sábado, 20 de octubre de 2012

El sistema GPS


Fue desarrollado por el Departamento de Defensa de los EEUU, bajo el nombre NAVTAR GPS (NAVigation Satellite Time And Ranging – Global Positioning System), a partir de 1973. Está compuesto por una constelación de 24 satélites situado sobre órbitas inclinadas  de  55° respecto al ecuador terrestre, cada órbita contiene 4 satélites (3 operativos y 1 en reserva). El periodo de rotación de dichas plataformas espaciales es de 12 horas. La constelación satelital está pensada de manera que desde cualquier punto del planeta pueda recibirse la señal concurrente de al menos seis de ellos; sin embargo las especificaciones generales del sistema suponen una cobertura de 4 a 8 satélites con elevación superior a 15°; límite sobre el horizonte visible que se considera apto para una buena recepción de la señal. Cada satélite está equipado con un ordenador, un sistema de comunicación de muy alta frecuencia, y 4 relojes atómicos (dos de Cesio y dos de Rubidio), con un retardo de sincronización del orden de la milmillonésima de segundo.  El control desde tierra se efectúa mediante un sistema llamado OCS (Operational Control Station), compuesto por una emisora principal MCS (Master Control Station) y una serie de estaciones de control dispuesta a lo largo del ecuador. La MCS coordina la sincronización de los relojes, del diagnostico y control de las órbitas; mediante el monitoreo constante de las efemérides (información sobre las órbitas exactas), almanaque (subconjunto de efemérides y parámetros de reloj), etc.

Los satélites trasmiten  la información mediante modulación de espectro difuso (Spread Spectrum Modulation), lo que dificultad al extremo la intersección e interferencia de la señal, ya que la información se confunde con el ruido electromagnético  de fondo. 

El sistema original consideraba dos sistemas de posicionamiento superpuesto, un Servicio de Precisión Standard (SPS) para uso civil, y un Servicio de Posición Precisa (PPS) para uso militar u oficial. Esta intrincada seguridad se implementó a partir de la generación en cada satélite de una frecuencia fundamental de 10,23 MHz, de la cual se derivan dos portadoras básicas L1 (1575,42 MHz; frecuencia base por 154) y L2 (1227,60 MHz; frecuencia base por 120).  Para el cálculo de la ubicación cada satélite envía un par de códigos PRN (Pseudo-Random Noise) con una frecuencia de reloj de 1023 MHZ, que se repite cada milésima de segundo. El primero esta modulado sobre L1 y se denomina C/A-Code (Coarse/Acquisition-Code), el segundo modulado simultáneamente sobre L1 y L2, denominado P-Code (Precision-Code). El C/A-Code se aplica al SPS, y el P-Code al PPS.

Los receptores GPS de uso comercial están diseñados para trabajar con la frecuencia L1, portadora de la SPS diluida en precisión por la aplicación del C/A-Code. Actualmente dicho código no se aplicada sobre el SPS, lo que permite resolver posiciones dentro de un círculo de tres metros de diámetros. Para el cálculo de la posición sobre la superficie terrestre, básicamente se utiliza el tiempo que demora una señal desde el emisor al receptor, conocida la posición que ocupa el satélite en el espacio respecto al centro de masa de la tierra, unas trasformaciones trigonométricas en el receptor permiten calcular la ubicación. Repitiendo este procedimiento para varios satélites (mínimo tres) se obtiene la posición del receptor con unos pocos metros de incertezas.  El intervalo de tiempo entre la emisión y la recepción se mide comparando el código C/A enviado por el satélite con una copia del mismo realizada por el receptor, sincronizado con el satélite. Se obtiene  la distancia de separación entre el emisor y receptor, luego de una serie de correcciones, entre ellas: la dispersión y difracción estratosférica, el efecto Dopler-Fizeau debido al desplazamiento relativo, y las sugeridas por Einstein respecto a los efectos relativistas y gravitatorios.  Junto con el PRN el satélite envía un mensaje de 1500 bits trasmitido a 50 Bps, donde se incluyen las efemérides, almanaques, y demás parámetros de corrección (unos 30 segundos que justifican la demora operativa del GPS luego del encendido).


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