GPS, Topografía y Cartografía por Satélite PDF

GPS, topografía y cartografía por satélite ÍNDICE 1. UN POCO DE HISTORIA............................................................................................. 2 2. EL SISTEMA GPS, CONSTITUCIÓN...........................................

GPS, topografía y cartografía por satélite ÍNDICE 1. UN POCO DE HISTORIA............................................................................................. 2 2. EL SISTEMA GPS, CONSTITUCIÓN........................................................................... 5 2.1 LA NECESIDAD DE UN CUARTO SATÉLITE............................................... 9 2.2 EL MÉTODO DIFERENCIAL.........................................................................12 3. SISTEMAS DE MEDIDA..............................................................................................14 3.1. EMISIONES DE RADIOFRECUENCIAS POR EL SATÉLITE.....................16 3.2. EL MÉTODO DE SEUDO-DISTANCIAS.......................................................18 3.3. EL MÉTODO DE DIFERENCIA DE FASE...................................................23 3.4. MÉTODOS DE POSICIONAMIENTO...........................................................26 4. PRECISIÓN DE LAS OBSERVACIONES Y FUENTES DE ERROR..........................28 4.1. ERRORES DE LOS SATÉLITES....................................................................30 4.2. LA ATMÓSFERA............................................................................................30 4.3. ERROR MULTISENDA..................................................................................31 4.4. ERROR DEL RECEPTOR...............................................................................32 4.5. DISPONIBILIDAD SELECTIVA....................................................................33 4.6. CONFIGURACIÓN DE LOS SATÉLITES.....................................................33 4.7. PRECISIÓN DEL GPS....................................................................................36 5. APLICACIONES Y LIMITACIONES DE USO............................................................37 6. EXPECTATIVAS FUTURAS........................................................................................38 7. BIBLIOGRAFÍA...........................................................................................................42 7.1. BIBLIOGRAFÍA BÁSICA...............................................................................42 7.2. BIBLIOGRAFÍA ESPECIALIZADA...............................................................42 Página 1  GPS, topografía y cartografía por satélite GPS, TOPOGRAFÍA Y CARTOGRAFÍA POR SATÉLITE 1. UN POCO DE HISTORIA Desde que el hombre existe se las ha tenido que ingeniar para hallar algún sistema que le permitiera conocer su posición y así poder regresar a su punto de origen y viajar a los puntos específicos donde existían abundantes recursos naturales para su aprovechamiento. Tal vez los primeros hombres utilizaban accidentes geográficos fácilmente distinguibles y marcas que ellos mismos dejaban con piedras, ramas o sobre los árboles. Esto era evidentemente suficiente cuando se realizaban viajes más o menos largos sobre la superficie terrestre, pero no así sobre los océanos. Allí el asunto se complicaba, no había posibilidad de utilizar piedras, marcas en árboles, ríos o montañas que poder reconocer. Sólo se podía contar con el perfil de las costas cuando estas estuviesen próximas. Se considera que fueron los Polinesios, los primeros en utilizar de forma sistemática la ayuda de las estrellas. Hace ya 3000 años recorrieron todo el inmenso Pacifico Sur con viajes de más de 5000 Km. Casi al mismo tiempo en China se invento y se empezó a utilizar las primeras brújulas. Este fue sin duda el primer avance tecnológico de la navegación. A partir de ese momento ya se sabía en que dirección se debía navegar. De esta forma los árabes llegaron a navegar en el siglo XIII por todo el Océano Indico hasta algunas islas del Pacifico. Hubo que esperar hasta el siglo XV para que se diese otro gran paso al redescubrir y adoptar los cartógrafos europeos el sistema de latitud y longitud del Página 2  GPS, topografía y cartografía por satélite astrónomo Griego Ptolomeo ofreciendo por primera vez mapas y cartas marinas más o menos fidedignas. Estos avances en la cartografía incitaron a desarrollar nuevos instrumentos para la navegación. El decidido apoyo del rey Portugués Enrique el Navegante a los viajes marítimos y a la Escuela Náutica, permitió el desarrollo del cálculo astronómico y el invento del cuadrante (que posteriormente daría paso en el siglo XIX al sextante). De esta forma, se pudo medir la altura del sol y así determinar la latitud. En este momento ya fue posible conocer ciertas cosas: dónde y en que dirección se encontraban los puntos de destino (cartas y mapas); cómo mantener ese rumbo (por medio de una brújula), y ya en ruta, la latitud a la que se encontraban (cuadrante y observaciones astronómicas) corrigiendo el rumbo si fuese necesario. Sólo faltaba conocer la longitud a la que nos encontrábamos. El problema fue resuelto en 1735 por el relojero inglés John Harrison, al lograr construir un reloj con la suficiente precisión como para ser utilizado a bordo de los barcos. Estos relojes se ponían en hora en un meridiano prefijado (el meridiano de Grewinch no fue adoptado hasta 1884) y se calculaba el progreso hacia el Este o Oeste comparando la hora del reloj con la que marcaba la posición del sol. De aquellos instrumentos se realizaron ciertas mejoras técnicas, como la utilización de relojes de cuarzo o la emisión de las señales horarias del meridiano de Grenwich en onda corta. De los lentos y penosos cálculos trigonométricos se pasó a utilizar tablas de uso rápido, como las "H.O. Sight Reductor Tables for Air Navigation" de la aviación U.S.A. en la segunda guerra mundial y en los años ochenta aparecieron los ordenadores y calculadoras portátiles con programas de navegación incorporados. Página 3  GPS, topografía y cartografía por satélite Ya a mediados del siglo XX se pasa a utilizar sistemas de navegación basados en radiofaros direccionales y emisiones electromagnéticas como los sistemas CONSOL, DECCA, LORAN y TACAN, que tenían el inconveniente de utilizar equipos pesados, complejos y de disponer de un elevado número de estaciones radioeléctricas repartidas por todo el globo terráqueo, a pesar de lo cual tienen grandes deficiencias en cobertura, prácticamente nula sobre la superficie continental y más o menos aceptable en los océanos y en la navegación aérea. A finales del mes de Septiembre del año 1957, en un simposio celebrado en Toronto (Canadá), se presentó una comunicación sobre las posibles aplicaciones geodésicas de hipotéticos satélites artificiales. La actitud de los asistentes osciló entre el sereno escepticismo y la condescendiente ironía, dado lo absurdo e irracional de suponer la existencia de un ingenio semejante. Días más tarde, concretamente el 4 de Octubre de 1957, la antigua URSS puso en órbita el primer satélite artificial, el Sputnik-I. Este acontecimiento marca el comienzo de la utilización de los satélites para cartografiar la superficie terrestre. Además de otros sistemas utilizados en investigación por organismos como la NASA, como son los sistemas SLR o la Interferometría radioastronómica, el primer sistema de satélites utilizado para el posicionamiento cartográfico de elementos sobre la corteza terrestre empleado por usuarios privados, fue el TRANSIT, compuesto por un mínimo de 6 satélites para poder dar cobertura a la corteza terrestre. Empezó a ser operativo en 1964 y desclasificado y utilizado para usos civiles en 1967. Basado en el efecto Doppler-Fizeau se prevé que será operativo hasta 1996. El bloque Soviético tiene un sistema equivalente llamado TSICADA. Página 4  GPS, topografía y cartografía por satélite 2. EL SISTEMA GPS, CONSTITUCIÓN El sistema GPS corresponde a las siglas en ingles de Sistema de Posicionamiento Global, fue desarrollado para mejorar el sistema militar TRANSIT. Concretamente el 22 de Febrero de 1978 se lanzó el primer satélite de la constelación NAVSTAR (conjunto de satélites que configuran el sistema GPS). Este sistema es competencia del departamento de Defensa de los Estados Unidos, por lo que es fundamentalmente militar. El sistema no es oficialmente operativo, por lo tanto en cualquier momento, el Departamento de Defensa puede modificar su funcionamiento (y de hecho lo hace). La última vez que lo modificó fue en la guerra del Golfo contra Iraq, para que este sistema no fuera utilizado en su contra, pudiendo recibir información correcta sus propios receptores o los pertenecientes a sus aliados por medio de claves secretas. Fig. 1.- Constelación Navstar, formada por 24 satélites en 6 órbitas. En estos momentos, la constelación del GPS es operativa. Ésta consta de 24 satélites uniformemente distribuidos en 6 órbitas, con 4 satélites por órbita, situados a una altitud de 20180 Km (Fig. 1). De esta manera desde cualquier punto de la tierra y en todo momento es posible observar entre 6 y 11 satélites. Página 5  GPS, topografía y cartografía por satélite Para el control de la constelación del GPS existen cinco estaciones oficiales de seguimiento (Fig. 2.): Estación Central de Colorado Springs y estaciones secundarias de Ascensión (Atlántico Sur), Diego García (en el Indico), Kwajalein (Pacificó Oriental) y Hawai (en el Pacífico Oriental). Estas estaciones reciben continuamente las señales de los satélites que están sobre la horizontal local y obtienen información que les permite establecer con gran precisión las órbitas de todos los satélites. Toda esta información se envía a la central donde, se procesa y posteriormente se transmite y almacena en la memoria de cada satélite para su radiodifusión desde los mismos satélites. Fig. 2.- Estaciones de control del GPS. Para encontrar la posición de un punto se instala el receptor sobre dicho punto. El receptor mide la distancia a un satélite GPS cuya posición es conocida. De esta observación se deduce que el receptor se encuentra en la superficie de una esfera de centro las coordenadas del satélite y radio la distancia del satélite al receptor (Fig. 3). Página 6  GPS, topografía y cartografía por satélite Fig. 3.- El receptor se encontrará en algún lugar de la superficie de la esfera. Si se repite la operación con un segundo satélite (Fig. 4) y se interseccionan las superficies de las esferas generadas por las observaciones del primer y del segundo satélite, se podrá determinar que el receptor se encuentra en el contorno de un círculo generado por la intersección de las dos esferas. Fig. 4.- La intersección de dos esferas sitúan al receptor en la circunferencia señalada. Página 7  GPS, topografía y cartografía por satélite Si a su vez este círculo se intersecciona con la superficie esférica generada por la observación de un tercer satélite (Fig. 5), se obtendrá la posición del receptor. Si se observa la Fig. 5 se puede ver que existen dos posibles soluciones. Los receptores pueden determinar la solución correcta, ya que una de ellas es absurda para que el receptor se encuentre sobre la superficie terrestre o por moverse a una velocidad improbablemente alta. Fig. 5.- Intersección de 3 satélites. El receptor se encontrará en uno de esos dos puntos. Aplicando las intersecciones de las tres esferas generadas por las observaciones de tres satélites de forma analítica, el GPS es capaz de hallar las coordenadas X, Y, Z del punto sobre el que se encuentra el receptor, o su equivalente en otro sistema de coordenadas. Así pues en el GPS se necesita conocer la posición de los satélites, que es radiotransmitida a los receptores desde los propios satélites, y medir la distancia desde ellos al receptor. Para la medida de las distancias, tanto el satélite como el receptor incorporan un reloj atómico de alta precisión. Cuando se tiene un receptor conectado y éste recibe una señal desde un satélite, la señal transmite un mensaje que indica el Página 8  GPS, topografía y cartografía por satélite instante de partida desde el satélite. El receptor compara el instante de llegada de dicha señal con el de partida. Por la diferencia de esos dos tiempos y conociendo la velocidad de la luz se puede calcular la distancia desde ese satélite al receptor GPS. 2.1 LA NECESIDAD DE UN CUARTO SATÉLITE Al incorporarse al satélite un reloj más preciso que el del receptor se produce un error en la medición del tiempo. El receptor no tiene un reloj tan preciso como el reloj atómico de los satélites. El reloj del receptor es tan consistente como lo son todos los relojes basados en osciladores de cuarzo, pero no están perfectamente sincronizados con la hora universal. Por ejemplo, supongamos que se retrasa un poco, de forma que cuando marca las doce del mediodía son en realidad las 12:00:01 p.m. Normalmente se habla de "distancia" a un satélite en magnitudes de millas o kilómetros, pero dado que éstas se calculan en función del tiempo, vamos a simplificarlo refiriéndonos a las distancias como tiempos. Supongamos que el receptor está a cuatro segundos del satélite A y a seis segundos del satélite B (Fig. 6). En dos dimensiones, estas dos distancias serían suficientes para situarnos en un punto. (Hay que recordar que es necesario tres mediciones a tres satélites para situar un punto en tres dimensiones). Página 9  GPS, topografía y cartografía por satélite Fig. 6.- Distancia real de los satélites al receptor GPS medida en segundos. Así pues, "X" es el punto en que realmente se encuentra el receptor y es la posición que se obtendría si todos los relojes estuviesen funcionando perfectamente sincronizados. Pero, supongamos que el reloj del receptor es imperfecto y se retrasa con respecto al reloj atómico del satélite 1 segundo (Fig. 7.). Este marcaría que el satélite A está a 5 segundos y el satélite B a 7 segundos y esto implica que las dos circunferencias se corten en una posición distinta a la real, el "XX". Así, XX es el lugar en que se situaría el receptor imperfecto. Y parecería una respuesta perfectamente correcta puesto que no se tendría medio de saber que el reloj de el receptor se atrasa o se adelanta. Ahora bien, se puede añadir otra medición desde otro satélite adicional (en este caso bidimensional esto significa un tercer satélite, C). Si los relojes de los satélites y del receptor funcionaran perfectamente y sincronizados entre si, las tres circunferencias se interceptarían en un punto X, ya que estas circunferencias representan las verdaderas distancias (tiempos) a los tres satélites (Fig. 6 y Fig. 7). Página 10  GPS, topografía y cartografía por satélite Fig. 7.- Distancias reales y medidas por el receptor GPS en segundos. Pero si esto no es cierto y existe un cierto error de sincronismo entro los relojes de los satélites y del receptor, se podrá observar que mientras los tiempos retrasados A´ y B´ se cortan en XX, el tiempo retrasado C´ no se corta en una posición cercana a este punto. Por lo tanto, no hay ningún punto que pueda realmente estar a siete segundos de B, a nueve segundos de C y a 5 segundos de A. No existe forma física alguna de que esas mediciones puedan intersectarse (Fig. 7). Los receptores GPS están programados de tal forma, que cuando reciben una serie de mediciones que no pueden intersectarse en un sólo punto, identifican un error y suponen que la causa de éste es que el reloj interno está desincronizado con el reloj atómico del satélite. Entonces el receptor comienza a restar (o sumar) tiempo, la misma cantidad de tiempo en todas las mediciones. Así sigue recortando el tiempo hasta que logra una Página 11  GPS, topografía y cartografía por satélite respuesta que permite que todas las distancias pasen por un punto. En esencia, el receptor "descubre" que sustrayendo un segundo de las tres mediciones puede hacer que las circunferencias se corten en un punto. Y de esto deduce que su reloj se atrasa un segundo. Si este esquema se aplica en lugar de en dos dimensiones, como se ha ilustrado en este ejemplo, en tres dimensiones, será necesario la utilización de un satélite "extra", es decir un cuarto satélite. Para buscar la solución correcta el receptor aplica algoritmos matemáticos. Resuelve un sistema de 4 ecuaciones y 4 incógnitas. Y así puede calcular rápidamente la desviación del reloj que los receptores pueden tener. Así pues, para corregir este error es necesaria la utilización de un cuarto satélite, ya que se tienen cuatro incógnitas, X, Y, Z y el tiempo. Por lo tanto será necesaria la observación de cuatro satélites para hallar la posición de un punto. 2.2 EL MÉTODO DIFERENCIAL Si se desea mejorar la precisión de las mediciones se puede estacionar un receptor en un punto de coordenadas conocidas (Fig. 8.), (por ejemplo uno de los vértices geodésicos dispuestos por el Instituto Geográfico Nacional) , cercano a otro punto cuyas coordenadas se quieren hallar, situando otro receptor en dicho punto. Página 12  GPS, topografía y cartografía por satélite Fig. 8.- En el método diferencial uno de los receptores se estaciona sobre un punto de coordenadas conocidas Ambos receptores reciben información de forma simultánea de los mismos satélites. Puesto que existe un receptor estacionado sobre un punto de coordenadas conocidas, se pueden hallar los errores de la observación comparando estas coordenadas con las que resulten del procesado de los datos recogidos (Fig. 9). Al estar ambos puntos próximos entre sí, se puede asumir que el error cometido será del mismo orden de magnitud y por consiguiente realizar las oportunas correcciones sobre los resultados proporcionados por el receptor, aumentando de esta manera la precisión de las observaciones sobre puntos de coordenadas desconocidas. Esta técnica se denomina método diferencial o de posicionamiento relativo. Fig. 9.- Los receptores de referencia estacionados sobre los puntos conocidos reciben las señales de los satélites y calculan las correcciones que deben aplicar a las lecturas de las señales GPS otros receptores cercanos. Página 13  GPS, topografía y cartografía por satélite Si se dispone un radioenlace entre los dos receptores estas correcciones pueden ser enviadas y visualizados los resultados en tiempo real (Fig. 10). Si no será preciso un postprocesado de esta información en el ordenador. Fig. 10.- Esquema del GPS diferencial, utilizando un radioenlace que transmite en tiempo real las correcciones a los receptores cercanos. 3. SISTEMAS DE MEDIDA Dado que el GPS se basa en conocer la distancia a la que se encuentran los receptores GPS de los satélites, se necesita un método para averiguar la distancia a dichos satélites. El sistema GPS funciona midiendo el tiempo que tarda una señal de radio en llegar hasta el receptor desde un satélite, calculando posteriormente la distancia a partir de ese tiempo. Página 14  GPS, topografía y cartografía por satélite Las ondas de radio viajan a la velocidad de la luz: 300.000 Km/sg. Si se puede averiguar exactamente cuándo partió la onda y cuándo se recibió, se puede saber cuánto tiempo tardó la señal en llegar hasta el receptor. Ya sólo queda multiplicar dicho tiempo en segundos por 300.000 Km y el resultado será la distancia al satélite. Hay que recordar que se necesita saber la distancia a cuatro satélites diferentes. Ahora bien, los relojes de los receptores han de ser muy precisos, pues la luz se mueve a gran velocidad. De hecho, si un satélite estuviera directamente sobre el cenit de un receptor, el mensaje de radio sólo tardaría 6/100 de segundo en llegar al receptor. El GPS es en cierto modo, producto de la revolución electrónica. El grado de precisión en la medición del tiempo exigido por el sistema sólo es posible por el hecho de que los relojes electrónicos muy precisos son ahora relativamente baratos. De hecho la mayoría de los receptores pueden medir el tiempo con una precisión de nanosegundos. Los receptores GPS pueden determinar ese tiempo para medir la distancia de tres formas diferentes. Utilizando el sistema Doppler, el método de seudo- distancias y el de medida de fase. El sistema Doppler, dado su relativa poca precisión, no es tan apenas empleado en el sistema GPS, por lo que no se va a comentar. Página 15  GPS, topografía y cartografía por satélite 3.1. EMISIONES DE RADIOFRECUENCIAS POR EL SATÉLITE El satélite emite sobre dos ondas portadoras: una es el resultado de multiplicar la frecuencia fundamental (10,23 Mhz) por 154: 1575,42 Mhz, que es llamada L1 (λ de 19,05 cm); la otra usa un factor 120: 1227,60 Mhz, y se llama L2 (λ de 24,45 cm). El hecho de usar las 2 frecuencias permite determinar por comparación del retraso de cada frecuencia, el retardo ionosférico en caso de que los receptores estén preparados para recibir dos portadoras de cada satélite, como se verá más adelante. Sobre las portadoras L1 y L2 se envían, por modulación, dos códigos y un mensaje, cuya base es la frecuencia fundamental 10,23 Mhz (Fig. 11). El primer código, llamado C/A (Course/Acquisition) o el S (Standart), es una moduladora usando la frecuencia fundamental dividida directamente por 10, o sea 1,023 Mhz. El segundo código llamado P (precise) modula directamente con la fundamental de 10,23 Mhz. Finalmente el mensaje se envía modulando sobre ambas portadoras en baja frecuencia a 50 Hz (factor 204.600-1). Frecuencia Fundamental 10,23 Mhz / 10 x 154 L1 Código C/A Código P 1.575,42 Mhz 1,023 Mhz 10,23 Mhz x 120 L2 Código P 1.227,60 Mhz 10,23 Mhz 50 Hz Mensaje modulado sobre ambas portadoras Fig. 11.- Frecuencias emitidas por los satélites GPS. Página 16  GPS, topografía y cartografía por satélite Los códigos, como se verá en los próximos puntos, son utilizados para hallar por el método de seudo-distancias, la distancia entre el satélite y el receptor. El C/A ofrece precisiones nominales decamétricas y se usa en el posicionamiento estándar SPS (Standard Positioning Service). El P ofrece precisiones nominales métricas y se usa en el posicionamiento preciso PPS (Precise Positioning Service). El mensaje aporta toda la información necesaria para los usuarios del sistema. El código P normalmente es encriptado a un código Y, resultante de combinar el P con un código secreto W. De esta forma sólo tienen acceso los usuarios autorizados por el Departamento de Defensa de los Estados Unidos. El mensaje modulado sobre ambas portadoras envía al receptor información acerca de los satélites. El mensaje consta de 5 celdas. - La celda número 1 contiene información sobre el estado del reloj en GPS Time, la salud del satélite, antigüedad de la información y otras indicaciones. - Las celdas 2 y 3 contienen las efemérides radiodifundidas que se usan para la obtención de resultados. - La celda 4 contiene información sobre el modelo ionosférico para usuarios de una sola frecuencia L1 e indicaciones si está activado el AS (Anti Spoofing) que transforma el código P en el secreto Y. También contiene el almanaque y estado de relojes de los satélites que superen el número 24, en caso de haberlos. - La celda 5 contiene el almanaque necesario para poder planificar las observaciones. 3.2. EL MÉTODO DE SEUDO-DISTANCIAS Página 17  GPS, topografía y cartografía por satélite Es el método más utilizado y emplea los códigos emitidos por el satélite, tanto el C/A como el P, cuando no esta activado el AS (Anti Spoofing) La clave de la medición del tiempo de transmisión de la señal de radio consiste en averiguar exactamente cuándo partió dicha señal. Para lograrlo, los diseñadores del GPS tuvieron una idea: sincronizar los satélites y los receptores de manera que generen el mismo código exactamente a la misma hora. Luego, todo lo que hay que hacer es recibir los códigos desde un satélite y mirar retrospectivamente para ver cuánto hace que el receptor generó el mismo código. La diferencia de tiempo será el tiempo que tardó la señal en llegar hasta el receptor. Para hacerse una idea de como funciona se puede hacer un símil consistente en lo siguiente: Se sitúan dos personas en los extremos opuestos de un campo de fútbol y ambos comienzan a contar hasta diez en el mismo momento gritando los números al contar. Lo que una de las personas oiría en un extremo del estadio sería su propia voz contando: "Uno...dos...tres" y luego, un poquito más tarde, oiría la voz de la otra persona que tardaría algo de tiempo en cruzar el estadio. Dado que ambos empezaron a contar al mismo tiempo, se puede medir el lapso de tiempo desde que una de las personas dijo "uno" y el momento en que oye decir a su amigo "uno". Ese lapso de tiempo sería el que tarda el sonido en cruzar el estadio. Así es básicamente, como funciona el GPS. La ventaja de usar un conjunto de códigos o, como en el caso de la analogía, una serie numérica, es que se pueden efectuar las mediciones en el momento que se desee. No hay que efectuar la medición necesariamente entre el momento en que dijo "uno" y aquel en que se oyó la otra persona "uno". Se puede hacer la misma medición entre cualquier par de números, como desde que una de las personas dijo Página 18  GPS, topografía y cartografía por satélite "ocho" hasta que la otra oyó decir "ocho", de forma que se puede tomar la serie en cualquier momento. Sin embargo, el sistema GPS no utiliza números. Tanto los satélites como los receptores generan conjuntos de códigos digitales complejos. Estos códigos se han hecho complicados a propósito, de forma que se les pueda comparar fácilmente sin ambigüedad, así como por otras razones técnicas de las que se trataremos más adelante. De todas formas, los códigos son tan complicados que su aspecto es el de una serie de impulsos aleatorios (Fig. 12). Fig. 12.- El emisor emite un código seudo-aleatorio. El receptor emite una replica de esté a la misma hora GPS, y por comparación del desfase entre el código emitido por el satélite y la replica del receptor se calcula la distancia existente entre receptor y satélite. Estos impulsos no son realmente aleatorios, sino que se trata de secuencias "seudo-aleatorias" cuidadosamente elegidas, que en verdad se repiten cada milisegundo. Por ello es que a menudo se les conoce por el nombre de código "seudo-aleatorio". El código seudo-aleatorio utiliza un ingenioso concepto de la teoría de la señal. Debido a esto, las señales GPS pueden ser de muy baja potencia y sin embargo ser recibidas con antenas de algún decímetro de eje transversal. De hecho, Página 19  GPS, topografía y cartografía por satélite las señales GPS son tan débiles que no se registran por encima del ruido de radio de fondo inherente a nuestro planeta. El principio físico de funcionamiento es bastante complejo, pero simplificando se puede analizar de esta forma: el ruido de radio de fondo es exactamente una serie de impulsos electrónicos aleatoriamente variables. El código seudo-aleatorio se parece mucho a éste con una diferencia: se conoce el patrón de la fluctuaciones. Si se compara una sección del código seudo- aleatorio con una sección del ruido de fondo y ya que ambas señales son básicamente patrones aleatorios, por probabilidad la mitad de las veces deben coincidir y la otra mitad no. Fig. 13.- Señal seudo-aleatoria emitida por el satélite (señal superior) y replica emitida por el receptor (señal inferior). Las X marcan las coincidencias. Si se establece un sistema de puntuación y se suma un punto cuando coinciden y se resta un punto cuando no, observamos que a la larga se acaba con una puntuación final de 0 ya que los "1" cancelarán a los "-1". Ahora bien, si los satélites empiezan a transmitir una serie de impulsos con el mismo patrón que la serie seudo-aleatoria, estas señales, aunque débiles, tenderán a reforzar el ruido de fondo aleatorio en el mismo patrón que se esta utilizando en la comparación (Fig. 13).. Si el receptor va desplazando el código seudo-aleatorio Página 20  GPS, topografía y cartografía por satélite hasta que se alineé con el código enviado desde los satélites, habrá un momento que haya muchas coincidencias y la puntuación aumentará (Fig. 14). Fig. 14.- El receptor "retarda" el código seudo-aleatorio hasta que existen un alto número de coincidencias con la señal recibida desde el satélite. Si se efectúa la comparación sobre un gran número de períodos de tiempo se podrá hacer que la puntuación suba más y más. Cuanto más largo sea el período de comparación, mayor será el número, y eso actúa como una especie de "amplificador". Se podría elegir un tiempo de comparación que diera un millar de coincidencias. Y, puesto que una comparación con el sólo ruido de fondo aleatorio produciría siempre una puntuación cero, este período estaría realmente amplificando en mil la señal del satélite. Esta explicación es, evidentemente, una simplificación, pero el concepto básico es el mismo. El código seudo-aleatorio permite reconocer claramente una señal débil. Esto significa que las emisiones de los satélites GPS no tienen que ser muy potentes y significa también que los receptores en tierra pueden utilizar antenas muy pequeñas. En comparación con los satélites de TV cuyos receptores necesitan unas grandes antenas, el GPS necesita unas antenas minúsculas. Esto se debe a que básicamente, la señal de GPS es una marca de tiempo. Las señales de TV, al Página 21  GPS, topografía y cartografía por satélite contrario, están cargadas de información. Como se dice en terminología de telecomunicaciones, las señales de TV tienen una "anchura de banda muy alta". El principio del código seudo-aleatorio reside en una comparación que se efectúa sobre muchos ciclos de una señal. Este sistema de comparación es lento y engorroso en comparación con una señal de TV. Este sistema no funciona con velocidad suficiente para manejar las señales de TV. Existen más razones para que el sistema se base en un código seudo-aleatorio. Una de ellas es que, dada la naturaleza de esta señal, esta es fácilmente codificable de tal forma que el Departamento de Defensa de los EE.UU., controle el acceso al sistema. En tiempo de guerra, podrían cambiar el código evitando así que el enemigo utilice el sistema. Incluso en tiempo de paz, el Departamento de Defensa tiene cierta "exclusividad" sobre el sistema. Como se ha visto existen dos formas distintas de código seudo-aleatorio, uno llamado "código C/A" y el otro llamado "código P". El código P puede ser transformado en el Y de manera que sólo los usuarios militares tengan asegurado el acceso al sistema. Además, es casi imposible interferir el código P. El Departamento de Defensa puede degradar la precisión actual del código C/A utilizando un modo operativo llamado "Disponibilidad Selectiva" o "S/A". La S/A es esencialmente un método de crear artificialmente un error significativo en el reloj de los satélites. Constituye la mayor fuente de error en el sistema GPS. Página 22  GPS, topografía y cartografía por satélite Otro beneficio del esquema del código seudo-aleatorio es que todos los satélites del sistema pueden compartir la misma frecuencia sin interferirse unos a otros. Cada satélite tiene su propio código seudo-aleatorio distintivo, así que diferenciar entre ellos es sólo cuestión de utilizar el código correcto durante el proceso de comparación en el receptor. Dado que todas las transmisiones son de baja potencia, ningún satélite se sobrepone a ningún otro. 3.3. EL MÉTODO DE DIFERENCIA DE FASE Este método es el que permite la máxima precisión, pero en contra tiene la dificultad de manejo y complicados procesos de cálculo, que hacen que el sistema no se pueda emplear en tiempo real. Además, son necesarios largos periodos de observación para la obtención de la ambigüedad como se vera más adelante. Esto hace que sea un método apropiado para su uso en geodesia o topografía de precisión, como es la colocación de bases, con errores de centimétricos a milimétricos En este método una frecuencia de referencia, obtenida por el oscilador del receptor, se compara con la portadora demodulada. La base del método es que se controla en fase una emisión radioeléctrica hecha desde el satélite con frecuencia conocida y desde una posición conocida. Al controlar en fase, lo que se hace es observar continuamente la evolución del desfase, y éste cambia según lo hace la distancia del satélite a la antena receptora (Fig. 15). Página 23  GPS, topografía y cartografía por satélite Fig. 15.- En el método de diferencia de fase se observa la variación de ∆ϕ con el tiempo para hallar la distancia entre el satélite y el receptor. Cuando llega a la antena la onda portadora habrá recorrido una distancia D, correspondiente a un cierto número entero N de su longitud de onda, más una cierta longitud de onda ∆ϕ. El observable es ∆ϕ, y puede valer entre 0º y 360 º. Cuando va creciendo y lega a 360º, el valor N aumenta un entero y el ∆ϕ pasa 0º. Si la distancia disminuye ocurre lo contrario. Hay que pensar que la longitud de onda (λ) de la L1 es de 20 cm y que se puede apreciar el ∆ϕ con una precisión mejor del 1%. Esto implica una resolución en la medición de distancias de orden milimétrico. Se tiene una incógnita, N, llamada ambigüedad. La situación es idéntica a la que se tiene en el sistema de distanciometría electrónica por medición de fase. Pero al no poder modificar la frecuencia sobre la que se mide la fase, no es posible resolver la ambigüedad como se hace en distanciometría electrónica. Página 24  GPS, topografía y cartografía por satélite Además, la distancia (y por tanto la fase y el ∆ϕ, incremento conocido de la ambigüedad N) está variando continuamente, aunque de forma controlada por la continua comparación de la fase. La resolución de la ambigüedad se hace durante el proceso de cálculo y no solo esta incógnita, sino las otras incógnitas que se tienen como son los estados de los relojes. Debe destacarse la necesidad de que el sistema no pierda el seguimiento de la fase para que la ambigüedad inicial no pueda variar. Si hay una pérdida de recepción por cualquier causa, la cuenta de ciclos se rompe y se tiene una pérdida de ciclos o "cycle slip", talón de Aquiles del método, aunque mediante un ajuste polinómico en postproceso, es posible restaurar la cuenta original y recuperar la ambigüedad inicial. La pérdida de ciclos puede ocurrir por muchas causas, paso de un avión, un relámpago, disturbios ionosféricos, torpeza del operador, etc. Hay que pensar que, dada su lejanía y su poco volumen físico, la fuente radiante, la antena del satélite, se puede considerar puntual, por lo que carece de penumbra radioeléctrica. Se comprende la dificultad de trabajar en cercanías de arbolado, tendidos eléctricos, estructuras, torres, etc. Es conveniente hacer un breve resumen de los algoritmos de cálculo. Aplicando este sistema de observación a dos estaciones, refiriéndonos al posicionamiento relativo diferencial, que es el normalmente usado en Topografía y Geodesia, podemos clasificarlo en los siguientes algoritmos: - Algoritmo de las simples diferencias. El tratamiento de las ecuaciones generadas en la común recepción instantánea de un mismo satélite se llama Página 25  GPS, topografía y cartografía por satélite método de simples diferencias y minimiza o elimina los errores del reloj del satélite. - Algoritmo de las dobles diferencias. Las ecuaciones correspondientes a la común recepción en un momento dado de dos satélites en una posición en la órbita, facilitan la eliminación de las "cycle slips", y minimizan o eliminan los errores de reloj de satélites y de receptores, indeterminación de órbitas y otras fuentes de error, porque al ser de magnitud similar, cuando estos errores son algebraicamente restados, tienden a cancelarse. - Algoritmo de triples diferencias. Si el planteamiento matemático se hace tratando la recepción de dos satélites en una posición y luego en otra, se eliminan los errores, igual que en las ecuaciones de dobles diferencias, pero se cancela la ambigüedad. 3.4. MÉTODOS DE POSICIONAMIENTO Se conoce por métodos de posicionamiento a los diversos métodos empleados para hacer mediciones GPS, aplicando los diferentes métodos de medición de distancias a los satélites hasta ahora explicados. Se pueden aplicar varios criterios para su clasificación. Si los puntos que queremos obtener están perfectamente definidos se denomina a dichos métodos de posicionamiento estáticos. Si estos puntos se sitúan por la trayectoria de un móvil, ya sea una persona caminando o en un vehículo, se denominan métodos de posicionamiento dinámicos. Si se utilizan métodos diferenciales, tal como se ha visto en el punto 2.1. se denominan métodos de posicionamiento relativos o diferenciales. Página 26  GPS, topografía y cartografía por satélite 4. PRECISIÓN DE LAS OBSERVACIONES Y FUENTES DE ERROR Si el mundo fuese como un laboratorio con perfectas condiciones, el GPS básico sería mucho más preciso. Sin embargo, este mundo no es un laboratorio, con multitud de oportunidades para que resulte perturbado un sistema basado en las emisiones electromagnéticas, que se extiende por todo el planeta. Si se estaciona sobre un punto un receptor GPS durante una hora y se recogen los resultados obtenidos cada 5 segundos, se puede observar una deriva de los resultados debido a los errores a los que se ve sometido el sistema (Fig. 16). Fig. 16.- Representación de las mediciones de posición obtenidas por un receptor GPS durante un cierto espacio de tiempo estando activada la disponibilidad selectiva. Los diseñadores del GPS realizaron un gran esfuerzo para protegerlo de problemas potenciales, pero aun así, hay errores que no pueden ser totalmente eliminados por el sistema básico. El GPS diferencial ofrece una forma de corregir todos estos pequeños, aunque molestos, errores. En los próximos puntos se verán cuáles son los errores a los que hay que enfrentarse. Página 27  GPS, topografía y cartografía por satélite Un resumen de los errores a los que se ve sometido el sistema GPS se muestra en la Fig. 17. Fig. 17.- Resumen de las fuentes de error. Indicando en cada caso sobre que elementos del sistema afecta. 4.1. ERRORES DE LOS SATÉLITES La medición del tiempo es crítica para el GPS, por lo que los satélites están equipados con relojes atómicos de elevada precisión. Pero por buenos que sean estos relojes, no son perfectos. Ligeras imprecisiones en su medición del tiempo pueden llevar finalmente a imprecisiones en las mediciones de posición del receptor. Página 28  GPS, topografía y cartografía por satélite La posición de los satélites en el espacio es también importante, ya que ese es el punto de partida para todos los cálculos. Los satélites GPS se sitúan en órbitas muy altas, por lo cual están relativamente libres de los efectos perturbadores de la capa superior de la atmósfera terrestre, pero aun así, todavía se desvían ligeramente de sus órbitas predecidas y eso aporta error a las mediciones. 4.2. LA ATMÓSFERA Los satélites GPS transmiten su información sobre la medición del tiempo por medio de señales electromagnéticas, y esto constituye otra fuente de error, ya que las ondas de radio no se comportan en la atmósfera terrestre tan previsiblemente. La velocidad de la luz no es constante. Sólo es constante en el vacío. En el mundo real, las radiaciones electromagnéticas disminuyen su velocidad en función del medio en que se propagan. Así pues, conforme una señal GPS se desplaza a través de las partículas cargadas en la ionosfera y luego a través del vapor de agua de la troposfera, ésta se retrasa un poco. Puesto que el cálculo de la distancia presupone una velocidad constante de la luz, este retraso se traduce en un cálculo equivocado de la distancia del satélite, lo que a su vez supone un error en la posición. Los buenos receptores añaden un factor de corrección para un tránsito típico a través de la atmósfera terrestre, lo que resulta una ayuda, pero como la atmósfera varía de un punto a otro y de un momento a otro, ningún factor o modelo atmosférico puede compensar con precisión el retraso real. Página 29  GPS, topografía y cartografía por satélite Otra forma que tienen los receptores de modelizar el comportamiento de la atmósfera es recibir las dos portadoras diferentes de cada satélite, L1 y L2. Si el medio de propagación de estas dos portadoras fuese el vacío, el tiempo de llegada de estas ondas desde el satélite al receptor sería el mismo. Pero el retraso que origina la ionosfera y la troposfera es función de la longitud de onda de las portadoras, por lo que esto no sucede. Utilizando este evento los buenos receptores que reciben dos portadoras por satélite con bastante precisión, son capaces de calcular el retraso que se esta produciendo en el tren de ondas que emite el satélite y corregirlo. 4.3. ERROR MULTISENDA Cuando la señal GPS alcanza finalmente la superficie terrestre, se puede reflejar en obstrucciones locales antes de llegar a la antena del receptor. Esta forma de error se denomina "error multisenda" pues, en cierto sentido, la señal llega a la antena del receptor por múltiple sendas. Primero la antena recibe la señal directa, siempre la más rápida, y algo más tarde llegan las señales reflejadas. Estas señales retrasadas pueden interferir la señal directa produciendo ruidos en la recepción. Al fin y al cabo estas perturbaciones hacen que las radiofrecuencias que emite el satélite recorran un camino más largo del que tenia que recorrer y por lo tanto una medida de la distancia errónea (Fig. 18). Página 30  GPS, topografía y cartografía por satélite Fig. 18.- La señal directa se ve interferida por la señal multisenda. Las cubiertas metálicas de naves usualmente hacen la función de "repetidor" para señales multisendas. Los bueno aparatos tienen medidas que protegen dentro de lo posible estos errores y las antenas y el software protegen de alguna manera las radiaciones que inciden con ángulos no procedentes del espacio. 4.4. ERROR DEL RECEPTOR Por su puesto los receptores tampoco son perfectos y pueden introducir sus propios errores que generalmente surgen de su relojes o de ruido interno. La precisión está en relación con el peso del receptor (desde escasamente 400 gr.) y a su precio, que va desde poco más de 100.000 pesetas a varios millones de pesetas. Página 31  GPS, topografía y cartografía por satélite 4.5. DISPONIBILIDAD SELECTIVA No obstante la mayor fuente de error, es el error intencionado aportado por el Departamento de Defensa de los EE.UU. Esta normativa responde al nombre de "Disponibilidad Selectiva" o "SA" y su finalidad es asegurar de alguna forma que ninguna fuerza hostil utiliza la precisión del GPS contra los EE.UU. o sus aliados. Con la SA, el Departamento de Defensa de los EE.UU. introduce "ruido" en los relojes de los satélites, lo que reduce su precisión. También cabe la posibilidad de manipular los datos de los satélites facilitando información de orbitales de los satélites ligeramente erróneos, los cuales serían retransmitidos como parte de cada mensaje de estado de los satélites. Estos dos factores pueden significar una importante reducción en la precisión de las mediciones efectuadas utilizando los canales civiles del GPS. Los receptores militares disponen de una llave física de desencriptación que les indican que errores han sido introducidos con el fin de que puedan eliminarlos. Así pues, para los usuarios militares, el GPS básico es un sistema mucho más preciso, probablemente capaz de alcanzar precisiones del orden de 10 metros. 4.6. DISPOSICIÓN DE LOS SATÉLITES Dependiendo de la posición de los satélites en el espacio los errores que se pueden generar son mayores o menores. Como se ve en la Fig. 19 y Fig. 20, se puede representar la distancia del receptor a un satélite como una circunferencia con un radio difuso. Esta sería una forma de representar el efecto de la incertidumbre existente en la distancia entre el receptor y el satélite, tal como se ha visto en los anteriores puntos. Página 32  GPS, topografía y cartografía por satélite Fig. 19.- La posible posición del receptor se sitúa en la zona marcada en negro. Observando las figuras se ve que la incertidumbre de la posición del receptor es más grandes en función de la disposición geométrica de los dos satélites. En la Fig. 20 las posibles soluciones están distribuidas de una forma más amplia que en la Fig. 19. Si esto se extrapolase a tres dimensiones el resultado sería idéntico. Fig. 20.- La posible posición del receptor se sitúa en la zona marcada en negro. Página 33  GPS, topografía y cartografía por satélite Si se considera la geometría de la constelación visible, ésta puede ser buena para un fin y mala para otros. Si los satélites están todos cercanos al cenit, la precisión planimétrica será buena, pero la altimétrica mala. Y a la inversa, si los satélites estuviesen dispuestos regularmente cercanos al horizonte, la precisión planimétrica sería mala y la altimétrica buena. Además, la posición más desfavorable para observar un satélite es cuando este está cercano al horizonte, por el fuerte efecto de la refracción atmosférica (ionosfera y troposfera). Es aconsejable utilizar solamente los satélites que se encuentran a una altura mínima sobre el horizonte. A esta altura mínima se le denomina máscara. Este valor lo establece el usuario; por defecto suele usarse un valor de 10º. La mejor disposición posible sería aquella en la que un satélite está justo sobre la vertical del receptor y los demás acimutalmente formando 120º (Fig. 21). Fig. 21.- La mejor disposición de los satélites para una observación GPS es aquella en la cual si se formase un tetraedro apoyándose en los vectores que unen el receptor con los satélites, este tetraedro fuera de volumen máximo. Página 34  GPS, topografía y cartografía por satélite Para poder distinguir una buena disposición de los satélites de una mala existe el factor adimensional DOP, que indica la mejor o peor bondad de la disposición de los satélites. Los satélites radiodifunden en su mensaje un almanaque de la posición previsible de los todos los satélites de la constelación GPS. Este almanaque se puede procesar con el software adecuado y calcular el DOP para distintos periodos de observación. De esta forma se puede elegir aquellos periodos de observación con un mejor DOP y desechar los periodos en la que geometría de disposición de estos sea manifiestamente mala.. A esta actividad se le denomina la planificación de una observación GPS. 4.7. PRECISIÓN DEL GPS Afortunadamente el uso del GPS diferencial contrarresta en parte estos errores. Además proporciona una forma de verificar la fiabilidad de las mediciones momento a momento. Si algún problema transitorio del sistema hace que un satélite transmita una señal errónea, un sistema GPS diferencial detectará el problema y comunicará a todos los receptores que estén utilizando sus correcciones que no usen datos de ese satélite. Tabla 1.- Errores típicos de una observación GPS por el método de seudo-distancias y un DOP entre 4 y 6. Errores en el sistema GPS estándar (m) GPS Diferencial (m) Relojes de los satélites 1,5 0 Errores de órbitas 2,5 0 Ionosfera 5,0 0,4 Troposfera 0,5 0,2 Ruido receptor 0,3 0,3 Multisenda 0,6 0,6 SA 30,0 0 Página 35  GPS, topografía y cartografía por satélite Tabla 2.- Errores finales típicos de una observación GPS por el método de seudo-distancias y un DOP entre 4 y 6. Precisión típica de posición GPS estándar (m) GPS Diferencial (m) Horizontal 50 0,9 Vertical 78 2,0 3D 93 2,8 5. APLICACIONES Y LIMITACIONES DE USO El GPS puede ser utilizado en cualquier lugar del mundo, en cualquier momento y en cualquier condición meteorológica. No obstante, el sistema deja de ser operativo si se está entre edificios de una ciudad, en el interior de cuevas, desfiladeros o bosques, que no permitan observar el horizonte y en definitiva un mínimo de 4 satélites. Las aplicaciones del sistema GPS son muy variadas. A parte de los usos militares obvios para los que fue diseñado, el sistema es un método perfectamente utilizable para navegación con embarcaciones, vehículos y uso de excursionistas. Su utilización es extremadamente fácil y el peso y el precio son relativamente reducidos para precisiones decamétricas, más que suficiente para estos usuarios. La utilización del GPS es hoy masiva en el Rally Paris-Dakar-Paris, ya que en todo momento los participantes saben en que punto se encuentran. En cierta manera, el GPS es el fin del bello arte de navegar, que pierde una parte de la incertidumbre, de la emoción y de la aventura, pues con el GPS es imposible perderse. En protección civil, puede ser utilizado para la localización inmediata de roturas de gasoductos, líneas eléctricas, incendios forestales, inundaciones, Página 36  GPS, topografía y cartografía por satélite vehículos de auxilio, controlar y gestionar flotas de vehículos, entre otros usos por poner unos ejemplos. En topografía, cartografía y geodesia, el GPS ha revolucionado las técnicas tradicionales debido a la precisión y a la rapidez de trabajo. Con la utilización de equipos y métodos precisos, se logran resultados muy aceptables para estos fines, como son la densificación de redes geodésicas, posicionamiento de bases de replanteo, apoyo a la fotogramétria aérea. No obstante, su elevado precio para estas aplicaciones y el desconocimiento técnico hacen que, aunque existe una gran expectación entre los posibles usuarios, su utilización no esta generalizada todavía entre los profesionales. Cabe predecir, sin miedo a equivocarse, que en un futuro muy próximo su uso en topografía y cartografía será general y aquellas empresas y profesionales que no ofertan estas metodologias perderán competitividad y se pueden ver abocadas al cierre por obsolescencia técnica. 6. EXPECTATIVAS FUTURAS En el GPS, los sectores espacial y de control ya han llegado a su madurez. La constelación consta de 28 satélites: 24 operativos y 4 de reserva. Las mayores incógnitas planteables son si habrá 24 o más satélites operativos, si los satélites del bloque III llevarán relojes de cesio o de hidrógeno, si será o no razonable el coste al que se ofrecerán las efemérides precisas, si en ciertos períodos de crisis habrá imposibilidad o restricciones de uso del sistema por motivos de seguridad militar, etc., pero en líneas generales no parece probable que se deban considerar mayores problemas. Página 37  GPS, topografía y cartografía por satélite Es en el sector usuario, en los receptores en sí, donde está comenzando la gran evolución. Hay equipos que, habiéndose utilizado con gran éxito, han sido superados, apareciendo nuevas generaciones de instrumentos. Esta evolución seguirá, ofreciendo equipos cada vez menores, más ligeros y automatizado, con más canales, con mejoras electrónicas, hardware, firmware y software y sobre todo, a precios decrecientes. Para que todo esto se produzca, sólo falta el detonante de la lógica demanda civil que, estando actualmente en pleno auge, ha de producirse masivamente en todos los campos con posible aplicación del sistema. No es absurdo pensar que un receptor completo pueda costar menos que una estación total de las empleadas en topografía; de hecho algunos receptores GPS ya cuestan menos que algunas configuraciones de estación total. Pensemos que al fin y al cabo solo se trata de componentes electrónicos adecuadamente ensamblados. La amortización de los fuertes gastos de investigación y desarrollo se diluirán con una producción abundante. Por otra parte, los receptores de GPS no tienen ni las precisas mecanizaciones, ni los difíciles ajustes mecánicos, ni los críticos reglajes que son ineludibles en un teodolito o en una estación total y que encarecen su precio. En la industria náutica hay una oferta sistemática de equipos de navegación basados en el sistema GPS, y hasta en la industria automovilística se ofrecen sistemas del mismo tipo, acoplados a una base de GIS pueden mostrar en una pantalla la situación actualizada del vehículo. En flotas de transporte hay sectores que los utilizan para su control logístico de sus desplazamientos. Página 38  GPS, topografía y cartografía por satélite Otra de las posibilidades que nos puede deparar el sistema GPS en un futuro es la implantación de redes de seguimiento para determinación de efemérides precisas a nivel mundial, internacional o nacional. Éstas podrán ser estatales o privadas, lo cual establecerá el precio de acceso a estos datos. Hay múltiples proyectos y realidades para navegación basados en radiodifundir localmente y en tiempo real el error que se comete en un posicionamiento absoluto para poder corregir adecuadamente la posición inicial y obtener precisiones finales mejores de 10 m, usando el código C/A, en diferencial y en tiempo real. Forzosamente han de ser de ámbito local (200 Km, por ejemplo), porque las correcciones transmitidas por la estación en tierra sólo son válidas en áreas como la mencionada. La contrapartida es la necesidad de usar el adecuado receptor y el necesario soporte informático. En este sentido existe un proyecto del Instituto Geográfico Nacional en colaboración con Radio Nacional de España para cubrir todo el estado español con este sistema. Otra de las expectativas futuras es la utilización del sistema soviético gemelo GLONASS. De concepción diferente al GPS, es similar en cuanto a resultados obtenibles con el GPS. No obstante dada la situación socioeconómica actual de las antiguas repúblicas soviéticas es difícil que la constelación GLONASS sea completada en un tiempo prudencial. Como ventajas de la utilización de este sistema conjuntamente con el GPS están la no dependencia de un solo país y de una tecnología como ocurre en el caso del GPS. Utilizándolos de forma conjunta se puede mejorar de los resultados obtenibles, al tener más redundancia de información. Página 39  GPS, topografía y cartografía por satélite Existen aparatos que utilizan ambos sistemas, pero son excesivamente caros y pesados, ya que dada la distinta concepción de los dos sistemas prácticamente son dos receptores diferentes bajo una sola carcasa. Otra de las expectativas que nos puede deparar el futuro es la aparición de sistemas totalmente civiles. El usuario civil no teme delatar su posición emitiendo señales, y así tanto el satélite como el receptor podrían simplificarse, trasladando a los centros de control de tierra y centralizando en ellos los equipos y procesos más complejos, como pueden ser los relojes atómicos y los procesos de cálculo, empleándose los satélites como simples repetidores de la señal y pudiéndose incluso enviar al usuario que ha accedido al sistema los datos de su posición, previamente calculados en las bases de seguimiento del sistema, tras la recepción por radioenlace, convencional o vía satélite, de los datos de observación. Un sistema así sería muy vulnerable en caso de conflicto bélico. Bastaría con neutralizar unas pocas bases terrestres para anular instantáneamente su funcionamiento. Hay diversas propuestas, pero su viabilidad está condicionada a las fuertes inversiones necesarias (siempre muy inferiores que las de un sistema militar) y a su posible rentabilidad (sólo planteable en sistemas civiles). Hay que considerar que un sistema de este tipo sería "de pago", cosa que no ocurre con el GPS ni con el GLONASS. Página 40  GPS, topografía y cartografía por satélite 7. BIBLIOGRAFÍA 7.1. BIBLIOGRAFÍA BÁSICA Caturla, J.L. "Sistema de Posicionamiento Global (GPS)" MOPU 1988 Ferrer Torio, R., A. Nuñez García, B. Piña, J.L. Valbuena, Y. Martínez "Sistema de posicionamiento Global (GPS)" Universidad de Cantabria, Curso de Verano, Laredo, 1991. Hurn, J. "GPS una Guía para la Próxima Utilidad" GRAFINTA, Madrid 1992. Hurn, J. "GPS Diferencial explicado claramente" GRAFINTA, Madrid 1993. López Cuervo, S. "Topografía" Mundi Prensa, Madrid 1993. Nuñez-García del Pozo, A. , J.L. Valbuena Durán, J. Velasco Gómez "GPS, La Nueva era de la Topografía" Ciencias Sociales, Madrid 1992. Serreta, A. "GPS, una brújula en el espacio" Heraldo de Aragón, Especial Tercer Milenio nº 18, Enero de 1994. 7.2. BIBLIOGRAFÍA ESPECIALIZADA Bayarri, E "Metodología para el cálculo automático de línea de base G.P.S." Notas técnicas de Geodesia. I.G.N. Madrid, 1992. Beutler, G. y otros "Acurracy and bases in geodetic application of the global Positioning System" Manuscripta Geoadaetica, 14, 1989. Página 41  GPS, topografía y cartografía por satélite Beutler, G. y otros "Eficient computation of the inverse of covariance matrix of simultaneous GPS carrier phase diference observations" Manuscripta Geodaetica 11, 1987. Dodson, A. "The effects of atmospheric refraction on GPS measurements to satellites, Seminar on the Global Postioning System" Universidad de Nottingham, 1988. Hofmann-W, B. "GPS: Theory and Practice." Verlag, New York 1992. Kleuseberg, A. 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"Guide to GPS positioning" Canadian GPS Associates, 1986. Página 43  GPS, topografía y cartografía por satélite APÉNDICE GLOSARIO DE TÉRMINOS DEL GPS En este apéndice se presentan los diferentes conceptos empleados y terminología empleada tanto en este texto como en otras publicaciones en castellano. Anchura de banda - gama de frecuencias en una señal. Ayuda Doppler - estrategia de procesamiento de una señal que emplea el efecto. Doppler medido para ayudar al receptor a seguir suavemente la señal GPS. Permite una medición mas precisa de la velocidad y la posición. Banda de frecuencias - campo de frecuencias en particular. Banda L - grupo de radio-frecuencias que se extienden desde 390 MHz a 1550 MHz. Las frecuencias portadoras del GPS (1227.6 MHz a 1575.42 MHz) pertenecen a la banda L. Canal - un canal en un receptor GPS consiste en los circuitos necesarios para sintonizar la señal de un solo satélite. Canal de conmutación lenta - canal de un receptor GPS de seguimiento en secuencia que conmuta demasiado lentamente como para permitir la recuperación continua del mensaje de datos. Canal de conmutación rápida - canal único que muestrea rápidamente las distancias de varios satélites. "Rápida" significa que el tiempo de conmutación es lo suficientemente corto 12 a 5 milisegundos) como para recuperar el mensaje de datos. Página 44  GPS, topografía y cartografía por satélite Canal multiplexor - canal de un receptor GPS que puede ser utilizado para seguir secuencialmente señales de varios satélites. Código C/A - Código (Adquisición grosera) estándar del GPS secuencia de 1023 modulaciones bifase, en binario, y seudo-aleatorias, sobre la portadora GPS, a una frecuencia de chips de 1,023 MHz. También se le conoce como "código civil". Código P - el código preciso. Es una larga secuencia de modulaciones bifase, en binario, y seudo-aleatorias, sobre la portadora GPS a una frecuencia de chips de 10,23 MHz que se repite cada 267 días aproximadamente. Cada segmento semanal de este código es único y exclusivo de un satélite y se repone cada semana. Código seudo-aleatorio - señal con propiedades similares a la del ruido aleatorio. Es un patrón muy complicado, pero repetido, de unos (1 ) y ceros (0). Constelación de satélites - distribución en el espacio de un conjunto de satélites. Chip - tiempo de transición para los bits individuales en la secuencia seudoaleatoria. También, circuito integrado. Pérdida de ciclo - discontinuidad en la fase de la portadora consecuencia de una pérdida temporal de sintonía en el circuito de seguimiento de la portadora en un receptor GPS. Desviación de reloj - diferencia entre la hora indicada por el reloj y la hora universal verdadera. Dilución de la precisión - factor multiplicativo que modifica el error en la medición de distancias. Es causado únicamente por la geometría entre el usuario y su conjunto de satélites. Conocida como DOP o GDOP. Página 45  GPS, topografía y cartografía por satélite Dilución de la precisión geométrica (DGOP) - ver Dilución de la precisión. Disponibilidad selectiva. (SA) - errores inducidos por el Departamento de Defensa de los EE.UU. con el objeto de poder controlar la precisión del sistema. Efecto Doppler - cambio aparente en la frecuencia de una señal causado por el movimiento relativo de transmisor y receptor. Efemérides - predicciones de la posición actual de los satélites que se transmite al usuario en el mensaje de datos. Error multisenda - error causado por la interferencia de una señal que ha llegado a la antena del receptor por dos o más sendas diferentes. Es causado generalmente por una señal que ha sido rebotada o reflejada. Espectro de expansión - sistema en el que la señal transmitida se expande sobre una banda de frecuencias más amplia que la mínima anchura de banda necesaria para transmitir la información. Para el GPS, esto se realiza modulando con un código seudo- aleatorio. Espectro de frecuencia - distribución de las amplitudes de la señal como función de la frecuencia. Frecuencia de portadora - frecuencia de la salida fundamental no modulada de un transmisor de radio. GPS de código de fase - mediciones GPS basadas en el código C/A Página 46  GPS, topografía y cartografía por satélite Interfaz de usuario - forma en que un receptor facilita la información a la persona que la utiliza. Los controles y pantallas. lonosfera - franja de partículas electrónicamente cargadas entre las 50 y 250 kilométros por encima de la superficie terrestre. Mensaje de datos - mensaje incluido en la señal GPS que informa de la localización del satélite, las correcciones de su reloj, y su salud. Incluye también información grosera sobre los otros satélites de la constelación. Palabra clave - palabra del mensaje GPS que contiene información de sincronización para la transferencia del seguimiento del código C/A al P. Portadora - señal que puede variarse desde una referencia conocida mediante modulación. Posicionamiento diferencial - medición precisa de las posiciones relativas de dos receptores que siguen las mismas señales GPS. Posicionamiento estático - determinación de la localización cuando se supone que a antena del receptor se encuentra estacionaria sobre la superficie terrestre. Receptor multicanal - receptor GPS que puede seguir simultáneamente más de una señal de satélite. Refracción ionosférica - cambio en la velocidad de propagación de una señal conforme pasa a través de la ionosfera. Segmento de control - red mundial de estaciones de vigilancia y de control del sistema GPS que aseguran la precisión de las posiciones de los satélites y sus relojes. Página 47  GPS, topografía y cartografía por satélite Segmento espacial - parte del sistema GPS que están en el espacio, esto es, los satélites. Segmento usuario - parte del sistema GPS que incluye los receptores de las señales GPS. Seguimiento con ayuda de portadora - estrategia de procesamiento de la señal que emplea la señal portadora de GPS para conseguir una correlación exacta con e1 código seudo-aleatorio. Servicio de posicionamiento estándar - precisión normal del posicionamiento civil obtenida con la utilización del código C/A en un receptor de una frecuencia. Servicio de posicionamiento preciso (PPS) - el posicionamiento dinámico más preciso posible con el GPS basado en un receptor de doble frecuencia, con código P y sin estar activada la SA (Disponibilidad selectiva). Seudo-boya o seudolité - transmisor GPS diferencial con base en tierra que transmite una señal como la de un satélite real y puede usarse para la medición de distancias. Seudo-distancia - medición de distancia basada en la correlación de un código transmitido desde un satélite y el código de referencia del receptor local, que no ha sido corregida de los errores de sincronización entre el reloj del transmisor y el reloj del receptor. Vacilación artificial - la introducción de ruido digital. Es el proceso que utiliza el Departamento de Defensa de los EE.UU para añadir imprecisión a las señales GPS para inducir la Disponibilidad selectiva. Página 48 GPS, topografía y cartografía por satélite Página 49