Sistema de posicionamiento global

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Satélite NAVSTAR GPS

El Global Positioning System (GPS) o Sistema de Posisionamiento Global (más conocido con las siglas GPS; su nombre más correcto es NAVSTAR GPS) es un Sistema Global de Navegación por Satélite (GNSS) el cual permite determinar en todo el mundo la posición de un objeto, una persona, un vehículo o una nave, con una precisión hasta de centímetros usando GPS diferencial, aunque lo habitual son unos pocos metros. El sistema fue desarrollado e instalado, y actualmente es operado, por el Departamento de Defensa de los Estados Unidos.

El GPS funciona mediante una red de 24 satélites (21 operativos y 3 de respaldo) en órbita sobre sobre el globo a 20.200 km con trayectorias sincronizadas para cubrir toda la superficie de la tierra. Cuando se desea determinar la posición, el aparato que se utiliza para ello localiza automáticamente como mínimo cuatro satélites de la red, de los que recibe unas señales indicando la posición y el reloj de cada uno de ellos. En base a estas señales, el aparato sincroniza el reloj del GPS y calcula el retraso de las señales, es decir, la distancia al satélite. Por "triangulación" calcula la posición en que éste se encuentra. La triangulación en el caso del GPS, a diferencia del caso 2-D que consiste en averiguar el ángulo respecto de puntos conocidos, se basa en determinar la distancia de cada satélite respecto al punto de medición. Conocidas las distancias, se determina fácilmente la propia posición relativa respecto a los tres 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 exactitud extrema en el reloj del GPS, similar a la de los relojes atómicos que desde tierra sincronizan a los satélites.

La antigua Unión Soviética tenía un sistema similar llamado GLONASS, ahora gestionado por la Federación Rusa.

Actualmente la Unión Europea intenta lanzar su propio sistema de posicionamiento por satélite, denominado 'Galileo'.

Elementos que lo componen

Sistema de satélites: formado por 24 unidades con trayectorias sincronizadas para cubrir toda la superficie del globo. Más concretamente, repartidos en 6 planos orbitales de 4 satélites cada uno. La energía eléctrica que requieren para su funcionamiento la adquieren a partir de dos paneles compuestos de celdas solares adosadas a sus costados.
Estaciones terrestres: envían información de control a los satélites para controlar las órbitas y realizar el mantenimiento de toda la constelación.
Terminales receptores: que nos indica la posición en la que estamos, conocidas también como Unidades GPS, son las que podemos adquirir en las tiendas especializadas.

Funcionamiento

La posición de los satélites es conocida por el receptor con base en las efemérides (5 parámetros orbitales Keplerianos), parámetros que son transmitidos por los propios satélites. La colección de efemérides de toda la constelación se completa cada 12 min y se guarda en el receptor GPS.
El receptor GPS funciona midiendo su distancia de los satélites, y usa esa información para calcular su posición. Esta distancia se mide calculando el tiempo que la señal tarda en llegar al receptor. Conocido ese tiempo y basándose en el hecho de que la señal viaja a la velocidad de la luz (salvo algunas correcciones que se aplican), se puede calcular la distancia entre el receptor y el satélite.
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 se nos indica que el receptor se encuentra sobre la circunferencia que resulta cuando se intersectan las dos esferas.
Si adquirimos la misma información de un tercer satélite notamos que la nueva esfera solo corta el círculo anterior en dos puntos. Uno de ellos se puede descartar porque ofrece una posición absurda. De esta manera ya tendríamos la posición en 3-D. Sin embargo, dado que el reloj que incorporan los receptores GPS no está sincronizado con los relojes atómicos de los satélites GPS, los dos puntos determinados no son precisos.
Teniendo información de un cuarto satélite, eliminamos 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 3-D exacta(latitud, longitud y altitud). Al no estar sincronizados los relojes entre el receptor y los satélites, la intersección de las cuatro esferas con centro en estos satélites es un pequeño volumen en vez de ser un punto. La corrección consiste en ajustar la hora del receptor de tal forma que este volumen se transforme en un punto.

Fiabilidad de los datos

Debido al carácter militar del sistema GPS, el Departamento de Defensa de los EE.UU. se reserva la posibilidad de incluir un cierto grado de error aleatorio que puede 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. Sin aplicar ningún tipo de corrección y con ocho satélites a la vista, la precisión es de 6 a 15 metros; pero puede obtenerse más precisión usando sistemas de corrección (Ej: DGPS).

Fuentes de error

Fuentes de error
Fuente	Efecto
Ionósfera	± 5 m
Efemérides	± 2,5 m
Reloj satelital	± 2 m
Distorsión multibandas	± 1 m
Tropósfera	± 0,5 m
Errores numéricos	± 1 m o menos

Retraso de la señal en la ionosfera y 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.

GPS diferencial

DGPS (Differential GPS) o GPS diferencial es un sistema que proporciona a los receptores de GPS correcciones a los datos recibidos de los satélites GPS. Estas correcciones, una vez aplicadas, proporcionan una mayor precisión en la posición calculada.

El sistema de correcciones funciona de la siguiente manera:

Una estación base en tierra, con coordenadas muy bien definidas, escucha los satélites GPS.
Calcula su posición por los datos recibidos de los satélites.
Dado que su posición está bien definida, calcula el error entre su posición verdadera y la calculada, estimando el error en cada satélite.
Se envía estas correcciones al receptor a través de algún medio.

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

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

Para que las correcciones DGPS sean válidas, el receptor tiene que estar relativamente cerca de alguna estación DGPS, generalmente, a menos de 1.000 km.

La precisión lograda puede ser de unos dos metros en latitud y longitud, y unos 3 m en altitud.

Vocabulario básico en GPS

BRG (Bearing): el rumbo entre dos puntos de pasos intermedios (waypoints)
CMG (Course Made Good): rumbo entre el punto de partida y la posición actual
EPE (Estimated Postion Error): margen de error estimado por el receptor
ETE (Estimated Time Enroute): tiempo estimado entre dos waypoints
DOP (Dilution Of Precisión): medida de la precisión de las coordenadas obtenidas por GPS, según la distribución de los satélites, disponibilidad de ellos...

Integración con telefonía móvil

Algunos móviles (como Nokia N-gage o 6600) con conexion inalámbrica bluetooth y sistema operativo ( como symbian ) se pueden conectar a un receptor y usar los datos de éste por medio de un programa de navegación.

Aplicaciones

Navegación terrestre, marítima y aérea. Bastantes coches lo incorporan en la actualidad, siendo de especial utilidad para encontrar direcciones o indicar la situación a la grúa.
Topografía y geodesia. Localización agrícola (agricultura de precisión).
Salvamento.
Deporte, acampada y ocio.
Para enfermos y discapacitados.
Aplicaciones científicas en trabajos de campo.
Geocaching, actividad consistente en buscar "tesoros" escondidos por otros usuarios.
Se lo utiliza para el rastreo y recuperación de vehículos.
Navegación Deportiva
Deportes Aéreos: Parapente, Aladelta, Planeadores, etc.
Existe quien dibuja usando tracks o juega utilizando el movimiento como cursor (común en los gps garmin)