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• Vigilshino Castillo

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Ing. Santos Mera Terrones

GEOMÁTICA Proviene de la unión de dos vocablos, GEO que se refiere a TIERRA y MATICA que se refiere a INFORMÁTICA, estohace referencia al conjunto de las ciencias que estudian la Tierra y que son asistidas por la informática, son: • • • • • • •

Geodesia Topografía Cartografía Teledetección Fotogrametría Base de Datos Sistemas de Información Geográfica

GEODESIA Significar, tanto "divisiones geográficas de la Tierra", como también el acto de "dividir la Tierra“; trata del levantamiento y de la representación de la forma y de la superficie de la Tierra, global y parcial, con sus formas naturales y artificiales. Estudia a la Tierra desde tres aspectos: • La forma y dimensiones. • Campo gravitacional. • Posicionamiento de un punto.

SISTEMAS DE COORDENADAS Viene a ser todo aquello que nos permite ubicarnos en un contextos determinado, por ejemplo: un edificio, un programa de base de datos, la numeración municipal, un plano cartesiano, el día. Tener en cuenta que todos son diferentes contextos, sólo cuando nos mencionamos “Sistemas de Coordenadas Geográficas” nos estamos refiriendo al contexto geográfico espacial, y es en este caso que debemos de mencionar los componentes de un Sistema de Coordenadas Geográfico. • Datum • Proyección

TOPOGRAFÍA GEOIDE ELIPSOIDE

EVOLUCIÓN DEL SISTEMA DE POSICIONAMIENTO GLOBAL

GNSS “Sistemas Globales de Navegación por Satélite” Viene a ser constelaciones de satélites que transmite rangos de señales utilizados para el posicionamiento y localización en cualquier parte del globo terrestre, en tierra, mar o aire. Estos permiten determinar las coordenadas de un punto específico como resultado de la recepción de señales provenientes de satélites artificiales de la Tierra para fines de navegación sea esta terrestre, aérea o hidrográfica. Los precursores de los GNSS fueron los sistemas terrestres LORAN y Omega, que utilizaron los radiotransmisores de baja frecuencia (100 kHz) terrestres en vez de los satélites. El primer sistema de navegación por satélites fue el Transit, creado por el ejército de Estados Unidos en los años 1960, se basaba en el efecto Doppler. Los satélites viajan en trayectorias conocidas y difunden sus señales en una frecuencia conocida.

GNSS “Sistemas Globales de Navegación por Satélite” El sistema TRANSIT, también conocido como NAVSAT ( Navy Navigation Satellite System), este sistema fue pionero en mucho de sus características, tales como la corrección por el efecto de la ionosfera, los detectores solares de altitud lo que supuso grandes avances en muchas áreas de la ciencia. El lanzamiento de este satélite supuso también en la mejora de otros sistemas como los microprocesadores, consiguiéndose mejoras en estos tanto en tamaño, computación y demás características Este sistema se quedó obsoleto tras la aparición del GPS (Global Positioning System), ya que las mejoras electrónicas permitieron al sistema GPS realizar mediciones y cálculos de manera mucho más eficiente, por ello el sistema NAVSAT dejó de estar en funcionamiento en el año 1996

GNSS “Sistemas Globales de Navegación por Satélite” En la actualidad existen 4 sistemas que están bien desarrollados, pero de los cuales solo 1 se encuentra en funcionamiento al 100% dando el servicio a nivel mundial. • • • •

NAVSTAR GLONASS GALILEO BEIDOU ‐ COMPASS

Estados Unidos de Norteamérica URSS ‐ Rusia Unión Europea China

Global Positioning System o NAVSTAR GPS es la abreviatura de Global Positioning System y utiliza la constelación NAVSTAR, acrónimo en inglés de NAVigation System with Time And Ranging, diseñado por el Departamento de Defensa de los Estados Unidos, para permitir determinar la posición de los soldados en forma autónoma con unos 10 metros de precisión, desde 1973 que entró en desarrollo es gracias al presidente Ronald Reagan que se apertura su uso de manera civil sin costo alguno desde 1984. • Segmento Espacial. • Segmento de Control. • Segmento de Usuarios.

SEGMENTO ESPACIAL Satélites en la constelación: 24 (4 × 6 órbitas) mas los de repuesto llegan a ser de 27 a 31. Altitud: 20 200 km. Período: 11 h 58 min (12 horas sidéreas). Inclinación: 55 grados (respecto al ecuador terrestre). Vida útil: 7,5 años. Relojes atómicos de Cesio‐Rubidio con presición de nanosegundos. SEGMENTO DE CONTROL 1 estación de control maestra “Colorado Springs”y 4 estaciones monitoras de seguimiento “Hawai, Kwajalein, Isla de Ascensión y Diego García”. En la actualidad se incrementaros 6 estaciones NIMA, “Quito, Washington, Buenos Aires,, Hermitage, Bahrain y Salisbury”

CARACTERÍSTICAS DEL SISTEMA • Brinda una cobertura global. • Da servicio las 24 horas del día, los 365 días del año. • Proporciona gran precisión en información de posición y velocidad. • Proporciona servicio de Hora Precisa. • Cuenta con usuarios militares y civiles. • Está configurado para que en cualquier parte de la superficie terrestre cualquier usuario con un receptor GPS pueda captar como mínimo 4 satélites bajo cualquier condición climática. • Elimina la necesidad de ínter visibilidad de estaciones.

LA SEÑAL GPS Se transmiten 2 señales en longitud de ondas portadora, L1 y L2. L1: 1 575.42 MHz y λ:19 cm. modula el código C/A L2: 1 227.60 MHz y λ:24 cm. modula el código P Se insertan varios códigos binarios cifrados sobre las dos portadoras para el cálculo de las posiciones. Dentro de la L1 va el código C/A (Coarse/Acquisition), leído por todos los receptores tanto navegadores como diferenciales. EL código P (Precise) va utilizando las dos portadoras, es éste el que nos permitirá obtener la precisión alta tanto en posición como en velocidad. Recordar que los precios dependen de la precisión que se puede obtener con estos equipos. Además los equipos que sólo leen el código C/A son notablemente más económicos que los que pueden leer el código P, y aquel equipo que puede leer el código P también puede leer el C/A, pero no al revés.

SEGMENTO USUARIO Esta constituido por todos los receptores GPS, civiles y militares, es decir, los navegadores y los diferenciales. En esta parte encontramos modelos desde los clásicos de venta en el mercado para los diferentes usos como turismo, transporte, seguridad, etc., hasta los más especializados como pueden ser para monitoreo de especies en peligro de extinción, para el deporte, los de celulares, etc.

PRINCIPIO BÁSICO DE FUNCIONAMIENTO La distancia de un satélite a un receptor se calcula con la fórmula básica que nos enseñaron en la escuela (E = V x T); donde el espacio que se calcula es la distancia del satélite al receptor, la velocidad es la de la luz 300 000 Km/s y al ser ésta constante es fácil resolver la fórmula solo que para eso se necesitan relojes atómicos para medir con gran precisión el tiempo que se demora la señal en llegar al receptor desde su partida del satélite. Por esta razón es que los satélites cuentan con relojes atómicos. Si trabajamos con 1 satélite la posición estimada del receptor se encontraría sobre una esfera creada por el radio formado con la señal del satélite.

PRINCIPIO BÁSICO DE FUNCIONAMIENTO Si utilizamos dos satélites, la posición de nuestro receptor en este caso se encontrará en una zona de intersección entre estas dos esferas. Al trabajar con un tercer satélite obtendremos dos posiciones posibles de intersección, de los cuales sólo uno es el adecuado. Los receptores no cuentan con relojes atómicos para determinar cuál de estas posiciones es la correcta, es por esta razón que se necesita trabajar con un cuarto satélite.

PRINCIPIO BÁSICO DE FUNCIONAMIENTO Los cálculos de estas distancias sólo se pueden hacer al momento que llegan al receptor. Si tenemos cuatro incógnitas: X, Y, Z, T; y tenemos cuatro satélites se generan cuatro ecuaciones con las cuales se puede resolver el problema. Es así como la cuarta medición del cuarto satélite discrimina el tiempo y determina cuál de las dos posibles posiciones se encuentra en el nuestro planeta.

TIEMPO UNIVERSAL COORDINADO “UTC” Esto está relacionado con las longitud a la que se encuentran una ciudad en comparación con Greenwich, para entender esto debemos de darnos cuenta de algo: La Tierra se demora 24 horas en dar una vuelta completa sobre su eje, lo que se considera 360° de distancia, si dividimos nos daremos cuenta que para cada hora del día la Tierra avanza en su recorrido 15°, esa es la forma más simple de describir el significado de Huso Horario. Entonces, si el Perú se encuentra a una longitud de 75°Longitud Oeste, podremos decir que nos encontramos a 5 horas de diferencia del Meridiano Base, y como nos encontramos al Oeste entonces estamos 5 horas más tarde que ellos. Si en el Perú estamos a las 12 horas del día, entonces en Greenwich son las 17 horas.

FUENTES DE ERROR DEL SISTEMA GPS Desde el punto de vista matemático se trabajó esto pensando que el sistema GPS no tiene errores, pero podemos hacer un listado de todos los errores que podemos encontrar y clasificarlos según tres aspectos, los satélites, la propagación de la señal y el equipo que estemos utilizando. A continuación, de manera general explicaremos algunos de ellos.

FUENTES DE ERROR DEL SISTEMA GPS Retrasos ionosféricos y atmosféricos Es parecido al efecto que realiza la cuchara en un vaso con agua, la velocidad de la señal se ve afectada, la velocidad de la luz es contante en el vacío, pero veremos los factores que influyen es su retraso al atravesarla. a. Elevación del satélite, se debe a la mayor distancia que se tiene que recorrer la señal del satélite dentro de la ionósfera hasta llegar al receptor

FUENTES DE ERROR DEL SISTEMA GPS b. La densidad de la ionosfera a causa del Sol, este efecto es más intenso en el día retrasando la señal, durante la noche es mínimo. Cada 11 años la actividad solar llega a su máximo, con llamaradas o erupciones solares, el último año que se vio esto fue el 2012. La intensidad de las tormentas geomagnéticas, depende de la dirección del campo magnético de las erupciones solares. Si esta dirección es paralela al campo magnético terrestre, apenas tienen repercusión ya que la magnetosfera terrestre actúa de escudo protegiendo la entrada. La situación cambia cuando la dirección de incidencia es perpendicular a la de La Tierra. Se pondrían en juego las avanzadas tecnologías dependientes del Sistema GPS que subyacen en nuestras vidas: redes de datos, sistemas financieros, sistemas de transporte aéreo, la agricultura, ferrocarriles, servicios de emergencia, etc.

FUENTES DE ERROR DEL SISTEMA GPS c. El Vapor de agua también afecta la señal GPS, con la ionósfera el error es aproximadamente 4m, pero puede eliminarse utilizando receptores de frecuencia doble (L1 y L2) o SBAS como el WAAS; sin embargo el error de la tropósfera no puede eliminarse.

FUENTES DE ERROR DEL SISTEMA GPS Errores en los relojes de los satélites y del receptor Por la velocidad a la que viaja la señal se requieren equipos de alta precisión como relojes atómicos que son precisos hasta los nanosegundos, pero estos relojes solo se encuentran en los satélites, nuestros receptores no tienen este tipo de relojes, razón por la cual el segmento de control monitorea constantemente los satélites para corregir cualquier deriva de los satélites.

FUENTES DE ERROR DEL SISTEMA GPS Errores de Multitrayectoria A causa de su proximidad a superficie reflectora, tal como un lago o un edificio, la señal no llega directamente al receptor sino que recorre un camino más largo llegando primero a estas superficies y reflejandose finalmente en el equipo, acumulando más distancia, es conocida como multisenda o multicamino. Podemos reducir estos errores si usamos antenas adicionales a los equipos para capturar de manera más segura la señal

FUENTES DE ERROR DEL SISTEMA GPS Dilución de la Precisión Está en relación a los satélites y su posición, al estar ellos muy cercanos la figura geométrica que forman no es muy buena, por eso que cuando hay mayor cantidad de satélites esta geometría se incrementa mejorando la señal de los satélites.

FUENTES DE ERROR DEL SISTEMA GPS Disponibilidad selectiva(SA) Por cuestiones de seguridad nacional el Departamento de Defensa de los Estados Unidos implementó un error intencionado en el sistema GPS, llegando a degradar la precisión de la señal hasta en 100 m, esto fue desde 1990 hasta el año 2000, año en el que el presidente Clinton, con la intensión de hacer el servicio GPS más comercial. Desde entonces todos los usuarios comunes podemos llegar a tener una precisión normal en cualquier parte del mundo si sistemas SBAS de 10 m. Para el 11/9 se activó éste sistema con la finalidad de reducir los daños ocasionados por la actividad hostil, pero la administración declaró posteriormente que no tienen intensión de volver a usarla.

FUENTES DE ERROR DEL SISTEMA GPS Anti‐Spoofing (A‐S) Similar a la SA, fue concebido para evitar que fuerzas hostiles puedan acceder al sistema, utilizar la señal en su beneficio decodificando el código P, entonces lo que sucedería es que el código P sería encriptado en una nueva señal conocida como código Y, para lo cual, al igual que en el caso de la SA, sólo los equipos de tipo militares podrían acceder a éste.

FUENTES DE ERROR DEL SISTEMA GPS PÉRDIDA DE CICLO Llamado también “cycle slip”, está referida a la pérdida de la continuidad de la recepción de la señal a causa de una obstrucción, sea esta por árboles, edificios o lo angosto que es el lugar donde queremos captar la señal como quebradas o zonas encañonadas; también se puede deber a la baja calidad de la señal a causa de la poca elevación del satélite o condiciones de la atmósfera, sea en la tropósfera o la ionósfera.

Resumen de las fuentes de error del sistema GPS  /  Errores típicos, en metros (Por cada satélite)

Fuentes de Error 

GPS Actual Desde 2/5/2000 

GPS Standard Hasta 2/5/2000 

GPS Diferencial 

Reloj del Satélite 

1.5 

1.5 

0 

Errores Orbitales 

2.5 

2.5 

0 

Ionósfera 

5.0 

5.0 

0.4 

Tropósfera 

0.5 

0.5 

0.2 

Ruido en el Receptor 

0.3 

0.3 

0.3 

Multisenda

0.6

0.6

0.6

0 

30

0 

Horizontal 

15 

50 

1.3 

Vertical 

24 

78 

2.0 

3‐D 

28 

93 

2.8 

Disponibilidad Selectiva  Exactitud Promedio de la Posición 

Fuente: http://www.laradiobbs.net/documentaciones-y-o-articulos/137-fundamentos-del-sistema-gps-parte-1%BA.html

Sistema de Aumentación Basado en Satélites “SBAS” Es un sistema que permite corregir la señal de los GNSS y aumentar considerablemente su precisión. Actualmente están desarrollados los siguientes sistemas SBAS: • WAAS (Wide Area Augmentation System) de los Estados Unidos. • EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay Service), de la Agencia Espacial Europea. • MSAS (Multi‐Functional Satellite Augmentation System), de Japón. • GAGAN (GPS and GEO Augmented Navigation), de la India.

WAAS (Wide Area Augmentation System) Surgió de la necesidad de una mayor precisión en el aterrizaje de aviones y navegación aérea en general, la cual fue promovido y desarrollado por la Agencia Federal de Aviación (FAA) y el Departamento de Transportes Estados Unidos. Es un sistema de satélites y estaciones terrestres que proporcionan correcciones de la señal GPS, un receptor con WAAS puede dar una precisión superior a tres metros el 95 % del tiempo. 25 estaciones de referencia del suelo situado en los Estados Unidos supervisan los datos de satélite GPS, dos estaciones principales, ubicados en ambas costas, recopilar datos de las estaciones de referencia y crear un mensaje de corrección GPS, este mensaje de corrección diferencial es difundido por uno de los dos satélites en órbita geoestacionaria.

BIBLIOGRAFÍA •

El funcionamiento del GPS: un repaso a los principales componentes, tipos de receptores y métodos. (2567422‐el‐funcionamiento‐del‐gps.pdf). Como funciona el sistema GPS, en cinco passos lógicos (GPS.pdf).

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SISTEMA DE POSICIONAMIENTO GLOBAL (gps_teoria_nov10.pdf), Jorge Fallas. Introducción al Sistema GPS (Sistema de Posicionamiento Global)(GPSBasics_es.pdf), Leica. El Sistema de Posicionamiento Global – GPS (IN65700.pdf), University of Florida. GPS for Dummies (GPS for Dummies.pdf), www.getpedia.com Manual de uso del GPS (PUBL458.pdf), Instituto del Bien Comun. Sistema de Posicionamiento Global (https://es.wikipedia.org/wiki/Sistema_de_posicionamiento_global). SBAS (https://es.wikipedia.org/wiki/SBAS). Wide Area Augmentation System (https://es.wikipedia.org/wiki/WAAS).

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What is WAAS?(http://www8.garmin.com/aboutGPS/waas.html). Fundamentos del sistema GPS (http://www.laradiobbs.net/documentaciones‐y‐o‐articulos/137‐ fundamentos‐del‐sistema‐gps‐parte‐1%BA.html).

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