TEORÍA GPS

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UNIVERSIDAD DE ORIENTE

NCLEO DE MONAGAS

ESCUELA DE INGENIERA AGRONMICA

DEPARTAMENTO DE INGENIERA AGRCOLA

TEORA Y PRCTICA DEL SISTEMA DE POSICIONAMIENTO GLOBAL A TRAVS DE DISPOSITIVOS GPS NAVEGADORES

Elaborado por: Grupo SIGMON-UDO

Maturn, abril de 2010

INTRODUCCINLa tarea de ubicarse en el espacio implica conocer la posicin que se tiene en funcin de un marco de referencia. Todo proceso de medicin implica una comparacin, en la que se relaciona una magnitud que se mide con un patrn de referencia. Entre una de las tcnicas que ha experimentado un rpido y complejo desarrollo est la que permite aplicar procedimientos orientados a la determinacin de la posicin espacial, la ubicacin geogrfica, la localizacin de un punto sobre la superficie terrestre, tomando como plataforma un conjunto de satlites artificiales que orbitan la Tierra bajo un control riguroso del recorrido de sus rbitas. El hecho de conocerse con exactitud el recorrido de las rbitas de estos satlites artificiales, y la posibilidad de recibir seales de ellos en un dispositivo porttil ubicado en cualquier parte de la superficie terrestre, permite, aplicando procedimientos matemticos que consideran el tiempo de retardo de la seal y su velocidad, determinar la posicin del dispositivo receptor con respecto a los satlites cuyas seales recibe, y as recalcular la posicin del dispositivo en superficie terrestre pero con respecto a un marco de referencia conocido como Sistema de Coordenadas. Esta tcnica se enmarca en lo ya popularmente conocido como Sistema de Posicionamiento Global (GPS por sus siglas en ingls). Uno de los primeros sistemas es el conocido como sistema NAVSTAR, diseado, construido, puesto en rbita y monitoreado por el Gobierno de los Estados Unidos. Su primer objetivo fue militar, hacindose rpidamente disponible para uso civil, en principio con ciertas restricciones, conocidas como Disponibilidad Selectiva. La Disponibilidad Selectiva ya es historia. Pero no se descarta su aplicacin la actualidad, sin aviso ni protesto por parte de los usuarios, en el momento que el Departamento de Defensa de los Estados Unidos lo recomiende y su Gobierno central lo aplique. A la par del sistema NAVSTAR est disponible en la actualidad el sistema de los rusos, conocido como GLONASS, y progresivamente la Comunidad Econmica Europea trabaja para la puesta en funcionamiento del sistema GALILEO. En Suramrica es poca la aplicacin de los sistemas diferentes al NAVSTAR, el cual, desde hace un tiempo y hasta la actualidad, es llamado simplemente sistema GPS. El presente material es elaborado para ser desarrollado como material de apoyo terico en un curso de actualizacin en aspectos referidos al Sistema de Posicionamiento Global. Aborda una gama interesantes de tpicos, orientado principalmente a difundir una metodologa desarrollada por el Profesor Antonio Tabernero Galn, de la Universidad Politcnica de Madrid, Espaa, a travs de la cual maximiza las capacidades de los dispositivos navegadores de la marca Garmin. Esta metodologa permite extraer de los GPS navegadores mediciones sucesivas de seales del sistema, que pueden ser objeto de post procesamiento, lo que conduce a la obtencin de coordenadas con exactitud mejorada al compararla con mediciones crudas, acompaada de una precisin aceptable.

En principio el material se dedica a las referencias tericas en procura de una base de conocimiento apropiada para abordar los aspectos prcticos. Aborda lo relativo a los Sistemas en general, exponiendo una breve resea histrica que ilustra cronolgicamente los acontecimientos ms importantes responsables del estado actual del sistema.

Inmediatamente se trata el tema de los mecanismos disponibles para mejorar la exactitud de las coordenadas tomadas con los dispositivos GPS, con especial inters sobre los del tipo navegador. Se revisan los diferentes tipos de post procesamiento. Se clasifican los equipos que son capaces de manejar estos mtodos de correccin. Y se ocupa del eje principal de este material que es la explicacin del mtodo propuesto por Tabernero.

La aplicacin de esta metodologa implica contar con el dispositivo de medicin (GPS) y el dispositivo de registro de datos (computador porttil para empleo en campo). Estos equipos deben estar conectados en lnea. Para lograr esto se explica los procedimientos de ajuste de los cables que se usan para la descarga, de modo que puedan ser reconocidos por el computador. Ms adelante se detallan las diferentes formas de ejecutar los programas diseados por Tabernero para la captura y registro de los datos, as como para transformacin de estos al formato Rinex, y termina exponiendo cmo procesar esta informacin en procura de las coordenadas del punto con exactitud mejorada.

La toma de coordenadas con GPS, sin importar su tipo, obedece a un objetivo de posicionamiento. Para terminar el material se exponen algunas aplicaciones de datos registrados con GPS y procesados con software con capacidad para manejo de informacin geogrfica. Su manipulacin con estos programas SIG (Sistema de Informacin Geogrfica) representan una forma cmoda y eficiente de obtener informacin georreferenciada, adecuada para su posterior anlisis.

La lectura del material se dise para usuarios con mnimos conocimientos sobre manipulacin de GPS del tipo navegador, transferencia de datos desde y hacia el GPS y el computador. A los usuarios avanzados se les invita a abordar de forma directa la seccin dedicada al post procesamiento.

FUNDAMENTOS TERICOS DEL SISTEMA DE POSICIONAMIENTO GLOBAL1.- CONSTELACIONES DE SATLITES

Al conjunto de satlites artificiales que orbitan la Tierra a diferentes alturas enviando seales de posicionamiento, al conjunto de Estaciones terrestres que se encargan de supervisar el funcionamiento de los satlites en el espacio, y al conjunto de dispositivos receptores sobre la superficie terrestre (tierra, aire y/o mar), comnmente se les conoce como los elementos que forman el Sistema de Posicionamiento Global, llamado tambin GPS y ms recientemente GNSS (Sistema Global de Navegacin por Satlite).

A los efectos del manejo de la palabra GPS, esta puede ser usada para referirse al Sistema de Posicionamiento Global, como el conjunto de elementos ya mencionados que interacta para suministrar informacin de ubicacin espacial, y tambin puede ser utilizado para referirse al dispositivo receptor como un Geo Posicionador Satelital. Actualmente se hace referencia al sistema global con el trmino Sistema Global de Navegacin por Satlite (GNSS) haciendo referencia a todas las constelaciones en rbita terrestre, administrada por los gobiernos de diferentes organizaciones y gobiernos de diferentes pases (los Estados Unidos, la Federacin Rusa, la Comunidad Econmica Europea, entre otros).

En general, se encontrar una forma variada para hacer referencia al sistema completo. A la constelacin de satlites administrada por los Estados Unidos se le conoce en conjunto como GPS, tambin como NAVSTAR-GPS. Al Sistema de Satlites de Navegacin Global ruso se le identifica con las siglas GLONASS. Puede encontrarse las siglas IGSO para hacer referencia a lo que se conoce como el futuro del GNSS (Sistema Global de Navegacin por Satlite) y que se traduce como la rbita Geoestacionaria Internacional. La Agencia Espacial Europea (ESA) gestiona un cuarto sistema satelital conocido simplemente como GALILEO, que se incluye tambin en el grupo de lo que formar prximamente el ya conocido como GNSS2.Una breve descripcin de los Satlites IGSO y Geo se puede ubicar a travs de la ayuda del programa Planning de Trimble (software orientado a la seleccin de jornadas de medicin en funcin de la configuracin de los satlites en el espacio, que puede ser descargado del portal web de la pgina de Trimble, sin costo por descarga). En ella es posible leer que estos sistemas estn actualmente en planificacin y ser manejados por la ESA bajo un principio igual al de los sistemas GPS y GLONASS, partiendo de la experiencia acumulada con el manejo de estos ltimos, con el propsito de calibrarlos con los parmetros de sistema buscando que la navegacin utilizando el GNSS2 sea ..ms rpida, precisa y segura (Planning 2.8, 2008).En la Tabla 1 se indican los nombres de las constelaciones, la agencia y/o pas al que pertenecen, su ao de lanzamiento, nmero de vehculos espaciales que la forman y la altura de la rbita. Tabla 1. Caractersticas del GNSS

ConstelacinAo lanzamientoAdministradorNmero de vehculosAltura orbital

GPS NAVSTAR1973Departamento de Defensa de E.E.U.U.2720.200 km

GLONASS1982Ministerio de Defensa de la Federacin Rusa2419.100 km

GALILEOProyectado para 2014Agencia Espacial Europea3023.616km

Para tener una idea de la ubicacin de los vehculos pertenecientes al GNSS en el perfil atmosfrico, en funcin de los datos mostrados en la Tabla 1, se incluye la Figura 1. Esta Figura muestra las capas de la atmsfera con sus alturas respectivas, donde pueden ubicarse los satlites muy por encima de la Exosfera.

Figura 1.- Perfil de las capas atmosfricas de ayuda para ubicacin relativa de los vehculos espaciales pertenecientes al GNSS.

(http://www.juanjoromero.es/blog/2008/07/u1-la-tierra-y-su-representacion-geografica/)2.- SISTEMA DE AUMENTACIN BASADO EN SATLITES (SBAS)

Es un sistema de correccin de las seales que los satlites pertenecientes al GNSS transmiten a los receptores. Este sistema est diseado para incrementar la exactitud del posicionamiento, la integridad del sistema y su disponibilidad. Est constituido por varios satlites en rbita as como estaciones terrestres de control. Existen varios grupos de constelaciones, administradas igualmente por diferentes pases, tal como se observan en la Tabla 1. Las Estaciones en tierra supervisan el funcionamiento de los satlites del GNSS, enviando los datos a las estaciones de procesamiento centr