El Sistema de Posicionamiento Global ( GPS ), originalmente Navstar GPS , [2] es un sistema de navegación por radio basado en satélites propiedad del gobierno de los Estados Unidos y operado por la Fuerza Espacial de los Estados Unidos . [3] Es uno de los sistemas globales de navegación por satélite (GNSS) que proporcionan información de geolocalización y tiempo a un receptor GPS en cualquier lugar de la Tierra o cerca de ella donde haya una línea de visión sin obstáculos a cuatro o más satélites GPS. [4] No requiere que el usuario transmita ningún dato y funciona independientemente de cualquier recepción telefónica o de Internet, aunque estas tecnologías pueden mejorar la utilidad de la información de posicionamiento GPS. Proporciona capacidades de posicionamiento críticas a usuarios militares, civiles y comerciales de todo el mundo. Aunque el gobierno de los Estados Unidos creó, controla y mantiene el sistema GPS, es de libre acceso para cualquier persona con un receptor GPS. [5]
El proyecto GPS fue iniciado por el Departamento de Defensa de Estados Unidos en 1973. El primer prototipo de nave espacial fue lanzado en 1978 y la constelación completa de 24 satélites comenzó a funcionar en 1993.
Después de que el vuelo 007 de Korean Air Lines fuera derribado cuando entró por error en el espacio aéreo soviético, el presidente Ronald Reagan anunció que el sistema GPS estaría disponible para uso civil a partir del 16 de septiembre de 1983; [6] sin embargo, inicialmente este uso civil estaba limitado a una precisión promedio de 100 metros (330 pies) mediante el uso de disponibilidad selectiva (SA), un error deliberado introducido en los datos del GPS (que los receptores militares podían corregir).
A medida que el uso civil del GPS creció, hubo una creciente presión para eliminar este error. El sistema SA se desactivó temporalmente durante la Guerra del Golfo , ya que la escasez de unidades GPS militares significaba que muchos soldados estadounidenses usaban unidades GPS civiles enviadas desde casa. En la década de 1990, los sistemas GPS diferenciales de la Guardia Costera de los EE. UU. , la Administración Federal de Aviación y agencias similares en otros países comenzaron a transmitir correcciones GPS locales, reduciendo el efecto tanto de la degradación SA como de los efectos atmosféricos (que los receptores militares también corrigieron). El ejército estadounidense también había desarrollado métodos para realizar interferencias GPS locales, lo que significa que la capacidad de degradar globalmente el sistema ya no era necesaria. Como resultado, el presidente Bill Clinton firmó un proyecto de ley que ordenaba que la disponibilidad selectiva se desactivara el 1 de mayo de 2000; [7] y, en 2007 , el gobierno de los EE. UU. anunció que la próxima generación de satélites GPS no incluiría la función en absoluto.
Los avances en la tecnología y las nuevas demandas en el sistema existente han llevado a esfuerzos para modernizar el GPS e implementar la próxima generación de satélites GPS Bloque III y el Sistema de Control Operacional de Próxima Generación (OCX) [8] que fue autorizado por el Congreso de los EE. UU. en 2000. Cuando se suspendió la Disponibilidad Selectiva, el GPS tenía una precisión de aproximadamente 5 metros (16 pies). Los receptores GPS que usan la banda L5 tienen una precisión mucho mayor de 30 centímetros (12 pulgadas), mientras que aquellos para aplicaciones de alta gama como ingeniería y topografía tienen una precisión de 2 cm ( 3 ⁄ 4 pulgadas) e incluso pueden proporcionar una precisión submilimétrica con mediciones a largo plazo. [7] [9] [10] Los dispositivos de consumo como los teléfonos inteligentes pueden tener una precisión de 4,9 m (16 pies) o mejor cuando se usan con servicios de asistencia como el posicionamiento Wi-Fi . [11]
A partir de julio de 2023 [update], 18 satélites GPS transmiten señales L5, que se consideran preoperativas antes de ser transmitidas por un complemento completo de 24 satélites en 2027. [12]
El proyecto GPS se lanzó en los Estados Unidos en 1973 para superar las limitaciones de los sistemas de navegación anteriores, [13] combinando ideas de varios predecesores, incluidos estudios de diseño de ingeniería clasificados de la década de 1960. El Departamento de Defensa de los Estados Unidos desarrolló el sistema, que originalmente usaba 24 satélites, para su uso por parte del ejército de los Estados Unidos, y se volvió completamente operativo en 1993. El uso civil se permitió a partir de la década de 1980. A Roger L. Easton del Laboratorio de Investigación Naval , Ivan A. Getting de The Aerospace Corporation y Bradford Parkinson del Laboratorio de Física Aplicada se les atribuye su invención. [14] El trabajo de Gladys West en la creación del modelo geodésico matemático de la Tierra se atribuye como instrumental en el desarrollo de técnicas computacionales para detectar posiciones satelitales con la precisión necesaria para el GPS. [15] [16]
El diseño del GPS se basa en parte en sistemas de radionavegación terrestres similares , como LORAN y Decca Navigator , desarrollados a principios de la década de 1940.
En 1955, Friedwardt Winterberg propuso una prueba de la relatividad general : detectar la desaceleración del tiempo en un campo gravitatorio intenso utilizando relojes atómicos precisos colocados en órbita dentro de satélites artificiales. La relatividad especial y general predijo que los relojes de los satélites GPS, tal como los observan los de la Tierra, funcionan 38 microsegundos más rápido por día que los de la Tierra. El diseño del GPS corrige esta diferencia, ya que sin ello, las posiciones calculadas por el GPS acumularían errores de hasta 10 kilómetros por día (6 mi/d). [17]
Cuando la Unión Soviética lanzó su primer satélite artificial ( Sputnik 1 ) en 1957, dos físicos estadounidenses, William Guier y George Weiffenbach, del Laboratorio de Física Aplicada (APL) de la Universidad Johns Hopkins decidieron monitorear sus transmisiones de radio. [18] En cuestión de horas se dieron cuenta de que, debido al efecto Doppler , podían determinar con precisión dónde se encontraba el satélite a lo largo de su órbita. El director del APL les dio acceso a su UNIVAC para realizar los cálculos pesados necesarios.
A principios del año siguiente, Frank McClure, subdirector de la APL, pidió a Guier y Weiffenbach que investigaran el problema inverso: determinar la ubicación del usuario a partir de la del satélite. (En ese momento, la Armada estaba desarrollando el misil Polaris lanzado desde submarinos , que requería que conocieran la ubicación del submarino). Esto los llevó a ellos y a la APL a desarrollar el sistema TRANSIT . [19] En 1959, ARPA (rebautizada como DARPA en 1972) también desempeñó un papel en TRANSIT. [20] [21] [22]
TRANSIT se probó con éxito por primera vez en 1960. [23] Utilizaba una constelación de cinco satélites y podía proporcionar una orientación de navegación aproximadamente una vez por hora.
En 1967, la Marina de Estados Unidos desarrolló el satélite Timation , que demostró la viabilidad de colocar relojes precisos en el espacio, una tecnología necesaria para el GPS.
En la década de 1970, el sistema de navegación terrestre OMEGA , basado en la comparación de fases de la transmisión de señales de pares de estaciones, [24] se convirtió en el primer sistema de navegación por radio del mundo. Las limitaciones de estos sistemas impulsaron la necesidad de una solución de navegación más universal y con mayor precisión.
Aunque existían amplias necesidades de navegación precisa en los sectores militar y civil, casi ninguna de ellas se consideraba una justificación para los miles de millones de dólares que costaría la investigación, el desarrollo, el despliegue y la operación de una constelación de satélites de navegación. Durante la carrera armamentista de la Guerra Fría , la amenaza nuclear a la existencia de los Estados Unidos era la única necesidad que justificaba este costo en la opinión del Congreso de los Estados Unidos. Este efecto disuasorio es la razón por la que se financió el GPS. [ cita requerida ] También es la razón del ultrasecreto en ese momento. La tríada nuclear consistía en los misiles balísticos lanzados desde submarinos (SLBM) de la Armada de los Estados Unidos junto con los bombarderos estratégicos y los misiles balísticos intercontinentales (ICBM) de la Fuerza Aérea de los Estados Unidos (USAF ). Considerada vital para la postura de disuasión nuclear , la determinación precisa de la posición de lanzamiento de SLBM era un multiplicador de fuerza .
Una navegación precisa permitiría a los submarinos de misiles balísticos de Estados Unidos obtener una localización exacta de sus posiciones antes de lanzar sus misiles balísticos de largo alcance. [25] La USAF, con dos tercios de la tríada nuclear, también tenía requisitos para un sistema de navegación más preciso y confiable. La Armada y la Fuerza Aérea de Estados Unidos estaban desarrollando sus propias tecnologías en paralelo para resolver lo que era esencialmente el mismo problema.
Para aumentar la capacidad de supervivencia de los misiles balísticos intercontinentales, se propuso utilizar plataformas de lanzamiento móviles (comparables a los SS-24 y SS-25 soviéticos ) y, por lo tanto, la necesidad de fijar la posición de lanzamiento tenía similitud con la situación de los SLBM.
En 1960, la Fuerza Aérea propuso un sistema de radionavegación llamado MOSAIC (Sistema Móvil para el Control Preciso de ICBM) que era esencialmente un LORAN 3-D. En 1963 se realizó un estudio de seguimiento, el Proyecto 57, y fue "en este estudio que nació el concepto GPS". Ese mismo año, el concepto se llevó a cabo como Proyecto 621B, que tenía "muchos de los atributos que ahora se ven en GPS" [26] y prometía una mayor precisión para los bombarderos de la Fuerza Aérea, así como para los ICBM.
Las actualizaciones del sistema TRANSIT de la Armada eran demasiado lentas para las altas velocidades de operación de la Fuerza Aérea. El Laboratorio de Investigación Naval (NRL) continuó haciendo avances con sus satélites Timation (Navegación en el Tiempo), lanzados primero en 1967, segundo en 1969, tercero en 1974, que llevó el primer reloj atómico a órbita, y cuarto en 1977. [27]
Otro antecesor importante del GPS provino de una rama diferente del ejército de los Estados Unidos. En 1964, el Ejército de los Estados Unidos puso en órbita su primer satélite SECOR (Sequential Collation of Range ) utilizado para estudios geodésicos. [28] El sistema SECOR incluía tres transmisores terrestres en ubicaciones conocidas que enviarían señales al transpondedor del satélite en órbita. Una cuarta estación terrestre, en una posición indeterminada, podría utilizar esas señales para fijar su ubicación con precisión. El último satélite SECOR se lanzó en 1969. [29]
Con estos desarrollos paralelos en la década de 1960, se comprendió que se podía desarrollar un sistema superior mediante la síntesis de las mejores tecnologías de 621B, Transit, Timation y SECOR en un programa multiservicio. Los errores de posición orbital de los satélites, inducidos por variaciones en el campo gravitatorio y la refracción del radar , entre otros, debían resolverse. Un equipo dirigido por Harold L. Jury de la División Aeroespacial de Pan Am en Florida entre 1970 y 1973, utilizó la asimilación de datos en tiempo real y la estimación recursiva para hacerlo, reduciendo los errores sistemáticos y residuales a un nivel manejable para permitir una navegación precisa. [30]
Durante el fin de semana del Día del Trabajo de 1973, una reunión de unos doce oficiales militares en el Pentágono discutió la creación de un Sistema de Navegación por Satélite de Defensa (DNSS) . Fue en esta reunión donde se creó la síntesis real que se convirtió en GPS. Más tarde ese año, el programa DNSS se denominó Navstar. [31] Navstar a menudo se considera erróneamente un acrónimo de "NAVigation System using Timing And Ranging" (Sistema de navegación que utiliza tiempo y distancia), pero nunca fue considerado como tal por la Oficina del Programa Conjunto GPS (TRW puede haber abogado alguna vez por un sistema de navegación diferente que usara ese acrónimo). [32] Con los satélites individuales asociados con el nombre Navstar (al igual que con los predecesores Transit y Timation), se utilizó un nombre más completo para identificar la constelación de satélites Navstar, Navstar-GPS . [33] Se lanzaron diez satélites prototipo " Bloque I " entre 1978 y 1985 (una unidad adicional fue destruida en un lanzamiento fallido). [34]
El efecto de la ionosfera en la transmisión de radio se investigó en un laboratorio de geofísica del Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea de Cambridge , renombrado como Laboratorio de Investigación Geofísica de la Fuerza Aérea (AFGRL) en 1974. El AFGRL desarrolló el modelo Klobuchar para calcular las correcciones ionosféricas a la ubicación GPS. [35] Cabe destacar el trabajo realizado por la científica espacial australiana Elizabeth Essex-Cohen en el AFGRL en 1974. Se ocupó de la curvatura de las trayectorias de las ondas de radio ( refracción atmosférica ) que atraviesan la ionosfera desde los satélites NavSTAR. [36]
Después de que el vuelo 007 de Korean Air Lines , un Boeing 747 que transportaba 269 personas, fuera derribado por un avión interceptor soviético después de desviarse en espacio aéreo prohibido debido a errores de navegación, [37] en las cercanías de las islas Sakhalin y Moneron , el presidente Ronald Reagan emitió una directiva que hacía que el GPS estuviera disponible gratuitamente para uso civil, una vez que estuviera suficientemente desarrollado, como un bien común. [38] El primer satélite del Bloque II se lanzó el 14 de febrero de 1989, [39] y el 24º satélite se lanzó en 1994. El costo del programa GPS en este momento, sin incluir el costo del equipo del usuario pero incluyendo los costos de los lanzamientos de satélites, se ha estimado en US$5 mil millones (equivalente a $10 mil millones en 2023). [40]
Inicialmente, la señal de más alta calidad estaba reservada para uso militar, y la señal disponible para uso civil se degradaba intencionalmente, en una política conocida como Disponibilidad Selectiva . Esto cambió el 1 de mayo de 2000, cuando el presidente Bill Clinton firmó una directiva política para desactivar la Disponibilidad Selectiva para proporcionar la misma precisión a los civiles que se le brindaba a los militares. La directiva fue propuesta por el Secretario de Defensa de los EE. UU., William Perry , en vista del crecimiento generalizado de los servicios GPS diferenciales por parte de la industria privada para mejorar la precisión civil. Además, el ejército estadounidense estaba desarrollando tecnologías para negar el servicio GPS a adversarios potenciales a nivel regional. [41] La Disponibilidad Selectiva se eliminó de la arquitectura GPS a partir del GPS-III.
Desde su implementación, Estados Unidos ha implementado varias mejoras en el servicio GPS, incluidas nuevas señales para uso civil y mayor precisión e integridad para todos los usuarios, manteniendo al mismo tiempo la compatibilidad con el equipo GPS existente. La modernización del sistema satelital ha sido una iniciativa continua del Departamento de Defensa de Estados Unidos a través de una serie de adquisiciones de satélites para satisfacer las crecientes necesidades de los militares, los civiles y el mercado comercial.
A principios de 2015, los receptores GPS del Servicio de Posicionamiento Estándar (SPS) de alta calidad proporcionaban una precisión horizontal de más de 3,5 metros (11 pies), [7] aunque muchos factores como la calidad del receptor y la antena y cuestiones atmosféricas pueden afectar esta precisión.
El GPS es propiedad del gobierno de los Estados Unidos y está operado por él como un recurso nacional. El Departamento de Defensa es el administrador del GPS. La Junta Ejecutiva Interagencial del GPS (IGEB) supervisó los asuntos de política del GPS desde 1996 hasta 2004. Después de eso, el Comité Ejecutivo Nacional de Posicionamiento, Navegación y Sincronización Basados en el Espacio fue establecido por directiva presidencial en 2004 para asesorar y coordinar a los departamentos y agencias federales en asuntos relacionados con el GPS y sistemas relacionados. [42] El comité ejecutivo está presidido conjuntamente por los subsecretarios de Defensa y Transporte. Su membresía incluye funcionarios de nivel equivalente de los Departamentos de Estado, Comercio y Seguridad Nacional, el Estado Mayor Conjunto y la NASA . Los componentes de la oficina ejecutiva del presidente participan como observadores en el comité ejecutivo, y el presidente de la FCC participa como enlace.
El Departamento de Defensa de Estados Unidos está obligado por ley a "mantener un Servicio de Posicionamiento Estándar (tal como se define en el plan federal de navegación por radio y la especificación de la señal del servicio de posicionamiento estándar) que esté disponible de forma continua y mundial" y a "desarrollar medidas para prevenir el uso hostil del GPS y sus ampliaciones sin perturbar o degradar indebidamente los usos civiles".
El 10 de febrero de 1993, la Asociación Aeronáutica Nacional seleccionó al equipo GPS como ganador del Trofeo Robert J. Collier de 1992 , el premio de aviación más prestigioso de los EE. UU. Este equipo combina investigadores del Laboratorio de Investigación Naval, la USAF, la Corporación Aeroespacial , Rockwell International Corporation e IBM Federal Systems Company. La mención los honra "por el desarrollo más significativo para la navegación y vigilancia segura y eficiente del aire y las naves espaciales desde la introducción de la navegación por radio hace 50 años".
Dos desarrolladores de GPS recibieron el Premio Charles Stark Draper de la Academia Nacional de Ingeniería de 2003:
El desarrollador del GPS Roger L. Easton recibió la Medalla Nacional de Tecnología el 13 de febrero de 2006. [65]
Francis X. Kane (Coronel USAF, ret.) fue incluido en el Salón de la Fama de los Pioneros del Espacio y los Misiles de la Fuerza Aérea de Estados Unidos en la Base de la Fuerza Aérea Lackland, San Antonio, Texas, el 2 de marzo de 2010, por su papel en el desarrollo de la tecnología espacial y el concepto de diseño de ingeniería del GPS realizado como parte del Proyecto 621B.
En 1998, la tecnología GPS fue incluida en el Salón de la Fama de la Tecnología Espacial de la Fundación Espacial . [66]
El 4 de octubre de 2011, la Federación Astronáutica Internacional (IAF) otorgó al Sistema de Posicionamiento Global (GPS) su Premio del 60º Aniversario, nominado por el miembro de la IAF, el Instituto Americano de Aeronáutica y Astronáutica (AIAA). El Comité de Honores y Premios de la IAF reconoció la singularidad del programa GPS y el papel ejemplar que ha desempeñado en la construcción de la colaboración internacional en beneficio de la humanidad. [67]
El 6 de diciembre de 2018, Gladys West fue incluida en el Salón de la Fama de los Pioneros del Espacio y los Misiles de la Fuerza Aérea en reconocimiento a su trabajo en un modelo geodésico de la Tierra extremadamente preciso, que finalmente se utilizó para determinar la órbita de la constelación GPS. [68]
El 12 de febrero de 2019, cuatro miembros fundadores del proyecto recibieron el Premio Reina Isabel de Ingeniería y el presidente del comité encargado de otorgarlo declaró: "La ingeniería es la base de la civilización; no hay otra base; hace que las cosas sucedan. Y eso es exactamente lo que han hecho los galardonados de hoy: han hecho que las cosas sucedan. Han reescrito, de manera importante, la infraestructura de nuestro mundo". [69]
Los satélites GPS llevan relojes atómicos muy estables que están sincronizados entre sí y con los relojes atómicos de referencia en las estaciones de control terrestres; cualquier desviación de los relojes a bordo de los satélites con respecto al tiempo de referencia mantenido en las estaciones terrestres se corrige regularmente. [70] Dado que la velocidad de las ondas de radio ( velocidad de la luz ) [71] es constante e independiente de la velocidad del satélite, el retraso de tiempo entre el momento en que el satélite transmite una señal y la estación terrestre la recibe es proporcional a la distancia entre el satélite y la estación terrestre. Con la información de distancia recopilada de múltiples estaciones terrestres, las coordenadas de ubicación de cualquier satélite en cualquier momento se pueden calcular con gran precisión.
Cada satélite GPS lleva un registro preciso de su propia posición y hora, y transmite esos datos de forma continua. Basándose en los datos recibidos de múltiples satélites GPS , el receptor GPS de un usuario final puede calcular su propia posición cuatridimensional en el espacio-tiempo ; sin embargo, como mínimo, cuatro satélites deben estar a la vista del receptor para que este calcule cuatro cantidades desconocidas (tres coordenadas de posición y la desviación de su propio reloj respecto de la hora del satélite). [72]
Cada satélite GPS transmite continuamente una señal ( onda portadora con modulación ) que incluye:
En teoría, el receptor mide los tiempos de vuelo (TOA) (según su propio reloj) de cuatro señales satelitales. A partir de los TOA y los TOT, el receptor forma cuatro valores de tiempo de vuelo (TOF), que son (dada la velocidad de la luz) aproximadamente equivalentes a los rangos receptor-satélite más la diferencia de tiempo entre el receptor y los satélites GPS multiplicada por la velocidad de la luz, que se denominan pseudorango. A continuación, el receptor calcula su posición tridimensional y la desviación del reloj a partir de los cuatro TOF.
En la práctica, la posición del receptor (en coordenadas cartesianas tridimensionales con origen en el centro de la Tierra) y el desfase del reloj del receptor respecto de la hora GPS se calculan simultáneamente, utilizando las ecuaciones de navegación para procesar los TOF.
La ubicación de la solución centrada en la Tierra del receptor se convierte generalmente en latitud , longitud y altura en relación con un modelo elipsoidal de la Tierra. La altura puede luego convertirse a su vez en altura relativa al geoide , que es esencialmente el nivel medio del mar. Estas coordenadas pueden visualizarse, por ejemplo, en una pantalla de mapa móvil , o pueden registrarse o usarse en algún otro sistema, como un sistema de guía de vehículos.
Aunque normalmente no se forman explícitamente en el procesamiento del receptor, las diferencias conceptuales de tiempo de llegada (TDOA) definen la geometría de la medición. Cada TDOA corresponde a un hiperboloide de revolución (véase Multilateración ). La línea que conecta los dos satélites involucrados (y sus extensiones) forma el eje del hiperboloide. El receptor está ubicado en el punto donde se intersecan los tres hiperboloides. [73] [74]
A veces se dice incorrectamente que la ubicación del usuario está en la intersección de tres esferas. Si bien es más sencillo de visualizar, esto solo es así si el receptor tiene un reloj sincronizado con los relojes de los satélites (es decir, el receptor mide distancias reales con respecto a los satélites en lugar de diferencias de distancia). Existen marcadas ventajas de rendimiento para el usuario que lleva un reloj sincronizado con los satélites. La más importante es que solo se necesitan tres satélites para calcular una solución de posición. Si fuera una parte esencial del concepto GPS que todos los usuarios necesitaran llevar un reloj sincronizado, se podría implementar un número menor de satélites, pero el costo y la complejidad del equipo del usuario aumentarían.
La descripción anterior es representativa de una situación de puesta en marcha del receptor. La mayoría de los receptores tienen un algoritmo de seguimiento , a veces llamado rastreador , que combina conjuntos de mediciones satelitales recopiladas en diferentes momentos; en efecto, aprovecha el hecho de que las posiciones sucesivas del receptor suelen estar cerca unas de otras. Después de procesar un conjunto de mediciones, el rastreador predice la ubicación del receptor correspondiente al siguiente conjunto de mediciones satelitales. Cuando se recopilan las nuevas mediciones, el receptor utiliza un esquema de ponderación para combinar las nuevas mediciones con la predicción del rastreador. En general, un rastreador puede (a) mejorar la posición del receptor y la precisión horaria, (b) rechazar mediciones incorrectas y (c) estimar la velocidad y la dirección del receptor.
La desventaja de un rastreador es que los cambios en la velocidad o la dirección solo se pueden calcular con un retraso, y que la dirección derivada se vuelve inexacta cuando la distancia recorrida entre dos mediciones de posición cae por debajo o cerca del error aleatorio de la medición de la posición. Las unidades GPS pueden usar mediciones del desplazamiento Doppler de las señales recibidas para calcular la velocidad con precisión. [75] Los sistemas de navegación más avanzados utilizan sensores adicionales como una brújula o un sistema de navegación inercial para complementar el GPS.
El GPS requiere que cuatro o más satélites sean visibles para una navegación precisa. La solución de las ecuaciones de navegación proporciona la posición del receptor junto con la diferencia entre la hora registrada por el reloj de a bordo del receptor y la hora real del día, eliminando así la necesidad de un reloj basado en el receptor más preciso y posiblemente poco práctico. Las aplicaciones del GPS, como la transferencia de tiempo , la sincronización de señales de tráfico y la sincronización de estaciones base de telefonía móvil , hacen uso de esta sincronización económica y de gran precisión. Algunas aplicaciones del GPS utilizan esta hora para la visualización o, salvo para los cálculos básicos de la posición, no la utilizan en absoluto.
Aunque se requieren cuatro satélites para el funcionamiento normal, se requieren menos en casos especiales. Si ya se conoce una variable, un receptor puede determinar su posición utilizando solo tres satélites. Por ejemplo, un barco en mar abierto suele tener una elevación conocida cercana a 0 m , y la elevación de un avión puede conocerse. [a] Algunos receptores GPS pueden utilizar pistas o suposiciones adicionales, como reutilizar la última altitud conocida, estima , navegación inercial o incluir información de la computadora del vehículo, para dar una posición (posiblemente degradada) cuando hay menos de cuatro satélites visibles. [76] [77] [78]
El GPS actual consta de tres segmentos principales: el segmento espacial, el segmento de control y el segmento de usuario. [51] La Fuerza Espacial de los Estados Unidos desarrolla, mantiene y opera los segmentos espacial y de control. Los satélites GPS transmiten señales desde el espacio y cada receptor GPS utiliza estas señales para calcular su ubicación tridimensional (latitud, longitud y altitud) y la hora actual. [79]
El segmento espacial (SS) está compuesto de 24 a 32 satélites, o vehículos espaciales (SV), en órbita terrestre media , y también incluye los adaptadores de carga útil a los impulsores necesarios para lanzarlos a la órbita. El diseño del GPS originalmente requería 24 SV, ocho cada uno en tres órbitas aproximadamente circulares , [80] pero esto se modificó a seis planos orbitales con cuatro satélites cada uno. [81] Los seis planos orbitales tienen aproximadamente 55° de inclinación (inclinación relativa al ecuador de la Tierra ) y están separados por 60° de ascensión recta del nodo ascendente (ángulo a lo largo del ecuador desde un punto de referencia hasta la intersección de la órbita). [82] El período orbital es la mitad de un día sideral , es decir , 11 horas y 58 minutos, de modo que los satélites pasan sobre las mismas ubicaciones [83] o casi las mismas ubicaciones [84] todos los días. Las órbitas están dispuestas de modo que al menos seis satélites estén siempre en línea de visión desde cualquier punto de la superficie de la Tierra (ver animación a la derecha). [85] El resultado de este objetivo es que los cuatro satélites no están espaciados uniformemente (90°) dentro de cada órbita. En términos generales, la diferencia angular entre los satélites en cada órbita es de 30°, 105°, 120° y 105°, lo que suma 360°. [86]
Con una altitud de aproximadamente 20.200 km (12.600 mi) y un radio orbital de aproximadamente 26.600 km (16.500 mi), [87] cada SV realiza dos órbitas completas cada día sideral , repitiendo la misma trayectoria terrestre cada día. [88] Esto fue muy útil durante el desarrollo porque, incluso con solo cuatro satélites, la alineación correcta significa que los cuatro son visibles desde un punto durante algunas horas cada día. Para operaciones militares, la repetición de la trayectoria terrestre se puede utilizar para garantizar una buena cobertura en zonas de combate.
A febrero de 2019 [update], [89] hay 31 satélites en la constelación GPS , 27 de los cuales están en uso en un momento dado y el resto asignados como de reserva. Se lanzó un 32.º en 2018, pero a julio de 2019 todavía está en evaluación. Hay más satélites fuera de servicio en órbita y disponibles como repuestos. Los satélites adicionales mejoran la precisión de los cálculos del receptor GPS al proporcionar mediciones redundantes. Con el aumento del número de satélites, la constelación se cambió a una disposición no uniforme. Se demostró que dicha disposición mejora la precisión, pero también mejora la confiabilidad y la disponibilidad del sistema, en relación con un sistema uniforme, cuando fallan varios satélites. [90] Con la constelación ampliada, nueve satélites suelen ser visibles en cualquier momento desde cualquier punto de la Tierra con un horizonte despejado, lo que garantiza una redundancia considerable sobre los cuatro satélites mínimos necesarios para una posición.
El segmento de control (CS) está compuesto por:
El MCS también puede acceder a las antenas terrestres de la Red de Control Satelital (SCN) (para capacidad adicional de comando y control) y a las estaciones de monitorización NGA ( Agencia Nacional de Inteligencia Geoespacial ). Las rutas de vuelo de los satélites son rastreadas por estaciones de monitorización dedicadas de la Fuerza Espacial de los EE. UU. en Hawái, el atolón de Kwajalein , la isla Ascensión , Diego García , Colorado Springs, Colorado y Cabo Cañaveral , junto con estaciones de monitorización NGA compartidas operadas en Inglaterra, Argentina, Ecuador, Bahréin, Australia y Washington DC. [91] La información de seguimiento se envía al MCS en la Base de la Fuerza Espacial Schriever a 25 km (16 mi) ESE de Colorado Springs, que es operada por el 2.º Escuadrón de Operaciones Espaciales (2 SOPS) de la Fuerza Espacial de los EE. UU. Luego, 2 SOPS contacta regularmente a cada satélite GPS con una actualización de navegación utilizando antenas terrestres dedicadas o compartidas (AFSCN) (las antenas terrestres dedicadas de GPS están ubicadas en Kwajalein , la isla Ascensión , Diego García y Cabo Cañaveral ). Estas actualizaciones sincronizan los relojes atómicos a bordo de los satélites con una diferencia de unos pocos nanosegundos entre sí y ajustan las efemérides del modelo orbital interno de cada satélite. Las actualizaciones se crean mediante un filtro Kalman que utiliza información procedente de las estaciones de vigilancia terrestre, información meteorológica espacial y otras fuentes. [92]
Cuando se ajusta la órbita de un satélite, este se marca como no saludable , por lo que los receptores no lo utilizan. Después de la maniobra, los ingenieros rastrean la nueva órbita desde tierra, cargan las nuevas efemérides y marcan el satélite como saludable nuevamente.
El segmento de control de operaciones (OCS) actualmente funciona como segmento de control de registro. Proporciona la capacidad operativa que respalda a los usuarios del GPS y mantiene el GPS operativo y funcionando dentro de las especificaciones.
En septiembre de 2007, OCS reemplazó con éxito la computadora central heredada de la década de 1970 en la Base de la Fuerza Aérea Schriever. Después de la instalación, el sistema ayudó a permitir actualizaciones y proporcionó una base para una nueva arquitectura de seguridad que respaldaba a las fuerzas armadas de los EE. UU.
El OCS seguirá siendo el sistema de control terrestre de referencia hasta que el nuevo segmento, el sistema de control de operaciones GPS de próxima generación [8] (OCX), esté completamente desarrollado y en funcionamiento. El Departamento de Defensa de los EE. UU. ha afirmado que las nuevas capacidades proporcionadas por el OCX serán la piedra angular para revolucionar las capacidades de misión del GPS, permitiendo a la Fuerza Espacial de los EE. UU. mejorar en gran medida los servicios operativos del GPS para las fuerzas de combate de los EE. UU., los socios civiles y una miríada de usuarios nacionales e internacionales. [93] [94] El programa GPS OCX también reducirá los costos, el cronograma y el riesgo técnico. Está diseñado para proporcionar un ahorro del 50% [95] en los costos de mantenimiento a través de una arquitectura de software eficiente y una logística basada en el rendimiento. Además, se espera que el GPS OCX cueste millones menos que el costo de actualizar el OCS, al tiempo que proporciona cuatro veces la capacidad.
El programa GPS OCX representa una parte fundamental de la modernización del GPS y proporciona mejoras significativas en la garantía de la información con respecto al programa GPS OCS actual.
El 14 de septiembre de 2011, [96] la Fuerza Aérea de los EE. UU. anunció la finalización de la Revisión Preliminar del Diseño del GPS OCX y confirmó que el programa OCX está listo para la siguiente fase de desarrollo. El programa GPS OCX no logró cumplir con los hitos principales y retrasó su lanzamiento hasta 2021, 5 años después de la fecha límite original. Según la Oficina de Contabilidad del Gobierno en 2019, la fecha límite de 2021 parecía inestable. [97]
El proyecto se mantuvo retrasado en 2023 y (a junio de 2023) superó en un 73 % su presupuesto estimado original. [98] [99] A fines de 2023, Frank Calvelli, el secretario adjunto de la Fuerza Aérea para adquisiciones e integración espacial, declaró que se estimaba que el proyecto comenzaría a funcionar en algún momento durante el verano de 2024. [100]
El segmento de usuarios (US) está compuesto por cientos de miles de usuarios militares estadounidenses y aliados del Servicio de Posicionamiento Preciso GPS seguro, y decenas de millones de usuarios civiles, comerciales y científicos del Servicio de Posicionamiento Estándar. En general, los receptores GPS están compuestos por una antena, sintonizada a las frecuencias transmitidas por los satélites, receptores-procesadores y un reloj altamente estable (a menudo un oscilador de cristal ). También pueden incluir una pantalla para proporcionar información de ubicación y velocidad al usuario.
Los receptores GPS pueden incluir una entrada para correcciones diferenciales, utilizando el formato RTCM SC-104. Esto suele ser en forma de un puerto RS-232 a una velocidad de 4.800 bit/s. Los datos se envían a una velocidad mucho menor, lo que limita la precisión de la señal enviada mediante RTCM. [ cita requerida ] Los receptores con receptores DGPS internos pueden superar a los que utilizan datos RTCM externos. [ cita requerida ] A partir de 2006 [update], incluso las unidades de bajo coste suelen incluir receptores WAAS ( Wide Area Augmentation System ).
Muchos receptores GPS pueden transmitir datos de posición a una PC u otro dispositivo mediante el protocolo NMEA 0183. Aunque este protocolo está definido oficialmente por la Asociación Nacional de Electrónica Marina (NMEA), [101] se han recopilado referencias a este protocolo a partir de registros públicos, lo que permite que herramientas de código abierto como gpsd lean el protocolo sin violar las leyes de propiedad intelectual. [ aclaración necesaria ] También existen otros protocolos propietarios, como los protocolos SiRF y MTK . Los receptores pueden interactuar con otros dispositivos mediante métodos que incluyen una conexión en serie, USB o Bluetooth .
Aunque originalmente fue un proyecto militar, el GPS se considera una tecnología de doble uso , lo que significa que también tiene importantes aplicaciones civiles.
El GPS se ha convertido en una herramienta ampliamente utilizada y útil para el comercio, los usos científicos, el seguimiento y la vigilancia. La precisión horaria del GPS facilita las actividades cotidianas, como las operaciones bancarias, las operaciones de telefonía móvil e incluso el control de las redes eléctricas, al permitir una conmutación de señales bien sincronizada. [79]
Muchas aplicaciones civiles utilizan uno o más de los tres componentes básicos del GPS: ubicación absoluta, movimiento relativo y transferencia de tiempo.
El gobierno de Estados Unidos controla la exportación de algunos receptores civiles. Todos los receptores GPS capaces de funcionar a más de 18 km sobre el nivel del mar y a 500 m/s (2000 km/h; 1000 mph) o diseñados o modificados para su uso con misiles no tripulados y aeronaves están clasificados como municiones (armas), lo que significa que requieren licencias de exportación del Departamento de Estado . [131] Esta regla se aplica incluso a unidades puramente civiles que solo reciben la frecuencia L1 y el código C/A (Coarse/Acquisition).
La desactivación del funcionamiento por encima de estos límites exime al receptor de la clasificación como munición. Las interpretaciones de los proveedores difieren. La norma se refiere al funcionamiento tanto a la altitud como a la velocidad objetivo, pero algunos receptores dejan de funcionar incluso cuando están parados. Esto ha causado problemas con algunos lanzamientos de globos de radioaficionados que alcanzan regularmente los 30 km (100.000 pies).
Estos límites sólo se aplican a las unidades o componentes exportados desde los Estados Unidos. Existe un comercio creciente de diversos componentes, incluidas unidades GPS de otros países. Estas se venden expresamente sin ITAR .
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A partir de 2009, las aplicaciones militares del GPS incluyen:
La navegación de tipo GPS se utilizó por primera vez en la guerra del Golfo Pérsico de 1991 , antes de que el GPS se desarrollara por completo en 1995, para ayudar a las Fuerzas de la Coalición a navegar y realizar maniobras en la guerra. La guerra también demostró la vulnerabilidad del GPS a las interferencias , cuando las fuerzas iraquíes instalaron dispositivos de interferencia en objetivos probables que emitían ruido de radio, interrumpiendo la recepción de la débil señal GPS. [138]
La vulnerabilidad del GPS a las interferencias es una amenaza que sigue creciendo a medida que aumenta el equipo y la experiencia en interferencias. [139] [140] Se ha informado de que las señales GPS han sido bloqueadas muchas veces a lo largo de los años con fines militares. Rusia parece tener varios objetivos para este enfoque, como intimidar a los vecinos mientras socava la confianza en su dependencia de los sistemas estadounidenses, promover su alternativa GLONASS, interrumpir los ejercicios militares occidentales y proteger los activos de los drones. [141] China utiliza interferencias para disuadir a los aviones de vigilancia estadounidenses cerca de las disputadas Islas Spratly . [142] Corea del Norte ha montado varias operaciones de interferencia importantes cerca de su frontera con Corea del Sur y en alta mar, interrumpiendo vuelos, envíos y operaciones pesqueras. [143] Las Fuerzas Armadas iraníes interrumpieron el GPS del avión de pasajeros civil Flight PS752 cuando derribó la aeronave. [144] [145]
En la guerra ruso-ucraniana , las municiones guiadas por GPS proporcionadas a Ucrania por los países de la OTAN experimentaron importantes tasas de fallos como resultado de la guerra electrónica rusa. La tasa de eficacia de los proyectiles de artillería Excalibur en el impacto de los objetivos se redujo del 70% al 6% a medida que Rusia adaptaba sus actividades de guerra electrónica. [146]
Mientras que la mayoría de los relojes derivan su hora del Tiempo Universal Coordinado (UTC), los relojes atómicos de los satélites están configurados según la hora GPS . La diferencia es que la hora GPS no se corrige para que coincida con la rotación de la Tierra, por lo que no contiene nuevos segundos intercalares ni otras correcciones que se añaden periódicamente a la UTC. La hora GPS se estableció para que coincidiera con la UTC en 1980, pero desde entonces ha divergido. La falta de correcciones significa que la hora GPS permanece con un desfase constante con respecto al Tiempo Atómico Internacional (TAI) (TAI - GPS = 19 segundos). Se realizan correcciones periódicas a los relojes de a bordo para mantenerlos sincronizados con los relojes terrestres. [77] : Sección 1.2.2
El mensaje de navegación GPS incluye la diferencia entre la hora GPS y la UTC. A partir de enero de 2017, [update]la hora GPS está 18 segundos por delante de la UTC debido al segundo intercalar añadido a la UTC el 31 de diciembre de 2016. [147] Los receptores restan esta diferencia a la hora GPS para calcular la UTC y los valores de zona horaria específica. Es posible que las nuevas unidades GPS no muestren la hora UTC correcta hasta después de recibir el mensaje de diferencia UTC. El campo de diferencia GPS-UTC puede alojar 255 segundos intercalares (ocho bits).
El tiempo GPS es teóricamente preciso hasta aproximadamente 14 nanosegundos, debido a la desviación del reloj con respecto al Tiempo Atómico Internacional que experimentan los relojes atómicos en los transmisores GPS. [148] La mayoría de los receptores pierden algo de precisión en su interpretación de las señales y solo son precisos hasta aproximadamente 100 nanosegundos. [149] [150]
El GPS implementa dos correcciones importantes en sus señales de tiempo para efectos relativistas: una para la velocidad relativa del satélite y el receptor, utilizando la teoría especial de la relatividad, y otra para la diferencia de potencial gravitatorio entre el satélite y el receptor, utilizando la relatividad general. La aceleración del satélite también podría calcularse independientemente como una corrección, dependiendo del propósito, pero normalmente el efecto ya se aborda en las dos primeras correcciones. [151] [152]
A diferencia del formato de año, mes y día del calendario gregoriano , la fecha GPS se expresa como un número de semana y un número de segundos dentro de la semana. El número de semana se transmite como un campo de diez bits en los mensajes de navegación C/A y P(Y), y así se convierte en cero nuevamente cada 1024 semanas (19,6 años). La semana cero del GPS comenzó a las 00:00:00 UTC (00:00:19 TAI) el 6 de enero de 1980, y el número de semana se convirtió en cero nuevamente por primera vez a las 23:59:47 UTC el 21 de agosto de 1999 (00:00:19 TAI el 22 de agosto de 1999). Ocurrió la segunda vez a las 23:59:42 UTC el 6 de abril de 2019. Para determinar la fecha gregoriana actual, se debe proporcionar a un receptor GPS la fecha aproximada (con una precisión de 3584 días) para traducir correctamente la señal de fecha del GPS. Para abordar esta preocupación en el futuro, el mensaje de navegación civil GPS modernizado (CNAV) utilizará un campo de 13 bits que solo se repite cada 8.192 semanas (157 años), por lo que durará hasta 2137 (157 años después de la semana cero del GPS).
Las señales de navegación transmitidas por los satélites GPS codifican una variedad de información, incluidas las posiciones de los satélites, el estado de los relojes internos y la salud de la red. Estas señales se transmiten en dos frecuencias portadoras separadas que son comunes a todos los satélites de la red. Se utilizan dos codificaciones diferentes: una codificación pública que permite una navegación de menor resolución y una codificación cifrada utilizada por el ejército de los EE. UU. [153]
Cada satélite GPS transmite continuamente un mensaje de navegación en las frecuencias L1 (C/A y P/Y) y L2 (P/Y) a una velocidad de 50 bits por segundo (ver bitrate ). Cada mensaje completo tarda 750 segundos ( 12+1 ⁄ 2 minutos) para completarse. La estructura del mensaje tiene un formato básico de una trama de 1500 bits de longitud formada por cinco subtramas, cada una de las cuales tiene una longitud de 300 bits (6 segundos). Las subtramas 4 y 5 se subconmutan 25 veces cada una, de modo que un mensaje de datos completo requiere la transmisión de 25 tramas completas. Cada subtrama consta de diez palabras, cada una de 30 bits de longitud. Por lo tanto, con 300 bits en una subtrama multiplicado por 5 subtramas en una trama multiplicado por 25 tramas en un mensaje, cada mensaje tiene una longitud de 37 500 bits. A una velocidad de transmisión de 50 bits/s, esto da 750 segundos para transmitir un mensaje de almanaque completo (GPS) . Cada trama de 30 segundos comienza exactamente en el minuto o medio minuto que indica el reloj atómico de cada satélite. [154]
El primer submarco de cada marco codifica el número de semana y el tiempo dentro de la semana, [155] así como los datos sobre la salud del satélite. El segundo y tercer submarcos contienen las efemérides – la órbita precisa del satélite. El cuarto y quinto submarcos contienen el almanaque , que contiene información aproximada sobre la órbita y el estado de hasta 32 satélites en la constelación, así como datos relacionados con la corrección de errores. Por lo tanto, para obtener una ubicación precisa del satélite a partir de este mensaje transmitido, el receptor debe demodular el mensaje de cada satélite que incluye en su solución durante 18 a 30 segundos. Para recopilar todos los almanaques transmitidos, el receptor debe demodular el mensaje durante 732 a 750 segundos o 12+1 ⁄ 2 minutos. [156]
Todos los satélites transmiten en las mismas frecuencias, codificando las señales mediante un sistema único de acceso múltiple por división de código (CDMA) para que los receptores puedan distinguir los satélites individuales entre sí. El sistema utiliza dos tipos distintos de codificación CDMA: el código de adquisición (C/A), al que puede acceder el público en general, y el código preciso (P(Y)), que está encriptado para que sólo puedan acceder a él el ejército de los EE. UU. y otras naciones de la OTAN a las que se les ha dado acceso al código de encriptación. [157]
Las efemérides se actualizan cada 2 horas y son suficientemente estables durante 4 horas, con previsiones para actualizaciones cada 6 horas o más en condiciones no nominales. El almanaque se actualiza normalmente cada 24 horas. Además, se cargan los datos de algunas semanas posteriores en caso de actualizaciones de transmisión que retrasen la carga de datos. [ cita requerida ]
Todos los satélites transmiten en las mismas dos frecuencias, 1,57542 GHz (señal L1) y 1,2276 GHz (señal L2). La red de satélites utiliza una técnica de espectro ensanchado CDMA [158] : 607 donde los datos de mensajes de baja tasa de bits se codifican con una secuencia pseudoaleatoria (PRN) de alta tasa que es diferente para cada satélite. El receptor debe conocer los códigos PRN de cada satélite para reconstruir los datos reales del mensaje. El código C/A, para uso civil, transmite datos a 1,023 millones de chips por segundo, mientras que el código P, para uso militar de EE. UU., transmite a 10,23 millones de chips por segundo. La referencia interna real de los satélites es 10,22999999543 MHz para compensar los efectos relativistas [159] [160] que hacen que los observadores en la Tierra perciban una referencia temporal diferente con respecto a los transmisores en órbita. La portadora L1 se modula mediante los códigos C/A y P, mientras que la portadora L2 solo se modula mediante el código P. [86] El código P se puede cifrar como un código denominado P(Y), que solo está disponible para equipos militares con una clave de descifrado adecuada. Tanto el código C/A como el P(Y) transmiten la hora exacta al usuario.
La señal L3 a una frecuencia de 1,38105 GHz se utiliza para transmitir datos desde los satélites a las estaciones terrestres. Estos datos son utilizados por el Sistema de Detección de Detonaciones Nucleares (NUDET) de los Estados Unidos (USNDS) para detectar, localizar y notificar detonaciones nucleares (NUDET) en la atmósfera de la Tierra y en el espacio cercano. [161] Uno de los usos es la aplicación de los tratados de prohibición de pruebas nucleares.
Se está estudiando la banda L4 en 1,379913 GHz para una corrección ionosférica adicional. [158] : 607
La banda de frecuencia L5 a 1,17645 GHz se agregó en el proceso de modernización del GPS . Esta frecuencia se encuentra en un rango protegido internacionalmente para la navegación aeronáutica, lo que promete poca o ninguna interferencia en todas las circunstancias. El primer satélite Block IIF que proporciona esta señal se lanzó en mayo de 2010. [162] El 5 de febrero de 2016, se lanzó el duodécimo y último satélite Block IIF. [163] El L5 consta de dos componentes portadores que están en cuadratura de fase entre sí. Cada componente portador está modulado por un tren de bits independiente mediante una clave de desplazamiento bifásico (BPSK). "L5, la tercera señal GPS civil, eventualmente respaldará aplicaciones de seguridad de la vida para la aviación y brindará una disponibilidad y precisión mejoradas". [164]
En 2011, se otorgó una exención condicional a LightSquared para operar un servicio de banda ancha terrestre cerca de la banda L1. Aunque LightSquared había solicitado una licencia para operar en la banda de 1525 a 1559 en 2003 y se publicó para comentarios públicos, la FCC le pidió a LightSquared que formara un grupo de estudio con la comunidad GPS para probar los receptores GPS e identificar problemas que pudieran surgir debido a la mayor potencia de señal de la red terrestre de LightSquared. La comunidad GPS no había objetado las solicitudes de LightSquared (anteriormente MSV y SkyTerra) hasta noviembre de 2010, cuando LightSquared solicitó una modificación a su autorización de Componente Terrestre Auxiliar (ATC). Esta presentación (SAT-MOD-20101118-00239) equivalía a una solicitud para hacer funcionar varios órdenes de magnitud más de potencia en la misma banda de frecuencia para estaciones base terrestres, reutilizando esencialmente lo que se suponía que era un "vecindario tranquilo" para señales del espacio como el equivalente de una red celular. Las pruebas realizadas en la primera mitad de 2011 han demostrado que el impacto de los 10 MHz inferiores del espectro es mínimo para los dispositivos GPS (menos del 1% del total de dispositivos GPS se ven afectados). Los 10 MHz superiores destinados a ser utilizados por LightSquared pueden tener algún impacto en los dispositivos GPS. Existe cierta preocupación de que esto pueda degradar seriamente la señal GPS para muchos usos de los consumidores. [165] [166] La revista Aviation Week informa que las últimas pruebas (junio de 2011) confirman una "interferencia significativa" del GPS por parte del sistema de LightSquared. [167]
Because all of the satellite signals are modulated onto the same L1 carrier frequency, the signals must be separated after demodulation. This is done by assigning each satellite a unique binary sequence known as a Gold code. The signals are decoded after demodulation using addition of the Gold codes corresponding to the satellites monitored by the receiver.[168][169]
If the almanac information has previously been acquired, the receiver picks the satellites to listen for by their PRNs, unique numbers in the range 1 through 32. If the almanac information is not in memory, the receiver enters a search mode until a lock is obtained on one of the satellites. To obtain a lock, it is necessary that there be an unobstructed line of sight from the receiver to the satellite. The receiver can then acquire the almanac and determine the satellites it should listen for. As it detects each satellite's signal, it identifies it by its distinct C/A code pattern. There can be a delay of up to 30 seconds before the first estimate of position because of the need to read the ephemeris data.
Processing of the navigation message enables the determination of the time of transmission and the satellite position at this time. For more information see Demodulation and Decoding, Advanced.
The receiver uses messages received from satellites to determine the satellite positions and time sent. The x, y, and z components of satellite position and the time sent (s) are designated as [xi, yi, zi, si] where the subscript i denotes the satellite and has the value 1, 2, ..., n, where n ≥ 4. When the time of message reception indicated by the on-board receiver clock is , the true reception time is , where b is the receiver's clock bias from the much more accurate GPS clocks employed by the satellites. The receiver clock bias is the same for all received satellite signals (assuming the satellite clocks are all perfectly synchronized). The message's transit time is , where si is the satellite time. Assuming the message traveled at the speed of light, c, the distance traveled is .
For n satellites, the equations to satisfy are:
where di is the geometric distance or range between receiver and satellite i (the values without subscripts are the x, y, and z components of receiver position):
Defining pseudoranges as , we see they are biased versions of the true range:
Since the equations have four unknowns [x, y, z, b]—the three components of GPS receiver position and the clock bias—signals from at least four satellites are necessary to attempt solving these equations. They can be solved by algebraic or numerical methods. Existence and uniqueness of GPS solutions are discussed by Abell and Chaffee.[73] When n is greater than four, this system is overdetermined and a fitting method must be used.
The amount of error in the results varies with the received satellites' locations in the sky, since certain configurations (when the received satellites are close together in the sky) cause larger errors. Receivers usually calculate a running estimate of the error in the calculated position. This is done by multiplying the basic resolution of the receiver by quantities called the geometric dilution of position (GDOP) factors, calculated from the relative sky directions of the satellites used.[172] The receiver location is expressed in a specific coordinate system, such as latitude and longitude using the WGS 84 geodetic datum or a country-specific system.[173]
The GPS equations can be solved by numerical and analytical methods. Geometrical interpretations can enhance the understanding of these solution methods.
The measured ranges, called pseudoranges, contain clock errors. In a simplified idealization in which the ranges are synchronized, these true ranges represent the radii of spheres, each centered on one of the transmitting satellites. The solution for the position of the receiver is then at the intersection of the surfaces of these spheres; see trilateration (more generally, true-range multilateration). Signals from at minimum three satellites are required, and their three spheres would typically intersect at two points.[174] One of the points is the location of the receiver, and the other moves rapidly in successive measurements and would not usually be on Earth's surface.
In practice, there are many sources of inaccuracy besides clock bias, including random errors as well as the potential for precision loss from subtracting numbers close to each other if the centers of the spheres are relatively close together. This means that the position calculated from three satellites alone is unlikely to be accurate enough. Data from more satellites can help because of the tendency for random errors to cancel out and also by giving a larger spread between the sphere centers. But at the same time, more spheres will not generally intersect at one point. Therefore, a near intersection gets computed, typically via least squares. The more signals available, the better the approximation is likely to be.
If the pseudorange between the receiver and satellite i and the pseudorange between the receiver and satellite j are subtracted, pi − pj, the common receiver clock bias (b) cancels out, resulting in a difference of distances di − dj. The locus of points having a constant difference in distance to two points (here, two satellites) is a hyperbola on a plane and a hyperboloid of revolution (more specifically, a two-sheeted hyperboloid) in 3D space (see Multilateration). Thus, from four pseudorange measurements, the receiver can be placed at the intersection of the surfaces of three hyperboloids each with foci at a pair of satellites. With additional satellites, the multiple intersections are not necessarily unique, and a best-fitting solution is sought instead.[73][74][175][176][177][178]
The receiver position can be interpreted as the center of an inscribed sphere (insphere) of radius bc, given by the receiver clock bias b (scaled by the speed of light c). The insphere location is such that it touches other spheres. The circumscribing spheres are centered at the GPS satellites, whose radii equal the measured pseudoranges pi. This configuration is distinct from the one described above, in which the spheres' radii were the unbiased or geometric ranges di.[177]: 36–37 [179]
The clock in the receiver is usually not of the same quality as the ones in the satellites and will not be accurately synchronized to them. This produces pseudoranges with large differences compared to the true distances to the satellites. Therefore, in practice, the time difference between the receiver clock and the satellite time is defined as an unknown clock bias b. The equations are then solved simultaneously for the receiver position and the clock bias. The solution space [x, y, z, b] can be seen as a four-dimensional spacetime, and signals from at minimum four satellites are needed. In that case each of the equations describes a hypercone (or spherical cone),[180] with the cusp located at the satellite, and the base a sphere around the satellite. The receiver is at the intersection of four or more of such hypercones.
When more than four satellites are available, the calculation can use the four best, or more than four simultaneously (up to all visible satellites), depending on the number of receiver channels, processing capability, and geometric dilution of precision (GDOP).
Using more than four involves an over-determined system of equations with no unique solution; such a system can be solved by a least-squares or weighted least squares method.[170]
Both the equations for four satellites, or the least squares equations for more than four, are non-linear and need special solution methods. A common approach is by iteration on a linearized form of the equations, such as the Gauss–Newton algorithm.
The GPS was initially developed assuming use of a numerical least-squares solution method—i.e., before closed-form solutions were found.
One closed-form solution to the above set of equations was developed by S. Bancroft.[171][181] Its properties are well known;[73][74][182] in particular, proponents claim it is superior in low-GDOP situations, compared to iterative least squares methods.[181]
Bancroft's method is algebraic, as opposed to numerical, and can be used for four or more satellites. When four satellites are used, the key steps are inversion of a 4x4 matrix and solution of a single-variable quadratic equation. Bancroft's method provides one or two solutions for the unknown quantities. When there are two (usually the case), only one is a near-Earth sensible solution.[171]
When a receiver uses more than four satellites for a solution, Bancroft uses the generalized inverse (i.e., the pseudoinverse) to find a solution. A case has been made that iterative methods, such as the Gauss–Newton algorithm approach for solving over-determined non-linear least squares problems, generally provide more accurate solutions.[183]
Leick et al. (2015) states that "Bancroft's (1985) solution is a very early, if not the first, closed-form solution."[184]Other closed-form solutions were published afterwards,[185][186] although their adoption in practice is unclear.
GPS error analysis examines error sources in GPS results and the expected size of those errors. GPS makes corrections for receiver clock errors and other effects, but some residual errors remain uncorrected. Error sources include signal arrival time measurements, numerical calculations, atmospheric effects (ionospheric/tropospheric delays), ephemeris and clock data, multipath signals, and natural and artificial interference. Magnitude of residual errors from these sources depends on geometric dilution of precision. Artificial errors may result from jamming devices and threaten ships and aircraft[187] or from intentional signal degradation through selective availability, which limited accuracy to ≈ 6–12 m (20–40 ft), but has been switched off since May 1, 2000.[188][189]
GNSS enhancement refers to techniques used to improve the accuracy of positioning information provided by the Global Positioning System or other global navigation satellite systems in general, a network of satellites used for navigation.
Enhancement methods of improving accuracy rely on external information being integrated into the calculation process. There are many such systems in place and they are generally named or described based on how the GPS sensor receives the information. Some systems transmit additional information about sources of error (such as clock drift, ephemeris, or ionospheric delay), others provide direct measurements of how much the signal was off in the past, while a third group provides additional navigational or vehicle information to be integrated into the calculation process.In the United States, GPS receivers are regulated under the Federal Communications Commission's (FCC) Part 15 rules. As indicated in the manuals of GPS-enabled devices sold in the United States, as a Part 15 device, it "must accept any interference received, including interference that may cause undesired operation".[190] With respect to GPS devices in particular, the FCC states that GPS receiver manufacturers "must use receivers that reasonably discriminate against reception of signals outside their allocated spectrum".[191] For the last 30 years, GPS receivers have operated next to the Mobile Satellite Service band, and have discriminated against reception of mobile satellite services, such as Inmarsat, without any issue.
The spectrum allocated for GPS L1 use by the FCC is 1559 to 1610 MHz, while the spectrum allocated for satellite-to-ground use owned by Lightsquared is the Mobile Satellite Service band.[192] Since 1996, the FCC has authorized licensed use of the spectrum neighboring the GPS band of 1525 to 1559 MHz to the Virginia company LightSquared. On March 1, 2001, the FCC received an application from LightSquared's predecessor, Motient Services, to use their allocated frequencies for an integrated satellite-terrestrial service.[193] In 2002, the U.S. GPS Industry Council came to an out-of-band-emissions (OOBE) agreement with LightSquared to prevent transmissions from LightSquared's ground-based stations from emitting transmissions into the neighboring GPS band of 1559 to 1610 MHz.[194] In 2004, the FCC adopted the OOBE agreement in its authorization for LightSquared to deploy a ground-based network ancillary to their satellite system – known as the Ancillary Tower Components (ATCs) – "We will authorize MSS ATC subject to conditions that ensure that the added terrestrial component remains ancillary to the principal MSS offering. We do not intend, nor will we permit, the terrestrial component to become a stand-alone service."[195] This authorization was reviewed and approved by the U.S. Interdepartment Radio Advisory Committee, which includes the U.S. Department of Agriculture, U.S. Space Force, U.S. Army, U.S. Coast Guard, Federal Aviation Administration, National Aeronautics and Space Administration (NASA), U.S. Department of the Interior, and U.S. Department of Transportation.[196]
In January 2011, the FCC conditionally authorized LightSquared's wholesale customers—such as Best Buy, Sharp, and C Spire—to only purchase an integrated satellite-ground-based service from LightSquared and re-sell that integrated service on devices that are equipped to only use the ground-based signal using LightSquared's allocated frequencies of 1525 to 1559 MHz.[197] In December 2010, GPS receiver manufacturers expressed concerns to the FCC that LightSquared's signal would interfere with GPS receiver devices[165] although the FCC's policy considerations leading up to the January 2011 order did not pertain to any proposed changes to the maximum number of ground-based LightSquared stations or the maximum power at which these stations could operate. The January 2011 order makes final authorization contingent upon studies of GPS interference issues carried out by a LightSquared led working group along with GPS industry and Federal agency participation. On February 14, 2012, the FCC initiated proceedings to vacate LightSquared's Conditional Waiver Order based on the NTIA's conclusion that there was currently no practical way to mitigate potential GPS interference.
GPS receiver manufacturers design GPS receivers to use spectrum beyond the GPS-allocated band. In some cases, GPS receivers are designed to use up to 400 MHz of spectrum in either direction of the L1 frequency of 1575.42 MHz, because mobile satellite services in those regions are broadcasting from space to ground, and at power levels commensurate with mobile satellite services.[198] As regulated under the FCC's Part 15 rules, GPS receivers are not warranted protection from signals outside GPS-allocated spectrum.[191] This is why GPS operates next to the Mobile Satellite Service band, and also why the Mobile Satellite Service band operates next to GPS. The symbiotic relationship of spectrum allocation ensures that users of both bands are able to operate cooperatively and freely.
The FCC adopted rules in February 2003 that allowed Mobile Satellite Service (MSS) licensees such as LightSquared to construct a small number of ancillary ground-based towers in their licensed spectrum to "promote more efficient use of terrestrial wireless spectrum".[199] In those 2003 rules, the FCC stated: "As a preliminary matter, terrestrial [Commercial Mobile Radio Service ('CMRS')] and MSS ATC are expected to have different prices, coverage, product acceptance and distribution; therefore, the two services appear, at best, to be imperfect substitutes for one another that would be operating in predominantly different market segments ... MSS ATC is unlikely to compete directly with terrestrial CMRS for the same customer base...". In 2004, the FCC clarified that the ground-based towers would be ancillary, noting: "We will authorize MSS ATC subject to conditions that ensure that the added terrestrial component remains ancillary to the principal MSS offering. We do not intend, nor will we permit, the terrestrial component to become a stand-alone service."[195] In July 2010, the FCC stated that it expected LightSquared to use its authority to offer an integrated satellite-terrestrial service to "provide mobile broadband services similar to those provided by terrestrial mobile providers and enhance competition in the mobile broadband sector".[200] GPS receiver manufacturers have argued that LightSquared's licensed spectrum of 1525 to 1559 MHz was never envisioned as being used for high-speed wireless broadband based on the 2003 and 2004 FCC ATC rulings making clear that the Ancillary Tower Component (ATC) would be, in fact, ancillary to the primary satellite component.[201] To build public support of efforts to continue the 2004 FCC authorization of LightSquared's ancillary terrestrial component vs. a simple ground-based LTE service in the Mobile Satellite Service band, GPS receiver manufacturer Trimble Navigation Ltd. formed the "Coalition To Save Our GPS".[202]
The FCC and LightSquared have each made public commitments to solve the GPS interference issue before the network is allowed to operate.[203][204] According to Chris Dancy of the Aircraft Owners and Pilots Association, airline pilots with the type of systems that would be affected "may go off course and not even realize it".[205] The problems could also affect the Federal Aviation Administration upgrade to the air traffic control system, United States Defense Department guidance, and local emergency services including 911.[205]
On February 14, 2012, the FCC moved to bar LightSquared's planned national broadband network after being informed by the National Telecommunications and Information Administration (NTIA), the federal agency that coordinates spectrum uses for the military and other federal government entities, that "there is no practical way to mitigate potential interference at this time".[206][207] LightSquared is challenging the FCC's action.[needs update]
Following the United States' deployment of GPS, other countries have also developed their own satellite navigation systems. These systems include:
Selective Availability ended a few minutes past midnight EDT after the end of May 1, 2000. The change occurred simultaneously across the entire satellite constellation.
