Navigation Signal Timing and Ranging Global Positioning System

Miguel Martinez Rodilla

• Introducción

• Servicio ofrecido por el sistema GPS

• Configuración del sistema

• Funcionamiento

• Mensaje de Navegación

• D-GPS

• Aplicaciones

• NAVSTAR/GPS : Sistema de navegación por satélite desarrollado por las fuerzas aéreas de EEUU.

• En 1963 la Fuerza Aérea de los EE.UU. inició el "Proyecto 621B" para desarrollar un sistema de navegación tridimensional basado en satélites artificiales.

• Poco después la Marina de los EE.UU. emprendió otro proyecto similar conocido como "Timation".

• Ambos proyectos convergieron finalmente en el sistema NAVSTAR-GPS.

• El proyecto espacial más caro de la historia (unos 10.000 millones de dólares).

• OBJETIVOS:• Servir como referencia espacial y temporal para las tropas

militares.

• Dar cobertura en toda la superficie del planeta las 24 horas del día.

• El proyecto incluía 24 satélites, siendo el primero de todos lanzado en 1978.

• En 1991 quedó demostrada su potencialidad en la Guerra del Gofo Pérsico, a pesar de no estar 100% operativo.

• Debido al éxito de este “campo de pruebas”, y de la precisión alcanzada en la práctica, se aceleró el desarrollo final del proyecto.

• Determinación de la posición tridimensional

• Determinación tridimensional de la velocidad

• Determinación del tiempo exacto con un error de un microsegundo.

• Cobertura global las 24 horas del día.

• Alta fiabilidad.

• Gran precisión en todo tipo de condiciones atmosféricas.

• Versátil y válido para todo tipo de usuarios

• En teoría se podría conocer la situación con un error de 3 cm.

• En la practica se consigue una precisión con un error de 3 metros.

• Se crean 2 tipos de servicio:• SPS (Standard Positioning Service) : para usuarios civiles.

• PPS (Precise Positioning Service) : con fines militares.

• SPS introduce un error intencionado para conseguir 10 veces menor precisión que PPS (Disponibilidad Selectiva)

• Vamos a distinguir 3 segmentos:

• Segmento Espacial.

• Segmento de Control.

• Segmento de Usuario.

• Los satélites GPS se sitúan en 6 órbitas circulares semisíncronas con 4 satélites en cada órbita separados por 90º.

• Cada órbita está a una altitud de 20.169 km sobre la Tierra con una inclinación de 55º respecto del ecuador.

• De esta forma se asegura una cobertura global ininterrumpida que permite la visibilidad de un mínimo de 4 satélites

• La energía eléctrica se obtiene de paneles solares que proporcionan 600 W.

Segmento Espacial:

• Cada satélite lleva relojes atómicos de Cesio y Rubidio. • El reloj de Cesio es más estable para periodos cortos de tiempo,

• El de Rubidio es mas estable para periodos largos.

• Como se precisan grandes estabilidades en ambos términos cada satélite lleva 2 relojes de Cesio y 2 de Rubidio funcionando a una frecuencia de 10.23 MHz.

• La sincronización de los relojes y de las frecuencias del sistema GPS se realizan desde el Segmento de Control del sistema.

Segmento Espacial:

• Dada la gran exactitud precisada, hay que considerar los efectos relativistas provocados por la gran velocidad de los satélites y por la diferente gravedad existente a 20169 Km de la Tierra:• Relatividad Especial: Debido a la velocidad relativa entre los relojes

de la Tierra y los que están en los satélites, el reloj del satélite observado desde la Tierra va más lento de lo previsto.

• Relatividad General: El satélite está situado en un campo gravitatorio más tenue que en la Tierra, por lo que su reloj irá levemente más rápido que en la Tierra.

• Por tanto, a esa distancia, los relojes de los satélites van más rápido que los terrestres, por lo que aquí en la tierra se fijan a una frecuencia menor (10229999.99545 Hz).

Segmento Espacial:

Consiste en tres partes principales:

• La estación central en Colorado Springs (EE.UU.) que reúne la información de las estaciones de monitorización repartidas por todo el mundo. Realiza los cálculos correspondientes para que todo se desarrolle según la planificación y que todos los parámetros estén dentro de las tolerancias. Genera el mensaje de navegación y lo retransmite a los satélites para que éstos los difundan a los usuarios.

• Estaciones de monitorización. Distribuidas por todo el mundo. Disponen de precisos relojes atómicos y equipos receptores especiales que les permiten detectar derivas en los relojes o modificaciones en la calidad de los datos.

• Antena terrena del enlace "up-link" que comunica con los satélites en la banda S.

Segmento de Control:

• El segmento de usuario consiste en los aparatos receptores sobre la Tierra. El equipo de usuario es un dispositivo pasivo en el sentido de que sólo recibe información de los satélites, cuya misión es obtener la señal de los satélites, la demodulan y extraen la información de efemérides de los satélites, de correcciones, etc. y presentan la información al usuario final

• El sistema GPS permite que la localización de cada usuario la conozca solamente el usuario debido a que no se emite ningún tipo de señal, con lo que la privacidad del servicio se garantiza

Segmento de Usuario:

• Se utilizan referencias temporales absolutas.

• Si utilizamos sólo un satélite y conocemos su posición y la distancia que nos separa sabremos nuestra posición en un área de incertidumbre que es geométricamente una esfera.

• Si disponemos de dos satélites y conocemos sus posiciones y las dos distancias podremos determinar nuestra posición a lo

largo de una circunferencia

• Si conseguimos contar con otro satélite más podremos determinar nuestra posición en uno de los dos puntos en que se

cortan las tres esferas.

• Problema : el método para estimar la distancia hasta un satélite depende en extremo de la calidad de los relojes empleados para medir el tiempo Precisión en los receptores Extrema ! Precio Desorbitado !

• Solución : Nueva incógnita en el sistema.

• Para el receptor hay 4 incógnitas a resolver: las tres coordenadas de su posición y la diferencia entre su reloj local y el tiempo universal GPS.

37500 bits (12,5 min.)

25 tramas1500 bits/trama

5 subtramas300 bits/subtrama

10 palabras30 bits/palabra

30 bits

SUPER-TRAMA

• Desarrollado por los fabricantes de receptores civiles.

• Las técnicas de GPS diferencial se utilizan para eliminar los errores introducidos por la disponibilidad selectiva y otras fuentes de error.

• Se requiere que un receptor GPS esté situado en una posición cuidadosamente medida (Estación Base).

• Se consiguen precisiones de hasta 2 metros.

• Repostaje en vuelo bajo condiciones de visibilidad nulas.• Dirección de misiles autónomos.• Localización y control de tropas en operaciones militares

remotas. • Estabilización y orientación respecto a la Tierra de la estación

espacial internacional.• Localización de aeronaves en aeropuertos, lo que permitiría un

posible sistema de aterrizaje a ciegas o incluso automático.• Medida precisa de distancias.• Geodesia e investigación climática, medida de la dinámica

tectónica del planeta …• ...etc.