CARTILLA DE ESTUDIO
COMUNICACIONES AVANZADAS
Sistema de Posicionamiento Global (GPS)
Docente Johan Leandro Téllez Garzón [email protected]
Programa de Ingeniería en Telecomunicaciones
2020
• Siglas en ingles (Global Positioning System), es un sistema que permite
determinar las coordenadas geográficas de un dispositivo en cualquier parte del planeta
• Proporciona la posición y velocidad de forma exacta, continua y a nivel mundial a usuarios con el equipo terminal adecuado
• También disemina info. de tiempo (Coordinated Universal Time - UTC)
• Este sistema fue desarrollado por el gobierno de EEUU a partir de la
constelación NAVSTAR (NAVigation Satellite Timing And Ranging). primer satélite fue puesto en orbita en 1978.
• Fue desarrollado para medición de distancia, surgiendo de la necesidad militar de tener un sistema con cobertura global, disponibilidad 7x24 y que funcionara en cualquier ambiente.
• Este sistema esta pensado para substituir todos los demás sistemas de
navegación de precisión media (Decca, Loran C, Omega, Transit, Tacan, ILS, Radiofaros, etc.)
Sistema de Posicionamiento Global (GPS)
Características
• Consiste de 24 satélites organizados en 6 orbitas planas
• Un centro mundial de red monitorea y controla el estado de los satélites
• Numero ilimitados de usuarios ya que los receptores son pasivos (no transmiten)
• El sistema usa el concepto de tiempo de arribo de una vía (one-way time of arrival - TOA),
• Transmisiones son referenciadas a una frecuencia exacta en el satélite que a su vez esta sincronizada con una estación base GPS de tiempo.
• Satélites difunden datos de navegación y códigos de rango sobre dos frecuencias usando la técnica CDMA.
• Hay dos frecuencias en uso, L1 (1,575.42 MHz) y L2 (1,227.6 MHz), que cada satellite usa pero con codigos de rango diferentes.
Sistema de Posicionamiento Global (GPS)
Funcionamiento básico
• Los datos de navegacion permiten saber la posición del satélite
• Los satélites generan dos códigos: uno corto (código C/A) y otro largo de precisión (código P(Y))
• El receptor usa los códigos de rango para determinar el tiempo de transito de la señal y asi obtener su rango de distancia al satélite.
• El receptor también necesita un clock.
• El receptor puede obtener su localización tridimensional usando los rangos de medición TOA de cuatro satélites (con clock simple de cristal).
Sistema de Posicionamiento Global (GPS)
GPS es dual en el sentido que brinda soporte por separado a servicios civiles y militares:
Servicio de posicionamiento preciso (PPS)
• Precisión de 22 metros en el plano horizontal y 27.7 metros en el vertical
• Proporciona transferencia de tiempo UTC con precisión de 200ns referenciada al observatorio naval de los EEUU (USNO)
• La precisión de la velocidad es de 0.2 m/s
• Uso civil permitido con autorización militar
• Usa algoritmos de criptografía (AS y SA) para seguridad de la señal Servicio de posicionamiento estandar (SPS)
• El libre para cualquier usuario y no requiere cargos de uso
• Su precisión es de 13 metros (horizontal) y 22 metros (vertical)
• El tiempo UTC tiene 40 ns de error
• Es el servicio de navegación predomínate en millones de usuarios a nivel mundial
Sistema de Posicionamiento Global (GPS)
• El uso civil de GPS ha sobrepasado el uso militar y ahora es un servicio público mundial de enorme importancia para diversas aplicaciones y servicios web
Temporización
• El tiempo GPS está definido por el reloj atómico de Cesio de la Estación de Control Maestra
Sistema de Posicionamiento Global (GPS)
• La escala de tiempo GPS se fijó coincidente con el UTC (Tiempo Universal Coordinado), a las 0 horas del 6 de enero de 1980. La unidad del UTC es el segundo atómico, pero está sometido a periódicos ajustes (movimiento de la Tierra),
• Así, la diferencia entre tiempo GPS y UTC, fue de cero en 1980, pero se modifico
gradualmente hasta 13 segundos en 1 de enero de 2005.
• Según (Kaplan, 2006), tres segmentos componen el sistemas GPS:
Sistema de Posicionamiento Global (GPS)
Espacial
De control
De usuario
Segmento espacial
• Es el conjunto de satélites que le permiten a los usuarios GPS realizar mediciones de rangos de distancia
• Se encarga de transmitir una código de señal que lo usuarios en tierra usan
para realizar sus mediciones de distancia
• La señal de alcance transmitida por el satélite es modulada con datos que contienen la
Posición del satélite.
• El satélite puede poseer unidades de detección de radiación y las
unidades de comunicación GPS, además de una unidad de control que permite mantener el satélite apuntando a tierra y los paneles
apuntando al sol.
Sistema de Posicionamiento Global (GPS)
Constelación de satélites GPS
• 24 satélites ubicados en 6 órbitas planas casi circulares, con inclinación de 55º respecto al Ecuador y con una distribución aproximadamente uniforme;
• 4 satélites por órbita.
• Se a casi 20180 km de altura.
• Su periodo de rotación es de 12h (11h 58m en tiempo oficial).
• Hay satélites en órbita en estado desactivado pero disponibles para reemplazo cuando sea necesario.
• Con la constelación completa, se dispone, en cualquier punto y
momento, entre 5 y 11 satélites observables, con geometría favorable.
• El tiempo máximo de observación de un satélite es de hasta 4 horas 15 minutos.
Sistema de Posicionamiento Global (GPS)
Segmento de Control
• Es el responsable de mantener todo funcionado, satélites en orbita y funcionales.
• Gestiona los recursos de propulsión del satélite y monitorea el estatus del mismo (batería, paneles, combustible, etc.).
• Realiza actualizaciones de clock en los satélites y en su efemérides (localización en el cielo de un cuerpo celeste)
Sistema de Posicionamiento Global (GPS)
• Los parámetros de efemérides son un ajuste precisión para que el satélite GPS siga las órbitas establecidas y son válidos solo por un intervalo de tiempo de 4 horas.
• El segmento de control resuelve anomalías en los satélites y realiza
mediciones en la fase de la portadora para realizar correcciones de clock en el satélite o en los parámetros de efemérides
Componentes del segmento de control:
• Estación de control maestra (master control station - MCS), calcula los
parámetros orbitales y los de los relojes y posteriormente los transmite a las antenas en tierra que los transfieren a los satélites a través de un enlace vía banda S
• Estaciones de monitoreo, tienen coordenadas conocidas con gran precisión (receptores GPS de doble frecuencia L1/L2 y un reloj de Cesio) y su objetivo es determinar las distancias a todos los satélites visibles y transmitirlas a la estación de control maestra.
• Antenas en tierra
Sistema de Posicionamiento Global (GPS)
Segmento de usuario
• Comprende el equipo de recepción y es típicamente referenciado como receptor GPS.
• Procesa señales de la banda L transmitidas por los satélites para determinar la información PVT del usuario, es decir, posición,
velocidad y tiempo preciso.
• También pueden realizar otros cálculos como la altitud o servir de fuentes de tiempo en algunas aplicaciones
Sistema de Posicionamiento Global (GPS)
Receptor GPS
• La antena está conectada por cable al receptor o en otros casos forman una sola unidad. Las coordenadas que se calculan corresponden al centro radioeléctrico de la antena.
• El receptor consta de un mínimo de 4 canales (hasta 12) que detectan y procesan simultáneamente la señal de cada satélite.
• oscilador de cuarzo para generar la frecuencia de referencia.
• microprocesador interno que calcula las coordenadas de la antena y la velocidad y acimut
• una memoria para almacenar observaciones.
• alimentación eléctrica que deberá brindar al receptor la autonomía necesaria.
Sistema de Posicionamiento Global (GPS)
DEFINIONES
• Efemérides: conjunto de parámetros para calcular la órbita de cada satélite y su posición dentro de la misma (coordenadas)
• Efemérides transmitidas: el receptor GPS las recibe del satélite en el instante de observación. Son un conjunto de parámetros que permiten determinar la ubicación del satélite durante cuatro horas. La estación de control maestra las envía al satélite a cada cierto tiempo.
• Efemérides precisas: son calculadas después, por interpolación,
considerando la efectiva posición de cada satélite obtenida mediante las
observaciones de las estaciones de control. Pueden ser obtenidas de Internet y son más precisas que las transmitidas.
• Almanaque: es la versión simplificada de las efemérides, permite calcular las coordenadas de los satélites en forma aproximada.
• Datum: en los receptores, se refiere a los parámetros del Sistema de Referencia utilizado.
