¿Qué es el sistema de posicionamiento global? Entendiendo el GPS

El sistema de posicionamiento global o GPS es un sistema de navegación por satélite global (GNSS) que proporciona un sistema de posicionamiento, navegación y cronometraje (PNT). Fue desarrollado por el Departamento de Defensa de los Estados Unidos (EE. UU. DoD) a principios de la década de 1970.Existen otros sistemas de navegación basados ​​en satélites como el GLONASS de Rusia, el Galileo de Europa y el BeiDou de China, pero el Sistema de Posicionamiento Global (GPS) de los Estados Unidos y el Sistema de Navegación Global por Satélite Ruso (GLONASS) son los únicos completamente funcionales basados ​​en satélites. Sistema de navegación con 32 constelaciones de satélites y 27 constelaciones de satélites respectivamente. Antes del desarrollo de la tecnología GPS, las principales ayudas para la navegación (en mar, tierra o agua) son los mapas y la brújula. Con la introducción del GPS, la navegación y el posicionamiento de la ubicación se volvieron muy fáciles con una precisión de posición de dos metros o menos. Esquema del historial del GPS Descripción general de la estructura del GPS Segmentos del GPS Segmento espacial Segmento de control Segmento del usuario Principio de funcionamiento del GPS Determinación de la ubicación de los satélites Determinación de la distancia entre los satélites y el receptor GPS Posición de Receptor en plano 2-D Posición del receptor en el espacio 3D Tipos de receptores GPS Aplicaciones del sistema de posicionamiento global (GPS) Historia del GPS Antes del desarrollo del GPS, sistemas de navegación terrestres como LORAN (Navegación de largo alcance) por los EE. UU. y Decca Navigator System del Reino Unido son las principales tecnologías para la navegación. Ambas técnicas se basan en ondas de radio y los rangos se limitaron a unos pocos cientos de kilómetros.A principios de la década de 1960, tres de las organizaciones gubernamentales de los Estados Unidos, a saber, la Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio (NASA), el Departamento de Defensa (DoD) y el Departamento de Transporte. (DoT) junto con varias otras organizaciones comenzaron a desarrollar un sistema de navegación basado en satélites con el objetivo de proporcionar alta precisión, operación independiente del clima y cobertura global. Este programa evolucionó hacia el Sistema de posicionamiento global de medición de distancia y cronometraje por satélite de navegación (Sistema de posicionamiento global NAVSTAR). Este sistema se desarrolló por primera vez como un sistema militar para satisfacer las necesidades de las Fuerzas Armadas de los Estados Unidos. Las Los militares utilizaron NAVSTAR para la navegación, así como para sistemas de orientación de armas y sistemas de guía de misiles. La posibilidad de enemigos usando este sistema de navegación contra los Estados Unidos es la principal razón por la cual los civiles no tuvieron acceso a él. El primer satélite NAVSTAR fue lanzado en 1978 y en 1994 se colocó en órbita una constelación completa de 24 satélites y así se hizo completamente operativo En 1996, los EE. UU. El gobierno reconoció la importancia del GPS para los civiles y declaró un sistema de doble uso, que permite el acceso tanto a militares como a civiles. pocos satélites que se observan simultáneamente. Las posiciones de estos satélites ya se conocen y, por lo tanto, midiendo la distancia entre cuatro de estos satélites y el receptor, las tres coordenadas de la posición del receptor GPS, es decir, se pueden establecer latitud, longitud y altitud. Dado que el cambio de posición del receptor se puede determinar con mucha precisión, también se puede determinar la velocidad del receptor.Segmentos GPS La estructura de este complejo Sistema de Posicionamiento Global se divide en tres segmentos principales: el segmento espacial, el segmento de control y el usuario. Segmento. En esto, el segmento de control y el segmento espacial son desarrollados, operados y mantenidos por la Fuerza Aérea de los Estados Unidos. La siguiente imagen muestra los tres segmentos del sistema GPS. Segmento espacial El segmento espacial (SS) del GPS consiste en una constelación de 24 satélites que orbitan alrededor de la Tierra en órbitas aproximadamente circulares. Los satélites se colocan en seis planos orbitales y cada plano orbital consta de cuatro satélites. La inclinación de los planos orbitales y el posicionamiento de los satélites se organiza de una manera particular de modo que un mínimo de seis satélites estén siempre en línea de visión desde cualquier lugar de la Tierra. Los satélites se colocan en la órbita terrestre media (MEO) a una altitud de aproximadamente 20,000 KM. Para aumentar la redundancia y mejorar la precisión, el número total de satélites GPS en la constelación se ha incrementado a 32, de los cuales 31 satélites están operativos. Segmento de control El segmento de control (CS) del GPS consiste en una red de monitoreo y control mundial y estaciones de seguimiento. La tarea principal del segmento de control es rastrear la posición de los satélites GPS y mantenerlos en órbitas adecuadas con los comandos de maniobra de ayuda.Además, el sistema de control también determina y mantiene la integridad del sistema a bordo, las condiciones atmosféricas, los datos de los relojes atómicos. El segmento de control de GPS se divide nuevamente en cuatro subsistemas: una nueva estación de control maestra (NMCS), una estación de control maestra alternativa (AMCS), cuatro antenas terrestres (GA) y una red mundial de estaciones de monitoreo (MS). El nodo de control central de la constelación de satélites GPS es la estación de control principal (MSC). Está ubicada en la Base de la Fuerza Aérea Schriever, Colorado y opera 24 × 7. Las principales responsabilidades de la Estación de Control Maestra son: mantenimiento de satélites, monitoreo de carga útil, sincronización de relojes atómicos, maniobras de satélites, gestión del rendimiento de la señal GPS, carga de datos de mensajes de navegación, detección Fallas de señalización GPS y respuesta a esas fallas. Hay varias estaciones de monitoreo (MS), pero seis de ellas son importantes. Están ubicados en Hawái, Colorado Springs, Isla Ascensión, Diego García, Kwajalein y Cabo Cañaveral. Estas Estaciones de Monitoreo rastrean continuamente la posición de los satélites y los datos se envían a la Estación de Control Maestra para su análisis adicional.Para transmitir datos a los satélites, hay cuatro Antenas Terrestres (GA) ubicadas como Isla Ascensión, Cabo Cañaveral, Diego García y Kwajalein. Estas antenas se utilizan para enviar datos a satélites y los datos pueden ser cualquier cosa como corrección de reloj, comandos de telemetría y mensajes de navegación. Segmento de usuario El segmento de usuario del sistema GPS consiste en el usuario final de la tecnología como civiles y militares para la navegación, precisa o estándar. posicionamiento y sincronización. Generalmente, para acceder a los servicios de GPS, el usuario debe estar equipado con receptores de GPS como módulos de GPS independientes, teléfonos móviles con GPS habilitado y consolas de GPS dedicadas. Con estos receptores de GPS, los usuarios civiles pueden conocer la posición estándar con precisión tiempo y velocidad mientras los militares los usan para posicionamiento preciso, guía de misiles, navegación, etc. Principio de funcionamiento del GPS Con la ayuda de los receptores GPS, podemos calcular la posición de un objeto en cualquier lugar de la Tierra, ya sea en un espacio bidimensional o tridimensional . Para ello, los receptores GPS utilizan un método matemático llamado Trilateración, un método mediante el cual se puede determinar la posición de un objeto midiendo la distancia entre el objeto y algunos otros objetos con posiciones ya conocidas. Para averiguar la ubicación del receptor, el módulo receptor debe conocer las dos cosas siguientes: • Ubicación de los satélites en el espacio y • Distancia entre los satélites y el receptor GPS Determinación de la ubicación de los satélites Para determinar la ubicación de los satélites satélites, los receptores GPS utilizan dos tipos de datos transmitidos por los satélites GPS: los datos de almanaque y los datos de efemérides. Los satélites GPS transmiten continuamente su posición aproximada. Estos datos se denominan datos del Almanaque, que se actualizan periódicamente a medida que el satélite se mueve en la órbita. El receptor GPS recibe estos datos y los almacena en su memoria. Con la ayuda de los datos de Almanac, el receptor GPS puede determinar las órbitas de los satélites y también dónde se supone que están los satélites. Las condiciones en el espacio no se pueden predecir y existe una gran posibilidad de que los satélites se desvíen de su camino real. La estación de control maestra (MCS) junto con las estaciones de monitoreo (MS) dedicadas rastrean la ruta de los satélites junto con otra información como altitud, velocidad, órbita y ubicación.Si hay algún error en alguno de los parámetros, los datos corregidos son enviado a los satélites para que permanezcan en la posición exacta. Estos datos orbitales enviados por el MCS al satélite se denominan datos de efemérides. El satélite, al recibir estos datos, corrige su posición y también envía estos datos al Receptor GPS. Con la ayuda tanto de los datos como por ejemplo Almanaque y efemérides, el receptor GPS puede saber la posición exacta de los satélites, todo el tiempo.Determinación de la distancia entre los satélites y el receptor GPS Para medir la distancia entre el receptor GPS y los satélites, el tiempo tiene un papel importante. La fórmula para calcular la distancia del satélite al receptor GPS se da a continuación: Distancia = velocidad de la luz x tiempo de tránsito de la señal del satélite Aquí, el tiempo de tránsito es el tiempo que toma la señal del satélite (señal en forma de ondas de radio, enviado por el satélite al receptor GPS) para llegar al receptor.La velocidad de la luz es un valor constante y es igual a C = 3 x 108 m / s. Para calcular el tiempo, primero necesitamos entender la señal enviada por el Satélite. La Señal Transcodificada transmitida por el Satélite se llama Pseudo Ruido Aleatorio (PRN). A medida que el satélite genera este código y comienza a transmitir, el Receptor GPS también comienza a generar el mismo código e intenta sincronizarlos. Luego, el Receptor GPS calcula la cantidad de tiempo que el código generado por el Receptor debe pasar antes de sincronizarse con el satélite transmitido. Una vez que se conocen la ubicación de los satélites y su distancia desde el Receptor GPS, entonces se puede averiguar la posición del Receptor GPS en el Espacio 2D o en el Espacio 3D utilizando el siguiente método. para encontrar la posición del objeto o del receptor GPS en un espacio bidimensional, es decir un plano XY, todo lo que necesitamos encontrar es la distancia entre el receptor GPS y dos de los satélites. Sea D1 y D2 la distancia entre el receptor y el satélite 1 y el satélite 2, respectivamente. Ahora, con los satélites en el centro y un radio de D1 y D2, dibuje dos círculos alrededor de ellos en un plano XY. La representación pictórica de este caso se muestra en la siguiente imagen. De la imagen de arriba, es claro que el Receptor GPS se puede ubicar en cualquiera de los dos puntos donde los dos círculos se cruzan. Si se excluye el área sobre los satélites, podemos señalar la posición del receptor GPS en el punto de intersección de los círculos debajo de los satélites.La información de distancia de dos satélites es suficiente para determinar la posición del receptor GPS en un plano 2-D o XY. Pero el mundo real es un espacio tridimensional y necesitamos determinar la posición tridimensional del receptor GPS, es decir. su latitud, longitud y altitud. Veremos un procedimiento paso a paso para determinar la ubicación tridimensional del receptor GPS. Posición del receptor en el espacio 3D Supongamos que ya se conocen las ubicaciones de los satélites con respecto al receptor GPS. Si el satélite 1 está a una distancia de D1 del receptor, entonces está claro que la posición del receptor puede estar en cualquier parte de la superficie de la esfera que se forma con el satélite 1 como centro y D1 como su radio. un segundo satélite (satélite 2) del receptor es D2, entonces la posición del receptor puede limitarse al círculo formado por la intersección de dos esferas con radios D1 y D2 con los satélites 1 y 2 en los centros respectivamente. , la posición del receptor GPS se puede reducir a un punto en el círculo de intersección. Si agregamos un tercer satélite (Satélite 3) con una distancia D3 desde el Receptor GPS a los dos satélites existentes, entonces la ubicación del receptor se limita a la intersección de las tres esferas, es decir. Cualquiera de los dos puntos. En situaciones de tiempo real, tener la ambigüedad del receptor GPS ubicado en una de las dos posiciones no es viable. Esto se puede resolver introduciendo un cuarto satélite (Satélite 4) con una distancia D4 del receptor. El cuarto satélite podrá señalar la ubicación del Receptor GPS desde las dos posibles ubicaciones que se determinaron anteriormente con solo tres satélites. Por lo tanto, en tiempo real, se requieren un mínimo de 4 satélites para determinar la ubicación exacta del objeto. Prácticamente, el sistema GPS funciona de manera que al menos 6 satélites siempre son visibles para un objeto (Receptor GPS) ubicado en cualquier lugar de la Tierra. de receptores GPS El GPS es utilizado tanto por civiles como por militares. Por lo tanto, los tipos de receptores GPS se pueden clasificar en Receptores GPS civiles y Receptores GPS militares. Pero la forma estándar de clasificación se basa en el tipo de código que el receptor puede detectar. Básicamente, hay dos tipos de códigos que transmite un satélite GPS: Código de adquisición aproximado (Código C / A) y Código P. Las unidades receptoras de GPS del consumidor solo pueden detectar el código C / A. Este código no es exacto y, por lo tanto, el sistema de posicionamiento civil se llama Servicio de posicionamiento estándar (SPS). El código P, por otro lado, es utilizado por las Fuerzas Armadas y es un código de alta precisión. El sistema de posicionamiento utilizado por los militares se llama Servicio de posicionamiento preciso (PPS). Los receptores de GPS se pueden clasificar según la capacidad de decodificar estas señales. Otra forma de clasificar los receptores de GPS disponibles comercialmente se basa en la capacidad de recibir señales. Con este método, los receptores GPS se pueden dividir en: Receptores de código de frecuencia única Portadora de frecuencia única - Receptores de código suavizado Receptores de portadora y código de frecuencia única Receptores de frecuencia dual Aplicaciones del sistema de posicionamiento global (GPS) El GPS se ha convertido en una parte esencial de la infraestructura global, similar a Internet. El GPS ha sido el elemento clave en el desarrollo de una amplia gama de aplicaciones que se extienden por diferentes aspectos de la vida moderna. El aumento de la fabricación a gran escala y la miniaturización de componentes ha reducido el precio de los receptores GPS. A continuación se menciona una pequeña lista de aplicaciones en las que el GPS juega un papel importante. La agricultura moderna ha experimentado un impulso en la producción con la ayuda del GPS. Los agricultores están utilizando la tecnología GPS junto con dispositivos electrónicos modernos para obtener información precisa sobre el área de campo, el rendimiento promedio, el consumo de combustible, la distancia recorrida, etc. En el campo de los automóviles, los vehículos guiados automatizados son los más utilizados en las aplicaciones industriales o de consumo. El GPS habilita la navegación y el posicionamiento de estos vehículos. Los civiles utilizan receptores GPS con fines de navegación. El receptor GPS puede ser un módulo dedicado o un módulo integrado en teléfonos móviles y relojes de pulsera. Son muy útiles en trekking, viajes por carretera, conducción, etc. Las características adicionales incluyen tiempo y velocidad precisos del vehículo.Los servicios de emergencia como bomberos y ambulancias se benefician del posicionamiento preciso de la ubicación del desastre por GPS y pueden responder a tiempo.Militar utiliza receptores GPS de alta precisión para navegación, seguimiento de objetivos, misiles sistemas de guiado, etc. Hay muchas otras aplicaciones en las que se utilizará GPS o un amplio alcance de uso en el futuro.Publicaciones relacionadas: Comunicación inalámbrica: Introducción, tipos y aplicacionesMultiplexor y demultiplexor¿Por qué Internet sigue desconectando? Conceptos básicos del programa C integrado¿Qué son los sensores MEMS?

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