El abc del gps

El ABC del GPS A. González (Abril 2.004)
Presentado por:
Ing. Alexander R. González, MSc.
El del
Sistema de Posicionamiento Global

Qué es el GPS?
Conceptos básicos
Características
Descripción del sistema
Principios de medición
Errores y Exactitudes
Equipos y Aplicaciones
Otros sistemas
El Futuro…
Contenido

Es una técnica de posicionamiento y
navegación por satélites, el cual permite
conocer la posición de cualquier objeto
sobre la superficie de la Tierra, a toda
hora y en tiempo real, con el uso de
receptores que captan las señales de los
satélites.
GLOBAL POSITIONING SYSTEM
¿Qué es el GPS?

CONOCER LA POSICION…
EN CUALQUIER PARTE
DEL MUNDO Y A TODA HORA
?
El propósito es…

Antecedentes
Navegación
• Por medio de estrellas
• Brújula
• Radio-navegación (Loran,
Siledys, etc)
• Transit

Antecedentes


Conceptos Básicos
de Interés

• Elipsoide
Achatamiento
SEMI-EJE MAYOR
SEMI-EJE MENOR
b
a
Achatamiento = (a-b) / a
Conceptos Básicos (Geodesia)
modelo matemático de la Tierra

•Geoide y Datum
Geoide
Norte América
(NAD83 - Local)
Internacional
(PSAD-56 - Local)
WGS 84 (Global)
superficie equipotencial del n.m.m en calma

• Superficies de Referencia
Superficie Terrestre
Elipsoide (modelo matemático)
Geoide (Nivel medio del mar extendido debajo de los continentes)

Superficie
Terrestre
Elipsoide
Geoide
•Elevaciones - Alturas
H
H
H
h
h
h
N
N
N
H = h + N
Altura = Elevación + Ondulación

Conceptos Básicos (Cartografía)
• Coordenadas Geográficas (ϕ,l)

Conceptos Básicos (Cartografía)
• Coordenadas UTM (X, Y) o (E, N)
Huso 19
Hemisferio Norte
Meridiano
Central
X= 500.000 m
Y= 0 m

Características
del
Sistema GPS

Características del Sistema
• El Sistema de Posicionamiento Global - GPS es un sistema
de radio-navegación espacial que provee:
◼ Posición, velocidad y tiempo preciso;
◼ Cobertura mundial continua, las 24 horas del día;
◼ Sistema pasivo; ilimitado número de usuarios;
◼ Opera bajo cualquier condición climática;
◼ No requiere ni del horizonte (cielo) despejado ni de la intervisibilidad
entres los puntos a medir;
◼ No necesita de infraestructura; y
◼ TOTALMENTE GRATIS…!!!
• El sistema GPS fue creado y controlado por el
Departamento de Defensa de los EE.UU. (U.S. Department
of Defense - DoD).

• El sistema GPS está constituido por tres segmentos
principales:
• Segmento Espacial
• Segmento de Control, y
• Segmento del Usuario
• El sistema GPS tiene muchas aplicaciones militares y civiles:
Descripción del Sistema
Navegación personal (vehículos, yates, aviones, etc.),
navegación aérea, levantamientos sísmicos costa afuera, control
geodésico, levantamientos topográficos, ingeniería civil, control
de flota, análisis de deformaciones, estudios geofísicos, etc…

•Segmento Espacial
◼ El segmento Espacial está constituido por los
satélites del sistema Navstar (NAVigation System
by Timing And Ranging).
◼ GPS está diseñado para proveer cobertura
global con un mínimo de 4 satélites
observable simultáneamente. Esto se logra
con lo siguiente:
• 24 vehículos espaciales (space vehicles –
SV´s )
• 6 planos orbitales con una inclinación de
55o
• 20,183 km de altura con períodos
aproximados de 12 horas sidéreas

Colorado
Spring
Hawaii
Ascension Diego
Garcia
Kwajalein
Station de contrôle principale
Stations de contrôle secondaires
Stations d'écoute
Estación de control Principal
Estación de control Secundario
Estación de ‘Escucha’
Cada cierto tiempo se le inyecta la hora y la ORBITA CORREGIDA a los Sat’s
• Segmento de Control

Militar CivilCientífico
• Segmento Usuario
◼ Éste segmento está constituido por los receptores GPS, con sus
respectivas antenas, operados tanto por usuarios militares como
civiles.
◼ Los receptores convierten las señales de los satélites en posiciones,
velocidades y tiempos estimados.

ESTACIÓN PRINCIPAL
ESTACIÓN DE CONTROL
SEGMENTO
USUARIO
SEGMENTO
CONTROL
SEGMENTO
ESPACIAL
ESTACION DE ‘ESCUCHA’
• Resumen de los Segmentos GPS

Tipo de Servicio
• El GPS puede proveer dos clases de servicios:
◼ El Servicio de Posicionamiento Estándar (Standard Positioning
Service - SPS)
• Disponible para todos los usuarios
• Servicio suministrado en código C/A
• Exactitudes entre 10-15 m [2drms] (antes con el SA
unos 100m)
◼ Servicio de Posicionamiento Preciso (Positioning Service - PPS)
• Disponibilidad restringida
• Servicio suministrado en código P o Y
• Exactitudes de 3 m [2drms]

Observaciones
◼ Básicamente existen dos (2) tipos de observaciones que
pueden obtenerse de las señales GPS:
• Pseudo-distancias
• Fase Portadora (Carrier phase)
◼ Pseudo-Distancia es el desplazamiento de tiempo requerido
para alinear la réplica del código generado en el receptor,
con el código recibido del satélite, multiplicado por la
velocidad de la luz. Se le llama pseudo-distancia porque es la
distancia más el diferencial de tiempo del reloj.
Principio de Medición

• Determinación de Posiciones
• Una posición es determinada por la
medición de múltiples distancias,
en una sola época de medición,
junto con los estimados de las
posiciones de los satélites. Las
posiciones de los satélites están
basadas en datos de efemérides.
• Un mínimo de 4 satélites es
requerido para determinar la
posición 3D del receptor, más el
diferencial de tiempo del reloj.

Principio de determinación de POSICIÓN

Consiste en la mediciones de la diferencia de fase
entre la onda portadora recibida del satélite y la
onda portadora generada por el receptor.
• Fase de la portadora
Desfase
Señal del
Satélite
Señal del
Receptor

Errores
• Análisis de Error
◼ Generalmente, los errores que influyen en las mediciones GPS
caen en alguna de las siguientes 3 categorías:
• Errores del Satélite
Efemérides y reloj del satéliteases
• Errores de la señal
Efectos en la propagación de la señal tales
como efectos ionosféricos, troposféricos y
múltiples
• Errores del Receptor
Ruido interno (electrónico)

Errores
Error orbítales
Error del reloj
Ruido del
receptor
Refracción
Troposférica
Refracción
Ionosférica
Multipath

Errores
• Múltiples (Multipath)
◼ El ‘Multipath’ es un fenómeno en el cual una señal llega al
receptor a través de dos o más trayectorias.
◼ Un caso típico son los reflejos de superficies metálicas y de la
superficie del mar. Los múltiples generalmente ocurren con
satélites a bajas elevaciones.
◼ En aplicaciones marinas, el efecto multipath se reduce durante un
‘mal tiempo’, porque la superficie rugosa el mar hace que la
naturaleza del múltiple sea mas aleatoria.
Señal bloqueada Error Multipath Señal Corregida

Errores
• Dilución de la Precisión (DOP)
◼ La geometría de las observaciones (disposición de los satélites
en el horizonte) tiene un efecto significativo en la exactitud de
las coordenadas estimadas. Con una buena geometría, los
errores se propagan dentro de la posición estimada con la
menor cantidad de distorsión.
Pobre geometría Buena geometría

Errores
• Influencia de los Errores en las Pseudo-
distancias
Fuente del Error SPS DGPS Vector
Reloj 1.5 --- <0.002
Órbita 2.5 --- <0.002
Retardo Ionosférico 5.0 0.4 0.03
Retardo Troposférico 0.5 0.2 0.1
Resolución & Ruido del Receptor 0.3 0.3 0.1
Múltiples 0.6 0.6 0.6
Otros 0.4 0.4 0.4
Exactitud resultante (m) 11.0 3.2 <1
Fuente: Trimble

Técnicas de Medición

• Absoluto
• Relativo
◼ Diferencial GPS (DGPS)
◼ RTK (Rapid Static)
◼ Combinación
• Navegación

• Posicionamiento Absoluto
(Punto Simple)
- Mínimo 3 Sat’s para 2D
y 4 Sat’s para 3D
- Posiciones instantáneas
- de 10 m a 15 m de error
d1

Posicionamiento
• Técnicas de Medición
◼ La exactitud del posicionamiento ABSOLUTO está
basada únicamente en el servicio SPS, y limitada por
varios errores de observación.
◼ Para reducir estos errores, y por lo tanto mejorar la
exactitud del posicionamiento, se utilizan técnicas
RELATIVAS de posicionamiento:
•Estático
•Diferencial GPS (DGPS)
•RTK (Estático rápido)

• Posicionamiento Relativo
d1
Punto DesconocidoPunto Conocido

• Posicionamiento Relativo
◼ 2 receptores como mínimo.
◼ 4 satélites como mínimo en cada receptor.
◼ Suficiente visibilidad con el fin de obtener una buena
geometría.
◼ Grabación simultánea en ambos receptores.
◼ Receptores capaces de grabar data GPS (Estático y
Kinemático en post-procesamiento).
◼ Tener un punto conocido en el Datum Local y en el WGS84.
◼ El Geoide debe ser modelado (ex: egm96) con el fin de
proveer elevaciones ortométricas coherentes.

• Diferencial GPS
◼ Los objetos en movimiento (vehículos, barcos) por lo general se
posicionan utilizando la técnica GPS Diferencial (DGPS).
◼ La operación GPS Diferencial consiste en colocar un receptor GPS en
una estación de referencia conocida, determinar las correcciones a
las pseudo-distancias de los satélites, y transmitir esas correcciones a
los usuarios.
Satélite transmite la señal GPS La señal es recibida en tierra
Señal es Corregida y enviada a los receptores DGPS

• Diferencial GPS
◼ Las correcciones son transmitidas continuamente
como mensajes distintivos en el formato RTCM (Radio
Technical Commission for Maritime Services). Este es
un formato estándar.
◼ Esta técnica se basa en el hecho de que los principales
errores GPS son constantes en áreas grandes.

• Diferencial (local)

• Diferencial (global)
Estación MAESTRA
Estación
REMOTA

• Navegación
Landmarks,
Waypoints,
Tracks - Rutas

Caso de la vida real…

La competencia…
•Glossna (Ruso)
•Galileo (Unión Europea ~ 2005)

Otros Sistemas:
•GNSS 1 & GNSS 2:
Sistema basado en satélites GPS geo-estacionarios ubicados
sobre un continente, que permiten la recepción directa de
correcciones diferenciales y proveer un posicionamiento
DGPS con una exactitud mejor a 1 metro.
•WAAS / LAAS:
Red de estaciones de transmisión de
correcciones DGPS para uso en navegación en
áreas determinadas, tales como las cercanías a
las costas o ríos y canales de navegación
interiores

Aplicaciones

Aplicaciones
• TERRESTRES: - Topografía y Geodesia / GIS
- Transporte y Comunicaciones
- Movimiento de Placas/Control
- Construcción

Aplicaciones
• MARINAS: - Navegación Marítima
- Control de Flota / Rescates
- Dragado / Hincado de pilotes

Aplicaciones
• AÉREAS: - Fotogrametría sin Control Terrestre
- Aviación Comercial (Aproximación)

• SERVICIOS: - Inventarios de infraestructura (catastro)
- Respuesta ante emergencias
Aplicaciones

Aplicaciones
• PETRÓLEO Y GAS:
- Posicionamiento de Instalaciones/Gabarras
- Lev. Geofísicos/Hidrográficos
- Navegación Marítima/Flota/Rescates

Aplicaciones
• MILITARES: - Control de Mísiles/Objetivos/Robots

Aplicaciones
• AGRICOLAS: - Preparación de cultivos
- Control de pesticidas y fertilizantes
- Muestreo

Aplicaciones
• ESPACIALES: - Mapeo/Radar/Guiar Misiles

Aplicaciones
• RECREACIONALES: - Pesca/Excursiones/Safaris/Fun Race

Aplicaciones
• OTRAS: - Servicios Público, de Emergencia y Rescate
- Control de rutas

Equipos
y
Accesorios

Equipos
•Geodésicos

Equipos
•Diferenciales

Equipos
•Personales

Equipos (vanguardia)

Equipos
•Accesorios

Casas comerciales y marcas

Fuente de información (Links)

Evolución muy rápida de la constelaciones de
satélites y de los métodos de
posicionamiento.
Futuro

Caso del futuro cercano…

El del
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