Funcionamiento y Componentes Esenciales del Sistema GPS

Introducción al Sistema de Posicionamiento Global (GPS)

El GPS es un sistema de posicionamiento global que se basa en la medida simultánea de la distancia entre el receptor y al menos cuatro satélites, ofreciendo la siguiente información clave: la posición precisa del receptor y una referencia temporal muy exacta. La distancia entre el receptor y cada satélite se obtiene midiendo el retardo temporal desde que el satélite emite la señal hasta que esta es recibida por el receptor. Por cada satélite, se obtiene la ecuación de una esfera (o esferoide, considerando la curvatura terrestre). La intersección de todas estas esferas es lo que finalmente determina la posición del usuario.

Frecuencias L1 y L2 del GPS

Las señales GPS se transmiten en diferentes frecuencias. La frecuencia L1 transporta los mensajes de navegación y los códigos de acceso (códigos C/A y P). Por otro lado, la frecuencia L2 se utiliza principalmente para medir el retraso ionosférico, lo que permite a los receptores de Posicionamiento Preciso (PPS) corregir este error y mejorar significativamente la exactitud de la posición.

Dilución de Precisión (DOP)

La Dilución de Precisión (DOP) es un factor que describe la precisión del GPS basándose en la geometría de los satélites visibles. Cuando el valor DOP es alto, los satélites están muy cerca entre sí en el cielo, lo que disminuye la precisión del posicionamiento. Por el contrario, si los satélites están distribuidos de manera más uniforme y distante en el cielo, la precisión aumenta y el valor DOP disminuye.

Existen diferentes tipos de DOP, cada uno relacionado con un parámetro específico:

• HDOP (Horizontal Dilution of Precision): Dilución de precisión para el posicionamiento horizontal.
• VDOP (Vertical Dilution of Precision): Dilución de precisión para el posicionamiento vertical.
• PDOP (Position Dilution of Precision): Dilución de precisión para el posicionamiento tridimensional.
• TDOP (Time Dilution of Precision): Dilución de precisión para la referencia temporal.

Es importante señalar que los obstáculos urbanos y naturales (como edificios altos o montañas) pueden aumentar el valor DOP, afectando negativamente la precisión del GPS.

Componentes del Sistema GPS

El sistema GPS se compone de tres segmentos principales que trabajan de forma conjunta para proporcionar el servicio de posicionamiento:

Segmento Espacial

Este segmento está formado por la constelación de satélites GPS, que actualmente incluye 24 satélites operativos (más de repuesto) distribuidos en 6 planos orbitales. Cada satélite tiene un periodo orbital de aproximadamente 12 horas, asegurando que al menos cuatro satélites sean visibles desde cualquier punto de la Tierra en todo momento. Los satélites transmiten datos orbitales (efemérides), características temporales (relojes atómicos) y mensajes de estado.

Segmento de Control

El segmento de control está compuesto por una red global de estaciones de control y monitoreo. Su función principal es monitorear y controlar los satélites, predecir sus órbitas futuras, ajustar sus parámetros orbitales y cargar la información actualizada a los satélites.

Segmento de Usuario

El segmento de usuario está compuesto por los receptores GPS que utilizan la señal de los satélites para calcular su posición. Estos receptores pueden ser de diversos tipos, desde dispositivos portátiles hasta sistemas integrados en vehículos, aeronaves o embarcaciones, y son los encargados de procesar la información recibida para determinar la ubicación y el tiempo.

Consideraciones para la Instalación de Antenas (GPS, Radar y Comunicación)

La correcta instalación de las antenas es crucial para el rendimiento óptimo de los sistemas de navegación y comunicación:

• La antena GPS requiere idealmente una vista sin obstáculos desde el horizonte en 360° para recibir las señales de los satélites de manera efectiva.
• La energía radiada por otros sistemas de transmisión de microondas puede dañar los circuitos sensibles, como el pre-amplificador, que se encuentran dentro de la cúpula de la antena GPS. Por ello, es ideal montar la antena GPS por debajo de las antenas de comunicación.
• El radar debe ubicarse en el punto más alto posible para asegurar que sus pulsos no sean interrumpidos por otras antenas u obstáculos, maximizando su alcance y eficacia.

Fenómenos de Interferencia en Radar

Existen fenómenos que pueden afectar la calidad de las señales de radar:

• Sea Clutter: Fenómeno que describe el ruido o eco no deseado generado por las olas del mar en las señales de radar, lo que puede afectar la detección de objetivos.
• Rain Clutter: Fenómeno que describe el ruido o eco no deseado generado por la lluvia en las señales de radar, lo que puede afectar la detección de objetivos.

Resultados del Posicionamiento GPS

El sistema GPS proporciona al usuario dos tipos de información fundamental:

• La posición geográfica precisa del receptor (latitud, longitud y altitud).
• Una referencia temporal extremadamente precisa, derivada de los relojes atómicos de los satélites. Esta precisión temporal es fundamental para el cálculo de la distancia entre el receptor y cada satélite, que se obtiene midiendo el retardo temporal de la señal. La intersección de las esferas de distancia de múltiples satélites es lo que finalmente determina la posición del usuario.

Sistema de Posicionamiento Global Diferencial (DGPS)

La exactitud de las posiciones GPS se puede mejorar significativamente utilizando técnicas diferenciales (DGPS). El principio del DGPS se basa en el uso de una estación de referencia fija con una posición conocida con gran precisión. Esta estación calcula la diferencia entre su posición conocida y la posición calculada por GPS, generando así correcciones de error. Estas correcciones se transmiten a los receptores GPS móviles (como los de un barco), que las aplican para mejorar la precisión de su propia posición. Es importante destacar que el DGPS no elimina errores causados por la recepción de múltiples trayectos (multipath) o por el ruido inherente del receptor. Para el uso marítimo, el sistema DGPS global cuenta con una red de estaciones de monitorización diferencial en 28 países.