Sistema de Posicionamiento Global

La impresión del artista de GPS Block IIR satélite en órbita terrestre

Receptores civiles de GPS ("dispositivo de navegación GPS") en una aplicación marina

Sistema de navegación automotriz en taxicab

Un Airman superior del Comando Espacial de la Fuerza Aérea pasa por una lista de verificación durante las operaciones por satélite del Sistema Mundial de Posición.

El Global Positioning System (GPS), originalmente Navstar GPS, es un sistema de radionavegación basado en satélites propiedad del gobierno de los Estados Unidos y operado por la Fuerza Espacial de los Estados Unidos. Es uno de los sistemas globales de navegación por satélite (GNSS) que proporciona geolocalización e información horaria a un receptor GPS en cualquier lugar de la Tierra o cerca de ella donde haya una línea de visión sin obstrucciones para cuatro o más satélites GPS. No requiere que el usuario transmita ningún dato y funciona independientemente de cualquier recepción telefónica o de Internet, aunque estas tecnologías pueden mejorar la utilidad de la información de posicionamiento GPS. Proporciona capacidades de posicionamiento críticas a usuarios militares, civiles y comerciales de todo el mundo. Aunque el gobierno de los Estados Unidos creó, controla y mantiene el sistema GPS, es de libre acceso para cualquier persona con un receptor GPS.

El proyecto GPS fue iniciado por el Departamento de Defensa de los EE. UU. en 1973. El primer prototipo de nave espacial se lanzó en 1978 y la constelación completa de 24 satélites entró en funcionamiento en 1993. Originalmente limitado al uso militar de los EE. UU., el uso civil fue permitido desde la década de 1980 luego de una orden ejecutiva del presidente Ronald Reagan después del incidente del vuelo 007 de Korean Air Lines. Los avances en tecnología y las nuevas demandas en el sistema existente ahora han llevado a los esfuerzos para modernizar el GPS e implementar la próxima generación de satélites GPS Block IIIA y el Sistema de control operativo (OCX) de próxima generación. que fue autorizado por el Congreso de los Estados Unidos en 2000.

Desde principios de la década de 1990, el gobierno de los Estados Unidos degradó la precisión posicional del GPS mediante un programa llamado disponibilidad selectiva, que podía degradar o denegar el acceso al sistema de manera selectiva en cualquier momento, como le sucedió al ejército indio en 1999 durante el conflicto de Kargil. Guerra. Sin embargo, esta práctica se suspendió el 1 de mayo de 2000, de acuerdo con un proyecto de ley promulgado por el presidente Bill Clinton. Como resultado, varios países han desarrollado o están en proceso de establecer otros sistemas de navegación por satélite globales o regionales.

El Sistema Satelital de Navegación Global de Rusia (GLONASS) se desarrolló al mismo tiempo que el GPS, pero sufrió una cobertura incompleta del globo hasta mediados de la década de 2000. La recepción GLONASS además del GPS se puede combinar en un receptor, lo que permite disponer de satélites adicionales para permitir correcciones de posición más rápidas y precisión mejorada, dentro de un margen de dos metros (6,6 pies).

El sistema de navegación por satélite BeiDou de China comenzó sus servicios globales en 2018 y finalizó su implementación completa en 2020. También están el sistema de navegación por satélite Galileo de la Unión Europea y el NavIC de la India. El sistema de satélite Quasi-Zenith de Japón (QZSS) es un sistema de aumento basado en satélites GPS para mejorar la precisión del GPS en Asia-Oceanía, con navegación por satélite independiente del GPS prevista para 2023.

Cuando se eliminó la disponibilidad selectiva en 2000, el GPS tenía una precisión de unos cinco metros (16 pies). Los receptores GPS que utilizan la banda L5 tienen una precisión mucho mayor, con una precisión de 30 centímetros (11,8 pulgadas), mientras que los usuarios avanzados (por lo general, aplicaciones de ingeniería y topografía) pueden tener una precisión en varias de las señales de ancho de banda con una precisión de dos centímetros., e incluso precisión submilimétrica para mediciones a largo plazo. Los dispositivos de consumo, como los teléfonos inteligentes, pueden tener una precisión de hasta 4,9 m (o mejor con servicios de asistencia como el posicionamiento Wi-Fi también habilitado). A partir de mayo de 2021, 16 satélites GPS están transmitiendo señales L5 y las señales se consideran preoperativas, programadas para llegar a 24 satélites aproximadamente en 2027.

Historia

Película de la Fuerza Aérea introduciendo el Sistema de Posicionamiento Global de Navstar, alrededor de 1977

Animación del sistema de constelación GPS

El proyecto GPS se lanzó en los Estados Unidos en 1973 para superar las limitaciones de los sistemas de navegación anteriores, combinando ideas de varios predecesores, incluidos estudios de diseño de ingeniería clasificados de la década de 1960. El Departamento de Defensa de EE. UU. desarrolló el sistema, que originalmente usaba 24 satélites, para uso del ejército de EE. UU. y entró en pleno funcionamiento en 1995. El uso civil se permitió a partir de la década de 1980. A Roger L. Easton del Laboratorio de Investigación Naval, Ivan A. Getting de The Aerospace Corporation y Bradford Parkinson del Laboratorio de Física Aplicada se les atribuye su invención. El trabajo de Gladys West se acredita como fundamental en el desarrollo de técnicas computacionales para detectar posiciones de satélites con la precisión necesaria para GPS.

El diseño del GPS se basa en parte en sistemas de radionavegación terrestres similares, como LORAN y Decca Navigator, desarrollados a principios de la década de 1940.

En 1955, Friedwardt Winterberg propuso una prueba de la relatividad general: detectar la desaceleración del tiempo en un fuerte campo gravitatorio utilizando relojes atómicos precisos colocados en órbita dentro de satélites artificiales. La relatividad especial y general predijo que los relojes de los satélites GPS, observados por los de la Tierra, funcionan 38 microsegundos más rápido por día que los de la Tierra. El diseño del GPS corrige esta diferencia; porque sin hacerlo, las posiciones calculadas por GPS acumularían errores de hasta 10 kilómetros por día (6 mi/d).

Predecesores

En 1955, el oficial naval holandés Wijnand Langeraar presentó una solicitud de patente para un sistema de navegación de largo alcance basado en radio ante la oficina de patentes de EE. UU. el 16 de febrero de 1955 y se le otorgó la patente US2980907A el 18 de abril de 1961.

Cuando la Unión Soviética lanzó el primer satélite artificial (Sputnik 1) en 1957, dos físicos estadounidenses, William Guier y George Weiffenbach, del Laboratorio de Física Aplicada (APL) de la Universidad Johns Hopkins decidieron monitorear sus transmisiones de radio. En cuestión de horas se dieron cuenta de que, debido al efecto Doppler, podían señalar dónde estaba el satélite a lo largo de su órbita. El Director de la APL les dio acceso a su UNIVAC para hacer los cálculos pesados requeridos.

A principios del año siguiente, Frank McClure, subdirector de la APL, pidió a Guier y Weiffenbach que investigaran el problema inverso: señalar la ubicación del usuario, dada la del satélite. (En ese momento, la Marina estaba desarrollando el misil Polaris lanzado desde un submarino, lo que requería que supieran la ubicación del submarino). Esto los llevó a ellos y a APL a desarrollar el sistema TRANSIT. En 1959, ARPA (rebautizada como DARPA en 1972) también desempeñó un papel en TRANSIT.

TRANSIT se probó con éxito por primera vez en 1960. Utilizaba una constelación de cinco satélites y podía proporcionar una posición de navegación aproximadamente una vez por hora.

En 1967, la Marina de los EE. UU. desarrolló el satélite Timation, que demostró la viabilidad de colocar relojes precisos en el espacio, una tecnología necesaria para el GPS.

En la década de 1970, el sistema de navegación terrestre OMEGA, basado en la comparación de fase de la transmisión de señales de pares de estaciones, se convirtió en el primer sistema de navegación por radio del mundo. Las limitaciones de estos sistemas impulsaron la necesidad de una solución de navegación más universal con mayor precisión.

Aunque existían amplias necesidades de navegación precisa en los sectores militar y civil, casi ninguna de ellas se consideró una justificación de los miles de millones de dólares que costaría en investigación, desarrollo, despliegue y operación de una constelación de satélites de navegación. Durante la carrera armamentista de la Guerra Fría, la amenaza nuclear a la existencia de los Estados Unidos fue la única necesidad que justificó este costo en opinión del Congreso de los Estados Unidos. Este efecto disuasorio es la razón por la que se financió el GPS. También es la razón del ultrasecreto en ese momento. La tríada nuclear consistió en los misiles balísticos lanzados desde submarinos (SLBM) de la Marina de los Estados Unidos junto con los bombarderos estratégicos y los misiles balísticos intercontinentales (ICBM) de la Fuerza Aérea de los Estados Unidos (USAF). Considerado vital para la postura de disuasión nuclear, la determinación precisa de la posición de lanzamiento del SLBM fue un multiplicador de fuerza.

La navegación precisa permitiría a los submarinos de misiles balísticos de los Estados Unidos obtener una posición precisa de sus posiciones antes de lanzar sus SLBM. La USAF, con dos tercios de la tríada nuclear, también tenía requisitos para un sistema de navegación más preciso y confiable. La Marina de los EE. UU. y la Fuerza Aérea de los EE. UU. estaban desarrollando sus propias tecnologías en paralelo para resolver lo que era esencialmente el mismo problema.

Para aumentar la capacidad de supervivencia de los misiles balísticos intercontinentales, se propuso utilizar plataformas de lanzamiento móviles (comparables a los SS-24 y SS-25 soviéticos), por lo que la necesidad de fijar la posición de lanzamiento era similar a la situación de los SLBM.

En 1960, la Fuerza Aérea propuso un sistema de radionavegación llamado MOSAIC (Mobile System for Accurate ICBM Control) que era esencialmente un LORAN tridimensional. En 1963 se realizó un estudio de seguimiento, el Proyecto 57, y fue "en este estudio donde nació el concepto de GPS". Ese mismo año, se persiguió el concepto como Proyecto 621B, que tenía "muchos de los atributos que ahora se ven en el GPS" y prometió una mayor precisión para los bombarderos de la Fuerza Aérea y los misiles balísticos intercontinentales.

Las actualizaciones del sistema TRANSIT de la Armada eran demasiado lentas para las altas velocidades de operación de la Fuerza Aérea. El Laboratorio de Investigación Naval (NRL) continuó avanzando con sus satélites Timation (Navegación en el tiempo), lanzados por primera vez en 1967, lanzados en segundo lugar en 1969, con el tercero en 1974 llevando el primer reloj atómico en órbita y el cuarto lanzado en 1977.

Otro predecesor importante del GPS provino de una rama diferente del ejército de los Estados Unidos. En 1964, el Ejército de los Estados Unidos puso en órbita su primer satélite Sequential Collation of Range (SECOR) utilizado para estudios geodésicos. El sistema SECOR incluía tres transmisores terrestres en ubicaciones conocidas que enviarían señales al transpondedor satelital en órbita. Una cuarta estación terrestre, en una posición indeterminada, podría usar esas señales para fijar su ubicación con precisión. El último satélite SECOR se lanzó en 1969.

Desarrollo

Con estos desarrollos paralelos en la década de 1960, se dio cuenta de que se podía desarrollar un sistema superior al sintetizar las mejores tecnologías de 621B, Transit, Timation y SECOR en un programa de servicios múltiples. Había que resolver los errores de posición orbital de los satélites, inducidos por variaciones en el campo de gravedad y la refracción del radar, entre otros. Un equipo dirigido por Harold L Jury de la División Aeroespacial de Pan Am en Florida de 1970 a 1973 utilizó la asimilación de datos en tiempo real y la estimación recursiva para hacerlo, reduciendo los errores sistemáticos y residuales a un nivel manejable para permitir una navegación precisa.

Durante el fin de semana del Día del Trabajo de 1973, una reunión de unos doce oficiales militares en el Pentágono discutió la creación de un Sistema de navegación por satélite de defensa (DNSS). Fue en esta reunión que se creó la síntesis real que se convirtió en GPS. Más tarde ese año, el programa DNSS se denominó Navstar. Navstar a menudo se considera erróneamente como un acrónimo de "Sistema de navegación que usa sincronización y rango" pero nunca fue considerado como tal por la Oficina del Programa Conjunto de GPS (es posible que TRW alguna vez haya abogado por un sistema de navegación diferente que usara ese acrónimo). Con los satélites individuales asociados con el nombre Navstar (como con los predecesores Transit y Timation), se utilizó un nombre más completo para identificar la constelación de satélites Navstar, Navstar-GPS. Diez "Bloque I" los satélites prototipo se lanzaron entre 1978 y 1985 (una unidad adicional fue destruida en un lanzamiento fallido).

El efecto de la ionosfera en la transmisión de radio se investigó en un laboratorio de geofísica del Laboratorio de Investigación de Cambridge de la Fuerza Aérea, que pasó a llamarse Laboratorio de Investigación Geofísica de la Fuerza Aérea (AFGRL) en 1974. AFGRL desarrolló el modelo Klobuchar para calcular las correcciones ionosféricas de la ubicación GPS. Cabe destacar el trabajo realizado por la científica espacial australiana Elizabeth Essex-Cohen en AFGRL en 1974. Estaba preocupada por la curvatura de los caminos de las ondas de radio (refracción atmosférica) que atraviesan la ionosfera desde los satélites NavSTAR.

Después de que el vuelo 007 de Korean Air Lines, un Boeing 747 que transportaba a 269 personas, fuera derribado en 1983 tras entrar en el espacio aéreo prohibido de la URSS, en las cercanías de las islas Sakhalin y Moneron, el presidente Ronald Reagan emitió una directiva por la que GPS disponible gratuitamente para uso civil, una vez que esté suficientemente desarrollado, como un bien común. El primer satélite del Bloque II se lanzó el 14 de febrero de 1989 y el satélite número 24 se lanzó en 1994. El costo del programa GPS en este punto, sin incluir el costo del equipo del usuario pero incluidos los costos de los lanzamientos de satélites, se ha estimado. en US $ 5 mil millones (equivalente a $ 9 mil millones en 2021).

Al principio, la señal de mayor calidad se reservaba para uso militar y la señal disponible para uso civil se degradaba intencionadamente, en una política conocida como disponibilidad selectiva. Esto cambió con la firma del presidente Bill Clinton el 1 de mayo de 2000, una directiva de política para desactivar la disponibilidad selectiva para brindar a los civiles la misma precisión que se le brindaba a los militares. La directiva fue propuesta por el Secretario de Defensa de los EE. UU., William Perry, en vista del crecimiento generalizado de los servicios de GPS diferencial por parte de la industria privada para mejorar la precisión civil. Además, el ejército de EE. UU. estaba desarrollando tecnologías para denegar el servicio de GPS a posibles adversarios a nivel regional. La disponibilidad selectiva se eliminó de la arquitectura GPS a partir de GPS-III.

Desde su implementación, EE. UU. ha implementado varias mejoras en el servicio de GPS, incluidas nuevas señales para uso civil y una mayor precisión e integridad para todos los usuarios, manteniendo al mismo tiempo la compatibilidad con los equipos de GPS existentes. La modernización del sistema satelital ha sido una iniciativa continua del Departamento de Defensa de los EE. UU. a través de una serie de adquisiciones de satélites para satisfacer las crecientes necesidades del mercado militar, civil y comercial.

A principios de 2015, los receptores GPS de servicio de posicionamiento estándar (SPS) de alta calidad, grado FAA, brindaban una precisión horizontal superior a 3,5 metros (11 pies), aunque muchos factores, como la calidad del receptor y la antena y los problemas atmosféricos, pueden afectar esta precisión.

GPS es propiedad y está operado por el gobierno de los Estados Unidos como un recurso nacional. El Departamento de Defensa es el administrador del GPS. La Junta Ejecutiva Interagencial de GPS (IGEB) supervisó los asuntos de política de GPS de 1996 a 2004. Después de eso, el Comité Ejecutivo Nacional de Cronometraje, Navegación y Posicionamiento Espacial fue establecido por directiva presidencial en 2004 para asesorar y coordinar departamentos y agencias federales en asuntos relacionados con el GPS y los sistemas relacionados. El comité ejecutivo está presidido conjuntamente por los subsecretarios de Defensa y Transporte. Su membresía incluye funcionarios de nivel equivalente de los Departamentos de Estado, Comercio y Seguridad Nacional, el Estado Mayor Conjunto y la NASA. Los componentes de la oficina ejecutiva del presidente participan como observadores en el comité ejecutivo, y el presidente de la FCC participa como enlace.

El Departamento de Defensa de los EE. UU. está obligado por ley a 'mantener un Servicio de Posicionamiento Estándar (tal como se define en el plan federal de navegación por radio y la especificación de la señal del servicio de posicionamiento estándar) que estará disponible de manera continua en todo el mundo, " y "desarrollar medidas para prevenir el uso hostil del GPS y sus mejoras sin interrumpir o degradar indebidamente los usos civiles."

Cronología y modernización

• En 1972, el Servicio Central de Pruebas de Orientación Inercial de la USAF (Holloman AFB) realizó pruebas de vuelo de desarrollo de cuatro receptores de GPS prototipo en una configuración de Y sobre White Sands Missile Range, utilizando pseudosatélites terrestres.
• En 1978 se lanzó el primer satélite experimental Block-I GPS.
• En 1983, después de que un avión interceptor soviético derribó al avión civil KAL 007 que se alejó al espacio aéreo prohibido debido a errores de navegación, matando a las 269 personas a bordo, el presidente estadounidense Ronald Reagan anunció que el GPS estaría disponible para usos civiles una vez terminado, aunque había sido publicado anteriormente en la revista Navegación, y que el código CA (código de ensayo/acción) estaría disponible para usuarios civiles.
• Para 1985, se habían lanzado diez satélites experimentales Block-I para validar el concepto.
• A partir de 1988, el mando y control de estos satélites se trasladó de Onizuka AFS, California a la 2a Escuadrón de Control Satélite (2SCS) ubicada en la estación de Fuerza Aérea de Falcon en Colorado Springs, Colorado.
• El 14 de febrero de 1989 se lanzó el primer satélite Bloque II moderno.
• La Guerra del Golfo entre 1990 y 1991 fue el primer conflicto en el que el GPS militar utilizado ampliamente.
• En 1991, terminó con éxito un proyecto para crear un receptor GPS miniatura, reemplazando a los receptores militares anteriores de 16 kg (35 libras) por un receptor manual de 1,25 kg (2,8 libras).
• En 1992, el segundo Ala Espacial, que originalmente gestionaba el sistema, fue inactivado y reemplazado por la 50a Ala Espacial.
  

  Emblema de la 50a Ala Espacial
• En diciembre de 1993, el GPS alcanzó la capacidad operacional inicial (IOC), con una constelación completa (24 satélites) disponible y proporcionando el Servicio de Posición Estándar (SPS).
• La capacidad operacional completa (FOC) fue declarada por el Comando Espacial de la Fuerza Aérea (AFSPC) en abril de 1995, lo que significa la plena disponibilidad del Servicio de Posicionamiento Preciso Seguro del Ejército (PPS).
• En 1996, reconociendo la importancia del GPS para los usuarios civiles, así como para los usuarios militares, el Presidente de los Estados Unidos, Bill Clinton, publicó una directiva de política en la que se declaraba que el GPS era un sistema de doble uso y se establecía una Junta Ejecutiva del GPS interinstitucional para administrarlo como activo nacional.
• En 1998, el vicepresidente de los Estados Unidos Al Gore anunció planes para actualizar el GPS con dos nuevas señales civiles para mejorar la exactitud y fiabilidad de los usuarios, en particular con respecto a la seguridad de la aviación, y en 2000 el Congreso de los Estados Unidos autorizó el esfuerzo, refiriéndose a él como GPS III.
• El 2 de mayo de 2000 "Selective Availability" se suspendió como resultado del orden ejecutivo de 1996, permitiendo a los usuarios civiles recibir una señal no degradada a nivel mundial.
• En 2004, el gobierno de los Estados Unidos firmó un acuerdo con la Comunidad Europea estableciendo cooperación relacionada con el sistema Galileo de GPS y Europa.
• En 2004, el Presidente de los Estados Unidos, George W. Bush, actualizó la política nacional y reemplazó a la junta ejecutiva con el Comité Ejecutivo Nacional de Posicionamiento, Navegación y Tiempo Basado en el Espacio.
• Noviembre de 2004, Qualcomm anunció pruebas exitosas de GPS asistido para teléfonos móviles.
• En 2005 se lanzó el primer satélite GPS modernizado y comenzó a transmitir una segunda señal civil (L2C) para mejorar el rendimiento de los usuarios.
• El 14 de septiembre de 2007 se transfirió el Sistema de Control de Segmentos Terrestres basado en el envejecimiento al nuevo Plan de Evolución de Arquitectura.
• On May 19, 2009, the United States Government Accountability Office issued a report warning that some GPS satellites could fail as soon as 2010.
• El 21 de mayo de 2009, el Comando Espacial de la Fuerza Aérea alegó miedos al fracaso del GPS, diciendo "Sólo hay un pequeño riesgo que no seguiremos superando nuestro estándar de rendimiento".
• On January 11, 2010, an update of ground control systems caused a software incompatibility with 8,000 to 10,000 military receivers manufactured by a division of Trimble Navigation Limited of Sunnyvale, Calif.
• El 25 de febrero de 2010, la Fuerza Aérea de EE.UU. otorgó el contrato para desarrollar el Sistema de Control Operacional de Next Generation GPS (OCX) para mejorar la precisión y disponibilidad de señales de navegación GPS, y servir como parte crítica de la modernización del GPS.

Premios

AFSPC El vicepresidente Lt. Gen. DT Thompson presenta al Dr. Gladys West con un premio al ser inducida en el Espacio de la Fuerza Aérea y el Salón de la Fama de los Pioneers Misiles.

El 10 de febrero de 1993, la Asociación Aeronáutica Nacional seleccionó al equipo GPS como ganadores del Trofeo Robert J. Collier de 1992, el premio de aviación más prestigioso de los EE. UU. Este equipo combina investigadores del Laboratorio de Investigación Naval, la USAF, la Corporación Aeroespacial, la Corporación Internacional Rockwell y la Compañía de Sistemas Federales de IBM. La mención los honra "por el desarrollo más significativo para la navegación y vigilancia seguras y eficientes de aeronaves y naves espaciales desde la introducción de la radionavegación hace 50 años".

Dos desarrolladores de GPS recibieron el premio Charles Stark Draper de la Academia Nacional de Ingeniería en 2003:

• Ivan Get, presidente emérito de la Corporación Aeroespacial y ingeniero del MIT, estableció la base para el GPS, mejorando en el sistema de radio terrestre de la Segunda Guerra Mundial llamado LORAN (LoRAN)Lo siento.ng-range Radio Aid to Navigación).
• Bradford Parkinson, profesor de aeronáutica y astronauta de la Universidad de Stanford, concibió el actual sistema basado en satélites a principios del decenio de 1960 y lo desarrolló junto con la Fuerza Aérea de los Estados Unidos. Parkinson sirvió veintiún años en la Fuerza Aérea, de 1957 a 1978, y se retiró con el rango de coronel.

El desarrollador de GPS Roger L. Easton recibió la Medalla Nacional de Tecnología el 13 de febrero de 2006.

Francis X. Kane (Coronel USAF, jubilado) fue incluido en el Salón de la Fama de Pioneros de Misiles y Espacio de la Fuerza Aérea de EE. UU. en Lackland A.F.B., San Antonio, Texas, el 2 de marzo de 2010, por su papel en el desarrollo de tecnología espacial. y el concepto de diseño de ingeniería de GPS realizado como parte del Proyecto 621B.

En 1998, la tecnología GPS se incluyó en el Salón de la Fama de la Tecnología Espacial de la Fundación Espacial.

El 4 de octubre de 2011, la Federación Astronáutica Internacional (IAF) otorgó al Sistema de Posicionamiento Global (GPS) su premio del 60.º aniversario, nominado por el miembro de la IAF, el Instituto Estadounidense de Aeronáutica y Astronáutica (AIAA). El Comité de Honores y Premios de la IAF reconoció la singularidad del programa GPS y el papel ejemplar que ha desempeñado en la construcción de la colaboración internacional en beneficio de la humanidad.

El 6 de diciembre de 2018, Gladys West fue incluida en el Salón de la Fama de los Pioneros de Misiles y el Espacio de la Fuerza Aérea en reconocimiento a su trabajo en un modelo geodésico extremadamente preciso de la Tierra, que finalmente se usó para determinar la órbita de la constelación GPS.

El 12 de febrero de 2019, cuatro miembros fundadores del proyecto recibieron el Premio Reina Isabel de Ingeniería y el presidente de la junta de adjudicación declaró "La ingeniería es la base de la civilización; no hay otro fundamento; hace que las cosas sucedan. Y eso es exactamente lo que han hecho los Laureados de hoy: han hecho que las cosas sucedan. Han reescrito, de manera importante, la infraestructura de nuestro mundo."

Principios

Los satélites GPS llevan relojes atómicos muy estables que están sincronizados entre sí y con los relojes atómicos de referencia en las estaciones de control en tierra; cualquier desviación de los relojes a bordo de los satélites con respecto a la hora de referencia mantenida en las estaciones terrestres se corrige periódicamente. Dado que la velocidad de las ondas de radio (velocidad de la luz) es constante e independiente de la velocidad del satélite, el tiempo de retraso entre el momento en que el satélite transmite una señal y la estación terrestre la recibe es proporcional a la distancia del satélite a la estación terrestre. Con la información de distancia recopilada de múltiples estaciones terrestres, las coordenadas de ubicación de cualquier satélite en cualquier momento se pueden calcular con gran precisión.

Cada satélite GPS lleva un registro preciso de su propia posición y hora, y transmite esos datos continuamente. Con base en los datos recibidos de múltiples satélites GPS, el receptor GPS de un usuario final puede calcular su propia posición en cuatro dimensiones en el espacio-tiempo; Sin embargo, como mínimo, cuatro satélites deben estar a la vista del receptor para que calcule cuatro cantidades desconocidas (tres coordenadas de posición y la desviación de su propio reloj respecto a la hora del satélite).

Descripción más detallada

Cada satélite GPS transmite continuamente una señal (onda portadora con modulación) que incluye:

• Un código de pseudoprensión (secuencia de uno y ceros) que es conocido por el receptor. Al alinear una versión generada por el receptor y la versión asegurada por el receptor del código, el tiempo de llegada (TOA) de un punto definido en la secuencia de código, llamada una época, se puede encontrar en la escala de tiempo del reloj receptor
• Un mensaje que incluye el tiempo de transmisión (TOT) de la época del código (en escala de tiempo GPS) y la posición del satélite en ese momento

Conceptualmente, el receptor mide los TOA (según su propio reloj) de cuatro señales de satélite. A partir de los TOA y los TOT, el receptor forma cuatro valores de tiempo de vuelo (TOF), que son (dada la velocidad de la luz) aproximadamente equivalentes a los rangos del receptor-satélite más la diferencia de tiempo entre el receptor y los satélites GPS multiplicada por la velocidad de la luz, que se denominan pseudorangos. Luego, el receptor calcula su posición tridimensional y la desviación del reloj a partir de los cuatro TOF.

En la práctica, la posición del receptor (en coordenadas cartesianas tridimensionales con origen en el centro de la Tierra) y el desplazamiento del reloj del receptor en relación con la hora del GPS se calculan simultáneamente, usando las ecuaciones de navegación para procesar los TOF.

La ubicación de la solución centrada en la Tierra del receptor generalmente se convierte a latitud, longitud y altura en relación con un modelo terrestre elipsoidal. La altura se puede convertir luego en altura relativa al geoide, que es esencialmente el nivel medio del mar. Estas coordenadas pueden mostrarse, como en una pantalla de mapa en movimiento, o grabarse o usarse por algún otro sistema, como un sistema de guía de vehículos.

Geometría usuario-satélite

Aunque por lo general no se forman explícitamente en el procesamiento del receptor, las diferencias conceptuales de tiempo de llegada (TDOA) definen la geometría de medición. Cada TDOA corresponde a un hiperboloide de revolución (ver Multilateración). La línea que conecta los dos satélites involucrados (y sus extensiones) forma el eje del hiperboloide. El receptor está ubicado en el punto donde se cruzan tres hiperboloides.

A veces se dice incorrectamente que la ubicación del usuario está en la intersección de tres esferas. Si bien es más sencillo de visualizar, este es el caso solo si el receptor tiene un reloj sincronizado con los relojes de los satélites (es decir, el receptor mide distancias reales a los satélites en lugar de diferencias de distancia). Hay marcados beneficios de rendimiento para el usuario que lleva un reloj sincronizado con los satélites. Lo más importante es que solo se necesitan tres satélites para calcular una solución de posición. Si fuera parte esencial del concepto GPS que todos los usuarios necesitaran llevar un reloj sincronizado, se podría desplegar un número menor de satélites, pero aumentaría el costo y la complejidad del equipo del usuario.

Receptor en funcionamiento continuo

La descripción anterior es representativa de una situación de puesta en marcha del receptor. La mayoría de los receptores tienen un algoritmo de rastreo, a veces llamado rastreador, que combina conjuntos de mediciones satelitales recopiladas en diferentes momentos; de hecho, aprovecha el hecho de que las posiciones sucesivas del receptor suelen estar cerca unas de otras. Después de procesar un conjunto de mediciones, el rastreador predice la ubicación del receptor correspondiente al siguiente conjunto de mediciones satelitales. Cuando se recopilan las nuevas medidas, el receptor utiliza un esquema de ponderación para combinar las nuevas medidas con la predicción del rastreador. En general, un rastreador puede (a) mejorar la posición del receptor y la precisión del tiempo, (b) rechazar las malas mediciones y (c) estimar la velocidad y la dirección del receptor.

La desventaja de un rastreador es que los cambios en la velocidad o la dirección solo se pueden calcular con un retraso, y esa dirección derivada se vuelve inexacta cuando la distancia recorrida entre dos mediciones de posición cae por debajo o cerca del error aleatorio de medición de posición. Las unidades de GPS pueden usar mediciones del desplazamiento Doppler de las señales recibidas para calcular la velocidad con precisión. Los sistemas de navegación más avanzados utilizan sensores adicionales como una brújula o un sistema de navegación inercial para complementar el GPS.

Aplicaciones que no son de navegación

El GPS requiere que cuatro o más satélites sean visibles para una navegación precisa. La solución de las ecuaciones de navegación proporciona la posición del receptor junto con la diferencia entre la hora que marca el reloj de a bordo del receptor y la hora real del día, eliminando así la necesidad de una hora más precisa y posiblemente reloj basado en receptor poco práctico. Las aplicaciones para GPS, como la transferencia de tiempo, el tiempo de las señales de tráfico y la sincronización de las estaciones base de los teléfonos celulares, hacen uso de este tiempo económico y altamente preciso. Algunas aplicaciones de GPS utilizan este tiempo para la visualización o, aparte de los cálculos básicos de posición, no lo utilizan en absoluto.

Aunque se requieren cuatro satélites para el funcionamiento normal, se aplican menos en casos especiales. Si ya se conoce una variable, un receptor puede determinar su posición utilizando solo tres satélites. Por ejemplo, un barco en mar abierto generalmente tiene una elevación conocida cercana a 0 m, y la elevación de un avión puede ser conocida. Algunos receptores GPS pueden usar pistas o suposiciones adicionales, como reutilizar la última altitud conocida, navegación a estima, navegación inercial o incluir información de la computadora del vehículo, para dar una posición (posiblemente degradada) cuando hay menos de cuatro satélites visibles.

Estructura

El GPS actual consta de tres segmentos principales. Estos son el segmento espacial, un segmento de control y un segmento de usuario. La Fuerza Espacial de EE. UU. desarrolla, mantiene y opera los segmentos de espacio y control. Los satélites GPS transmiten señales desde el espacio y cada receptor GPS usa estas señales para calcular su ubicación tridimensional (latitud, longitud y altitud) y la hora actual.

Segmento espacial

Satélite de bloque GPS II-A en exposición en el Museo Espacial del Aire de San Diego

Un ejemplo visual de una constelación GPS 24 satélite en movimiento con la Tierra girando. Observe cómo el número de satélites en vista desde un punto dado en la superficie de la Tierra cambia con el tiempo. El punto en este ejemplo es en Oro, Colorado, EE.UU.39°44′49′′N 105°12′39′′′W / 39.7469°N 105.2108°W / 39.7469; -105.2108).

El segmento espacial (SS) se compone de 24 a 32 satélites, o vehículos espaciales (SV), en órbita terrestre media, y también incluye los adaptadores de carga útil a los propulsores necesarios para ponerlos en órbita. El diseño del GPS originalmente requería 24 SV, ocho cada uno en tres órbitas aproximadamente circulares, pero esto se modificó a seis planos orbitales con cuatro satélites cada uno. Los seis planos de la órbita tienen una inclinación de aproximadamente 55° (inclinación con respecto al ecuador de la Tierra) y están separados por una ascensión recta de 60° del nodo ascendente (ángulo a lo largo del ecuador desde un punto de referencia hasta la intersección de la órbita).). El período orbital es medio día sideral, es decir, 11 horas y 58 minutos, de modo que los satélites pasan todos los días por los mismos lugares o casi por los mismos lugares. Las órbitas están dispuestas de modo que al menos seis satélites estén siempre dentro de la línea de visión desde cualquier parte de la superficie de la Tierra (ver animación a la derecha). El resultado de este objetivo es que los cuatro satélites no están separados uniformemente (90°) dentro de cada órbita. En términos generales, la diferencia angular entre los satélites en cada órbita es de 30°, 105°, 120° y 105°, que suman 360°.

Orbitando a una altitud de aproximadamente 20 200 km (12 600 mi); Con un radio orbital de aproximadamente 26 600 km (16 500 mi), cada SV realiza dos órbitas completas cada día sidéreo, repitiendo la misma trayectoria terrestre cada día. Esto fue muy útil durante el desarrollo porque incluso con solo cuatro satélites, la alineación correcta significa que los cuatro son visibles desde un punto durante algunas horas cada día. Para operaciones militares, la repetición de la trayectoria en tierra se puede utilizar para garantizar una buena cobertura en las zonas de combate.

Hasta febrero de 2019, hay 31 satélites en la constelación de GPS, 27 de los cuales están en uso en un momento dado y el resto asignado como reserva. Se lanzó un 32 en 2018, pero a julio de 2019 todavía está en evaluación. Más satélites fuera de servicio están en órbita y disponibles como repuestos. Los satélites adicionales mejoran la precisión de los cálculos del receptor GPS al proporcionar mediciones redundantes. Con el aumento del número de satélites, la constelación se cambió a un arreglo no uniforme. Se demostró que tal arreglo mejora la precisión pero también mejora la confiabilidad y disponibilidad del sistema, en relación con un sistema uniforme, cuando fallan varios satélites. Con la constelación ampliada, nueve satélites suelen ser visibles en cualquier momento desde cualquier punto de la Tierra con un horizonte despejado, lo que garantiza una redundancia considerable sobre los cuatro satélites mínimos necesarios para una posición.

Segmento de control

Estación de vigilancia terrestre utilizada entre 1984 y 2007, en exposición en el espacio de la Fuerza Aérea y el Museo de Misiles.

El segmento de control (CS) está compuesto por:

1. a master control station (MCS),
2. una estación de control maestro alternativa,
3. cuatro antenas terrestres dedicadas, y
4. seis estaciones de monitor dedicadas.

El MCS también puede acceder a las antenas terrestres de la Red de Control de Satélites (SCN) (para capacidad adicional de comando y control) y a las estaciones de monitoreo de la NGA (Agencia Nacional de Inteligencia Geoespacial). Las rutas de vuelo de los satélites son rastreadas por estaciones de monitoreo dedicadas de la Fuerza Espacial de los EE. UU. en Hawái, el atolón Kwajalein, la isla Ascensión, Diego García, Colorado Springs, Colorado y Cabo Cañaveral, junto con estaciones de monitoreo NGA compartidas operadas en Inglaterra, Argentina, Ecuador, Bahrein, Australia y Washington DC. La información de seguimiento se envía al MCS en la Base de la Fuerza Espacial Schriever a 25 km (16 mi) ESE de Colorado Springs, que es operado por el 2.° Escuadrón de Operaciones Espaciales (2 SOPS) de la Fuerza Espacial de los EE. UU. Luego, 2 SOPS se comunica con cada satélite GPS regularmente con una actualización de navegación utilizando antenas terrestres dedicadas o compartidas (AFSCN) (las antenas terrestres dedicadas GPS están ubicadas en Kwajalein, Isla Ascensión, Diego García y Cabo Cañaveral). Estas actualizaciones sincronizan los relojes atómicos a bordo de los satélites con una diferencia de unos pocos nanosegundos entre sí y ajustan las efemérides del modelo orbital interno de cada satélite. Las actualizaciones son creadas por un filtro Kalman que utiliza entradas de las estaciones de monitoreo terrestres, información del clima espacial y varias otras entradas.

Las maniobras de los satélites no son precisas según los estándares de GPS, por lo que para cambiar la órbita de un satélite, el satélite debe estar marcado como no saludable, para que los receptores no lo utilicen. Después de la maniobra del satélite, los ingenieros rastrean la nueva órbita desde el suelo, cargan las nuevas efemérides y vuelven a marcar el estado del satélite.

El segmento de control de operaciones (OCS) actualmente sirve como segmento de control de registro. Proporciona la capacidad operativa que respalda a los usuarios de GPS y mantiene el GPS operativo y funcionando dentro de las especificaciones.

OCS reemplazó con éxito la computadora central heredada de la década de 1970 en la Base de la Fuerza Aérea de Schriever en septiembre de 2007. Después de la instalación, el sistema ayudó a habilitar las actualizaciones y proporcionó una base para una nueva arquitectura de seguridad que apoyó a las fuerzas armadas de EE. UU.

OCS seguirá siendo el sistema de control terrestre de referencia hasta que el nuevo segmento, el Sistema de control de operaciones GPS (OCX) de próxima generación, esté completamente desarrollado y funcional. Las nuevas capacidades provistas por OCX serán la piedra angular para revolucionar las capacidades de misión de GPS, permitiendo que la Fuerza Espacial de EE. UU. mejore en gran medida los servicios operativos de GPS para las fuerzas de combate de EE. UU., socios civiles y una miríada de usuarios nacionales e internacionales. El programa GPS OCX también reducirá el costo, el cronograma y el riesgo técnico. Está diseñado para proporcionar un ahorro del 50 % en los costos de mantenimiento a través de una arquitectura de software eficiente y una logística basada en el rendimiento. Además, se espera que GPS OCX cueste millones menos que el costo de actualizar OCS mientras proporciona cuatro veces la capacidad.

El programa GPS OCX representa una parte fundamental de la modernización del GPS y proporciona mejoras significativas en el aseguramiento de la información con respecto al programa GPS OCS actual.

• OCX tendrá la capacidad de controlar y gestionar los satélites heredados de GPS, así como la próxima generación de satélites GPS III, permitiendo al mismo tiempo toda la gama de señales militares.
• Construido en una arquitectura flexible que puede adaptarse rápidamente a las necesidades cambiantes de los usuarios GPS actuales y futuros que permiten el acceso inmediato a los datos GPS y el estado de constelación a través de información segura, precisa y confiable.
• Proporciona al caza de guerra información más segura, factible y predictiva para aumentar la conciencia situacional.
• Permite nuevas señales modernizadas (L1C, L2C y L5) y tiene capacidad de código M, que el sistema legado no puede hacer.
• Proporciona mejoras significativas en la seguridad de la información sobre el programa actual, incluyendo la detección y prevención de ataques cibernéticos, al tiempo que aisla, contiene y opera durante esos ataques.
• Soporta mayor volumen cerca de las capacidades y capacidades de mando en tiempo real.

El 14 de septiembre de 2011, la Fuerza Aérea de EE. UU. anunció la finalización de la revisión de diseño preliminar de GPS OCX y confirmó que el programa OCX está listo para la siguiente fase de desarrollo.

El programa GPS OCX no ha alcanzado hitos importantes y está aplazando su lanzamiento hasta 2021, 5 años después de la fecha límite original. Según la Oficina de Contabilidad del Gobierno, incluso este nuevo plazo parece inestable.

Segmento de usuarios

Los receptores GPS vienen en una variedad de formatos, desde dispositivos integrados en automóviles, teléfonos y relojes, a dispositivos dedicados como estos.

La primera unidad GPS portátil, una Leica WM 101, exhibida en el Museo Nacional de Ciencias Irlandés en Maynooth.

El segmento de usuarios (EE. UU.) está compuesto por cientos de miles de usuarios estadounidenses y militares aliados del Servicio de posicionamiento preciso GPS seguro, y decenas de millones de usuarios civiles, comerciales y científicos del Servicio de posicionamiento estándar. En general, los receptores GPS se componen de una antena, sintonizada con las frecuencias transmitidas por los satélites, receptores-procesadores y un reloj de alta estabilidad (a menudo un oscilador de cristal). También pueden incluir una pantalla para proporcionar información de ubicación y velocidad al usuario. Un receptor a menudo se describe por su número de canales: esto significa cuántos satélites puede monitorear simultáneamente. Originalmente limitado a cuatro o cinco, esto ha aumentado progresivamente a lo largo de los años, de modo que, a partir de 2007, los receptores suelen tener entre 12 y 20 canales. Aunque hay muchos fabricantes de receptores, casi todos usan uno de los conjuntos de chips producidos para este propósito.

Un típico módulo de receptor GPS OEM de 15 mm × 17 mm (0.6 en × 0.7 en)

Los receptores GPS pueden incluir una entrada para correcciones diferenciales, utilizando el formato RTCM SC-104. Suele tener la forma de un puerto RS-232 a una velocidad de 4800 bit/s. En realidad, los datos se envían a una velocidad mucho más baja, lo que limita la precisión de la señal enviada mediante RTCM. Los receptores con receptores DGPS internos pueden superar a los que utilizan datos RTCM externos. A partir de 2006, incluso las unidades de bajo costo suelen incluir receptores del sistema de aumento de área amplia (WAAS).

Un receptor GPS típico con antena integrada.

Muchos receptores GPS pueden transmitir datos de posición a una PC u otro dispositivo mediante el protocolo NMEA 0183. Aunque este protocolo está definido oficialmente por la Asociación Nacional de Electrónica Marina (NMEA), las referencias a este protocolo se compilaron a partir de registros públicos, lo que permite que herramientas de código abierto como gpsd lean el protocolo sin violar las leyes de propiedad intelectual. También existen otros protocolos propietarios, como los protocolos SiRF y MTK. Los receptores pueden interactuar con otros dispositivos utilizando métodos que incluyen una conexión en serie, USB o Bluetooth.

Aplicaciones

Aunque originalmente era un proyecto militar, el GPS se considera una tecnología de doble uso, lo que significa que también tiene importantes aplicaciones civiles.

GPS se ha convertido en una herramienta útil y ampliamente implementada para el comercio, los usos científicos, el seguimiento y la vigilancia. La hora precisa del GPS facilita las actividades cotidianas como la banca, las operaciones de telefonía móvil e incluso el control de las redes eléctricas al permitir un cambio de transferencia bien sincronizado.

Civil

Esta antena se monta en el techo de una cabaña que contiene un experimento científico que necesita tiempo preciso.

Muchas aplicaciones civiles utilizan uno o más de los tres componentes básicos del GPS: ubicación absoluta, movimiento relativo y transferencia de tiempo.

• Radio de aficionados: sincronización de relojes requerida para varios modos digitales como FT8, FT4 y JS8; también se utiliza con APRS para la presentación de posiciones; es a menudo crítico durante el soporte de comunicaciones de emergencia y desastres.
• Atmósfera: estudiar los retrasos de la troposfera (recuperación del contenido de vapor de agua) y los retrasos de la ionosfera (recuperación del número de electrones libres). Recuperación de desplazamientos de superficie de la Tierra debido a la carga de presión atmosférica.
• Astronomía: los datos de sincronización posicional y reloj se utilizan en la astrometría y la mecánica celeste y la determinación precisa de la órbita. El GPS también se utiliza tanto en astronomía amateur con telescopios pequeños como en observatorios profesionales para encontrar planetas extrasolar.
• Automatizado vehículo: aplicación de la ubicación y rutas para coches y camiones a funcionar sin un conductor humano.
• Cartografía: los cartógrafos civiles y militares utilizan el GPS extensamente.
• Telefonía celular: la sincronización de relojes permite la transferencia de tiempo, que es fundamental para sincronizar sus códigos de difusión con otras estaciones de base para facilitar la entrega intercelular y apoyar la detección híbrida de posición GPS/celular para llamadas de emergencia móviles y otras aplicaciones. Los primeros manuales con GPS integrado lanzado a finales del decenio de 1990. La Comisión Federal de Comunicaciones de los Estados Unidos (FCC) encomendó la función en el teléfono o en las torres (para uso en triangulación) en 2002 para que los servicios de emergencia pudieran localizar a los 911. Los desarrolladores de software de terceros más tarde obtuvieron acceso a las API de GPS de Nextel al lanzamiento, seguido de Sprint en 2006, y Verizon poco después.
• Sincronización del reloj: la precisión de las señales de tiempo GPS (±10 ns) es segunda sólo a los relojes atómicos que se basan, y se utiliza en aplicaciones como osciladores disciplinados por GPS.
• Servicios de socorro en casos de desastre/emergencia: muchos servicios de emergencia dependen del GPS para las capacidades de localización y sincronización.
• Radiosondas y gotas con GPS: mide y calcula la presión atmosférica, la velocidad del viento y la dirección hasta 27 km (89.000 pies) de la superficie de la Tierra.
• Ocultación de radio para usos meteorológicos y científicos atmosféricos.
• Seguimiento de la flota: utilizado para identificar, localizar y mantener informes de contacto con uno o más vehículos de la flota en tiempo real.
• Geodesia: determinación de los parámetros de orientación de la Tierra incluyendo el movimiento polar diario y sub-daily, y variabilidades de largo-de-día, el centro de masa de la Tierra - movimiento geocentro, y parámetros de campo de gravedad de bajo grado.
• Geofencing: sistemas de rastreo de vehículos, sistemas de rastreo de personas y sistemas de seguimiento de mascotas utilizan GPS para localizar dispositivos que se adjuntan a una persona, vehículo o mascota o que son transportados. La aplicación puede proporcionar seguimiento continuo y enviar notificaciones si el objetivo deja un área designada (o "fenced-in").
• Geotagging: aplica coordenadas de ubicación a objetos digitales como fotografías (en datos de Exif) y otros documentos con fines tales como la creación de mapas superpuestos con dispositivos como Nikon GP-1
• Rastreo de aviones GPS
• GPS for mining: the use of RTK GPS has significantly improved several mining operations such as tal as perforaing, palaling, vehicle tracking, and surveying. RTK GPS proporciona precisión de posicionamiento de nivel centímetro.
• Minería de datos GPS: Es posible agregar datos GPS de múltiples usuarios para entender patrones de movimiento, trayectorias comunes y lugares interesantes.
• Visitas GPS: ubicación determina qué contenido mostrar; por ejemplo, información sobre un punto de interés aproximado.
• Salud mental: seguimiento del funcionamiento y la sociabilidad de la salud mental.
• Navegación: los navegantes valoran mediciones de velocidad y orientación digitalmente precisas, así como posiciones precisas en tiempo real con el apoyo de correcciones de órbita y reloj.
• Determinación orbital de satélites de baja órbita con receptor GPS instalado a bordo, como GOCE, GRACE, Jason-1, Jason-2, TerraSAR-X, TanDEM-X, CHAMP, Sentinel-3 y algunos cubesats, por ejemplo, CubETH.
• Medidas de Phasor: El GPS permite una optimización de tiempos muy precisa de las mediciones del sistema de energía, lo que permite calcular los fasores.
• Recreación: por ejemplo, Geocaching, Geodashing, GPS, waymarking y otros tipos de juegos móviles basados en la ubicación, como Pokémon Go.
• Marcos de referencia: realización y densificación de los marcos de referencia terrestre en el marco del Sistema Mundial de Observación Geodésica. Co-ubicación en el espacio entre láser de satélite y observaciones de microondas para la obtención de parámetros geodésicos globales.
• Robotics: robots autónomos auto-navegantes usando sensores GPS, que calculan latitud, longitud, tiempo, velocidad y rumbo.
• Deporte: utilizado en fútbol y rugby para el control y análisis de la carga de entrenamiento.
• Encuesta: los encuestadores utilizan lugares absolutos para hacer mapas y determinar límites de propiedad.
• Tectónica: GPS permite la medición directa del movimiento de fallas de terremotos. Entre terremotos GPS se puede utilizar para medir el movimiento y la deformación crustal para estimar la acumulación de tensión sísmica para crear mapas de peligro sísmico.
• Telemática: Tecnología GPS integrada con computadoras y tecnología de comunicaciones móviles en sistemas de navegación automotriz.

Restricciones al uso civil

El gobierno de EE. UU. controla la exportación de algunos receptores civiles. Todos los receptores GPS capaces de funcionar por encima de los 18 km (60 000 pies) sobre el nivel del mar y a 500 m/s (2000 km/h; 1000 mph) o a 1000 nudos (1000 mph), o diseñados o modificados para su uso con misiles y aviones no tripulados, se clasifican como municiones. (armas), lo que significa que requieren licencias de exportación del Departamento de Estado. Esta regla se aplica incluso a unidades puramente civiles que solo reciben la frecuencia L1 y el código C/A (Coarse/Acquisition).

La desactivación de la operación por encima de estos límites exime al receptor de la clasificación como munición. Las interpretaciones de los proveedores difieren. La regla se refiere al funcionamiento tanto a la altitud como a la velocidad objetivo, pero algunos receptores dejan de funcionar incluso cuando están parados. Esto ha causado problemas con algunos lanzamientos de globos de radioaficionados que regularmente alcanzan los 30 km (100 000 pies).

Estos límites solo se aplican a unidades o componentes exportados desde los Estados Unidos. Existe un comercio creciente de varios componentes, incluidas las unidades de GPS de otros países. Estos se venden expresamente como libres de ITAR.

Militar

Adjuntar un kit de orientación GPS a una bomba tonta, marzo de 2003.

M982 Excalibur Caño de artillería guiado por GPS.

A partir de 2009, las aplicaciones militares de GPS incluyen:

• Navegación: Los soldados utilizan GPS para encontrar objetivos, incluso en el territorio oscuro o desconocido, y para coordinar el movimiento de tropas y suministros. En las fuerzas armadas de los Estados Unidos, los comandantes utilizan Asistente Digital del Comandante y los rangos inferiores usan el Soldado Digital Assistant.
• Seguimiento de objetivos: Varios sistemas de armas militares utilizan GPS para rastrear posibles objetivos terrestres y aéreos antes de señalarlos como hostiles. Estos sistemas de armas pasan coordenadas de objetivos a municiones guiadas por precisión para permitirles alcanzar objetivos con precisión. Los aviones militares, en particular en las funciones aéreas a terrestres, utilizan el GPS para encontrar objetivos.
• Orientación en materia de misiles y proyectiles: el GPS permite seleccionar con precisión diversas armas militares, incluidos los misiles ICBM, los misiles de crucero, las municiones de precisión y los proyectiles de artillería. Receptores de GPS integrados capaces de soportar aceleraciónes de 12.000 g aproximadamente 118 km/s² (260,000 mph/s) se han desarrollado para su uso en 155 milímetros (6.1 in) conchas de aprovisionamiento.
• Búsqueda y rescate.
• Reconnaissance: El movimiento de patrullas se puede gestionar más de cerca.
• Los satélites GPS llevan un conjunto de detectores de detonación nuclear que consisten en un sensor óptico llamado bhangmeter, un sensor de rayos X, un dosímetro y un sensor de pulso electromagnético (sensor W), que forman una parte importante del Sistema de Detonación Nuclear de los Estados Unidos. El general William Shelton ha declarado que los futuros satélites pueden bajar esta característica para ahorrar dinero.

La navegación de tipo GPS se utilizó por primera vez en la Guerra del Golfo Pérsico de 1991, antes de que el GPS se desarrollara por completo en 1995, para ayudar a las Fuerzas de la Coalición a navegar y realizar maniobras en la guerra. La guerra también demostró la vulnerabilidad del GPS a las interferencias, cuando las fuerzas iraquíes instalaron dispositivos de interferencia en posibles objetivos que emitían ruido de radio, interrumpiendo la recepción de la débil señal del GPS.

La vulnerabilidad del GPS a las interferencias es una amenaza que continúa creciendo a medida que aumenta la experiencia y el equipo de interferencias. Se ha informado que las señales de GPS se han interferido muchas veces a lo largo de los años con fines militares. Rusia parece tener varios objetivos para este comportamiento, como intimidar a los vecinos mientras socava la confianza en su dependencia de los sistemas estadounidenses, promover su alternativa GLONASS, interrumpir los ejercicios militares occidentales y proteger los activos de los drones. China utiliza interferencias para disuadir a los aviones de vigilancia estadounidenses cerca de las islas Spratly en disputa. Corea del Norte ha montado varias operaciones importantes de interferencia cerca de su frontera con Corea del Sur y en alta mar, interrumpiendo operaciones de vuelos, transporte marítimo y pesca. Las Fuerzas Armadas iraníes interrumpieron el GPS del avión civil Vuelo PS752 cuando derribaron el avión.

Cronometraje

Correcciones relativistas

El GPS implementa dos correcciones importantes a sus señales de tiempo por efectos relativistas: una para la velocidad relativa del satélite y el receptor, utilizando la teoría especial de la relatividad, y otra para la diferencia de potencial gravitatorio entre el satélite y el receptor, utilizando la relatividad general. La aceleración del satélite también podría calcularse de forma independiente como una corrección, según el propósito, pero normalmente el efecto ya se trata en las dos primeras correcciones.

Segundos bisiestos

Mientras que la mayoría de los relojes obtienen su hora del tiempo universal coordinado (UTC), los relojes atómicos de los satélites están configurados en "hora GPS". La diferencia es que la hora del GPS no se corrige para que coincida con la rotación de la Tierra, por lo que no contiene segundos bisiestos u otras correcciones que se agregan periódicamente al UTC. La hora del GPS se configuró para coincidir con UTC en 1980, pero desde entonces ha divergido. La falta de correcciones significa que la hora del GPS permanece en un desfase constante con la hora atómica internacional (TAI) (TAI - GPS = 19 segundos). Se realizan correcciones periódicas a los relojes de a bordo para mantenerlos sincronizados con los relojes de tierra.

El mensaje de navegación GPS incluye la diferencia entre la hora GPS y UTC. A partir de enero de 2017, la hora del GPS está 18 segundos por delante de la UTC debido al segundo bisiesto que se añadió a la UTC el 31 de diciembre de 2016. Los receptores restan esta diferencia a la hora del GPS para calcular los valores de la zona horaria específica y la UTC. Es posible que las nuevas unidades de GPS no muestren la hora UTC correcta hasta después de recibir el mensaje de compensación de UTC. El campo de compensación GPS-UTC puede acomodar 255 segundos bisiestos (ocho bits).

Precisión

En teoría, la hora del GPS tiene una precisión de unos 14 nanosegundos, debido a la desviación del reloj en relación con la hora atómica internacional que experimentan los relojes atómicos en los transmisores de GPS. La mayoría de los receptores pierden cierta precisión en la interpretación de las señales y solo tienen una precisión de unos 100 nanosegundos..

Formato

A diferencia del formato de año, mes y día del calendario gregoriano, la fecha del GPS se expresa como un número de semana y un número de segundos en semana. El número de semana se transmite como un campo de diez bits en los mensajes de navegación C/A y P(Y), por lo que vuelve a ser cero cada 1024 semanas (19,6 años). La semana cero del GPS comenzó a las 00:00:00 UTC (00:00:19 TAI) del 6 de enero de 1980, y el número de semana volvió a ser cero por primera vez a las 23:59:47 UTC del 21 de agosto de 1999 (00:00:19 TAI el 22 de agosto de 1999). Ocurrió por segunda vez a las 23:59:42 UTC del 6 de abril de 2019. Para determinar la fecha gregoriana actual, se debe proporcionar un receptor GPS con la fecha aproximada (dentro de 3584 días) para traducir correctamente la señal de fecha GPS. Para abordar esta preocupación en el futuro, el mensaje de navegación civil GPS modernizado (CNAV) utilizará un campo de 13 bits que solo se repite cada 8 192 semanas (157 años), por lo que durará hasta 2137 (157 años después de la semana cero del GPS).

Comunicación

Las señales de navegación transmitidas por los satélites GPS codifican una variedad de información, incluidas las posiciones de los satélites, el estado de los relojes internos y el estado de la red. Estas señales se transmiten en dos frecuencias portadoras separadas que son comunes a todos los satélites de la red. Se utilizan dos codificaciones diferentes: una codificación pública que permite una navegación de menor resolución y una codificación cifrada utilizada por el ejército de los EE. UU.

Formato de mensaje

Formato de mensaje GPS

Subframes	Descripción
1	Reloj satélite, Relación de tiempo GPS
2 a 3	Ephemeris (órbita satélite apreciada)
4 a 5	Componente de Almanac (sinopsis de red satélite, corrección de errores)

Cada satélite GPS transmite continuamente un mensaje de navegación en las frecuencias L1 (C/A y P/Y) y L2 (P/Y) a una velocidad de 50 bits por segundo (ver tasa de bits). Cada mensaje completo tarda 750 segundos (12+1⁄ 2 minutos) para completar. La estructura del mensaje tiene un formato básico de una trama de 1500 bits de longitud compuesta por cinco subtramas, cada una de las cuales tiene una longitud de 300 bits (6 segundos). Las subtramas 4 y 5 se subconmutan 25 veces cada una, de modo que un mensaje de datos completo requiere la transmisión de 25 tramas completas. Cada subtrama consta de diez palabras, cada una de 30 bits de longitud. Por lo tanto, con 300 bits en una subtrama por 5 subtramas en una trama por 25 tramas en un mensaje, cada mensaje tiene una longitud de 37.500 bits. A una velocidad de transmisión de 50 bits/s, esto da 750 segundos para transmitir un mensaje de almanaque completo (GPS). Cada cuadro de 30 segundos comienza precisamente en el minuto o medio minuto indicado por el reloj atómico de cada satélite.

El primer subcuadro de cada cuadro codifica el número de la semana y la hora dentro de la semana, así como los datos sobre el estado del satélite. El segundo y el tercer subtrama contienen las efemérides: la órbita precisa del satélite. Las subtramas cuarta y quinta contienen el almanaque, que contiene información de estado y órbita aproximada de hasta 32 satélites en la constelación, así como datos relacionados con la corrección de errores. Así, para obtener una ubicación satelital precisa a partir de este mensaje transmitido, el receptor debe demodular el mensaje de cada satélite que incluye en su solución durante 18 a 30 segundos. Para recopilar todos los almanaques transmitidos, el receptor debe demodular el mensaje durante 732 a 750 segundos o 12+1⁄2 minutos.

Todos los satélites transmiten en las mismas frecuencias, codificando señales mediante acceso múltiple por división de código único (CDMA) para que los receptores puedan distinguir los satélites individuales entre sí. El sistema utiliza dos tipos distintos de codificación CDMA: el código grueso/de adquisición (C/A), al que puede acceder el público en general, y el código preciso (P(Y)), que está cifrado para que solo el ejército de EE. UU. y otros Las naciones de la OTAN a las que se les ha dado acceso al código de encriptación pueden acceder a él.

Las efemérides se actualizan cada 2 horas y son suficientemente estables durante 4 horas, con disposiciones para actualizaciones cada 6 horas o más en condiciones no nominales. El almanaque se actualiza normalmente cada 24 horas. Además, los datos de las siguientes semanas se cargan en caso de actualizaciones de transmisión que retrasen la carga de datos.

Frecuencias de satélite

Resumen de frecuencias GPS

Banda	Frecuencia	Descripción
L1	1575.42 MHz	Coarse-acquisición (C/A) y códigos de precisión cifrados (P(Y)), además de los códigos civiles (L1C) y militares (M) del bloque III y los satélites más recientes.
L2	1227.60 MHz	P(Y) code, plus the L2C and military codes on the Block IIR-M and newer satellites.
L3	1381.05 MHz	Se utiliza para la detección de detonación nuclear (NUDET).
L4	1379.913 MHz	Se está estudiando para una corrección ionosférica adicional.
L5	1176.45 MHz	Utilizado como señal civil de seguridad de la vida (SL) en Block IIF y satélites más recientes.

Todos los satélites emiten en las mismas dos frecuencias, 1,57542 GHz (señal L1) y 1,2276 GHz (señal L2). La red de satélites utiliza una técnica de espectro ensanchado CDMA en la que los datos del mensaje de baja tasa de bits se codifican con una secuencia pseudoaleatoria (PRN) de alta tasa que es diferente para cada satélite. El receptor debe conocer los códigos PRN de cada satélite para reconstruir los datos reales del mensaje. El código C/A, para uso civil, transmite datos a 1,023 millones de chips por segundo, mientras que el código P, para uso militar de EE. UU., transmite datos a 10,23 millones de chips por segundo. La referencia interna real de los satélites es de 10,22999999543 MHz para compensar los efectos relativistas que hacen que los observadores en la Tierra perciban una referencia temporal diferente con respecto a los transmisores en órbita. La portadora L1 está modulada por los códigos C/A y P, mientras que la portadora L2 solo está modulada por el código P. El código P se puede cifrar como el llamado código P(Y) que solo está disponible para equipos militares con una clave de descifrado adecuada. Los códigos C/A y P(Y) comunican la hora precisa del día al usuario.

La señal L3 a una frecuencia de 1,38105 GHz se utiliza para transmitir datos de los satélites a las estaciones terrestres. Estos datos son utilizados por el Sistema de Detección de Detonaciones Nucleares de los Estados Unidos (NUDET) (USNDS) para detectar, ubicar e informar detonaciones nucleares (NUDET) en la atmósfera de la Tierra y en el espacio cercano. Un uso es la aplicación de los tratados de prohibición de ensayos nucleares.

Se está estudiando la banda L4 a 1,379913 GHz para realizar correcciones ionosféricas adicionales.

La banda de frecuencia L5 a 1,17645 GHz se agregó en el proceso de modernización del GPS. Esta frecuencia cae dentro de un rango protegido internacionalmente para la navegación aeronáutica, prometiendo poca o ninguna interferencia bajo todas las circunstancias. El primer satélite del Bloque IIF que proporciona esta señal se lanzó en mayo de 2010. El 5 de febrero de 2016 se lanzó el 12º y último satélite del Bloque IIF. El L5 consta de dos componentes portadores que están en cuadratura de fase entre sí. Cada componente de la portadora es una clave de cambio de fase bifásica (BPSK) modulada por un tren de bits separado. "L5, la tercera señal civil de GPS, eventualmente admitirá aplicaciones de seguridad de la vida humana para la aviación y proporcionará disponibilidad y precisión mejoradas."

En 2011, se otorgó una exención condicional a LightSquared para operar un servicio de banda ancha terrestre cerca de la banda L1. Aunque LightSquared había solicitado una licencia para operar en la banda de 1525 a 1559 ya en 2003 y se puso a disposición del público, la FCC le pidió a LightSquared que formara un grupo de estudio con la comunidad GPS para probar los receptores GPS e identificar el problema que podría surgen debido a la mayor potencia de la señal de la red terrestre LightSquared. La comunidad de GPS no se había opuesto a las aplicaciones de LightSquared (anteriormente MSV y SkyTerra) hasta noviembre de 2010, cuando LightSquared solicitó una modificación a su autorización de Componente Terrestre Auxiliar (ATC). Esta presentación (SAT-MOD-20101118-00239) equivalía a una solicitud para ejecutar varios órdenes de magnitud más de potencia en la misma banda de frecuencia para las estaciones base terrestres, esencialmente reutilizando lo que se suponía que era un "vecindario tranquilo" para señales del espacio como el equivalente de una red celular. Las pruebas realizadas en la primera mitad de 2011 demostraron que el impacto de los 10 MHz inferiores del espectro es mínimo para los dispositivos GPS (menos del 1 % del total de dispositivos GPS se ven afectados). Los 10 MHz superiores destinados a LightSquared pueden tener algún impacto en los dispositivos GPS. Existe cierta preocupación de que esto pueda degradar seriamente la señal GPS para muchos usos de los consumidores. La revista Aviation Week informa que las últimas pruebas (junio de 2011) confirman "interferencias significativas" de GPS por el sistema de LightSquared.

Demodulación y decodificación

Demodulation and Decoding GPS Satellite Signals using the Coarse/Acquisition Gold code.

Debido a que todas las señales de satélite se modulan en la misma frecuencia portadora L1, las señales deben separarse después de la demodulación. Esto se hace asignando a cada satélite una secuencia binaria única conocida como código Gold. Las señales se decodifican después de la demodulación mediante la adición de los códigos Gold correspondientes a los satélites monitoreados por el receptor.

Si la información del almanaque se ha adquirido previamente, el receptor elige los satélites para escuchar por sus PRN, números únicos en el rango del 1 al 32. Si la información del almanaque no está en la memoria, el receptor ingresa en un modo de búsqueda hasta que se se obtiene bloqueo en uno de los satélites. Para obtener un bloqueo, es necesario que haya una línea de visión sin obstrucciones desde el receptor hasta el satélite. Luego, el receptor puede adquirir el almanaque y determinar los satélites que debe escuchar. A medida que detecta la señal de cada satélite, la identifica por su patrón de código C/A distintivo. Puede haber un retraso de hasta 30 segundos antes de la primera estimación de posición debido a la necesidad de leer los datos de efemérides.

El procesamiento del mensaje de navegación permite determinar la hora de transmisión y la posición del satélite en ese momento. Para obtener más información, consulte Demodulación y decodificación avanzada.

Ecuaciones de navegación

Enunciado del problema

El receptor utiliza mensajes recibidos de satélites para determinar las posiciones de satélite y el tiempo enviado. El x, y, y z componentes de la posición de satélite y el tiempo enviado (s) se designan como [x_i, y_i, z_i, s_iDonde el subscript i denota el satélite y tiene el valor 1, 2,..., n, donde n≥ 4. Cuando el tiempo de recepción del mensaje indicado por el reloj del receptor a bordo es ${displaystyle {tilde {}_{i}}$, el verdadero tiempo de recepción es ${displaystyle t_{i}={tilde {}_{i}-b}$, donde b es el sesgo del reloj del receptor de los relojes GPS mucho más precisos empleados por los satélites. El sesgo del reloj receptor es el mismo para todas las señales de satélite recibidas (asumiendo que los relojes satélite están perfectamente sincronizados). El tiempo de tránsito del mensaje es ${displaystyle {fnMicrosoft} {}_{i}-b-s_{i}$, donde s_i es la hora del satélite. Asumiendo que el mensaje viajó a la velocidad de la luz, c, la distancia viajada es ${displaystyle left({tilde {}_{i}-b-s_{i}right)c}$.

Para n satélites, las ecuaciones a satisfacer son:

${displaystyle d_{i}=left({tilde {t}_{i}-b-s_{i}right)c,;i=1,2,dotsn}$

donde d_i es la distancia geométrica o rango entre el receptor y el satélite i (los valores sin subíndices son x, componentes y, y z de la posición del receptor):

${displaystyle ¿Por qué?$

Definición pseudoranges como ${displaystyle p_{i}=left({tilde {}_{i}-s_{i}right)c}$, vemos que son versiones parciales de la verdadera gama:

${displaystyle p_{i}=d_{i}+bc,;i=1,2,...$.

Dado que las ecuaciones tienen cuatro incógnitas [x, y, z, b], los tres componentes de la posición del receptor GPS y el sesgo del reloj, se necesitan señales de al menos cuatro satélites para intentar resolver estas ecuaciones Se pueden resolver por métodos algebraicos o numéricos. Abell y Chaffee discuten la existencia y singularidad de las soluciones GPS. Cuando n es mayor que cuatro, este sistema está sobredeterminado y se debe usar un método de ajuste.

La cantidad de error en los resultados varía según los satélites recibidos' ubicaciones en el cielo, ya que ciertas configuraciones (cuando los satélites recibidos están muy juntos en el cielo) provocan errores mayores. Los receptores normalmente calculan una estimación continua del error en la posición calculada. Esto se hace multiplicando la resolución básica del receptor por cantidades llamadas factores de dilución geométrica de posición (GDOP), calculados a partir de las direcciones relativas del cielo de los satélites utilizados. La ubicación del receptor se expresa en un sistema de coordenadas específico, como la latitud y la longitud utilizando el datum geodésico WGS 84 o un sistema específico del país.

Interpretación geométrica

Las ecuaciones GPS se pueden resolver mediante métodos numéricos y analíticos. Las interpretaciones geométricas pueden mejorar la comprensión de estos métodos de solución.

Esferas

2-D Cartesian true-range multilateration (trilateration) escenario.

Los rangos medidos, llamados pseudorango, contienen errores de reloj. En una idealización simplificada en la que los rangos están sincronizados, estos rangos verdaderos representan los radios de las esferas, cada una centrada en uno de los satélites transmisores. La solución para la posición del receptor está entonces en la intersección de las superficies de estas esferas; ver trilateración (más generalmente, multilateración de rango verdadero). Se requieren señales de al menos tres satélites, y sus tres esferas normalmente se cruzarían en dos puntos. Uno de los puntos es la ubicación del receptor, y el otro se mueve rápidamente en sucesivas mediciones y normalmente no estaría en la superficie terrestre.

En la práctica, hay muchas fuentes de inexactitud además del sesgo del reloj, incluidos los errores aleatorios y la posibilidad de pérdida de precisión al restar números cercanos entre sí si los centros de las esferas están relativamente juntos. Esto significa que es poco probable que la posición calculada solo a partir de tres satélites sea lo suficientemente precisa. Los datos de más satélites pueden ayudar debido a la tendencia a cancelar los errores aleatorios y también al dar una mayor dispersión entre los centros de las esferas. Pero al mismo tiempo, más esferas generalmente no se cruzarán en un punto. Por lo tanto, se calcula una intersección cercana, generalmente a través de mínimos cuadrados. Cuantas más señales haya disponibles, mejor será la aproximación.

Hiperboloides

Tres satélites (marcados como "estaciones" A, B, C) tienen lugares conocidos. Los tiempos verdaderos que se necesita para una señal de radio para viajar de cada satélite al receptor son desconocidos, pero se conocen las verdaderas diferencias de tiempo. Luego, cada diferencia de tiempo localiza el receptor en una rama de una hiperbola centrada en los satélites. El receptor se encuentra en una de las dos intersecciones.

Si se restan la pseudodistancia entre el receptor y el satélite i y la pseudodistancia entre el receptor y el satélite j, p _i − p_j, el sesgo del reloj del receptor común (b) cancela fuera, resultando en una diferencia de distancias d_i − d_j< /lapso>. El lugar geométrico de los puntos que tienen una diferencia constante en la distancia a dos puntos (aquí, dos satélites) es una hipérbola en un plano y un hiperboloide de revolución (más específicamente, un hiperboloide de dos láminas) en el espacio 3D (ver Multilateración). Así, a partir de cuatro mediciones de pseudodistancia, el receptor puede colocarse en la intersección de las superficies de tres hiperboloides, cada uno con focos en un par de satélites. Con satélites adicionales, las múltiples intersecciones no son necesariamente únicas y, en su lugar, se busca la solución más adecuada.

Esfera inscrita

Un círculo más pequeño (rojo) inscrito y tangente a otros círculos (negroEso no necesita ser necesariamente tangente.

La posición del receptor se puede interpretar como el centro de una esfera inscrita (insphere) de radio bc, dada por el sesgo del reloj del receptor b (a escala de la velocidad de luz c). La ubicación en la esfera es tal que toca otras esferas. Las esferas que las circunscriben están centradas en los satélites GPS, cuyos radios equivalen a las pseudodistancias medidas p_i. Esta configuración es distinta de la descrita anteriormente, en la que las esferas' los radios eran los rangos geométricos o no sesgados d_i.

Hiperconos

El reloj del receptor no suele ser de la misma calidad que los de los satélites y no se sincronizará con precisión con ellos. Esto produce pseudodistancias con grandes diferencias en comparación con las distancias reales a los satélites. Por lo tanto, en la práctica, la diferencia de tiempo entre el reloj del receptor y el tiempo del satélite se define como un sesgo de reloj desconocido b. Luego, las ecuaciones se resuelven simultáneamente para la posición del receptor y la polarización del reloj. El espacio de solución [x, y, z, b] puede verse como un espacio-tiempo de cuatro dimensiones, y se necesitan señales de al menos cuatro satélites. En ese caso, cada una de las ecuaciones describe un hipercono (o cono esférico), con la cúspide ubicada en el satélite y la base en una esfera alrededor del satélite. El receptor está en la intersección de cuatro o más de tales hiperconos.

Métodos de solución

Mínimos cuadrados

Cuando hay más de cuatro satélites disponibles, el cálculo puede usar los cuatro mejores, o más de cuatro simultáneamente (hasta todos los satélites visibles), según la cantidad de canales del receptor, la capacidad de procesamiento y la dilución geométrica de la precisión (GDOP).

Usar más de cuatro implica un sistema de ecuaciones sobredeterminado sin solución única; dicho sistema se puede resolver mediante un método de mínimos cuadrados o de mínimos cuadrados ponderados.

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Iterativo

Tanto las ecuaciones para cuatro satélites como las ecuaciones de mínimos cuadrados para más de cuatro son no lineales y necesitan métodos de solución especiales. Un enfoque común es por iteración en una forma linealizada de las ecuaciones, como el algoritmo de Gauss-Newton.

El GPS se desarrolló inicialmente asumiendo el uso de un método de solución de mínimos cuadrados numéricos, es decir, antes de que se encontraran soluciones de forma cerrada.

Forma cerrada

S. Bancroft desarrolló una solución de forma cerrada para el conjunto de ecuaciones anterior. Sus propiedades son bien conocidas; en particular, los defensores afirman que es superior en situaciones de bajo GDOP, en comparación con los métodos iterativos de mínimos cuadrados.

El método de Bancroft es algebraico, en lugar de numérico, y se puede utilizar para cuatro o más satélites. Cuando se utilizan cuatro satélites, los pasos clave son la inversión de una matriz de 4x4 y la solución de una ecuación cuadrática de una sola variable. El método de Bancroft proporciona una o dos soluciones para las cantidades desconocidas. Cuando hay dos (suele ser el caso), solo uno es una solución sensible cercana a la Tierra.

Cuando un receptor usa más de cuatro satélites para una solución, Bancroft usa el inverso generalizado (es decir, el pseudoinverso) para encontrar una solución. Se ha argumentado que los métodos iterativos, como el enfoque del algoritmo de Gauss-Newton para resolver problemas de mínimos cuadrados no lineales sobredeterminados, generalmente brindan soluciones más precisas.

Leick et al. (2015) afirma que la solución de "Bancroft's (1985) es una solución muy temprana, si no la primera, de forma cerrada." Posteriormente se publicaron otras soluciones de forma cerrada, aunque su adopción en la práctica no está clara.

Fuentes de error y análisis

El análisis de errores de GPS examina las fuentes de error en los resultados de GPS y el tamaño esperado de esos errores. El GPS realiza correcciones para los errores del reloj del receptor y otros efectos, pero algunos errores residuales permanecen sin corregir. Las fuentes de error incluyen mediciones del tiempo de llegada de la señal, cálculos numéricos, efectos atmosféricos (retardos ionosféricos/troposféricos), efemérides y datos de reloj, señales de trayectos múltiples e interferencias naturales y artificiales. La magnitud de los errores residuales de estas fuentes depende de la dilución geométrica de la precisión. Los errores artificiales pueden ser el resultado de dispositivos de interferencia y amenazar a los barcos y aeronaves o de la degradación intencional de la señal a través de la disponibilidad selectiva, que limitó la precisión a ≈ 6–12 m (20–40 pies), pero se desconectó desde el 1 de mayo de 2000.

Mejora de la precisión y topografía

Cuestiones reglamentarias del espectro relativas a los receptores GPS

En los Estados Unidos, los receptores GPS están regulados por las reglas de la Parte 15 de la Comisión Federal de Comunicaciones (FCC). Como se indica en los manuales de los dispositivos con GPS vendidos en los Estados Unidos, como dispositivo de la Parte 15, "debe aceptar cualquier interferencia recibida, incluida la interferencia que pueda causar un funcionamiento no deseado." Con respecto a los dispositivos GPS en particular, la FCC establece que los fabricantes de receptores GPS "deben usar receptores que discriminen razonablemente contra la recepción de señales fuera de su espectro asignado". Durante los últimos 30 años, los receptores GPS han operado junto a la banda del Servicio Móvil por Satélite y han discriminado la recepción de servicios móviles por satélite, como Inmarsat, sin ningún problema.

El espectro asignado para el uso de GPS L1 por la FCC es de 1559 a 1610 MHz, mientras que el espectro asignado para el uso de satélite a tierra propiedad de Lightsquared es la banda del servicio de satélite móvil. Desde 1996, la FCC ha autorizado el uso con licencia del espectro vecino a la banda GPS de 1525 a 1559 MHz a la empresa LightSquared de Virginia. El 1 de marzo de 2001, la FCC recibió una solicitud del predecesor de LightSquared, Motient Services, para usar sus frecuencias asignadas para un servicio integrado satelital-terrestre. En 2002, el U.S. GPS Industry Council llegó a un acuerdo de emisiones fuera de banda (OOBE) con LightSquared para evitar que las transmisiones de las estaciones terrestres de LightSquared emitan transmisiones a la banda de GPS vecina de 1559 a 1610 MHz.. En 2004, la FCC adoptó el acuerdo OOBE en su autorización para que LightSquared desplegara una red terrestre auxiliar para su sistema satelital, conocida como Componentes de torre auxiliares (ATC). "Autorizaremos MSS ATC sujeto a condiciones que garantizar que el componente terrestre agregado siga siendo auxiliar de la oferta principal de MSS. No pretendemos ni permitiremos que el componente terrestre se convierta en un servicio independiente." Esta autorización fue revisada y aprobada por el Comité Asesor de Radio Interdepartamental de EE. UU., que incluye el Departamento de Agricultura de EE. UU., la Fuerza Espacial de EE. UU., el Ejército de EE. UU., la Guardia Costera de EE. UU., la Administración Federal de Aviación, la Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio (NASA), el Departamento de Interior y Departamento de Transporte de los Estados Unidos.

En enero de 2011, la FCC autorizó de forma condicional a los clientes mayoristas de LightSquared, como Best Buy, Sharp y C Spire, a comprar únicamente un servicio terrestre satelital integrado de LightSquared y revender ese servicio integrado. en dispositivos que están equipados para usar solo la señal terrestre usando las frecuencias asignadas de LightSquared de 1525 a 1559 MHz. En diciembre de 2010, los fabricantes de receptores GPS expresaron su preocupación a la FCC de que la señal de LightSquared interferiría con los dispositivos receptores GPS, aunque las consideraciones de política de la FCC que condujeron a la orden de enero de 2011 no se referían a ningún cambio propuesto en la número máximo de estaciones LightSquared basadas en tierra o la potencia máxima a la que podrían operar estas estaciones. La orden de enero de 2011 hace que la autorización final esté supeditada a los estudios de problemas de interferencia del GPS realizados por un grupo de trabajo dirigido por LightSquared junto con la participación de la industria del GPS y la agencia federal. El 14 de febrero de 2012, la FCC inició procedimientos para anular la Orden de exención condicional de LightSquared con base en la conclusión de la NTIA de que actualmente no había una forma práctica de mitigar la posible interferencia del GPS.

Los fabricantes de receptores GPS diseñan receptores GPS para usar espectro más allá de la banda asignada por GPS. En algunos casos, los receptores GPS están diseñados para usar hasta 400 MHz de espectro en cualquier dirección de la frecuencia L1 de 1575,42 MHz, porque los servicios móviles por satélite en esas regiones transmiten desde el espacio a la tierra y a niveles de potencia acordes con los servicios móviles por satélite.. Según lo regulado por las reglas de la Parte 15 de la FCC, los receptores de GPS no tienen protección garantizada contra señales fuera del espectro asignado por GPS. Esta es la razón por la que el GPS opera junto a la banda del Servicio Móvil por Satélite y también por la que la banda del Servicio Móvil por Satélite opera junto al GPS. La relación simbiótica de la asignación de espectro garantiza que los usuarios de ambas bandas puedan operar de manera cooperativa y libre.

La FCC adoptó normas en febrero de 2003 que permitían a los licenciatarios del servicio móvil por satélite (MSS) como LightSquared construir una pequeña cantidad de torres auxiliares en tierra en su espectro con licencia para "promover un uso más eficiente del espectro inalámbrico terrestre".." En esas reglas de 2003, la FCC declaró "Como cuestión preliminar, se espera que el [Servicio de radio móvil comercial ("CMRS")] terrestre y MSS ATC tengan diferentes precios, cobertura, aceptación de productos y distribución.; por lo tanto, los dos servicios parecen, en el mejor de los casos, ser sustitutos imperfectos entre sí que estarían operando en segmentos de mercado predominantemente diferentes... Es poco probable que MSS ATC compita directamente con CMRS terrestre por la misma base de clientes...". En 2004, la FCC aclaró que las torres terrestres serían auxiliares y señaló que "autorizaremos MSS ATC sujeto a condiciones que aseguren que el componente terrestre agregado siga siendo auxiliar a la oferta principal de MSS". No pretendemos ni permitiremos que el componente terrestre se convierta en un servicio independiente." En julio de 2010, la FCC declaró que esperaba que LightSquared usara su autoridad para ofrecer un servicio satelital-terrestre integrado para "brindar servicios de banda ancha móvil similares a los que brindan los proveedores móviles terrestres y mejorar la competencia en el sector de banda ancha móvil". #34; Los fabricantes de receptores GPS han argumentado que el espectro con licencia de LightSquared de 1525 a 1559 MHz nunca se concibió como utilizado para banda ancha inalámbrica de alta velocidad según las normas ATC de la FCC de 2003 y 2004 que dejan en claro que el componente de torre auxiliar (ATC) ser, de hecho, auxiliar del componente principal del satélite. Para generar apoyo público a los esfuerzos para continuar con la autorización de la FCC de 2004 del componente terrestre auxiliar de LightSquared frente a un servicio LTE basado en tierra simple en la banda del Servicio satelital móvil, el fabricante de receptores GPS Trimble Navigation Ltd. formó el " Coalición para salvar nuestro GPS."

La FCC y LightSquared se han comprometido públicamente a resolver el problema de la interferencia del GPS antes de que se permita el funcionamiento de la red. Según Chris Dancy, de la Asociación de Pilotos y Propietarios de Aeronaves, los pilotos de líneas aéreas con el tipo de sistemas que se verían afectados "pueden desviarse del rumbo y ni siquiera darse cuenta". Los problemas también podrían afectar la actualización de la Administración Federal de Aviación del sistema de control de tráfico aéreo, la orientación del Departamento de Defensa de los Estados Unidos y los servicios de emergencia locales, incluido el 911.

El 14 de febrero de 2012, la FCC decidió prohibir la red nacional de banda ancha planificada de LightSquared luego de recibir información de la Administración Nacional de Telecomunicaciones e Información (NTIA), la agencia federal que coordina los usos del espectro para el ejército y otros organismos federales. entidades gubernamentales, que "no existe una forma práctica de mitigar la posible interferencia en este momento". LightSquared está desafiando la acción de la FCC.

Sistemas similares

Comparación del tamaño de órbita de GPS, GLONASS, Galileo, BeiDou-2 y constelaciones de Iridium, la Estación Espacial Internacional, el Telescopio Espacial Hubble y la órbita geoestacionaria (y su órbita de cementerio), con los cinturones de radiación Van Allen y la Tierra a escala.

La órbita de la Luna es alrededor de 9 veces más grande que la órbita geoestacionaria. (En el archivo SVG, arrastre sobre una órbita o su etiqueta para destacarla; haga clic para cargar su artículo.)

Otros sistemas de navegación por satélite notables en uso o en varios estados de desarrollo incluyen:

• Beidou – sistema desplegado y operado por la República Popular China, iniciando servicios globales en 2019.
• Galileo – un sistema global desarrollado por la Unión Europea y otros países asociados, que comenzó a funcionar en 2016, y se espera que esté completamente desplegado para 2020.
• GLONASS – Sistema de navegación global de Rusia. Totalmente operativo en todo el mundo.
• NavIC – un sistema de navegación regional desarrollado por la Organización India de Investigación Espacial.
• QZSS – un sistema regional de navegación por cobrar en las regiones de Asia-Oceanía, con énfasis en Japón.