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Sistema GPS/DGPS

Sistemas de Navegación por Satélite

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Dentro de las ayudas a la navegación de tipo radioeléctrico, la innovación más importante que se ha producido en los últimos tiempos ha sido la aparición de los sistemas basados en el empleo de satélites para la determinación de la posición de un punto, sea fijo o móvil. Estos sistemas de posicionamiento se pueden dividir en dos grupos, aunque solamente los del primero se consideran verdaderos sistemas de posicionamiento: 

Los constituidos por una serie de satélites que emiten señales continuamente, las cuales son analizadas por un receptor que permite al navegante obtener su posición (exactamente la de su antena receptora) así como otras informaciones facilitadas por el sistema. 

En este grupo se incluyen los sistemas: NNSS (Navy Navígation Satellite System) más conocido como TRANSIT, puesto a punto por la Armada de EE.UU. y ya desaparecido; NAVSTAR-GPS (Navigation System Time and Ranging-Global Positioning System), desarrollado y explotado por el Departamento de Defensa de EE.UU.: y GLONASS (Global Navigation Satellite System), proyecto de la antigua URSS y actualmente controlado y explotado por Rusia.Así como el futuro GALILEO, desarrollado y explotado por Europa bajo control civil. 

Los denominados RDSS (Radio Determination Satellite Services), en los que sus estaciones interrogan a los usuarios, éstos responden mediante sus receptores-transmisores y las estaciones analizan las respuestas recibidas e informan a los usuarios de su posición después de un tiempo apreciable. Se configuran como servicios mixtos de comunicaciones móviles y radiodeterminación. 

Dentro de este grupo están los sistemas; GEOSTAR y STARFIX (ambos operados por EE.UU.), el servicio de posicionamiento de INMARSAT-Standard C (EE.UU. y U.K.), ARGOS (Francia) y EUTELTRACS (promovido por ALCATEL en varios países europeos). 

Hasta ahora, la mayoría de ellos se han desarrollado con fines militares, aunque posteriormente han pasado a ser de libre disposición, con ciertas limitaciones en algunos casos, y han sido concebidos para proporcionar cobertura mundial. 

Los equipos de los usuarios son muy sofisticados pues se requieren complejos dispositivos de cálculo debido a la cantidad de datos que han de procesarse y a la rapidez con que dicho proceso debe llevarse a cabo. El costo de la infraestructura es elevado no sólo en la fase de establecimiento sino también en la de explotación, dentro de la cual representa un capítulo importante la necesidad de renovar periódicamente los satélites. 

Estos sistemas constan de tres subsistemas o segmentos: segmento espacial, integrado por los satélites; segmento de control, encargado del seguimiento de los satélites, cálculo de su posición (efemérides) y corrección de errores; y segmento de usuarios, formado por los equipos de los usuarios. 

Los sistemas de navegación por satélite se conocen también con el nombre genérico GNSS (GIobal Navigation Satellite System). Los sistemas diferenciales que, basados en ellos, proporcionarán más exactitud en la posición, tendrán mejor integridad y darán cobertura en zonas más amplias, como el DGPS marítimo.
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Los sistemas de cobertura amplia son sistemas diferenciales de navegación por satélite que, mediante estaciones en tierra para el cálculo de las correcciones, las transmitirán al usuario con el apoyo de satélites de comunicaciones. Se emplearán principalmente en la fase de navegación oceánica, mientras que en la fase de navegación costera o en aguas restringidas seguirán siendo básicos los de cobertura local. 

Actualmente se están desarrollando en el mundo tres sistemas de este tipo: 

EGNOS (European Geoestationary Navigation Overlay System) en Europa, WAAS (Wide Area Augmentation System) en EE.UU. y MSAS (Multi-function Satellite-based Augmentation System) en Japón. Los dos últimos se destinarán fundamentalmente al tráfico aéreo.


Sistemas GPS y DGPS

El sistema NAVSTAR-GPS, habitualmente denominado GPS, está basado en una constelación de 24 satélites, más 3 de repuesto, que giran alrededor de la tierra a 20.180km de altura, en seis órbitas prácticamente circulares inclinadas 55º respecto al eje de aquélla y con un período de rotación de 11 horas y 58 minutos. 

Está controlado continuamente, desde estaciones en tierra, por el Departamento de Defensa de EE.UU., de modo que la situación de los satélites es perfectamente conocida en cada momento y corregida cuando es necesario. 

En cualquier lugar del mundo un usuario puede determinar su posición geográfica en tres dimensiones con gran exactitud durante las 24 horas del día, independientemente de las condiciones meteorológicas, mediante el cálculo de las distancias entre la antena del receptor y los satélites que tenga a la vista, por lo cual, en principio, con cuatro satélites es suficiente para obtener las coordenadas (x, y, z, t) ya que de los dos puntos teóricamente posibles uno es absurdo. Sin embargo, como dicho cálculo se basa en la medición del tiempo que tarda en llegar al receptor la señal de cada satélite, las distancias así determinadas se ven afectadas por el error de sincronización entre el transmisor y el receptor, motivo por el que se denominan pseudodistancias. 

La sincronización de los satélites entre sí se resuelve disponiendo en ellos relojes atómicos de gran precisión y coste elevado pero los de los receptores, de precio muy asequible, no son de tanta calidad, lo que da lugar al error mencionado. 

Sí pues, para que un usuario pueda determinar su posición en un instante dado es necesario que tenga sobre el horizonte un mínimo de cuatro satélites. 

El GPS proporciona las coordenadas de la posición del usuario referidas al sistema WGS-84 (World Geodetic System 1984), la hora del sistema es casi igual a la UTC(Universal Time Coordinated) y el problema fundamental que presenta es su falta de integridad, lo que da lugar a que el conocimiento de un mal funcionamiento del sistema tarde en llegar varios minutos o incluso algunas horas. Sus aplicaciones son muy numerosas y aumentan continuamente: posicionamiento y localización de móviles en tierra, mar y aire, topografía e hidrografía, obras civiles, agricultura, etc. 

El sistema GPS proporciona dos servicios, el PPS militar y cifrado y el SPS, libre para uso civil y de menor exactitud. Hasta mayo de 2000 la exactitud de la señal GPS (libre) era de 100 m (95%), mientras que a partir de esa fecha, al eliminarse la denominada disponibilidad selectiva (SA), la exactitud es del orden de los 25 m (95%). 

Los principales errores que se producen y que influyen en la exactitud final con que se puede determinar la posición a partir de la señal GPS son los derivados de: 

·  los relojes de los satélites y la desviación de la órbita, que han de solucionarse desde el control de tierra. 

·  la transmisión de las señales a través de la ionosfera, que se resuelven casi por completo teniendo en cuenta que la pérdida de velocidad de las ondas de radio a través de aquélla es inversamente proporcional al cuadrado de la frecuencia empleada. 

·  la transmisión de las señales a través de la troposfera , casi imposibles de corregir. 

·  los ruidos de los receptores, que dependen de la calidad de éstos. 

·  el efecto multitrayectoria, ocasionado por las reflexiones sobre determinados obstáculos de las señales de los satélites antes de llegar al receptor, efecto que debe evitarse mediante los estudios apropiados. 

·  la incertidumbre geométrica , debida a la posición relativa de los satélites empleados para la determinación de la posición, que se minimiza mediante la selección de los satélites más adecuados en cada ocasión. 

Con el fin de paliar los inconvenientes derivados de los errores enumerados en el sistema GPS y conseguir una exactitud e integridad mejoradas, se puso a punto el sistema diferencial denominado DGPS (Differential GPS). 

Basado en las señales del GPS y con estaciones de referencia en tierra cuya posición es conocida, calcula y transmite las correcciones que los usuarios han de aplicar a los datos GPS para obtener una posición más exacta dentro de la zona cubierta por las emisoras. 

El fundamento del sistema consiste en que la estación de referencia determina su posición a partir de las señales GPS y, comparándola con su posición conocida, calcula las diferencias o correcciones que deben aplicarse a los resultados obtenidos a partir de los satélites para que ambas posiciones coincidan. 

Estas correcciones son las que se transmiten a los usuarios del sistema, cuyos equipos DGPS las introducen en sus cálculos para determinar la posición. 
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Esta forma de operar es válida si la estación de referencia y el usuario están a unos pocos centenares de kilómetros pues las señales GPS que llegan a ambos, dada la enorme distancia a la que se encuentran los satélites, habrán atravesado zonas del espacio con unas características prácticamente idénticas y así serán también los errores que contienen. 

Por esta razón, las correcciones pueden aplicarse justificadamente en todo el radio de acción de los radiofaros marítimos (como máximo 200 millas náuticas) que son, los que transmiten a los barcos las correcciones calculadas por la estación de referencia. 

Esta limitación en el alcance hace que a este tipo de sistema de posicionamiento se le llame de cobertura local.
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Las ventajas del DGPS frente al GPS son una integridad del orden de pocos segundos y una exactitud en la posición mejor de l0m (2dRMS), que llega en muchos casos a 2 ó 3m para móviles y aún menos en situación estacionaria, sino usando mensjaes RTCM y correcciones sobre código, pero si se utilizan protocolos RTK y correcciones sobre fase, pueden obtenerse exactitudes centimétricas. 

La red española DGPS para la navegación marítima
 
1021373968398.jpgPuertos del Estado, como responsable de las ayudas a la navegación en España, está implantando, al igual que la gran mayoría de los países del mundo, una red de estaciones transmisoras de correcciones diferenciales DGPS con el objetivo de cubrir una franja de 100 Km paralela a las costas españolas. 

Dentro de ella se consigue una exactitud en la posición horizontal mayor de 10m e integridad mayor de 10s, con una disponibilidad del 99'8% (sobre 30 días), cumpliéndose así los requisitos la OMI (Organización Marítima Internacional). 

La Red Española DGPS para la Navegación Marítima fue aprobada por Resolución del Presidente de Puertos del Estado, previo dictamen de la Comisión de Faros, comprende las siguientes estaciones transmisoras: Machichaco, Cabo Mayor, Peñas, Estaca de Bares, Finisterre, Punta Rasca ( en proyecto ), La Entallada, Rota, Tarifa, Málaga, Sabinal, Palos, La Nao, Cala Figuera, Mahón, Castellón, Salou, Llobregat y San Sebastián (Gerona). 

La implantación está financiada mediante acuerdos entre las Autoridades Portuarias y se está realizando por zonas de cobertura regional denominadas Redes Zonales DGPS que son las siguientes: Cantábrico, Galicia, Estrecho, Mediterráneo Sur, Mediterráneo Norte, Canarias I y Canarias II. Cada una de estas redes zonales dispone de un Centro de Control Zonal y la coordinación de la red completa se realiza desde Puertos del Estado, a través del Centro de Coordinación Nacional.