El documento describe el Sistema de Posicionamiento Global (GPS). Consiste en una red de 24 satélites propiedad de EE.UU. que transmiten datos de posición e información horaria. Los receptores GPS calculan la posición triangulando la señal de al menos 3 satélites. El sistema mejora continuamente la precisión del posicionamiento para usos civiles.

1. DEPARTAMENTO DE FOTOGAMETRIA
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
Sistema De G.P.S.
Bachiller:
José Matías Molina
V-20414871
TOPOGRAFÍA I
Prof. Eugenia Delgado
Merida, Junio Del 2014

2.  Wolf P. y Ghilani C., Topografía, Alfa omega, undécima edición, 2009
 Rizos, Chris. University of New South Wales. GPS Satellite Sígnalos. 1999
(Traducción On Line)
 Revista GSP World - Online
 Distintos textos sobre GPS de Peter H. Dana, Universidad de Texas en Austin
 Ashby, Neil Relativity and GPS. Physics Today, May 2002. (Traducción On Line)
 Guillermo Sánchez. «Sistema posicionamiento global (GPS) y las teorías de la
relatividad

3.  El Sistema GPS (Global Positioning System) o Sistema de
posicionamiento Global es un sistema de posicionamiento
terrestre, la posición la calculan los receptores GPS gracias a la
información recibida desde satélites en órbita alrededor de la
Tierra. El GPS permite determinar en todo el mundo la posicion de
un objeto, una persona o un vehículo con una precisión hasta de
centímetros aunque lo habitual son unos pocos metros de
precisión
 Consiste en una red de 24 satélites, propiedad del Gobierno de los
Estados Unidos de América y gestionada por el Departamento de
Defensa, que proporciona un servicio de posicionamiento para todo
el globo terrestre.
 Cada uno de estos 24 satélites, situados en una órbita
geoestacionaria a unos 20.000 Km. De la Tierra y equipados con
relojes atómicos transmiten ininterrumpidamente la hora exacta y
su posición en el espacio.
Definición De G.P.S.

4.  Esto es, a grandes rasgos, el sistema GPS. A partir de esto, los receptores GPS
reciben esos datos que, una vez procesados, nos muestran.
 La antigua Unión Soviética construyó un sistema similar llamado GLONASS,
ahora gestionado por la Federación Rusa.
 Actualmente la Unión Europea está desarrollando su propio sistema de
posicionamiento por satélite, denominado Galileo.
 A su vez, la Republica Popular De China está implementando su propio
sistema de navegación, el denominado Beidou, que prevén que cuente con
entre 12 y 14 satélites entre 2011 y 2015. Para 2020, ya plenamente operativo
deberá contar con 30 satélites. En abril de 2011 tenían 8 en órbita.

5.  Desde la antigüedad del ser humano a sentido gran curiosidad por el
posicionamiento de la tierra en el universo y del hombre dentro de ella es por
eso que desde las tempranas eras comenzamos con el estudio de nuestra
posición muchos fueron los astrónomos y filósofos que dedicaron tiempo a este
tema como Galileo y platón para referirnos a algunos, hasta comienzos de los
años 50 del siglo pasado los mapas cartográficos eran el elemento mas
desarrollado en este ámbito y fue cuando países potencia como estados unidos
y la unión soviética decidieron desarrollar el sistema de posicionamiento por
medio de satélites.
En 1957, Unión Soviética la lanzó al espacio el satélite
Spukni, que era monitorizado mediante la observación
del efecto Doppler de la señal que transmitía. Debido a
este hecho se comenzó a pensar que, de igual modo, la
posición de un observador podría ser establecida
mediante el estudio de la frecuencia Doppler de una
señal transmitida por un satélite cuya órbita estuviera
determinada con precisión.

6.  La armada Estadounidense rápidamente aplicó esta
tecnología, para proveer a los sistemas de navegación de
sus flotas de observaciones de posiciones actualizadas y
precisas. Así surgió el sistema TRANSIT, que quedó
operativo en 1964, y hacia 1967 estuvo disponible,
además, para uso comercial.
 Las actualizaciones de posición, en ese entonces, se
encontraban disponibles cada 40 minutos y el
observador debía permanecer casi estático para poder
obtener información adecuada.
 Posteriormente, en esa misma década y gracias al
desarrollo de los relojes atómicos, se diseñó una
constelación de satélites, portando cada uno de ellos uno
de estos relojes y estando todos sincronizados con base
en una referencia de tiempo determinado.

7.  En 1973 se combinaron los programas de la Armada y el de la Fuerza Aérea
De Estados Unidos (este último consistente en una técnica de transmisión
codificada que proveía datos precisos usando una señal modulada con un
código de PRN (Pseudo-Random Noise: ruido pseudo-aleatorio), en lo que se
conoció como Navigation Technology Program (programa de tecnología de
navegación), posteriormente renombrado como NAVSTAR GPS.
 Entre 1978 y 1985 se desarrollaron y lanzaron once satélites prototipo
experimentales NAVSTAR, a los que siguieron otras generaciones de
satélites, hasta completar la constelación actual, a la que se declaró con
«capacidad operacional inicial» en diciembre de 1993 y con «capacidad
operacional total» en abril de 1995.
 En 2009, este país ofreció el servicio normalizado de determinación de la
posición para apoyar las necesidades de la OACI, y ésta aceptó el
ofrecimiento.
Historia Del G.P.S.

8. 
Como hemos dicho anteriormente, los receptores GPS reciben la información
precisa de la hora y la posición del satélite. Exactamente, recibe dos tipos de
datos, los datos del Almanaque, que consiste en una serie de parámetros
generales sobre la ubicación y la operatividad de cada satélite en relación al
resto de satélites de la red, esta información puede ser recibida desde cualquier
satélite, y una vez el receptor GPS tiene la información del último Almanaque
recibido y la hora precisa, sabe donde buscar los satélites en el espacio; la otra
serie de datos, también conocida como Efemérides, hace referencia a los datos
precisos, únicamente, del satélite que está siendo captado por el receptor GPS,
son parámetros orbitales exclusivos de ese satélite y se utilizan para calcular la
distancia exacta del receptor al satélite. Cuando el receptor ha captado la señal
de, al menos, tres satélites calcula su propia posición en la Tierra mediante la
triangulación de la posición de los satélites captados, y nos presentan los datos
de Longitud, Latitud y Altitud calculados. Los receptores GPS pueden recibir, y
habitualmente lo hacen, la señal de más de tres satélites para calcular su
posición. En principio, cuantas más señales recibe, más exacto es el cálculo de
posición.
Descripción Del Sistema G.P.S.

9.  Teniendo en cuenta que la concepción inicial de este sistema era
hacer un uso militar del mismo, debemos señalar que los receptores
que podemos encontrar en el mercado son para uso civil, y que éstos
quedan sujetos a una degradación de precisión que oscila de los 15 a los
100 metros RMS o 2DRMS1 en función de las circunstancias
geoestratégicas del momento, según la interpretación del
Departamento de Defensa de los EE.UU., quien gestiona y proporciona
este servicio. Esta degradación queda regulada por el Programa de
Disponibilidad Selectiva del Departamento de Defensa de los EE.UU. o
SA (Selective Availability) y, como hemos indicado antes, introduce un
error en la transmisión de la posición para los receptores de uso civil.
Esto es, naturalmente, para mantener una ventaja estratégica durante
las operaciones militares que lo requieran.
 De todo esto se deduce que, habitualmente, los receptores GPS tienen
un error nominal en el cálculo de la posición aproximadamente 15 m.
RMS que puede aumentar hasta los 100 m. RMS cuando el Gobierno de
los EE.UU. lo estime oportuno.
Descripción Del Sistema G.P.S.

10. Descripción Del Sistema G.P.S.

11.  Los satélites GPS transmiten las señales en dos tipos de frecuencias de ondas
portadoras, (en inglés carrier). Una onda se denomina "L1" y emite en una
frecuencia de 1575.42 MHz (Megaherzios) y transporta, de ahí el nombre "onda
portadora", dos tipos de mensaje:
 El ya conocido Pseudo-Random Code para el tiempo.
 El mensaje de estado de la señal.
 La otra onda se denomina "L2", con una frecuencia de 1277.60 MHz, mucho
más preciso en su código PRC que la anterior, se usa sólo para fines militares.
 1.- Los Códigos Seudo-Aleatorios o "Pseudo-Random Codes".
 A su vez el Pseudo-Random Code se divide en dos tipos:
 El primero se llama código "C/A" (Coarse Acquisition) o de "Adquisición
Común". Modula la onda portadora "L1". Se repite cada 1023 bits y modula en
un ratio de 1 MHz Cada satélite tiene un único Pseudo-Random Code. El
código "C/A" es la base para usos civiles del Sistema GPS. De ahí su nombre:
"Adquisición o Captación Común"
Señal Del G.P.S

12.  El segundo se llama código "P" (Preciso). Este se repite en un ciclo
de siete días y modula ambas ondas portadoras: L1 y L2 a un ratio de 10
MHz Este código es especial para usos militares y puede ser encriptado.
 Cuando se inscripta se le llama código "Y". Obviamente este código "P"
es mucho más complicado que el "C/A" y por tanto más complicado de
captar o adquirir por los receptores. Incluso, los GPS utilizados para
fines militares para adquirir las señales, primero utilizan el código
"C/A" y después saltan al código P".
 2.- El Estado de la Señal o Mensajes de Navegación.
 Estos mensajes de navegación o de estado, se encuentran en una señal
de baja frecuencia añadida al código "L1", la cual da información acerca
de las orbitas de los satélites, las correcciones de su reloj y otras señales
de estado del Sistema.
 Veamos que información transmite la onda portadora "L1“ y “L2” en el
siguiente esquema:
Señal Del G.P.S.

13. Señal Del G.P.S.
Señales Del
GPS
Señal Pseudo-Random
Code
El Estado de la Señal
o Mensajes de
Navegación.
código "P"
(Preciso).
código "C/A" (Coarse
Acquisition) o de
"Adquisición Común".

14.  El Sistema de Posicionamiento Global (Global Positioning System, G.P.S.)
fue concebido para determinar posiciones en tierra, mar, aire o en el espacio,
partiendo de las posiciones conocidas de una constelación de satélites.
 Cada satélite emite una señal que es continuamente registrada por un
receptor en la superficie terrestre. De este modo, si el reloj de que disponen
tanto el satélite como el receptor están sincronizados, se podrá calcular el
tiempo de viaje de la señal, al saber en que momento se emite la señal en el
satélite y en que momento se recibe en el receptor.
Fundamentos del G.P.S.
Multiplicando este tiempo por la velocidad de la luz
hallaremos la distancia entre cada satélite y
receptor. Cada distancia define una esfera con centro
en el satélite, y la intersección de 3 esferas nos daría
analíticamente la posición del punto a través de sus 3
coordenadas tridimensionales (X, Y, Z).

15.  No obstante, es muy difícil que los relojes u osciladores de los satélites y el
receptor estén perfectamente sincronizados, ya que la precisión del reloj del
receptor es menor que la del satélite. Para solucionar este problema
necesitaremos medidas desde al menos 4 satélites.
El G.P.S. se divide en tres segmentos: segmento
espacial, segmento de control y segmento usuario.
El segmento espacial contiene los satélites emisores de las
señales, conocidos como Constelación NAVSTAR (
NAVigation Satellite Timing And Ranging), que consta de
un mínimo de 24 satélites dispuestos en 6 planos
orbitales, con 55º de inclinación con respecto al Ecuador.
Dispone además de algunos satélites de recambio, por si
alguno de los que están en funcionamiento fallasen.
Fundamentos del G.P.S.

16.  Los satélites están a una altura de 20.200 kilómetros, y actúan como un punto
de referencia conocido, transmitiendo información utilizando dos frecuencias
de referencia L1=1575.42 MHz y L2=1227.60 MHz. Sobre estas frecuencias se
modulan 2 códigos, llamados C/A y P. El código C/A, (Clear/Acces o
Course/Acquisition), está disponible para todos los usuarios mientras que el
código P (Precision-code), se reserva para usos militares.
 Los satélites están distribuidos de manera que garanticen al menos 4 satélites
visibles desde cualquier punto del mundo, las 24 horas del día.
 El segmento de control es quien gobierna el sistema, a través de 5
estaciones situadas en Tierra con gran precisión. Estas estaciones son Hawái,
Colorado Springs, Isla de Ascensión en el Atlántico Sur, Diego García en el
Índico y Kwajalein en el Pacífico Norte. Estas estaciones realizan un
seguimiento continuo de los satélites y pueden realizar cambios en la
información transmitida por los satélites.
 Por último, el sector usuario está constituido por todos los equipos utilizados
para la recepción de las señales emitidas por los satélites y empleados para el
posicionamiento, para la navegación o para la determinación del tiempo con
precisión.
Fundamentos del G.P.S.

17.  El G.P.S. es utilizado en múltiples campos como la geodesia, geofísica,
geodinámica, astronomía, meteorología, topografía o cartografía. También se
utiliza en la navegación marina, aérea o terrestre, en la sincronización del
tiempo, para controlar flotas y maquinaría, en la localización automática de
vehículos o en la exploración y en los deportes de aventura.

18.  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 atraso, el receptor compara una serie de bits (unidad binaria)
recibida del satélite con una versión interna. Cuando se comparan los límites de
la serie, las electrónicas pueden meter 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.

19.  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.
FUENTE EFECTO
Ionosfera ± 3 m
Efemérides ± 2,5 m
Reloj satelital ± 2 m
Distorsión multibandas ± 1 m
Troposfera ± 0,5 m
Errores numéricos ± 1 m o menos