Los sistemas de posicionamiento global diferencial ( DGPS ) complementan y mejoran los datos de posición disponibles de los sistemas globales de navegación por satélite (GNSS). Un DGPS para GPS puede aumentar la precisión aproximadamente mil veces, desde aproximadamente 15 metros (49 pies) hasta 1-3 centímetros ( 1 ⁄ 2 – 1+1 ⁄ 4 pulg.). [1]
Los DGPS constan de redes de estaciones de referencia terrestres de posición fija. Cada estación de referencia calcula la diferencia entre su posición conocida de alta precisión y su posición obtenida por satélite, menos precisa. Las estaciones transmiten estos datos localmente, normalmente utilizando transmisores terrestres de menor alcance. Los receptores no fijos (móviles) lo utilizan para corregir su posición en la misma medida, mejorando así su precisión.
La Guardia Costera de los Estados Unidos (USCG) anteriormente utilizaba DGPS en los Estados Unidos en frecuencias de radio de onda larga entre 285 kHz y 325 kHz cerca de las principales vías navegables y puertos. Se suspendió en marzo de 2022. [2] El DGPS de la USCG se conocía como NDGPS (DGPS a nivel nacional) y era administrado conjuntamente por la Guardia Costera y el Cuerpo de Ingenieros del Ejército . Consistía en sitios de transmisión ubicados en el interior y la costa de los Estados Unidos, incluidos Alaska, Hawái y Puerto Rico. La Guardia Costera Canadiense (CCG) [3] también utilizó un sistema DGPS independiente, pero dejó de utilizarlo el 15 de diciembre de 2022. Otros países tienen su propio DGPS. [ cita necesaria ]
Un sistema similar que transmite correcciones desde satélites en órbita en lugar de transmisores terrestres se llama DGPS de área amplia (WADGPS) [4] Sistema de aumento basado en satélites .
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 de GPS disponibles globalmente para guiar sus propios sistemas de armas. Originalmente, el gobierno pensó que la señal de "adquisición aproximada" (C/A) daría sólo unos 100 metros (330 pies ), pero con diseños de receptores mejorados, 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 compensando su señal de reloj en una cantidad aleatoria, equivalente a aproximadamente 100 metros (330 pies ) de distancia. Esta técnica, conocida como Disponibilidad Selectiva , o SA para abreviar, degradó seriamente la utilidad de la señal GPS para usuarios no militares. Fue posible una orientación más precisa para los usuarios de receptores GPS de doble frecuencia que también recibían la frecuencia L2 ( 1227,6 MHz ), pero la transmisión L2, destinada a uso militar, estaba cifrada y solo estaba disponible para usuarios autorizados con las claves de descifrado.
Esto presentaba 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 cada año. La llegada de un sistema global de navegación por satélite (GNSS) podría proporcionar una precisión y un rendimiento mucho mejores a una fracción del costo. Sin embargo, la precisión inherente a la señal S/A 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 reservar S/A para permitir el uso civil de GNSS, pero se mantuvo firme en su objeción al motivos de seguridad.
Desde principios hasta mediados de la década de 1980, varias agencias desarrollaron una solución al "problema" de las SA. [ dudoso ] Dado que la señal SA se cambió lentamente, el efecto de su desplazamiento en el posicionamiento fue relativamente fijo, es decir, si el desplazamiento fuera "100 metros al este", ese desplazamiento sería cierto en un área relativamente amplia. Esto sugirió que transmitir esta compensación a los receptores GPS locales podría eliminar los efectos de 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 localización GPS se debe a retrasos en la transmisión en la ionosfera , que también podrían medirse y corregirse en la transmisión. Esto ofreció una mejora de precisión de unos 5 metros (16 pies), más que suficiente para la mayoría de las necesidades civiles. [1]
La Guardia Costera de Estados Unidos fue uno de los defensores más agresivos del DGPS y experimentó con el sistema de forma cada vez más amplia hasta finales de los años 1980 y principios de los 1990. Estas señales se transmiten en frecuencias marinas de onda larga , que podrían recibirse en los radioteléfonos existentes [ se necesita más explicación ] y transmitirse a receptores GPS debidamente equipados. Casi todos los principales proveedores de GPS ofrecían unidades con entradas DGPS, no sólo para las señales de la USCG, sino también para unidades de aviación en bandas de radio VHF o AM comerciales .
Las señales DGPS de "calidad de producción" comenzaron a enviarse de forma limitada en 1996, y la red se amplió rápidamente para cubrir la mayoría de los puertos de escala de EE. UU., así como la vía marítima de San Lorenzo en asociación con la Guardia Costera canadiense . Se pusieron en marcha planes para expandir el sistema en todo Estados Unidos, pero esto no sería fácil. La calidad de las correcciones DGPS generalmente disminuye 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, especialmente en el medio oeste y Alaska, tendrían poca cobertura de GPS terrestre. En noviembre de 2013, el DGPS nacional de la USCG constaba de 85 sitios de transmisión que brindan cobertura dual a casi toda la costa de EE. UU. y vías navegables interiores, incluidas Alaska, Hawái y Puerto Rico. Además, el sistema proporcionó cobertura única o doble a la mayor parte del interior de los Estados Unidos. [7] En cambio, la FAA (y otros) comenzaron a estudiar la transmisión de señales a través de todo el hemisferio desde satélites de comunicaciones en órbita geoestacionaria. Esto llevó al Sistema de aumento de área amplia (WAAS) y sistemas similares, aunque generalmente no se denominan DGPS o, alternativamente, "DGPS de área amplia". WAAS ofrece una precisión similar a la de las redes DGPS terrestres de la USCG, y ha habido algunos argumentos de que estas últimas se desactivarán cuando WAAS esté en pleno funcionamiento.
A mediados de la década de 1990 estaba claro que el sistema SA ya no era útil para la función prevista. El DGPS lo haría ineficaz en Estados Unidos, donde se consideraba más necesario. Además, durante la Guerra del Golfo de 1990-1991, las SA se desactivaron temporalmente porque las tropas aliadas utilizaban receptores GPS comerciales. [8] Esto demostró que dejar SA desactivado podría ser útil para Estados Unidos. [9] En 2000, una orden ejecutiva del presidente Bill Clinton lo desactivó permanentemente. [10]
Sin embargo, en este punto, el DGPS había evolucionado hasta convertirse en un sistema que proporcionaba más precisión de la que incluso una señal GPS que no fuera SA podría proporcionar por sí sola. Hay varias otras fuentes de error que comparten las mismas características que SA en el sentido de que son las mismas en áreas grandes y durante períodos de tiempo "razonables". Estos incluyen los efectos ionosféricos mencionados anteriormente, así como errores en los datos de efemérides de posición de los satélites y la desviación del reloj de los satélites. Dependiendo de la cantidad de datos que se envían en la señal de corrección DGPS, corregir estos efectos puede reducir significativamente el error; 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 DGPS comerciales, vendiendo su señal (o receptores para ella) a usuarios que requieren una mayor precisión que la que ofrece el GPS nominal de 15 metros. Casi todas las unidades GPS comerciales, incluso las portátiles, ofrecen ahora entradas de datos DGPS y muchas también admiten WAAS directamente. 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 hasta 200 millas náuticas (370 km) de la estación, y algunos de los errores compensados varían con el espacio: específicamente, los errores de efemérides de los satélites y los introducidos por distorsiones ionosféricas y troposféricas . Por este motivo, 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 "intervisibilidad", es decir, cuando no pueden ver los mismos satélites.
El Plan Federal de Radionavegación de los Estados Unidos y la Recomendación de la IALA sobre el desempeño y monitoreo de los servicios DGNSS en la banda 283,5–325 kHz citan el crecimiento del error estimado en 1993 por el Departamento de Transporte de los Estados Unidos de 0,67 metros por 100 kilómetros (3,5 pies/100 millas). ) desde el lugar de la transmisión [11] , pero las mediciones de precisión a través del Atlántico, en Portugal, sugieren una degradación de sólo 0,22 m/100 km (1,2 pies/100 mi ). [12]
DGPS puede referirse a cualquier tipo de sistema de aumento basado en tierra (GBAS). Hay muchos sistemas operativos en uso en todo el mundo; según la Guardia Costera de EE. UU., 47 países operan sistemas similares al NDGPS (Sistema de Posicionamiento Global Diferencial a Nivel Nacional) de EE. UU. Puede encontrar una lista en la base de datos mundial DGPS para Dxers. [13]
La red europea DGPS ha sido desarrollada principalmente por las administraciones marítimas finlandesa y sueca para mejorar la seguridad en el archipiélago entre los dos países. [ cita necesaria ]
En el Reino Unido e Irlanda, el sistema se implementó como ayuda a la navegación marítima para llenar el vacío dejado por la desaparición del Sistema Decca Navigator en 2000. Con una red de 12 transmisores ubicados alrededor de la costa y tres estaciones de control, se creó en 1998 por las respectivas Autoridades Generales de Faros (GLA) de los países: Trinity House, que cubre Inglaterra , Gales y las Islas del Canal , la Northern Lighthouse Board, que cubre Escocia y la Isla de Man , y los Comisionados de Luces Irlandesas , que cubren 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 baliza diferencial europeos. [17]
El Departamento de Transporte de los Estados Unidos , junto con la Administración Federal de Carreteras , la Administración Federal de Ferrocarriles y el Servicio Geodésico Nacional designaron a la Guardia Costera de los Estados Unidos como agencia de mantenimiento de la red DGPS Nacional de los Estados Unidos (NDGPS). El sistema es una expansión del anterior GPS Marítimo Diferencial (MDGPS), que la Guardia Costera comenzó a fines de la década de 1980 y completó en marzo de 1999. MDGPS cubría sólo las aguas costeras, los Grandes Lagos y las vías navegables interiores del río Mississippi, mientras que NDGPS se expande. esto 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 la eliminación gradual prevista del DGPS estadounidense. [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, 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 suspendió 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 es similar al sistema estadounidense y es principalmente para uso marítimo que cubre la costa del Atlántico y el Pacífico, así como los Grandes Lagos y la vía marítima de San Lorenzo . Ha sido descontinuado como servicio desde el 15 de diciembre de 2022. [25]
Australia cuenta con tres DGPS: uno está destinado principalmente a la navegación marítima y transmite su señal en la banda de onda larga; [26] otro se utiliza para estudios topográficos y navegación terrestre, y tiene correcciones transmitidas en la banda de radio FM comercial. El tercero en el aeropuerto de Sydney se encuentra actualmente en pruebas para el aterrizaje de precisión de aviones (2011), como respaldo del sistema de aterrizaje por instrumentos al menos hasta 2015. Se llama sistema de aumento basado en tierra . Las correcciones de posición de las aeronaves 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 citó que las capacidades GPS multicanal mejoradas y las fuentes de señales de múltiples proveedores (GPS, GLONASS , Galileo y BeiDou ) proporcionaban una mayor precisión de navegación que Se puede obtener de GPS + DGPS. Un proyecto australiano de sistema de aumento basado en satélites (SBAS), liderado por Geoscience Australia (GA), ofrecerá un posicionamiento de mayor precisión para los usuarios de GNSS dentro de los próximos 2 a 3 años (a partir de septiembre de 2020). [ necesita actualización ]
El posprocesamiento se utiliza en GPS diferencial para obtener posiciones precisas de puntos desconocidos relacionándolos con puntos conocidos, como marcadores topográficos .
Las mediciones de GPS generalmente se almacenan en la memoria de la computadora en los receptores de GPS y posteriormente se transfieren a una computadora que ejecuta el software de posprocesamiento de GPS. El software calcula líneas de base utilizando datos de medición simultánea 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, porque la mayoría de los errores del GPS afectan a cada receptor casi por igual y, por lo tanto, pueden cancelarse en los cálculos.
Algunos receptores GPS también pueden calcular mediciones diferenciales de GPS en tiempo real si reciben una señal de corrección utilizando un receptor de radio independiente, por ejemplo, en levantamiento 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 solo 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 topográficos . [ cita necesaria ]
