Los sistemas de posicionamiento global diferencial ( DGPS ) complementan y mejoran los datos de posición disponibles a partir de los sistemas globales de navegación por satélite (GNSS). Un DGPS puede aumentar la precisión de los datos de posición en aproximadamente mil veces, desde aproximadamente 15 metros (49 pies) hasta 1–3 centímetros ( 1 ⁄ 2 – 1+1 ⁄ 4 pulgada). [1]
Los DGPS consisten en redes de estaciones de referencia terrestres con posición fija. Cada estación de referencia calcula la diferencia entre su posición conocida, de alta precisión, y su posición derivada por satélite, menos precisa. Las estaciones transmiten estos datos localmente, generalmente mediante transmisores terrestres de menor alcance. Los receptores no fijos (móviles) los utilizan para corregir su posición en la misma medida, mejorando así su precisión.
La Guardia Costera de los Estados Unidos (USCG) anteriormente operaba el DGPS en los Estados Unidos en frecuencias de radio de onda larga entre 285 kHz y 325 kHz cerca de las principales vías fluviales y puertos. Se interrumpió en marzo de 2022. [2] El DGPS de la USCG se conocía como NDGPS (Nationwide DGPS) y era administrado conjuntamente por la Guardia Costera y el Cuerpo de Ingenieros del Ejército . Consistía en sitios de transmisión ubicados en las partes interiores y costeras de los Estados Unidos, incluidas Alaska, Hawái y Puerto Rico. La Guardia Costera canadiense (CCG) [3] también operaba un sistema DGPS independiente, pero interrumpió su uso el 15 de diciembre de 2022. Otros países tienen su propio DGPS. [ cita requerida ]
Un sistema similar que transmite correcciones desde satélites en órbita en lugar de transmisores terrestres se denomina sistema de aumento basado en satélite DGPS de área amplia (WADGPS) [4] .
Cuando el GPS se puso en servicio por primera vez, el ejército estadounidense estaba preocupado por la posibilidad de que las fuerzas enemigas utilizaran las señales GPS disponibles globalmente para guiar sus propios sistemas de armas. Originalmente, el gobierno pensó que la señal de "adquisición aproximada" (C/A) daría solo una precisión de unos 100 metros (330 pies ), pero con diseños mejorados de receptores, la precisión real fue de 20 a 30 metros (66 a 98 pies ). [5] A partir de marzo de 1990, [6] : 11 para evitar proporcionar una precisión tan inesperada, la señal C/A transmitida en la frecuencia L1 ( 1575,42 MHz ) se degradó deliberadamente al desplazar su señal de reloj en una cantidad aleatoria, equivalente a unos 100 metros (330 pies ) de distancia. Esta técnica, conocida como Disponibilidad Selectiva , o SA para abreviar, degradó gravemente la utilidad de la señal GPS para usuarios no militares. Los usuarios de receptores GPS de doble frecuencia que también recibían la frecuencia L2 ( 1227,6 MHz ) podían recibir una orientación más precisa , pero la transmisión L2, destinada al uso militar, estaba cifrada y solo estaba disponible para usuarios autorizados con las claves de descifrado.
Esto supuso un problema para los usuarios civiles que dependían de sistemas de radionavegación terrestres como los sistemas LORAN , VOR y NDB, cuyo mantenimiento costaba millones de dólares al año. La llegada de un sistema global de navegación por satélite (GNSS) podría proporcionar una precisión y un rendimiento muy mejorados a una fracción del coste. Sin embargo, la precisión inherente al SA era demasiado pobre para que esto fuera realista. El ejército recibió múltiples solicitudes de la Administración Federal de Aviación (FAA) , la Guardia Costera de los Estados Unidos (USCG) y el Departamento de Transporte de los Estados Unidos (DOT) para dejar de lado el SA y permitir el uso civil del GNSS, pero se mantuvo firme en su objeción por motivos de seguridad.
A lo largo de la primera mitad de la década de 1980, varias agencias trabajaron para desarrollar una solución al "problema" del SA. [ dudoso – discutir ] Dado que la señal SA cambiaba lentamente, el efecto de su desplazamiento en el posicionamiento era relativamente fijo; es decir, si el desplazamiento era "100 metros al este", ese desplazamiento sería verdadero en un área relativamente amplia. Esto sugirió que la transmisión de este desplazamiento a los receptores GPS locales podría eliminar los efectos del SA, lo que daría como resultado mediciones más cercanas al rendimiento teórico del GPS, alrededor de 15 metros (49 pies). Además, otra fuente importante de errores en una corrección GPS se debe a los retrasos de transmisión en la ionosfera , que también podrían medirse y corregirse en la transmisión. Esto ofreció una mejora a aproximadamente 5 metros (16 pies) de precisión, más que suficiente para la mayoría de las necesidades civiles. [1]
La Guardia Costera de los Estados Unidos fue uno de los defensores más agresivos del DGPS, experimentando con el sistema de forma cada vez más amplia a finales de los años 1980 y principios de los años 1990. Estas señales se transmiten en frecuencias de onda larga marinas , que se pueden recibir en los radioteléfonos existentes [ se necesita más explicación ] y se introducen en receptores GPS equipados adecuadamente. Casi todos los principales proveedores de GPS ofrecían unidades con entradas DGPS, no solo para las señales de la Guardia Costera de los Estados Unidos, sino también unidades de aviación en bandas de radio AM comerciales o VHF .
En 1996, se empezaron a enviar señales DGPS de "calidad de producción" de forma limitada y la red se amplió rápidamente para cubrir la mayoría de los puertos de escala de Estados Unidos, así como la vía marítima del San Lorenzo en colaboración con la Guardia Costera canadiense . Se pusieron en marcha planes para ampliar el sistema por todo Estados Unidos, pero no sería fácil. La calidad de las correcciones DGPS generalmente disminuía con la distancia y los grandes transmisores capaces de cubrir grandes áreas tienden a agruparse cerca de las ciudades. Esto significaba que las áreas con menor población, en particular en el medio oeste y Alaska, tendrían poca cobertura mediante GPS terrestre. En noviembre de 2013, el DGPS nacional de la Guardia Costera de los Estados Unidos constaba de 85 sitios de transmisión que proporcionan cobertura dual a casi toda la costa estadounidense y las vías navegables interiores, incluidas Alaska, Hawái y Puerto Rico. Además, el sistema proporcionaba cobertura simple o dual a la mayoría de la parte interior de Estados Unidos. [7] En cambio, la FAA (y otros) comenzaron a estudiar la transmisión de señales a todo el hemisferio desde satélites de comunicaciones en órbita geoestacionaria. Esto dio lugar al Sistema de Aumento de Área Amplia (WAAS) y a sistemas similares, aunque por lo general no se los denomina DGPS, o alternativamente, "DGPS de área amplia". El WAAS ofrece una precisión similar a las redes DGPS terrestres de la Guardia Costera de los Estados Unidos, y se ha discutido que estas últimas se desactivarán cuando el WAAS esté plenamente operativo.
A mediados de los años 1990, quedó claro que el sistema SA ya no era útil para el papel que se le había asignado. El DGPS lo haría ineficaz en los Estados Unidos, donde se consideraba que era más necesario. Además, durante la Guerra del Golfo de 1990-1991, el SA se había desactivado temporalmente porque las tropas aliadas estaban utilizando receptores GPS comerciales. [8] Esto demostró que dejar el SA desactivado podría ser útil para los Estados Unidos. [9] En 2000, una orden ejecutiva del presidente Bill Clinton lo desactivó de forma permanente. [10]
Sin embargo, en ese momento el DGPS había evolucionado hasta convertirse en un sistema capaz de proporcionar una precisión mayor que la que podría proporcionar por sí sola una señal GPS que no fuera de SA. Existen otras fuentes de error que comparten las mismas características que el SA, en el sentido de que son las mismas en áreas extensas y durante períodos de tiempo "razonables". Entre ellas se incluyen los efectos ionosféricos mencionados anteriormente, así como los errores en los datos de efemérides de posición del satélite y la desviación del reloj de los satélites. Según la cantidad de datos que se envíen en la señal de corrección del DGPS, la corrección de estos efectos puede reducir el error de manera significativa; las mejores implementaciones ofrecen precisiones de menos de 10 centímetros (3,9 pulgadas).
Además de los continuos despliegues de los sistemas patrocinados por la USCG y la FAA, varios proveedores han creado servicios comerciales de DGPS, vendiendo su señal (o receptores para ella) a usuarios que requieren una precisión mayor que la que ofrece el GPS de 15 metros nominales. Casi todas las unidades de GPS comerciales, incluso las unidades portátiles, ahora ofrecen entradas de datos DGPS y muchas también admiten directamente WAAS. Hasta cierto punto, una forma de DGPS es ahora una parte natural de la mayoría de las operaciones de GPS.
Una estación de referencia calcula correcciones diferenciales para su propia ubicación y hora. Sin embargo, los usuarios pueden estar a una distancia de hasta 200 millas náuticas (370 km) de la estación y algunos de los errores compensados varían con el espacio: específicamente, los errores de efemérides satelitales y los introducidos por distorsiones ionosféricas y troposféricas . Por esta razón, la precisión del DGPS disminuye con la distancia desde la estación de referencia. El problema puede agravarse si el usuario y la estación carecen de "visibilidad mutua", es decir, no pueden ver los mismos satélites.
El Plan Federal de Radionavegación de los Estados Unidos y la Recomendación de la IALA sobre el Rendimiento y Monitoreo de los Servicios DGNSS en la Banda 283,5–325 kHz citan el crecimiento de error estimado por el Departamento de Transporte de los Estados Unidos en 1993 de 0,67 metros por cada 100 kilómetros (3,5 pies/100 millas ) desde el sitio de transmisión [11] pero las mediciones de precisión a través del Atlántico, en Portugal, sugieren una degradación de solo 0,22 m/100 km (1,2 pies/100 millas ). [12]
El término DGPS puede referirse a cualquier tipo de sistema de aumento basado en tierra (GBAS). Existen muchos sistemas operativos en uso en todo el mundo; según la Guardia Costera de los Estados Unidos, 47 países operan sistemas similares al NDGPS (Sistema de posicionamiento global diferencial nacional) de los Estados Unidos. Se puede encontrar una lista en la base de datos mundial de DGPS para Dxers. [13]
La red europea DGPS ha sido desarrollada principalmente por las administraciones marítimas finlandesa y sueca con el fin de mejorar la seguridad en el archipiélago entre los dos países. [ cita requerida ]
En el Reino Unido e Irlanda, el sistema se implementó como una ayuda a la navegación marítima para llenar el vacío dejado por la desaparición del Sistema de Navegación Decca en 2000. Con una red de 12 transmisores ubicados alrededor de la costa y tres estaciones de control, fue establecido en 1998 por las Autoridades Generales de Faros (GLA) respectivas de los países: Trinity House cubriendo Inglaterra , Gales y las Islas del Canal , la Junta de Faros del Norte cubriendo Escocia y la Isla de Man y los Comisionados de Luces Irlandesas , cubriendo toda Irlanda . El sistema, que transmite en la banda de 300 kHz, se sometió a pruebas y se agregaron dos transmisores adicionales antes de que el sistema fuera declarado operativo en 2002. [14] [15] [16]
Effective Solutions proporciona detalles y un mapa de los transmisores de balizas diferenciales europeos. [17]
El Departamento de Transporte de los Estados Unidos , en conjunto con la Administración Federal de Carreteras , la Administración Federal de Ferrocarriles y el Servicio Geodético Nacional designó a la Guardia Costera de los Estados Unidos como la agencia de mantenimiento de la red nacional DGPS de los Estados Unidos (NDGPS). El sistema es una expansión del anterior GPS diferencial marítimo (MDGPS), que la Guardia Costera comenzó a fines de la década de 1980 y completó en marzo de 1999. El MDGPS cubría solo las aguas costeras, los Grandes Lagos y las vías navegables interiores del río Misisipi, mientras que el NDGPS lo expande para incluir una cobertura completa de los Estados Unidos continentales. [18] La unidad centralizada de Comando y Control es el Centro de Navegación de la USCG, con sede en Alexandria, VA. [19] Actualmente hay 85 sitios NDGPS en la red de EE. UU., administrados por el Centro de Navegación del Departamento de Seguridad Nacional de EE. UU.
En 2015, la USCG y el Cuerpo de Ingenieros del Ejército de los Estados Unidos (USACE) solicitaron comentarios sobre una eliminación gradual planificada del DGPS de EE. UU. [20] En respuesta a los comentarios recibidos, un aviso posterior del Registro Federal de 2016 anunció que 46 estaciones permanecerían en servicio y "disponibles para los usuarios en las regiones marítimas y costeras". [21] A pesar de esta decisión, el USACE desmanteló sus 7 sitios restantes y, en marzo de 2018, la USCG anunció que desmantelaría sus estaciones restantes para 2020. [22] A partir de junio de 2020, todo el servicio NDGPS se ha interrumpido ya que ya no se considera una necesidad debido a la eliminación de la disponibilidad selectiva en 2000 [23] y también a la introducción de una nueva generación de satélites GPS . [24]
El sistema canadiense era similar al sistema estadounidense y estaba destinado principalmente a uso marítimo, cubriendo la costa atlántica y del Pacífico, así como los Grandes Lagos y la vía marítima del San Lorenzo . Se suspendió el servicio el 15 de diciembre de 2022. [25]
Australia tiene tres DGPS: uno es principalmente para navegación marítima, transmitiendo su señal en la banda de onda larga; [26] otro se utiliza para estudios de tierra y navegación terrestre, y tiene correcciones transmitidas en la banda de radio comercial FM. El tercero en el aeropuerto de Sydney está actualmente en pruebas para aterrizaje de precisión de aeronaves (2011), como respaldo del Sistema de Aterrizaje Instrumental al menos hasta 2015. Se llama Sistema de Aumentación Basado en Tierra . Las correcciones a la posición de la aeronave se transmiten a través de la banda VHF de aviación.
El servicio DGPS marino de 16 estaciones terrestres que cubren la costa australiana se suspendió a partir del 1 de julio de 2020. [27] Se mencionó que las capacidades mejoradas del GPS multicanal y las fuentes de señal de múltiples proveedores (GPS, GLONASS , Galileo y BeiDou ) brindan una mejor precisión de navegación que la que se podría obtener con GPS + DGPS. Un sistema australiano de aumento basado en satélites (SBAS), la Red de aumento de posicionamiento del sur (SouthPAN) ofrece un posicionamiento de mayor precisión para los usuarios de GNSS. [28]
El posprocesamiento se utiliza en el GPS diferencial para obtener posiciones precisas de puntos desconocidos relacionándolos con puntos conocidos, como marcadores topográficos .
Las mediciones GPS se almacenan normalmente en la memoria de la computadora en los receptores GPS y luego se transfieren a una computadora que ejecuta el software de posprocesamiento GPS. El software calcula las líneas de base utilizando datos de medición simultáneos de dos o más receptores GPS.
Las líneas de base representan una línea tridimensional trazada entre los dos puntos ocupados por cada par de antenas GPS. Las mediciones posprocesadas permiten un posicionamiento más preciso, ya que la mayoría de los errores del GPS afectan a cada receptor casi por igual y, por lo tanto, se pueden cancelar en los cálculos.
Algunos receptores GPS también pueden calcular mediciones GPS diferenciales en tiempo real si reciben una señal de corrección mediante un receptor de radio independiente, por ejemplo en la topografía o navegación cinemática en tiempo real (RTK) .
La mejora del posicionamiento GPS no requiere en ningún caso mediciones simultáneas de dos o más receptores, sino que también puede realizarse mediante el uso especial de un único dispositivo. En la década de 1990, cuando incluso los receptores portátiles eran bastante caros, se desarrollaron algunos métodos de GPS cuasi diferencial, utilizando el receptor en giros rápidos de posiciones o bucles de 3 a 10 puntos de estudio . [ cita requerida ]
