El Sistema de Posicionamiento Global ( GPS ), originalmente Navstar GPS , [2] es un sistema de radionavegación por satélite 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 proporciona geolocalización e información horaria a un receptor GPS en cualquier lugar de la Tierra o cerca de ella donde haya una línea de visión sin obstáculos hacia 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, cualquier persona con un receptor GPS puede acceder libremente a él. [5]
El proyecto GPS fue iniciado por el Departamento de Defensa de Estados Unidos en 1973. El primer prototipo de nave espacial se lanzó en 1978 y la constelación completa de 24 satélites entró en funcionamiento en 1993. Originalmente limitado al uso militar de los Estados Unidos, el uso civil estaba permitido desde el Década de 1980 tras una orden ejecutiva del presidente Ronald Reagan después del desastre del vuelo 007 de Korean Air Lines . [6] Los avances en tecnología y las nuevas demandas sobre el sistema existente ahora han llevado a esfuerzos para modernizar el GPS e implementar la próxima generación de satélites GPS Block IIIA y el Sistema de Control Operacional de Próxima Generación (OCX) [7] que fue autorizado por los EE. UU. Congreso en 2000.
Desde principios de la década de 1990, la precisión posicional del GPS fue degradada por el gobierno de los Estados Unidos utilizando una tecnología llamada Disponibilidad Selectiva , que podía degradar selectivamente o negar el acceso al sistema en cualquier momento, [8] como le ocurrió al ejército indio en 1999 durante la guerra de Kargil. Guerra . Como resultado, varias entidades no estadounidenses (incluidas Rusia , China , India , Japón y la Unión Europea ) han desarrollado o están desarrollando sus propios sistemas de navegación por satélite globales o regionales. La disponibilidad selectiva se suspendió el 1 de mayo de 2000, de acuerdo con un proyecto de ley promulgado por el presidente Bill Clinton . [9]
Cuando se suspendió la disponibilidad selectiva, el GPS tenía una precisión de aproximadamente 5 metros (16 pies). Los receptores GPS que utilizan la banda L5 tienen una precisión mucho mayor de 30 centímetros (12 pulgadas), mientras que aquellos para aplicaciones de alto nivel como ingeniería y agrimensura tienen una precisión de 2 cm ( 3 ⁄ 4 pulgadas) e incluso pueden proporcionar sub- Precisión milimétrica con mediciones a largo plazo. [9] [10] [11] Los dispositivos de consumo, como los teléfonos inteligentes, pueden tener una precisión de 4,9 m (16 pies) o más cuando se utilizan con servicios de asistencia como el posicionamiento Wi-Fi . [12]
En julio de 2023 [actualizar], 18 satélites GPS transmiten señales L5, que se consideran preoperativas antes de ser transmitidas por un complemento completo de 24 satélites en 2027. [13]
El proyecto GPS se lanzó en los Estados Unidos en 1973 para superar las limitaciones de los sistemas de navegación anteriores, [14] combinando ideas de varios predecesores, incluidos estudios de diseño de ingeniería clasificados de la década de 1960. El Departamento de Defensa de Estados Unidos desarrolló el sistema, que originalmente utilizaba 24 satélites, para uso del ejército de Estados Unidos, y entró en pleno funcionamiento en 1995. 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. [15] El trabajo de Gladys West en la creación del modelo matemático geodésico de la Tierra se considera fundamental en el desarrollo de técnicas computacionales para detectar posiciones de satélites con la precisión necesaria para el GPS. [16] [17]
El diseño del GPS se basa en parte en sistemas de radionavegación terrestres similares , como LORAN y el Decca Navigator , desarrollados a principios de la década de 1940.
En 1955, Friedwardt Winterberg propuso una prueba de relatividad general : detectar la desaceleración del tiempo en un fuerte campo gravitacional utilizando relojes atómicos precisos colocados en órbita dentro de satélites artificiales. La relatividad especial y general predijo que los relojes de los satélites GPS, observados por los de la Tierra, funcionan 38 microsegundos más rápido por día que los de la Tierra. El diseño del GPS corrige esta diferencia; porque sin hacerlo, las posiciones calculadas por GPS acumularían errores de hasta 10 kilómetros por día (6 mi/d). [18]
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. [19] En cuestión de horas se dieron cuenta de que, debido al efecto Doppler , podían señalar dónde se encontraba el satélite a lo largo de su órbita. El Director de la APL les dio acceso a su UNIVAC para realizar los pesados cálculos necesarios.
A principios del año siguiente, Frank McClure, subdirector de la APL, pidió a Guier y Weiffenbach que investigaran el problema inverso: localizar la ubicación del usuario, dada la del satélite. (En ese momento, la Armada estaba desarrollando el misil Polaris lanzado desde un submarino , lo que les exigía conocer la ubicación del submarino). Esto los llevó a ellos y a APL a desarrollar el sistema TRANSIT . [20] En 1959, ARPA (rebautizada como DARPA en 1972) también desempeñó un papel en TRANSIT. [21] [22] [23]
TRANSIT se probó con éxito por primera vez en 1960. [24] Utilizaba una constelación de cinco satélites y podía proporcionar una señal de navegación aproximadamente una vez por hora.
En 1967, la Marina de los EE. UU. 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, [25] se convirtió en el primer sistema de radionavegación mundial. 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 consideró una justificación para los miles de millones de dólares que costaría en investigación, desarrollo, despliegue y 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 fue la única necesidad que justificó este costo en opinión del Congreso de los Estados Unidos. Este efecto disuasorio es el motivo por el que se financió el GPS. También es la razón del ultrasecreto en ese momento. La tríada nuclear estaba formada por los misiles balísticos lanzados desde submarinos (SLBM) de la Armada de los Estados Unidos junto con los bombarderos estratégicos de la Fuerza Aérea de los Estados Unidos (USAF) y los misiles balísticos intercontinentales (ICBM). Considerada vital para la postura de disuasión nuclear , la determinación precisa de la posición de lanzamiento del SLBM fue un multiplicador de fuerza .
Una navegación precisa permitiría a los submarinos de misiles balísticos estadounidenses obtener una localización precisa de sus posiciones antes de lanzar sus SLBM. [26] La USAF, con dos tercios de la tríada nuclear, también tenía necesidades de un sistema de navegación más preciso y confiable. La Armada y la Fuerza Aérea de los EE. UU. 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 ), por lo que la necesidad de fijar la posición de lanzamiento era similar a la situación de los SLBM.
En 1960, la Fuerza Aérea propuso un sistema de radionavegación llamado MOSAIC (Sistema móvil para el control preciso de misiles balísticos intercontinentales) que era esencialmente un LORAN 3-D. En 1963 se realizó un estudio de seguimiento, el Proyecto 57, y fue "en este estudio donde nació el concepto de GPS". Ese mismo año, el concepto se desarrolló como Proyecto 621B, que tenía "muchos de los atributos que ahora se ven en el GPS" [27] y prometía una mayor precisión para los bombarderos de la Fuerza Aérea y los misiles balísticos intercontinentales.
Las actualizaciones del sistema Navy TRANSIT eran demasiado lentas para las altas velocidades de operación de la Fuerza Aérea. El Laboratorio de Investigación Naval (NRL) continuó avanzando con sus satélites Timation (Navegación en el Tiempo), lanzados por primera vez en 1967, el segundo en 1969, el tercero en 1974 que puso en órbita el primer reloj atómico y el cuarto lanzado en 1977. [28 ]
Otro predecesor 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 de intercalación secuencial de alcance ( SECOR ) utilizado para estudios geodésicos. [29] 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 fue lanzado en 1969. [30]
Con estos desarrollos paralelos en la década de 1960, se comprendió que se podía desarrollar un sistema superior sintetizando las mejores tecnologías de 621B, Transit, Timation y SECOR en un programa multiservicio. Había que resolver los errores de posición orbital de los satélites, inducidos por variaciones en el campo de gravedad y la refracción del radar, entre otros. Un equipo dirigido por Harold L Jury de la División Aeroespacial Panamericana en Florida de 1970 a 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. [31]
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 verdadera síntesis que se convirtió en GPS. Más tarde ese año, el programa DNSS recibió el nombre de Navstar. [32] Navstar a menudo se considera erróneamente un acrónimo de "Sistema de navegación que utiliza temporización y alcance", pero la Oficina del Programa Conjunto de GPS nunca lo consideró como tal (es posible que TRW alguna vez haya abogado por un sistema de navegación diferente que usara ese acrónimo). [33] Dado que los satélites individuales estaban asociados con el nombre Navstar (como con los predecesores Transit y Timation), se utilizó un nombre más completo para identificar la constelación de satélites Navstar, Navstar-GPS . [34] Entre 1978 y 1985 se lanzaron diez prototipos de satélites " Bloque I " (una unidad adicional fue destruida en un fallo de lanzamiento). [35]
El efecto de la ionosfera en la transmisión de radio se investigó en un laboratorio de geofísica del Laboratorio de Investigación de Cambridge de la Fuerza Aérea , rebautizado como Laboratorio de Investigación Geofísica de la Fuerza Aérea (AFGRL) en 1974. AFGRL desarrolló el modelo Klobuchar para calcular correcciones ionosféricas a la ubicación GPS. [36] Es de destacar el trabajo realizado por la científica espacial australiana Elizabeth Essex-Cohen en AFGRL en 1974. Estaba preocupada por la curvatura de las trayectorias de las ondas de radio ( refracción atmosférica ) que atraviesan la ionosfera desde los satélites NavSTAR. [37]
Después de que el vuelo 007 de Korean Air Lines , un Boeing 747 que transportaba a 269 personas, fuera derribado por un avión interceptor soviético después de extraviarse en un espacio aéreo prohibido debido a errores de navegación, [38] en las proximidades de las islas Sakhalin y Moneron , el presidente Ronald Reagan emitió una directiva hacer que el GPS esté disponible gratuitamente para uso civil, una vez que esté suficientemente desarrollado, como un bien común. [39] El primer satélite del Bloque II se lanzó el 14 de febrero de 1989, [40] y el satélite número 24 se lanzó en 1994. El costo del programa GPS en este momento, sin incluir el costo del equipo del usuario, pero sí los costos del lanzamientos de satélites, se ha estimado en 5 mil millones de dólares (equivalentes a 10 mil millones de dólares en 2022). [41]
Inicialmente, la señal de mayor calidad se reservaba para uso militar y la señal disponible para uso civil se degradaba intencionadamente, 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 brindar a los civiles la misma precisión que se brindaba a los militares. La directiva fue propuesta por el Secretario de Defensa estadounidense, 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. [42] La disponibilidad selectiva se eliminó de la arquitectura GPS a partir del GPS-III.
Desde su implementación, EE. UU. ha implementado varias mejoras al servicio GPS, incluidas nuevas señales para uso civil y mayor precisión e integridad para todos los usuarios, manteniendo al mismo tiempo la compatibilidad con los equipos GPS existentes. La modernización del sistema satelital ha sido una iniciativa continua del Departamento de Defensa de EE. UU. 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 superior a 3,5 metros (11 pies), [9] aunque muchos factores, como la calidad del receptor y la antena y los problemas atmosféricos, pueden afectar esta precisión.
El GPS es propiedad del gobierno de los Estados Unidos y está operado por él como recurso nacional. El Departamento de Defensa es el administrador del GPS. La Junta Ejecutiva Interinstitucional de GPS (IGEB) supervisó las cuestiones de política de GPS de 1996 a 2004. Después de eso, el Comité Ejecutivo Nacional de Posicionamiento, Navegación y Cronometraje basado en el espacio fue establecido por directiva presidencial en 2004 para asesorar y coordinar los departamentos y agencias federales en asuntos relacionados con el GPS y sistemas relacionados. [43] El comité ejecutivo está presidido conjuntamente por los Subsecretarios de Defensa y Transporte. Entre sus miembros se incluyen 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 del comité ejecutivo y el presidente de la FCC participa como enlace.
El Departamento de Defensa de EE. UU. está obligado por ley a "mantener un servicio de posicionamiento estándar (como se define en el plan federal de radionavegación y la especificación de señal del servicio de posicionamiento estándar) que estará disponible de forma continua en todo el mundo" y "desarrollar medidas para prevenir uso hostil del GPS y sus mejoras sin perturbar o degradar indebidamente los usos civiles".
El 10 de febrero de 1993, la Asociación Nacional de Aeronáutica seleccionó al equipo GPS como ganador del Trofeo Robert J. Collier de 1992 , el premio de aviación más prestigioso de Estados Unidos. Este equipo combina investigadores del Laboratorio de Investigación Naval, la USAF, Aerospace Corporation , 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 en 2003:
El desarrollador de GPS Roger L. Easton recibió la Medalla Nacional de Tecnología el 13 de febrero de 2006. [66]
Francis X. Kane (Coronel USAF, retirado) fue incluido en el Salón de la Fama de los Pioneros de Misiles y Espacio de la Fuerza Aérea de EE. UU. en Lackland AFB, San Antonio, Texas, el 2 de marzo de 2010, por su papel en el desarrollo de tecnología espacial y la ingeniería. concepto de diseño de 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 . [67]
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 Premios y Honores 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. [68]
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. [69]
El 12 de febrero de 2019, cuatro miembros fundadores del proyecto recibieron el Premio Reina Isabel de Ingeniería y el presidente de la junta de premios 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, en gran medida, la infraestructura de nuestro mundo". [70]
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 a la hora de referencia mantenida en las estaciones terrestres se corrige periódicamente. [71] Dado que la velocidad de las ondas de radio ( velocidad de la luz ) [72] 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 desde el satélite. a la estación terrestre. Con la información de distancia recopilada de múltiples estaciones terrestres, se pueden calcular con gran precisión las coordenadas de ubicación de cualquier satélite en cualquier momento.
Cada satélite GPS lleva un registro preciso de su propia posición y hora, y transmite esos datos continuamente. Basándose en los datos recibidos de múltiples satélites GPS , el receptor GPS de un usuario final puede calcular su propia posición en cuatro dimensiones en el espacio-tiempo ; Sin embargo, como mínimo, el receptor debe tener a la vista cuatro satélites para que pueda calcular cuatro cantidades desconocidas (tres coordenadas de posición y la desviación de su propio reloj con respecto a la hora del satélite). [73]
Cada satélite GPS emite continuamente una señal ( onda portadora con modulación ) que incluye:
Conceptualmente, el receptor mide los TOA (según su propio reloj) de cuatro señales de satélite. 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 alcances del receptor-satélite más la diferencia de tiempo entre el receptor y los satélites GPS multiplicada por la velocidad de la luz. que se denominan pseudorangos. Luego, 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 desplazamiento del reloj del receptor con respecto a la hora del GPS se calculan simultáneamente, utilizando las ecuaciones de navegación para procesar los TOF.
La ubicación de la solución centrada en la Tierra del receptor generalmente se convierte a latitud , longitud y altura en relación con un modelo terrestre elipsoidal. Luego, la altura se puede convertir en altura relativa al geoide , que es esencialmente el nivel medio del mar. Estas coordenadas pueden mostrarse, como en una visualización de mapa en movimiento , o grabarse o usarse mediante 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 medición. Cada TDOA corresponde a un hiperboloide de revolución (ver Multilateración ). La línea que conecta los dos satélites involucrados (y sus extensiones) forma el eje del hiperboloide. El receptor está situado en el punto donde se cruzan tres hiperboloides. [74] [75]
A veces se dice incorrectamente que la ubicación del usuario está en la intersección de tres esferas. Si bien es más sencillo de visualizar, este es el caso sólo si el receptor tiene un reloj sincronizado con los relojes de los satélites (es decir, el receptor mide los alcances verdaderos de los satélites en lugar de las diferencias de alcance). Existen marcadas ventajas de rendimiento para el usuario que lleva un reloj sincronizado con los satélites. Lo más importante es que sólo 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 de un 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, aprovechando de hecho el hecho de que las posiciones sucesivas del receptor suelen estar cercanas entre sí. 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 del tiempo, (b) rechazar mediciones erróneas y (c) estimar la velocidad y dirección del receptor.
La desventaja de un rastreador es que los cambios en velocidad o dirección sólo 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 posición. Las unidades GPS pueden utilizar mediciones del desplazamiento Doppler de las señales recibidas para calcular la velocidad con precisión. [76] 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 que marca 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 para GPS, como la transferencia de tiempo , la sincronización de señales de tráfico y la sincronización de estaciones base de teléfonos celulares , hacen uso de esta sincronización económica y altamente precisa. Algunas aplicaciones de GPS utilizan este tiempo para la visualización o, salvo para los cálculos de posición básicos, no lo utilizan en absoluto.
Aunque para el funcionamiento normal se necesitan cuatro satélites, en casos especiales se utilizan menos. Si ya se conoce una variable, un receptor puede determinar su posición utilizando sólo 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 ser conocida. [a] Algunos receptores GPS pueden utilizar pistas o suposiciones adicionales, como reutilizar la última altitud conocida, navegación a estima , navegación inercial o incluir información de la computadora del vehículo, para proporcionar una posición (posiblemente degradada) cuando hay menos de cuatro satélites visibles. [77] [78] [79]
El GPS actual consta de tres segmentos principales. Estos son el segmento espacial, un segmento de control y un segmento de usuario. [52] La Fuerza Espacial de EE. UU. 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. [80]
El segmento espacial (SS) está compuesto por entre 24 y 32 satélites, o vehículos espaciales (SV), en órbita terrestre media , y también incluye los adaptadores de carga útil a los propulsores necesarios para ponerlos en órbita. El diseño del GPS requería originalmente 24 SV, ocho cada uno en tres órbitas aproximadamente circulares , [81] pero esto se modificó a seis planos orbitales con cuatro satélites cada uno. [82] Los seis planos orbitales tienen aproximadamente 55° de inclinación (inclinación relativa al ecuador de la Tierra ) y están separados por una ascensión recta de 60° del nodo ascendente (ángulo a lo largo del ecuador desde un punto de referencia hasta la intersección de la órbita). [83] El período orbital es la mitad de un día sidéreo , es decir , 11 horas y 58 minutos, de modo que los satélites pasan por los mismos lugares [84] o casi los mismos lugares [85] todos los días. Las órbitas están dispuestas de manera que al menos seis satélites estén siempre dentro del campo de visión desde cualquier lugar de la superficie de la Tierra (ver animación a la derecha). [86] 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°. [87]
Orbitando a una altitud de aproximadamente 20.200 km (12.600 millas); Con un radio orbital de aproximadamente 26.600 km (16.500 mi), [88] cada SV realiza dos órbitas completas cada día sidéreo , repitiendo el mismo recorrido terrestre cada día. [89] Esto fue muy útil durante el desarrollo porque incluso con solo cuatro satélites, la alineación correcta significa que los cuatro son visibles desde un lugar durante algunas horas cada día. Para operaciones militares, la repetición del seguimiento en tierra se puede utilizar para garantizar una buena cobertura en las zonas de combate.
En febrero de 2019 [update], [90] hay 31 satélites en la constelación GPS , 27 de los cuales están en uso en un momento dado y el resto está asignado como reserva. En 2018 se lanzó un número 32, pero en julio de 2019 todavía está en evaluación. Hay más satélites desmantelados 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 cambió a una disposición no uniforme. Se demostró que una disposición de este tipo mejora la precisión, pero también mejora la confiabilidad y disponibilidad del sistema, en relación con un sistema uniforme, cuando fallan varios satélites. [91] 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 el mínimo de cuatro satélites necesarios para una posición.
El segmento de control (CS) está compuesto por:
El MCS también puede acceder a antenas terrestres de la Red de Control de Satélites (SCN) (para capacidad adicional de comando y control) y a estaciones de monitoreo NGA ( Agencia Nacional de Inteligencia Geoespacial ). Las trayectorias de vuelo de los satélites son rastreadas por estaciones de monitoreo dedicadas de la Fuerza Espacial de EE. UU. en Hawái, el atolón Kwajalein , la Isla Ascensión , Diego García , Colorado Springs, Colorado y Cabo Cañaveral , junto con estaciones de monitoreo NGA compartidas operadas en Inglaterra, Argentina, Ecuador y Bahrein. , Australia y Washington DC. [92] La información de seguimiento se envía al MCS en la Base de la Fuerza Espacial Schriever, a 25 km (16 millas) al ESE de Colorado Springs, que es operada por el 2.º Escuadrón de Operaciones Espaciales (2 SOPS) de la Fuerza Espacial de EE. UU. Luego, 2 SOPS se comunican periódicamente con 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 , Isla Ascensión , Diego García y Cabo Cañaveral ). Estas actualizaciones sincronizan los relojes atómicos a bordo de los satélites con unos pocos nanosegundos entre sí y ajustan las efemérides del modelo orbital interno de cada satélite. Las actualizaciones son creadas por un filtro de Kalman que utiliza entradas de las estaciones de monitoreo terrestres, información sobre el clima espacial y varias otras entradas. [93]
Cuando se ajusta la órbita de un satélite, el satélite se marca en mal estado , 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) sirve actualmente como segmento de control de registro. Proporciona la capacidad operativa que respalda a los usuarios de GPS y mantiene el GPS operativo y funcionando dentro de las especificaciones.
OCS reemplazó con éxito la computadora central heredada de la década de 1970 en la Base de la Fuerza Aérea Schriever en septiembre de 2007. 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 EE. UU.
OCS seguirá siendo el sistema de control terrestre registrado hasta que el nuevo segmento, el Sistema de control de operaciones GPS de próxima generación [7] (OCX), esté completamente desarrollado y funcional. El Departamento de Defensa de EE. UU. ha afirmado que las nuevas capacidades proporcionadas por OCX serán la piedra angular para revolucionar las capacidades de misión del GPS, permitiendo a la Fuerza Espacial de EE. UU. mejorar en gran medida los servicios operativos de GPS para las fuerzas de combate de EE. UU., socios civiles e innumerables usuarios nacionales e internacionales. [94] [95] El programa GPS OCX también reducirá costos, cronogramas y riesgos técnicos. Está diseñado para proporcionar un 50% [96] de ahorro en costos de mantenimiento a través de una arquitectura de software eficiente y logística basada en el rendimiento. Además, se espera que GPS OCX cueste millones menos que el costo de actualizar OCS y proporcione cuatro veces más capacidad.
El programa GPS OCX representa una parte fundamental de la modernización del GPS y proporciona importantes mejoras en la garantía de la información con respecto al programa GPS OCS actual.
El 14 de septiembre de 2011, [97] la Fuerza Aérea de EE. UU. anunció la finalización de la revisión del diseño preliminar del GPS OCX y confirmó que el programa OCX está listo para la siguiente fase de desarrollo. El programa GPS OCX no cumplió con hitos importantes y retrasó su lanzamiento hasta 2021, cinco años después de la fecha límite original. Según la Oficina de Contabilidad del Gobierno en 2019, el plazo de 2021 parecía inestable. [98]
El proyecto siguió retrasado en 2023 y (a junio de 2023) estaba un 73% por encima de su presupuesto estimado original. [99] [100] A finales de 2023, Frank Calvelli, subsecretario de la Fuerza Aérea para adquisiciones e integración espacial, declaró que se estimaba que el proyecto entraría en funcionamiento en algún momento durante el verano de 2024. [101]
El segmento de usuarios (EE.UU.) está compuesto por cientos de miles de usuarios militares estadounidenses y aliados del seguro Servicio de posicionamiento preciso GPS, y decenas de millones de usuarios civiles, comerciales y científicos del Servicio de posicionamiento estándar. En general, los receptores GPS se componen de una antena sintonizada a las frecuencias transmitidas por los satélites, receptores-procesadores y un reloj muy 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. Normalmente tiene la forma de un puerto RS-232 a una velocidad de 4.800 bit/s. En realidad, los datos se envían a una velocidad mucho menor, lo que limita la precisión de la señal enviada mediante RTCM. [ cita necesaria ] Los receptores con receptores DGPS internos pueden superar a los que utilizan datos RTCM externos. [ cita necesaria ] A partir de 2006 [update], incluso las unidades de bajo costo comúnmente incluyen receptores del Sistema de aumento de área amplia (WAAS).
Muchos receptores GPS pueden transmitir datos de posición a una PC u otro dispositivo utilizando el protocolo NMEA 0183 . Aunque este protocolo está definido oficialmente por la Asociación Nacional de Electrónica Marina (NMEA), [102] las referencias a este protocolo se han compilado 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. [ se necesita aclaración ] También existen otros protocolos propietarios, como los protocolos SiRF y MTK . Los receptores pueden interactuar con otros dispositivos utilizando métodos que incluyen una conexión en serie, USB o Bluetooth .
Aunque originalmente era 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 útil y ampliamente implementada para el comercio, usos científicos, seguimiento y vigilancia. La hora exacta del GPS facilita las actividades cotidianas como la banca, las operaciones de telefonía móvil e incluso el control de las redes eléctricas al permitir una conmutación de transferencia bien sincronizada. [80]
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 60.000 pies (18 km) sobre el nivel del mar y 1.000 nudos (500 m/s; 2.000 km/h; 1.000 mph), o diseñados o modificados para su uso con misiles y aviones no tripulados, se clasifican como municiones. (armas), lo que significa que requieren licencias de exportación del Departamento de Estado . [126] Esta regla se aplica incluso a unidades puramente civiles que solo reciben la frecuencia L1 y el código C/A (grueso/adquisición).
La desactivación de la operación por encima de estos límites exime al receptor de la clasificación como munición. Las interpretaciones de los proveedores difieren. La regla 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 regularmente alcanzan los 30 km (100.000 pies).
Estos límites solo se aplican a unidades o componentes exportados desde Estados Unidos. Existe un comercio creciente de diversos componentes, incluidas unidades GPS de otros países. Estos se venden expresamente como libres de ITAR .
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A partir de 2009, las aplicaciones militares de GPS incluyen:
La navegación 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 del GPS. [133]
La vulnerabilidad del GPS a las interferencias es una amenaza que continúa creciendo a medida que aumentan los equipos de interferencia y la experiencia. [134] [135] Se ha informado que las señales de GPS se han bloqueado muchas veces a lo largo de los años con fines militares. Rusia parece tener varios objetivos para este enfoque, como intimidar a sus vecinos y al mismo tiempo socavar la confianza en su dependencia de los sistemas estadounidenses, promover su alternativa GLONASS, interrumpir ejercicios militares occidentales y proteger activos de drones. [136] China utiliza la interferencia para disuadir a los aviones de vigilancia estadounidenses cerca de las disputadas Islas Spratly . [137] Corea del Norte ha montado varias operaciones de interferencia importantes cerca de su frontera con Corea del Sur y en alta mar, interrumpiendo vuelos, transporte marítimo y operaciones de pesca. [138] Las Fuerzas Armadas iraníes alteraron el GPS del avión civil Vuelo PS752 cuando derribó el avión. [139] [140]
Si bien la mayoría de los relojes obtienen su hora del Tiempo Universal Coordinado (UTC), los relojes atómicos de los satélites están configurados según la hora del GPS . La diferencia es que la hora del 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 agregan periódicamente a UTC. La hora del GPS se configuró para coincidir con UTC en 1980, pero desde entonces ha divergido. La falta de correcciones significa que la hora del GPS permanece en una compensación constante con la Hora Atómica Internacional (TAI) (TAI - GPS = 19 segundos). Se realizan correcciones periódicas a los relojes de a bordo para mantenerlos sincronizados con los relojes de tierra. [78] : Sección 1.2.2
El mensaje de navegación GPS incluye la diferencia entre la hora GPS y UTC. A partir de enero de 2017, [update]la hora GPS está 18 segundos por delante de la hora UTC debido al segundo intercalar agregado a UTC el 31 de diciembre de 2016. [141] Los receptores restan este desplazamiento de la hora GPS para calcular UTC y los valores de zona horaria específicos. Es posible que las nuevas unidades GPS no muestren la hora UTC correcta hasta después de recibir el mensaje de compensación UTC. El campo de compensación GPS-UTC puede acomodar 255 segundos intercalares (ocho bits).
La hora del GPS tiene una precisión teórica de unos 14 nanosegundos, debido a la desviación del reloj en relación con la hora atómica internacional que experimentan los relojes atómicos de los transmisores de GPS. [142] La mayoría de los receptores pierden cierta precisión en la interpretación de las señales y sólo tienen una precisión de unos 100 nanosegundos. [143] [144]
El GPS implementa dos correcciones importantes en sus señales horarias para detectar 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 gravitacional entre el satélite y el receptor, utilizando la relatividad general. La aceleración del satélite también podría calcularse independientemente como corrección, dependiendo del propósito, pero normalmente el efecto ya se aborda en las dos primeras correcciones. [145] [146]
A diferencia del formato de año, mes y día del calendario gregoriano , la fecha del 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), por lo que vuelve a ser cero cada 1.024 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 volvió a ser cero por primera vez a las 23:59:47 UTC del 21 de agosto de 1999 (00 :00:19 TAI el 22 de agosto de 1999). Ocurrió por segunda vez a las 23:59:42 UTC del 6 de abril de 2019. Para determinar la fecha gregoriana actual, se debe proporcionar a un receptor GPS la fecha aproximada (dentro de 3584 días) para traducir correctamente la señal de fecha GPS. Para abordar esta preocupación en el futuro, el mensaje de navegación civil GPS (CNAV) modernizado 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 que incluye las posiciones de los satélites, el estado de los relojes internos y el estado 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 EE. UU. [ cita necesaria ]
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 tasa de bits ). Cada mensaje completo tarda 750 segundos ( 12+1 ⁄ 2 minutos) para completar. La estructura del mensaje tiene un formato básico de una trama de 1500 bits de longitud compuesta 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 multiplicados por 5 subtramas en una trama multiplicados 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 (GPS) completo . Cada cuadro de 30 segundos comienza exactamente en el minuto o medio minuto indicado por el reloj atómico de cada satélite. [147]
La primera subtrama de cada cuadro codifica el número de semana y el tiempo dentro de la semana, [148] así como los datos sobre la salud del satélite. La segunda y tercera subtramas contienen las efemérides : la órbita precisa del satélite. Las subtramas cuarta y quinta 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. Así, para obtener una localización satelital precisa 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. [149]
Todos los satélites transmiten en las mismas frecuencias, codificando señales utilizando acceso múltiple por división de código único (CDMA) para que los receptores puedan distinguir los satélites individuales entre sí. El sistema utiliza dos tipos distintos de codificación CDMA: el código aproximado/adquisición (C/A), al que puede acceder el público en general, y el código preciso (P(Y)), que está cifrado de modo que sólo el ejército estadounidense y otros Las naciones de la OTAN a las que se les ha dado acceso al código de cifrado pueden acceder a él. [150]
Las efemérides se actualizan cada 2 horas y son suficientemente estables durante 4 horas, con disposiciones para actualizaciones cada 6 horas o más en condiciones no nominales. El almanaque normalmente se actualiza cada 24 horas. Además, los datos de las semanas siguientes se cargan en caso de actualizaciones de transmisión que retrasen la carga de datos. [ cita necesaria ]
Todos los satélites transmiten en las mismas dos frecuencias, 1,57542 GHz (señal L1) y 1,2276 GHz (señal L2). La red satelital utiliza una técnica de espectro ensanchado CDMA [151] : 607 donde los datos del mensaje de baja velocidad de bits se codifican con una secuencia pseudoaleatoria (PRN) de alta velocidad 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 estadounidense, 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 [152] [153] que hacen que los observadores en la Tierra perciban una referencia temporal diferente respecto a los transmisores en órbita. La portadora L1 está modulada por los códigos C/A y P, mientras que la portadora L2 solo está modulada por el código P. [87] El código P se puede cifrar como el llamado código P(Y) que solo está disponible para equipos militares con una clave de descifrado adecuada. Tanto el código C/A como el P(Y) comunican la hora exacta del día 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 de los Estados Unidos (NUDET) (USNDS) para detectar, localizar e informar detonaciones nucleares (NUDET) en la atmósfera terrestre y el espacio cercano. [154] Un uso es la aplicación de tratados de prohibición de ensayos nucleares.
Se está estudiando la banda L4 a 1,379913 GHz para realizar una corrección ionosférica adicional. [151] : 607
La banda de frecuencia L5 en 1,17645 GHz se añadió en el proceso de modernización del GPS . Esta frecuencia se encuentra dentro de un rango protegido internacionalmente para la navegación aeronáutica, lo que promete poca o ninguna interferencia en todas las circunstancias. El primer satélite del Bloque IIF que proporciona esta señal se lanzó en mayo de 2010. [155] El 5 de febrero de 2016, se lanzó el duodécimo y último satélite del Bloque IIF. [156] El L5 consta de dos componentes portadores que están en cuadratura de fase entre sí. Cada componente de la portadora es una clave de cambio bifásico (BPSK) modulada por un tren de bits separado. "L5, la tercera señal GPS civil, eventualmente respaldará aplicaciones de seguridad humana para la aviación y proporcionará disponibilidad y precisión mejoradas". [157]
En 2011, se concedió 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 1525 a 1559 ya en 2003 y se publicó para comentarios públicos, la FCC pidió a LightSquared que formara un grupo de estudio con la comunidad GPS para probar los receptores GPS e identificar problemas que podrían surgen debido a la mayor potencia de señal de la red terrestre LightSquared. La comunidad GPS no se había opuesto a las solicitudes de LightSquared (anteriormente MSV y SkyTerra) hasta noviembre de 2010, cuando LightSquared solicitó una modificación de su autorización de Componente Terrestre Auxiliar (ATC). Esta presentación (SAT-MOD-20101118-00239) equivalía a una solicitud para ejecutar varios órdenes de magnitud más de potencia en la misma banda de frecuencia para estaciones base terrestres, esencialmente reutilizando lo que se suponía que era un "vecindario tranquilo" para señales del espacio como el equivalente a una red celular. Las pruebas realizadas en el primer semestre 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 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. [158] [159] La revista Aviation Week informa que las últimas pruebas (junio de 2011) confirman una "interferencia significativa" del GPS por parte del sistema de LightSquared. [160]
Debido a que todas las señales de satélite se modulan en la misma frecuencia portadora L1, las señales deben separarse después de la demodulación. Esto se hace asignando a cada satélite una secuencia binaria única conocida como código Gold . Las señales se decodifican después de la demodulación mediante la adición de los códigos Gold correspondientes a los satélites monitoreados por el receptor. [161] [162]
Si la información del almanaque se ha adquirido previamente, el receptor elige los satélites para escuchar mediante sus PRN, números únicos en el rango del 1 al 32. Si la información del almanaque no está en la memoria, el receptor ingresa en un modo de búsqueda hasta que se obtiene un bloqueo. en uno de los satélites. Para obtener un bloqueo, es necesario que haya una línea de visión sin obstáculos desde el receptor hasta el satélite. Luego, el receptor puede adquirir el almanaque y determinar los satélites que debe escuchar. A medida que detecta la señal de cada satélite, la identifica por su patrón de código C/A distintivo. Puede haber un retraso de hasta 30 segundos antes de la primera estimación de la posición debido a la necesidad de leer los datos de efemérides.
El procesamiento del mensaje de navegación permite determinar el momento de transmisión y la posición del satélite en ese momento. Para obtener más información, consulte Demodulación y decodificación avanzada .
El receptor utiliza mensajes recibidos de los satélites para determinar las posiciones de los satélites y la hora de envío. Los componentes x, y y z de la posición del satélite y la hora de envío se designan como [ x i , y i , z i , s i ] donde el subíndice i denota el satélite y tiene el valor 1, 2, . .., n , donde n ≥ 4. Cuando la hora de recepción del mensaje indicada por el reloj del receptor a bordo es , la verdadera hora de recepción es , donde b es la desviación del reloj del receptor a partir de los relojes GPS mucho más precisos empleados por los satélites. . La polarización del reloj del receptor es la misma para todas las señales de satélite recibidas (suponiendo que todos los relojes de los satélites estén perfectamente sincronizados). El tiempo de tránsito del mensaje es , donde s i es el tiempo del satélite. Suponiendo que el mensaje viajó a la velocidad de la luz , c , la distancia recorrida es .
Para n satélites, las ecuaciones a satisfacer son:
donde d i es la distancia o alcance geométrico entre el receptor y el satélite i (los valores sin subíndices son los componentes x, y y z de la posición del receptor):
Al definir pseudorangos como , vemos que son versiones sesgadas del rango verdadero:
Dado que las ecuaciones tienen cuatro incógnitas [ x, y, z, b ] (los tres componentes de la posición del receptor GPS y la polarización del reloj), se necesitan señales de al menos cuatro satélites para intentar resolver estas ecuaciones. Se pueden resolver mediante métodos algebraicos o numéricos. Abell y Chaffee analizan la existencia y singularidad de las soluciones GPS. [74] Cuando n es mayor que cuatro, este sistema está sobredeterminado y se debe utilizar un método de ajuste .
La cantidad de error en los resultados varía según la ubicación de los satélites recibidos en el cielo, ya que ciertas configuraciones (cuando los satélites recibidos están muy juntos en el cielo) provocan errores mayores. Los receptores suelen calcular una estimación actualizada del error en la posición calculada. Esto se hace multiplicando la resolución básica del receptor por cantidades llamadas factores de dilución geométrica de posición (GDOP), calculadas a partir de las direcciones relativas del cielo de los satélites utilizados. [165] La ubicación del receptor se expresa en un sistema de coordenadas específico, como latitud y longitud, utilizando el datum geodésico WGS 84 o un sistema específico de un país. [166]
Las ecuaciones de GPS se pueden resolver mediante métodos numéricos y analíticos. Las interpretaciones geométricas pueden mejorar la comprensión de estos métodos de solución.
Los rangos medidos, llamados pseudorangos, contienen errores de reloj. En una idealización simplificada en la que los rangos están sincronizados, estos rangos verdaderos representan los radios de esferas, cada una centrada en uno de los satélites transmisores. La solución para la posición del receptor está entonces en la intersección de las superficies de estas esferas; ver trilateración (más generalmente, multilateración de rango verdadero). Se requieren señales de al menos tres satélites, y sus tres esferas normalmente se cruzarían en dos puntos. [167] Uno de los puntos es la ubicación del receptor, y el otro se mueve rápidamente en mediciones sucesivas y normalmente no estaría en la superficie de la Tierra.
En la práctica, existen muchas fuentes de inexactitud además del sesgo del reloj, incluidos errores aleatorios y la posibilidad de pérdida de precisión al restar números cercanos entre sí si los centros de las esferas están relativamente juntos. Esto significa que es poco probable que la posición calculada únicamente a partir de tres satélites sea lo suficientemente precisa. Los datos de más satélites pueden ayudar debido a la tendencia de los errores aleatorios a cancelarse y también al proporcionar una mayor dispersión entre los centros de las esferas. Pero al mismo tiempo, generalmente no se cruzan más esferas en un punto. Por lo tanto, se calcula una intersección cercana, normalmente mediante mínimos cuadrados. Cuantas más señales estén disponibles, mejor será probablemente la aproximación.
Si se restan el pseudorango entre el receptor y el satélite i y el pseudorango entre el receptor y el satélite j , p i − p j , la polarización común del reloj del receptor ( b ) se cancela, lo que resulta en una diferencia de distancias d i − d j . El lugar geométrico de los puntos que tienen una diferencia constante en distancia a dos puntos (aquí, dos satélites) es una hipérbola en un plano y un hiperboloide de revolución (más específicamente, un hiperboloide de dos láminas ) en el espacio 3D (ver Multilateración ). Así, a partir de cuatro mediciones de pseudodistancia, el receptor puede situarse en la intersección de las superficies de tres hiperboloides, cada uno de ellos con focos en un par de satélites. Con satélites adicionales, las múltiples intersecciones no son necesariamente únicas y, en cambio, se busca la solución que mejor se adapte. [74] [75] [168] [169] [170] [171]
La posición del receptor se puede interpretar como el centro de una esfera inscrita (inesfera) de radio bc , dada por la polarización del reloj del receptor b (escalada por la velocidad de la luz c ). La ubicación dentro de la esfera es tal que toca otras esferas. Las esferas circunscritas están centradas en los satélites GPS, cuyos radios son iguales a los pseudodistancias medidas pi . Esta configuración es distinta de la descrita anteriormente, en la que los radios de las esferas eran los rangos insesgados o geométricos d i . [170] : 36–37 [172]
El reloj del receptor normalmente no tiene la misma calidad que el de los satélites y no estará sincronizado con precisión con ellos. Esto produce pseudodistancias con grandes diferencias en comparación con las distancias reales a los satélites. Por lo tanto, en la práctica, la diferencia horaria entre el reloj del receptor y la hora del satélite se define como un sesgo de reloj desconocido b . Luego, las ecuaciones se resuelven simultáneamente para la posición del receptor y la polarización del reloj. El espacio de solución [ x, y, z, b ] puede verse como un espacio-tiempo de cuatro dimensiones y se necesitan señales de al menos cuatro satélites. En ese caso, cada una de las ecuaciones describe un hipercono (o cono esférico), [173] con la cúspide ubicada en el satélite y la base una esfera alrededor del satélite. El receptor está en la intersección de cuatro o más de estos hiperconos.
Cuando hay más de cuatro satélites disponibles, el cálculo puede utilizar los cuatro mejores, o más de cuatro simultáneamente (hasta todos los satélites visibles), dependiendo del número de canales receptores, la capacidad de procesamiento y la dilución geométrica de precisión (GDOP).
Usar más de cuatro implica un sistema de ecuaciones sobredeterminado sin solución única; un sistema de este tipo puede resolverse mediante un método de mínimos cuadrados o de mínimos cuadrados ponderados. [163]
Tanto las ecuaciones para cuatro satélites como las ecuaciones de mínimos cuadrados para más de cuatro son no lineales y necesitan métodos de solución especiales. Un enfoque común es mediante la iteración de una forma linealizada de las ecuaciones, como el algoritmo de Gauss-Newton .
El GPS se desarrolló inicialmente asumiendo el uso de un método de solución de mínimos cuadrados numéricos, es decir, antes de que se encontraran soluciones de forma cerrada.
S. Bancroft desarrolló una solución en forma cerrada al conjunto de ecuaciones anterior. [164] [174] Sus propiedades son bien conocidas; [74] [75] [175] en particular, sus defensores afirman que es superior en situaciones de bajo PIB , en comparación con los métodos iterativos de mínimos cuadrados. [174]
El método de Bancroft es algebraico, a diferencia de numérico, y puede usarse para cuatro o más satélites. Cuando se utilizan cuatro satélites, los pasos clave son la inversión de una matriz de 4x4 y la solución de una ecuación cuadrática de una sola variable. El método de Bancroft proporciona una o dos soluciones para las cantidades desconocidas. Cuando hay dos (suele ser el caso), sólo una es una solución sensible cercana a la Tierra. [164]
Cuando un receptor utiliza más de cuatro satélites para una solución, Bancroft utiliza la inversa generalizada (es decir, la pseudoinversa) para encontrar una solución. Se ha argumentado que los métodos iterativos, como el enfoque del algoritmo de Gauss-Newton para resolver problemas de mínimos cuadrados no lineales sobredeterminados , generalmente proporcionan soluciones más precisas. [176]
Leick et al. (2015) afirma que "la solución de Bancroft (1985) es una solución de forma cerrada muy temprana, si no la primera". [177] Posteriormente se publicaron otras soluciones de formato cerrado, [178] [179] aunque su adopción en la práctica no está clara.
El análisis de errores de GPS examina las fuentes de errores en los resultados de GPS y el tamaño esperado de esos errores. El GPS realiza correcciones de errores del reloj del receptor y otros efectos, pero algunos errores residuales permanecen sin corregir. Las fuentes de error incluyen mediciones del tiempo de llegada de la señal, cálculos numéricos, efectos atmosféricos (retrasos ionosféricos/troposféricos), efemérides y datos de reloj, señales de trayectorias múltiples e interferencias naturales y artificiales. La magnitud de los errores residuales de estas fuentes depende de la dilución geométrica de la precisión. Los errores artificiales pueden resultar de dispositivos de interferencia que amenazan a barcos y aviones [180] o de la degradación intencional de la señal a través de la disponibilidad selectiva, que limitó la precisión a ≈ 6 a 12 m (20 a 40 pies), pero que ha estado desactivada desde el 1 de mayo de 2000. [181] [ 182]
La mejora GNSS se refiere a técnicas utilizadas para mejorar la precisión de la información de posicionamiento proporcionada por el Sistema de Posicionamiento Global u otros sistemas de navegación global por satélite en general, una red de satélites utilizados para la navegación.
Los métodos de mejora para mejorar la precisión se basan en la integración de información externa en el proceso de cálculo. Existen muchos sistemas de este tipo y generalmente se nombran o describen en función de cómo el sensor GPS recibe la información. Algunos sistemas transmiten información adicional sobre fuentes de error (como deriva del reloj, efemérides o retraso ionosférico ), otros proporcionan mediciones directas de cuánto estuvo apagada la señal en el pasado, mientras que un tercer grupo proporciona información adicional de navegación o del vehículo para ser integrada. en el proceso de cálculo.En los Estados Unidos, los receptores GPS están regulados por las reglas de la Parte 15 de la Comisión Federal de Comunicaciones (FCC) . Como se indica en los manuales de los dispositivos con GPS vendidos en Estados Unidos, como dispositivo Parte 15, "debe aceptar cualquier interferencia recibida, incluidas las interferencias que puedan causar un funcionamiento no deseado". [183] Con respecto a los dispositivos GPS en particular, la FCC afirma que los fabricantes de receptores GPS "deben utilizar receptores que discriminen razonablemente la recepción de señales fuera de su espectro asignado". [184] Durante los últimos 30 años, los receptores GPS han operado junto a la banda del Servicio Móvil por Satélite y han discriminado la recepción de servicios móviles por satélite, como Inmarsat, sin ningún problema.
El espectro asignado para uso GPS L1 por parte de la FCC es de 1559 a 1610 MHz, mientras que el espectro asignado para uso satélite-tierra propiedad de Lightsquared es la banda del Servicio Móvil por Satélite. [185] Desde 1996, la FCC ha autorizado el uso bajo licencia del espectro vecino a la banda GPS de 1525 a 1559 MHz a la empresa de Virginia LightSquared . El 1 de marzo de 2001, la FCC recibió una solicitud del predecesor de LightSquared, Motient Services, para utilizar sus frecuencias asignadas para un servicio integrado satélite-terrestre. [186] En 2002, el Consejo de la Industria GPS de EE. UU. llegó a un acuerdo de emisiones fuera de banda (OOBE) con LightSquared para evitar que las transmisiones desde las estaciones terrestres de LightSquared emitieran transmisiones en la banda GPS vecina de 1559 a 1610 MHz. [187] En 2004, la FCC adoptó el acuerdo OOBE en su autorización para que LightSquared desplegara una red terrestre auxiliar a su sistema satelital – conocida como Componentes de Torre Auxiliares (ATC) – "Autorizaremos a MSS ATC sujeto a condiciones que "No pretendemos, ni permitiremos, que el componente terrestre se convierta en un servicio independiente". [188] Esta autorización fue revisada y aprobada por el Comité Asesor de Radio Interdepartamental de EE. UU., que incluye el Departamento de Agricultura de EE. UU., la Fuerza Espacial de EE. UU., el Ejército de EE. UU., la Guardia Costera de EE. UU ., la Administración Federal de Aviación , la Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio (NASA), EE. UU. Departamento del Interior y Departamento de Transporte de EE. UU . [189]
En enero de 2011, la FCC autorizó condicionalmente a los clientes mayoristas de LightSquared, como Best Buy , Sharp y C Spire , a comprar únicamente un servicio terrestre satelital integrado de LightSquared y revender ese servicio integrado en dispositivos que están equipados solo para utilice la señal terrestre utilizando las frecuencias asignadas de LightSquared de 1525 a 1559 MHz. [190] En diciembre de 2010, los fabricantes de receptores GPS expresaron su preocupación a la FCC de que la señal de LightSquared interferiría con los dispositivos receptores GPS [158] aunque las consideraciones políticas de la FCC que condujeron a la orden de enero de 2011 no se referían a ningún cambio propuesto al número máximo de estaciones LightSquared terrestres o la potencia máxima a la que estas estaciones podrían operar. La orden de enero de 2011 condiciona la autorización final a los estudios sobre problemas de interferencia del GPS realizados por un grupo de trabajo liderado por LightSquared junto con la industria del GPS y la participación de agencias federales. El 14 de febrero de 2012, la FCC inició un procedimiento para anular la Orden de exención condicional de LightSquared basándose en la conclusión de la NTIA de que actualmente no existía una forma práctica de mitigar la posible interferencia del GPS.
Los fabricantes de receptores GPS diseñan receptores GPS para utilizar espectro más allá de la banda asignada por GPS. En algunos casos, los receptores GPS están diseñados para utilizar hasta 400 MHz de espectro en cualquier dirección de la frecuencia L1 de 1575,42 MHz, porque los servicios móviles por satélite en esas regiones transmiten desde el espacio a la tierra y a niveles de potencia acordes con los servicios móviles por satélite. . [191] Según lo regulado por las reglas de la Parte 15 de la FCC, los receptores GPS no tienen garantía de protección contra señales fuera del espectro asignado al GPS. [184] Esta es la razón por la que el GPS funciona junto a la banda del Servicio Móvil por Satélite, y también por la que la banda del Servicio Móvil por Satélite funciona junto al GPS. La relación simbiótica de asignación de espectro garantiza que los usuarios de ambas bandas puedan operar de forma cooperativa y libre.
La FCC adoptó reglas en febrero de 2003 que permitieron a los licenciatarios del Servicio Móvil por Satélite (MSS), como LightSquared, construir una pequeña cantidad de torres terrestres auxiliares en su espectro autorizado para "promover un uso más eficiente del espectro inalámbrico terrestre". [192] En esas normas de 2003, la FCC declaró: "Como cuestión preliminar, se espera que el [servicio de radio móvil comercial ("CMRS")] terrestre y el MSS ATC tengan precios, cobertura, aceptación y distribución de productos diferentes; dos servicios parecen, en el mejor de los casos, ser sustitutos imperfectos entre sí que operarían en segmentos de mercado predominantemente diferentes... Es poco probable que MSS ATC compita directamente con CMRS terrestre por la misma base de clientes...". En 2004, la FCC aclaró que las torres terrestres serían auxiliares, señalando: "Autorizaremos MSS ATC sujeto a condiciones que aseguren que el componente terrestre agregado siga siendo auxiliar a la oferta principal de MSS. No tenemos la intención, ni lo haremos Si lo permitimos, el componente terrestre se convertirá en un servicio independiente". [188] En julio de 2010, la FCC declaró que esperaba que LightSquared utilizara su autoridad para ofrecer un servicio integrado satelital-terrestre para "proporcionar servicios de banda ancha móvil similares a los proporcionados por proveedores de telefonía móvil terrestre y mejorar la competencia en el sector de banda ancha móvil". [193] Los fabricantes de receptores GPS han argumentado que el espectro bajo licencia de LightSquared de 1525 a 1559 MHz nunca se concibió para su uso para banda ancha inalámbrica de alta velocidad basándose en las resoluciones FCC ATC de 2003 y 2004 que dejaban claro que el componente auxiliar de la torre (ATC) sería , de hecho, auxiliar al componente satelital primario. [194] Para generar apoyo público a los esfuerzos para continuar con la autorización de la FCC de 2004 del componente terrestre auxiliar de LightSquared frente a un simple servicio LTE terrestre en la banda del Servicio Móvil por Satélite, el fabricante de receptores GPS Trimble Navigation Ltd. formó la "Coalición para salvar nuestra GPS". [195]
La FCC y LightSquared se han comprometido públicamente a resolver el problema de la interferencia del GPS antes de que se permita operar la red. [196] [197] Según Chris Dancy de la Asociación de Pilotos y Propietarios de Aeronaves , los pilotos de aerolíneas con el tipo de sistemas que se verían afectados "pueden desviarse del rumbo y ni siquiera darse cuenta". [198] Los problemas también podrían afectar la actualización de la Administración Federal de Aviación del sistema de control de tráfico aéreo , la orientación del Departamento de Defensa de los Estados Unidos y los servicios de emergencia locales, incluido el 911 . [198]
El 14 de febrero de 2012, la FCC decidió prohibir la red nacional de banda ancha planificada de LightSquared después de haber sido informada por la Administración Nacional de Información y Telecomunicaciones (NTIA), la agencia federal que coordina los usos del espectro para el ejército y otras entidades del gobierno federal, que "hay "No hay forma práctica de mitigar posibles interferencias en este momento". [199] [200] LightSquared está impugnando la acción de la FCC. [ necesita actualización ]
Tras el despliegue del GPS en Estados Unidos, otros países también han desarrollado sus propios sistemas de navegación por satélite. Estos sistemas incluyen:
La disponibilidad selectiva finalizó unos minutos después de la medianoche EDT después del final del 1 de mayo de 2000. El cambio se produjo simultáneamente en toda la constelación de satélites.
