Sistema de Posicionamiento Global (GPS)

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El Sistema de Posicionamiento Global (GPS en inglés), 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. Obstáculos como montañas y edificios pueden bloquear las señales GPS relativamente débiles.

El 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 del GPS. El GPS proporciona capacidades de posicionamiento críticas para usuarios militares, civiles y comerciales de todo el mundo. El gobierno de los Estados Unidos creó el sistema, lo mantiene y lo controla, y lo hace 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 de las fuerzas armadas de los EE. UU., el uso civil se permitió desde el 1980 después 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. Los anuncios del vicepresidente Al Gore y la administración Clinton en 1998 iniciaron estos cambios, que fueron autorizados por el Congreso de los Estados Unidos en 2000.

Durante la década de 1990, el gobierno de los Estados Unidos degradó la calidad del GPS en un programa llamado Disponibilidad selectiva; esto se suspendió el 1 de mayo de 2000, de acuerdo con una ley firmada por el presidente Bill Clinton.

El servicio de GPS está controlado por el gobierno de los Estados Unidos, que puede denegar selectivamente el acceso al sistema, como le sucedió al ejército indio en 1999 durante la guerra de Kargil, o degradar el servicio en cualquier momento. 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 simultáneamente con el GPS, pero sufrió una cobertura incompleta del globo hasta mediados de la década de 2000. GLONASS se puede agregar a los dispositivos GPS, lo que hace que haya más satélites disponibles y permite que las posiciones se fijen de manera más rápida y precisa, con una precisión de dos metros (6,6 pies). El sistema de navegación por satélite BeiDou de China comenzó sus servicios globales en 2018 y finalizó su despliegue completo 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 pueden tener una precisión mucho mayor, señalando 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, y está previsto que lleguen a 24 satélites aproximadamente en 2027.

Concepto basico

Funcionamiento del geoposicionamiento por GPS

Fundamentos

El receptor GPS calcula su propia posición en cuatro dimensiones en el espacio-tiempo basándose en los datos recibidos de múltiples satélites GPS. Cada satélite lleva un registro preciso de su posición y hora, y transmite esos datos al receptor.

Los satélites llevan relojes atómicos muy estables que están sincronizados entre sí y con los relojes terrestres. Cualquier desviación del tiempo mantenido en tierra se corrige diariamente. De la misma manera, se conocen con gran precisión las ubicaciones de los satélites. Los receptores GPS también tienen relojes, pero son menos estables y menos precisos.

Dado que la velocidad de las ondas de radio es constante e independiente de la velocidad del satélite, el tiempo de retraso entre el momento en que el satélite transmite una señal y el receptor la recibe es proporcional a la distancia del satélite al receptor. 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 pseudoaleatorio (secuencia de unos y ceros) que es conocido por el receptor. Al alinear en el tiempo una versión generada por el receptor y la versión del código medida por el receptor, el tiempo de llegada (TOA) de un punto definido en la secuencia del código, llamado época, se puede encontrar en la escala de tiempo del reloj del receptor.
Un mensaje que incluye el tiempo de transmisión (TOT) de la época del código (en la escala de tiempo del 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, utilizando 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 de 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 seguimiento, 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 da la posición del receptor junto con la diferencia entre la hora que marca el reloj a bordo del receptor y la hora real del día, eliminando así la necesidad de un reloj basado en el receptor más preciso y posiblemente 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

Fotografía de un satélite II-A del sistema GPS, Museo de San Diego. — Satélite II-A, Museo de San Diego.

El segmento espacial (SS) está compuesto por 24 a 32 satélites, o Space Vehicles (SV), en órbita terrestre media, y también incluye los adaptadores de carga útil a los impulsores 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 la mitad de un día sideral, es decir, 11 horas y 58 minutos para que los satélites pasen sobre los mismos lugares o casi los mismos lugares.todos los días. 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); radio orbital de aproximadamente 26.600 km (16.500 mi), cada SV realiza dos órbitas completas cada día sideral, 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.

A partir de febrero de 2019, hay 31 satélites en la constelación 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

El segmento de control (CS) está compuesto por:

una estación maestra de control (MCS),
una estación de control maestra alternativa,
cuatro antenas terrestres dedicadas, y
seis estaciones de monitoreo dedicadas.

El MCS también puede acceder a las antenas terrestres de la Red de control satelital (SCN) (para capacidad adicional de comando y control) y estaciones de monitoreo 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 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 25 km (16 millas) ESE de Colorado Springs, que es operado por el 2.º Escuadrón de Operaciones Espaciales (2 SOPS) de la Fuerza Espacial de EE. UU. Luego, 2 SOPS se comunican 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 el 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 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 de tierra de registro 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 desempeño. 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 crítica de la modernización del GPS y proporciona mejoras significativas en el aseguramiento de la información sobre el programa GPS OCS actual.

OCX tendrá la capacidad de controlar y administrar los satélites heredados de GPS, así como la próxima generación de satélites GPS III, al tiempo que habilita la gama completa de señales militares.
Construido sobre una arquitectura flexible que puede adaptarse rápidamente a las necesidades cambiantes de los usuarios de GPS actuales y futuros, lo que permite el acceso inmediato a los datos del GPS y al estado de la constelación a través de información segura, precisa y confiable.
Proporciona al combatiente información más segura, procesable y predictiva para mejorar el conocimiento de la situación.
Habilita nuevas señales modernizadas (L1C, L2C y L5) y tiene capacidad de código M, que el sistema heredado no puede hacer.
Proporciona mejoras significativas en el aseguramiento de la información sobre el programa actual, incluida la detección y prevención de ataques cibernéticos, mientras aísla, contiene y opera durante dichos ataques.
Admite capacidades y habilidades de comando y control de mayor volumen casi 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

El segmento de usuarios (EE. UU.) está compuesto por cientos de miles de usuarios militares de EE. UU. y 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.

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).

Muchos receptores GPS pueden transmitir datos de posición a una PC u otro dispositivo utilizando 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.

El 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

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

Radioafición: se requiere sincronización de reloj para varios modos digitales como FT8, FT4 y JS8; también se usa con APRS para informes de posición; suele ser crítico durante el apoyo de comunicaciones de emergencia y desastre.
Atmósfera: estudio de 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 los desplazamientos de la superficie terrestre debidos a la carga de presión atmosférica.
Astronomía: los datos de sincronización de reloj y de posición se utilizan en astrometría y mecánica celeste y en la determinación precisa de la órbita. El GPS también se utiliza tanto en la astronomía amateur con pequeños telescopios como en observatorios profesionales para encontrar planetas extrasolares.
Vehículo automatizado: aplicación de ubicación y rutas para que automóviles y camiones funcionen sin un conductor humano.
Cartografía: tanto los cartógrafos civiles como militares utilizan mucho el GPS.
Telefonía celular: la sincronización del reloj permite la transferencia de tiempo, lo cual es fundamental para sincronizar sus códigos de difusión con otras estaciones base para facilitar el traspaso entre celdas y admitir la detección de posición híbrida GPS/celular para llamadas de emergencia móviles y otras aplicaciones. Los primeros teléfonos con GPS integrado se lanzaron a fines de la década de 1990. La Comisión Federal de Comunicaciones (FCC) de EE. UU. ordenó la función en el teléfono o en las torres (para su uso en triangulación) en 2002 para que los servicios de emergencia pudieran localizar a las personas que llaman al 911. Los desarrolladores de software de terceros luego obtuvieron acceso a las API de GPS de Nextel en el momento del lanzamiento, seguido de Sprint en 2006 y Verizon poco después.
Sincronización del reloj: la precisión de las señales de tiempo del GPS (±10 ns) solo es superada por los relojes atómicos en los que se basan, y se utiliza en aplicaciones como los osciladores disciplinados por GPS.
Servicios de socorro/emergencia en casos de desastre: muchos servicios de emergencia dependen del GPS para las capacidades de ubicación y sincronización.
Radiosondas y sondas de descenso equipadas con GPS: miden y calculan la presión atmosférica, la velocidad y la dirección del viento hasta 27 km (89 000 pies) desde la superficie de la Tierra.
Ocultación de radio para aplicaciones de ciencias meteorológicas y atmosféricas.
Seguimiento de flotas: se utiliza 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, incluido el movimiento polar diario y subdiario, y las variabilidades de la duración del día, el centro de masa de la Tierra, el movimiento del geocentro y los parámetros del campo de gravedad de bajo grado.
Geofencing: los sistemas de seguimiento de vehículos, los sistemas de seguimiento de personas y los sistemas de seguimiento de mascotas utilizan GPS para ubicar dispositivos que están conectados a una persona, vehículo o mascota o que los lleva. La aplicación puede proporcionar un seguimiento continuo y enviar notificaciones si el objetivo abandona un área designada (o "cercada").
Geoetiquetado: aplica coordenadas de ubicación a objetos digitales como fotografías (en datos Exif) y otros documentos con fines como la creación de superposiciones de mapas con dispositivos como Nikon GP-1
Seguimiento de aeronaves por GPS
GPS para minería: el uso de RTK GPS ha mejorado significativamente varias operaciones mineras, como perforación, paleado, seguimiento de vehículos y topografía. RTK GPS proporciona una precisión de posicionamiento de nivel centimétrico.
Minería de datos GPS: es posible agregar datos GPS de múltiples usuarios para comprender patrones de movimiento, trayectorias comunes y ubicaciones interesantes.
Recorridos GPS: la ubicación determina qué contenido mostrar; por ejemplo, información sobre un punto de interés que se aproxima.
Navegación: los navegadores valoran de forma digital medidas precisas de velocidad y orientación, así como posiciones precisas en tiempo real con soporte de correcciones de órbita y reloj.
Determinación de la órbita de satélites de órbita baja 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.
Mediciones de fasores: el GPS permite la marca de tiempo de alta precisión de las mediciones del sistema de potencia, lo que hace posible calcular los fasores.
Recreación: por ejemplo, Geocaching, Geodashing, dibujo GPS, señalización y otros tipos de juegos móviles basados en la ubicación, como Pokémon Go.
Marcos de referencia: realización y densificación de los marcos de referencia terrestres en el marco del Sistema Global de Observación Geodésica. Coubicación en el espacio entre las observaciones de microondas y de rango láser satelital para derivar parámetros geodésicos globales.
Robótica: robots autónomos de navegación automática que utilizan sensores GPS, que calculan la latitud, la longitud, el tiempo, la velocidad y el rumbo.
Deporte: utilizado en fútbol y rugby para el control y análisis de la carga de entrenamiento.
Topografía: los topógrafos usan ubicaciones absolutas para hacer mapas y determinar los límites de la propiedad.
Tectónica: el GPS permite la medición directa del movimiento de fallas de los terremotos. Entre terremotos, el GPS se puede usar para medir el movimiento y la deformación de la corteza para estimar la acumulación de tensión sísmica para crear mapas de riesgo sísmico.
Telemática: tecnología GPS integrada con computadoras y tecnología de comunicaciones móviles en sistemas de navegación automotriz.

Restricciones al uso civil

El gobierno de Estados Unidos controla la exportación de algunos receptores civiles. Todos los receptores GPS capaces de funcionar por encima de los 60 000 pies (18 km) sobre el nivel del mar y 1000 nudos (500 m/s; 2000 km/h; 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).

Deshabilitar 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

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

Navegación: los soldados usan el GPS para encontrar objetivos, incluso en la oscuridad o en un territorio desconocido, y para coordinar el movimiento de tropas y suministros. En las fuerzas armadas de los Estados Unidos, los comandantes usan el Asistente digital del comandante y los rangos inferiores usan el Asistente digital del soldado.
Seguimiento de objetivos: varios sistemas de armas militares utilizan GPS para rastrear posibles objetivos terrestres y aéreos antes de marcarlos como hostiles. Estos sistemas de armas pasan las coordenadas del objetivo a las municiones guiadas con precisión para permitirles atacar objetivos con precisión. Los aviones militares, particularmente en funciones aire-tierra, usan GPS para encontrar objetivos.
Guía de misiles y proyectiles: el GPS permite apuntar con precisión a varias armas militares, incluidos misiles balísticos intercontinentales, misiles de crucero, municiones guiadas con precisión y proyectiles de artillería. Se han desarrollado receptores GPS integrados capaces de soportar aceleraciones de 12.000 go unos 118 km / s (260.000 mph / s) para su uso en proyectiles de obuses de 155 milímetros (6,1 pulgadas).
Búsqueda y rescate.
Reconocimiento: el movimiento de patrulla 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 (EMP) (sensor W), que forman una parte importante de los Estados Unidos. Sistema de Detección de Detonaciones Nucleares. El general William Shelton ha declarado que los futuros satélites pueden eliminar esta función para ahorrar dinero.

La navegación de tipo GPS se utilizó por primera vez en la guerra 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 los equipos de interferencia. 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

Segundos bisiestos

Si bien la mayoría de los relojes derivan su tiempo del Tiempo Universal Coordinado (UTC), los relojes atómicos de los satélites están configurados en "tiempo 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 el Tiempo Atómico 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 agregado a la UTC el 31 de diciembre de 2016. Los receptores restan esta compensación de la hora del GPS para calcular los valores de UTC y de zona horaria específica. 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).

Exactitud

El tiempo del GPS tiene una precisión teórica de unos 14 nanosegundos, debido a la desviación del reloj en relación con el Tiempo Atómico Internacional que experimentan los relojes atómicos en los transmisores GPS. La mayoría de los receptores pierden algo de precisión en su 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 1.024 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 la 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.

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 EE. UU.

Formato de mensaje

Subtramas	Descripción
1	Reloj satelital,relación horaria GPS
2–3	Efemérides(órbita satelital precisa)
4–5	Componente de almanaque(sinopsis de la red satelital,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.

La primera subtrama de cada trama codifica el número de semana y la hora dentro de la semana, así como los datos sobre el estado del satélite. Los subfotogramas segundo y tercero contienen las efemérides: la órbita precisa del satélite. Las subtramas cuarta y quinta contienen el almanaque, que contiene información aproximada de la órbita y el estado 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 utilizando 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 los 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 lo 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

Banda	Frecuencia	Descripción
L1	1575,42 MHz	Códigos de adquisición aproximada (C/A) y de precisión cifrada (P(Y)), además de los códigos L1 civil (L1C) y militar (M) en el Bloque III y satélites más nuevos.
L2	1227,60 MHz	Código P(Y), más los códigos militares y L2C en el Bloque IIR-M y satélites más nuevos.
L3	1381,05 MHz	Se utiliza para la detección de detonaciones nucleares (NUDET).
L4	1379.913 MHz	En estudio para corrección ionosférica adicional.
L5	1176,45 MHz	Se utiliza como señal civil de seguridad de la vida (SoL) en Block IIF y satélites más nuevos.

Todos los satélites emiten en las mismas dos frecuencias, 1,57542 GHz (señal L1) y 1,2276 GHz (señal L2). La red de satélite utiliza una técnica de espectro ensanchado CDMAdonde 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 estadounidense, transmite 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 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. Tanto los códigos C/A como P(Y) transmiten la hora del día precisa al usuario.

La señal L3 a una frecuencia de 1,38105 GHz se utiliza para transmitir datos desde 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.

La banda L4 a 1,379913 GHz se está estudiando para una corrección ionosférica adicional.

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 de GPS civil, eventualmente respaldará las aplicaciones de seguridad de la vida para la aviación y proporcionará una 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 estaciones base terrestres, esencialmente reutilizando lo que se suponía que era un "vecindario tranquilo" para las señales del espacio como el equivalente de una red celular. Las pruebas realizadas en la primera mitad de 2011 han demostrado 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. 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. 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 una "interferencia significativa" del GPS por parte del sistema de LightSquared.

Demodulación y decodificación

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 selecciona los satélites para escuchar por sus PRN, números únicos en el rango de 1 a 32. Si la información del almanaque no está en la memoria, el receptor ingresa en un modo de búsqueda hasta que se obtiene un 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 distinto. 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

Descripción del problema

El receptor utiliza los mensajes recibidos de los satélites para determinar las posiciones de los satélites y la hora de envío. Los componentes x, y y z de la posición del satélite y el tiempo enviado (s) se designan como [ xi, _yi, z _i, s _i ] donde el subíndice _i denota el satélite y tiene el valor 1, 2, ..., n, donde n ≥ 4. Cuando la hora de recepción del mensaje indicada por el reloj del receptor de a bordo es t̃ _i, la verdadera hora de recepción es t _i = t̃ _i − b, dondeb es el sesgo del reloj del receptor de los relojes GPS mucho más precisos empleados por los satélites. El sesgo del reloj del receptor es el mismo para todas las señales de satélite recibidas (suponiendo que los relojes de los satélites estén perfectamente sincronizados). El tiempo de tránsito del mensaje es t̃ _i − b − s _i, donde s _i es el tiempo del satélite. Suponiendo que el mensaje viajó a la velocidad de la luz, c, la distancia recorrida es (t̃ _i − b − s _i) c.

Para n satélites, las ecuaciones a satisfacer son: ${displaystyle d_{i}=left({tilde {t}}_{i}-b-s_{i}right)c,;i=1,2,dots,n}$

donde d _i es la distancia geométrica o rango entre el receptor y el satélite i (los valores sin subíndices son los componentes x, y y z de la posición del receptor): ${displaystyle d_{i}={sqrt {(x-x_{i})^{2}+(y-y_{i})^{2}+(z-z_{i})^{2} }}}$

Definiendo pseudorangos como $p_{i}=left({tilde {t}}_{i}-s_{i}right)c$ , vemos que son versiones sesgadas del verdadero rango: ${displaystyle p_{i}=d_{i}+bc,;i=1,2,...,n}$ .

Dado que las ecuaciones tienen cuatro incógnitas [ x, y, z, b ], los tres componentes de la posición del receptor GPS y la polarización 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 la ubicación de los satélites recibidos 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

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, existen 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 cerca. 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

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, la polarización del reloj del receptor común (b) se cancela, lo que da como resultado una diferencia de distancias d _i − d _j. 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

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 la 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 son iguales a las pseudodistancias pi medidas. Esta configuración es distinta de la descrita anteriormente, en la que los radios de las esferas eran los rangos insesgados o geométricos d.

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 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 utilizar los cuatro mejores, o más de cuatro simultáneamente (hasta todos los satélites visibles), según el número de canales del receptor, la capacidad de procesamiento y la dilución geométrica de 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. $left({sombrero {x}},{sombrero {y}},{sombrero {z}},{sombrero {b}}right)={underset {left(x,y,z,bright)}{arg min }}sum _{i}left({sqrt {(x-x_{i})^{2}+(y-y_{i})^{2 }+(z-z_{i})^{2}}}+bc-p_{i}right)^{2}$

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.

Leek et al. (2015) afirma que "la solución de Bancroft (1985) es una solución de forma cerrada muy temprana, si no la primera". 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 a 12 m (20 a 40 pies), pero se desconectó desde el 1 de mayo de 2000.

Mejora de la precisión y topografía

Aumento

La integración de información externa en el proceso de cálculo puede mejorar sustancialmente la precisión. Dichos sistemas de aumento generalmente se nombran o describen en función de cómo llega la información. Algunos sistemas transmiten información de error adicional (como desviación del reloj, efímera o retraso ionosférico), otros caracterizan errores anteriores, mientras que un tercer grupo proporciona información adicional de navegación o del vehículo.

Los ejemplos de sistemas de aumento incluyen el Sistema de aumento de área amplia (WAAS), el Servicio europeo de superposición de navegación geoestacionaria (EGNOS), el GPS diferencial (DGPS), los sistemas de navegación inercial (INS) y el GPS asistido. La precisión estándar de unos 15 m (49 pies) se puede aumentar a 3-5 m (9,8-16,4 pies) con DGPS y a unos 3 m (9,8 pies) con WAAS.

Monitoreo preciso

La precisión se puede mejorar a través del monitoreo y la medición precisos de las señales GPS existentes de formas adicionales o alternativas.

El mayor error restante suele ser el retraso impredecible a través de la ionosfera. La nave espacial transmitió los parámetros del modelo ionosférico, pero persisten algunos errores. Esta es una de las razones por las que las naves espaciales GPS transmiten en al menos dos frecuencias, L1 y L2. El retraso ionosférico es una función bien definida de la frecuencia y el contenido total de electrones (TEC) a lo largo del camino, por lo que medir la diferencia de tiempo de llegada entre las frecuencias determina el TEC y, por lo tanto, el retraso ionosférico preciso en cada frecuencia.

Los receptores militares pueden decodificar el código P(Y) transmitido tanto en L1 como en L2. Sin claves de descifrado, todavía es posible usar una técnica sin código para comparar los códigos P(Y) en L1 y L2 para obtener gran parte de la misma información de error. Esta técnica es lenta, por lo que actualmente solo está disponible en equipos topográficos especializados. En el futuro, se espera que se transmitan códigos civiles adicionales en las frecuencias L2 y L5. Todos los usuarios podrán realizar mediciones de doble frecuencia y calcular directamente los errores de retardo ionosférico.

Una segunda forma de monitoreo preciso se llama Mejora de fase portadora (CPGPS). Esto corrige el error que surge porque la transición de pulsos del PRN no es instantánea y, por lo tanto, la operación de correlación (adaptación de secuencias de satélite-receptor) es imperfecta. CPGPS utiliza la onda portadora L1, que tiene un período de ${frac {1,mathrm {s} }{1575,42times 10^{6}}}=0,63475,mathrm {ns} aprox. 1,mathrm {ns}$ , que es aproximadamente una milésima parte del período de bits del código C/A Gold de ${frac {1,mathrm {s} }{1023times 10^{3}}}=977.5,mathrm {ns} approx 1000,mathrm {ns}$ , para actuar como una señal de reloj adicional y resolver la incertidumbre. El error de diferencia de fase en el GPS normal asciende a 2-3 m (6 pies 7 pulgadas - 9 pies 10 pulgadas) de ambigüedad. CPGPS trabajando dentro del 1% de la transición perfecta reduce este error a 3 cm (1,2 pulgadas) de ambigüedad. Al eliminar esta fuente de error, CPGPS junto con DGPS normalmente logra entre 20 y 30 cm (7,9 y 11,8 pulgadas) de precisión absoluta.

El posicionamiento cinemático relativo (RKP) es una tercera alternativa para un sistema de posicionamiento preciso basado en GPS. En este enfoque, la determinación de la señal de rango se puede resolver con una precisión de menos de 10 cm (3,9 pulgadas). Esto se hace resolviendo el número de ciclos en que la señal es transmitida y recibida por el receptor usando una combinación de datos de corrección de GPS diferencial (DGPS), transmitiendo información de fase de señal de GPS y técnicas de resolución de ambigüedades a través de pruebas estadísticas, posiblemente con procesamiento en tiempo real. -time (posicionamiento cinemático en tiempo real, RTK).

Seguimiento de la fase de la portadora (supervisión)

Otro método que se utiliza en aplicaciones topográficas es el seguimiento de la fase de la portadora. El período de la frecuencia portadora multiplicado por la velocidad de la luz da la longitud de onda, que es de aproximadamente 0,19 m (7,5 pulgadas) para la portadora L1. La precisión dentro del 1 % de la longitud de onda en la detección del borde de ataque reduce este componente de error de pseudodistancia a tan solo 2 mm (0,079 pulgadas). Esto se compara con 3 m (9,8 pies) para el código C/A y 0,3 m (1 pie 0 pulgadas) para el código P.

La precisión de 2 mm (0,079 pulgadas) requiere medir la fase total: el número de ondas multiplicado por la longitud de onda más la longitud de onda fraccionaria, lo que requiere receptores especialmente equipados. Este método tiene muchas aplicaciones topográficas. Es lo suficientemente preciso para el seguimiento en tiempo real de los movimientos muy lentos de las placas tectónicas, normalmente de 0 a 100 mm (0,0 a 3,9 pulgadas) por año.

La triple diferenciación seguida de la búsqueda de raíces numéricas y la técnica de mínimos cuadrados pueden estimar la posición de un receptor dada la posición de otro. Primero, calcule la diferencia entre satélites, luego entre receptores y finalmente entre épocas. Otros órdenes de toma de diferencias son igualmente válidos. Se omite la discusión detallada de los errores.

La fase total de la portadora de satélite se puede medir con ambigüedad en cuanto al número de ciclos. Denotemos $phi (r_{i},s_{j},t_{k})$ la fase de la portadora del satélite j medida por el receptor i en el momento $t_{k}$ . Esta notación muestra el significado de los subíndices i, j y k. El receptor (r), el satélite (s) y la hora (t) vienen en orden alfabético como argumentos $phi$ y para equilibrar la legibilidad y la concisión, $phi _{i,j,k}=phi (r_{i},s_{j},t_{k})$ sea una abreviatura concisa. También definimos tres funciones,: $\Delta^{r},Delta^{s},Delta^{t}$ , que devuelven diferencias entre receptores, satélites y puntos temporales, respectivamente. Cada función tiene variables con tres subíndices como argumentos. Estas tres funciones se definen a continuación. Si $alpha _{i,j,k}$ es una función de los tres argumentos enteros, i, j y k, entonces es un argumento válido para las funciones,: $\Delta^{r},Delta^{s},Delta^{t}$ , con los valores definidos como $Delta ^{r}(alpha _{i,j,k})=alpha _{i+1,j,k}-alpha _{i,j,k}$ , $Delta ^{s}(alpha _{i,j,k})=alpha _{i,j+1,k}-alpha _{i,j,k}$ , y $Delta ^{t}(alpha _{i,j,k})=alpha _{i,j,k+1}-alpha _{i,j,k}$ .

Además, si $alpha _{i,j,k} y beta _{l,m,n}$ son argumentos válidos para las tres funciones y a y b son constantes, entonces $(a alpha _{i,j,k}+b beta _{l,m,n})$ es un argumento válido con valores definidos como $Delta ^{r}(a alpha _{i,j,k}+b beta _{l,m,n})=a Delta ^{r}(alpha _{i, j,k})+b Delta ^{r}(beta _{l,m,n})$ , $Delta ^{s}(a alpha _{i,j,k}+b beta _{l,m,n})=a Delta ^{s}(alpha _{i, j,k})+b Delta ^{s}(beta _{l,m,n})$ , y $Delta ^{t}(a alpha _{i,j,k}+b beta _{l,m,n})=a Delta ^{t}(alpha _{i, j,k})+b Delta ^{t}(beta _{l,m,n})$ .

Los errores de reloj del receptor pueden eliminarse aproximadamente al diferenciar las fases medidas desde el satélite 1 con las del satélite 2 en la misma época. Esta diferencia se designa como ${ estilo de visualización Delta ^ {s} ( phi _ {1,1,1}) = phi _ {1,2,1} - phi _ {1,1,1}}$

La diferenciación doble calcula la diferencia entre la diferencia del satélite del receptor 1 y la del receptor 2. Esto elimina aproximadamente los errores del reloj del satélite. Esta doble diferencia es: ${begin{alineado}Delta ^{r}(Delta ^{s}(phi _{1,1,1})),&=,Delta ^{r}(phi _{1,2,1}-phi _{1,1,1})&=,Delta ^{r}(phi _{1,2,1})-Delta ^{r}(phi _ {1,1,1})&=,(phi _{2,2,1}-phi _{1,2,1})-(phi _{2,1,1}-phi _ {1,1,1})end{alineado}}$

La diferenciación triple resta la diferencia del receptor del tiempo 1 de la del tiempo 2. Esto elimina la ambigüedad asociada con el número integral de longitudes de onda en la fase de la portadora siempre que esta ambigüedad no cambie con el tiempo. Así, el resultado de la triple diferencia elimina prácticamente todos los errores de polarización del reloj y la ambigüedad de los enteros. El retardo atmosférico y los errores de efemérides satelitales se han reducido significativamente. Esta triple diferencia es: $Delta ^{t}(Delta ^{r}(Delta ^{s}(phi _{1,1,1})))$

Los resultados de la triple diferencia se pueden utilizar para estimar variables desconocidas. Por ejemplo, si se conoce la posición del receptor 1 pero se desconoce la posición del receptor 2, puede ser posible estimar la posición del receptor 2 utilizando la raíz numérica y los mínimos cuadrados. Los resultados de triple diferencia para tres pares de tiempo independientes pueden ser suficientes para resolver los tres componentes de posición del receptor 2. Esto puede requerir un procedimiento numérico.Se requiere una aproximación de la posición del receptor 2 para usar dicho método numérico. Este valor inicial probablemente se puede proporcionar a partir del mensaje de navegación y la intersección de las superficies esféricas. Una estimación tan razonable puede ser clave para la búsqueda exitosa de raíces multidimensionales. La iteración de tres pares de tiempo y un valor inicial bastante bueno produce un resultado de diferencia triple observado para la posición del receptor 2. El procesamiento de pares de tiempo adicionales puede mejorar la precisión, sobredeterminando la respuesta con múltiples soluciones. Los mínimos cuadrados pueden estimar un sistema sobredeterminado. Los mínimos cuadrados determinan la posición del receptor 2 que mejor se ajusta a los resultados de la triple diferencia observados para las posiciones del receptor 2 bajo el criterio de minimizar la suma de los cuadrados.

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 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 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 uso de GPS L1 por la FCC es de 1559 a 1610 MHz, mientras que el espectro asignado para 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 de Virginia LightSquared. El 1 de marzo de 2001, la FCC recibió una solicitud del predecesor de LightSquared, Motient Services, para utilizar sus frecuencias asignadas para un servicio terrestre-satelital integrado. En 2002, el US 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 emitieran transmisiones a la banda 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 aseguren que el El componente terrestre agregado sigue siendo auxiliar a 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 solo para use 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 cantidad máxima de estaciones LightSquared 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 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 reglas en febrero de 2003 que permitieron a los licenciatarios del Servicio de satélite móvil (MSS) como LightSquared construir una pequeña cantidad de torres terrestres auxiliares en su espectro autorizado 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 el MSS ATC tengan diferentes precios, cobertura, aceptación de productos y distribución; por lo tanto, los dos servicios aparecen, 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 tenemos la intención ni lo haremos permiso, el componente terrestre para convertirse 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". 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 aclaran que el componente de torre auxiliar (ATC) sería, 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 la "Coalición para salvar nuestro GPS".

Tanto la FCC como 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 procedió a prohibir la red nacional de banda ancha planificada de LightSquared luego de que la Administración Nacional de Telecomunicaciones e Información (NTIA), la agencia federal que coordina los usos del espectro para las fuerzas armadas y otras entidades del gobierno federal, le informara que "hay ninguna forma práctica de mitigar la posible interferencia en este momento". LightSquared está desafiando la acción de la FCC.

Otros sistemas

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 socios, que comenzó a operar en 2016 y se espera que esté completamente implementado para 2020.
GLONASS: el sistema de navegación global de Rusia. Totalmente operativo en todo el mundo.
NavIC: un sistema de navegación regional desarrollado por la Organización de Investigación Espacial de la India.
QZSS: un sistema de navegación regional por cobrar en las regiones de Asia y Oceanía, con un enfoque en Japón.

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