El Sistema de Posicionamiento Global (GPS: Global Positioning System) es una
red de satélites estadounidenses cuya tarea es proporcionar la
infraestructura necesaria para permitir una localización precisa en el entorno
planetario.
La red está constituida por un mínimo de 24 satélites (y un máximo de 32)
a 20.200Km de altura,
en seis planos orbitales. Su periodo de rotación es, por lo tanto, de 12 horas
sidéreas exactas. El sistema está diseñado para que haya en todo momento
entre 8 y 12 satélites visibles en cualquier punto de la Tierra, exceptuando
latitudes muy elevadas (los polos terrestres).
(nota para ampliación futura: señal C/A va a 50 bps, y se repite cada 30
minutos, enviando el almanaque y las efemérides. Esa señal está modulada
por un código PRN de 1023 bits, a 1023Mbps. Hay 32 códigos PRN en la familia,
cada uno asignado a un satélite. Son códigos Gold, con muy baja correlación
cruzada).
- Almanaque
- Información enviada de forma períodica por los satélites de la
constelación, informando sobre ellos mismos y el resto de satélites
miembros del sistema, su nivel de salud, etc. Esta información suele variar
con poca frecuencia, de año en año. En marzo de 2005, cuando escribo este
documento, la última actualización del almanaque es de diciembre de 2004.
- Efemérides
- Información enviada por los satélites, dando la posición precisa de los
mismos. Esta información sí cambia frecuentemente, siendo actualizada por
las estaciones de seguimiento de la Tierra. Los parámetros orbitales de los
satélites se van actualizando a medida que su movimiento se ve alterado por
la atracción del Sol y la Luna, la diferencia de gravedad entre distintas
zonas de la corteza terrestre, viento solar, etc. Un período de cambio
típico sería de 4 horas.
- Constelación
- El conjunto de los satélites GPS. También el conjunto de satélites de la
constelación visibles desde una posición dada.
- Adquisición
- Se denomina así a la operación realizada por la unidad GPS para poder acceder
a la información (incluyendo tiempo) y la posición de los satélites.
La operación puede resultar más o menos costosa en tiempo y recursos (batería),
como describiré más adelante.
Un detalle importante es que la calidad y la potencia de las señales de los
satélites requeridas para poder realizar la adquisición es bastante superior a
la que precisa una vez en funcionamiento.
Por ejemplo, se puede requerir una
antena exterior para completar la adquisición y desconectarla posteriormente.
Esto puede ser interesante si se trata de una antena activa, que consume
energía eléctrica o una antena aparatosa y difícil de llevar.
- Fix
- Una "posición" proporcionada por una unidad GPS. Es decir, cada una de las
medidas de posición que nos ofrece.
- 2D fix
- El sistema GPS permite obtener posiciones en el espacio tridimensional.
Pero para ello se requiere tres satélites y un reloj local extremadamente preciso
(un reloj atómico) o, sencillamente y lo habitual, cuatro satélites a la vista.
Si solo disponemos de tres satélites, se puede obtener una posición
(latitud/longitud) si suponemos que estamos en la superficie terrestre, a nivel
del mar. Si no es el caso (por ejemplo, estamos en una montaña),
la posición obtenida puede ser muy imprecisa.
Dado que la posición obtenida en estos casos sólo es válida si nos movemos
en un entorno bidimensional (latitud y longitud, exclusivamente), la posición
así proporcionada se denomina 2D fix.
- 3D fix
- Si tenemos a la vista cuatro o más satélites, podemos proporcionar una
posición tridimensional precisa. Tenemos, por lo tanto, un 3D fix.
Si hay a la vista más satélites, una unidad GPS de buena calidad utilizará
aquellos que geométricamente nos proporcionan una posición más precisa. En teoría
eso supone tres satélites a nivel del horizonte, separados por 120 grados, y otro
satélite sobre nuestro cénit. Si hay más satélites, se pueden utilizar también
para mejorar la precisión del Fix.
Pero los satélites cercanos al horizonte
son ocultados con mucha falicidad por cualquier obstáculo, además de estar sujetos
a una mayor dispersión troposférica y a multitrayecto, por lo que los receptores
GPS suelen exigir un mínimo de altura (entre 5 y 15 grados) sorbe el horizonte
para utilizar un satélite.
Hay que recordar que el sistema GPS, por diseño, proporciona una mayor precisión
horizontal que vertical. El error asociado a la posición vertical suele ser en
torno al doble de la horizontal.
- DOP
- Dilution of Precision. Esta
imprecisión está derivada de la geometría de los satélites respecto al receptor GPS.
Dado que sus órbitas son conocidas (almanaque), existen algoritmos para
calcular las diferentes DOP, tanto en tiempo real como con antelación.
- GDOP
- Geometric Dilution of Precision. Constituída por cuatro componentes:
tiempo, posición horizontal, posición vertical y posición tridimensional.
- PDOP
- Position Dilution of Precision. Se trata de la imprecisión tridimensional.
Es inversamente proporcional al area del polígono delimitado por
las intersecciones de las líneas de visión a los satélites con una esfera centrada
en el observador.
Por lo tanto, las peores posiciones son aquellas con los satélites muy cerca en
el cielo, o situados en línea.
- HDOP
- Horizontal Dilution of Precision. Imprecisión en el plano de superficie.
- VDOP
- Vertical Dilution of Precision. Imprecisión en la posición vertical.
- TDOP
- Time Dilution of Precision. Imprecisión en el tiempo.
- CEP
- Circular Error Probability. Radio del círculo dentro del cual caen el 50%
de las medidas horizontales.
- SEP
- Spheric Error Probability. Radio de la esfera dentro del cual caen el 50%
de las medidas tridimensionales.
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- Arranque autónomo
- Si se activa una unidad GPS sin que ésta tenga un almanaque actualizado, ni
unas efemérides, debe descargar ambas cosas de los satélites. El tiempo normal
para ello, con cielo despejado, puede ser superior a 90 segundos. En situaciones
urbanas o con cielo muy obstaculizado, el tiempo puede ser muy superior.
En mi experiencia personal, mi primer arranque requirió una media hora.
- Cold Start
- Si la unidad GPS tiene un almanaque válido (recordemos que la validez normal
de un almanaque es de varios meses) tan solo deberá recibir las efemérides de
los satélites. Transmitiendo a 50 bps, el tiempo normal de adquisición es de unos
45 segundos, dependiendo de en qué punto de la transmisión se arranque el GPS.
Las efemérides de los satélites tienen una validez de varias horas, por lo que
un encendido "cercano" de la unidad GPS puede necesitar un
simple "warm start".
- Warm Start
- Si la unidad GPS tiene un almanaque y unas efemérides recientes
(menos de cuatro horas), necesita obtener una referencia de tiempo y
sincronización con la transmisión de "espectro ensanchado" de los satélites.
El tiempo de adquisición, en este caso, es de unos 7-15 segundos.
- Hot Start
- Si la unidad GPS tiene un almanaque, unas efemérides actualizadas y un tiempo
local razonablemente preciso (por ejemplo, acabamos de pasar por un túnel), el
tiempo de adquisición es muy bajo.
- EPE
- Estimated Position Error. Es el error máximo "estimado" en la posición. Sin
recurrir a algoritmos especiales o a retocar el "firmware" del receptor GPS, el EPE
se puede calcular, aproximadamente como:
| Porcentaje de las medidas dentro del círculo | Ecuación |
|---|
| 68% | DOP * URA * (1 sigma) |
| 50% | DOP * URA * (1 sigma) * 0.73 |
| 95% | DOP * URA * (1 sigma) * 2 |
| 99'7% | DOP * URA * (1 sigma) * 3 |
(1 sigma) es la desviación estándar del error de posición debido a
la calidad interna del receptor.
- URA
- User Range Accuracy. Estimación del error por causas internas al satélite.
- SA
- Selective Availability. Mecanismo por medio del cual EE.UU. añade errores
en las referencias enviadas por los satélites, con el fin de disminuir la precisión
del sistema. Actualmente está desactivado.
- UTM
- Universal Transverse Mercator. Rejilla en los mapas.
- WayPoint
- Referencia de posición, en una ruta determinada.
- Geoide
- Superficie gravitacional equipotencial, básicamente equivalente al MSL.
- MSL
- Mean Sea Level. Nivel medio del mar.
- Elipsoide
- Modelo matemático de la superficie terrestre, correspondiente a un "datum"
determinado.
- Datum
- Descripción matemática de la Tierra. Típicamente se define como un elipsoide
de revolución, con sus dos radios (ecuatorial y polar),
o su radio ecuatorial y el nivel de "achatamiento".
Hay que tener en cuenta que diferentes zonas del mundo y diferentes mapas pueden
utilizar un "datum" distinto, por lo que pueden no encajar exactamente. Se trata de
un detalle a tener muy en cuenta.
El "datum" actual y más moderno es el WGS-84 (equivalente al NAD 83 norteamericano).
- HAE
- Height Above Ellipsoid. Altura del dispositivo GPS respecto al elipsoide
de referencia.
- GNSS
- Global Navigation Satellite Systems. Cualquiera de los sistemas de navegación
por satélite existentes. Por ejemplo, el sistema GPS norteamericano,
el sistema de navegación GLONASS ruso, o el futuro sistema europeo, Galileo.
- MultiPath
- Multitrayecto. Es una de las causas de error sistemáticos más importantes.
Se debe a la reflexión de las señales GPS en edificios, estructuras metálicas, etc.
El multitrayecto introduce dos problemas: atenuación selectiva (si se reciben
varias señales simultaneamente), e incremento de la distancia medida al satélite (ya
que en vez de tomar la distancia real, se toma la distancia a través del
multitrayecto).
Por ejemplo, no puedo poner la antena GPS en el exterior de la ventana porque,
según la posición de los satélites, los rebotes radioeléctricos en la misma me
dejan sin cobertura (por la atenuación selectiva). En cambio si muevo la antena medio
metro, la recepción es excelente.
Uno de los problemas más graves del multitrayecto es que el error en la posición
puede ser muy alto, y ello no se ve reflejado en el DOP. Afortunadamente el multitrayecto
es muy sensible a la posición de los satélites (que cambia constantemente),
de la antena y del entorno, por lo que
sus efectos suelen ser claramente obvios cuando se comparan medidas.
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Blog personal: El hilo del laberinto
