquepuedencontenerms.Lossatlites se sitan a una distancia de 20200 Km. respecto delgeocentro, y completan una rbita en doce horas sidreas. Estossatlites son puestos en funcionamiento por el Comando de lasFuerzasAreasEspacialesdeU.S.A(AFSPC).Los Satlites de la constelacin NAVSTAR, se identifican dediversosmodos:

PorsunmeroNAVSTAR(SVN).Porsucdigoderuidopseudoaleatorio(PRN).Enloscdigosdetransmisin existen caractersticas de ruido pseudo aleatoriotraducidasenbitsqueidentificanacadasatlitedelaconstelacin.

Por su nmero orbital. Un ejemplo sera el satlite 3D, quecorrespondealsatlitenmerotresdelplanoorbitalD.

Asmismo,debemosaadirque los satlitesdisponen deAntenasemisorasdeondasderadio(bandaL).


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Conellastransmitenlainformacinalusuario(receptordeGPS).

Antenas emisorasreceptoras de ondas de radio (banda S). Sirvenparaactualizarsu situacinatravsdelsectordecontrol.

Paneles solares para disponer de la energa necesaria para sufuncionamiento.

Reflectoreslserparaelseguimientodesdeelsectordecontrol.

La vida de los satlites oscila entre los seis y diez aos, y es deresear que el ms antiguo aun operativo tiene una edad de ochoaosymedio.ElmsduraderofueelSVN3quedurtreceaosymedio(Verfiguran.17).

Figuran.17

*Ing.RamiroJessArispe,gerentefinancierodelacadenadesuministroSolectrondeMxico.http://[email protected]/


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2.2.2 PLANIFICACIONDELASOBSERVACIONES.

**El almanaque, que va incluido en el mensaje recibido por elreceptor, nos da la informacinnecesaria de las rbitas de toda laconstelacindesatlites,quenospermitepredecirconlasuficienteaproximacin donde y cuando estar cada satlite. Todo ello nospermitiroptimizarlasobservacionesespecialmenteexigentes.

Disponemosdeunsoftwareespecficopara,unavezintroducidoelalmanaque,poderplanificarnuestrotrabajoencampo,estesoftwarenosproporcionaentreotra,lasiguienteinformacin:

*Nmerodesatlitesobservablesdesdenuestraposicinparacadahoradelda.*ValoresdelDOP,mximosymnimos,enelmomentodeldaseleccionado.*Posibilidaddepoderintroducirlasposiblesobstruccionesalarecepcindeinformacinyverdequemaneranosafectan

*Generacindediversasgrficasdeposicindelossatlitesenelespacio.*Visualizacininstantneadelaoperatividaddetodoslossatlites.*Edicinygestindetodalainformacinvistaparasesionesdetrabajodeterminadas.

El receptor GPS calcula su posicin, efectuando mediciones dedistancia a cuatro (4) oms satlites. La distancia individual a unsatliteesdeterminadaenfuncindeltiempoquetardaenviajarlasealdesdeel satlitealreceptorysuvelocidaddepropagacin.

** http://www.altop.com/al_top/


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2.2.3 SEGMENTODECONTROL.

*Est constituido por cinco estaciones de control repartidasalrededordelmundoy con coordenadasmuyprecisas.Todas ellasreciben continuamente las seales GPS con receptores de 2frecuenciasyprovistosdeosciladoresdecesio,tambinseregistran,de forma precisa, otra serie de parmetros como presin ytemperaturaqueafectandemaneramuyimportantealapropagacindelainformacinqueserecibedelossatlites.

Estosrelojesincreblementeprecisossonuncomponentecrticoquehacen posible el uso de satlites para navegacin y mapeo. Cadasatlitecuentaconcuatrorelojes,2decesioy2derubidio,apesardequeunoserasuficiente,deestaformaseevitaelriesgoderoturaoprdidadeprecisinporalgunodelosrelojes.

Todos estos datos se trasmiten a la estacin principal situada enColorado Spring (USA) en donde se procesa la informacin,obteniendo de estamanera todas las posiciones de los satlites ensus rbitas (sus EFEMRIDES) y los estados de los relojes quellevan cada uno de ellos para que con posterioridad los mismossatlitesradiodifundandichainformacinalosusuariospotenciales.

* http://www.altop.com/al_top/


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2.2.4 SEGMENTOUTILITARIO.

*Estformadoportodoslosequiposutilizadosparalarecepcindelas seales emitidas por los satlites, as como por el softwarenecesario para la comunicacindel receptor con el ordenador y elpostprocesadodelainformacinparalaobtencindelosresultados.Podemos considerar el "equipoGPS" compuestopor tresunidadesprincipales: el receptor propiamente dicho, la antena y losaccesorios.La antena es el elemento al cual viene siempre referido nuestroposicionamiento, est conectada a travsdeunpre amplificadoralreceptor,directamenteomediantecable.

Lamisindelaantenaesladeconvertirlaenergaelectromagnticaquerecibeencorrienteelctricaqueasuvezpasaalreceptor.

Elreceptorconstadeunaseriedeelementosqueseencargande larecepcindelasradiofrecuenciasenviadasporlossatlites.

Adems suelen poseer diferentes canales para seguirsimultneamente a varios satlites, un procesador interno con sucorrespondiente soporte lgico, una unidad de memoria para elalmacenamiento de la informacin, teclado de control, pantalla decomunicacin con el usuario, diferentes conectores para funcionesvariasyunafuentedealimentacininternaoexterna.

Por ltimo, tambin pueden emplearse trpodes, cables especiales,equiposdecontrolmeteorolgicoydiversomaterialauxiliar.

* http://www.altop.com/al_top/ (AgustnLpezDoval).


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Laposicindelsatliteesconocidaparaelreceptor.Usandoluegouna geometra simple, este ltimo determina las coordenadas delpuntorelevado.

2.3 PRECISINDELDGPS.

2.3.1 NMERODESATLITESVISIBLES.

*Como ya se explic anteriormente cuantos mas satlites estrecibiendo un receptor ms precisa ser su posicin ya que sedisminuye el rea de incertidumbre de su posicin posible. Elmnimodesatlitesparaubicarun receptoren tresdimensionesesde 4, cada satlite que se agregue a las mediciones mejora laprecisin. Elmximo terico de satlites que se pueden recibir es12, pero generalmente los que se encuentran demasiado cerca delhorizonte no se reciben. En la prctica se suele trabajar con unmximo de 8, lo que resulta en una muy buena precisin, serecomiendatrabajarconporlomenos5oms.



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2.3.2 DILUCIN DE LA PRECISIN POSICIONAL(PDOP)

PDOPesunamedida sinunidadesque indicacuando lageometrasatelital provee los resultados mas precisos. Cuando los satlitesestn desparramados por el espacio, el valor PDOP es bajo y lasposicionescomputadassonmsprecisas.Cuandolossatlitesestnagrupados el valorPDOPes alto y las posiciones imprecisas.ParaobtenerprecisionessubmtricaselPDOPdebeserde4omenos.

2.3.3 RELACINSEALRUIDO(S/N)

*Larelacinseal/ruidoesunamedidadelaintensidaddelasealsatelital.Amedidaquelaintensidadaumentalaprecisintambinlohace. A mayor seal y menor ruido la relacin es mayor y laprecisin aumenta. Para obtener posiciones con precisin estarelacin(S/N)debesermayorde6,conunidealentre12y 15.

2.3.4 ELEVACIN.

Cuandounsatliteestbajoenelhorizonte,lasealqueemitedebeatravesarunagrandistanciadeatmsfera,demorando la llegadaalreceptor.Sepuedeneliminarestosdatosconfigurandolosreceptorespara que eliminen las seales de los satlites que estn debajo decierto ngulo por sobre el horizonte. Los satlites que estn pordebajo de este ngulo son excluidos del cmputo de la posicin.Paralamayorprecisinserecomiendautilizarunngulomnimode15.

*http://www.altop.com/al_top/


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Alsermuyelevadoestengulopuedequesepierdanlassealesdealgunos satlites y no se obtenga operacin continua. Por eso unasolucindecompromisoesconfigurarestenguloenporlomenos7,5.

2.3.5 FACTORESAMBIENTALES.

Como ya se sabe la seal GPS es reflejada por objetos cercanos,particularmente por objetos metlicos, creando resultados falsos oerrneos. Este fenmeno es conocido como Multitrayectoria. Laprecisinptima seobtiene recolectandodatos lejosde superficiesreflectoras,comoedificios,galponesorboles.Algunos receptoresposeen distintas formas de minimizar el efecto de lamultitrayectoria.

*Paralograrprecisionesmenoresa1m+1ppmdeladistanciaentreel receptor y la estacin de referencia se deben cumplir lassiguientescondiciones:

Nmerodesatlitesusados:>5 PDOP:6 Elevacinmnima:>7,5 Ambientedereducidamultitrayectoria.

*http://www.altop.com/al_top/


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2.4 GPSYAGRICULTURADEPRECISIN.

Para los finesde laAgriculturadePrecisin,noesnecesariotenerun conocimiento profundo del funcionamiento del GPS. Losconceptos bsicos volcados en este captulo ayudan a comprenderlasbasesdelsistemaparapoderdiferenciaraquellosreceptoresquese adaptan a los requerimientos para el uso en la Agricultura dePrecisin y adems para entender los datos sobre precisin yfuncionamiento que muestran los receptores en el display cuandoestnenuso.

Avecessepresentanproblemasconlacorrectarecepcindelasealyestossonatribuidosaunafallaenelfuncionamientodelsistema,sinembragopuedesucederqueestasfallassedebanaproblemasdeconexin de los equipos o almal estado de las fichas, enchufes ocables.Porlotanto,cuandosepresentenproblemasderecepcindeseal sedebe inmediatamenteverificarelestadodemantenimientodetodalainstalacin.

OtropuntoatenerencuentacuandoseutilizaelGPSparaelmapeoderendimientoysobretodoenbanderillerossatelitalesescolocarlaantena en el centro de la mquina para que todas las pasadascontiguasserealicenalamismadistancia,yademsstadebeestarubicadaenlapartemsaltadelamquinaylejosdetodafuentederuidoyvibracinquepuedaninterferirconlarecepcindelaseal.

Frecuentemente se ubica la antena sobre el aire acondicionado ycuandoesteesconectado, lasvibracionesdelmismoprovocanunasensible disminucin del cociente S/N y por ende se degrada laprecisindelequipo.


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2.4.1 RECEPTORESGEODSICOS.

Losreceptoresgeodsicospermitenobtenerprecisionesquevandelrangodelos3cmaunospocosmmtantoenplanimetracomoenaltimetra.Ladistanciaalossatlites,escalculadaenfuncindelafasedelaondaportadoraqueenvanlossatlites.

2.4.2 OBTENCIONDELAINFORMACIN.

**Una vez estacionados en el punto requerido y con el equipocompletoenfuncionamiento,elreceptorpuedeofreceraloperador,atravsdelapantallayconayudadelteclado,unagrancantidaddeinformacinsobrelaobservacinqueestamosrealizando,talcomo:Nmeroynombredelossatliteslocalizados.

*Satlitesenseguimiento.*Acimutdecadasatlite enseguimiento.*Elevacindecadasatliteenseguimiento.*Nuestraposicinaproximadaactual.(longitud,latitudYaltitud).

*Direccinyvelocidaddelmovimiento,paranavegacin.*Bondaddelageometradeobservacin.* Bondaddelamedidaquepuedehacersesobrecadasatlite*Edadoantigedaddelainformacinofrecida.

*Progresodelaobservacin:satlitesquesepierdenycaptan,ynmerodeobservacionesrealizadasacadauno.

*Nombre ynmerodelasesinquedamosalaestacindeobservacin,ascomolaidentificacindeloperador.

*Registrosmeteorolgicosydatoslocalesintroducidos.*Estadodelafuentedealimentacin.


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2.4.3 DIFERENCIACONLOSMTODOSTRADICIONALES.

*CiertamentelamedicinconGPStienealgunasventajassobreotrastcnicastradicionales.

No tiene requerimientos de visual entre la estacin base y elreceptoritinerante.

Permite realizar mediciones dinmicas ( por ejemplo, con unvehculoenmovimiento).

Cadapuntorelevadoesunamedicinindependiente,porlotantonoexistearrastredeerrores.

El GPS puede utilizarse prcticamente bajo cualquier condicinclimtica.

GPSesenestemomentolaformamsveloz,econmicayprecisa,queexistedemedir.

2.4.4 ESTATICORELATIVO.

Setratadelclsicoposicionamientoenelquedosomsreceptoresseestacionanyobservanduranteunperiodomnimodemediahora(oms), segn la redundanciayprecisinnecesarias,yen funcindelaconfiguracindelaconstelacinlocal.

* http://www.altop.com/al_top/


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El nico requisito importante, es el de que uno de los receptoresdeberestarsituadoenunpuntodecoordenadasmuybienconocidas

Los resultados obtenidos pueden alcanzar precisiones muy altas,tericamente hasta niveles milimtricos. Existe una variantedenominada ESTATICO RAPIDO, pero es slo utilizable conreceptores de doble frecuencia L1y L2 y que puedan recibirinformacintantodelcdigoC/A,comodelcdigoP.Deestaformase reducen los periodos de observacin hasta 5 o 10minutos porestacin,manteniendolosmismosordenesdeprecisinqueparaelmtodoEsttico

Losreceptoresutilizadosparastemtodosonmuchomascarosquelosnormalesdeunasolafrecuencia,ademsentiemposdecrisisseactivaelsistemaAS(antispoofing)porpartedelDepartamentodeDefensadelosEEUU,quetieneporobjetivoconvertirelcdigoPenotroY,delasmismacaractersticasperosecretoynodescifrableporlosreceptorescomunes.

2.4.5 CINEMTICORELATIVO.

Consiste en la determinacin de tros de coordenadas respecto alpuntofijodeformarpida,aunquemenosprecisaqueconelmtodoanterior. Es necesario elegir dos puntos fundamentales: el dereferencia y el de cierre. Con los dems puntos se configura unitinerarioopoligonalcon inicioy finalenelcierre.Esesencialenestemtodoque, desde el inicio al final de la observacin, ambosreceptoresrealicenregistroscontinuosdefasedelaportadorasobreunmnimode4satlitesconcomnseguimientoyadecuadamentedistribuidos.


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Enningnmomentosepuedeperder lasealde lossatlites,nienloscambiosdeestacin.Eltiempodeobservacinporpuntopuedeoscilarentre1y2minutos,ylaprecisinmximaaobtenerestaraentornoalos1020cm.

2.4.6 PSEUDOCINEMATICORELATIVO.

Requiere un receptor estacionado en un punto conocido y otroobservando en otros puntos por almenos dos periodos de unos 5minutos,separadosporotromslargodelordende1hora

*La variacin de los satlites durante este periodo intermedioequivale,enparte,ahaberutilizadounaconstelacindeobservacinmsnutrida,porloqueen10minutosdeobservacinsealcanzalaprecisindeunaobservacinnicamuchomslarga(entornoalos10cm.).Tienelaventajaaadidadeponermsfcildemanifiestoelefectodefuentesdeerrordelentaevolucin.

Enlaprctica,hoyendalosmtodosdetrabajomsutilizadossonel esttico y el esttico relativo, principalmente por las altasprecisionesylafiabilidadobtenidas.

Todas las tcnicas demedicin conGPS son conposicionamientorelativo, es decir que requieren de dos receptores. Un receptor (laestacinbase)quedafijaenunpunto.Elotroreceptor(itinerante)esposicionadounospocossegundosencadaunodelospuntoscuyascoordenadassequierendeterminar.

* http://www.altop.com/al_top/ (AgustnLpezDoval,altop,topografa).


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UNIDAD3

FUNCIONAMIENTODELSISTEMAGPS

*ElSistemadePosicionamientoGlobal(GPS)esunatecnologaquepermite al usuario obtener su posicin las 24 hrs. del da encualquierpuntode la tierra.LascoordenadasprovistasporelGPSson latitud, longitud y altura sobre el elipsoide WGS84. Esteelipsoidenoesotracosaqueunmodelomatemticodelaformadela tierra. Originalmente desarrollado por el Departamento deDefensa de los Estados Unidos, el uso del sistema GPS se haextendidoalmbitocivil.

3.1 GEOMETRIADELAOBSERVACIN.

Existen tres factores principales que condicionaran la precisindefinitivaconlaqueobservemosunpuntoconGPS:

A)Configuracingeomtricadelossatlites(DOP)B)Observableconsiderado(pseudodistanciaso faseportadora.C)Gradodeincertidumbreenlaposicin.(englobandotodas

lasfuentesdeerrorvistashastaestemomento).

*http://www.medicionesgps.com.ar/gpsexplica.html (CollvillJonesyOjos).


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Vamosaocuparnosdelapartado:

OfactorDOP(DilutionOfPrecisin),setratasdelefectodelaconfiguracin geomtrica de los satlites, que es el ratio entre laincertidumbre de precisin y la incertidumbre en distancia.Existen diferentes DOPs dependiendo de posicin que se esttratandoencadamomento,losmascomunesson:

*VDOP,Incertidumbreenaltura(vertical).*HDOP,Incertidumbre2D(horizontal).*PDOP,Incertidumbre3D.*TDOP,Incertidumbreentiempo.*HTDOP,Incertidumbreenhorizontalydetiempo.*GDOP,Incertidumbre3Dydetiempo.

Utilizaremosel valordeGDOPcomocriterioms importanteparapoderrealizarlaobservacinconlageometramsfavorable.

Tanto el satlite como el receptor generan un juego de cdigosdigitalesque respondenauncriteriobinario.Ese juegodecdigosdigitales llevan el nombre de pseudorandom (pseudoaleatorios) yestndiseadosdeformatalquepuedanserfcilmentecomparados,enformarpidaysinambigedades.Lasecuenciapseudorandomserepiteenelordendelosmilisegundos.

El sistemaGPSest formadoporuna constelacinde24 satlites,que orbitan la Tierra a una altura de 20200 kilmetros, emitiendoconstantemente ondas de radio. La posicin de cada uno de lossatlitesesconocidaacadainstanteatravsdesusefemrides.


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*Unacaractersticaimportantedelossatlitesesqueposeenunrelojatmico de extrema precisin. Los satlites emiten ondas en dosfrecuencias : L1=1575,42Mhz y L2=1227,60Mhz. A su vez lasondas estan moduladas con un cdigo binario. Esta misma ondacodificadaesgeneradainternamenteenlosreceptores.

Sobre estas dos portadoras se enva una informacin moduladacompuestapordoscdigosyunmensaje,generadostambinapartirde la frecuencia fundamental correspondiente. El primer cdigodenominado C/A (course /adquisition) o S (standard), es unamoduladoraconlafrecuenciafundamentaldivididapor10oseade1,023MHz.

ElsegundocdigollamadoP(precise)moduladirectamenteconlafrecuencia fundamental de 10,23Mhz y por ltimo el mensaje seenvaconlabajsimafrecuenciamoduladorade50Hz.

Los cdigos consisten en una secuencia de dgitos binarios o bits(cerosyunos).Lamodulacinde lasportadorasconstoscdigosgeneralunruidoelectrnicoque,enprincipio,nosigueningunaleyyparecealeatorio,peroenrealidadsussecuenciasestnestablecidasmediante unos desarrollos polinmicos, este fenmeno se conoceconeltrminoruidoseudoaleatorio(PseudoRandomNoise,PRN),y tiene la caracterstica de que puede corearse con una rplicageneradaporotroinstrumento.

Cadaunodestoscdigosposeeunaconfiguracinparticularparacada uno de los satlites y constituye el denominado PRNcaracterstico, con el que se identifica a los satlites en el sistemaGPS.

http://www.elgps.com/documentos.html


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SobrelaL1sesuelenmodularlosdoscdigosvistos,elC/AyelPadems del mensaje correspondiente. En la L2 slo se modula elmensajeyelcdigoP.

ElsistemaqueseutilizaenGPSparamodularloscdigosbinariossedenominaModulacinBinariaporCambiodeFaseomodulacinbinariabifase.

Elmensajemoduladosobreambasportadorastieneunaduracinde12 m. y 30 s. debido principalmente a su longitud y su bajavelocidaddetransmisin

Lainformacinquecontienevienereferidaa:

Precisinyestadodelsatlite(salud,enterminologaGPS),yaquelossatlitespuedenencontrarse"sanos"o"enfermos"(inoperantes).

*Antigedaddelainformacinydelasefemridesradiodifundidas.*Almanaqueyelestadodelosrelojes.*Unmodeloionosfrico,paraelclculodelosretardos.*InformacinUTC(tiempohorauniversal).*Dosclaves: TLM,detelemetra,porsilarbitadelsatlitesufrealgunamanipulacindesdetierra.HOW,quedaacceso,paralosusuariosautorizados,alcdigoP.

Para determinar su posicin (latitud, longitud y altura) al receptorGPSlebastaracalcularlainterseccindetresesferascuyoscentrosson la posicin de cada uno de los satlites observados y cuyosradiossonlasdistanciasentrereceptorysatlite.


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Ladistancia individual a unsatliteesdeterminada en funcindeltiempo(1)quetardaenviajarlaondadesdeelsatlitealreceptorylavelocidad(2)depropagacindedichaonda.RecordarDistancia=tiempoxvelocidad.

3.2 SISTEMASDEMEDIDA.

3.2.1 MEDICINDELADISTANCIA.

*Elprincipiobsicodelamedicindeladistanciaeselprincipiode"velocidadportiempo".ElsistemaGPSfuncionatomandoeltiempoque tardauna sealde radio emitidaporun satlite hasta llegar alreceptor,ydeesaformacalcularladistancia,sabiendoquelasondasderadioviajanalavelocidaddelaluz(300.000.000m/s).

Siseconoceel tiempoexactoenquesali lasealdelemisoryeltiempo de llegada al receptor, se puede calcular por diferencia eltiempo de viaje de la seal y por ende la distancia. De aqu sededuce que los relojes deben ser bastante precisos en tiempospequeos, porque la seal de un satlite que est perpendicular alreceptorslotarda6/100desegundoenllegar,(Verfiguran.18).

http://www.elgps.com/documentos.html


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Figuran.18

*Parapodercalculareltiempodeviajedelasealderadio,tantoelsatlitecomoelreceptorgenerancdigossincronizados.Estoesqueambosgeneranelmismocdigoalmismotiempo.

Entoncescuandollegaunaondaalreceptorestedeterminaeltiempotranscurridodesdequestegenerelmismocdigo.Ladiferenciadetiempoesloquetardlaondaenllegar.El GPS es un sistema que permite hacer posicionamientos pormedicinovariacindedistancias,entrelasantenasemisorasdelossatlites y la receptora del equipo. Existen dos posibilidadesprincipales de funcionamiento, mediante Pseudo distancias o pormedidasdefase.

*CHUVIECO,E (2000): Fundamentos deTeledeteccinEspacial.EdicionesRialpS.A.Madrid,Espaa.


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3.2.2 PSEUDODISTANCIA.

ElmtododePseudodistanciasespropiodelatcnicaGPS.Setratadeunaautnticatrilateracintridimensional,quesitaalaestacinde observacin, en la interseccin de las esferas con centro en elsatliteyradiocorrespondientealadistanciaentrelasantenasdelossatlitesyelreceptor,medidaporeste.

*La pseudodistancia se podra definir como el desplazamientotemporal necesario para correlar una rplica del cdigo GPS,generado en el receptor, con la seal procedente del satlite ymultiplicadoporlavelocidaddelaluz.Portantoelobservableesuntiempo.

Elsatliteemiteunodeloscdigos,elreceptortieneensumemoriala estructura de dicho cdigo y genera una rplica exacta,modulando la seal recibida con la rplica inversa del cdigo. Siambos cdigos estn precisamente sincronizados, el cdigodesaparecer dejando a la portadora limpia. Para sincronizar larplicaconeloriginalrecibido,elinstrumentoempiezaaaplicarunretardohastaquelaanulacinseproduce.Eltiempodelretardonospermitecalcularunadistanciaquenoserprecisamentelaexistente,yaquenoconocemoselestadodelrelojdelreceptor,deahqueelvalorhalladonoseaunadistanciasinounapseudodistancia.

Laprecisindeposicionamientoquenosofrece estemtodo esdeaproximadamenteun1%del periodo entre sucesivas pocasdeuncdigo.



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AsparaelcdigoPcuyaspocassonde0,1microsegundo(porloque la precisin demedida ser de 1 nanosegundo), almultiplicardichofactorporlavelocidaddelaluz,obtendremosunaprecisindedistancia de 30 cm. en tiempo real. Para el cdigo C/A, cuyaprecisinesdiezvecesmenoraladelcdigoP,obtendremosunoserroresdeunos3m.

*Lavelocidaddepropagacindelaondaeslavelocidaddelaluz(300000km/seg.)

3.2.3 OTRAFORMADEMEDIRDISTANCIASALOSSATLITES.

Existe una segunda forma de medir distancias entre receptor ysatlite.Consisteenaprovecharunapropiedadfsicade laonda.Adiferenciadelametodologaanterior,endondeloquesemedaeraelcorrimientoentrecdigorecibidoycdigoemitido,ahoraloquese mide es el corrimiento de fase entre la onda generada por elreceptorylaondarecibidadecadaunodelossatlites.

Se entiende que el corrimiento de fase se mide una vezsincronizadoslosrelojesdereceptorysatlite.

*CHUVIECO,E(2000):FundamentosdeTeledeteccinEspacial.EdicionesRialpS.A.Madrid,Espaa.


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3.2.4 MEDIDASDEFASE.

*El mtodo de medidas de fase es el que permite obtener mayorprecisin. Su fundamento es el siguiente: partiendo de unafrecuencia de referencia obtenida del oscilador que controla elreceptor, se compara con la portadora demodulada que se haconseguidotraslacorrelacin,controlndoseas,enfase,laemisinradioelctrica realizada desde el satlite con frecuencia y posicinconocidas. Cuando esta emisin llega a la antena, su recorridocorrespondeaunnmeroenterodelongitudesdeonda(denominadoN o ambigedad) mas una cierta parte de longitud de onda cuyoobservable(omomentoexactoderecepcinporpartedelaantena)puedevariarentre0y360

Tenemospues,unafrecuenciayciertapartedelalongituddeondaconocidas, y la ambigedad (Nmero entero de las longitudes deonda)porconocer.

La resolucin de la ambigedad se realiza en base a un extensoprocesodeclculo,queademsnosresolverelestadodelosrelojesyporsupuestolosincrementosdecoordenadasentreestaciones.Unavez obtenidos dichos valores, la resolucin interna que nosproporcione el sistema ser de orden sub milimtrico, aunquediversas fuentes de error limiten la precisin operativa a algncentmetroo inclusomenos, siempre en funcinde las tcnicasdeobservacinempleadas.



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Debe destacarse que es fundamental en el sistema no perder elseguimiento de la fase para que la ambigedad inicial no puedavariar. Si hay alguna prdida de recepcin por cualquier causa, lacuentadeciclosserompe(CicleSlip),perdiendoestemtodotodasueficacia.Estaprdidadeciclospuedeocurrirpormuchascausasdesdeelpasodeunavin,disturbios ionosfricos,uobstruccionesfsicasimportantes(edificios,etc.).Podremoscomprender,entonces,la dificultad de trabajar en zonas prximas a arbolados, tendidoselctricos, torres, edificios, etc., limitando las aplicaciones de stemtodoentiemporeal.

3.2.5 PRINCIPIOSDEFUNCIONAMIENTODELGPS

*ElGPS se basa en las distancias entre el receptor y una serie desatlites para conocer su posicin. El principio bsico detrs delGPSesbastantesimple,ylovamosailustrarconunejemplo:sisequiere ubicar un bote en el mapa de un lago, y se sabe que estubicadoa10minutosdesdeelpuertoA,a5minutosdesdeelpuertoB y a 15 minutos desde el puerto C, asumiendo una velocidadconstante de 10 km/h. El primer paso es calcular la distancia queseparacadapuertodellugaraubicar.Parahacerestosemultiplicalavelocidad 10 km/h (166 m/minuto) por el tiempo desde el puntohastacadapuerto.

* Revista Siempre, Editorial Siempre, S. A, Abril 10, 2002, GPS: LocationTrackingTechnology.


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DistanciaalpuertoA

166m/min.x10min.=1660metrosDistanciaalpuertoB166m/minx5min.=830metrosDistanciaalpuertoC166m/minx15min.=2490metros

*Acontinuacinsedebe dibujaruncrculoconcentroenelpuertoAyunradiode830m.Elpuntoaubicarpuedeestarencualquierpartesobreelpermetrodestecrculo.LuegosedibujaunsegundocrculoconcentroenelpuertoByunradiode1660m.Estosdoscrculosse interceptanensolamentedospuntos,loqueindicaqueelpuntoaubicarestenunodeesosdospuntos(Verfiguran.19).

CuandosedibujaeltercercrculoconcentroenelpuertoC,conunradiode2490metros, los tres crculos se cruzan enun solopuntoposible,yesaeslaubicacindelbote,(Verfiguran.20).

RevistaSiempre,EditorialSiempre,S.A,Abril10,2002,GPS:LocationTrackingTechnology.


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Figuran.19

Figuran.20


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Estos son esencialmente losmismos pasosque usa un receptor deGPSparadeterminarsuposicin.Enelejemploseusstemtodopara determinar una posicin en dos dimensiones a travs de tresdistancias.

En un plano tres crculos interceptan en un nico punto. SinembargoelGPSproveelaposicinentresdimensionesparaloquehacefaltacuatro(oms)medicionesdedistancia.

*Entresdimensiones4esferascoincidenenunnicopunto.Cuandounreceptorquiereaveriguarsuposicinsecomunicaconunsatlite(A en el ejemplo) y deduce que la distancia que los separa es de20400 Km. Esto significa que el receptor se encuentra en algnpuntode la superficie de una esfera con centro en el satlite y unradiode20400Km.

* Revista Siempre, Editorial Siempre, S. A, Abril 10, 2002, GPS: LocationTrackingTechnology.


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Sisimultneamenteseconoceladistanciaaunsegundosatlite(B),deporejemplo22200Km.se reduce la localizacindel receptoraun crculo en la interseccin de las 2 esferas. Si se realiza lamedicin de distancia desde un tercer satlite (C) se reduce laubicacin posible del receptor a 2 puntos en el espacio, dnde latercer esfera intercepta el crculo formado por la primera con lasegunda.(Verfiguran.21)Paradecidirculdeesosdospuntoseslaubicacincorrectahaydosopciones:ohacerunacuartamedicindesdeotrosatliteohacerunasuposicin.Generalmenteunodelosdos puntos es una ubicacin ridcula, o no se encuentra sobre lasuperficieterrestreotieneunavelocidadimposiblementealta.

Figuran.21

Los programas dentro de los receptores de GPS tienen variastcnicasparadistinguirelpuntocorrectodelquenoloes.


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*En sentido trigonomtrico hacen falta cuatro distancias paradeterminar una posicin en el espacio, pero en la prctica no esnecesario por esta razn, pero si por otra razn tcnica que sediscutir ms adelante. Todo lo dems sobre el sistema son losdetallestcnicosdecmose llevaacaboelprocesodemedicinoparahacerlomspreciso(Verfiguran.22)

Figuran.22

* http://www.elgps.com/documentos.html


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UNIDAD4

COMOFUNCIONAELSISTEMAGPS,ENCINCOPASOSLGICOS.

Figuran.23

1 Triangulacin desdesatelites en lo basicodelsistema

2Para triangular, GPSmide distanciasusandoeltiempoqueemplealaonda

3

Paramedir el tiempo,GPSnecesitarelojesmuyexactos.

Las seales delGPSque viajan a travs del a I o n s f e r a yAtmsferasufrenunretraso5

Unavez conocida ladistancia al satlite, esn ece s a r i o con oce rdondeest ubicadoenelespacio.

4


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4.1 LATRIANGULACINDESDELOSSATLITES.

PASO1.

*Aunquepuedaparecer improbable,la ideageneraldetrsdelGPSesutilizarlossatlitesenelespaciocomopuntosdereferenciaparaubicacionesaquenlatierra.

Esto se logra mediante una muy, pero muy exacta, medicin denuestra distancia hacia al menos tres satlites, lo que nos permite"triangular"nuestraposicinencualquierpartedelatierra.

Olvidmonos por un instante sobre cmomide nuestroGPS dichadistancia.Loveremosmasadelante.Consideremosprimerocomolamedicin de esas distancias nos permiten ubicarnos en cualquierpuntodelatierra.

4.1.1 MIDIENDOLASDISTANCIASALOSSATLITES.

PASO2.

Sabemos ahora que nuestra posicin se calcula a partir de lamedicin de la distancia hasta por lo menos tres satlites. Pero,cmopodemosmedir ladistanciahaciaalgoqueest flotandoenalgn lugar en el espacio?. Lo hacemos midiendo el tiempo quetarda una seal emitida por el satlite en llegar hasta nuestroreceptordeGPS.



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*Laidea,Matemticamente,es:

Recordemosque"Siunautoviajaa60kilmetrosporhoradurantedoshoras,qudistanciarecorri?

Velocidad(60km/h)xTiempo(2horas)=Distancia(120km)

En el caso del GPS estamos midiendo una seal de radio, quesabemos que viaja a la velocidad de la luz, alrededor de 300.000Km.porsegundo.

Nosquedaelproblemademedireltiempodeviajedelaseal(Que,obviamente,vienemuyrpido)

El problema de la medicin de ese tiempo es complicado. Lostiempos son extremadamente cortos. Si el satlite estuviera justosobrenuestrascabezas,aunos20.000Km.dealtura,eltiempototalde viaje de la seal hacia nosotros sera de algo mas de 0.06segundos. Estamos necesitando relojes muy precisos. Ya veremoscomoloresolvemos.

Pero, an admitiendo que tenemos relojes con la suficienteprecisin,cmomedimoseltiempodeviajedelaseal?

SupongamosquenuestroGPS, por un lado, y el satlite, por otro,generanunasealauditivaenelmismoinstanteexacto.

Supongamos tambin que nosotros, parados al lado de nuestroreceptor de GPS, podamos or ambas seales (Obviamente esimposible "or" esas seales porque el sonido no se propaga en elvaco).



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Oiramosdosversionesdelaseal.Unadeellasinmediatamente,lagenerada por nuestro receptor GPS y la otra con cierto atraso, laproveniente del satlite, porque tuvo que recorrer alrededor de20.000 km. para llegar hasta nosotros. Podemos decir que ambassealesnoestnsincronizadas.

Si quisiramos saber cual es lamagnitudde la demorade la sealprovenientedel satlitepodemos retardar laemisinde la sealdenuestroGPShastalograrlaperfectasincronizacinconlasealquevienedelsatlite.

El tiempo de retardo necesario para sincronizar ambas seales esigual al tiempo de viaje de la seal proveniente del satlite.Supongamosqueseade0.06segundos.Conociendoestetiempo,lomultiplicamosporlavelocidaddelaluzyyaobtenemosladistanciahastaelsatlite.

Tiempoderetardo(0.06seg.)xVel.dela luz(300.000km/seg.)=Dist.(18.000Km.)

Ases,bsicamente,comofuncionaelGPS.

La sealemitidapornuestroGPSyporel satliteesalgo llamado"Cdigo Pseudo Aleatorio" (Pseudo Random Code). La palabra"Aleatorio"significaalgogeneradoporelazar.


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4.2 UNCDIGOALEATORIO.

Este Cdigo PseudoAleatorio es una parte fundamental del GPS.Fsicamente solo se trata de una secuencia o cdigo digital muycomplicado.

O sea una seal que contiene una sucesin muy complicada depulsos"on"y"off",comosepuedenverenlafiguran.24

Figuran.24

La seal es tan complicada que casi parece un ruido elctricogenerado por el azar. De all su denominacin de "PseudoAleatorio".

Hay varias y muy buenas razones para tal complejidad. LacomplejidaddelcdigoayudaaasegurarnosqueelreceptordeGPSno se sintonice accidentalmente con alguna otra seal. Siendo elmodelo tan complejo es altamente improbable que una sealcualquierapuedatenerexactamentelamismasecuencia.

Dadoquecadaunode los satlites tienesupropioynicoCdigoPseudo Aleatorio, esta complejidad tambin garantiza que elreceptornoseconfundaaccidentalmentedesatlite.Deesamanera,tambin es posible que todos los satlites trasmitan en la mismafrecuencia sin interferirse mutuamente. Esto tambin complica acualquiera que intente interferir el sistema desde el exterior almismo.


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*ElCdigoPseudoAleatorio le da la posibilidad alDepartamentodeDefensadeEEUUdecontrolarelaccesoalsistemaGPS.

El cdigo permite el uso de la "teora de la informacin" paraamplificar las seales de GPS. Por esa razn las dbiles sealesemitidaspor lossatlitespuedensercaptadaspor losreceptoresdeGPSsinelusodegrandesantenas.

EnResumen:Midiendoladistancia.

1.La distancia al satlite se determinamidiendo el tiempo quetarda una seal de radio, emitida por el mismo, en alcanzarnuestroreceptordeGPS.

2.Para efectuar dicha medicin asumimos que ambos, nuestroreceptorGPS y el satlite, estngenerando elmismoCdigoPseudoAleatorioenexactamenteelmismomomento.

3.ComparandocuantoretardoexisteentrelallegadadelCdigoPseudoAleatorio proveniente del satlite y la generacindelcdigo de nuestro receptor de GPS, podemos determinarcuantotiempolellevadichasealllegarhastanosotros.

4.Multiplicamosdichotiempodeviajeporlavelocidaddelaluzyobtenemosladistanciaalsatlite.



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4.2.1 CONTROLPERFECTODELTIEMPO.

PASO.3

Si lamedicindel tiempo de viaje de una seal de radio es claveparaelGPS,losrelojesqueempleamosdebenserexactsimos,dadoque si miden con un desvo de un milsimo de segundo, a lavelocidaddelaluz,ellosetraduceenunerrorde300Km.

Porelladodelossatlites,eltimingescasiperfectoporquellevanabordorelojesatmicosdeincrebleprecisin.

Recordemos que ambos, el satlite y el receptor GPS, deben sercapaces de sincronizar susCdigos PseudoAleatorios para que elsistemafuncione.

LosdiseadoresdelsistemaGPSencontraronunabrillantesolucinque nos permite resolver el problema con relojes mucho menosprecisos en nuestros GPS. Esta solucin es uno de los elementosclave del sistema GPS y, como beneficio adicional, significa quecada receptor de GPS es en esencia un reloj atmico por suprecisin.

El secreto para obtener un timing tan perfecto es efectuar unamedicinsatelital adicional.

Resultaquesitresmedicionesperfectaspuedenposicionarunpuntoenunespaciotridimensional,cuatromedicionesimperfectaspuedenlograrlomismo.


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4.3 UNAMEDICINADICIONALREMEDIAELDESFASEDELTIMING.

Sitodofueraperfecto(esdecirquelosrelojesdenuestrosreceptoresGPSlofueran),entoncestodoslosrangos(distancias)alossatlitesse interceptaran en un nico punto (que indica nuestra posicin).Peroconrelojes imperfectos,unacuartamedicin,efectuadacomocontrolcruzado,NOinterceptarconlostresprimeros.

De esa manera la computadora de nuestro GPS detectar ladiscrepanciayatribuirladiferenciaaunasincronizacin imperfectaconlahorauniversal.

Dadoquecualquierdiscrepanciaconlahorauniversalafectaralascuatromediciones,elreceptorbuscarunfactordecorreccinnicoquesiendoaplicadoasusmedicionesdetiempoharquelosrangoscoincidanenunsolopunto.

Dicha correccin permitir al reloj del receptor ajustarsenuevamente a la hora universal y de esamanera tenemos un relojatmicoenlapalmadenuestramano.

UnavezqueelreceptordeGPSaplicadichacorreccinalrestodesusmediciones,obtenemosunposicionamientopreciso.

Una consecuencia de este principio es que cualquierGPS decentedebe ser capaz de sintonizar al menos cuatro satlites de manerasimultnea.


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*Enlaprctica,casitodoslosGPSenventaactualmente,accedenamas de6,yhastaa12,satlitessimultneamente.Ahora bien, con el Cdigo Pseudo Aleatorio como un pulsoconfiableparaasegurarlamedicincorrectadeltiempodelasealylamedicinadicionalcomoelementodesincronizacinconlahorauniversal, tenemostodolonecesarioparamedirnuestradistanciaaunsatliteenelespacio.Pero, para que la triangulacin funcione necesitamos conocer nosloladistanciasinoquedebemosconocerdndeestnlossatlitescontodaexactitud.

EnResumen:Obtener unTimingPerfecto.

1.Un timingmuyprecisoesclaveparamedir ladistanciaa lossatlites

2.Los satlites son exactos porque llevan un reloj atmico abordo.

3. LosrelojesdelosreceptoresGPSnonecesitansertanexactosporquelamedicindeunrangoaunsatliteadicionalpermitecorregirloserroresdemedicin.



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4.4 CONOCERDNDEESTNLOSSATLITESENELESPACIO.

PASO4

Alolargodeestetrabajohemosestadoasumiendoqueconocemosdnde estn los satlites en sus rbitas y de esamanera podemosutilizarloscomopuntosdereferencia.

Pero, cmopodemossaberdondeestnexactamente?Todosellosestnflotandoaunos20.000Kmdealturaenelespacio.

4.4.1 UNSATLITEAGRANALTURASEMANTIENEESTABLE.

Laalturade20.000Km.esenrealidadungranbeneficioparaestecaso, porque algo que est a esa altura est bien despejado de laatmsfera.Esosignificaqueorbitardemaneraregularypredeciblemedianteecuacionesmatemticassencillas.

LaFuerzaAreade losEEUUcoloccadasatlitedeGPSenunarbitamuyprecisa,deacuerdoalPlanMaestrodeGPS.

En tierra, todos los receptores de GPS tienen un almanaqueprogramadoensuscomputadorasquelesinformandondeestcadasatliteenelespacio,encadamomento.


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4.4.2 ELCONTROLCONSTANTEAGREGAPRECISIN.

Lasrbitasbsicassonmuyexactasperoconelfindemantenerlasas,lossatlitesdeGPSsonmonitoreadosdemaneraconstanteporelDepartamentodeDefensa.

Figuran.25

El departamento de defensa de los EEUU utilizan radares muyprecisos para controlar constantemente la altura exacta, posicin yvelocidaddecadasatlite(Verfiguran.25).

Los errores que ellos controlan son los llamados errores deefemrides,oseaevolucinorbitaldelossatlites.Estoserroressegeneranporinfluenciasgravitacionalesdelsolydelalunayporlapresindelaradiacinsolarsobrelossatlites.Estos errores son generalmente muy sutiles pero si queremos unagranexactituddebemostenerlosencuenta.


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4.4.3 CORRIGIENDOELMENSAJE.

Una vez que el Departamento de Defensa ha medido la posicinexactadeunsatlite,vuelvenaenviardicha informacinalpropiosatlite. De esa manera el satlite incluye su nueva posicincorregidaenlainformacinquetransmitea travsdesussealesalosGPS(Verfiguran.26).

Figuran.26

Esto significa que la seal que recibe un receptor de GPS no essolamente un Cdigo Pseudo Aleatorio con fines de timing.Tambincontieneunmensajedenavegacinconinformacinsobrelarbitaexactadelsatlite.

Conun timingperfectoy laposicinexactadel satlitepodramospensarqueestamosencondicionesdeefectuarclculosperfectosdeposicionamiento.

Sinembargosedebenresolverotrosproblemas.


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EnResumen:PosicionamientodelosSatlites.

1.Para utilizar los satlites comopuntosde referencia debemosconocerexactamentedondeestnencadamomento.

2.LossatlitesdeGPSseubicanatalalturaquesusrbitassonmuypredecibles.

3.El Departamento de Defensa controla y mide variacionesmenoresensusrbitas.

4. Lainformacinsobreerroresesenviadaalossatlitesparaqueestosasuvezretransmitansuposicincorregidajuntoconsussealesdetiming.

4.4.4 CORRIGIENDOERRORES.

PASO5

SehaestadotratandolosclculosdelsistemaGPSdemaneramuyabstracta,comositodoelprocesoocurrieraenelvaco.PeroenelmundorealhaymuchascosasquelepuedensucederaunasealdeGPS para transformarla en algo menos que matemticamenteperfecta.

Paraaprovecharalmximolasventajasdelsistemaunbuenreceptorde GPS debe tener en cuenta una amplia variedad de erroresposibles.


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UNIDAD5FUENTESDEERROR

5.1 TIEMPO

*Dadoqueenlainformacinquenosllegadelossatlites,estosnostransmiteneltiempoexactoenelqueempezaronaemitirsumensajecodificado,yquelosreceptoresmiden,tambin,eltiempoexactoenel que recibieron cada seal , podremos calcular una medida dedistanciaentreel receptor y el satlite, conociendo lavelocidaddepropagacindelaondayeltiempotranscurridodesdequeseemitila seal hasta que fue recibida. El problema surgir cuando losrelojesdelsatliteyelreceptornomarquenelmismotiempo,detalmaneraqueunmicrosegundodedesfase se traduce enun error de300metrosenlamedicindeladistancia.

Como ya es sabido la luzviaja a300.000.000m/s, loque implicaquesilosrelojesdelsatliteydelreceptorestndesfasadostansolo1/100desegundolasmedidasdedistanciatendranunerrorde3000Km. Los relojes atmicos de los satlites son extremadamenteprecisos,perotienenuncostode100.000USScadauno,queseraprohibitivo para un receptor de uso civil. Afortunadamente esteproblemaseresolviutilizandolamedicindesdeuncuartosatlite.



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La trigonometra indica que se puede localizar un punto en elespacio mediante 3 medidas perfectas, y que cuatro medidasimperfectas pueden eliminar la desincronizacin del tiempo (Verfiguran.27yfiguran.28)

Figuran.27

Figuran.28


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El ejemplo posterior explicar como se resuelve la sincronizacindel tiempo, los diagramas estn hechos en dos dimensiones a losfines explicativos, para entender como pasa en la realidad (tresdimensiones)solohayqueagregarunamedidams,(Verfiguran.29).

Figuran.29


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Figuran.30

Normalmentesehabladeladistanciaalossatlitesenkilmetrosomillas,quesondeducidasapartirdeltiempodeviajedelasondas,para simplificar la explicacin nos referiremos a las distancias ensegundos.

Supongamos que el reloj de un receptor adelanta 1 segundo,entoncessinosencontramosaunadistanciarealdedossatlitesAyB de 4 y 6 segundos respectivamente (punto X), el receptorinterpretarqueesta5y7segundosdedistanciadeambossatlitesAyB respectivamente, loque resultaenunaposicindistintaquellamaremosXX.(Verfiguran.30).


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Esta posicin sera incorrecta pero nada en el receptor harasospecharqueasfuera.SiagregamosuntercersatliteC(recuerdequeelejemploesendosdimensiones,seraelcuar totrabajandoentres dimensiones como es en la realidad), que se encuentra a unadistancia real de 8 segundos, entonces el crculo con centro en elsatliteyradiode8segundospasaexactamenteporelpuntoX.

pero el receptor cree que se encuentra a 9 segundos del satlite.Estastresdistanciasalossatlitesnotienenformadecoincidirenunpunto,perosidefinenunreaposible.

Lascomputadorasenlosreceptoresestnprogramadasparaqueenelcasoqueobtenganunaseriedemedidasquenopuedaninterceptarenunnicopunto,reconozcanquehayalgnerroryasumanquesurelojinternoestdesfasado.Entonceslascomputadorascomienzanasumaroa restar lamismacantidadde tiempoacadamedidahastaencontrar un punto en el que todas coincidan. En el ejemplo lacomputadoradescubrirquerestandounsegundoacadamedidaestelnicopuntoenqueestascoincidenyasumequesurelojestunsegundo adelantado. De hecho las computadoras no utilizan elmtodo de prueba y error sino utilizan un sistema de cuatroecuaciones con cuatro incgnitas, pero en esencia el proceso es elmismo.

La conclusin es que para obtener medidas precisas en tresdimensionessenecesitancuatrosatlites.

Esto afecta el diseo de los receptores ya que si se necesitanmedidasdeposicinprecisas,continuasyentiemporeal,comoenlaAgricultura de Precisin, los receptores deben tener por lomenoscuatrocanalesparapoderrecibircuatrosatlitessimultneamente.


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5.2 UNRUDOVIAJEATRAVSDELAATMSFERA.

Hemos estado afirmando que podemos calcular la distancia a unsatlitemultiplicandoeltiempodeviajedesusealporlavelocidaddelaluz.Perolavelocidaddelaluzsloesconstanteenel

409_sistema de Posicionamiento Global Gps Aplicado Al Control de Maquinaria Pesada

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