el funcionamenty dels sistemes GPS

GPS (Global Positioning System) és un sistema de navegació per satèl·lit consistent en una constel·lació de 24 satèl·lits orbitant a una distància de 20.200 km. Els primers satèl·lits utilitzats per a la radionavegació van ser els de la sèrie nord-americana TRANSIT, un total de 10 que es van acabar de llançar l'any 1964. L'objectiu d'aquest sistema va ser el de proporcionar ajuda de navegació per als submarins del tipus Polaris. El seu funcionament es basava en el desplaçament de freqüència (efecte Doppler ) que patia el senyal rebuda dels satèl·lits com a conseqüència del moviment orbital d'aquests. Posteriorment, coneixent les coordenades dels satèl·lits i aquestes desviacions de freqüència era possible calcular la posició de l'observador. No obstant això, el principal inconvenient del sistema TRANSIT és que la mesura era lenta i no podia ser utilitzat per aeronaus. Per resoldre aquesta deficiència, el departament de defensa dels EUA decideix aprovar el 1973 el programa NAVSTAR-GPS (Navigation System Time And Ranging-GPS), que pretenia proporcionar als usuaris precisions de l'ordre de desenes de metres amb cobertura contínua en tota la superfície terrestre.

Vídeo

Així, l'any 1978 es llancen els 4 primers satèl·lits de la constel·lació NAVSTAR que permetien posicionar un objecte sobre la superfície de la Terra a partir dels senyals de ràdio transmeses pels satèl·lits i processades en l'equip receptor, aconseguint precisions dependents del tipus d'informació rebuda, temps de recepció i condicions de l'emissió. Dissenyat al principi amb propòsit exclusivament militar, el sistema GPS juntament amb altres sistemes de navegació per satèl·lit denominats RDSS han assolit en l'actualitat gran nombre d'aplicacions d'índole civil, com ara activitats de navegació aèria, marítima o terrestre que han suposat un important avanç en l'organització i en l'estat dels transports i les comunicacions mundials .

Elements del sistema

Com qualsevol sistema de satèl·lits, el sistema NAVSTAR - GPS es compon de tres segments diferents:

- Segment espacial,

 - Segment de control,

- Segment d'usuari. 

El segment espacial és clarament el més costós, format pels satèl·lits de la constel·lació NAVSTAR. Els satèl·lits se situen en 6 òrbites el·líptiques gairebé circulars (excentricitat 0,03), semisíncronas i separades entre si 60 º . Els plans orbitals tenen una inclinació de 55 º respecte al pla de l'equador i es nomenen com A , B , C , D , E i F. Cada òrbita conté almenys 4 satèl·lits (separats 90 º entre si), encara que pot contenir més. Els satèl·lits se situen a una altitud de 20.169 km sobre la Terra i completen una òrbita en 12 hores 58 minuts. D'aquesta manera, s'assegura una cobertura global ininterrompuda que permet la visibilitat d'un mínim de 4 satèl·lits .

Els actuals satèl·lits pesen 800 kg i tenen una vida mitjana de 7,5 anys. L'energia elèctrica s'obté de panells solars que proporcionen 600 W de potència. L'emissió es realitza emprant una potència de 25 W per mitjà d'agrupacions d'antenes helicoïdals amb polarització a dretes. El fet de no utilitzar polaritzacions lineals es deu a la rotació Faraday que es produeix quan les ones electromagnètiques travessen l'atmosfera. Atès que es necessita cobertura global, les antenes tenen amples de feix elevats. Ara bé, l'inconvenient d'utilitzar antenes de baixa directivitat és que el senyal arriba a la superfície terrestre uns 30 dB per sota de la densitat espectral de soroll ambient que capta del cel l'antena receptora. Com a solució a aquest problema, s'utilitza la tècnica d'espectre eixamplat que permet obtenir una gran guany de processat. Finalment, cada satèl·lit transporta 2 rellotges de Cesi i 2 de Rubidi de gran estabilitat funcionant a una freqüència de 10,23 MHz La sincronització dels rellotges i de les freqüències del sistema GPS es realitza des del segment terreny, permetent una desviació diària màxima de la freqüència de rellotge de 10-12 MHz , la qual cosa equival a 0,1 parts per bilió .

El segment de control està compost per 5 estacions monitores, 3 amb enllaç ascendent per transmetre ordres i dades, i una mestra situada a Colorado Spring. Aquesta última s'encarrega de recollir la informació de la resta d'estacions monitores repartides pel món:

-  Ascensió (Atlàntic sud)

-  Hawaii (Pacífic oriental)

-  Kwalalein (Pacífic occidental)

-  Diego García (Índic).

Les estacions monitores reben en tot moment els senyals transmesos pels satèl·lits visibles i obtenen la informació necessària per calcular amb gran precisió les òrbites dels satèl·lits. Un cop transmesos aquestes dades a l'estació mestra , aquesta calcula les efemèrides dels satèl·lits i s'inclouen en el missatge de navegació. Addicionalment , es proporcionen serveis de telemetria i telecomandament.

Finalment , el segment d'usuari el constitueixen els equips receptors situats sobre la Terra. L'equip d'usuari és un dispositiu passiu, ja que únicament rep la informació provinent dels satèl·lits (efemèrides, correccions , etc .) i la processa. Les seves funcions principals són:

- Sintonitzar el senyal emès pels satèl·lits ,

- Descodificar el missatge de navegació,

- Mesurar els temps de retard,

- Calcular les dades requerides

- Interpretar els resultats.

Hi ha una gran oferta de receptors al mercat, des dels més simples de mà amb preus a partir d'unes 120 €, fins als que s'utilitzen en grans vaixells i avions que costen centenars de milers d'€. Els més populars són els de mà, ja que els seus preus són bastant assequibles i permeten gran quantitat de funcions, com emmagatzemar punts de referència i crear rutes amb ells sobre les que posteriorment ens guiarà l'equip . Els més bàsics són els anomenats OEM , que únicament tenen l'electrònica necessària per a calcular la posició i no tenen ni pantalla ni botons.

Funcionament

La idea que hi ha darrere del sistema GPS és la d'utilitzar satèl·lits en l'espai com a punts de referència per a localitzacions terrestres. Mitjançant el mesurament molt precis de les distàncies a tres d'aquests satèl·lits, la qual cosa es realitza a partir de les mesures dels retards que han patit els senyals provinents d'aquests satèl·lits, es pot calcular per triangulació la posició en qualsevol lloc de la Terra.

 

Si s'utilitza un sol satèl·lit i coneixem la seva posició i la distància que ens separa d'aquest, la nostra posició es trobarà en una àrea d'incertesa que és geomètricament una esfera. Si a continuació afegim un altre satèl·lit amb les seves corresponents dades de posició i distància , ara la nostra posició es trobarà sobre una circumferència intersecció de les dues esferes. Finalment, si disposem de tres satèl·lits nostra posició es redueix a dos punts en l'espai, dels quals un d'ells es pot rebutjar per ser una possibilitat incoherent (ja sigui per trobar-se a gran distància de la superfície de la Terra o movent-se a una velocitat impossible) Així doncs, 3 satèl·lits són suficients per determinar la nostra posició. Tanmateix, hi ha una sèrie de factors que afecten la mesura de la distància:

- Errors en el rellotge del satèl·lit, 

- Desfasament en el rellotge del receptor

- Retard introduït per la propagació ionosfèrica.

Per aquestes raons, les distàncies calculades pel receptor GPS inclouen un terme d'error constant , denominant pseudodistancias, i es fa necessària l'obtenció d'una quarta mesura per determinar la seva posició exacta. Així doncs, hi ha un sistema de 4 equacions que ha de resoldre el receptor per obtenir la seva posició, així com la correcció que ha d'aplicar al seu rellotge per estar perfectament sincronitzat amb el rellotge atòmic de referència situat a Colorado Springs .

El sistema GPS va ser concebut inicialment com un projecte militar que permetés a soldats i vehicles conèixer la seva posició exacta, de manera que les autoritats nord-americanes van decidir que el sistema estigués disponible per a usos civils sota certes restriccions. Especialment, es va introduir intencionadament un senyal que alterés la precisió amb què els receptors calculen la seva posició. Aquest factor d'error es coneix amb el nom de disponibilitat selectiva, és aleatòria i varia constantment, normalment quan hi ha algun conflicte en què es veu involucrat l'exèrcit dels EUA Aquest fet dóna lloc a l'existència de dos tipus de serveis:

 - Estàndard (SPS)

- Precís (PPS)

El servei de posicionament estàndard permet una precisió horitzontal de 100 m i vertical de 156 m amb una precisió temporal de 340 ns. Per contra, el servei necessari està reservat per a usuaris autoritzats i permet precisions de 22 m horitzontalment, 27,7 m en vertical, i una precisió temporal de 100 ns.

Per a la transmissió, cada satèl·lit té dues freqüències coherents entre si: 

 - L1 a 1.575,42 MHz

- L2 a 1.227,6 MHz

Ambdues múltiples del oscil·lador de referència a 10,23 MHz, posteriorment, aquestes portadores es modulen amb codis pseudoaleatoris emprant la tècnica d'espectre eixamplat. El codi C/A (coarse Acquisition ) modula la portadora L1, la qual transporta el missatge de navegació i és la base del servei SPS . Aquest codi consisteix en una seqüència pseudoaleatòria de 1,023 MHz que es repeteix cada 1023 bits. S'ha escollit d'una família de codis ortogonals coneguda amb el nom de codis de Gray i cada satèl·lit, té un de diferent que li serveix de identificatiu.

Per la seva banda, el codi P (Precise) modula tant la portadora L1 com L2, sent la base del servei PPS. Aquest codi té una freqüència de 10,23 MHz i un període de 248-1 bits (molt llarg) , la qual cosa proporciona una durada de 7 dies. Tots els satèl·lits tenen el mateix generador de codi P , però a cada un se li assigna un dels 40 segments incorrelats de 7 dies de durada. D'aquesta manera, els satèl··lits no interfereixen entre si i poden ser identificats. En realitat, l'accés a la segona portadora està prohibit, ja que la disponibilitat selectiva s'implementa per mitjà dels errors introduïts per la refracció de la ionosfera i la troposfera, i s'ha demostrat que es pot estimar el seu efecte utilitzant dues freqüències diferents. D'aquesta manera, les aplicacions autoritzades tenen més resolució arran de la major freqüència del codi P ia la disponibilitat de dues freqüències per poder corregir els errors de propagació atmosfèrica.

 

La informació a transmetre dura 12,5 minuts i es transmet a una velocitat de 50 bit/s, encara que s'eixampla en freqüència per mitjà dels codis pseudoaleatoris. D'aquesta manera, els 50 bit/s de dades ocupen un ample de banda d'1 MHz amb el codi C/A i de 10 MHz amb el codi P. El codi C/  té com a missió facilitar la connexió al codi P per als usuaris autoritzats. Com és tan breu ( 1 ms ), és relativament senzill obtenir la fase del codi transmès per un determinat satèl·lit desplaçant el codi generat en el receptor fins que la correlació amb el senyal rebut sigui màxima . Una vegada que s'ha enganxat el receptor , llavors pot accedir a la informació modulada a 50 bit/s. En aquesta informació es troba la paraula HOW que indica l'estat del codi P , de manera que es pugui realitzar un ajust més fi a partir d'un lloc proper al que realment té .

L'estructura del missatge de navegació GPS consisteix en una supertrama composta de 25 trames de 1500 bits. Al seu torn, cadascuna d'aquestes trames es divideix en 5 subtrames de 300 bits cadascuna. Cada subtrama conté 10 paraules de 30 bits el significat és el següent:

 - Missatge de telemetria (TLM),

- Paraula HOW,

- Correccions als rellotges dels satèl·lits, 

- Vigència de les correccions imposades al rellotge (AODC),

- Retard de grup (TG ) per evitar l'efecte de la propagació ionosfèrica,

- Posició exacta del satèl·lit, 

- Prediccions dels paràmetres futurs,

- Vigència de les dades de l'almanac (AODE), 

- Missatges especials i 

- Dades de almanac global. 

 

Les dues primeres paraules són generades per cada satèl·lit, mentre que la resta es generen des del centre de control del sistema GPS .

L'almanac recull els paràmetres orbitals aproximats de tots els satèl·lits, descrivint les seves òrbites en períodes de temps prolongats (útils durant mesos en molts casos). La informació dura un total de 150 segons ( 7500 bits ), però atès que només s'inclou una paraula per trama (6 segons), són necessàries 25 trames per transmetre l'almanac complet. Així doncs, un receptor necessita de 12,5 minuts per obtenir l'almanac, encara que atès que la seva validesa s'estima en uns 6 mesos, la seva utilitat no és important si s'utilitza l'equip habitualment.