El GPS marino
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Una gran explicación de como funciona el GPS marino
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[EL GPS MARINO]
H.O.B.
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Índice
Introducción a los sistemas de navegación por satélite Página 3
El GPS Página 4
Principio de funcionamiento del GPS Página 5
Constitución del sistema Página 7
o Estructura de la señal Página 7
o Sectores Página 11
Sector espacial. Página 11
Sector de control. Página 14
Sector de usuario. Página 16
Sistemas de referencia GPS Página 18
o Sistema de referencia orbital. Página 18
o Sistema de referencia geodésico. Página 18
▫ Sistema de referencia WGS84 Página 18
o Sistema de referencia temporal. Página 19
Precisión del GPS: errores en la medida. Página 21
El GPS diferencial (DGPS). Página 23
Anexo I: Resolución de la OMI A.819 (19) Página 25
Anexo II: Imágenes VariasPágina 30
BibliografíaPágina 31
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Introducción a los sistemas de navegación por satélite
El primer sistema de navegación por satélite fue el NAVSAT (Navy Navigation Satellite
System), también conocido como sistema TRANSIT, que fue concebido y desarrollado
por el laboratorio de física aplicada de la Universidad John Hopkins, para la armada
estadounidense.
Un prototipo del sistema satelitario y fue lanzado al espacio con éxito en abril de 1960,
demostrando la utilidad del mismo para la navegación. Se disponía así de un nuevo
método para determinar la situación (basado en la medida del efecto Doppler de la
señal recibida procedente de un satélite cuya órbita es conocida), más preciso que los
entonces conocidos, disponible en cualquier parte del globo e independiente de las
condiciones meteorológicas.
El sistema NAVSAT, en servicio desde 1967, ha sido reemplazado por un sistema de
navegación por satélite de segunda generación: el sistema NAVSTAR GPS
(Navigation Satellite Timing and Ranging-Global Positioning System), conocido como
GPS. Desarrollado a partir de 1973 también por el departamento de defensa del
gobierno estadounidense con fines militares, completando su capacidad operativa en
1995.
En la actualidad existe otro sistema de navegación por satélite: el GLONASS (Global
Navigation Satellite System), operado por la agencia espacial rusa, que fue declarado
completamente operativo en 1996. Al igual que el GPS, el GLONASS está disponible
para uso civil.
Las medidas básicas que se pueden hacer desde la transmisión de una señal por un
satélite son la distancia y la velocidad relativa. Estas medidas pueden ser utilizadas
para derivar la información de navegación observando un simple satélite sobre un
periodo de tiempo en su paso sobre el observador, como en el sistema TRANSIT
nombrado anteriormente, o haciendo medidas a un número de satélites vistos
simultáneamente, como en el caso del sistema GPS.
Satélite GPS GPS IIR-M
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El GPS
El GPS se distingue de otros sistemas de navegación principalmente en tres áreas de
vital importancia:
La precisión, que es mejorada de forma importante.
La actualización de la posición, que se realiza de modo continuo.
La cobertura, que es global.
Todo esto, en conexión con la alta fiabilidad del sistema, hacen del GPS un sistema
avanzado de navegación global sin precedentes, permitiendo una navegación precisa
y segura.
El GPS es un sistema espacial de determinación de la situación, la velocidad y la hora,
que consta de tres sectores principales:
El sector espacial.
El sector de control.
El sector del usuario.
Los cuales se explicarán más adelante.
Los GPS son muy utilizados en la actividad marina. El navegante obtiene su posición,
y si tiene incorporada la carta náutica del lugar, podrá navegar hacia determinado
puerto, seguir un canal, esquivar una embarcación hundida bajo el agua, etc. El
funcionamiento no se ve afectado por falta de visibilidad o condiciones
meteorológicas.
En la imagen de la izquierda, se muestra un GPS marino de bastante sencillez, el cual nos
proporciona las coordenadas en la que nos encontramos. El GPS central, nos muestra ya las
cartas náuticas en color. En el GPS de la izquierda (más actual), nos muestra las cartas
náuticas y los fondos marinos en 3 dimensiones.
[EL GPS MARINO] Héctor de los Ojos Barroso
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Principio de funcionamiento del GPS
El fundamento del GPS está en determinar la situación del móvil (en este caso el
buque) respecto del satélite 𝑅𝑚 . Conocidas de trayectoria y la ley del movimiento,
mediante las ecuaciones de la dinámica del satélite 𝑅𝑠 , la posición del móvil vendrá
determinada por la diferencia:
𝑅 = 𝑅𝑠 − 𝑅𝑚
Para determinar 𝑅𝑚 , el satélite transmite continuamente dos señales en banda L
moduladas con un código, para la determinación de la distancia, y un mensaje de
navegación. Si conociéramos la distancia a un sólo satélite, el lugar geométrico donde
se encontraría localizado el móvil sería una esfera; si conociéramos la distancia a dos
satélites, en lugar geométrico sería una circunferencia, y si fuesen tres las distancias
conocidas, el lugar geométrico sería uno o dos puntos, uno de los cuales se rechaza
por estima.
Como el reloj del receptor no está sincronizado con el reloj del satélite, cada medida
de distancia tiene un error, por lo que esta distancia es conocida con el nombre de
“pseudodistancia”. Para obtener la situación sobre la superficie terrestre (latitud y
longitud) serán necesarias al menos 3 pseudodistancias, de forma que el
microprocesador pueda resolver las tres ecuaciones de distancia y eliminar el error
introducido por el reloj del receptor. De forma similar, se necesitan cuatro
pseudodistancias si además se desea conocer la altura del receptor.
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Si la variación de distancia es medida por el receptor, podemos calcular también la
velocidad.
La posición del móvil vendrá dada por:
𝑅𝑎 𝑖 = (𝑋𝑖 − 𝑋𝑎)2+ (𝑌𝑖 − 𝑌𝑎)2 + (𝑍𝑖 − 𝑍𝑎)2 + 𝑐 · 𝛥𝑡𝑎
En donde:
cVelocidad de la luz.
ΔtaPolarización del reloj de la aeronave.
i1,2,3,4.
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Constitución del sistema
Estructura de la señal
Para la fuente de frecuencia, los satélites están equipados de dos o cuatro osciladores
atómicos de cesio o de rubidio (denominados relojes en la terminología GPS), de alta
precisión, encargados de generar la frecuencia fundamental de 10,23 MHz, a partir de
la cual se obtienen el resto de las señales. Los satélites emiten continuamente en la
banda L (1 GHz a 2 GHz) sobre dos portadoras denominadas: L 1 (1575,42 MHz) y L 2
(1227,60 MHz). La presencia de la L 2 permite la calibración y corrección del retraso
introducido por la refracción y ionosférica, por medio de la comparación de los retardos
diferentes de ambas señales. Pero, los receptores GPS para uso civil sólo captan la
señal L1.
Cuadro de frecuencias
empleadas en la emisión
GPS
Sobre las portadoras L1 y L2, se envían por modulación dos códigos y un mensaje. El
primer código se denomina C/A (Course/Acquisition) o S (Standard) y se modula en la
frecuencia de reloj de 1,023 MHz y se obtiene multiplicando dos códigos de 1023 bits.
El segundo código es el P (Precise) y se modula en una frecuencia de reloj 10,23 MHz
y se obtiene multiplicando dos códigos P1 y P2 de 15.345.000 y 15.345.037 bits de
longitud respectivamente. El mensaje se envía modulando en la frecuencia de 50 Hz y
aporta toda la información necesaria para los usuarios del sistema (del estado de los
satélites, sus efemérides, el estado de los relojes, etc.). La precisión en la medida del
tiempo de llegada, y por tanto, en la medida de la distancia observador-satélite, está
ligada directamente con la duración de un bit, de ahí que la precisión con el código P
sea muy superior.
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Modulación de la portadora
Los códigos sirven fundamentalmente para posicionamiento absoluto y son utilizados
principalmente en navegación. El código C/A ofrece posiciones nominales
decamétricas y se usa en el posicionamiento estándar (SPS: Standard Positioning
Service). El código P, reservado para los usos militares, se transmite en las portadoras
L1 y L2, mientras que el código C/A, destinado a usos civiles, se transmite sólo en la L1.
Se utilizan las dos frecuencias para la corrección del error y ionosférico en la
propagación de las señales. El mensaje de navegación se incluye tanto en el código P
como en el código C/A, y se transmite a una velocidad de 50 bits/segundo. La tabla
siguiente muestra el mensaje de navegación:
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El formato del mensaje de 1500 bits se estructura en cinco bloques de 300 bits cada
uno. Cada bloque se divide en 10 palabras de 30 bits cada una; la primera es siempre
dedicada a la telemetría del satélite, las segundas información para la conmutación del
código C/A al P. Para los usuarios autorizados, estas dos palabras son generadas en
el satélite, y las ocho restantes son generadas por el segmento de control de tierra.
▫ El bloque 1 almacena los parámetros para la corrección del reloj.
▫ Los bloques 2 y 3, de 12 y 18 segundos de duración, respectivamente,
contienen información de las efemérides del satélite y son inyectadas cada
hora desde el segmento de Tierra.
▫ En el bloque 4, sus 300 bits quedan reservados para mensajes alfanuméricos
de futuras aplicaciones, siendo conocido como bloque del mensaje.
▫ El bloque 5 contiene el almanaque de un satélite, así como su estado de salud,
por lo que en los 24 sucesivos mensajes se podrán obtener los almanaques de
los 24 satélites.
El término almanaque se utiliza generalmente para distinguir una órbita aproximada
(necesaria para la planificación de una operación con el GPS) de una órbita mucho
más precisa, designada como efemérides y requerida para el proceso de información
obtenida del GPS. Los datos del mensaje de navegación son válidos para un período
de cuatro horas, aunque se renueven cada hora.
Cuando en 1973 nació el proyecto, se pensó en el posicionamiento preciso (PPS), el
cual proporcionaría precisiones de 10 o 20 m en tiempo real. Pero al entrar en
funcionamiento el sistema se comprobó que la precisión esperada en el PPS se
alcanzaba con facilidad el posicionamiento estándar (SPS); y que el posicionamiento
preciso PPS resultó ser casi un orden de magnitud mejor de lo esperado. El
departamento de defensa estadounidense no quería que los usuarios no autorizados,
con receptores sencillos y baratos, dispusieran de un sistema de posicionamiento con
precisiones mejores de 100 m, por lo que decidieron degradar la precisión obtenible
con el SPS. Esta degradación se denomina disponibilidad selectiva (SA o SAP:
Selective Availability Policy) y se activó por primera vez el 25 marzo de 1990, sin
previo aviso, porque el sistema aún no había sido declarado oficialmente operativo.
Cuando se activaba la disponibilidad selectiva (SA), el sistema ofrece posiciones
horizontales absolutas de 100 m con una probabilidad del 95%, y no peores de 300 m
en el 99,9% de las ocasiones del 5% restante.
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Sumario de las
fuentes de error
Los usuarios autorizados disponen del adecuado contraproceso para recuperar la
precisión original, eludiendo así la disponibilidad selectiva en posicionamiento
absoluto, estándar o preciso.
En 1998, el gobierno de los Estados Unidos anunció que el GPS proporcionará dos
nuevas señales para uso civil. La segunda señal (la primera es la L1) que benefició
sobre todo al transporte aéreo, terrestre y marítimo, y estuvo disponible a partir de
2005, ya que esta señal fue incorporada a la nueva generación de satélites GPS que
reemplazó a los que estaban en órbita hasta aquel momento. Esta señal mejoró la
precisión y fiabilidad de los receptores GPS de uso civil, capacitándolos para corregir
los efectos perturbadores de la atmósfera terrestre en la propagación de las ondas
procedentes del espacio. La tercera frecuencia favorece particularmente a las
aplicaciones científicas, geodésicas y topográficas, mejorando la velocidad con que los
usuarios pueden obtener la posición y la hora, así como la precisión general y la
fiabilidad del sistema. Una de estas nuevas señales se incorporó a la portadora L2,
hasta ahora utilizada sólo para fines militares. Señales civiles y militares pueden
coexistir sobre esta frecuencia, como ya lo han hecho en la frecuencia L1. Esta no es
la única mejora del servicio para usuarios civiles, quizá debido al emergente
competidor europeo, los americanos suprimieron la disponible a selectiva (SA) el 1 de
mayo de 2000.
La relación con los usuarios civiles del sistema GPS es mantenido por la “U.S. Coast
Guard”, y con este fin han establecido un “Navigation Center-NAVCEN” en Alexandria
(Virginia). Una parte de este centro es el Navigation Information Service (NIS) que
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ofrece un servicio a través de Internet con información de interés para la navegación
(incluyendo la relativa al GPS).
Sectores
Como se dijo anteriormente el GPS consta de tres sectores o segmentos principales:
Sector espacial.
Sector de control.
Sector de usuario.
Los cuales se explican a continuación.
Sector espacial
La constelación espacial está compuesta por 24 satélites operacionales y tres de
reserva distribuidos en seis órbitas (Constelación Navstar). Los satélites están
situados en órbitas circulares y a una altitud de 20.169 km. Estas órbitas tienen 55° de
inclinación respecto al plano del Ecuador y un período de 12 horas, por lo que les
permite realizar dos vueltas a la Tierra en el transcurso de un día.
Constelación NAVSTAR
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Esquema de
distribución de los
satélites en NAVSTAR
Esta configuración permite que al menos 4 satélites sean visibles desde cualquier
punto de la Tierra durante las 24 horas del día. Como cuatro satélites suministran las
tres dimensiones para navegación, esta configuración permite cubrir las necesidades
de los usuarios de tierra, mar y aire.
Los satélites de la constelación Navstar son identificados de diversos modos:
- Por su número NAVSTAR (SVN).
- Por su código de ruido pseudoaleatorio (PRN). En los códigos de transmisión
existen características de ruido pseudoaleatorio traducidas en bits que
identifican a cada satélite de la constelación.
- Por su número orbital. Un ejemplo sería el satélite 3D, que corresponde al
satélite número tres del plano orbital D.
Satélites de los bloques
I, II y IIR.
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Así mismo, hay que añadir que los satélites disponen además de:
Antenas emisoras de ondas de radio (banda L). Con ellas transmiten la
información al usuario.
Antenas emisoras-receptoras de ondas de radio (banda S). Sirven para
actualizar su situación a través del sector de control.
Paneles solares para disponer de la energía necesaria para su funcionamiento.
Reflectores láser para el seguimiento desde el sector de control.
La vida de los satélites oscila entre los seis y diez años.
El elemento más crítico de satélite es el oscilador atómico de cesio, tiene una
estabilidad mejor que un segundo en 30.000 años. Éstos osciladores mantienen los
satélites sincronizados y aseguran la precisión de distancia.
Todos los satélites disponen de osciladores atómicos de cesio, salvo los SVN 24, 27 y
31 que lo tienen de rubidio. En el caso de los primeros la precisión es de 10-13s,
mientras que los de rubidio es de 10-12s. La frecuencia fundamental de emisión de
estos osciladores es de 10,23 MHz.
La siguiente tabla muestra algunas de las características de los satélites de los
bloques 1 y 2 empleados en el sistema GPS.
Bloque 1 Bloque 2
Peso en el lanzamiento
(kg)
870 1667
Vida (años) 5 7,5
Frecuencias de
transmisión (MHz)
Banda L 1574,43 Igual
Banda L 1227,6 Igual
Banda L 1381,05 Igual
Banda S 1783,74 Igual
Relojes del sistema 3 de rubidio
1 de cesio
2 de rubidio
2 de cesio
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Sector de control
Es el encargado de controlar y corregir las órbitas de los satélites así como sus relojes
atómicos u osciladores y los mensajes de navegación, y está constituida por una
estación principal y varias estaciones y antenas de control situadas en todo el mundo.
Las estaciones de las que está compuesto son las siguientes:
Una estación de control principal, localizada en el centro de operaciones
espaciales de la base aérea de Falcon (Colorado Spring), en los Estados
Unidos. Esta estación computa modelos del campo gravitatorio terrestre, así
como los relojes, tanto de los satélites como los de Tierra, y modela todos los
efectos físicos que producen variaciones de algunos metros en las posiciones
de los satélites en sus órbitas con respecto a la órbita nominal de Kepler.
Tres estaciones UP/link (enlace ascendente) de Tierra, que transmiten
comandos y datos a los satélites. También reciben información de los satélites
que luego retransmiten a la estación maestra. Estas estaciones están
localizadas en Diego García, la isla de Ascensión y Kwajalein. Las tres
estaciones enlazan con los satélites en banda S.
Cinco estaciones monitor localizadas en la isla de Ascensión, Hawai,
Kwajalein, Diego García y el centro operaciones (CSOC). Estas estaciones
tienen receptores que siguen los satélites, relojes atómicos y un computador
que formatea la información y la transmite a la estación maestra, donde es
procesada y donde la información de navegación es transmitida a las tres
estaciones de UP/link (enlace ascendente) para retransmitirla a los satélites,
que a su vez retransmiten a los usuarios
La estación monitor consiste en:
▫ Una antena en banda L.
▫ Un receptor de cuatro canales.
▫ Un computador.
▫ Un reloj atómico.
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La siguiente figura muestra la distribución de las estaciones del segmento de
tierra del GPS:
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Sector de usuario
Está formado por los receptores de las señales de los satélites del sistema. Los
equipos receptores destinados a la navegación en buques cuya velocidad máxima no
exceda de 50 nudos, deben ajustarse al los requisitos mínimos de funcionamiento
establecidos por la OMI en la Resolución A.819 (19), la cual esta transcrita en el
“Anexo I” de este trabajo.
De acuerdo con la estructura de la señal del GPS, podemos clasificar los receptores
de los usuarios en tres tipos:
Receptor de cuatro canales.
Receptor secuencial.
Receptor multiplex.
El receptor de cuatro canales utiliza un canal para cada satélite que esta siguiéndose.
Esta configuración utiliza un conjunto de correlators para extraer la medida de cada
satélite, como se muestra la siguiente figura:
Receptor
GPS multicanal
En la práctica, este tipo de receptor se implementa con un quinto canal, a fin de seguir
la otra frecuencia L2 para la corrección del error ionosférico o tomar datos de un nuevo
satélite a la vista. Como este receptor continuamente está siguiendo a los satélites, es
el mejor de todos.
El receptor secuencial puede tener solamente un canal, que es programado para una
secuencia siguiendo el mejor satélite a la vista y extrayendo la medida de acuerdo con
esta secuencia. Típicamente, el receptor debe permanecer en cada satélite al menos
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un segundo para readquirir la señal y extraer la medida. Como en el caso del
Multicanal, de utilizar otro canal esta para otras funciones.
Un híbrido de estas dos arquitecturas es el receptor multiplex, que utiliza un canal
(hardware) como el receptor secuencial, pero comparte el tiempo de seguimiento por
medio de cuatro bucles o más de software, para mantener el seguimiento
continuamente de la portadora y del código de la señal. La velocidad de multiplaje
puede ser tan alta como 50 o 100 Hz, de esta forma se muestrea cada satélite por un
periodo más corto que el receptor secuencial. El usuario básicamente puede realizar
dos medidas con la señal del GPS:
▫ Comparación del código C/A o P de la señal recibida con la copia generada
localmente en el receptor en orden a calcular el retardo entre el satélite y el
receptor.
▫ Comparación de la fase entre la señal recibida y la generada localmente: esta
medida puede alcanzar una precisión del orden de milímetros. Sin embargo, la
precisión es menor, debido a que una vez el seguimiento de la señal ha
empezado, la fase sólo puede ser identificada con una ambigüedad de un
número desconocido de ciclos de la longitud de onda de la portadora
(aproximadamente 17 cm en L1).
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Sistemas de referencia GPS
Hay tres sistemas de referencia diferentes:
Sistema de referencia orbital.
Sistema de referencia geodésico.
Sistema de referencia temporal.
Sistema de referencia orbital
Para establecer su situación, los satélites GPS transmiten las efemérides(15
parámetros, incluyendo el tiempo transcurrido desde la última actualización) en un
sistema de referencia inercial, que fue definido por la Asociación Internacional de
Geodesia y la Unión Astronómica Internacional, de forma que a partir del 1 de enero
de 1984, su plano ecuatorial y su equinoccio son los correspondientes a la época 12 h
(tiempo dinámico baricentrico) del día 1 de enero de 2000.
Sistema de referencia geodésico
Las coordenadas que definen la posición del receptor están referidas al World
Geodetic System 1984 o WGS 84, cuyo origen es el centro de masas de la Tierra, el
eje Z es paralelo al polo medio, el eje X es la intersección del meridiano de Greenwich
con el Ecuador medio, y el eje Y es ortogonal a los anteriores. Los receptores suelen
tener una opción de teclado que permite convertir las coordenadas geográficas
referidas al WGS 84, en coordenadas geográficas referidas al datum geodésico
empleado para levantar la carta náutica en uso.
Sistema de referencia WGS84
Las coordenadas, tanto de los satélites como de los usuarios que se posicionan con el
sistema GPS, están referidas al sistema de referencia WGS84 (Sistema Geodésico
Mundial de 1984). Estas coordenadas pueden ser cartesianas en el espacio respecto
al centro de masas de la Tierra (X, Y, Z) o geodésicas (j, l, h). El sistema tiene las
siguientes características:
▫ Origen en el Centro de Masas de la Tierra.
▫ El eje Z es paralelo al polo medio.
▫ El eje X es la intersección del meridiano de Greenwich y el plano del ecuador.
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▫ El eje Y es perpendicular a los ejes Z y X, y coincidente con ellos en el Centro
de Masas terrestre.
▫ Las coordenadas geodésicas están referidas a un elipsoide de revolución con
las siguientes características:
· Semieje mayor (a) : 6.378.137 m.
· Inversa del aplanamiento (1 / a) : 298,257223563
·Velocidad angular de rotación (w) : 7.292.115 · 10 -11 rad / s.
La transformación de las coordenadas WGS84 a otro sistema de referencia, y
viceversa, es posible con transformaciones tridimensionales de siete parámetros, ya
sean calculadas (donde deberemos conocer al menos las coordenadas de tres puntos
en ambos sistemas) o establecidas por algún organismo con una gran base de datos.
Para realizar una transformación correcta debemos definir el elipsoide al que
queremos referir nuestras coordenadas, la proyección y la zona. A modo de ejemplo,
si queremos transformar puntos con coordenadas WGS84 a coordenadas en el Datum
oficial español, deberemos especificar que se trata del elipsoide Internacional de
Hayford, proyección UTM_ED50 y zona 28,29, 30 ó 31 (según el huso donde se
encuentren los puntos).
Existen otros tipos de transformaciones, como las bidimensionales, las de
coordenadas planas y altura, y aquellas en que se introducen modelos del Geoide
(globales o zonales) con el fin de obtener alturas ortométricas.
Sistema de referencia temporal.
En técnica de satélites, se emplea una escala de tiempo uniforme, independiente de
las variaciones rotacionales terrestres, dado que el movimiento de aquéllos no
depende de éstas. Por ello el U.S. Naval Observatory(USNO) ha establecido su propia
escala de tiempo, denominada GPS time, cuya unidad es el segundo atómico
internacional. El origen de la escala GPS, se fijó como coincidente con el Tiempo
Universal Coordinado (UTC) a las 00 horas del día 6 de enero de 1980. Como en ese
momento el tiempo atómico internacional (TAI) difería del UTC en 19 segundos, la
hora GPS es equivalente al TAI menos 19 segundos, y así ha de mantenerse pues
ambas escalas son atómicas y uniformes y, por lo tanto, paralelas. La diferencia entre
la hora GPS y el UTC, de cero segundos el 6 enero 1980, se ha visto modificada por
los segundos intercalares introducidos en el UTC.
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El U.S. Naval Observatory ha desarrollado su propia versión de la escala UTC, que se
denota: UTC (USNO), cuya diferencia respecto del UTC se mantiene siempre por
debajo de 1 µs. La hora GPS y el UTC (USNO) fueron coincidentes a las 00 horas del
día 6 enero 1980. El número de segundos intercalares entre una y otro se incluyen el
mensaje de navegación transmitido por los satélites de forma que el cómputo del UTC
(USNO) es realizado de forma sencilla por el equipo receptor, y es el que se muestra
en la pantalla.
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Precisión del GPS: Errores en la medida.
Los factores que limitan la precisión en la navegación del sistema GPS, son los
siguientes:
Errores debidos a la geometría de los satélites observados y del usuario.
Errores debidos a las medidas.
Errores debidos a la ionosfera y la atmósfera en la propagación de la señal.
Errores debidos a las efemérides.
Errores debidos al receptor del usuario.
Errores debidos a los efectos relativistas.
El efecto de la geometría queda expresado por los parámetros de la dilución de
precisión geométrica (GDOP) y se consideran los tres parámetros de posición y del
tiempo, dando lugar según el número que se contemple en cada solución a:
▫ PDOP: dilución de precisión de posición (3-D).
▫ HDOP: dilución de precisión en el plano (2-D).
▫ VDOP: dilución de precisión en altura (1-D), de poca importancia en el caso de
buques.
▫ TDOP: dilución de precisión en el tiempo (debido al estado de reloj del
usuario).
Los errores por presencia de la hidrosfera y en la troposfera, se basan en lo
siguiente: los satélites GPS transmiten la información a través de señales de radio.
Estas señales son retardadas en su paso por la atmósfera, y las señales cruzan por la
ionosfera a través de partículas cargadas y la atmósfera través del vapor de agua. Las
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velocidades de grupo no son constantes cuando se propagan por ambos medios y
además dependen de las condiciones meteorológicas del momento. Estos fenómenos
introducen errores que pueden corregirse.
Si sólo se recibe una frecuencia, se emplean algunas expresiones empíricas para
efectuar la corrección. Las expresiones incluyen varios parámetros dependientes de la
hora, latitud, estación, etc., que son transmitidos por el satélite; sin embargo, la
corrección es mucho peor que si se utilizan dos frecuencias.
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El GPS diferencial (DGPS)
Es un modo de hacer el sistema GPS más preciso. En este modo se pueden conseguir
precisiones de 1 m para un móvil, como es el caso de buques y mejores si se trata de
situaciones estacionarias. El GPS diferencial trabaja cancelando los errores
intrínsecos al sistema y las provocadas artificialmente. La idea básica de
funcionamiento es la siguiente: los errores del GPS debidos a los relojes de satélite, a
sus órbitas y a la atmósfera no son fijos y es difícil una predicción de los mismos para
poder corregirlos. Es esta la razón por la que es necesario un segundo receptor GPS,
cuya posición sea conocida de antemano. Este segundo receptor calcula su posición
con los satélites GPS y la compara con la que tienen memoria; la diferencia es el error
en la señal GPS. Para poder utilizar este sistema hace falta disponer de un receptor
DGPS y estar en la zona de cobertura de una estación de referencia en tierra.
Nosotros no podemos calcular el error una vez y utilizarlo como referencia para
siempre, ya que éste es variable. Por lo que se hace necesario que los dos receptores
trabajen simultáneamente. El receptor de referencia monitorea continuamente el error
y le transmite al receptor del móvil. La tabla siguiente muestra los errores en metros de
un GPS normal y de un DGPS diferencial:
Error por satélite GPS estándar DGPS
Reloj del satélite 1,5 0
Error por la órbita 2,5 0
Ionosfera 5 0,4
Troposfera 0,5 0,2
Ruido del receptor 0,3 0,3
Multitrayecto 0,6 0,6
SA 30 0
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La siguiente tabla muestra el error de navegación para GPS estándar y para el DGPS:
Error por satélite GPS estándar DGPS
Horizontal 50 1,3
Vertical 78 2
3D 93 2,8
Uno de los pioneros del DGPS fue la guardia de costa de los Estados Unidos. La
Guardia de Costa es responsable de suministrar las ayudas para la navegación en
Estados Unidos. Una vez cada dos años, el departamento de transporte y el
departamento de defensa se reúnen y emiten conjuntamente un informe que detalla
los planes para la navegación. Uno de estos últimos (Federal Radio Navegation Plan),
mandaba una precisión en los puertos y aproximaciones a los puertos de 8 a 20 m.
Por desgracia no existía ningún sistema de navegación que cumpliera con esta
precisión. Desde el final del año 1996, la costa de los Estados Unidos está cubierta
con una red de sistemas DGPS, tal como se ven en la siguiente figura:
Estaciones de
DGPS en la costa de los EEUU
Esta red, conocida como NDGPS (Nationwide Differential GPS), suministra una
disponibilidad de 99,999% y una precisión de 1 a 5 m además de una integridad menor
de 5 segundos.
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Anexo I: Resolución de la OMI A.819 (19)
Aprobada el 23 de noviembre de 1995
NORMAS DE FUNCIONAMIENTO DEL EQUIPO RECEPTOR DE A BORDO DEL
SISTEMA UNIVERSAL DE DETERMINACION DE LA SITUACION (GPS)
LA ASAMBLEA,
RECORDANDO el artículo 15 j) del Convenio constitutivo de la Organización Marítima
Internacional, artículo que trata de las funciones de la Asamblea por lo que respecta a
las reglas y directrices relativas a la seguridad marítima,
HABIENDO APROBADO mediante la resolución A.815(19) los criterios de la OMI
relativos al reconocimiento y la aceptación de sistemas de navegación adecuados de
uso internacional para que los buques puedan determinar su situación durante la
travesía prevista,
RECONOCIENDO que el Comité de Seguridad Marítima ha determinado que el
sistema universal de determinación de la situación (GPS) puede ser un elemento del
sistema mundial de radionavegación.
TOMANDO NOTA de que el equipo receptor de a bordo del sistema mundial de
radionavegación deberá estar proyectado de modo que cumpla las prescripciones
detalladas del sistema particular de que se trate,
HABIENDO EXAMINADO la recomendación formulada por el Comité de Seguridad
Marítima en su 64° periodo de sesiones,
1. APRUEBA la Recomendación sobre normas de funcionamiento del equipo receptor
de a bordo del sistema universal de determinación de la situación (GPS), que figura en
el anexo de la presente resolución;
2. INVITA a los gobiernos a que se cercioren de que el equipo receptor del GPS que
haya a bordo de los buques que enarbolen su pabellón se ajustan a las normas de
funcionamiento que figuran en el anexo de la presente resolución;
3. PIDE al Comité de Seguridad Marítima que mantenga las presentes normas de
funcionamiento sometidas a examen y apruebe enmiendas al respecto según sea
necesario.
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RECOMENDACIÓN SOBRE NORMAS DE FUNCIONAMIENTO DEL EQUIPO
RECEPTOR DE A BORDO DEL SISTEMA UNIVERSAL DE DETERMINACION DE
LA SITUACION (GPS)
1 INTRODUCCION
1.1 El sistema universal de determinación de la situación (GPS) es un sistema
espacial de determinación de la situación, la velocidad y la hora, que consta de tres
segmentos principales: espacial, de control y de usuario. El segmento espacial del
GPS estará normalmente compuesto por 24 satélites distribuidos en seis órbitas. Los
satélites funcionan en órbitas circulares de 20200 kilómetros con un ángulo de
inclinación de 55° y un periodo de 12 horas. La separación de los satélites en órbita
estará dispuesta de modo que haya como mínimo cuatro satélites visibles por los
usuarios de todo el mundo, con una dilución de precisión de la situación (DPS) =<6.
Cada satélite transmite en dos frecuencias de la banda "L": L1 (1575,42 Mhz) y L2
(1227,6 Mhz). L1 contiene un código exacto (E) y un código aproximado/de captación
(A/C). L2 contiene el código E. Sobre estos códigos se superpone un mensaje con
datos de navegación. En ambas frecuencias se incluye el mismo mensaje con datos
de navegación.
1.2 El equipo receptor del GPS destinado a la navegación en buques cuya
velocidad máxima no exceda de 50 nudos, además de cumplir las prescripciones
generales que figuran en la resolución A.694(17), se ajustará a los requisitos mínimos
de funcionamiento siguientes.
1.3 Estas normas incluyen únicamente los requisitos básicos de determinación
de la situación para la navegación, pero no tratan de las demás posibilidades de
computación de que pueda disponer el equipo.
2 EQUIPO RECEPTOR DEL GPS
2.1 La expresión "equipo receptor del GPS", utilizada en las presentes normas
de funcionamiento, abarca todos los elementos y unidades necesarios para que el
sistema pueda desempeñar adecuadamente las funciones previstas. El equipo incluirá
como mínimo los siguientes elementos:
1. Antena capaz de recibir señales del GPS.
2. Receptor y procesador del GPS.
3. Medios de obtención de la latitud y longitud de la situación calculada.
4. Control de los datos e interfaz.
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5. Presentación visual de la situación y, si es necesario, otras formas de salida.
2.2 La antena estará proyectada de manera que se pueda instalar en un lugar del
buque que garantice una clara visión de la constelación de satélites.
3 NORMAS DE FUNCIONAMIENTO DEL EQUIPO RECEPTOR DEL GPS
El equipo receptor del GPS:
1. Podrá recibir y procesar las señales del Servicio normalizado de determinación
de la situación (SNP) modificadas por disponibilidad selectiva (DS) y dar
información sobre la situación en coordenadas de latitud y longitud del Sistema
geodésico mundial (WGS) 84, en grados, minutos y milésimas de minuto, así
como la hora en que se calculó con referencia al UTC. Se pueden prever
medios para transformar la situación calculada con respecto al WGS 84 en
datos compatibles con el dátum de la carta náutica utilizada. Cuando exista
esta posibilidad, la pantalla indicará claramente que se está efectuando la
conversión de coordenadas y el sistema de coordenadas en que se expresa la
situación.
2. Funcionará con la señal L1 y con el código A/C.
3. Tendrá una salida como mínimo para transmitir información sobre la situación a
otro equipo. La salida de información sobre la situación con respecto al WGS
84 se ajustará a lo indicado en la publicación CEI 1162.
4. Tendrá una precisión estática tal que la situación de la antena se determine
con un error inferior a 100 m (95%) con una dilución horizontal de la situación
(DHS) =< 4 (o una DPS =< 6).
5. Tendrá una precisión dinámica tal que la situación del buque se determine con
un error inferior a 100 m (95%) con una DHS =< 4 (o una DPS =< 6) con los
estados de la mar y movimientos que probablemente vayan a experimentar los
buques*.
6. Podrá seleccionar automáticamente las señales adecuadas transmitidas por los
satélites a fin de determinar la situación del buque con la precisión y frecuencia
de actualización requeridas.
7. Podrá captar las señales de los satélites cuando los niveles de portadora de las
señales de entrada se encuentren comprendidos entre -130 dBm y -120 dBm.
Una vez que se hayan captado las señales de los satélites, el equipo seguirá
*Véase la resolución A.694(17) y las publicaciones CEI 721-3-6, CEI 945 y CEI 1108-1.
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funcionando satisfactoriamente cuando los niveles de portadora de las señales
de los satélites desciendan a -133 dBm.
8. Podrá determinar la situación con la precisión requerida en menos de 30 min
cuando no se disponga de datos de un almanaque válido.
9. Podrá determinar la situación con la precisión requerida en menos de 5 min
cuando se disponga de datos de un almanaque válido.
10. Podrá volver a determinar la situación con la precisión requerida en menos de
5 min cuando se interrumpan las señales del GPS durante un periodo de 24 h
por lo menos, siempre que no haya habido pérdida del suministro de energía.
11. Podrá volver a determinar la situación con la precisión requerida en menos de
2 min después de una interrupción del suministro de energía de 60 segundos.
12. Efectuará y entregará una nueva determinación de la situación cada 2 s como
mínimo.
13. Determinará la situación, es decir, la latitud y la longitud, con una resolución
mínima de 0,001 min.
14. Tendrá medios par procesar los datos del sistema GPS diferencial (GPSD) que
reciba, de conformidad con la Recomendación UIT-R M.823 y la norma
apropiada de la Comisión radiotécnica para los servicios marítimos (RTCM) de
los Estados Unidos. Cuando un receptor del GPS esté equipado con un
receptor diferencial, la norma de funcionamiento aplicable a las precisiones
estática y dinámica (3.4 y 3.5 supra) será de 10 m (95%).
4 PROTECCION
Se tomarán precauciones para garantizar que no se produzcan daños permanentes
debido a un cortocircuito o una puesta a masa accidental de la antena o de cualquiera
de sus conexiones de entrada o salida, o de cualquiera de las entradas o salida del
equipo receptor del GPS, durante 5 min.
5 AVISOS DE FALLO E INDICACIONES DEL ESTADO DEL SISTEMA
5.1 El equipo dará una indicación si es probable que la precisión de la situación
calculada no se ajuste a los requisitos de las presentes normas de funcionamiento.
El equipo receptor del GPS dará como mínimo:
1. Una indicación en menos de 5 s:
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1.1 Si se ha excedido la DHS especificada.
1.2 Si no se ha calculado una nueva situación durante más de 2 s.
En estas condiciones el equipo facilitará la última situación conocida y la
hora de la última determinación válida hasta que se vuelva a reanudar el
funcionamiento normal, con una indicación explícita del estado del equipo, de
modo que no exista ninguna ambigüedad.
2. Un aviso si se produce una pérdida de la situación.
3. Una indicación de que se está utilizando el sistema GPS diferencial que
notifique:
3.1 La recepción de señales del GPSD.
3.2 Si se están aplicando correcciones del GPSD a la situación indicada
del buque.
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Anexo II: Imágenes Varias
En las dos imágenes superiores, vemos dos modelos de antenas para GPS marinos.
Como ya se dijo anteriormente, ha habido una
gran evolución en el sistema GPS, desde su
precisión hasta el receptor empleado, recibiendo
en principio únicamente las coordenadas, para
posteriormente emplear cartas náuticas incluso en
un PC o verlas estas en 3D.
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Bibliografía
Sistemas de navegación: Desde el compás magnético a la navegación por
satélite- Ángel Corbasí Ortín- Ed. Mc Graw Hill.
Fundamentos de Navegación Marítima- Itaso Ibáñez, Ricardo Gaztelu-Iturri-
Servicio Editorial Universidad País Vasco.
Internet:
o Algunas de las imágenes.
o Resolución de la OMI A.819 (19).
