Principio de Funcionamiento del Sistema GPS.

Principio de Funcionamiento del Sistema GPS.

Fig. 3. Cada satélite de la constelación GPS transmite en dos frecuencias de la banda L. La señal que transmite el código C/A es utilizada en forma irrestricta por el sector civil en tanto que el acceso al código P está restringido a usuarios autorizados por el Departamento de Defensa de los Estados Unidos de América. Los usuarios civiles pueden tener utilizar el código P(Y) pero sin tener acceso al código de seguridad.

   El receptor en tierra debe recibir la señal de al menos 3 satélites para lograr determinar su posición. Este modo se llama 2D y permite determinar la ubicación a partir de un valor de elevación que le provee el operador. Esto modo no es recomendado ya que errores de menos de 5 metros en elevación pueden ocasiones errores de posición de hasta 100 metros. El modo de uso más frecuente se denomina 3D. 

    En este caso el receptor recibe señales de al menos 4 satélites visibles desde la posición del receptor. Recordemos que la antena es el sitio donde se recibe la señal y por lo tanto el observador puede estar más abajo o más arriba de la antena. Los primeros receptores tenían problemas recibiendo las señales en ambientes forestales. Por ejemplo, Wilkie (1989) reporta que no pudo determinar su posición cuando la cobertura de copas excedió el 30% o el ángulo de vision era superior a 50o. Solo tuvo éxito en claros del bosque con un área superior a los 1250 metros cuadrados y con un ángulo con el horizonte inferior a 30 grados. 

      Los receptores actuales han mejorado sus circuitos y por lo tanto es posible determinar la posición del receptor en ambientes con coberturas de copa de hasta 100% (Fallas, 2001). El autor ha realizado mediciones exitosas con SPG en los bosques de La Selva, Sarapiquí; Tortuguero; Punta Cocles; Península de Nicoya, Cahuita y el bosque de la cordillera Volcánica Central. Un aspecto que degrada la señal es el contenido de humedad de las copas. También he tenido dificultades con la recepción bajo condiciones de llovizna en el macizo del Barba (Cordillera Volcánica Central), aun a campo abierto y sin que la topografía obstruye la visibilidad de los satélites.

Principio De Funcionamiento Del Sistema De Posicionamiento Global Gps.

     Los receptores GPS más sencillos están preparados para determinar con un margen mínimo de error la latitud, longitud y altura desde cualquier punto de la tierra donde nos encontremos situados. Otros más completos muestran también el punto donde hemos estado e incluso trazan de forma visual sobre un mapa la trayectoria seguida o la que vamos siguiendo en esos momentos. Esta es una capacidad que no poseían los dispositivos de posicionamiento anteriores a la existencia de los receptores GPS.

    El funcionamiento del sistema GPS se basa también, al igual que los sistemas electrónicos antiguos de navegación, en el principio matemático de la triangulación. Por tanto, para calcular la posición de un punto será necesario que el receptor GPS determine con exactitud la distancia que lo separa de los satélites.

Cálculo de la distancia entre el receptor y los satélites del sistema GPS.

    Con la aplicación del principio matemático de la triangulación podemos conocer el punto o lugar donde nos encontramos situados, e incluso rastrear y ubicar el origen de una transmisión por ondas de radio. El sistema GPS utiliza el mismo principio, pero en lugar de emplear círculos o líneas rectas crea esferas virtuales o imaginarias para lograr el mismo objetivo.

Desde el mismo momento que el receptor GPS detecta una señal de radiofrecuencia transmitida por un satélite desde su órbita, se genera una esfera virtual o imaginaria que envuelve al satélite. El propio satélite actuará como centro de la esfera cuya superficie se extenderá hasta el punto o lugar donde se encuentre situada la antena del receptor; por tanto, el radio de la esfera será igual a la distancia que separa al satélite del receptor. A partir de ese instante el receptor GPS medirá las distancias que lo separan como mínimo de dos satélites más. Para ello tendrá que calcular el tiempo que demora cada señal en viajar desde los satélites hasta el punto donde éste se encuentra situado y realizar los correspondientes cálculos matemáticos.

     Todas las señales de radiofrecuencias están formadas por ondas electromagnéticas que se desplazan por el espacio de forma concéntrica a partir de la antena transmisora, de forma similar a como lo hacen las ondas que se generan en la superficie del agua cuando tiramos una piedra. Debido a esa propiedad las señales de radio se pueden captar desde cualquier punto situado alrededor de una antena transmisora. Las ondas de radio viajan a la velocidad de la luz, es decir, 300 mil kilómetros por segundo (186 mil millas por segundo) medida en el vacío, por lo que es posible calcular la distancia existente entre un transmisor y un receptor si se conoce el tiempo que demora la señal en viajar desde un punto hasta el otro.

     Para medir el momento a partir del cual el satélite emite la señal y el receptor GPS la recibe, es necesario que tanto el reloj del satélite como el del receptor estén perfectamente sincronizados. El satélite utiliza un reloj atómico de cesio, extremadamente exacto, pero el receptor GPS posee uno normal de cuarzo, no tan preciso. Para sincronizar con exactitud el reloj del receptor GPS, el satélite emite cada cierto tiempo una señal digital o patrón de control junto con la señal de radiofrecuencia. Esa señal de control llega siempre al receptor GPS con más retraso que la señal normal de radiofrecuencia. El retraso entre ambas señales será igual al tiempo que demora la señal de radiofrecuencia en viajar del satélite al receptor GPS.

La distancia existente entre cada satélite y el receptor GPS la calcula el propio receptor realizando diferentes operaciones matemáticas. Para hacer este cálculo el receptor GPS multiplica el tiempo de retraso de la señal de control por el valor de la velocidad de la luz. Si la señal ha viajado en línea recta, sin que la haya afectado ninguna interferencia por el camino, el resultado matemático será la distancia exacta que separa al receptor del satélite.

Las ondas de radio que recorren la Tierra lógicamente no viajan por el vacío sino que se desplazan a través de la masa gaseosa que compone la atmósfera; por tanto, su velocidad no será exactamente igual a la de la luz, sino un poco más lenta. Existen también otros factores que pueden influir también algo en el desplazamiento de la señal, como son las condiciones atmosféricas locales, el ángulo existente entre el satélite y el receptor GPS, etc. Para corregir los efectos de todas esas variables, el receptor se sirve de complejos modelos matemáticos que guarda en su memoria. Los resultados de los cálculos los complementa después con la información adicional que recibe también del satélite, lo que permite mostrar la posición con mayor exactitud.