Qué es el sistema GPS y cómo funciona

El sistema de navegación basado en satélites del tipo Sistema de Posicionamiento Global (GPS) está compuesto por una red de 24 satélites puestos en órbita a través del DoD (Departamento de Defensa) de los Estados Unidos. Este sistema está diseñado principalmente para aplicaciones militares; sin embargo, el gobierno puso el sistema a disposición en 1980 para uso civil. Este sistema funciona en cualquier tipo de entorno en todo el mundo durante 365 días en cualquier momento. El GPS incluye 24 satélites que orbitan la esfera una vez cada 12 horas para proporcionar información global sobre la hora, la posición y la velocidad. La función principal del GPS es identificar con precisión ubicaciones en el mundo determinando la distancia a los satélites. Este sistema le permite crear o guardar ubicaciones exactas en el mundo y lo ayuda a navegar desde esas ubicaciones. Básicamente, este sistema fue diseñado principalmente para aplicaciones militares, pero en 1980 estuvo disponible para uso civil. Este artículo proporciona una descripción general del sistema GPS, cómo funciona y sus usos.


¿Qué es el sistema GPS?

Definición: El término GPS de forma completa es «Sistema de posicionamiento global», que es un sistema de navegación por satélite que proporciona al usuario información sobre la ubicación y la hora en todas las condiciones meteorológicas. El GPS también se utiliza para la navegación en aviones, barcos, automóviles y camiones. El sistema brinda capacidades esenciales a los usuarios militares y civiles de todo el mundo. El GPS proporciona posicionamiento, navegación y cronometraje tridimensional continuo y en tiempo real en todo el mundo.

GPS

¿Cómo funciona el sistema GPS?

El GPS consta de tres segmentos:

  • El segmento espacial: los satélites GPS
  • El sistema de control, operado por el ejército estadounidense,
  • El segmento de usuarios, que incluye tanto a usuarios militares como civiles y sus equipos GPS.

Segmento espacial

El segmento espacial es el número de satélites en la constelación. Se compone de 29 satélites que giran alrededor de la tierra cada 12 horas a una altitud de 12.000 millas. La función de segmento espacial se utiliza para enrutar/navegar señales y para almacenar y reenviar el mensaje de ruta/navegación enviado por el segmento de control. Estas transmisiones están controladas por relojes atómicos muy estables en los satélites. El segmento espacial GPS está formado por una constelación de satélites con suficientes satélites para asegurar que los usuarios tendrán a la vista al menos 4 satélites simultáneos desde cualquier punto de la superficie terrestre en todo momento.

segmento de control

El segmento de control consta de una estación de control principal y cinco estaciones de monitoreo equipadas con relojes atómicos ubicadas en todo el mundo. Las cinco estaciones de monitoreo monitorean las señales de los satélites GPS y luego envían esta información calificada a la estación de monitoreo principal donde se revisan las anomalías y se envían de vuelta a los satélites GPS a través de antenas en tierra. El segmento de control también se denomina estación de monitoreo.

Segmento de usuarios

El segmento de usuarios incluye el receptor GPS, que recibe señales de los satélites GPS y determina qué tan lejos está de cada satélite. Este segmento se utiliza principalmente para el ejército de EE. UU., sistemas de guía de misiles, aplicaciones civiles de GPS en casi todos los campos. La mayoría de los civiles lo utilizan desde la inspección hasta el transporte a los recursos naturales y desde allí también con fines agrícolas y cartográficos.

¿Qué tan preciso es el GPS?

En la actualidad, los receptores GPS son muy precisos y su precisión depende principalmente de muchas variables, incluida la ionosfera, los satélites disponibles, el entorno urbano, etc. Algunos factores dificultan la precisión del GPS, como los siguientes.

Barreras físicas

Las mediciones de la hora de llegada pueden verse distorsionadas por grandes masas como edificios, montañas, árboles, etc.

Efectos atmosféricos

Dispositivos GPS afectados principalmente por tormentas solares, cobertura de tormentas intensas, retrasos ionosféricos, etc.

Efemérides

En un satélite, el modelo orbital podría ser inexacto, si no obsoleto, aunque esto se está volviendo cada vez más raro.

Errores de cálculo numérico

Esto puede ser una característica una vez que el hardware del dispositivo no se proporciona para las condiciones.

Interferencias artificiales

La interferencia hecha por el hombre incluye principalmente parodias o dispositivos de interferencia de GPS. En lugares abiertos, la precisión del dispositivo es alta sin grandes edificios contiguos que puedan obstruir las señales. Por lo tanto, este efecto se denomina cañón urbano. Una vez que un dispositivo está encerrado en edificios altos, la señal del satélite puede bloquearse primero, luego rebotar en un edificio alto, donde finalmente se lee a través del dispositivo para causar fallas de distancia desde el satélite.

Afortunadamente, los problemas con la tecnología GPS han sido reconocidos y están cerca de resolverse. Aquí, la precisión proporcionada por los receptores de alta calidad es mejor que una precisión de nivel de 2,2 metros en el 95 % de los casos y mejor que una precisión de 3 metros en el 99 % de los casos.

Cómo determina el GPS una posición

El funcionamiento/funcionamiento del Sistema de Posicionamiento Global se basa en el principio matemático de “trilateración”. La posición se determina a partir de las mediciones de distancia a los satélites. De la figura, los cuatro satélites se utilizan para determinar la posición del receptor en la tierra. La ubicación del objetivo es confirmada por los 4mi Satélite. Y se utilizan tres satélites para trazar la ubicación de la ubicación.

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Se utiliza un cuarto satélite para confirmar la ubicación objetivo de cada uno de estos vehículos espaciales. El sistema de posicionamiento global consiste en un satélite, una estación de control, una estación de monitoreo y un receptor. El receptor GPS toma información del satélite y utiliza el método de triangulación para determinar la ubicación exacta del usuario.

El GPS se utiliza en algunos incidentes de varias formas, como por ejemplo:

  • Determinar la ubicación de los puestos; por ejemplo, necesita enviar por radio al piloto de un helicóptero las coordenadas de su ubicación para que el piloto pueda recogerlo.
  • Para navegar de un lugar a otro; por ejemplo, debe pasar de una glorieta al perímetro del incendio.
  • Crear mapas digitalizados; por ejemplo, eres responsable de dibujar el perímetro del fuego y los puntos calientes.
  • Determinar la distancia entre dos puntos diferentes.

Otros sistemas GPS

Hay varios sistemas de GPS disponibles en el mundo como GNSS (Sistema de navegación global por satélite). El sistema GNSS se clasifica en cuatro tipos, como GPS de EE. UU., GLONASS de Rusia, Galileo de la UE y BeiDou de China. Además, hay dos sistemas regionales. sistemas como QZSS de Japón e IRNSS/NavIC de India.

rastreadores del sistema GPS

En general, hay cuatro tipos de rastreadores GPS disponibles donde algunos rastreadores se usan para rastrear vehículos y otros se usan para monitorear personas.

Rastreadores personales

Estos rastreadores se utilizan principalmente para monitorear personas/mascotas. Generalmente, estos rastreadores utilizan un dispositivo personal, a saber, un chip de bolsillo o un brazalete para operar. Después de eso, los dispositivos se encenderán. Una vez encendido, los operadores pueden colocar y rastrear el dispositivo de forma remota.

Los dispositivos de rastreo GPS utilizados para perros se llaman collares equipados con GPS. Estos dispositivos juegan un papel clave en el seguimiento de mascotas como los perros. Por lo tanto, estos collares brindan tranquilidad ya que los propietarios pueden rastrear y ubicar a sus perros continuamente.

Seguimiento de activos

Los rastreadores de activos, como pequeños chips de radio y grandes etiquetas satelitales, se utilizan para elementos no vehiculares, como rastreadores personales. Este tipo de seguimiento se utiliza en los supermercados para detener un robo. entonces un La nueva solución para esto es el seguimiento de activos.

Una vez que use estos rastreadores, se puede reducir el robo de carritos de compras en los supermercados. Además, algunos rastreadores aumentarán reconociendo artículos en el carrito, combinándolos con la tarjeta de fidelización del comprador y compartiéndolos a través del equipo de publicidad.

Seguimiento de vehículos por celular

Este tipo de seguimiento se puede realizar a través de redes satelitales/celulares, que casi con seguridad son uno de los tipos más comunes de seguimiento por GPS. Este tipo de seguimiento se utiliza con frecuencia en comparación con el seguimiento por satélite.

Este tipo de sistema usa un dispositivo para capturar datos del vehículo y luego reporta los datos usando torres de telefonía celular. En comparación con el seguimiento por satélite, este tipo de seguimiento de vehículos es menos costoso y se amortiza más rápido. Por lo general, las empresas de entrega utilizan el seguimiento por GPS para simplificar el flujo de trabajo del servicio al cliente, como llamar a su vehículo y solicitar su asiento para notificar a sus clientes.

Seguimiento de vehículos por satélite

En comparación con el rastreo de vehículos por satélite, los sistemas de rastreo de celulares no funcionarán correctamente porque las torres de telefonía celular están ocupadas. El rastreo satelital ofrece la mejor solución a este problema ya que estas redes pueden obtener actualizaciones desde las áreas más remotas.

Una empresa de camiones de Alaska cubre principalmente áreas remotas. El principal desafío con el seguimiento por GPS es obtener actualizaciones incluso cuando no se puede acceder a las estaciones base. Estos rastreadores brindan actualizaciones estables que los conductores de vehículos usaban para pedir ayuda cuando sus teléfonos celulares no funcionaban.

Fuentes de errores de señal GPS

La señal GPS y su precisión pueden verse afectadas por los siguientes factores

Retrasos de la ionosfera y la troposfera

Las señales de los satélites se vuelven lentas porque viajan a través de la atmósfera. Por lo tanto, este sistema utiliza un modelo fijo para corregir parcialmente el error.

Múltiples rutas de señal

La señal GPS puede reflejarse en objetos tales como grandes superficies rocosas, edificios altos antes de llegar al receptor para mejorar el tiempo de viaje de la señal y causar errores.

Errores CLK del receptor

Un reloj GPS integrado en el receptor puede incluir pequeños errores de sincronización porque es inexacto en comparación con los relojes atómicos de los satélites GPS.

Errores orbitales

La posición del satélite informada puede no ser correcta.

Número de satélites perceptibles

La precisión depende principalmente de cuándo un receptor GPS detecta un cierto número de satélites. Una vez que se bloquea una señal, es posible que obtenga errores de ubicación. Por lo general, las unidades de GPS no funcionarán bajo tierra, sin embargo, los receptores de alta sensibilidad más nuevos pueden rastrear algunas señales una vez en edificios que de otro modo estarían bajo la cubierta de árboles.

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Geometría satelital o sombreado

Las señales satelitales son muy efectivas una vez que los satélites se colocan en ángulos amplios en lugar de agruparse o alinearse.

Disponibilidad selectiva

Una vez que el Departamento de Defensa de EE. UU. aplique SA (disponibilidad selectiva) a los satélites, las señales serán menos precisas para mantener a los «enemigos» utilizando señales de GPS que son extremadamente precisas. Para mejorar la precisión de los receptores GPS civiles, el gobierno deshabilitó la disponibilidad selectiva en 2000, lo que mejoró la precisión del receptor GPS civil.

Códigos GPS y Servicios

Cada satélite GPS se utiliza para transmitir dos señales con diferentes frecuencias como L1 y L2. Se utiliza una técnica simple como la trilateración para encontrar la ubicación como la longitud, la latitud y la elevación del receptor GPS. Esta técnica también se utiliza para medir la ubicación de un punto no identificado utilizando tres puntos identificados

Códigos GPS

Los códigos GPS están disponibles en dos tipos de la siguiente manera.

  • Código C/A o código de adquisición aproximado
  • Código P o código preciso

El código C/A se puede definir como la señal con la frecuencia «L1» es modificada por una serie de bits pseudoaleatorios de 1.023 Mbps y es utilizada por el público. De igual forma, la señal con la frecuencia «L2» puede modificarse con una serie de bits pseudoaleatorios de 10,23 Mbps, esto se denomina código preciso. Este código se utiliza principalmente en sistemas de posicionamiento militar. Por lo general, este tipo de código se transmite en un formato encriptado, llamado código Y.

El código P proporciona una medición más alta en comparación con el código de adquisición aproximado, porque la tasa de bits de este código es mayor en comparación con la tasa de bits del código de adquisición aproximado.

Servicios GPS

El sistema GPS proporciona dos tipos de servicios de la siguiente manera.

  • PPS o Servicio de Posicionamiento Preciso
  • SPS o servicio de posicionamiento estándar

Los receptores del servicio de posicionamiento preciso siempre rastrean ambos códigos como el código C/A y el código P en ambas señales con dos frecuencias como L1 y L2. En el receptor, el código Y se descifra para obtener el código P, mientras que los receptores SPS simplemente siguen el código de adquisición aproximado en una señal con L1.

Uso de un receptor GPS

En el sistema GPS, existe simplemente una comunicación unidireccional entre el satélite y los consumidores. Por lo tanto, cada usuario no necesita el transmisor, sino solo un receptor GPS. Se utiliza principalmente para descubrir la ubicación precisa de una entidad. Realiza esta tarea utilizando señales obtenidas de los satélites. El diagrama de bloques del receptor GPS se muestra a continuación, donde la función de cada bloque está presente en el receptor que se muestra a continuación.

Antena receptora

Esta antena recibe señales de satélite y es principalmente una antena de polarización circular.

LNA (amplificador de bajo ruido)

Este tipo de amplificador amplifica la débil señal recibida

Convertidor descendente

Este tipo de convertidor cambia la frecuencia de la señal recibida en una señal IF (frecuencia intermedia).

amplificador de FI

Este tipo de amplificador se utiliza para modificar la señal de FI (Frecuencia Intermedia).

CDA

El convertidor de analógico a digital se utiliza para realizar la conversión de señal de analógico a digital. Analice los dos bloques, a saber, el muestreo y la cuantificación que están presentes en el convertidor de analógico a digital.

PSD

El procesador de señal digital produce el código de adquisición grueso.

microprocesador

El microprocesador realiza el cálculo de posición y da la señal de temporización para gestionar el proceso de adición de bloques digitales. Transmite los datos útiles a la pantalla para mostrarlos en la pantalla.

Existen varios modelos y tipos de receptores GPS. Cuando se trabaja con un receptor GPS es importante tener:

  • Una brújula y un mapa.
  • Un cable de GPS descargado.
  • Algunas baterías extra.
  • Conocimiento de la capacidad de memoria del receptor GPS para evitar la pérdida de datos, reducir la inexactitud de los datos u otros problemas.
  • Una antena externa siempre que sea posible, especialmente bajo la copa de los árboles, en cañones o mientras conduce.
  • Un receptor de GPS configurado de acuerdo con las normas estándar de incidentes o agencias; sistema coordinado.
  • Notas que describen lo que está grabando en el receptor.

Error de GPS

Hay muchas posibles fuentes de error que degradarán la precisión de las posiciones calculadas por un receptor GPS. El tiempo de viaje que toman las señales del satélite GPS puede verse afectado por los efectos atmosféricos; cuando una señal de GPS viaja a través de la ionosfera y la troposfera, se refracta, lo que hace que la velocidad de la señal sea diferente de la velocidad de una señal de GPS a través del espacio. Otra fuente de error es el ruido de la señal o la distorsión que provoca interferencias eléctricas o errores inherentes en el propio receptor GPS.

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La información sobre las órbitas de los satélites también conducirá a errores en la determinación de las posiciones porque los satélites no están realmente donde el receptor GPS «pensó» en en base a la información que recibió al determinar las posiciones. Pequeñas variaciones en los relojes atómicos a bordo de los satélites pueden dar como resultado grandes errores de posición; un error de reloj de 1 nanosegundo se traduce en un error de usuario de 1 pie o 3 metros en el suelo.

Un efecto de trayectos múltiples se produce cuando las señales transmitidas por los satélites rebotan en una superficie reflectante antes de llegar a la antena del receptor. Durante este proceso, el receptor recibe la señal tanto en un trayecto en línea recta como en un trayecto retardado (multitrayecto). El efecto es similar a una imagen fantasma o doble en un televisor.

Dilución geométrica de precisión (GDOP)

La geometría del satélite también puede afectar la precisión del posicionamiento GPS. Este efecto se denomina dilución geométrica de precisión (GDOP). Que se refiere a la posición de los satélites entre sí y es una medida de la calidad de la configuración del satélite. Es posible que pueda modificar otros errores de GPS. La mayoría de los receptores GPS seleccionan la constelación de satélites que darán la menor incertidumbre, la mejor geometría satelital.

Los receptores GPS generalmente informan la calidad de la geometría del satélite en términos de dilución de la precisión de la posición, o PDOP. PDOP es de dos tipos, medidas horizontales (HDOP) y verticales (VDOP) (latitud, longitud y altitud). Podemos comprobar la calidad del posicionamiento del satélite cuyo receptor está disponible actualmente por el valor PDOP.

Un DOP bajo indica una mayor probabilidad de precisión y un DOP alto indica una menor probabilidad de precisión. Otro término para PDOP es TDOP (Time Dilution of Precision). TDOP se refiere al desplazamiento del reloj del satélite. Un receptor GPS puede establecer un parámetro conocido como máscara PDOP. Esto hará que el receptor ignore las configuraciones de satélite que tengan un PDOP por encima del límite especificado.

Disponibilidad selectiva (SA)

La disponibilidad selectiva ocurre cuando el DOD se degrada intencionalmente; la precisión de las señales GPS introduce errores de reloj artificial y efemérides. Al implementar SA, este fue el componente más grande del error de GPS, causando un error de hasta 100 metros. SA es un componente del Servicio de Posicionamiento Estándar (SPS).

Ventajas

Las ventajas de un sistema GPS son las siguientes.

  • El sistema de navegación por satélite GPS es una herramienta importante para usuarios militares, civiles y comerciales.
  • Sistemas de seguimiento de vehículos Los sistemas de navegación basados ​​en GPS pueden proporcionarnos indicaciones detalladas
  • muy alta velocidad

Desventajas

Las desventajas de un sistema GPS son las siguientes.

  • Las señales del satélite GPS son demasiado débiles en comparación con las señales del teléfono, por lo que no funciona tan bien en interiores, bajo el agua, debajo de los árboles, etc.
  • La mayor precisión requiere una línea de visión desde el receptor hasta el satélite, por lo que el GPS no funciona muy bien en un entorno urbano.

Usos del sistema GPS

Los sistemas GPS son muy flexibles y podemos encontrar este sistema en todos los sectores de la industria. Actualmente, el GPS juega un papel clave en el mapeo de bosques; ayude a los agricultores a cosechar sus campos y los pilotos usen aviones para navegar por la tierra de otra manera en la atmósfera. Estos sistemas son partes esenciales de las aplicaciones militares y los equipos de crisis para localizar a las personas que necesitan asistencia. Estas tecnologías frecuentemente funcionan en varias regiones que normalmente no consideramos.

En general, los sistemas GPS se dividen en cinco categorías principales, incluidas las siguientes.

  • La ubicación se utiliza para determinar una ubicación.
  • La navegación se utiliza para ir de un lugar a otro.
  • El seguimiento se utiliza para monitorear el objeto si no el movimiento personal
  • La cartografía se utiliza para crear mapas del mundo.
  • El momento es traer la hora exacta al globo.

En cada caso, el uso de un GPS depende principalmente de medir la distancia de los individuos a muchos satélites. El GPS es simplemente uno de varios grupos de satélites que se utilizan para decidir una ubicación. Los cuatro grupos principales de satélites utilizados en todo el mundo son GPS, GLONASS, Galileo y BeiDou. Estas tecnologías utilizan principalmente señales que utilizan estos satélites para determinar la distancia de las personas a todos estos satélites. Por lo tanto, estas mediciones pueden reconocer dónde se encuentra un individuo en el mundo y cómo encontrar el camino a otra posición.

Así, se trata de una visión general del sistema GPS, funcionamiento, componentes, ventajas, desventajas y sus aplicaciones. El sistema GPS se usa principalmente para determinar tiempos extremadamente específicos a través de relojes de rubidio en cada satélite. Estos relojes permiten que los satélites reconozcan su posición exacta en momentos muy específicos. La información meteorológica se puede utilizar en una variedad de aplicaciones, como la agricultura de precisión, la hidrografía marina autónoma y los vehículos.

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