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• Jorge Sivincha Castillo

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OBSERVABLES GPS: CÓDIGO Y FASE

1. DEFINICION Para hablar de los observables GPS, debemos en primer lugar conocer que la determinación de la posición de un punto mediante GPS se basa en la medida de la distancia entre el receptor y el satélite; el concepto de observable GPS es una medida de dicha distancia derivada de medidas de tiempo y/o diferencias de fase. Esta medida se basa en la comparación de la señal procedente del satélite y recibida por el receptor, y la réplica de dicha señal generada por el receptor. La precisión en la medida de esta distancia y su posible utilización en Topografía, Geodesia y Geomática depende de las correcciones que posteriormente se realicen a estas “pseudodistancias” medidas Teniendo esto en cuenta, el observable básico GPS es el tiempo que tarda en viajar la señal desde el centro de fase de la antena del satélite (instante de emisión) hasta el centro de fase de antena del receptor (instante de recepción) que sirve para medir la distancia entre satélite y receptor y se basa en la propagación de las ondas electromagnéticas y en el efecto Doppler. Aquí se trata el tema del observable GPS, tanto en código como en fase. Se estudian las diferentes combinaciones de frecuencias y sus usos, así como la eliminación del efecto de la ionosfera. Se hace especial incidencia en el formato RINEX, principal formato de datos de observación GNSS. Existen tres grupos de observables GPS: •

Observables de tiempo, que permitirán obtener las pseudodistancias a partir del código. • Código C/A modulado sobre la portadora L1 • Código P modulado sobre la portadora L1 • Código P modulado sobre la portadora L2

2. FUENTE DE ERRORES EN LA MEDIDA DE LA DISTANCIA Hasta ahora hemos ido describiendo las partes y métodos del sistema de posicionamiento GPS que hacen de su funcionamiento un mecanismo de relojería:

  – disponemos de cuatro relojes atómicos de gran precisión a bordo de cada uno de los satélites, – los satélites retransmiten cada minuto correcciones de sus posiciones orbitales – y se realiza una medida adicional a un cuarto satélite para compensar la falta de sincronización en el reloj del receptor GPS debido a que usamos relojes “baratos”.

Aun con el uso de estos ingeniosos métodos y tecnologías para calcular la posición en la cual nos encontramos, existen diferentes fuentes de errores que se han de intentar mitigar para obtener una medida lo más precisa posible. La lista de fuentes de errores son las siguientes: – Errores en los relojes: - Errores en los relojes del satélite - Errores derivados de la teoría de la relatividad - Errores originados en el reloj del receptor GPS – Errores en las posiciones de los satélites en sus órbitas – Errores causados por la atmósfera - Errores añadidos cuando la señal traspasa la ionosfera - Errores añadidos cuando la señal traspasa la troposfera – Errores causados por el multitrayecto de las señales – Errores en el procesado de los datos en el mismo receptor – Errores por la distribución geométrica de los satélites en el cielo – Errores por la activación de la disponibilidad selectiva – Errores causados por la variación del centro de fase de la antena – Errores intencionados por señales interferentes 3. APLICACIONES DE LOS SISTEMAS DE POSICIONAMIENTO GNSS Los satélites que componen las diferentes constelaciones GNSS emiten constantemente señales de posicionamiento hacia la superficie de la Tierra. La información que se obtiene de esas señales GNSS se puede utilizar de diferentes formas. Cada una de las formas o maneras en que se utiliza dicha información constituye una aplicación. Por ejemplo, algunas aplicaciones directas y sencillas de la información obtenida pueden ser: dar respuestas a preguntas tales como ¿dónde estoy? o ¿qué hora y fecha es en este instante?, ¿a qué velocidad me estoy moviendo? o ¿en qué dirección me estoy desplazando? Aplicaciones un poco más complejas tratarían de obtener la forma más rápida, corta o cómoda de ir de la posición actual a otra.

  Y aún podemos mejorar la aplicación si incorporamos un equipo de comunicaciones. De esta forma podríamos añadir a nuestro sistema o equipo la posición de otros elementos móviles remoto. Y permitir así la posibilidad de calcular las distancias que nos separan de ellos o generar rutas para ir de nuestra posición a otra que por algún motivo nos interese.

Existen en este momento muchísimas aplicaciones de localización y el número de ellas crece cada día. Este capítulo, junto con sus secciones, describe un pequeño y variado número de aplicaciones de localización, consciente de la imposibilidad de cubrir todas las que se pueden dar. El sistema GNSS-GPS, como se ha visto, pertenece a la Fuerza Aérea Americana, ya que fueron las aplicaciones de posicionamiento para la fuerza aérea y, en general, para los militares el objetivo principal para el que se diseñó y se puso en operación el sistema y, por tanto, las primeras aplicaciones en desarrollarse fueron las del ámbito aeronáutico. Por deferencia a los orígenes del primer sistema GNSS vamos pues a tratar en primer lugar las aplicaciones en el sector aeronáutico. A continuación veremos las aplicaciones en aviación civil comercial y acabaremos con una reseña de algunas de las aplicaciones realizadas en el sector espacial. a. AVIACION CIVIL Los aviadores de todo el mundo utilizan el GPS para elevar la seguridad y la eficiencia de sus vuelos. Con su precisión, continuidad y cobertura global, el GPS ofrece servicios de navegación por satélite sin obstáculos que satisfacen muchos de los requisitos de los usuarios de la aviación. El posicionamiento y la navegación hacen posible la determinación tridimensional de la posición para todas las fases del vuelo, desde el despegue, el vuelo en ruta y el aterrizaje, hasta el movimiento sobre la superficie del aeropuerto. La tendencia hacia el concepto de la navegación en la región entraña un mayor papel para el GPS. La navegación regional permite a la aeronave volar rutas de mayor demanda, entre puntos perfectamente

definidos

e

independientes

de

cualquier

infraestructura de tierra. Se han expandido los procedimientos para el uso de los servicios del GPS y sus ampliaciones en todas las

  fases del vuelo. Así ha sido, sobre todo en regiones que carecen

de equipos adecuados de asistencia o vigilancia de la navegación basados en tierra. Rutas aéreas nuevas, más eficientes y en continua expansión, resultado del GPS, continúan extendiéndose. Se han logrado grandes ahorros en tiempo y dinero. En muchos casos, aeronaves que sobrevolaban zonas de datos escasos, como los océanos, han sido capaces de reducir la separación entre ellas sin afectar su seguridad, lo que ha permitido a más aeronaves compartir las rutas más favorables y eficientes, con el consiguiente ahorro de tiempo y combustible, y la elevación de los ingresos por concepto de carga. Se están introduciendo mejoras en la aproximación a los aeropuertos, incluso en lugares remotos donde los servicios tradicionales de ayuda terrestres no existen, todo lo cual incrementa de manera significativa la seguridad y los beneficios de las operaciones. En algunas regiones del mundo las señales de los satélites son ampliadas, o mejoradas, para aplicaciones aeronáuticas especiales tales como aterrizajes en condiciones de poca visibilidad. En esos casos, pueden realizarse operaciones de aun mayor precisión. Una buena noticia para la comunidad aeronáutica es que el GPS se está mejorando y modernizando constantemente. El principal componente de la modernización que está teniendo lugar en la parte civil es la adición de dos nuevas señales para ampliar el servicio civil actual. La primera de ellas es para uso general en aplicaciones donde la vida humana no corre peligro. La segunda señal estará protegida internacionalmente para uso de la navegación aérea. Con esa nueva señal para la seguridad de la vida humana se robustece aun más el GPS para muchas aplicaciones aeronáuticas. Esta segunda señal para la seguridad de la vida humana proporcionará beneficios importantes más allá de las actuales posibilidades que proporciona el GPS. Disponer de esa señal aumenta las posibilidades de las aproximaciones por instrumentos

  en todo el mundo ya que permite el empleo de aviónica de

frecuencia doble. Eso quiere decir que los errores que ocurren en las señales debido a perturbaciones en la ionosfera pueden reducirse significativamente mediante el empleo de dos señales simultáneas. Así se fortalecerá más el sistema general, para que incluya precisión, disponibilidad e integridad, y hará posible una maniobra de aproximación muy precisa con poca o ninguna inversión en infraestructura de tierra. La confianza depositada en el GPS y sus ampliaciones, como actuales y futuros cimientos de los sistemas de gestión del tráfico aéreo, son una parte importante en la mayoría de los planes nacionales. Las autoridades competentes que están impulsando el GPS han observado y documentado reducciones significativas en el tiempo de vuelo, el volumen de trabajo y los costos de operación, tanto para el usuario del espacio aéreo como para el proveedor del servicio. El GPS es, además, componente esencial de muchos otros sistemas aeronáuticos, como el Sistema de Alerta de Proximidad de Tierra (EGPWS, por sus siglas en inglés), que ha demostrado su valor en la reducción del riesgo de Vuelo Controlado en el Terreno, una de las principales causas de muchos accidentes aéreos

b. TOPOGRAFIA Y CARTOGRAFIA Los topógrafos y cartógrafos figuran entre los primeros en aprovechar el Sistema de Posicionamiento Global (GPS), ya que hizo aumentar considerablemente la productividad y produjo datos más precisos y fiables. Hoy en día, el GPS es parte vital de las actividades topográficas y cartográficas en todo el mundo. Cuando lo utilizan profesionales cualificados, el GPS proporciona datos topográficos y cartográficos de la más alta precisión. La recopilación de datos basados en el GPS es mucho más rápida que las técnicas convencionales de topografía y cartografía, ya que reduce la cantidad de equipos y la mano de obra que se requiere. Un solo topógrafo puede ahora lograr en un día lo que antes le tomaba varias semanas a todo un equipo.

 

El GPS apoya con precisión la cartografía y la modelización del mundo físico - desde montañas y ríos, hasta calles, edificios, cables y tuberías de los servicios públicos y otros recursos. Las superficies medidas con el GPS se pueden visualizar en mapas y en sistemas de información geográfica (SIG) que almacenan, manipulan y visualizan los datos geográficos referenciados. Los gobiernos, las organizaciones científicas y las operaciones comerciales de todo el mundo utilizan la tecnología del GPS y los SIG para facilitar la toma oportuna de decisiones y el uso racional de los recursos. Toda organización u organismo que requiera información precisa sobre la ubicación de sus activos puede beneficiarse de la eficiencia y la productividad que proporciona el GPS. A diferencia de las técnicas convencionales, la topografía mediante el GPS no está sometida a restricciones como la línea de visibilidad directa entre las estaciones topográficas. Las estaciones se pueden desplazar a mayores distancias entre una y otra y pueden funcionar en cualquier lugar con buena vista del cielo, en vez de limitarse a cimas remotas, como se requería antes.

  El GPS es especialmente útil en el levantamiento de costas y vías

fluviales, donde hay pocos puntos de referencia en tierra. Los buques de levantamiento combinan las posiciones del GPS con los sondeos de profundidad con sonar para elaborar las cartas náuticas que indican a los navegantes los cambios de profundidad del agua y los peligros que yacen bajo el agua. Los constructores de puentes y plataformas petrolíferas

también

dependen

del

GPS

para

levantamientos

hidrográficos precisos. Los agrimensores y cartógrafos pueden llevar los sistemas del GPS en una mochila o montarlos en vehículos para recopilar los datos con precisión y rapidez. Algunos de estos sistemas se comunican de forma inalámbrica con receptores de referencia para lograr mejoras sin precedentes en la productividad de forma continua, en tiempo real y con precisión centimétrica.

Para lograr el máximo nivel de precisión, la mayoría de los receptores de categoría topográfica utilizan dos frecuencias de radio GPS: L1 y L2.

En

la

actualidad,

no

hay

ninguna

señal

civil

en

pleno

funcionamiento en la L2, de modo que estos receptores aprovechan una señal militar L2 usando técnicas "sin código." El actual programa de modernización del GPS está añadiendo una señal civil especializada L2 con soporte de posicionamiento de alta precisión sin el uso de señales militares. El programa del GPS también está añadiendo una tercera señal civil en la frecuencia L5 que mejorará aún más el rendimiento. Después de 2020, el gobierno dejará de apoyar el acceso sin código a las señales militares del GPS.

 

c. NAVEGACIÓN MARITIMA El GPS ha transformado la forma en que el mundo funciona. El mejor ejemplo de ello son las operaciones marítimas, incluidas las de búsqueda y rescate. El GPS proporciona el método más rápido y preciso para que los marineros puedan navegar, medir su velocidad y determinar su posición en todo el mundo con mayor seguridad y eficiencia.

Marineros y oceanógrafos están empleando con más frecuencia información obtenida con el GPS para la topografía submarina, la colocación de boyas y la localización de peligros para la navegación y su señalamiento en cartas náuticas. Las flotas de pesca comercial utilizan el GPS para llegar a los mejores bancos de pesca, seguir los movimientos migratorios de los peces y para garantizar el cumplimiento de los reglamentos.

La mejora al GPS básico, conocida como GPS Diferencial o DGPS, proporciona mayor precisión y seguridad de las operaciones marítimas en su zona de cobertura. Muchas naciones ya utilizan el DGPS para las operaciones de instalación de boyas, barrido y dragado, con lo que mejora la navegación en los puertos.

  Los gobiernos y las organizaciones industriales del mundo están

trabajando

conjuntamente

para

desarrollar

reglamentos

de

desempeño para los sistemas electrónicos de cartas náuticas e información marítima que dependen del GPS o del DGPS para su posicionamiento. Esos sistemas están revolucionando la navegación marítima y llevarán a la eliminación de las cartas náuticas impresas tradicionales. Con el DGPS, el posicionamiento y la información obtenida por radar se pueden integrar y reflejar en una carta electrónica, formando la base del 'Sistema Integrado de Puente' que se está instalando en muchas naves comerciales de todo tipo.

d. EN EL ESPACIO GPS está revolucionando y revitalizando la forma como las naciones operan en el espacio, desde los sistemas de orientación para vehículos tripulados pasando por la gestión, seguimiento y control de constelaciones de satélites de comunicaciones, hasta la observación de la Tierra desde el espacio. Entre los beneficios derivados del uso del GPS se incluyen:

Misión sobre la superficie topográfica marina Jasón I (incluye un receptor del GPS y un reflectómetro de láser para determinaciones orbitales de alta precisión)

ƒ

Soluciones

para

la

navegación: El

GPS

proporciona

determinaciones orbitales de gran precisión, y mínimo personal de control en tierra, con unidades del GPS con calificación espacial. ƒ

Soluciones a la orientación: El GPS sustituye sensores de orientación a bordo con antenas múltiples GPS de bajo costo y algoritmos especializados.

ƒ

Soluciones cronométricas: El GPS sustituye los relojes atómicos de alto costo para naves con receptores de bajo costo GPS de sincronización precisa.

ƒ

  Control de constelaciones: un solo punto de contacto con el

control para mantener en órbita numerosos vehículos espaciales, como satélites de telecomunicaciones. ƒ

Vuelo en formación: El GPS posibilita realizar formaciones satelitales precisas con intervención mínima del personal de tierra.

ƒ

Plataformas

virtuales: El

GPS

ofrece

servicios

de

“mantenimiento” automático de las estaciones y de posiciones relativas para maniobras científicas avanzadas de rastreo, como la interferometría. ƒ

Seguimiento o rastreo del vehículo lanzado: El GPS sustituye o aumenta los radares de rastreo con unidades GPS de alta precisión y bajo costo para seguridad de alcance y terminación del vuelo autónomo.

e. RECREACIÓN El GPS ha eliminado muchos de los peligros asociados con las ctividades recreativas más comunes proporcionando la capacidad de determinar la posición de forma precisa. Los receptores del GPS han ampliado el alcance y el disfrute de las activas al aire libre, simplificado muchos de los problemas tradicionales, como poder mantenerse en el sendero adecuado o regresar al lugar donde la pesca es mejor. Las actividades al aire libre encierran muchos peligros intrínsecos, de los cuales perderse en territorio desconocido y peligroso es el de mayor riesgo. Senderistas, ciclistas y todo tipo de amantes de aventuras al aire libre dependen cada vez más del GPS, que va desplazando los tradicionales mapas impresos, la brújula y puntos de referencia. Los mapas a menudo son obsoletos y las brújulas y los puntos de referencia pueden no dar la información que se necesita para evitar adentrarse en zonas desconocidas. Además, la oscuridad y el mal tiempo también pueden contribuir a desorientar al excursionista.

 

La tecnología del GPS, unida a los mapas electrónicos, ha ayudado a superar muchas de las barreras tradicionales asociadas con la exploración ilimitada. Los receptores portátiles del GPS permiten al usuario recorrer senderos con la seguridad de saber con precisión dónde se encuentra en todo momento, al igual que saber cómo regresar a su punto de partida. Uno de los beneficios es la posibilidad de almacenar y regresar a puntos intermedios. Igualmente, pescadores utilizan el GPS como medio de saber siempre dónde están, hacia dónde se dirigen, la derrota, velocidad, distancia a recorrer y tiempo que resta hasta su destino, así como contar con funciones cartográficas y lo que es más importante, cómo regresar al lugar exacto donde abunda la pesca. Otra ventaja de los nuevos receptores del GPS es la capacidad de intercambiar datos con un ordenador. Los entusiastas del aire libre pueden cargar en su ordenador coordenadas exactas para una determinada aventura y, además, ¡compartirlas! Ejemplo de ello puede verse en una página de Internet en Malasia dedicada al GPS para los entusiastas del ciclismo de montaña. Los ciclistas describen allí puntos geográficos determinados en sus rutas favoritas para que otros ciclistas también puedan disfrutarlos.