El Sistema de Posicionamiento Global ( GPS ), originalmente Navstar GPS , [2] es un sistema de navegación por radio basado en satélites propiedad de la Fuerza Espacial de los Estados Unidos y operado por la Misión Delta 31. [ 3] Es uno de los sistemas globales de navegación por satélite (GNSS) que proporcionan información de geolocalización y tiempo a un receptor GPS en cualquier lugar de la Tierra o cerca de ella donde haya una línea de visión sin obstáculos a cuatro o más satélites GPS. [4] No requiere que el usuario transmita ningún dato y funciona independientemente de cualquier recepción telefónica o de Internet, aunque estas tecnologías pueden mejorar la utilidad de la información de posicionamiento GPS. Proporciona capacidades de posicionamiento críticas a usuarios militares, civiles y comerciales de todo el mundo. Aunque el gobierno de los Estados Unidos creó, controla y mantiene el sistema GPS, es de libre acceso para cualquier persona con un receptor GPS. [5]
El proyecto GPS fue iniciado por el Departamento de Defensa de Estados Unidos en 1973. El primer prototipo de nave espacial fue lanzado en 1978 y la constelación completa de 24 satélites comenzó a funcionar en 1993.
Después de que el vuelo 007 de Korean Air Lines fuera derribado cuando entró por error en el espacio aéreo soviético, el presidente Ronald Reagan anunció que el sistema GPS estaría disponible para uso civil a partir del 16 de septiembre de 1983; [6] sin embargo, inicialmente este uso civil estaba limitado a una precisión promedio de 100 metros (330 pies) mediante el uso de disponibilidad selectiva (SA), un error deliberado introducido en los datos del GPS (que los receptores militares podían corregir).
A medida que el uso civil del GPS creció, hubo una creciente presión para eliminar este error. El sistema SA se desactivó temporalmente durante la Guerra del Golfo , ya que la escasez de unidades GPS militares significaba que muchos soldados estadounidenses usaban unidades GPS civiles enviadas desde casa. En la década de 1990, los sistemas GPS diferenciales de la Guardia Costera de los EE. UU. , la Administración Federal de Aviación y agencias similares en otros países comenzaron a transmitir correcciones GPS locales, reduciendo el efecto tanto de la degradación SA como de los efectos atmosféricos (que los receptores militares también corrigieron). El ejército estadounidense también había desarrollado métodos para realizar interferencias GPS locales, lo que significa que la capacidad de degradar globalmente el sistema ya no era necesaria. Como resultado, el presidente Bill Clinton firmó un proyecto de ley que ordenaba que la disponibilidad selectiva se desactivara el 1 de mayo de 2000; [7] y, en 2007 , el gobierno de los EE. UU. anunció que la próxima generación de satélites GPS no incluiría la función en absoluto.
Los avances en la tecnología y las nuevas demandas en el sistema existente han llevado a esfuerzos para modernizar el GPS e implementar la próxima generación de satélites GPS Block III y el Sistema de Control Operacional de Próxima Generación (OCX) [8] que fue autorizado por el Congreso de los EE. UU. en 2000. Cuando se suspendió la Disponibilidad Selectiva, el GPS tenía una precisión de aproximadamente 5 metros (16 pies). Los receptores GPS que usan la banda L5 tienen una precisión mucho mayor de 30 centímetros (12 pulgadas), mientras que aquellos para aplicaciones de alta gama como ingeniería y topografía tienen una precisión de 2 cm ( 3 ⁄ 4 pulgadas) e incluso pueden proporcionar una precisión submilimétrica con mediciones a largo plazo. [7] [9] [10] Los dispositivos de consumo como los teléfonos inteligentes pueden tener una precisión de 4,9 m (16 pies) o mejor cuando se usan con servicios de asistencia como el posicionamiento Wi-Fi . [11]
A partir de julio de 2023 [update], 18 satélites GPS transmiten señales L5, que se consideran preoperativas antes de ser transmitidas por un complemento completo de 24 satélites en 2027. [12]
El proyecto GPS se lanzó en los Estados Unidos en 1973 para superar las limitaciones de los sistemas de navegación anteriores, [13] combinando ideas de varios predecesores, incluidos estudios de diseño de ingeniería clasificados de la década de 1960. El Departamento de Defensa de los Estados Unidos desarrolló el sistema, que originalmente usaba 24 satélites, para su uso por parte del ejército de los Estados Unidos, y se volvió completamente operativo en 1993. El uso civil se permitió a partir de la década de 1980. A Roger L. Easton del Laboratorio de Investigación Naval , Ivan A. Getting de The Aerospace Corporation y Bradford Parkinson del Laboratorio de Física Aplicada se les atribuye su invención. [14] El trabajo de Gladys West en la creación del modelo geodésico matemático de la Tierra se atribuye como instrumental en el desarrollo de técnicas computacionales para detectar posiciones satelitales con la precisión necesaria para el GPS. [15] [16]
El diseño del GPS se basa en parte en sistemas de radionavegación terrestres similares , como LORAN y Decca Navigator , desarrollados a principios de la década de 1940.
En 1955, Friedwardt Winterberg propuso una prueba de la relatividad general : detectar la desaceleración del tiempo en un campo gravitatorio intenso utilizando relojes atómicos precisos colocados en órbita dentro de satélites artificiales. La relatividad especial y general predijo que los relojes de los satélites GPS, tal como los observan los de la Tierra, funcionan 38 microsegundos más rápido por día que los de la Tierra. El diseño del GPS corrige esta diferencia, ya que sin ello, las posiciones calculadas por el GPS acumularían errores de hasta 10 kilómetros por día (6 mi/d). [17]
Cuando la Unión Soviética lanzó su primer satélite artificial ( Sputnik 1 ) en 1957, dos físicos estadounidenses, William Guier y George Weiffenbach, del Laboratorio de Física Aplicada (APL) de la Universidad Johns Hopkins decidieron monitorear sus transmisiones de radio. [18] En cuestión de horas se dieron cuenta de que, debido al efecto Doppler , podían determinar con precisión dónde se encontraba el satélite a lo largo de su órbita. El director del APL les dio acceso a su UNIVAC para realizar los cálculos pesados necesarios.
A principios del año siguiente, Frank McClure, subdirector de la APL, pidió a Guier y Weiffenbach que investigaran el problema inverso: determinar la ubicación del usuario a partir de la del satélite. (En ese momento, la Armada estaba desarrollando el misil Polaris lanzado desde submarinos , que requería que ellos conocieran la ubicación del submarino). Esto los llevó a ellos y a la APL a desarrollar el sistema TRANSIT . [19] En 1959, ARPA (rebautizada como DARPA en 1972) también desempeñó un papel en TRANSIT. [20] [21] [22]
TRANSIT se probó con éxito por primera vez en 1960. [23] Utilizaba una constelación de cinco satélites y podía proporcionar una orientación de navegación aproximadamente una vez por hora.
En 1967, la Marina de Estados Unidos desarrolló el satélite Timation , que demostró la viabilidad de colocar relojes precisos en el espacio, una tecnología necesaria para el GPS.
En la década de 1970, el sistema de navegación terrestre OMEGA , basado en la comparación de fases de la transmisión de señales de pares de estaciones, [24] se convirtió en el primer sistema de navegación por radio del mundo. Las limitaciones de estos sistemas impulsaron la necesidad de una solución de navegación más universal y con mayor precisión.
Aunque existían amplias necesidades de navegación precisa en los sectores militar y civil, casi ninguna de ellas se consideraba una justificación para los miles de millones de dólares que costaría la investigación, el desarrollo, el despliegue y la operación de una constelación de satélites de navegación. Durante la carrera armamentista de la Guerra Fría , la amenaza nuclear a la existencia de los Estados Unidos era la única necesidad que justificaba este costo en la opinión del Congreso de los Estados Unidos. Este efecto disuasorio es la razón por la que se financió el GPS. [ cita requerida ] También es la razón del ultrasecreto en ese momento. La tríada nuclear consistía en los misiles balísticos lanzados desde submarinos (SLBM) de la Armada de los Estados Unidos junto con los bombarderos estratégicos y los misiles balísticos intercontinentales (ICBM) de la Fuerza Aérea de los Estados Unidos (USAF ). Considerada vital para la postura de disuasión nuclear , la determinación precisa de la posición de lanzamiento de SLBM era un multiplicador de fuerza .
Una navegación precisa permitiría a los submarinos de misiles balísticos de Estados Unidos obtener una localización precisa de sus posiciones antes de lanzar sus misiles balísticos de largo alcance. [25] La USAF, con dos tercios de la tríada nuclear, también tenía necesidades de un sistema de navegación más preciso y fiable. La Armada y la Fuerza Aérea de Estados Unidos estaban desarrollando sus propias tecnologías en paralelo para resolver lo que era esencialmente el mismo problema.
Para aumentar la capacidad de supervivencia de los misiles balísticos intercontinentales, se propuso utilizar plataformas de lanzamiento móviles (comparables a los SS-24 y SS-25 soviéticos ) y, por lo tanto, la necesidad de fijar la posición de lanzamiento tenía similitud con la situación de los SLBM.
En 1960, la Fuerza Aérea propuso un sistema de radionavegación llamado MOSAIC (Sistema Móvil para el Control Preciso de ICBM) que era esencialmente un LORAN 3-D. En 1963 se realizó un estudio de seguimiento, el Proyecto 57, y fue "en este estudio que nació el concepto GPS". Ese mismo año, el concepto se llevó a cabo como Proyecto 621B, que tenía "muchos de los atributos que ahora se ven en GPS" [26] y prometía una mayor precisión para los bombarderos de la Fuerza Aérea, así como para los ICBM.
Las actualizaciones del sistema TRANSIT de la Armada eran demasiado lentas para las altas velocidades de operación de la Fuerza Aérea. El Laboratorio de Investigación Naval (NRL) continuó haciendo avances con sus satélites Timation (Navegación en el Tiempo), lanzados primero en 1967, segundo en 1969, tercero en 1974, que llevó el primer reloj atómico a órbita, y cuarto en 1977. [27]
Otro antecesor importante del GPS provino de una rama diferente del ejército de los Estados Unidos. En 1964, el Ejército de los Estados Unidos puso en órbita su primer satélite SECOR (Sequential Collation of Range ) utilizado para estudios geodésicos. [28] El sistema SECOR incluía tres transmisores terrestres en ubicaciones conocidas que enviarían señales al transpondedor del satélite en órbita. Una cuarta estación terrestre, en una posición indeterminada, podría utilizar esas señales para fijar su ubicación con precisión. El último satélite SECOR se lanzó en 1969. [29]
Con estos desarrollos paralelos en la década de 1960, se comprendió que se podía desarrollar un sistema superior mediante la síntesis de las mejores tecnologías de 621B, Transit, Timation y SECOR en un programa multiservicio. Los errores de posición orbital de los satélites, inducidos por variaciones en el campo gravitatorio y la refracción del radar , entre otros, debían resolverse. Un equipo dirigido por Harold L. Jury de la División Aeroespacial de Pan Am en Florida entre 1970 y 1973, utilizó la asimilación de datos en tiempo real y la estimación recursiva para hacerlo, reduciendo los errores sistemáticos y residuales a un nivel manejable para permitir una navegación precisa. [30]
Durante el fin de semana del Día del Trabajo de 1973, una reunión de unos doce oficiales militares en el Pentágono discutió la creación de un Sistema de Satélite de Navegación de Defensa (DNSS) . Fue en esta reunión donde se creó la síntesis real que se convirtió en GPS. Más tarde ese año, el programa DNSS se denominó Navstar. [31] Navstar a menudo se considera erróneamente un acrónimo de "NAVigation System using Timing And Ranging" (Sistema de navegación que utiliza tiempo y distancia), pero nunca fue considerado como tal por la Oficina del Programa Conjunto GPS (TRW puede haber abogado alguna vez por un sistema de navegación diferente que usara ese acrónimo). [32] Con los satélites individuales asociados con el nombre Navstar (al igual que con los predecesores Transit y Timation), se utilizó un nombre más completo para identificar la constelación de satélites Navstar, Navstar-GPS . [33] Se lanzaron diez satélites prototipo " Bloque I " entre 1978 y 1985 (una unidad adicional fue destruida en un lanzamiento fallido). [34]
El efecto de la ionosfera en la transmisión de radio se investigó en un laboratorio de geofísica del Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea de Cambridge , renombrado como Laboratorio de Investigación Geofísica de la Fuerza Aérea (AFGRL) en 1974. El AFGRL desarrolló el modelo Klobuchar para calcular las correcciones ionosféricas a la ubicación GPS. [35] Cabe destacar el trabajo realizado por la científica espacial australiana Elizabeth Essex-Cohen en el AFGRL en 1974. Se ocupó de la curvatura de las trayectorias de las ondas de radio ( refracción atmosférica ) que atraviesan la ionosfera desde los satélites NavSTAR. [36]
Después de que el vuelo 007 de Korean Air Lines , un Boeing 747 que transportaba 269 personas, fuera derribado por un avión interceptor soviético después de desviarse en un espacio aéreo prohibido debido a errores de navegación, [37] en las cercanías de las islas Sakhalin y Moneron , el presidente Ronald Reagan emitió una directiva que hacía que el GPS estuviera disponible gratuitamente para uso civil, una vez que estuviera suficientemente desarrollado, como un bien común. [38] El primer satélite del Bloque II se lanzó el 14 de febrero de 1989, [39] y el 24º satélite se lanzó en 1994. El costo del programa GPS en este momento, sin incluir el costo del equipo del usuario pero incluyendo los costos de los lanzamientos de satélites, se ha estimado en US$5 mil millones (equivalente a $10 mil millones en 2023). [40]
Inicialmente, la señal de más alta calidad estaba reservada para uso militar, y la señal disponible para uso civil se degradaba intencionalmente, en una política conocida como Disponibilidad Selectiva . Esto cambió el 1 de mayo de 2000, cuando el presidente Bill Clinton firmó una directiva política para desactivar la Disponibilidad Selectiva para proporcionar la misma precisión a los civiles que se les brindaba a los militares. La directiva fue propuesta por el Secretario de Defensa de los EE. UU., William Perry , en vista del crecimiento generalizado de los servicios GPS diferenciales por parte de la industria privada para mejorar la precisión civil. Además, el ejército estadounidense estaba desarrollando tecnologías para negar el servicio GPS a adversarios potenciales a nivel regional. [41] La Disponibilidad Selectiva se eliminó de la arquitectura GPS a partir del GPS-III.
Desde su implementación, Estados Unidos ha implementado varias mejoras en el servicio GPS, incluidas nuevas señales para uso civil y mayor precisión e integridad para todos los usuarios, manteniendo al mismo tiempo la compatibilidad con el equipo GPS existente. La modernización del sistema satelital ha sido una iniciativa continua del Departamento de Defensa de Estados Unidos a través de una serie de adquisiciones de satélites para satisfacer las crecientes necesidades de los militares, los civiles y el mercado comercial.
A principios de 2015, los receptores GPS del Servicio de Posicionamiento Estándar (SPS) de alta calidad proporcionaban una precisión horizontal de más de 3,5 metros (11 pies), [7] aunque muchos factores como la calidad del receptor y la antena y cuestiones atmosféricas pueden afectar esta precisión.
El GPS es propiedad del gobierno de los Estados Unidos y está operado por él como un recurso nacional. El Departamento de Defensa es el administrador del GPS. La Junta Ejecutiva Interagencial del GPS (IGEB) supervisó los asuntos de política del GPS desde 1996 hasta 2004. Después de eso, el Comité Ejecutivo Nacional de Posicionamiento, Navegación y Sincronización Basados en el Espacio fue establecido por directiva presidencial en 2004 para asesorar y coordinar a los departamentos y agencias federales en asuntos relacionados con el GPS y sistemas relacionados. [42] El comité ejecutivo está presidido conjuntamente por los subsecretarios de Defensa y Transporte. Su membresía incluye funcionarios de nivel equivalente de los Departamentos de Estado, Comercio y Seguridad Nacional, el Estado Mayor Conjunto y la NASA . Los componentes de la oficina ejecutiva del presidente participan como observadores en el comité ejecutivo, y el presidente de la FCC participa como enlace.
El Departamento de Defensa de Estados Unidos está obligado por ley a "mantener un Servicio de Posicionamiento Estándar (tal como se define en el plan federal de navegación por radio y la especificación de la señal del servicio de posicionamiento estándar) que esté disponible de forma continua y mundial" y a "desarrollar medidas para prevenir el uso hostil del GPS y sus ampliaciones sin perturbar o degradar indebidamente los usos civiles".
El 10 de febrero de 1993, la Asociación Aeronáutica Nacional seleccionó al equipo GPS como ganador del Trofeo Robert J. Collier de 1992 , el premio de aviación más prestigioso de los EE. UU. Este equipo combina investigadores del Laboratorio de Investigación Naval, la USAF, la Corporación Aeroespacial , Rockwell International Corporation e IBM Federal Systems Company. La mención los honra "por el desarrollo más significativo para la navegación y vigilancia segura y eficiente del aire y las naves espaciales desde la introducción de la navegación por radio hace 50 años".
Dos desarrolladores de GPS recibieron el Premio Charles Stark Draper de la Academia Nacional de Ingeniería de 2003:
El desarrollador del GPS Roger L. Easton recibió la Medalla Nacional de Tecnología el 13 de febrero de 2006. [67]
Francis X. Kane (Coronel USAF, ret.) fue incluido en el Salón de la Fama de los Pioneros del Espacio y los Misiles de la Fuerza Aérea de Estados Unidos en la Base de la Fuerza Aérea Lackland, San Antonio, Texas, el 2 de marzo de 2010, por su papel en el desarrollo de la tecnología espacial y el concepto de diseño de ingeniería del GPS realizado como parte del Proyecto 621B.
En 1998, la tecnología GPS fue incluida en el Salón de la Fama de la Tecnología Espacial de la Fundación Espacial . [68]
El 4 de octubre de 2011, la Federación Astronáutica Internacional (IAF) otorgó al Sistema de Posicionamiento Global (GPS) su Premio del 60º Aniversario, nominado por el miembro de la IAF, el Instituto Americano de Aeronáutica y Astronáutica (AIAA). El Comité de Honores y Premios de la IAF reconoció la singularidad del programa GPS y el papel ejemplar que ha desempeñado en la construcción de la colaboración internacional en beneficio de la humanidad. [69]
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. [70]
El 12 de febrero de 2019, cuatro miembros fundadores del proyecto recibieron el Premio Reina Isabel de Ingeniería y el presidente del comité encargado de otorgarlo declaró: "La ingeniería es la base de la civilización; no hay otra base; hace que las cosas sucedan. Y eso es exactamente lo que han hecho los galardonados de hoy: han hecho que las cosas sucedan. Han reescrito, de manera importante, la infraestructura de nuestro mundo". [71]
Los satélites GPS llevan relojes atómicos muy estables que están sincronizados entre sí y con los relojes atómicos de referencia en las estaciones de control terrestres; cualquier desviación de los relojes a bordo de los satélites con respecto al tiempo de referencia mantenido en las estaciones terrestres se corrige regularmente. [72] Dado que la velocidad de las ondas de radio ( velocidad de la luz ) [73] es constante e independiente de la velocidad del satélite, el retraso de tiempo entre el momento en que el satélite transmite una señal y la estación terrestre la recibe es proporcional a la distancia entre el satélite y la estación terrestre. Con la información de distancia recopilada de múltiples estaciones terrestres, las coordenadas de ubicación de cualquier satélite en cualquier momento se pueden calcular con gran precisión.
Cada satélite GPS lleva un registro preciso de su propia posición y hora, y transmite esos datos de forma continua. Basándose en los datos recibidos de múltiples satélites GPS , el receptor GPS de un usuario final puede calcular su propia posición cuatridimensional en el espacio-tiempo ; sin embargo, como mínimo, cuatro satélites deben estar a la vista del receptor para que este calcule cuatro cantidades desconocidas (tres coordenadas de posición y la desviación de su propio reloj respecto de la hora del satélite). [74]
Cada satélite GPS transmite continuamente una señal ( onda portadora con modulación ) que incluye:
En teoría, el receptor mide los tiempos de vuelo (TOA) (según su propio reloj) de cuatro señales 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 rangos 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 pseudorango. A continuación, el receptor calcula su posición tridimensional y la desviación del reloj a partir de los cuatro TOF.
En la práctica, la posición del receptor (en coordenadas cartesianas tridimensionales con origen en el centro de la Tierra) y el desfase del reloj del receptor respecto de la hora GPS se calculan simultáneamente, utilizando las ecuaciones de navegación para procesar los TOF.
La ubicación de la solución centrada en la Tierra del receptor se convierte generalmente en latitud , longitud y altura en relación con un modelo elipsoidal de la Tierra. La altura puede luego convertirse a su vez en altura relativa al geoide , que es esencialmente el nivel medio del mar. Estas coordenadas pueden visualizarse, por ejemplo, en una pantalla de mapa móvil , o pueden registrarse o usarse en algún otro sistema, como un sistema de guía de vehículos.
Aunque normalmente no se forman explícitamente en el procesamiento del receptor, las diferencias conceptuales de tiempo de llegada (TDOA) definen la geometría de la medición. Cada TDOA corresponde a un hiperboloide de revolución (véase Multilateración ). La línea que conecta los dos satélites involucrados (y sus extensiones) forma el eje del hiperboloide. El receptor está ubicado en el punto donde se intersecan tres hiperboloides. [75] [76]
A veces se dice incorrectamente que la ubicación del usuario está en la intersección de tres esferas. Si bien es más sencillo de visualizar, esto solo es así si el receptor tiene un reloj sincronizado con los relojes de los satélites (es decir, el receptor mide distancias reales con respecto a los satélites en lugar de diferencias de distancia). Existen marcadas ventajas de rendimiento para el usuario que lleva un reloj sincronizado con los satélites. La más importante es que solo se necesitan tres satélites para calcular una solución de posición. Si fuera una parte esencial del concepto GPS que todos los usuarios necesitaran llevar un reloj sincronizado, se podría implementar un número menor de satélites, pero el costo y la complejidad del equipo del usuario aumentarían.
La descripción anterior es representativa de una situación de puesta en marcha del receptor. La mayoría de los receptores tienen un algoritmo de seguimiento , a veces llamado rastreador , que combina conjuntos de mediciones satelitales recopiladas en diferentes momentos; en efecto, aprovecha el hecho de que las posiciones sucesivas del receptor suelen estar cerca unas de otras. Después de procesar un conjunto de mediciones, el rastreador predice la ubicación del receptor correspondiente al siguiente conjunto de mediciones satelitales. Cuando se recopilan las nuevas mediciones, el receptor utiliza un esquema de ponderación para combinar las nuevas mediciones con la predicción del rastreador. En general, un rastreador puede (a) mejorar la posición del receptor y la precisión horaria, (b) rechazar mediciones incorrectas y (c) estimar la velocidad y la dirección del receptor.
La desventaja de un rastreador es que los cambios en la velocidad o la dirección solo se pueden calcular con un retraso, y que la dirección derivada se vuelve inexacta cuando la distancia recorrida entre dos mediciones de posición cae por debajo o cerca del error aleatorio de la medición de la posición. Las unidades GPS pueden usar mediciones del desplazamiento Doppler de las señales recibidas para calcular la velocidad con precisión. [77] Los sistemas de navegación más avanzados utilizan sensores adicionales como una brújula o un sistema de navegación inercial para complementar el GPS.
El GPS requiere que cuatro o más satélites sean visibles para una navegación precisa. La solución de las ecuaciones de navegación proporciona la posición del receptor junto con la diferencia entre la hora registrada por el reloj de a bordo del receptor y la hora real del día, eliminando así la necesidad de un reloj basado en el receptor más preciso y posiblemente poco práctico. Las aplicaciones del GPS, como la transferencia de tiempo , la sincronización de señales de tráfico y la sincronización de estaciones base de telefonía móvil , hacen uso de esta sincronización económica y de gran precisión. Algunas aplicaciones del GPS utilizan esta hora para la visualización o, salvo para los cálculos básicos de la posición, no la utilizan en absoluto.
Aunque se requieren cuatro satélites para el funcionamiento normal, se requieren menos en casos especiales. Si ya se conoce una variable, un receptor puede determinar su posición utilizando solo tres satélites. Por ejemplo, un barco en mar abierto suele tener una elevación conocida cercana a 0 m , y la elevación de un avión puede conocerse. [a] Algunos receptores GPS pueden utilizar pistas o suposiciones adicionales, como reutilizar la última altitud conocida, estima , navegación inercial o incluir información de la computadora del vehículo, para dar una posición (posiblemente degradada) cuando hay menos de cuatro satélites visibles. [78] [79] [80]
El GPS actual consta de tres segmentos principales: el segmento espacial, el segmento de control y el segmento de usuario. [52] La Fuerza Espacial de los Estados Unidos desarrolla, mantiene y opera los segmentos espacial y de control. Los satélites GPS transmiten señales desde el espacio y cada receptor GPS utiliza estas señales para calcular su ubicación tridimensional (latitud, longitud y altitud) y la hora actual. [81]
El segmento espacial (SS) está compuesto de 24 a 32 satélites, o vehículos espaciales (SV), en órbita terrestre media , y también incluye los adaptadores de carga útil a los impulsores necesarios para lanzarlos a la órbita. El diseño del GPS originalmente requería 24 SV, ocho cada uno en tres órbitas aproximadamente circulares , [82] pero esto se modificó a seis planos orbitales con cuatro satélites cada uno. [83] Los seis planos orbitales tienen aproximadamente 55° de inclinación (inclinación relativa al ecuador de la Tierra ) y están separados por 60° de ascensión recta del nodo ascendente (ángulo a lo largo del ecuador desde un punto de referencia hasta la intersección de la órbita). [84] El período orbital es la mitad de un día sideral , es decir , 11 horas y 58 minutos, de modo que los satélites pasan sobre las mismas ubicaciones [85] o casi las mismas ubicaciones [86] todos los días. Las órbitas están dispuestas de modo que al menos seis satélites estén siempre en línea de visión desde cualquier punto de la superficie de la Tierra (ver animación a la derecha). [87] 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°. [88]
Con una altitud de aproximadamente 20.200 km (12.600 mi) y un radio orbital de aproximadamente 26.600 km (16.500 mi), [89] cada SV realiza dos órbitas completas cada día sideral , repitiendo la misma trayectoria terrestre cada día. [90] Esto fue muy útil durante el desarrollo porque, incluso con solo cuatro satélites, la alineación correcta significa que los cuatro son visibles desde un punto durante algunas horas cada día. Para operaciones militares, la repetición de la trayectoria terrestre se puede utilizar para garantizar una buena cobertura en zonas de combate.
A febrero de 2019 [update], [91] hay 31 satélites en la constelación GPS , 27 de los cuales están en uso en un momento dado y el resto asignados como de reserva. Se lanzó un 32.º en 2018, pero a julio de 2019 todavía está en evaluación. Hay más satélites fuera de servicio en órbita y disponibles como repuestos. Los satélites adicionales mejoran la precisión de los cálculos del receptor GPS al proporcionar mediciones redundantes. Con el aumento del número de satélites, la constelación se cambió a una disposición no uniforme. Se demostró que dicha disposición mejora la precisión, pero también mejora la confiabilidad y la disponibilidad del sistema, en relación con un sistema uniforme, cuando fallan varios satélites. [92] Con la constelación ampliada, nueve satélites suelen ser visibles en cualquier momento desde cualquier punto de la Tierra con un horizonte despejado, lo que garantiza una redundancia considerable sobre los cuatro satélites mínimos necesarios para una posición.
El segmento de control (CS) está compuesto por:
El MCS también puede acceder a las antenas terrestres de la Red de Control Satelital (SCN) (para capacidad adicional de comando y control) y a las estaciones de monitorización NGA ( Agencia Nacional de Inteligencia Geoespacial ). Las rutas de vuelo de los satélites son rastreadas por estaciones de monitorización dedicadas de la Fuerza Espacial de los EE. UU. en Hawái, el atolón de Kwajalein , la isla Ascensión , Diego García , Colorado Springs, Colorado y Cabo Cañaveral , junto con estaciones de monitorización NGA compartidas operadas en Inglaterra, Argentina, Ecuador, Bahréin, Australia y Washington DC. [93] La información de seguimiento se envía al MCS en la Base de la Fuerza Espacial Schriever a 25 km (16 mi) ESE de Colorado Springs, que es operada por el 2.º Escuadrón de Operaciones Espaciales (2 SOPS) de la Fuerza Espacial de los EE. UU. Luego, 2 SOPS contactan regularmente a cada satélite GPS con una actualización de navegación utilizando antenas terrestres dedicadas o compartidas (AFSCN) (las antenas terrestres dedicadas de GPS están ubicadas en Kwajalein , la isla Ascensión , Diego García y Cabo Cañaveral ). Estas actualizaciones sincronizan los relojes atómicos a bordo de los satélites con una diferencia de unos pocos nanosegundos entre sí y ajustan las efemérides del modelo orbital interno de cada satélite. Las actualizaciones se crean mediante un filtro Kalman que utiliza información procedente de las estaciones de vigilancia terrestre, información meteorológica espacial y otras fuentes. [94]
Cuando se ajusta la órbita de un satélite, este se marca como no saludable , por lo que los receptores no lo utilizan. Después de la maniobra, los ingenieros rastrean la nueva órbita desde tierra, cargan las nuevas efemérides y marcan el satélite como saludable nuevamente.
El segmento de control de operaciones (OCS) actualmente funciona como segmento de control de registro. Proporciona la capacidad operativa que respalda a los usuarios del GPS y mantiene el GPS operativo y funcionando dentro de las especificaciones.
En septiembre de 2007, OCS reemplazó con éxito la computadora central heredada de la década de 1970 en la Base de la Fuerza Aérea Schriever. Después de la instalación, el sistema ayudó a permitir actualizaciones y proporcionó una base para una nueva arquitectura de seguridad que respaldaba a las fuerzas armadas de los EE. UU.
El OCS seguirá siendo el sistema de control terrestre de referencia hasta que el nuevo segmento, el sistema de control de operaciones GPS de próxima generación [8] (OCX), esté completamente desarrollado y en funcionamiento. El Departamento de Defensa de los EE. UU. ha afirmado que las nuevas capacidades proporcionadas por el OCX serán la piedra angular para revolucionar las capacidades de misión del GPS, permitiendo a la Fuerza Espacial de los EE. UU. mejorar en gran medida los servicios operativos del GPS para las fuerzas de combate de los EE. UU., los socios civiles y una miríada de usuarios nacionales e internacionales. [95] [96] El programa GPS OCX también reducirá los costos, el cronograma y el riesgo técnico. Está diseñado para proporcionar un ahorro del 50% [97] en los costos de mantenimiento a través de una arquitectura de software eficiente y una logística basada en el rendimiento. Además, se espera que el GPS OCX cueste millones menos que el costo de actualizar el OCS, al tiempo que proporciona cuatro veces la capacidad.
El programa GPS OCX representa una parte fundamental de la modernización del GPS y proporciona mejoras significativas en la garantía de la información con respecto al programa GPS OCS actual.
El 14 de septiembre de 2011, [98] la Fuerza Aérea de los EE. UU. anunció la finalización de la Revisión Preliminar del Diseño del GPS OCX y confirmó que el programa OCX está listo para la siguiente fase de desarrollo. El programa GPS OCX no logró cumplir con los hitos principales y retrasó su lanzamiento hasta 2021, 5 años después de la fecha límite original. Según la Oficina de Contabilidad del Gobierno en 2019, la fecha límite de 2021 parecía inestable. [99]
El proyecto se mantuvo retrasado en 2023 y (a junio de 2023) superó en un 73 % su presupuesto estimado original. [100] [101] A fines de 2023, Frank Calvelli, el secretario adjunto de la Fuerza Aérea para adquisiciones e integración espacial, declaró que se estimaba que el proyecto comenzaría a funcionar en algún momento durante el verano de 2024. [102]
El segmento de usuarios (US) está compuesto por cientos de miles de usuarios militares estadounidenses y aliados del Servicio de Posicionamiento Preciso GPS seguro, y decenas de millones de usuarios civiles, comerciales y científicos del Servicio de Posicionamiento Estándar. En general, los receptores GPS están compuestos por una antena, sintonizada a las frecuencias transmitidas por los satélites, receptores-procesadores y un reloj altamente estable (a menudo un oscilador de cristal ). También pueden incluir una pantalla para proporcionar información de ubicación y velocidad al usuario.
Los receptores GPS pueden incluir una entrada para correcciones diferenciales, utilizando el formato RTCM SC-104. Esto suele ser en forma de un puerto RS-232 a una velocidad de 4.800 bit/s. Los datos se envían a una velocidad mucho menor, lo que limita la precisión de la señal enviada mediante RTCM. [ cita requerida ] Los receptores con receptores DGPS internos pueden superar a los que utilizan datos RTCM externos. [ cita requerida ] A partir de 2006 [update], incluso las unidades de bajo coste suelen incluir receptores WAAS ( Wide Area Augmentation System ).
Muchos receptores GPS pueden transmitir datos de posición a una PC u otro dispositivo mediante el protocolo NMEA 0183. Aunque este protocolo está definido oficialmente por la Asociación Nacional de Electrónica Marina (NMEA), [103] se han recopilado referencias a este protocolo a partir de registros públicos, lo que permite que herramientas de código abierto como gpsd lean el protocolo sin violar las leyes de propiedad intelectual. [ aclaración necesaria ] También existen otros protocolos propietarios, como los protocolos SiRF y MTK . Los receptores pueden interactuar con otros dispositivos mediante métodos que incluyen una conexión en serie, USB o Bluetooth .
Aunque originalmente fue un proyecto militar, el GPS se considera una tecnología de doble uso , lo que significa que también tiene importantes aplicaciones civiles.
El GPS se ha convertido en una herramienta ampliamente utilizada y útil para el comercio, los usos científicos, el seguimiento y la vigilancia. La precisión horaria del GPS facilita las actividades cotidianas, como las operaciones bancarias, las operaciones de telefonía móvil e incluso el control de las redes eléctricas, al permitir una conmutación de señales bien sincronizada. [81]
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 no tripulados y aeronaves, están clasificados como municiones (armas), lo que significa que requieren licencias de exportación del Departamento de Estado . [133] Esta regla se aplica incluso a unidades puramente civiles que solo reciben la frecuencia L1 y el código C/A (Coarse/Acquisition).
La desactivación del funcionamiento por encima de estos límites exime al receptor de la clasificación como munición. Las interpretaciones de los proveedores difieren. La norma se refiere al funcionamiento tanto a la altitud como a la velocidad objetivo, pero algunos receptores dejan de funcionar incluso cuando están parados. Esto ha causado problemas con algunos lanzamientos de globos de radioaficionados que alcanzan regularmente los 30 km (100.000 pies).
Estos límites sólo se aplican a las unidades o componentes exportados desde los Estados Unidos. Existe un comercio creciente de diversos componentes, incluidas unidades GPS de otros países. Estas se venden expresamente sin ITAR .
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A partir de 2009, las aplicaciones militares del GPS incluyen:
La navegación de tipo GPS se utilizó por primera vez en la guerra del Golfo Pérsico de 1991 , antes de que el GPS se desarrollara por completo en 1995, para ayudar a las Fuerzas de la Coalición a navegar y realizar maniobras en la guerra. La guerra también demostró la vulnerabilidad del GPS a las interferencias , cuando las fuerzas iraquíes instalaron dispositivos de interferencia en objetivos probables que emitían ruido de radio, interrumpiendo la recepción de la débil señal GPS. [140]
La vulnerabilidad del GPS a las interferencias es una amenaza que sigue creciendo a medida que aumentan los equipos y la experiencia en materia de interferencias. [141] [142] Se ha informado de que las señales GPS han sido bloqueadas muchas veces a lo largo de los años con fines militares. Rusia parece tener varios objetivos para este enfoque, como intimidar a los vecinos mientras socava la confianza en su dependencia de los sistemas estadounidenses, promover su alternativa GLONASS, interrumpir los ejercicios militares occidentales y proteger los activos de los drones. [143] China utiliza interferencias para disuadir a los aviones de vigilancia estadounidenses cerca de las disputadas Islas Spratly . [144] Corea del Norte ha montado varias operaciones de interferencia importantes cerca de su frontera con Corea del Sur y en alta mar, interrumpiendo vuelos, envíos y operaciones pesqueras. [145] Las Fuerzas Armadas iraníes interrumpieron el GPS del avión de pasajeros civil Flight PS752 cuando derribó la aeronave. [146] [147]
En la guerra ruso-ucraniana , las municiones guiadas por GPS proporcionadas a Ucrania por los países de la OTAN experimentaron importantes índices de fallos como resultado de la guerra electrónica rusa. La tasa de eficacia de los proyectiles de artillería Excalibur en el impacto de los objetivos se redujo del 70% al 6% a medida que Rusia adaptaba sus actividades de guerra electrónica. [148]
Mientras que la mayoría de los relojes derivan su hora del Tiempo Universal Coordinado (UTC), los relojes atómicos de los satélites están configurados según la hora GPS . La diferencia es que la hora GPS no se corrige para que coincida con la rotación de la Tierra, por lo que no contiene nuevos segundos intercalares ni otras correcciones que se añaden periódicamente a la UTC. La hora GPS se estableció para que coincidiera con la UTC en 1980, pero desde entonces ha divergido. La falta de correcciones significa que la hora GPS permanece con un desfase constante con respecto al Tiempo Atómico Internacional (TAI) (TAI - GPS = 19 segundos). Se realizan correcciones periódicas a los relojes de a bordo para mantenerlos sincronizados con los relojes terrestres. [79] : Sección 1.2.2
El mensaje de navegación GPS incluye la diferencia entre la hora GPS y la UTC. A partir de enero de 2017, [update]la hora GPS está 18 segundos por delante de la UTC debido al segundo intercalar añadido a la UTC el 31 de diciembre de 2016. [149] Los receptores restan esta diferencia de la hora GPS para calcular la UTC y los valores de zona horaria específica. Es posible que las nuevas unidades GPS no muestren la hora UTC correcta hasta después de recibir el mensaje de diferencia UTC. El campo de diferencia GPS-UTC puede alojar 255 segundos intercalares (ocho bits).
El tiempo GPS es teóricamente preciso hasta aproximadamente 14 nanosegundos, debido a la desviación del reloj con respecto al Tiempo Atómico Internacional que experimentan los relojes atómicos en los transmisores GPS. [150] La mayoría de los receptores pierden algo de precisión en su interpretación de las señales y solo son precisos hasta aproximadamente 100 nanosegundos. [151] [152]
El GPS implementa dos correcciones importantes en sus señales de tiempo para efectos relativistas: una para la velocidad relativa del satélite y el receptor, utilizando la teoría especial de la relatividad, y otra para la diferencia de potencial gravitatorio entre el satélite y el receptor, utilizando la relatividad general. La aceleración del satélite también podría calcularse independientemente como una corrección, dependiendo del propósito, pero normalmente el efecto ya se aborda en las dos primeras correcciones. [153] [154]
A diferencia del formato de año, mes y día del calendario gregoriano , la fecha GPS se expresa como un número de semana y un número de segundos dentro de la semana. El número de semana se transmite como un campo de diez bits en los mensajes de navegación C/A y P(Y), y así se convierte en cero nuevamente cada 1024 semanas (19,6 años). La semana cero del GPS comenzó a las 00:00:00 UTC (00:00:19 TAI) el 6 de enero de 1980, y el número de semana se convirtió en cero nuevamente por primera vez a las 23:59:47 UTC el 21 de agosto de 1999 (00:00:19 TAI el 22 de agosto de 1999). Ocurrió la segunda vez a las 23:59:42 UTC el 6 de abril de 2019. Para determinar la fecha gregoriana actual, se debe proporcionar a un receptor GPS la fecha aproximada (con una precisión de 3584 días) para traducir correctamente la señal de fecha del GPS. Para abordar esta preocupación en el futuro, el mensaje de navegación civil GPS modernizado (CNAV) utilizará un campo de 13 bits que solo se repite cada 8.192 semanas (157 años), por lo que durará hasta 2137 (157 años después de la semana cero del GPS).
Las señales de navegación transmitidas por los satélites GPS codifican una variedad de información, incluidas las posiciones de los satélites, el estado de los relojes internos y la salud de la red. Estas señales se transmiten en dos frecuencias portadoras separadas que son comunes a todos los satélites de la red. Se utilizan dos codificaciones diferentes: una codificación pública que permite una navegación de menor resolución y una codificación cifrada utilizada por el ejército de los EE. UU. [155]
Cada satélite GPS transmite continuamente un mensaje de navegación en las frecuencias L1 (C/A y P/Y) y L2 (P/Y) a una velocidad de 50 bits por segundo (ver bitrate ). Cada mensaje completo tarda 750 segundos ( 12+1 ⁄ 2 minutos) para completarse. La estructura del mensaje tiene un formato básico de una trama de 1500 bits de longitud formada por cinco subtramas, cada una de las cuales tiene una longitud de 300 bits (6 segundos). Las subtramas 4 y 5 se subconmutan 25 veces cada una, de modo que un mensaje de datos completo requiere la transmisión de 25 tramas completas. Cada subtrama consta de diez palabras, cada una de 30 bits de longitud. Por lo tanto, con 300 bits en una subtrama multiplicado por 5 subtramas en una trama multiplicado por 25 tramas en un mensaje, cada mensaje tiene una longitud de 37 500 bits. A una velocidad de transmisión de 50 bits/s, esto da 750 segundos para transmitir un mensaje de almanaque completo (GPS) . Cada trama de 30 segundos comienza exactamente en el minuto o medio minuto que indica el reloj atómico de cada satélite. [156]
El primer submarco de cada marco codifica el número de semana y el tiempo dentro de la semana, [157] así como los datos sobre la salud del satélite. El segundo y el tercer submarco contienen las efemérides – la órbita precisa del satélite. El cuarto y el quinto submarco contienen el almanaque , que contiene información aproximada sobre la órbita y el estado de hasta 32 satélites en la constelación, así como datos relacionados con la corrección de errores. Por lo tanto, para obtener una ubicación precisa del satélite a partir de este mensaje transmitido, el receptor debe demodular el mensaje de cada satélite que incluye en su solución durante 18 a 30 segundos. Para recopilar todos los almanaques transmitidos, el receptor debe demodular el mensaje durante 732 a 750 segundos o 12+1 ⁄ 2 minutos. [158]
Todos los satélites transmiten en las mismas frecuencias, codificando las señales mediante un sistema de acceso múltiple por división de código (CDMA) único, de modo que los receptores puedan distinguir los satélites individuales entre sí. El sistema utiliza dos tipos distintos de codificación CDMA: el código de adquisición (C/A), al que puede acceder el público en general, y el código preciso (P(Y)), que está encriptado de modo que sólo el ejército de los EE. UU. y otras naciones de la OTAN a las que se les ha dado acceso al código de encriptación pueden acceder a él. [159]
Las efemérides se actualizan cada 2 horas y son suficientemente estables durante 4 horas, con previsiones para actualizaciones cada 6 horas o más en condiciones no nominales. El almanaque se actualiza normalmente cada 24 horas. Además, se cargan los datos de algunas semanas posteriores en caso de actualizaciones de transmisión que retrasen la carga de datos. [ cita requerida ]
Todos los satélites transmiten en las mismas dos frecuencias, 1,57542 GHz (señal L1) y 1,2276 GHz (señal L2). La red de satélites utiliza una técnica de espectro ensanchado CDMA [160] : 607 donde los datos de mensajes de baja tasa de bits se codifican con una secuencia pseudoaleatoria (PRN) de alta tasa que es diferente para cada satélite. El receptor debe conocer los códigos PRN de cada satélite para reconstruir los datos reales del mensaje. El código C/A, para uso civil, transmite datos a 1,023 millones de chips por segundo, mientras que el código P, para uso militar de EE. UU., transmite a 10,23 millones de chips por segundo. La referencia interna real de los satélites es 10,22999999543 MHz para compensar los efectos relativistas [161] [162] que hacen que los observadores en la Tierra perciban una referencia temporal diferente con respecto a los transmisores en órbita. La portadora L1 se modula mediante los códigos C/A y P, mientras que la portadora L2 solo se modula mediante el código P. [88] El código P se puede cifrar como un código denominado P(Y), que solo está disponible para equipos militares con una clave de descifrado adecuada. Tanto el código C/A como el P(Y) transmiten la hora exacta al usuario.
La señal L3 a una frecuencia de 1,38105 GHz se utiliza para transmitir datos desde los satélites a las estaciones terrestres. Estos datos son utilizados por el Sistema de Detección de Detonaciones Nucleares (NUDET) de los Estados Unidos (USNDS) para detectar, localizar y notificar detonaciones nucleares (NUDET) en la atmósfera de la Tierra y en el espacio cercano. [163] Uno de sus usos es la aplicación de los tratados de prohibición de pruebas nucleares.
Se está estudiando la banda L4 en 1,379913 GHz para una corrección ionosférica adicional. [160] : 607
La banda de frecuencia L5 a 1,17645 GHz se agregó en el proceso de modernización del GPS . Esta frecuencia se encuentra en un rango protegido internacionalmente para la navegación aeronáutica, lo que promete poca o ninguna interferencia en todas las circunstancias. El primer satélite Block IIF que proporciona esta señal se lanzó en mayo de 2010. [164] El 5 de febrero de 2016, se lanzó el duodécimo y último satélite Block IIF. [165] El L5 consta de dos componentes portadores que están en cuadratura de fase entre sí. Cada componente portador está modulado por un tren de bits independiente mediante una clave de desplazamiento bifásico (BPSK). "L5, la tercera señal GPS civil, eventualmente respaldará aplicaciones de seguridad de la vida para la aviación y brindará una disponibilidad y precisión mejoradas". [166]
En 2011, se otorgó una exención condicional a LightSquared para operar un servicio de banda ancha terrestre cerca de la banda L1. Aunque LightSquared había solicitado una licencia para operar en la banda de 1525 a 1559 en 2003 y se publicó para comentarios públicos, la FCC le pidió a LightSquared que formara un grupo de estudio con la comunidad GPS para probar los receptores GPS e identificar problemas que pudieran surgir debido a la mayor potencia de señal de la red terrestre de LightSquared. La comunidad GPS no había objetado las solicitudes de LightSquared (anteriormente MSV y SkyTerra) hasta noviembre de 2010, cuando LightSquared solicitó una modificación a su autorización de Componente Terrestre Auxiliar (ATC). Esta presentación (SAT-MOD-20101118-00239) equivalía a una solicitud para hacer funcionar varios órdenes de magnitud más de potencia en la misma banda de frecuencia para estaciones base terrestres, reutilizando esencialmente lo que se suponía que era un "vecindario tranquilo" para señales del espacio como el equivalente de una red celular. Las pruebas realizadas en la primera mitad de 2011 han demostrado que los efectos de los 10 MHz inferiores del espectro son mínimos para los dispositivos GPS (menos del 1% del total de dispositivos GPS se ven afectados). Los 10 MHz superiores destinados a ser utilizados por LightSquared pueden tener algún efecto sobre los dispositivos GPS. Existe cierta preocupación de que esto pueda degradar seriamente la señal GPS para muchos usos de los consumidores. [167] [168] La revista Aviation Week informa que las últimas pruebas (junio de 2011) confirman una "interferencia significativa" del GPS por parte del sistema de LightSquared. [169]
Como todas las señales de los satélites 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. [170] [171]
Si la información del almanaque ya se ha adquirido, el receptor selecciona los satélites que debe escuchar por sus PRN, números únicos en el rango de 1 a 32. Si la información del almanaque no está en la memoria, el receptor entra en un modo de búsqueda hasta que se obtiene un enlace con uno de los satélites. Para obtener un enlace, es necesario que haya una línea de visión sin obstáculos desde el receptor hasta el satélite. El receptor puede entonces adquirir el almanaque y determinar los satélites que debe escuchar. A medida que detecta la señal de cada satélite, lo identifica por su patrón de código C/A distintivo. Puede haber una demora 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 la transmisión y la posición del satélite en ese momento. Para obtener más información, consulte Demodulación y decodificación, Avanzada .
El receptor utiliza los mensajes recibidos de los satélites para determinar las posiciones de los satélites y el tiempo de envío. Los componentes x, y y z de la posición del satélite y el tiempo de envío ( s ) 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 el tiempo de recepción del mensaje indicado por el reloj del receptor a bordo es , el tiempo de recepción real es , donde b es el sesgo del reloj del receptor con respecto a los relojes GPS mucho más precisos que emplean los satélites. El sesgo del reloj del receptor es el mismo para todas las señales satelitales recibidas (asumiendo que los relojes de los satélites están 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 geométrica o rango 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 los 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 el sesgo 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 unicidad de las soluciones GPS. [75] 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 con la ubicación de los satélites recibidos en el cielo, ya que ciertas configuraciones (cuando los satélites recibidos están cerca unos de otros en el cielo) causan errores mayores. Los receptores generalmente calculan una estimación móvil del error en la posición calculada. Esto se hace multiplicando la resolución básica del receptor por cantidades llamadas factores de dilución geométrica de la posición (GDOP), calculados a partir de las direcciones relativas del cielo de los satélites utilizados. [174] 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 del país. [175]
Las ecuaciones 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 pseudorrangos, 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; véase trilateración (más generalmente, multilateración de rango verdadero). Se requieren señales de al menos tres satélites, y sus tres esferas normalmente se intersectarían en dos puntos. [176] 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 los errores aleatorios, así como la posibilidad de pérdida de precisión al restar números cercanos entre sí si los centros de las esferas están relativamente cerca. Esto significa que es poco probable que la posición calculada a partir de tres satélites solos sea lo suficientemente precisa. Los datos de más satélites pueden ayudar debido a la tendencia de los errores aleatorios a cancelarse y también al dar una mayor dispersión entre los centros de las esferas. Pero al mismo tiempo, generalmente no se intersectarán más esferas en un punto. Por lo tanto, se calcula una intersección cercana, generalmente mediante mínimos cuadrados. Cuantas más señales estén disponibles, mejor será 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 , el sesgo de reloj del receptor común ( 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 la 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 ). Por lo tanto, a partir de cuatro mediciones de pseudorango, el receptor se puede colocar en la intersección de las superficies de tres hiperboloides, cada uno con focos en un par de satélites. Con satélites adicionales, las intersecciones múltiples no son necesariamente únicas, y en su lugar se busca una solución de mejor ajuste. [75] [76] [177] [178] [179] [180]
La posición del receptor puede interpretarse como el centro de una esfera inscrita (insphere) de radio bc , dada por el sesgo del reloj del receptor b (escalado por la velocidad de la luz c ). La ubicación insphere es tal que toca otras esferas. Las esferas que las circunscriben están centradas en los satélites GPS, cuyos radios son iguales a los pseudorangos medidos p i . Esta configuración es distinta de la descrita anteriormente, en la que los radios de las esferas eran los rangos geométricos o no sesgados d i . [179] : 36–37 [181]
El reloj del receptor no suele ser de la misma calidad que los 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 de tiempo entre el reloj del receptor y el tiempo del satélite se define como un sesgo de reloj desconocido b . Las ecuaciones se resuelven entonces simultáneamente para la posición del receptor y el sesgo 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), [182] 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 dichos 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 del receptor, la capacidad de procesamiento y la dilución geométrica de la precisión (GDOP).
El uso de más de cuatro implica un sistema de ecuaciones sobredeterminado sin solución única; dicho sistema puede resolverse mediante un método de mínimos cuadrados o de mínimos cuadrados ponderados. [172]
Tanto las ecuaciones para cuatro satélites como las ecuaciones de mínimos cuadrados para más de cuatro no son lineales y requieren métodos de solución especiales. Un enfoque común es la iteración sobre 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 de forma cerrada para el conjunto de ecuaciones anterior. [173] [183] Sus propiedades son bien conocidas; [75] [76] [184] en particular, sus defensores afirman que es superior en situaciones de GDOP bajo , en comparación con los métodos iterativos de mínimos cuadrados. [183]
El método de Bancroft es algebraico, a diferencia de numérico, y se puede utilizar para cuatro o más satélites. Cuando se utilizan cuatro satélites, los pasos clave son la inversión de una matriz 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 (que es el caso habitual), sólo una es una solución sensible a la Tierra. [173]
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 demostrado que los métodos iterativos, como el enfoque del algoritmo de Gauss-Newton para resolver problemas de mínimos cuadrados no lineales sobredeterminados , generalmente brindan soluciones más precisas. [185]
Leick et al. (2015) afirma que "la solución de Bancroft (1985) es una solución de forma cerrada muy temprana, si no la primera". [186] Posteriormente se publicaron otras soluciones de forma cerrada, [187] [188] aunque su adopción en la práctica no está clara.
El análisis de errores del GPS examina las fuentes de error en los resultados del GPS y el tamaño esperado de esos errores. El GPS realiza correcciones para los 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 (retardos ionosféricos/troposféricos), datos de efemérides y reloj, señales de trayectos 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 y amenazar a barcos y aeronaves [189] o de la degradación intencional de la señal a través de la disponibilidad selectiva, que limitó la precisión a ≈ 6–12 m (20–40 pies), pero que ha estado desactivada desde el 1 de mayo de 2000. [190] [191]
La mejora del GNSS se refiere a las técnicas utilizadas para mejorar la precisión de la información de posicionamiento proporcionada por el Sistema de Posicionamiento Global u otros sistemas globales de navegación 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, por lo general, se los nombra o describe en función de cómo el sensor GPS recibe la información. Algunos sistemas transmiten información adicional sobre las fuentes de error (como la desviación del reloj, las efemérides o el retraso ionosférico ), otros proporcionan mediciones directas de cuánto se desvió la señal en el pasado, mientras que un tercer grupo proporciona información adicional sobre la navegación o el vehículo que se integra en el proceso de cálculo.En los Estados Unidos, los receptores GPS están regulados por las normas de la Parte 15 de la Comisión Federal de Comunicaciones (FCC) . Como se indica en los manuales de los dispositivos habilitados para GPS que se venden en los Estados Unidos, como dispositivo de la Parte 15, "debe aceptar cualquier interferencia recibida, incluida la interferencia que pueda causar un funcionamiento no deseado". [192] Con respecto a los dispositivos GPS en particular, la FCC establece que los fabricantes de receptores GPS "deben utilizar receptores que discriminen razonablemente la recepción de señales fuera de su espectro asignado". [193] Durante los últimos 30 años, los receptores GPS han funcionado 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 el uso de GPS L1 por la FCC es de 1559 a 1610 MHz, mientras que el espectro asignado para el uso satélite-tierra propiedad de Lightsquared es la banda de Servicio Satelital Móvil. [194] 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. [195] 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 de las estaciones terrestres de LightSquared emitan transmisiones en la banda GPS vecina de 1559 a 1610 MHz. [196] 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 (ATCs) – "Autorizaremos MSS ATC sujeto a condiciones que aseguren que el componente terrestre añadido siga siendo auxiliar a la oferta principal de MSS. No tenemos la intención, ni permitiremos, que el componente terrestre se convierta en un servicio independiente." [197] Esta autorización fue revisada y aprobada por el Comité Asesor de Radio Interdepartamental de los EE.UU., que incluye al Departamento de Agricultura de los EE.UU. , la Fuerza Espacial de los EE.UU., el Ejército de los EE.UU., la Guardia Costera de los EE.UU. , la Administración Federal de Aviación , la Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio (NASA), el Departamento del Interior de los EE.UU. y el Departamento de Transporte de los EE.UU. [ 198]
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 integrado satelital-terrestre de LightSquared y revender ese servicio integrado en dispositivos que estén equipados para utilizar únicamente la señal terrestre utilizando las frecuencias asignadas de LightSquared de 1525 a 1559 MHz. [199] En diciembre de 2010, los fabricantes de receptores GPS expresaron sus preocupaciones a la FCC de que la señal de LightSquared interferiría con los dispositivos receptores GPS [167], aunque las consideraciones de política de la FCC que condujeron a la orden de enero de 2011 no se referían a ningún cambio propuesto en el número máximo de estaciones terrestres de LightSquared ni a la potencia máxima a la que podrían funcionar estas estaciones. La orden de enero de 2011 hace que la autorización final dependa de los estudios de los problemas de interferencia del GPS realizados por un grupo de trabajo dirigido por LightSquared junto con la participación de la industria del GPS y de la agencia federal. El 14 de febrero de 2012, la FCC inició procedimientos para anular la orden de exención condicional de LightSquared basándose en la conclusión de la NTIA de que actualmente no había 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 al 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 satelitales móviles en esas regiones están transmitiendo desde el espacio a la tierra, y a niveles de potencia acordes con los servicios satelitales móviles. [200] Como se regula en las reglas de la Parte 15 de la FCC, los receptores GPS no están protegidos contra señales fuera del espectro asignado al GPS. [193] Esta es la razón por la que el GPS opera junto a la banda del Servicio Satelital Móvil, y también por la que la banda del Servicio Satelital Móvil opera junto al GPS. La relación simbiótica de asignación de espectro garantiza que los usuarios de ambas bandas puedan operar de manera cooperativa y libre.
En febrero de 2003, la FCC adoptó normas que permitían a los licenciatarios de servicios móviles por satélite (MSS), como LightSquared, construir una pequeña cantidad de torres auxiliares terrestres en su espectro autorizado para "promover un uso más eficiente del espectro inalámbrico terrestre". [201] 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 diferentes precios, cobertura, aceptación de productos y distribución; por lo tanto, los dos servicios parecen, en el mejor de los casos, ser sustitutos imperfectos entre sí que estarían operando en segmentos de mercado predominantemente diferentes... Es poco probable que el MSS ATC compita directamente con el CMRS terrestre por la misma base de clientes...". En 2004, la FCC aclaró que las torres terrestres serían auxiliares, señalando: "Autorizaremos el ATC MSS sujeto a condiciones que aseguren que el componente terrestre añadido siga siendo auxiliar a la oferta principal de MSS. No tenemos intención, ni permitiremos, que el componente terrestre se convierta en un servicio independiente". [197] En julio de 2010, la FCC declaró que esperaba que LightSquared utilizara su autoridad para ofrecer un servicio terrestre-satélite integrado para "ofrecer servicios de banda ancha móvil similares a los que proporcionan los proveedores móviles terrestres y mejorar la competencia en el sector de banda ancha móvil". [202] Los fabricantes de receptores GPS han argumentado que el espectro autorizado de LightSquared de 1525 a 1559 MHz nunca se concibió para ser utilizado para banda ancha inalámbrica de alta velocidad, basándose en las resoluciones ATC de la FCC de 2003 y 2004 que dejaron en claro que el componente de torre auxiliar (ATC) sería, de hecho, auxiliar al componente satelital primario. [203] 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 Satelital Móvil, el fabricante de receptores GPS Trimble Navigation Ltd. formó la "Coalición para salvar nuestro GPS". [204]
La FCC y LightSquared han asumido compromisos públicos para resolver el problema de interferencia del GPS antes de que se permita que la red opere. [205] [206] 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 curso y ni siquiera darse cuenta". [207] Los problemas también podrían afectar la actualización de la Administración Federal de Aviación al sistema de control de tráfico aéreo , la guía del Departamento de Defensa de los Estados Unidos y los servicios de emergencia locales , incluido el 911. [207]
El 14 de febrero de 2012, la FCC decidió prohibir la red de banda ancha nacional planificada por LightSquared después de que la Administración Nacional de Telecomunicaciones e Información (NTIA), la agencia federal que coordina los usos del espectro para las fuerzas armadas y otras entidades del gobierno federal, le informara que "no existe una manera práctica de mitigar las posibles interferencias en este momento". [208] [209] LightSquared está impugnando la acción de la FCC. [ necesita actualización ]
Tras la implantación del GPS en Estados Unidos, otros países también han desarrollado sus propios sistemas de navegación por satélite. Entre estos sistemas se incluyen:
En caso de condiciones meteorológicas adversas o de despliegue de un arma antisatélite contra el GPS, Estados Unidos no dispone de un sistema terrestre de respaldo. Se calcula que el coste potencial de un evento de este tipo para la economía estadounidense es de 1.000 millones de dólares al día. El sistema LORAN-C se apagó en América del Norte en 2010 y en Europa en 2015. Se propone que el eLoran sea un sistema terrestre de respaldo estadounidense, pero a fecha de 2024 no ha recibido aprobación ni financiación. [216]
China continúa utilizando transmisores LORAN-C, [217] y Rusia tiene un sistema similar llamado CHAYKA ("Gaviota").
El cambio se produjo simultáneamente en toda la constelación de satélites.
