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Este documento explica el funcionamiento de los relojes atómicos y el sistema de posicionamiento global GPS. Los relojes atómicos se basan en la transición del átomo de Cesio-133 y son extremadamente precisos, con un error de solo 1 segundo cada 60 millones de años. El sistema GPS utiliza una red de 24 satélites equipados con relojes atómicos que emiten señales de radio. Los receptores GPS calculan la distancia a varios satélites para determinar la posición del receptor.
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- 1. GPS Y RELOJ ATÓMICO 26 de abril de 2013! Biblioteca del IES ORÓSPEDA! Miguel A. Jorquera!
- 2. PREGUNTAS ¿Qué es un reloj atómico? ¿A quién le interesa? ! ¿Quiénes lo usan? ¿Para qué se utiliza?! ¿Para qué me serviría a mi? ¿Cuánto cuesta?! ¿Qué es el GPS? ¿Dónde estoy?! ¿Para qué el GPS del móvil o del coche?! ¿Qué relación tiene con el reloj atómico?
- 3. RELOJ ATÓMICO 1949 Primer reloj! 1955 Muy precisos (Error de 1 segundo en 60 millones de años)! 200€ - 80.000€! Se basa en la transición del átomo de Cesio-133
- 4. Se llama reloj atómico a un dispositivo que sincroniza una oscilación eléctrica con la oscilación de la radiación emitida en la transición entre los dos niveles hiperfinos de un átomo de Cesio-133! ! ! Posteriormente se utilizaría Rubidio -87 e hidrógeno -1!
- 5. La precisión se origina en que la radiación emitida por estos átomos es siempre la misma y por eso puede usarse para definir un segundo patrón para medir el tiempo. ! ! Desde el año 1967, el Sistema Internacional de Unidades adoptó oficialmente como un segundo a la duración de 9.192.631.770 períodos de la radiación emitida por el Cesio-133.! ! Para medir esta frecuencia, los relojes de cesio fuente miden dos veces los átomos de cesio enfriados por láser en su viaje a través de la cavidad de microondas del reloj, una vez en su camino hacia arriba y de nuevo en su camino hacia abajo. Para lograr una evaluación precisa de la frecuencia del reloj, los físicos tenían que incluir en sus modelos la comprensión de cómo las microondas empujan la mecánica cuántica de los átomos.!
- 6. APLICACIONES Sistemas GPS de Posicionamiento Global! Medición exacta del tiempo! Ajuste de mecanismo de lanzamiento de misiles! Calibración fina de equipos! Redes de Telefonía
- 7. GPS Global Positioning System (Sistema de Posicionamiento Global)! ¿En qué punto de la Tierra estoy?! Coche: TomTom, Garmin, etc.! GPS del Móvil...
- 8. PERDIDO EN LA SELVA Antes de explicar el funcionamiento del GPS veremos un ejemplo más sencillo! Supongamos que estamos perdidos en la selva donde hay distribuídas algunas poblaciones! Tenemos un reloj (no atómico)! Cada pueblo tiene una iglesia! Las campanas de la iglesia suenan cada hora! El sonido de las campanas viaja a 340m/s=1230km/h
- 9. En la figura se muestran las iglesias pero nosotros no las vemos y estamos perdidos
- 10. 15:00:17 Escuchamos el sonido de una campana =>! Estamos a: ! 17s x 340m/s = 5780m de una iglesia
- 11. 15:00:26 Escuchamos el sonido de una campana =>! Estamos a: ! 26s x 340m/s = 8840m de otra iglesia! ! => Estamos en uno de los dos puntos donde se cortan las dos circunferencias
- 12. Al escuchar el sonido de las campanas de una tercera iglesia ya no hay dudas y sabemos en qué punto estamos
- 13. EL SITEMA GPS Red de satélites (24 satélites Navstar)! Estaciones de control! Recepetores (los que tenemos nosotros en el móvil, coche, etc.)
- 14. RED DE SATÉLITES 1 24 satélites ubicados en 6 planos! Garantizan que en cualquier lugar de la Tierra llega la señal de al menos 4! 1º se puso en órbita en 1978
- 15. RED DE SATÉLITES 2 El nº 24 el 26 de junio de 1993! Pesan 900Kg ! Tamaño de un coche mediano! Altura 20.000km! 2 vueltas a la Tierra por día
- 16. RED DE SATÉLITES 3 Llevan 3-4 relojes atómicos! Los fabricó la empresa Rockwell International! Emiten una señal de radio digital en forma continua que indican su posición y la hora en que fue emitida con la precisión de 10^-9 segu.
- 17. SEÑALES 1 Cada satélite emite una señal pseudo-aleatoria única de pulsos! 1) Para evitar confundirlas con señales de otros satélites u otras! 2) Amplificador de señal (Receptores económicos sin grandes antenas captan las señales de los satélites)
- 18. SEÑALES 2 Viajan a la velocidad de la luz! 300.000 km/s! 0.06 s x 300.000 km/s = 18.000 km
- 19. ESTACIONES DE CONTROL 1 Hay que conocer dónde está cada satélite en todo momento! Se colocaron en órbitas precisas según el Plan Maestro de GPS! Las estaciones de control en tierra tienen en sus computadoras un almanaque programado de la posición de cada satélite en cada momento
- 20. Hay cinco estaciones oficiales de seguimiento de la constelación NAVSTAR! La estación central o maestra (Consolidated Satellite Operation Center-CSOC o Master Control Center) que se encuentra en Colorado Springs, exactamente en la base Falcon f la U.S. Air Force. ! Las otras cuatro estaciones oficiales se denominan monitor stations y están situadas en:! La isla de Ascensión (Atlántico Sur).! La isla de Diego García (Océano Índico).! En Kwajalein (Pacífico Occidental).! En Hawaii (Pacífico Oriental).! Además hay otra estación central de reserva en Sunnivale (California), concretamente en la Base Ozinuka de la U.S. Air Force.! !
- 21. ESTACIONES DE CONTROL 2 El Departamento de Defensa de EEUU monitoriza los satélites y corrige pequeños errores por influencias gravitacionales del sol y luna y por la presión de la radiación solar sobre los satélites! Envía la posición corregida al satélite! De esta forma el satélite puede enviar su posición y hora exacta
- 22. RECEPTOR GPS 1 Cada receptor GPS recibe señales de por lo menos 4 satélites aunque en la práctica suelen ser más de 4
- 23. RECEPTOR GPS 2 Podemos proceder igual que con el ejemplo de la distancia a las iglesias según escuchamos el sonido de las campanas! Recibida la señal el receptor calcula la diferencia entre la hora de recepción y la hora de emisión! La distancia al satélite se calcula multiplicando la diferencia anterior por 300.000 km/s! Ahora las circunferencias se transforman en esferas
- 24. RECEPTOR GPS 3 Si estamos a 19.000km de un satélite determinado, no podemos estar en cualquier punto del universo sino que nuestra posición está limitada a la superficie de una esfera que tiene como centro dicho satélite y cuyo radio es de 19.000km! Si estamos a 24.000km de otro satélite, nuestra posición deberá de estar en la circunferencia intersección de las dos esferas
- 25. RECEPTOR GPS 4 Midiendo la distancia a un tercer satélite limita nuestra posición a sólo dos puntos en los cuales la última esfera corta a la circunferencia que resulta de la intersección de las dos primeras esferas! Normalmente se puede descartar uno de estos dos puntos por encontrarse lejano a la Tierra
- 26. RECEPTOR GPS 5 Se descarta un punto y obtenemos la localización
- 27. RECEPTOR GPS 6 Con 3 satélites y mediciones perfectas podemos obtener la posición en la Tierra! Pero...! Los receptores GPS no suelen llevar un reloj atómico y las mediciones no son perfectas! Un error de 1 milésima de segundo a la velocidad de la luz sería un error de ¡¡300 km en la distancia al satélite!!
- 28. RECEPTOR GPS 7 Necesitamos un 4º satélite pero no para obtener la posición exacata longitud/latitud/ altitud...! Es para no necesitar un reloj atómico en el receptor y que haga de factor corrector
- 29. RECEPTOR GPS 8 De la cuarta medición resultará una esfera que no intersectará con los 2 puntos que resultan de las 3 primeras esferas! El ordenador de nuestro receptor de GPS detectará la discrepancia y atribuirá la diferencia a una sincronización imperfecta de la hora universal! Como cualquier discrepancia con la hora universal afectará a las cuatro mediciones, el receptor buscará un factor de corrección común que siendo aplicado a las 4 mediciones hace que las esferas coincidan en un único punto! Esta corrección hace que el reloj del receptor se ajuste a la hora universal y por lo tanto tenemos un reloj atómico
- 30. ERRORES Velocidad de la luz sólo es constante en el vacío! Las señales pasan por la IONOSFERA (hay partículas cargadas)! Pasan por la TROPOSFERA (hay vapor de agua)! Montañas y otros obstáculos! Errores en los relojes atómicos de los satélites! Errores en la corrección de errores! Errores al coger satélites muy cerca entre sí
- 31. ERRORES 2 Errores intencionados...! “Disponibilidad selectiva” para evitar terrorismo! El 2 mayo de 2000 el presidente Clinton quitó estos errores intencionales con la condición de reservarse el derecho a EEUU de poner la disponibilidad selectiva cuando y donde quisiera! GPS difencial reduce considerablemente todos estos errores
- 33. GALILEO:EL GPS EUROPEO GPS ofrecido por EEUU tiene una destinación militar aunque permiten su uso gratuito a todo el mundo! Galileo está orientado al uso civil y militar! 30 satélites que orbitarán a 23.222 km en tres plano! Se supone que estará funcionando en 2013-2014
- 34. VENTAJAS DE GALILEO Mayor precisión que el GPS con un margen de error 10 veces más pequeño. La señal abierta al público permitirá una precisión de menos de 4 metros en horizontal y menos de 8 en vertical.! Mejor rango y disponibilidad de la señal. El aumento de la señal emitida por los satélites permitirá que estos lleguen a lugares donde el GPS no llegaba, como dentro de edificios o en bosques.! Independencia del sistema americano. Para los países participantes en este proyecto era muy importante no depender de Estados Unidos en el sistema de posicionamiento, pues pueden cortar la señal en cualquier momento que les interese. Así se puede garantizar una localización fiable y certera.
- 36. VÍDEO GPS 6 minutos 13 segundos