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UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTIN

Escuela Profesional de Ingeniería Civil GEODESIA SATELITAL

TRABAJO DE INVESTIGACION FORMATIVA “SISTEMA GLOBAL DE NAVEGACIÓN POR SATELITE” Elaborado por: JOHN JIMMY GUEVARA LAURA

Docente: ING. GERHARD P. RODRIGUEZ GUILLEN

AREQUIPA – PERÚ Septiembre del 2019

INDICE RESUMEN................................................................................................................................- 3 OBJETIVOS .............................................................................................................................- 4 1.

OBJETIVO GENERAL ................................................................................................- 4 -

2.

OBJETIVOS ESPECIFICOS ........................................................................................- 4 -

CONTENIDO ...........................................................................................................................- 4 1. SISTEMA GLOBAL DE NAVEGACIÓN POR SATÉLITE (GNSS): ...........................- 4 1.1 HISTORIA .................................................................................................................- 4 1.2 DESCRIPCIÓN ..........................................................................................................- 5 1.3 FUNCIONAMIENTO ................................................................................................- 6 2. GPS, GLONASS Y GALILEO: .......................................................................................- 6 2.1 HISTORIA .................................................................................................................- 6 2.2 CARACTERISTICAS Y DESARROLLO ACTUAL .............................................- 10 3. RECEPTORES NAVEGADOR, TOPOGRÁFICO Y GEODÉSICO: ...........................- 18 3.1 DGPS O GPS DIFERENCIAL.................................................................................- 18 3.2 INTEGRACIÓN CON TELEFONÍA MÓVIL ........................................................- 20 3.3 INTEGRACIÓN CON RELOJES INTELIGENTES ...............................................- 20 3.4 APLICACIONES .....................................................................................................- 21 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ......................................................................- 22 -

RESUMEN Los sistemas de posicionamiento Global constituyen, hoy por hoy, unos de los sistemas más usados y con mayores expectativas de futuro. Este hecho los obliga a estar en continua evolución para que la comunidad mundial obtenga resultados cada vez más satisfactorios. Pero es esta comunidad, y en concreto los profesionales de las materias afectadas, y en nuestro caso particular en la industria de la Ingeniería Civil, debemos disponer de la documentación y experiencias necesarias para llegar a dominar estos métodos de trabajo y obtener de ellos el máximo rendimiento.

El objetivo de este trabajo no es otro que conocer y desarrollar los actuales sistemas de navegación por satélite, así como sus usos y aplicaciones en la industria de la construcción, del mismo modo orientar de forma básica a los usuarios de estos sistemas a entender su funcionamiento y posibilidades de desarrollo, abriendo el campo de la medida por satélite como una poderosa herramienta de trabajo, y que hoy por hoy, se está convirtiendo en el método más usado por su precisión y rapidez en los campos de la construcción, ingeniería, agrimensura, navegación aérea, marítima v terrestre, o simplemente para actividades de recreación, siendo este el motivo por el cual no debe pasar desapercibido por ninguno de nuestros profesionales.

En el presente trabajo se desarrolla un recuento de la historia y análisis del sistema GPS, GLONASS y GALILEO, así como sus características, su desarrollo actual (o en vias de implementarse), tendientes a mejorar la precisión, disponibilidad, integridad y continuidad del posicionamiento tanto terrestre, marítimo y aéreo.

Finalmente describimos los receptores o navegadores, que se utilizan en la actualidad, más versátiles y sus características y las aplicaciones que se llevan a cabo.

OBJETIVOS 1. OBJETIVO GENERAL Conocer la historia y el desarrollo actual del Sistema de navegación por satélite y los tipos de receptores usados.

2. OBJETIVOS ESPECIFICOS 

Hacer de conocimiento del alumno respecto de los tipos de sistemas de navegación existentes.



Desarrollar los conceptos conocidos de los sistemas de navegación satelital



Conocer los diferentes instrumentos de navegación que se utilizan en la actualidad.

CONTENIDO 1. SISTEMA GLOBAL DE NAVEGACIÓN POR SATÉLITE (GNSS): Para hablar de sistemas GNSS debemos definir el término GNSS (Global Navigation Satellite System). Se denomina así, de forma genérica a los Sistemas de Navegación por Satélite que proporcionan un posicionamiento geoespacial con cobertura global, tanto de forma autónoma, como con sistemas de aumentación. Un sistema global de navegación por satélite (Global Navigation Satellite System, GNSS) es una constelación de satélites que transmite rangos de señales utilizados para el posicionamiento y localización en cualquier parte del globo terrestre, ya sea en tierra, mar o aire. Estos permiten determinar las coordenadas geográficas y la altitud de un punto dado como resultado de la recepción de señales provenientes de constelaciones de satélites artificiales de la Tierra para fines de navegación, transporte, geodésicos, hidrográficos, agrícolas, y otras actividades afines. Un sistema de navegación basado en satélites artificiales puede proporcionar a los usuarios información sobre la posición y la hora (cuatro dimensiones) con una gran exactitud, en cualquier parte del mundo, las 24 horas del día y en todas las condiciones climatológicas.

1.1 HISTORIA El sistema GPS (el más conocido de los sistemas GNSS) tuvo un origen militar, a partir de que en 1983 dos cazas soviéticos derribaran un Boeing de la Korean Ailines que por un error en el posicionamiento. A partir de este momento el sistema de navegación por satélite fue un proyecto fundamental para el gobierno de los Estados Unidos. En el año 2014 GPS y GLONASS son los únicos sistemas globales plenamente operativos, en breve se sumará de forma parcial el sistema chino BEIDOU, y posiblemente en 2016 GALILEO, además se están desarrollando sistemas

regionales. También debemos mencionar los sistemas de aumentación operativos WAAS, EGNOS, SMSAS, y otros en desarrollo.

1.2 DESCRIPCIÓN Los sistemas de posicionamiento por satélite permiten determinar coordenadas geográficas de un punto y de tiempo con relativa exactitud en cualquier parte del mundo, las 24 horas del día y en todas las situaciones climatológicas. Para alcanzar precisiones mayores, suficientes para el trabajo de Topografía, Geodesia y Geomática, se deberán aplicar una serie de correcciones. La cobertura global con el uso de sistemas GNSS se logra mediante constelaciones nominales de unos 24-27 satélites, ubicados en diferentes planos orbitales (3 o 6), elípticos, con inclinaciones respecto al plano ecuatorial que van entre los 55º y los 65º, a una altura que oscila entre los 19100 y los 28000 km (órbitas MEO), lo que supone períodos orbitales de unas 12 horas. Los sistemas globales de posicionamiento asistidos por satélites están formados por tres partes: sector espacial, compuesto por satélites con relojes de buena precisión, que transmiten señales de radio; sector de control, formado por estaciones de monitorización y control de los satélites; y el sector de usuario, englobado por los receptores que determinan la localización del usuario final. y sirven para qué dispositivos electrónicos determinen su posición (longitud, latitud y altitud) con errores de algunos metros o incluso centímetros, y ofrecen una escala de tiempo atómico globalEn la actualidad podemos hablar de cuatro sistemas: 

El sistema global de posicionamiento con ayuda de satélites de la constelación americana NAVSTAR (Navigation System by Timing and Ranging) recibe el nombre de Sistema de Posicionamiento Global o GPS



El sistema de navegación global con satélites rusos se le llama GLONASS



El futuro de navegación europeo, GALILEO, parecido al GPS pero con tecnología más fiable, y de uso más abierto,



El sistema de navegación BEIDOU es un proyecto desarrollado por la República popular China para obtener un sistema de navegación por satélite. china es también está asociada con el proyecto Galileo

Estos sistemas en la actualidad emplean sistemas de aumentación de la precisión (SBSS) para mejorar sus precisiones. existen en la actualidad tres iniciativas localizadas en tres continentes que emplean satélites geoestacionarios para este fin: EGNOS en Europa; WAAS en EEUU; MSAS en Japón. Estos sistemas ofrecen datos de uno o más sistemas GNSS. por ejemplo EGNOS utiliza las señales del GPS y del GLONASS y otros satélites geoestacionarios para mejorar la precisión, integridad y disponibilidad de datos para navegación.

1.3 FUNCIONAMIENTO El funcionamiento de los sistemas de navegación por satélite se basa en la medida de las distancias existentes entre el receptor cuya posición se quiere determinar y un conjunto de satélites cuya posición se conoce con gran precisión. este proceso es muy conocido en el entorno topográfico pues se conoce como trilateracion inversa 3D. para medir estas distancias Existen tres métodos: medida de desplazamiento Doppler, medida basada en retardos temporales o medida por pseudodistancias, y medidas basadas en diferencia de fase.

2. GPS, GLONASS Y GALILEO: 2.1 HISTORIA GPS (Global Positioning System) El Sistema GPS fue creado por el Departamento de defensa de los Estados Unidos para constituir un sistema de navegación preciso con fines militares. para ello, aprovecharon las condiciones de la propagación de las ondas de radio de la Banda L en el espacio, así como la posibilidad de modular las ondas para que en ellas se pueda incluir la información necesaria que permita posicionar un objeto en el sistema de referencia apropiado. Este proyecto se hizo realidad entre los meses de febrero y diciembre de 1978, cuando se lanzaron los cuatro primeros satélites de la constelación Navstar, Qué hacían posible resolver la incógnita de nuestra posición en la tierra El Sistema de Posicionamiento Global (en inglés, GPS; Global Positioning System), y originalmente Navstar GPS, es un sistema que permite determinar en toda la Tierra la posición de cualquier objeto (una persona, un vehículo) con una precisión de hasta centímetros (si se utiliza GPS diferencial), aunque lo habitual son unos pocos metros de precisión. El sistema fue desarrollado, instalado y empleado por el Departamento de Defensa de los EE. UU. Para determinar las posiciones en el globo, el sistema GPS se sirve de 3 o más satélites y utiliza la trilateración. En la práctica, normalmente son necesarios 4 o más satélites para determinar la posición con cierta precisión. El GPS funciona mediante una red de como mínimo 24 satélites en órbita sobre el planeta Tierra, de 20 a;180 km de altura, con trayectorias sincronizadas para cubrir toda la superficie de la Tierra. Cuando se desea determinar la posición tridimensional, el receptor que se utiliza para ello localiza automáticamente como mínimo cuatro satélites de la red, de los que recibe unas señales indicando la identificación y hora del reloj de cada uno de ellos, además de información sobre la constelación. Con base en estas señales, el aparato sincroniza el reloj del GPS y calcula el tiempo que tardan en llegar las señales al equipo, y de tal modo mide la distancia al satélite mediante el método de trilateración inversa, el cual se basa en determinar la distancia de cada satélite al punto de medición. Conocidas las distancias, se determina fácilmente la propia posición relativa

respecto a los satélites. Conociendo además las coordenadas o posición de cada uno de ellos por la señal que emiten, se obtiene la posición absoluta o coordenadas reales del punto de medición. También se consigue una gran exactitud en el reloj del GPS, similar a la de los relojes atómicos que lleva a bordo cada uno de los satélites.

GLONASS (Global'naya Navigatsionnaya Sputnikovaya Sistema) GLONASS (acrónimo en ruso, ГЛОНАСС, ГЛОбальная НАвигационная Спутниковая Система, traducido es: Global'naya Navigatsionnaya Sputnikovaya Sistema) es un Sistema

Global de Navegación por Satélite (GNSS) desarrollado por la Unión Soviética, siendo hoy administrado por la Federación Rusa y que constituye el homólogo del GPS estadounidense y del Galileo europeo. GLONASS es un sistema de navegación por satélite iniciado por el Ministerio de defensa de la unión soviética en los años 80. en los años noventa se notaba un gran Progreso de la constelación GLONASS, pero debido a la situación política y Consecuentemente económica de La Unión soviética tras su desmembración, La constelación sufrió el comienzo de su colapso. en el resultado de un acuerdo entre EEUU y la antigua Unión soviética, aparecieron equipos receptores de ambos sistemas, GPS y GLONASS, para favorecer el número de observables y mejorar la precisión Pues en aquella época existían intervalos de tiempo en los que en el horizonte no se podían observar más de 4 satélites GPS, si por lo menos se disponían de tres satélites GLONASS, el posicionamiento se mejoraba. Los tres primeros satélites fueron colocados en órbita en octubre de 1982. El sistema fue pensado para ser funcional en el año 1991, pero la constelación no fue terminada hasta diciembre de 1995 y comenzó a ser operativo el 18 de enero de 1996. Ese mismo año la ya Federación Rusa ofreció el canal de exactitud normalizada (CSA) del GLONASS para apoyar las necesidades de la Organización de Aviación Civil Internacional OACI, y ésta aceptó el ofrecimiento. GLONASS utilizó inicialmente el sistema geodésico ruso PZ-90 que era sensiblemente diferente del sistema WGS 84; y como los parámetros de transformación entre los dos sistemas de referencia no se conocían con precisión, era necesario prestar atención a los sistemas a los que se referían los datos recibidos. En septiembre de 2007, el sistema fue adaptado y actualizado. Llamado PZ90.02, está de acuerdo con el sistema ITRF2000, que se ajusta como WGS 84. La situación económica de Rusia en los años 90 supuso que en abril de 2002 sólo 8 satélites estuvieran completamente operativos. En 2004, 11 satélites se encontraban en pleno funcionamiento. A finales de 2007 son 19 los satélites operativos. Son necesarios 18 satélites para dar servicio a todo el territorio ruso y 24 para poder estar disponible el sistema en todo el mundo.

En 2007, Rusia anuncia que a partir de ese año se eliminan todas las restricciones de precisión en el uso de GLONASS, permitiendo así un uso comercial ilimitado. Hasta entonces las restricciones de precisión para usos civiles eran de 30 metros. La aparición en el mercado de receptores que permiten recibir señales pertenecientes a los dos sistemas GLONASS y GPS (con sistemas de referencia diferentes) hace interesantes las posibilidades de GLONASS en la medición como apoyo al GPS estadounidense.

GALILEO La Unión Europea desarrolló el sistema de navegación GALILEO. En diciembre de 2016 la Comisión Europea, propietaria del sistema, informó que el sistema de navegación Galileo comenzó sus operaciones y que los satélites ya envían información de posicionamiento, navegación y determinación de la hora a usuarios de todo el mundo. Galileo es el sistema europeo de radionavegación y posicionamiento por satélite desarrollado por la Unión Europea (UE) conjuntamente con la Agencia Espacial Europea. Este programa dota a la Unión Europea de una tecnología independiente del GPS estadounidense y el GLONASS ruso. Al contrario de estos dos, es de creación, gestión y uso civil. El sistema se puso en marcha el 15 de diciembre del 2016 con alrededor de media constelación de los satélites que lo componen y será completado para 2020 A finales del siglo XX, un grupo de estados de la Unión Europea comenzaron a mostrar cierto rechazo e inseguridad sobre los sistemas GPS (de origen estadounidense) y GLONASS (de origen ruso). Este grupo de países temía que, en caso de conflicto armado internacional, tanto Estados Unidos como Rusia limitaran o dificultaran el acceso a estos sistemas a los países de la Unión Europea, limitando así la operatividad militar y civil de la región. Paralelamente, también mostraron cierta preocupación sobre la precisión y efectividad de los sistemas GPS y GLONASS, especialmente de cara al futuro.4 Ante esta situación, la Unión Europea —junto con la Agencia Espacial Europea—, anunció en 2003 el proyecto GALILEO, un sistema de geolocalización desarrollado y gestionado íntegramente por organismos europeos, asegurando así la independencia de la región y mejorando los servicios de posicionamiento.4 Las fases establecidas para la implementación del sistema fueron: 

Definición (2000-2003)



Desarrollo y validación en órbita (2004-2008)



Despliegue (2008-2010)



Explotación comercial (a partir de 2010-2015)

En julio de 2005, entró en funcionamiento el sistema EGNOS, un sistema de aumentación basado en satélites (SBAS) que corrige las señales de sistemas de navegación por satélite en Europa. Por el momento, este sistema está disponible para mejorar la precisión y dar integridad a las señales de GPS y GLONASS, y se espera que en un futuro mejore también la señal de GALILEO. En otras regiones del mundo hay otros sistemas similares compatibles con EGNOS: WAAS de Estados Unidos, MSAS de Japón y el GAGAN de la India. El 28 de diciembre de 2005, se lanzó el satélite de pruebas GIOVE-A (Galileo In-Orbit Validation Element), primero de este sistema de localización por satélite, desde el cosmódromo de Baikonur, en Kazajistán. El segundo de los satélites de prueba, el GIOVE-B debería haberse lanzado en abril de 2006, pero por problemas con el ordenador a bordo, el lanzamiento fue retrasado hasta el 25 de abril de 2008, teniendo lugar desde el mismo cosmódromo. Ambos satélites han sido retirados en 2012 después de cumplir su periodo de vida. Entre los años 2011 y 2012, se completó la fase IOV (In-Orbit Validation) con cuatro nuevos satélites, lográndose en julio de 2013 la fijación de la posición utilizando esos cuatro satélites — cualquier dispositivo electrónico requiere un mínimo de cuatro satélites para realizar correctamente un geoposicionamiento—. La última de las fases, conocida como FOC (Final Operation Capability), añade 26 satélites a los 4 anteriores —30 satélites operativos en total en tres órbitas diferentes—, permitiendo así la operatividad completa del sistema y el inicio de los servicios. Esta última fase está previsto completarse en 2020, lo que representa una década de retraso sobre la fecha inicialmente prevista. En el campo del servicio para aplicaciones críticas (Safety-of-Life - SoL), se marca un hito al implementarse los primeros sistemas de aproximación LPV-200 en el aeropuerto de París Charles de Gaulle. Por otro lado, el primer teléfono móvil preparado para Galileo fue de una compañía española. Al mismo, le siguieron otros modelos de fabricantes mayoritarios.8 En diciembre de 2016 la Comisión Europea, propietaria del sistema, informó que Galileo comenzó sus operaciones y que los satélites ya envían información de posicionamiento, navegación y determinación de la hora a usuarios de todo el mundo. El sistema se puso en marcha el 15 de diciembre del 2016,9 con alrededor de la mitad (17 satélites) de la constelación prevista que será completada para el año 2020. En Julio de 2019 hay 22 satélites operativos. La ESA ha supervisado el diseño y el despliegue de Galileo y en el año 2017 cedió las operaciones del sistema y la provisión de servicios a la Agencia Europea del Sistema Global de Navegación por Satélite (GSA)

BEIDOU La República Popular China está implementando su propio sistema de navegación, el denominado BEIDOU, que está previsto que cuente con 12 y 14 satélites entre 2011 y 2015. Para 2020, ya plenamente operativo deberá contar con 30 satélites. En diciembre de 2012 tenían 14 satélites en órbita. El sistema de navegación por satélite BeiDou (BDS; en chino, 北斗卫星导航系统; pinyin, Běidǒu Wèixīng Dǎoháng Xìtǒng) es un sistema de navegación por satélite chino. Se compone de dos constelaciones de satélites separadas. El primer sistema BeiDou, oficialmente llamado Sistema Experimental de Navegación por Satélite BeiDou y también conocido como BeiDou-1, consta de tres satélites que desde el 2000 han ofrecido cobertura limitada y servicios de navegación, principalmente para usuarios en China y regiones vecinas. Beidou-1 fue dado de baja a finales de 2012. La segunda generación del sistema, llamada oficialmente sistema de navegación por satélite BeiDou (BDS) y también conocida como COMPASS o BeiDou-2, comenzó a funcionar en China en diciembre de 2011 con una constelación parcial de 10 satélites en órbita.1 Desde diciembre de 2012, ha estado ofreciendo servicios a clientes en la región de Asia-Pacífico. En 2015, China comenzó la construcción del sistema BeiDou de tercera generación (BeiDou-3) para la constelación de cobertura global. El primer satélite BDS-3 se lanzó el 30 de marzo de 2015. A partir de octubre de 2018, se lanzaron quince satélites BDS-3. BeiDou-3 eventualmente tendrá 35 satélites y se espera que brinde servicios globales una vez que finalice en 2020. Cuando se complete, BeiDou proporcionará un sistema alternativo de navegación por satélite global al Sistema de Posicionamiento Global (GPS) de los Estados Unidos, el GLONASS ruso o el sistema europeo Galileo y se espera que sea más precisos que estos. Se afirmó en 2016 que BeiDou-3 alcanzará una precisión milimétrica (con posprocesamiento). Según China Daily, en 2015, quince años después de que se lanzara el sistema satelital, estaba generando una facturación de $ 31.5 mil millones por año para grandes compañías como China Aerospace Science and Industry Corp, AutoNavi Holdings Ltd y China North Industries Group Corp. El 27 de diciembre de 2018, el sistema de navegación por satélite BeiDou comenzó a proporcionar servicios globales. "Beidou" es el nombre chino para la constelación de la Osa Mayor.

2.2 CARACTERISTICAS Y DESARROLLO ACTUAL GPS El Sistema Global de Navegación por Satélite lo componen: 

Satélites en la constelación: 24 (4 × 6 órbitas)



Altitud: 20 200 km



Período: 11 h 58 min (12 horas sidéreas)



Inclinación: 55 grados (respecto al ecuador terrestre).



Vida útil: 7,5 años



Hora: 1 ns



Cobertura: mundial



Capacidad de usuarios: ilimitada



Sistema de coordenadas:8.000

La señal GPS.- Cada satélite GPS emite continuamente un mensaje de navegación a 50 bits por segundo en la frecuencia transportadora

de

microondas

de

aproximadamente 1.600 MHz. La radio FM, en comparación, se emite a entre 87,5 y 108,0 MHz y las redes Wi-Fi funcionan a alrededor de 5000 MHz y 2400 MHz. Más concretamente, todos los satélites emiten a 1575,42 MHz (esta es la señal L1) y 1227,6 MHz (la señal L2). La señal GPS proporciona la “hora de la semana” precisa de acuerdo con el reloj atómico a bordo del satélite, el número de semana GPS y un informe de estado para el satélite de manera que puede deducirse si es defectuoso. Cada transmisión dura 30 segundos y lleva 1500 bits de datos codificados. Esta pequeña cantidad de datos está codificada con una secuencia pseudoaleatoria (PRN) de alta velocidad que es diferente para cada satélite. Los receptores GPS conocen los códigos PRN de cada satélite y por ello no sólo pueden decodificar la señal sino que la pueden distinguir entre diferentes satélites. Las transmisiones son cronometradas para empezar de forma precisa en el minuto y en el medio minuto tal como indique el reloj atómico del satélite. La primera parte de la señal GPS indica al receptor la relación entre el reloj del satélite y la hora GPS. La siguiente serie de datos proporciona al receptor información de órbita precisa del satélite. Evolución del sistema GPS Estación y receptor GPS profesionales para precisiones centimétricas. 

Incorporación de una nueva señal en L1 para uso civil.



Adición de una tercera señal civil (L5): 1176,45 MHz



Protección y disponibilidad de una de las dos nuevas señales para servicios de Seguridad para la Vida (SOL).



Mejora en la estructura de señales.



Incremento en la potencia de señal (L5 tendrá un nivel de potencia de –154 dB).



Mejora en la precisión (1-5 m).



Aumento en el número de estaciones de monitorización: 12 (el doble)



Permitir mejor interoperabilidad con la frecuencia L1 de Galileo

El programa GPS III persigue el objetivo de garantizar que el GPS satisfaga requisitos militares y civiles previstos para los próximos 30 años. Este programa se está desarrollando para utilizar un enfoque en tres etapas (una de las etapas de transición es el GPS II); muy flexible, permite cambios futuros y reduce riesgos. El desarrollo de satélites GPS II comenzó en 2005, y el primero de ellos estará disponible para su lanzamiento en 2012, con el objetivo de lograr la transición completa de GPS III en 2017. Los desafíos son los siguientes: 

Representar los requisitos de usuarios, tanto civiles como militares, en cuanto a GPS.



Limitar los requisitos GPS III dentro de los objetivos operacionales.



Proporcionar flexibilidad que permita cambios futuros para satisfacer requisitos de los usuarios hasta 2030.



Proporcionar solidez para la creciente dependencia en la determinación de posición y de hora precisa como servicio internacional.

El sistema ha evolucionado y de él han derivado nuevos sistemas de posicionamiento, como sistemas de posicionamiento dinámicos, un sistema de captura de datos, que permite al usuario realizar mediciones en tiempo real y en movimiento, el llamado Mobile Mapping. Este sistema obtiene cartografía móvil 3D basándose en un aparato que recoge un escáner láser, cámaras métricas, un sensor inercial (IMU), sistema GNSS y un odómetro a bordo de un vehículo. Se consiguen grandes precisiones, gracias a las tres tecnologías de posicionamiento: IMU + GNSS + odómetro, que trabajando a la vez dan la opción de medir incluso en zonas donde la señal de satélite no es buena. Funcionamiento Receptor GPS..- La información que es útil al receptor GPS para determinar su posición se llama efemérides. En este caso cada satélite emite sus propias efemérides, en la que se incluye la salud del satélite,su posición en el espacio, su hora atómica, información doppler, etc. Mediante la trilateración se determina la posición del receptor: 

Cada satélite indica que el receptor se encuentra en un punto en la superficie de la esfera, con centro en el propio satélite y de radio la distancia total hasta el receptor.

 Obteniendo información de dos

satélites queda determinada una

circunferencia que resulta cuando se intersecan las dos esferas en algún punto de la cual se encuentra el receptor.  Teniendo información de un tercer satélite, se elimina el inconveniente de la falta de sincronización entre los relojes de los receptores GPS y los relojes de los satélites. Y es en este momento cuando el receptor GPS puede determinar una posición 3D exacta (latitud, longitud y altitud). Fiabilidad de los datos Debido al carácter militar del sistema GPS, el Departamento de Defensa de los EE. UU. se reservaba la posibilidad de incluir un cierto grado de error aleatorio, que podía variar de los 15 a los 100 m. La llamada disponibilidad selectiva (S/A) fue eliminada el 2 de mayo de 2000. Aunque actualmente no aplique tal error inducido, la precisión intrínseca del sistema GPS depende del número de satélites visibles en un momento y posición determinados. Si se capta la señal de entre siete y nueve satélites, y si éstos están en una geometría adecuada (están dispersos), pueden obtenerse precisiones inferiores a 2,5 metros en el 95 % del tiempo. Si se activa el sistema DGPS llamado SBAS (WAAS-EGNOS-MSAS), la precisión mejora siendo inferior a un metro en el 97 % de los casos. Estos sistemas SBAS no se aplican en Sudamérica, ya que esa zona no cuenta con este tipo de satélites geoestacionarios. La funcionabilidad de los satélites es por medio de triangulación de posiciones para proporcionar la posición exacta de los receptores (celulares, vehículos, etc.). Fuentes de error Representación visual en movimiento de la constelación de satélites GPS en conjunción con la rotación de la Tierra. Se puede ver cómo el número de satélites visibles desde un determinado punto de la superficie de la Tierra, en esta ilustración a 45° N, va cambiando con el tiempo. La posición calculada por un receptor GPS requiere en el instante actual la posición del satélite y el retraso medido de la señal recibida. La precisión es dependiente de la posición y el retraso de la señal. Al introducir el retraso, el receptor compara una serie de bits (unidad binaria) recibida del satélite con una versión interna mediante (un motor de correlación cableado en un chip

especializado,

basado

en

la

patente

Gronemeyer'216). Cuando se comparan los límites de la serie, las electrónicas pueden fijar la diferencia a 1 % de un tiempo BIT, o aproximadamente 10 nanosegundos por el código C/A. Desde entonces las señales GPS se propagan a la velocidad de luz, que representa un error de 3 metros. Este es el error mínimo posible usando solamente la señal GPS C/A.

La precisión de la posición se mejora con una señal P(Y). Al presumir la misma precisión de 1 % de tiempo BIT, la señal P(Y) (alta frecuencia) resulta en una precisión de más o menos 30 centímetros. Los errores en las electrónicas son una de las varias razones que perjudican la precisión (ver la tabla). Puede también mejorarse la precisión, incluso de los receptores GPS estándares (no militares) mediante software y técnicas de tiempo real. Esto ha sido puesto a prueba sobre un sistema global de navegación satelital (GNSS) como es el NAVSTAR-GPS. La propuesta se basó en el desarrollo de un sistema de posicionamiento relativo de precisión dotado de receptores de bajo costo. La contribución se dio por el desarrollo de una metodología y técnicas para el tratamiento de información que proviene de los receptores. Fuente

Efecto

Ionosfera

±3m

Efemérides

± 2,5 m

Reloj satelital

±2m

Distorsión multibandas ± 1 m Troposfera

± 0,5 m

Errores numéricos

± 1 m o menos



Retraso de la señal en la ionosfera y la troposfera.



Señal multirruta, producida por el rebote de la señal en edificios y montañas cercanos.



Errores de orbitales, donde los datos de la órbita del satélite no son completamente precisos.



Número de satélites visibles.



Geometría de los satélites visibles.



Errores locales en el reloj del GPS.

Factores que Afectan la Calidad de los Datos: Errores Propios del Satélite. Se refiere a los errores que afectan la calidad de los resultados obtenidos en una medición GPS. Errores orbitales (efemérides): Debido a que los satélites no siguen una órbita kepleriana normal por causa de las perturbaciones, se requieren mejores estimadores de órbitas, lo que implica un proceso que está obstaculizado por conocimientos insuficientes de las fuerzas que actúan sobre los satélites. Estos errores afectan la determinación de la posición del satélite en un instante determinado con respecto a un sistema de referencia seleccionado. Para disminuir el error en vez de utilizar las efemérides captadas en el receptor se utilizan efemérides precisas calculadas por el IGS y NASA días después de la medición. Errores del reloj: Se refieren a las variaciones en el sistema de tiempo del reloj del satélite, producidas por la deriva propia de los osciladores y las originadas por la acción de los efectos

relativísticos. Dichos errores conllevan a que exista un diferencial entre el sistema de tiempo del satélite y del sistema GPS, el cual no va a ser constante para todos los satélites sino que varia de uno a otro, debido a que la frecuencia estándar de los osciladores de los satélites tiene valores definidos para cada satélite. Errores de la configuración geométrica: las incertidumbres en un posicionamiento son consecuencia de los errores de las distancias asociadas con las geometrías de los satélites utilizados, cuatro o más. El efecto de la geometría queda expresado por los parámetros de la denominada Dilución de Precisión Geométrica (GDOP), el cual considera los tres parámetros de posición tridimensional y tiempo. El valor de GDOP es una medida compuesta que refleja la influencia de la constelación de satélites sobre la precisión combinada de las estimaciones de un tiempo y posición de la estación. Al efecto se consideran: PDOP: Dilución de precisión para la posición. HDOP: Dilución de precisión para la posición. VDOP: Dilución de precisión vertical. TDOP: Dilución de precisión para el tiempo. Errores provenientes del medio de propagación. Errores de refracción ionosférica: En la frecuencia GPS, el rango del error por refracción en la ionósfera va desde 50 metros (máxima, al mediodía, un satélite cerca del horizonte) hasta 1 metro (mínima, en la noche, un satélite en el zenit). Debido a que la refracción ionosférica depende de la frecuencia, el efecto es estimado comparando mediciones realizadas en dos frecuencias diferentes (L1=1575.42 MHz. y L2=1227.60 MHz.). Usando dos estaciones, una con coordenadas conocidas. Podemos corregir errores de tiempo. El retardo del tiempo de viaje en la ionosfera depende de la densidad de electrones a lo largo del camino de la señal y de la frecuencia de la misma. Una fuente influyente sobre la densidad de los electrones es la densidad solar y el campo magnético terrestre. Por lo tanto la refracción ionosférica depende de la hora y del sitio de medición. Errores de refracción troposférica: La refracción troposférica produce errores comprendidos entre 2 metros (satélite en el zenit) y 25 metros (satélite a 5º de elevación). La refracción troposférica es independiente de la frecuencia, por lo tanto una medición de dos frecuencias no puede determinar el efecto pero este error puede ser compensado usando modelos troposféricos. Multipath: Es el fenómeno en el cual la señal llega por dos o más trayectorias diferentes. La diferencia en las longitudes de las trayectorias causa interferencia de las señales al ser recibidas. El multipath se nota usualmente cuando se está midiendo cerca de superficies reflectoras, para minimizar sus efectos se utiliza una antena capaz de hacer discriminaciones en contra de las señales que llegan de diferentes direcciones. Errores en la recepción.

Estos errores dependen tanto del modo de medición como del tipo de receptor que se utiliza. Ruido: Como la desviación estándar del ruido en la medición es proporcional a la longitud de onda en el código.El ruido en las medidas de fase de la portadora condiciona la cantidad de datos y el tiempo de seguimiento requeridos para alcanzar un determinado nivel de precisión, resultando crucial el seguimiento y las mediciones continuas para asegurar dicha precisión. Centro de fase de la antena: Este puede cambiar en función del ángulo de elevación del azimut (figura 15). El aparente centro de fase eléctrico de la antena GPS es el punto preciso de navegación para trabajos relativos. Si el error del centro de fase de la antena es común para todos los puntos durante la medición, estos se cancelan. En mediciones relativas se usan todas las antenas de la red alineadas en una misma dirección (usualmente el norte magnético) para que el movimiento del centro de fase de la antena sea común y se cancele con una primera aproximación.

GLONASS Consta de una constelación de 31 satélites (24 en activo, 3 satélites de repuesto, 2 en mantenimiento, uno en servicio y otro en pruebas) situados en tres planos orbitales con 8 satélites cada uno y siguiendo una órbita inclinada de 64,8° con un radio de 25.510 km. La constelación de GLONASS se mueve en órbita alrededor de la Tierra con una altitud de 19.100 km (diecinueve mil cien kilómetros) algo más bajo que el GPS (20.200 km) y tarda aproximadamente 11 horas y 15 minutos en completar una órbita. El sistema está a cargo del Ministerio de Defensa de la Federación Rusa y los satélites se han lanzado desde Baikonur, en Kazajistán. El GLONASS transmite dos señales en la cobertura del espectro en la banda L. Esta es la principal diferencia con los GPS ya que ellos funcionan solamente en una sola frecuencia. Los satélites del GLONASS están distinguidos por canales de radiofrecuencias a los cuales se les denomina (Acceso de Frecuencia de División Múltiple). Así tenemos las siguientes frecuencias en la banda L.

Frecuencia banda L1: f1(k) = 1602 MHz + k * 9/16 MHz Frecuencia banda L2: f2(k) = 1246 MHz + k * 7/16 MHz Actualmente están en vigencia estas frecuencias:

1998-2005: 1602 - 1608.8 MHz 1246 - 1251.25 MHz A partir de 2005: 1598.1 - 1604.25 MHz

1242. 9 -1247.75 MHz El sistema transmite en cada uno de sus satélites un código denominado C/A (Coarse Adquisition) para uso civil y el P (Code Precision) para uso militar, los cuales son la mitad de precisos que el GPS. La constelación ha experimentado un gran progreso desde los años 1994 y 1995, los planes de GLONASS son ofrecer dos niveles de servicio: El Channel of Standard Accuracy (CSA), similar al Standar Positioning Service (SPS) del Sistema GPS, disponible para uso civil; El Channel of High Accuracy (CHA), similar al Precise Positioning Service (PPS) del Sistema GPS, disponible solo para usuarios autorizados. La Organización Internacional de Aviación

Civil

(ICAO)

aceptó

formalmente en Julio 1996, el uso de GLONASS / CSA para uso en aviación civil, como ya se hizo en 1994 con el GPS / SPS.

GALILEO Este Sistema Global de Navegación por Satélite (GNSS), además de prestar servicios de autonomía en radionavegación y ubicación en el espacio, será interoperable con los sistemas GPS y GLONASS. El usuario podrá calcular su posición con un receptor que utilice satélites de distintas constelaciones (por ejemplo casi cualquier teléfono móvil fabricado desde 2017). Al ofrecer dos frecuencias en su versión estándar, Galileo brindará ubicación en el espacio en tiempo real con una precisión del orden de 1 metro para el sistema gratuito, y de hasta 1 cm en el de pago, algo sin precedentes en los sistemas públicos. Desde prácticamente cualquier localización en el planeta, serán visibles de seis a ocho satélites de la constelación, lo que permite la determinación del tiempo y la localización con gran precisión. La interoperabilidad con el sistema GPS americano aumenta la fiabilidad de Galileo. Del mismo modo, los satélites Galileo, a diferencia de los que forman la malla GPS, estarán en órbitas ligeramente más inclinadas hacia los polos. De este modo sus datos serán más exactos en

las regiones cercanas a los polos, donde los satélites estadounidenses pierden su precisión de manera notable. Asimismo, garantizará la disponibilidad continua del servicio, excepto en circunstancias extremas, y, con el apoyo de EGNOS, informa a los usuarios en segundos en caso del fallo de un satélite. Esto lo hace conveniente para aplicaciones donde la seguridad es crucial, tal como las aplicaciones ferroviarias, la conducción de automóviles o el control del tráfico aéreo. El uso de EGNOS para aviación civil mediante el procedimiento LPV es el recomendado por la OACI (Organización Internacional de Aviación Civil), en detrimiento del actual ILS. El uso combinado de Galileo y otros sistemas GNSS ofrecerá un gran nivel de prestaciones para todas las comunidades de usuarios del mundo entero. Una preocupación importante de los actuales usuarios de la radionavegación por satélite es la fiabilidad y vulnerabilidad de la señal. En los últimos años, se han producido varios casos de interrupción del servicio por causas tales como interferencia accidental, fallos de los satélites, denegación o degradación de la señal. En este contexto, Galileo realizará una importante contribución a la reducción de estos problemas al proveer en forma independiente la transmisión de señales suplementarias de radionavegación en diferentes bandas de frecuencia. En total, utilizará 10 radiofrecuencias, de la siguiente manera: 

4 frecuencias en el rango de 1164-1215 MHz (E5A-E5B)



3 frecuencias en el rango de 1260-1300 MHz (E6),



3 frecuencias en el rango de 1559-1591 MHz (L1).

3. RECEPTORES NAVEGADOR, TOPOGRÁFICO Y GEODÉSICO: 3.1 DGPS O GPS DIFERENCIAL Estación Leica de referencia DGPS..- El DGPS (Differential GPS), o GPS diferencial, es un sistema que proporciona a los receptores de GPS correcciones de los datos recibidos de los satélites GPS, con el fin de proporcionar una mayor precisión en la posición calculada. Se concibió fundamentalmente debido la introducción de la disponibilidad selectiva (SA).

El fundamento radica en el hecho de que los errores producidos por el sistema GPS afectan por igual (o de forma muy similar) a los receptores situados próximos entre sí. Los errores están fuertemente correlacionados en los receptores próximos.

Un receptor GPS fijo en tierra (referencia) que conoce exactamente su posición basándose en otras técnicas, recibe la posición dada por el sistema GPS, y puede calcular los errores producidos por el sistema GPS, comparándola con la suya, conocida de antemano. Este receptor transmite la corrección de errores a los receptores próximos a él, y así estos pueden, a su vez, corregir también los errores producidos por el sistema dentro del área de cobertura de transmisión de señales del equipo GPS de referencia. En suma, la estructura DGPS quedaría de la siguiente manera: 

Estación monitorizada (referencia), que conoce su posición con una precisión muy alta. Esta estación está compuesta por: o

Un receptor GPS.

o

Un microprocesador, para calcular los errores del sistema GPS y para generar la estructura del mensaje que se envía a los receptores.

o

Transmisor, para establecer un enlace de datos unidireccional hacia los receptores de los usuarios finales.



Equipo de usuario, compuesto por un receptor DGPS (GPS + receptor del enlace de datos desde la estación monitorizada).

Existen varias formas de obtener las correcciones DGPS. Las más usadas son: o

Recibidas por radio, a través de algún canal preparado para ello, como el RDS en una emisora de FM.

o

Descargadas de Internet, o con una conexión inalámbrica.

o

Proporcionadas por algún sistema de satélites diseñado para tal efecto. En Estados Unidos existe el WAAS, en Europa el EGNOS y en Japón el MSAS,

todos compatibles entre sí. En los mensajes que se envían a los receptores próximos se pueden incluir dos tipos de correcciones: 

Una corrección directamente aplicada a la posición. Esto tiene el inconveniente de que tanto el usuario como la estación monitora deberán emplear los mismos satélites, pues las correcciones se basan en esos mismos satélites.



Una corrección aplicada a las pseudodistancias de cada uno de los satélites visibles. En este caso el usuario podrá hacer la corrección con los cuatro satélites de mejor relación señal-ruido (S/N). Esta corrección es más flexible.

El error producido por la disponibilidad selectiva (SA) varía incluso más rápido que la velocidad de transmisión de los datos. Por ello, junto con el mensaje que se envía de correcciones, también

se envía el tiempo de validez de las correcciones y sus tendencias. Por tanto, el receptor deberá hacer algún tipo de interpolación para corregir los errores producidos. Si se deseara incrementar el área de cobertura de correcciones DGPS y, al mismo tiempo, minimizar el número de receptores de referencia fijos, será necesario modelar las variaciones espaciales y temporales de los errores. En tal caso estaríamos hablando del GPS diferencial de área amplia. Con el DGPS se pueden corregir en parte los errores debidos a: 

Disponibilidad selectiva (eliminada a partir del año 2000).



Propagación por la ionosfera - troposfera.



Errores en la posición del satélite (efemérides).



Errores producidos por problemas en el reloj del satélite.

Para que las correcciones DGPS sean válidas, el receptor tiene que estar relativamente cerca de alguna estación DGPS; generalmente, a menos de 1000km. Las precisiones que manejan los receptores diferenciales son centimétricas, por lo que pueden ser utilizados en ingeniería. Permite determinar en todo el mundo la posición de un objeto, una persona o un vehículo con una precisión hasta de centímetros.

3.2 INTEGRACIÓN CON TELEFONÍA MÓVIL Actualmente dentro del mercado de la telefonía móvil la tendencia es la de integrar, por parte de los fabricantes, la tecnología GPS dentro de sus dispositivos. El uso y masificación del GPS está particularmente extendido en los teléfonos móviles smartphone, lo que ha hecho surgir todo un ecosistema de software para este tipo de dispositivos, así como nuevos modelos de negocios que van desde el uso del terminal móvil para la navegación tradicional punto-a-punto hasta la prestación de los llamados Servicios Basados en la Localización (LBS). Un buen ejemplo del uso del GPS en la telefonía móvil son las aplicaciones que permiten conocer la posición de amigos cercanos sobre un mapa base. Para ello basta con tener la aplicación respectiva para la plataforma deseada (Android, Bada, IOS, WP, Symbian) y permitir ser localizado por otros.

3.3 INTEGRACIÓN CON RELOJES INTELIGENTES Las nuevas tendencias en el mundo del fitness, el deporte y el ocio han llevado a la aparición de smartwatches con capacidades GPS, hay distintos tipos de dispositivos wearables que usan

la tecnología GPS y suelen funcionar combinados con el smartphone si se trata de dispositivos sin pantallas como son los relojes deportivos de marcas como Garmin con su gama Forerunner o Polar y las pulseras inteligentes como las de Xiaomi o de manera independiente en los relojes inteligentes como el Apple Watch o el Samsung Gear S3.

Como con los smartphones las utilidades son las aplicaciones que permiten conocer la posición de amigos cercanos sobre un mapa base o el seguimiento del recorrido realizado. Para ello basta con tener la aplicación respectiva para la plataforma deseada (Android, Bada, IOS, WP, Symbian). Algunas aplicaciones no requieren conectar con el smartphone y proporcionan detalles

de manera independiente en la pantalla del dispositivo.

3.4 APLICACIONES Civiles 

Navegación terrestre (y peatonal), marítima y

aérea. Bastantes automóviles lo incorporan en la actualidad, siendo de especial utilidad para encontrar direcciones o indicar la situación a la grúa.



Teléfonos móviles



Topografía y geodesia.



Construcción (Nivelación de terrenos, cortes de talud, tendido de tuberías, etc).



Localización agrícola (agricultura de precisión), ganadera y de fauna.



Salvamento y rescate.



Deporte, acampada y ocio.



A.P.R.S. Aplicación parecida a la gestión de flotas,

en modo abierto para Radioaficionados 

Para localización de enfermos, discapacitados y menores.



Aplicaciones científicas en trabajos de campo (ver geomática).



Geocaching, actividad deportiva consistente en

buscar "tesoros" escondidos por otros usuarios. 

Para rastreo y recuperación de vehículos.



Navegación deportiva.



Deportes aéreos: parapente, ala delta, planeadores, etc.



Existe quien dibuja usando tracks o juega utilizando el movimiento como cursor (común en los GPS Garmin).



Sistemas de gestión de flotas.

Militares 

Navegación terrestre, aérea y marítima.



Guiado de misiles y proyectiles de diverso tipo.



Búsqueda y rescate.



Reconocimiento y cartografía.



Detección de detonaciones nucleares.

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 

El progreso continuo de la ciencia y la tecnología, en el transcurso de nuestra historia nos hace posible acercarnos cada vez más a la precisión de nuestra ubicación en el tiempo y espacio de manera que podamos utilizar herramientas tecnológicas para la aplicación en el uso de los diferentes proyectos de infraestructura en el ámbito de la construcción.



En relación al presente trabajo, se puede concluir que el sistema que actualmente se esta utilizando GPS, resulta un sistema muy útil y de mayor precisión en la aplicación de los navegadores que se tienen en la actualidad.



Cada continente, motivado por la competitividad en el desarrollo de los mecanismos tecnológicos, propician y mejoran cada vez mas el desarrollo de sus tecnologías satelitales para elaborar sistemas de georreferenciación mas avanzados que el de los continentes vecinos, siendo así que esta imperiosa necesidad hace posible que pronto obtengamos nuevas y mejores herramientas para acercarnos cada vez mas a realizar trabajos y aplicaciones en las diferentes industrias de mayor precisión.



El estudiante debe estar a la altura del desarrollo de estos sistemas, siendo que debe capacitarse continuamente y actualizarse en el conocimiento del proceso de avances tecnológicos, tanto para su desenvolvimiento profesional como social.