Navigation Signal Timing and Ranging Global Positioning System Miguel Martinez Rodilla

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Navigation Signal Timing and Ranging Global
Positioning SystemMiguel Martinez Rodilla
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Indice

• Introducción
• Servicio ofrecido por el sistema GPS
• Configuración del sistema
• Funcionamiento
• Mensaje de Navegación
• D-GPS
• Aplicaciones

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Introducción

• NAVSTAR/GPS Sistema de navegación por satélite
  desarrollado por las fuerzas aéreas de EEUU.
• En 1963 la Fuerza Aérea de los EE.UU. inició el
  "Proyecto 621B" para desarrollar un sistema de
  navegación tridimensional basado en satélites
  artificiales.
• Poco después la Marina de los EE.UU. emprendió
  otro proyecto similar conocido como "Timation".
• Ambos proyectos convergieron finalmente en el
  sistema NAVSTAR-GPS.
• El proyecto espacial más caro de la historia
  (unos 10.000 millones de dólares).

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Introducción

• OBJETIVOS
• Servir como referencia espacial y temporal para
  las tropas militares.
• Dar cobertura en toda la superficie del planeta
  las 24 horas del día.
• El proyecto incluía 24 satélites, siendo el
  primero de todos lanzado en 1978.
• En 1991 quedó demostrada su potencialidad en la
  Guerra del Gofo Pérsico, a pesar de no estar 100
  operativo.
• Debido al éxito de este campo de pruebas, y de
  la precisión alcanzada en la práctica, se aceleró
  el desarrollo final del proyecto.

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Servicio ofrecido por el sistema GPS

• Determinación de la posición tridimensional
• Determinación tridimensional de la velocidad
• Determinación del tiempo exacto con un error de
  un microsegundo.
• Cobertura global las 24 horas del día.
• Alta fiabilidad.
• Gran precisión en todo tipo de condiciones
  atmosféricas.
• Versátil y válido para todo tipo de usuarios

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Servicio ofrecido por el sistema GPS

• En teoría se podría conocer la situación con un
  error de 3 cm.
• En la practica se consigue una precisión con un
  error de 3 metros.
• Se crean 2 tipos de servicio
• SPS (Standard Positioning Service) para
  usuarios civiles.
• PPS (Precise Positioning Service) con fines
  militares.
• SPS introduce un error intencionado para
  conseguir 10 veces menor precisión que PPS
  (Disponibilidad Selectiva)

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Configuración del Sistema

• Vamos a distinguir 3 segmentos
• Segmento Espacial.
• Segmento de Control.
• Segmento de Usuario.

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Configuración del Sistema
Segmento Espacial

• Los satélites GPS se sitúan en 6 órbitas
  circulares semisíncronas con 4 satélites en cada
  órbita separados por 90º.
• Cada órbita está a una altitud de 20.169 km sobre
  la Tierra con una inclinación de 55º respecto del
  ecuador.
• De esta forma se asegura una cobertura global
  ininterrumpida que permite la visibilidad de un
  mínimo de 4 satélites
• La energía eléctrica se obtiene de paneles
  solares que proporcionan 600 W.

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Configuración del Sistema
Segmento Espacial

• Cada satélite lleva relojes atómicos de Cesio y
  Rubidio.
• El reloj de Cesio es más estable para periodos
  cortos de tiempo,
• El de Rubidio es mas estable para periodos
  largos.
• Como se precisan grandes estabilidades en ambos
  términos cada satélite lleva 2 relojes de Cesio y
  2 de Rubidio funcionando a una frecuencia de
  10.23 MHz.
• La sincronización de los relojes y de las
  frecuencias del sistema GPS se realizan desde el
  Segmento de Control del sistema.

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Configuración del Sistema
Segmento Espacial

• Dada la gran exactitud precisada, hay que
  considerar los efectos relativistas provocados
  por la gran velocidad de los satélites y por la
  diferente gravedad existente a 20169 Km de la
  Tierra
• Relatividad Especial Debido a la velocidad
  relativa entre los relojes de la Tierra y los que
  están en los satélites, el reloj del satélite
  observado desde la Tierra va más lento de lo
  previsto.
• Relatividad General El satélite está situado en
  un campo gravitatorio más tenue que en la Tierra,
  por lo que su reloj irá levemente más rápido que
  en la Tierra.
• Por tanto, a esa distancia, los relojes de los
  satélites van más rápido que los terrestres, por
  lo que aquí en la tierra se fijan a una
  frecuencia menor (10229999.99545 Hz).

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Configuración del Sistema
Segmento de Control

• Consiste en tres partes principales
• La estación central en Colorado Springs (EE.UU.)
  que reúne la información de las estaciones de
  monitorización repartidas por todo el mundo.
  Realiza los cálculos correspondientes para que
  todo se desarrolle según la planificación y que
  todos los parámetros estén dentro de las
  tolerancias. Genera el mensaje de navegación y lo
  retransmite a los satélites para que éstos los
  difundan a los usuarios.
• Estaciones de monitorización. Distribuidas por
  todo el mundo. Disponen de precisos relojes
  atómicos y equipos receptores especiales que les
  permiten detectar derivas en los relojes o
  modificaciones en la calidad de los datos.
• Antena terrena del enlace "up-link" que comunica
  con los satélites en la banda S.

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Configuración del Sistema
Segmento de Usuario

• El segmento de usuario consiste en los aparatos
  receptores sobre la Tierra. El equipo de usuario
  es un dispositivo pasivo en el sentido de que
  sólo recibe información de los satélites, cuya
  misión es obtener la señal de los satélites, la
  demodulan y extraen la información de efemérides
  de los satélites, de correcciones, etc. y
  presentan la información al usuario final
• El sistema GPS permite que la localización de
  cada usuario la conozca solamente el usuario
  debido a que no se emite ningún tipo de señal,
  con lo que la privacidad del servicio se garantiza

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Funcionamiento

• Se utilizan referencias temporales absolutas.
• Si utilizamos sólo un satélite y conocemos su
  posición y la distancia que nos separa sabremos
  nuestra posición en un área de incertidumbre que
  es geométricamente una esfera.
• Si disponemos de dos satélites y conocemos sus
  posiciones y las dos distancias podremos
  determinar nuestra posición a lo largo de una
  circunferencia

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Funcionamiento

• Si conseguimos contar con otro satélite más
  podremos determinar nuestra posición en uno de
  los dos puntos en que se cortan las tres esferas.

• Problema el método para estimar la distancia
  hasta un satélite depende en extremo de la
  calidad de los relojes empleados para medir el
  tiempo ? Precisión en los receptores Extrema !
  ? Precio Desorbitado !

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Funcionamiento

• Solución Nueva incógnita en el sistema.
• Para el receptor hay 4 incógnitas a resolver las
  tres coordenadas de su posición y la diferencia
  entre su reloj local y el tiempo universal GPS.

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Mensaje de Navegacion
37500 bits (12,5 min.)
SUPER-TRAMA
25 tramas 1500 bits/trama
5 subtramas 300 bits/subtrama
10 palabras 30 bits/palabra
30 bits
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D-GPS

• Desarrollado por los fabricantes de receptores
  civiles.
• Las técnicas de GPS diferencial se utilizan para
  eliminar los errores introducidos por la
  disponibilidad selectiva y otras fuentes de
  error.
• Se requiere que un receptor GPS esté situado en
  una posición cuidadosamente medida (Estación
  Base).
• Se consiguen precisiones de hasta 2 metros.

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Aplicaciones

• Repostaje en vuelo bajo condiciones de
  visibilidad nulas.
• Dirección de misiles autónomos.
• Localización y control de tropas en operaciones
  militares remotas.
• Estabilización y orientación respecto a la Tierra
  de la estación espacial internacional.
• Localización de aeronaves en aeropuertos, lo que
  permitiría un posible sistema de aterrizaje a
  ciegas o incluso automático.
• Medida precisa de distancias.
• Geodesia e investigación climática, medida de la
  dinámica tectónica del planeta
• ...etc.

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(No Transcript)