El documento resume los fundamentos y descripción del Sistema de Posicionamiento Global (GPS). Explica que el GPS consta de 24 satélites que proveen datos para calcular la posición de cualquier punto en la Tierra mediante trilateración. También describe los componentes del sistema, como las señales transmitidas, cálculo de distancias, y correcciones de errores. Finalmente, detalla algunas aplicaciones del GPS en ingeniería civil.

1. Universidad de los Andes
Facultad de Ingeniería
Departamento de Fotogrametría
Sistema de Posicionamiento Global
“GPS”
Topografia I
Prof: Eugenia Delgado
Est: Emiro Cerrada V-20200633
Emmily Pino V-19593793
Mérida, junio del 2014

2. REFERENCIAS
• Wolf P. y Ghilani C., Topografía, Alfa omega, undécima edición, 2009
• Leonardo Casanova. Topografía Plana Mérida Venezuela: Universidad
de Los Andes.
• Ashby, Neil Relativity and GPS. Physics Today, May 2002.
• Guillermo Sánchez. «Sistema posicionamiento global (GPS) y las
teorías de la relatividad»

3. CONCEPTO
Los satélites artificiales son utilizados por el G.P.S, como punto de
referencia para el cálculo de posiciones de puntos sobre la superficie de la
tierra con precisiones cada día mejores. Este sistema proporciona servicios
fiables de posicionamiento y navegación.
El sistema de posicionamiento global, G.P.S. es un sistema mundial de
navegación desarrollado por el Departamento de Defensa de los Estados
Unidos basado en el espacio. Actualmente este sistema consta de 24 satélites
artificiales (21 regulares más 3 de respaldo) y sus respectivas estaciones en
tierra, este es un sistema espacial conocido como la constelación NAVSTAR
que proporciona información para ubicar cualquier punto geográficamente y
hacer mapas sin importar las condiciones del tiempo. Estos instrumentos están
integrados esencialmente por una antena y un receptor.

4. HISTORIA
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. Es el primer sistema de
navegación basado en satélites; el sistema debía cumplir los requisitos de
globalidad abarcando toda la superficie del globo

5. HISTORIA
El sistema de posicionamiento global, conocido como “GPS”, quedó
oficialmente inaugurado en 1995. Este sistema -nacido en el seno de
del Departamento de Defensa de los EE.UU.- fue concebido
originalmente como un sistema estratégico militar, pero con el paso
del tiempo se desarrollaron una enorme cantidad de aplicaciones
civiles.
Desde sus inicios puramente militares, sus aplicaciones han ido
incrementándose constantemente en diversas áreas y los equipos
receptores de G.P.S han ido disminuyendo tanto en tamaño como en
costo.

6. DESCRIPCION DEL SISTEMA
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

7. DESCRIPCION DEL SISTEMA
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.
En el campo de la ingeniería civil, el G.P.S se ha convertido en una
herramienta indispensable para profesionales y técnicos en la
determinación de posiciones realización de levantamientos topográficos
con rapidez y precisión
Actualmente la tecnología existente permite manejar los datos obtenidos
por medio de G.P.S. con los programas de aplicación en las ramas de
ingeniería y geodesia.

8. En el campo de la ingeniería civil, el sistema de posicionamiento
global con navegadores sencillos GPS, tienen la capacidad de
proporcionar coordenadas en cualquier punto sobre la superficie de
la Tierra con precisión mas o menos 10 m, mientras que unidades
de levantamientos más sofisticadas pueden dar una posición
relativa con una precisión de unos cuantos milímetros y, por lo
tanto, son adecuadas para levantamientos de control y detalles.
Una de las ventajas particulares es que no requiere una línea visual
libre entre puntos de observación, y el equipo puede trabajar de día
o de noche, en todo tiempo, sin afectarse por lluvia niebla o nieve.
Actualmente la tecnología existente permite manejar de aplicación
en las ramas de ingeniería y geodesia.
DESCRIPCION DEL SISTEMA
APLICADO A INGENIERÍA

9. Cada uno de los satélites de la constelación NAVSTAR transmite dos
señales de radio, L1 con una frecuencia de 1.575,43 MHz y L2 1.227,6
MHz. La señal L1 se modula con dos códigos de ruido pseudo
aleatorios (Pseudo Random Noise, PRN), denominados Servicio de
Posicionamiento Preciso (PPS) o código P o protegido, el cual puede
ser encriptado para uso militar y el código de adquisición grueso (C/A
Coarse/Adquisition) conocido como Servicio Estándar de
Posicionamiento (SPS).
La señal L2 se modula solamente con el código P. La mayoría de los
receptores de uso civil usan el código C/A para obtener la información
del sistema G.P.S
SEÑAL DE GPS

10. SEÑAL DE GPS
Además de los códigos, los satélites transmiten a los receptores
información en un paquete de Información repetitivo de cinco diferentes
bloques con duración de 30 segundos.
Bloque 1: Contiene los parámetros de corrección de tiempo y refracción
ionosférica.
Bloques 2 y 3: Contienen información orbital y precisa para el cálculo de
efemérides
Bloques 4 y 5: Con información orbital aproximada de todos los satélites
del sistema en operación, tiempo universal coordinado, información
ionosférica e información especial.

11. 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 d los satelites, las correcciones de
su reloj y otras señales de estado del Sistema
SEÑAL DE GPS

12. FUNDAMENTOS DEL GPS
El sistema de posicionamiento global por satélite o G.P.S., se basa
en la medición de distancias a partir de señales de radio
transmitidas por un grupo de satélites artificiales cuya órbita se
conoce con precisión y captadas y decodificadas por receptores
ubicados en los puntos cuya posición se desea determinar. Si
medimos las distancias de al menos tres diferentes satélites a un
punto sobre la tierra, es posible determinar la posición de dicho
punto por trilateración.
Recordaremos que la trilateración es un procedimiento similar a la
triangulación pero basado en la medidas de los lados de un
triángulo.

13. FUNDAMENTOS INVOLUCRADOS EN LAS
MEDICIONES DE G.P.S.
-Trilateración Satelital
-Medición de distancia desde los satélites
-Medición precisa del tiempo
-Conocimiento preciso de la órbita del satélite
-Corrección de errores en la propagación de la onda

14. FUNDAMENTOS DEL GPS
-Trilateración Satelital
Los satélites del sistema de posicionamiento global se encuentran
girando alrededor de la Tierra en órbitas predefinidas a una altura
aproximada de 20.200 kilómetros, siendo posible conocer con
exactitud la ubicación de un satélite en un instante de tiempo dado,
convirtiéndose por lo tanto los satélites en puntos de referencia en
el espacio.

15. -Medición de distancia desde los satélites
La distancia de un satélite a un receptor se calcula midiendo el
tiempo de viaje de la señal de radio desde el satélite al receptor.
Conociendo la velocidad de la señal de radio, la distancia se
determina por medio de la ecuación de movimiento con velocidad
uniforme.
• D = v.t
D = distancia en kilómetros desde el satélite al punto considerado
v = velocidad de la señal de radio, aproximadamente la velocidad
de la luz v ≈300.000 km/s
t = tiempo de viaje de la señal en segundos
FUNDAMENTOS DEL GPS

16. -Precisión en la medida del tiempo
La medición del tiempo de viaje es una actividad difícil de realizar.
Debido a la gran velocidad de las señales de radio y a las
distancias, relativamente cortas, a la cual se encuentran los
satélites de la Tierra, los tiempos de viaje son extremadamente
cortos. El tiempo promedio que una señal tarda en viajar de un
satélite orbitando a 20.200 kilómetros a la Tierra es de 0,067
segundos. Este hecho hace necesario la utilización de relojes muy
precisos. Los satélites portan relojes atómicos con precisiones de
un nanosegundo, pero colocar este tipo de relojes en los receptores
sería muy costoso. Para solucionar este problema los receptores
corrigen los errores en la medición del tiempo mediante una
medición a un cuarto satélite.
FUNDAMENTOS DEL GPS

17. -Posicionamiento del satélite
Como se ha mencionado previamente, existen 24 satélites
operacionales en el sistema NAVSTAR (Navigation Satellite Timing
and Ranging) orbitando la Tierra cada 12 horas a una altura de
20.200 kilómetros. Existen seis diferentes órbitas inclinadas
aproximadamente 55º con respecto al Ecuador.
Alrededor de cada uno de estos planos giran cuatro satélites que
son monitoreados constantemente por el Departamento de Defensa
delos Estados Unidos. EnTierra existen cinco estaciones de
seguimiento y control: tres estaciones para la alimentación de datos
y una estación de control maestro. La estaciónde control maestro
calcula, con los datos de las estaciones de seguimiento, la posición
de los satélites en las órbitas (efemérides), los coeficientes para las
correcciones de los tiempos y transmiten esta información a los
satélites.
FUNDAMENTOS DEL GPS

18. -Corrección de errores
Los errores que afectan las mediciones con G.P.S. se pueden
agrupar en tres tipos diferentes:
Errores propios del satélite
Errores originados por el medio de propagación
Errores en la recepción
FUNDAMENTOS DEL GPS

19. 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.
FUENTES DE ERROR DEL GPS

20. FUENTES DE ERROR DEL GPS
EFECTO
FUENTE ± 3 m
Efemérides ± 2,5 m
Reloj satelital ± 2 m
Distorsión multibandas ± 1 m
Troposfera ± 0,5 m
Errores numéricos ± 1 m o menos
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.