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Sistema de posicionamiento global (GPS)
	;
País / es de origen	Estados Unidos
Operador (es)	AFSPC
Tipo	Militar, civil
Estado	Operacional
Cobertura	Global
Exactitud	5 metros
Tamaño de la constelación
Satélites totales	33
Satélites en órbita	31
Primer lanzamiento	Febrero de 1978
Lanzamientos totales	72
Características orbitales
Régimen (s)	6x aviones MEO
Altura orbital	20,180 km (12,540 mi)

Concepción del artista del satélite GPS Block II-F en órbita terrestre.

Receptores GPS civiles ("dispositivo de navegación GPS") en una aplicación marina.

Sistema de navegación automotriz en un taxi.

Un Aviador sénior de la Fuerza Aérea de EE. UU. Ejecuta una lista de verificación durante las operaciones satelitales del Sistema de Posicionamiento Global.

El Sistema de Posicionamiento Global ( GPS ), originalmente Navstar GPS , es un sistema de radionavegación basado en satélites propiedad del gobierno de los Estados Unidos y operado por la Fuerza Aérea de los Estados Unidos. Es un sistema global de navegación por satélite que proporciona 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 obstrucciones para cuatro o más satélites GPS. Los obstáculos tales como montañas y edificios bloquean las señales GPS relativamente débiles .

El GPS no requiere que el usuario transmita ningún dato, y opera independientemente de cualquier recepción telefónica o de Internet, aunque estas tecnologías pueden mejorar la utilidad de la información de posicionamiento del GPS. El GPS proporciona capacidades críticas de posicionamiento a usuarios militares, civiles y comerciales de todo el mundo. El gobierno de los Estados Unidos creó el sistema, lo mantiene y lo hace de acceso libre para cualquier persona que tenga un receptor GPS.

El proyecto de GPS fue lanzado por el Departamento de Defensa de los EE. UU. En 1973 para ser utilizado por el ejército de los Estados Unidos y entró en pleno funcionamiento en 1995. Se lo permitió para uso civil en los años ochenta. Los avances en tecnología y las nuevas demandas del sistema existente han llevado a esfuerzos para modernizar el GPS e implementar la próxima generación de satélites GPS Block IIIA y el Sistema de Control Operacional de Siguiente Generación (OCX). Anuncios del Vicepresidente Al Gore y la Casa Blanca en 1998 inició estos cambios. En 2000, el Congreso de los Estados Unidos autorizó el esfuerzo de modernización, GPS III. Durante la década de 1990, la calidad del GPS fue degradada por el gobierno de los Estados Unidos en un programa llamado "disponibilidad selectiva", sin embargo, este ya no es el caso, y fue suspendido en mayo de 2000 por ley firmada por el presidente Bill Clinton.

The GPS system is provided by the United States government, which can selectively deny access to the system, as happened to the Indian military in 1999 during the Kargil War, or degrade the service at any time. As a result, a number of countries have developed or are in the process of setting up other global or regional navigation systems. The Russian Global Navigation Satellite System (GLONASS) was developed contemporaneously with GPS, but suffered from incomplete coverage of the globe until the mid-2000s. GLONASS can be added to GPS devices, making more satellites available and enabling positions to be fixed more quickly and accurately, to within two meters. China's BeiDou Navigation Satellite System is due to achieve global reach in 2020. There are also the European Union Galileo positioning system, and India's NAVIC. Japan's Quasi-Zenith Satellite System (scheduled to commence in November 2018) will be a GPS satellite-based augmentation system to enhance GPS's accuracy.

Historia

Película de la Fuerza Aérea que presenta el sistema de posicionamiento global Navstar, alrededor de 1977

El proyecto GPS se lanzó en los Estados Unidos en 1973 para superar las limitaciones de los sistemas de navegación anteriores, integrando ideas de varios predecesores, incluidos varios estudios de diseño de ingeniería clasificados de la década de 1960. El Departamento de Defensa de los Estados Unidos desarrolló el sistema, que originalmente usó 24 satélites. Inicialmente fue desarrollado para ser utilizado por el ejército de los Estados Unidos y entró en pleno funcionamiento en 1995. El uso civil se permitió a partir de los años ochenta. Roger L. Easton del Laboratorio de Investigación Naval, Ivan A. Getting de The Aerospace Corporation, y Bradford Parkinson del Laboratorio de Física Aplicada tienen el mérito de haberlo inventado.

El diseño del GPS se basa en parte en sistemas similares de radionavegación terrestre, como LORAN y Decca Navigator, desarrollados a principios de la década de 1940.

Antecesores

Cuando la Unión Soviética lanzó el 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. En cuestión de horas se dieron cuenta de que, debido al efecto Doppler, podían identificar dónde estaba el satélite a lo largo de su órbita. El Director de la APL les dio acceso a su UNIVAC para hacer los cálculos necesarios.

La próxima primavera, Frank McClure, el subdirector de la APL, le pidió a Guier y Weiffenbach que investigaran el problema inverso: localizar la ubicación del usuario, dado el del satélite. (En ese momento, la Marina estaba desarrollando el misil Polaris lanzado por un submarino, lo que requería que conocieran la ubicación del submarino). Esto los llevó a ellos y a APL a desarrollar el sistema TRANSIT. En 1959, ARPA (renombrado DARPA en 1972) también jugó un papel en TRANSIT.

TRANSIT se probó con éxito por primera vez en 1960. Utilizó una constelación de cinco satélites y podría proporcionar una solución 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 requerida para el GPS.

En la década de 1970, el sistema de navegación OMEGA basado en tierra, basado en la comparación de fase de transmisión de señal de pares de estaciones, se convirtió en el primer sistema mundial de navegación por radio. Las limitaciones de estos sistemas impulsaron la necesidad de una solución de navegación más universal con mayor precisión.

Si bien existían amplias necesidades de navegación precisa en los sectores militares y civiles, casi ninguno de ellos se consideraba una justificación de los miles de millones de dólares que costaría en investigación, desarrollo, despliegue y operación para 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 opinión del Congreso de los Estados Unidos. Este efecto disuasorio es la razón por la cual el GPS fue financiado. También es la razón del ultra secreto 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 de la Fuerza Aérea de los Estados Unidos (USAF) y los misiles balísticos intercontinentales (ICBM). Considerado vital para la postura de disuasión nuclear,

La navegación precisa permitiría a los submarinos de misiles balísticos de los Estados Unidos obtener una solución precisa de sus posiciones antes de lanzar sus SLBM. La USAF, con dos tercios de la tríada nuclear, también tenía requisitos para un sistema de navegación más preciso y confiable. La Marina y la Fuerza Aérea estaban desarrollando sus propias tecnologías en paralelo para resolver lo que era esencialmente el mismo problema.

Para aumentar la capacidad de supervivencia de los ICBM, se propuso utilizar plataformas de lanzamiento para dispositivos móviles (comparables a las SS-24 y SS-25 rusas), por lo que la necesidad de arreglar la posición de lanzamiento era similar a la situación de SLBM.

En 1960, la Fuerza Aérea propuso un sistema de navegación por radio llamado MOSAIC (Sistema MObile para Control Exacto ICBM) que era esencialmente un LORAN 3-D. Un estudio de seguimiento, el Proyecto 57, se trabajó en 1963 y fue "en este estudio que nació el concepto de GPS". Ese mismo año, el concepto se persiguió como el Proyecto 621B, que tenía "muchos de los atributos que ahora se ven en el GPS" y prometió una mayor precisión para los bombarderos de la Fuerza Aérea, así como para los ICBM.

Las actualizaciones del sistema Navy TRANSIT fueron demasiado lentas para las altas velocidades de operación de la Fuerza Aérea. El Laboratorio de Investigación Naval continuó sus avances con sus satélites Timation (Navegación por tiempo), lanzados por primera vez en 1967 y con el tercero en 1974 que llevó el primer reloj atómico a la órbita.

Otro predecesor importante del GPS provino de una rama diferente del ejército de los Estados Unidos. En 1964, el ejército de los Estados Unidos orbitó su primer satélite de clasificación secuencial de rango (SECOR) utilizado para el levantamiento geodésico. El sistema SECOR incluía tres transmisores terrestres de lugares conocidos que enviarían señales al transpondedor del satélite en órbita. Una cuarta estación terrestre, en una posición indeterminada, podría usar esas señales para arreglar su ubicación con precisión. El último satélite SECOR se lanzó en 1969.

Desarrollo

Con estos desarrollos paralelos en la década de 1960, se descubrió que se podría desarrollar un sistema superior al sintetizar las mejores tecnologías de 621B, Transit, Timation y SECOR en un programa multiservicio. Sin embargo, hubo que resolver los errores de posición orbital del satélite, inducidos por variaciones en el campo de gravedad y la refracción del radar, entre otros. Un equipo dirigido por Harold L Jury de la División Aeroespacial Pan Am en Florida desde 1970-1973, usó la asimilación de datos en tiempo real y la estimación recursiva para hacerlo; modelar los errores sistemáticos y residuales hasta un nivel manejable para permitir una navegación precisa.

Durante el fin de semana del Día del Trabajo en 1973, una reunión de unos doce oficiales militares en el Pentágono discutió la creación de un sistema de navegación por satélite de defensa (DNSS) . Fue en esta reunión que se creó la síntesis real que se convirtió en GPS. Más tarde ese año, el programa DNSS se llamó Navstar , o Sistema de navegación que usa Timing y Rango. Con los satélites individuales asociados con el nombre Navstar (como con los predecesores Transit y Timation), se utilizó un nombre más completo para identificar la constelación de satélites Navstar , Navstar-GPS . Diez prototipos de satélites del "Bloque I" se lanzaron entre 1978 y 1985 (una unidad adicional se destruyó en una falla de lanzamiento).

Los efectos de la ionosfera en la transmisión de radio a través de la ionosfera se investigaron dentro de un laboratorio de geofísica del Laboratorio de Investigación Cambridge de la Fuerza Aérea. Localizado en la Base de la Fuerza Aérea Hanscom, en las afueras de Boston, el laboratorio pasó a llamarse Laboratorio de Investigación Geofísica de la Fuerza Aérea (AFGRL) en 1974. AFGRL desarrolló el Modelo Klobuchar para el cálculo de las correcciones ionosféricas en la ubicación del GPS. Cabe destacar el trabajo realizado por la científica espacial australiana Elizabeth Essex-Cohen en AFGRL en 1974. Le preocupaba la curvatura de la trayectoria de las ondas de radio que atraviesan la ionosfera desde los satélites NavSTAR.

Después del vuelo 007 de Korean Air Lines, un Boeing 747 con 269 personas derribado en 1983 después de ingresar al espacio aéreo prohibido de la URSS, en las cercanías de las islas Sakhalin y Moneron, el presidente Ronald Reagan emitió una directiva que permite el uso gratuito del GPS para uso civil. una vez que estuvo suficientemente desarrollado, como un bien común. El primer satélite Block II se lanzó el 14 de febrero de 1989, 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 del lanzamiento del satélite, ha sido estimado en alrededor de USD 5 mil millones (dólares en años).

Inicialmente, la señal de más alta calidad estaba reservada para uso militar, y la señal disponible para uso civil se degradaba intencionalmente (disponibilidad selectiva). Esto cambió cuando el presidente Bill Clinton firmó una directiva de política para desactivar la disponibilidad selectiva el 1 de mayo de 2000 para proporcionar la misma precisión a los civiles que se le otorgó a los militares. La directiva fue propuesta por el Secretario de Defensa de los Estados Unidos, William Perry, debido al crecimiento generalizado de los servicios diferenciales de GPS para mejorar la precisión de los civiles y eliminar la ventaja militar de los EE. UU. Además, el ejército de EE. UU. Estaba desarrollando activamente tecnologías para negar el servicio de GPS a potenciales adversarios a nivel regional.

Desde su implementación, EE. UU. Ha implementado varias mejoras en el servicio GPS, que incluyen nuevas señales para uso civil y una mayor precisión e integridad para todos los usuarios, al tiempo que mantiene la compatibilidad con los equipos GPS existentes. La modernización del sistema de satélites ha sido una iniciativa en curso del Departamento de Defensa de los Estados Unidos a través de una serie de adquisiciones por satélite para satisfacer las crecientes necesidades de los militares, los civiles y el mercado comercial.

A principios de 2015, los receptores GPS de servicio de posicionamiento estándar (SPS) de calidad FAA de alta calidad ofrecen una precisión horizontal superior a 3,5 metros, aunque muchos factores como la calidad del receptor y los problemas atmosféricos pueden afectar esta precisión.

GPS es propiedad y está operado por el gobierno de los Estados Unidos como un recurso nacional. El Departamento de Defensa es el administrador del GPS. La Junta Ejecutiva de Interagency GPS (IGEB) supervisó asuntos de política de GPS desde 1996 hasta 2004. Después de eso, el Comité Ejecutivo Nacional de Posicionamiento, Navegación y Temporización Basado en el Espacio fue establecido por la directiva presidencial en 2004 para asesorar y coordinar departamentos y agencias federales en asuntos relacionados con el GPS y sistemas relacionados. 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 ante el comité ejecutivo, y el presidente de la FCC participa como enlace.

La ley exige que el Departamento de Defensa de los EE. UU. "Mantenga un Servicio de Posicionamiento Estándar (como se define en el plan de navegación de radio federal y la especificación de señal de servicio de posicionamiento estándar) que estará disponible de forma continua en todo el mundo" y "desarrollar medidas para prevenir el uso hostil del GPS y sus aumentos sin perturbar ni degradar indebidamente los usos civiles ".

Cronología y modernización

Resumen de satélites
Bloquear	Período de lanzamiento	Lanzamientos de satélites				Actualmente en órbita y saludable
Bloquear	Período de lanzamiento	Suc Cess	Fail- Ure	En preparación	Plan- nida	Actualmente en órbita y saludable
yo	1978-1985	10	1	0	0	0
II	1989-1990	9	0	0	0	0
IIA	1990-1997	19	0	0	0	0
IIR	1997-2004	12	1	0	0	12
IIR-M	2005-2009	8	0	0	0	7
IIF	2010-2016	12	0	0	0	12
IIIA	Desde 2017	0	0	0	12	0
IIIF	-	0	0	0	22	0
Total		70	2	0	34	31
(Última actualización: 9 de marzo de 2016) 8 satélites del Bloque IIA se colocan en reserva EE.UU.-203 del Bloque IIR-M no es saludable Para obtener una lista más completa, consulte la lista de lanzamientos de satélites GPS

En 1972, el Centro de Pruebas de Orientación Inercial Central de la Fuerza Aérea de los EE. UU. (Holloman AFB) realizó pruebas de vuelo de desarrollo de cuatro prototipos de receptores GPS en una configuración Y en White Sands Missile Range, utilizando pseudoatélites terrestres.
En 1978, se lanzó el primer satélite experimental Block-I GPS.
En 1983, después de que aviones interceptores soviéticos derribaran al avión civil KAL 007 que se estrelló en el espacio aéreo prohibido debido a errores de navegación, matando a las 269 personas a bordo, el presidente estadounidense Ronald Reagan anunció que el GPS estaría disponible para usos civiles una vez que se completara. ya se había publicado previamente [en la revista Navigation] que el código de CA (código grueso / de adquisición) estaría disponible para los usuarios civiles.
Para 1985, se habían lanzado diez satélites experimentales Block-I para validar el concepto.
A partir de 1988, de mando y control de estos satélites se mueven de Onizuka AFS, California, para el segundo satélite de la escuadrilla de control (2SCS) situado en la estación de la Fuerza Aérea Falcon en Colorado Springs, Colorado.
El 14 de febrero de 1989, se lanzó el primer satélite moderno Block-II.
La Guerra del Golfo de 1990 a 1991 fue el primer conflicto en el que los militares utilizaron ampliamente el GPS.
En 1991, un proyecto para crear un receptor GPS en miniatura terminó con éxito, reemplazando los receptores militares anteriores de 16 kg con un receptor portátil de 1,25 kg .
En 1992, el 2. ° Ala Espacial, que originalmente administraba el sistema, fue desactivada y reemplazada por la 50.ª Ala Espacial.

Emblema de la 50.ª Ala Espacial
En diciembre de 1993, el GPS alcanzó la capacidad operativa inicial (COI), lo que indica que se disponía de una constelación completa (24 satélites) y proporcionaba el Servicio de Posicionamiento Estándar (SPS).
La capacidad operacional total (FOC) fue declarada por el Comando Espacial de la Fuerza Aérea (AFSPC) en abril de 1995, lo que significa la disponibilidad total del Servicio de Posicionamiento Preciso (PPS) seguro del ejército.
En 1996, reconociendo la importancia del GPS para usuarios civiles y militares, el presidente estadounidense Bill Clinton emitió una directiva de política que define el GPS como un sistema de doble uso y establece una Junta Ejecutiva de GPS interinstitucional para administrarlo como un activo nacional.
En 1998, el vicepresidente de los Estados Unidos, Al Gore, anunció planes para actualizar el GPS con dos nuevas señales civiles para mejorar la precisión y confiabilidad del usuario, particularmente con respecto a la seguridad de la aviación y en 2000 el Congreso de los Estados Unidos autorizó el esfuerzo, refiriéndose al GPS III .
El 2 de mayo de 2000 se suspendió la "Disponibilidad Selectiva" como resultado de la orden ejecutiva de 1996, permitiendo a los usuarios civiles recibir una señal no degradada a nivel mundial.
En 2004, el gobierno de los Estados Unidos firmó un acuerdo con la Comunidad Europea para establecer la cooperación relacionada con el GPS y el sistema europeo Galileo.
En 2004, el presidente de los Estados Unidos, George W. Bush, actualizó la política nacional y reemplazó a la junta ejecutiva con el Comité Ejecutivo Nacional de Posicionamiento, Navegación y Calendario basado en el espacio.
En noviembre de 2004, Qualcomm anunció pruebas exitosas de GPS asistido para teléfonos móviles.
En 2005, se lanzó el primer satélite GPS modernizado y comenzó a transmitir una segunda señal civil (L2C) para mejorar el rendimiento del usuario.
El 14 de septiembre de 2007, el Sistema de Control del Segmento Terrestre basado en mainframe fue transferido al nuevo Plan de Evolución de la Arquitectura.
El 19 de mayo de 2009, la Oficina de Responsabilidad Gubernamental de los Estados Unidos emitió un informe advirtiendo que algunos satélites GPS podrían fallar tan pronto como en 2010.
El 21 de mayo de 2009, el Comando Espacial de la Fuerza Aérea disipó los temores de fallas en el GPS y dijo: "Solo hay un pequeño riesgo de que no continuaremos excediendo nuestro estándar de rendimiento".
El 11 de enero de 2010, una actualización de los sistemas de control de tierra causó una incompatibilidad de software con 8,000 a 10,000 receptores militares fabricados por una división de Trimble Navigation Limited de Sunnyvale, California.
El 25 de febrero de 2010, la Fuerza Aérea de los EE. UU. Adjudicó el contrato para desarrollar el Sistema de Control Operacional (OCX) de próxima generación de GPS para mejorar la precisión y disponibilidad de las señales de navegación GPS y ser una parte fundamental de la modernización del GPS.

Premios

El 10 de febrero de 1993, la Asociación Aeronáutica Nacional seleccionó al Equipo GPS como ganadores del Robert J. Collier Trophy 1992, el premio de aviación más prestigioso de la nación. Este equipo combina investigadores del Laboratorio de Investigación Naval, la Fuerza Aérea de EE. UU., La Corporación Aeroespacial, Rockwell International Corporation y IBM Federal Systems Company. La cita 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 radionavegación hace 50 años".

Dos desarrolladores de GPS recibieron el Premio Charles Stark Draper de la Academia Nacional de Ingeniería para 2003:

Ivan Getting, presidente emérito de la Corporación Aeroespacial y un ingeniero en el Instituto de Tecnología de Massachusetts, estableció la base para el GPS, la mejora en el sistema de radio con base en tierra de la Segunda Guerra Mundial llamado LORAN ( Mín ng-gama R adio A Identificación de N avigation )
Bradford Parkinson, profesor de aeronáutica y astronáutica en la Universidad de Stanford, concibió el sistema satelital actual a principios de la década de 1960 y lo desarrolló junto con la Fuerza Aérea de EE. UU. Parkinson cumplió veintiún años en la Fuerza Aérea, de 1957 a 1978, y se retiró con el rango de coronel.

El desarrollador de GPS Roger L. Easton recibió la Medalla Nacional de Tecnología el 13 de febrero de 2006.

Francis X. Kane (Col. USAF, ret.) Fue incluido en el espaciales y de misiles pioneros Salón de la Fuerza Aérea de los Estados Unidos de la fama en la Base Aérea Lackland, San Antonio, Texas, 2 de marzo, 2010 por su papel en el desarrollo de tecnología espacial y el diseño de ingeniería concepto de GPS realizado como parte del Proyecto 621B.

En 1998, la tecnología de GPS fue incluida en el Salón de la fama de la Space Space Space Technology.

El 4 de octubre de 2011, la Federación Astronáutica Internacional (FAI) galardonado con el Sistema de Posicionamiento Global (GPS) su Premio 60 Aniversario, nominado por el miembro de la FAI, el Instituto Americano de Aeronáutica y Astronáutica (AIAA). El Comité de Honores y Reconocimientos de la IAF reconoció la singularidad del programa de GPS y el papel ejemplar que ha desempeñado en la construcción de la colaboración internacional en beneficio de la humanidad.

Concepto básico de GPS

Fundamentos

El concepto de GPS se basa en el tiempo y la posición conocida de los satélites especializados GPS. Los satélites llevan relojes atómicos muy estables que están sincronizados entre sí y con los relojes terrestres. Cualquier deriva del tiempo verdadero mantenido en el suelo se corrige diariamente. De la misma manera, las ubicaciones de los satélites se conocen con gran precisión. Los receptores GPS también tienen relojes, pero son menos estables y menos precisos.

Los satélites GPS transmiten continuamente datos sobre su hora y posición actual. Un receptor GPS monitorea múltiples satélites y resuelve ecuaciones para determinar la posición precisa del receptor y su desviación del tiempo verdadero. Como mínimo, cuatro satélites deben estar a la vista del receptor para que calcule cuatro cantidades desconocidas (tres coordenadas de posición y desviación del reloj del tiempo del satélite).

Descripción más detallada

Cada satélite de GPS transmite continuamente una señal (onda portadora con modulación) que incluye:

Un código pseudoaleatorio (secuencia de unos y ceros) que es conocido por el receptor. Al alinear el tiempo una versión generada por el receptor y la versión del código medida por el receptor, el tiempo de llegada (TOA) de un punto definido en la secuencia del código, llamado época, se puede encontrar en la escala de tiempo del reloj receptor
Un mensaje que incluye el tiempo de transmisión (TOT) de la época del código (en la escala de tiempo del GPS) y la posición del satélite en ese momento

Conceptualmente, el receptor mide los TOA (según su propio reloj) de cuatro señales de satélite. Desde 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. El receptor calcula su posición tridimensional y la desviación del reloj 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 desplazamiento del reloj del receptor con respecto al tiempo del 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 suele convertir a latitud, longitud y altura en relación con un modelo de Tierra elipsoidal. La altura puede luego convertirse a la altura relativa al geoide (por ejemplo, EGM96) (esencialmente, nivel medio del mar). Estas coordenadas pueden mostrarse, por ejemplo, en una pantalla de mapa en movimiento, y / o grabarse y / o usarse en algún otro sistema (por ejemplo, un sistema de guía del vehículo).

Geometría de usuario-satélite

Aunque generalmente no se forma explícitamente en el procesamiento del receptor, las diferencias de tiempo conceptuales de llegada (TDOA) definen la geometría de la medición. Cada TDOA corresponde a una hiperboloide de revolución (ver Multilateración). La línea que conecta los dos satélites implicados (y sus extensiones) forma el eje del hiperboloide. El receptor está ubicado en el punto donde se cruzan tres hiperboloides.

A veces se dice incorrectamente que la ubicación del usuario se encuentra en la intersección de tres esferas. Aunque es más simple de visualizar, este es solo el caso si el receptor tiene un reloj sincronizado con los relojes del satélite (es decir, el receptor mide los rangos verdaderos a los satélites en lugar de las diferencias de rango). Hay beneficios de rendimiento significativos para el usuario que lleva un reloj sincronizado con los satélites. Lo más importante es que solo se necesitan tres satélites para calcular una solución de posición. Si esto fuera una parte esencial del concepto de GPS para que todos los usuarios necesiten llevar un reloj sincronizado, entonces se podría desplegar un número menor de satélites. Sin embargo, el costo y la complejidad del equipo de usuario aumentarían significativamente.

Receptor en funcionamiento continuo

La descripción anterior es representativa de una situación de inicio 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, aprovechando el hecho de que las posiciones sucesivas del receptor suelen ser cercanas entre sí. Después de que se procesa un conjunto de medidas, el rastreador predice la ubicación del receptor correspondiente al siguiente conjunto de mediciones de satélite. 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 precisión del tiempo y la posición del receptor, (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 dirección solo se pueden calcular con un retraso, y esa dirección derivada se vuelve imprecisa cuando la distancia recorrida entre dos mediciones de posición cae por debajo o cerca del error aleatorio de la medición de posición. Las unidades de GPS pueden usar mediciones del desplazamiento Doppler de las señales recibidas para calcular la velocidad con precisión. Los sistemas de navegación más avanzados usan sensores adicionales como una brújula o un sistema de navegación inercial para complementar el GPS.

Aplicaciones no de navegación

En la operación típica de GPS como navegador, cuatro o más satélites deben ser visibles para obtener un resultado preciso. La solución de las ecuaciones de navegación proporciona la posición del receptor junto con la diferencia entre el tiempo que ocupa el reloj a bordo del receptor y la hora real, eliminando así la necesidad de un reloj receptor más preciso y posiblemente impráctico. . Las aplicaciones para GPS, como la transferencia de tiempo, la temporización de la señal de tráfico y la sincronización de estaciones base de teléfonos celulares, hacen uso de esta sincronización económica y altamente precisa. Algunas aplicaciones de GPS utilizan este tiempo para mostrar, o, a excepción de los cálculos de posición básicos, no lo usan en absoluto.

Aunque se requieren cuatro satélites para el funcionamiento normal, menos se aplican en casos especiales. Si ya se conoce una variable, un receptor puede determinar su posición utilizando solo tres satélites. Por ejemplo, un barco o una aeronave pueden tener elevación conocida. Algunos receptores GPS pueden usar pistas o suposiciones adicionales, como la reutilización de la última altitud conocida, la navegación a estima, la navegación inercial o la información de la computadora del vehículo, para dar una posición (posiblemente degradada) cuando son visibles menos de cuatro satélites.

Estructura

El GPS actual consta de tres segmentos principales. Estos son el segmento espacial, un segmento de control y un segmento de usuario. La Fuerza Aérea de los EE. UU. Desarrolla, mantiene y opera los segmentos de espacio y control. Los satélites GPS emiten señales desde el espacio, y cada receptor GPS usa estas señales para calcular su ubicación tridimensional (latitud, longitud y altitud) y la hora actual.

Segmento espacial

Bloque de GPS desbloqueado II-A satélite en exhibición en el San Diego Air & Space Museum

Un ejemplo visual de una constelación GPS de 24 satélites en movimiento con la rotación de la Tierra. Observe cómo la cantidad de satélites a la vista desde un punto dado en la superficie de la Tierra cambia con el tiempo. El punto en este ejemplo está en Golden, Colorado, EE. UU. (39.7469 ° N, 105.2108 ° W).

El segmento espacial (SS) se compone de 24 a 32 satélites en órbita terrestre media y también incluye los adaptadores de carga útil para los impulsores necesarios para ponerlos en órbita.

El segmento espacial (SS) se compone de los satélites GPS en órbita, o vehículos espaciales (SV) en lenguaje GPS. El diseño del GPS originalmente requería 24 SV, ocho en tres órbitas aproximadamente circulares, pero esta se modificó a seis planos orbitales con cuatro satélites cada uno. Los seis planos de órbita tienen una inclinación de aproximadamente 55 ° (inclinación relativa al ecuador de la Tierra) y están separados por una ascensión recta de 60 ° del nodo ascendente (ángulo a lo largo del ecuador desde un punto de referencia hasta la intersección de la órbita). El período orbital es de la mitad de un día sidéreo, es decir, 11 horas y 58 minutos, de modo que los satélites pasan todos los días por las mismas ubicaciones o casi en las mismas ubicaciones. Las órbitas están dispuestas de modo que al menos seis satélites estén siempre dentro de la línea de visión desde casi todas partes en la superficie de la Tierra. El resultado de este objetivo es que los cuatro satélites no están espaciados de manera uniforme (90 °) dentro de cada órbita. En términos generales, la diferencia angular entre los satélites en cada órbita es de 30 °, 105 °, 120 ° y 105 ° de separación, que suma a 360 °.

Orbitando a una altitud de aproximadamente 20.200 km (12.600 millas); radio orbital de aproximadamente 26.600 km (16.500 mi), cada SV hace dos órbitas completas cada día sidéreo, repitiendo la misma trayectoria en el suelo cada día. 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 unas pocas horas cada día. Para las operaciones militares, la repetición en el terreno se puede usar para asegurar una buena cobertura en las zonas de combate.

A partir de febrero de 2016, hay 32 satélites en la constelación GPS, 31 de los cuales están en uso. Los satélites adicionales mejoran la precisión de los cálculos del receptor de 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 fiabilidad y disponibilidad del sistema, en relación con un sistema uniforme, cuando fallan múltiples satélites. Cerca de nueve satélites son visibles desde cualquier punto en el suelo en cualquier momento (ver animación a la derecha), asegurando una redundancia considerable sobre los cuatro satélites mínimos necesarios para una posición.

Segmento de control

Estación de monitoreo de suelo utilizada desde 1984 hasta 2007, en exhibición en el Museo de Espacio y Misiles de la Fuerza Aérea.

El segmento de control (CS) se compone de:

una estación maestra de control (MCS),
una estación de control maestro alternativa,
cuatro antenas terrestres dedicadas, y
seis estaciones de monitoreo dedicadas.

El MCS también puede acceder a las antenas de tierra de la Fuerza Aérea de la Fuerza Aérea de los EE. UU. (AFSCN) (para funciones adicionales de comando y control) y a las estaciones de monitoreo NGA (Agencia Nacional de Inteligencia Geoespacial). Las rutas de vuelo de los satélites son rastreados por estaciones de monitoreo dedicadas de la Fuerza Aérea de los EE. UU. En Hawai, Kwajalein Atoll, Isla Ascensión, Diego García, Colorado Springs, Colorado y Cabo Cañaveral, junto con estaciones de monitoreo NGA compartidas operadas en Inglaterra, Argentina, Ecuador, Bahrein , Australia y Washington DC. La información de seguimiento se envía al Comando Espacial de la Fuerza Aérea MCS en la Base de la Fuerza Aérea Schriever 25 km (16 millas) ESE de Colorado Springs, que es operado por el 2º Escuadrón de Operaciones Espaciales (2 SOPS) de los EE. UU. Fuerza Aerea. Luego, 2 SOPS contactan a cada satélite GPS regularmente con una actualización de navegación usando antenas terrestres dedicadas o compartidas (AFSCN) (las antenas terrestres dedicadas a GPS están ubicadas en Kwajalein, Isla Ascensión, Diego García y Cabo Cañaveral). Estas actualizaciones sincronizan los relojes atómicos a bordo de los satélites en unos pocos nanosegundos entre sí y ajustan las efemérides del modelo orbital interno de cada satélite. Las actualizaciones son creadas por un filtro de Kalman que utiliza las entradas de las estaciones de monitoreo de tierra, la información del clima espacial y varias otras entradas. s modelo orbital interno. Las actualizaciones son creadas por un filtro de Kalman que utiliza las entradas de las estaciones de monitoreo de tierra, la información del clima espacial y varias otras entradas. s modelo orbital interno. Las actualizaciones son creadas por un filtro de Kalman que utiliza las entradas de las estaciones de monitoreo de tierra, la información del clima espacial y varias otras entradas.

Las maniobras de satélite no son precisas según los estándares de GPS, por lo que para cambiar la órbita de un satélite, el satélite debe marcarse como no saludable , por lo que los receptores no lo usan. Después de la maniobra del satélite, los ingenieros rastrean la nueva órbita desde el suelo, cargan las nuevas efemérides y marcan de nuevo el satélite saludable.

El segmento de control de operación (OCS) actualmente sirve como el segmento de control de registro. Proporciona la capacidad operativa que respalda a los usuarios de GPS y mantiene el GPS operativo y funcionando dentro de las especificaciones.

OCS reemplazó con éxito la antigua computadora mainframe de la década de 1970 en la Base de la Fuerza Aérea Schriever en septiembre de 2007. Después de la instalación, el sistema ayudó a habilitar actualizaciones y proporcionar una base para una nueva arquitectura de seguridad que respaldaba a las fuerzas armadas estadounidenses.

OCS continuará siendo el sistema de control de tierra registrado hasta que el nuevo segmento, Sistema de control de operación GPS (OCX) de próxima generación, esté completamente desarrollado y sea funcional. Las nuevas capacidades proporcionadas por OCX serán la piedra angular para revolucionar las capacidades de misión de GPS, permitiendo que el Comando Espacial de la Fuerza Aérea mejore en gran medida los servicios operacionales de GPS para las fuerzas de combate estadounidenses, socios civiles e innumerables usuarios nacionales e internacionales. El programa GPS OCX también reducirá el costo, el cronograma y el riesgo técnico. Está diseñado para proporcionar ahorros de costos de mantenimiento del 50% a través de una arquitectura de software eficiente y Logística basada en el rendimiento. Además, se espera que el GPS OCX cueste millones menos que el costo de actualizar OCS a la vez que proporciona cuatro veces la capacidad.

El programa GPS OCX representa una parte crítica de la modernización del GPS y proporciona importantes mejoras de garantía de la información sobre el actual programa GPS OCS.

OCX tendrá la capacidad de controlar y gestionar los satélites heredados del GPS, así como la próxima generación de satélites GPS III, al tiempo que permite la gama completa de señales militares.
Construido sobre una arquitectura flexible que puede adaptarse rápidamente a las necesidades cambiantes de los usuarios de GPS actuales y futuros, permitiendo el acceso inmediato a los datos del GPS y el estado de la constelación a través de información segura, precisa y confiable.
Brinda al combatiente información más segura, procesable y predictiva para mejorar el conocimiento de la situación.
Habilita nuevas señales modernizadas (L1C, L2C y L5) y tiene capacidad de código M, que el sistema heredado no puede hacer.
Proporciona importantes mejoras de seguridad de la información sobre el programa actual, incluida la detección y prevención de ciberataques, al tiempo que aísla, contiene y opera durante dichos ataques.
Admite capacidades y capacidades de comando y control de mayor volumen, casi en tiempo real.

El 14 de septiembre de 2011, la Fuerza Aérea de los EE. UU. Anunció la finalización de la Revisión del Diseño Preliminar del GPS OCX y confirmó que el programa OCX está listo para la siguiente fase de desarrollo.

El programa GPS OCX ha pasado por alto importantes hitos y está impulsando el lanzamiento de GPS IIIA más allá de abril de 2016.

Segmento de usuario

Los receptores GPS vienen en una variedad de formatos, desde dispositivos integrados en automóviles, teléfonos y relojes hasta dispositivos dedicados como estos.

La primera unidad de GPS portátil, Leica WM 101 exhibida en el Museo Nacional Irlandés de Ciencias en Maynooth.

El segmento de usuarios (EE. UU.) 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 (consulte Dispositivos de navegación GPS). En general, los receptores GPS están compuestos de una antena, sintonizada a las frecuencias transmitidas por los satélites, procesadores receptores 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. Un receptor se describe a menudo por su número de canales: esto significa cuántos satélites puede monitorear simultáneamente. Originalmente limitado a cuatro o cinco, esto ha aumentado progresivamente a lo largo de los años, por lo que, a partir de 2007, los receptores suelen tener entre 12 y 20 canales.

Un módulo de receptor GPS OEM típico que mide 15 × 17 mm.

Los receptores GPS pueden incluir una entrada para correcciones diferenciales, usando el formato RTCM SC-104. Esto es típicamente en la forma de un puerto RS-232 a una velocidad de 4,800 bit / s. Los datos se envían realmente a una velocidad mucho más baja, lo que limita la precisión de la señal enviada mediante RTCM. Los receptores con receptores DGPS internos pueden superar a los que usan datos RTCM externos. A partir de 2006, incluso las unidades de bajo costo comúnmente incluyen receptores del Sistema de Aumento de Área Amplia (WAAS).

Un receptor GPS típico con antena integrada.

Muchos receptores GPS pueden transmitir datos de posición a una PC u otro dispositivo usando el protocolo NMEA 0183. Aunque este protocolo está definido oficialmente por la Asociación Nacional de Electrónica Marina (NMEA), las referencias a este protocolo se han compilado a partir de registros públicos, lo que permite que las herramientas de código abierto como gpsd lean el protocolo sin violar las leyes de propiedad intelectual. También existen otros protocolos patentados, como los protocolos SiRF y MTK. Los receptores pueden interactuar con otros dispositivos usando métodos que incluyen una conexión en serie, USB o Bluetooth.

Aplicaciones

Si bien originalmente un proyecto militar, el GPS se considera una tecnología de doble uso , lo que significa que tiene importantes aplicaciones militares y civiles.

El GPS se ha convertido en una herramienta ampliamente utilizada y desplegada para el comercio, los usos científicos, el seguimiento y la vigilancia. El tiempo preciso de GPS facilita las actividades cotidianas, como la banca, las operaciones con teléfonos móviles e incluso el control de redes eléctricas, al permitir una conmutación de transferencias bien sincronizada.

Civil

Esta antena está montada en el techo de una cabaña que contiene un experimento científico que necesita un tiempo preciso.

Muchas aplicaciones civiles utilizan uno o más de los tres componentes básicos del GPS: ubicación absoluta, movimiento relativo y transferencia de tiempo.

Agricultura: el GPS ha tenido una gran evolución en diferentes aspectos de los sectores agrícolas modernos. En la actualidad, un número creciente de productores de cultivos utilizan GPS y otros equipos electrónicos e informáticos modernos para practicar la gestión específica del sitio (SSM) y la agricultura de precisión. Esta tecnología tiene potencial en la mecanización agrícola (gestión de granjas y maquinaria) al proporcionar a los agricultores una herramienta sofisticada para medir el rendimiento en escalas mucho más pequeñas, así como la determinación precisa y almacenamiento automático de variables como el tiempo de campo, área de trabajo, distancia de viaje de la máquina y velocidad, consumo de combustible e información de rendimiento.
Astronomía: los datos de sincronización posicional y de reloj se usan en astrometría y mecánica celeste. El GPS también se usa tanto en astronomía amateur con telescopios pequeños como en observatorios profesionales para encontrar planetas extrasolares.
Vehículo automatizado: aplicación de ubicación y rutas para que autos y camiones funcionen sin un conductor humano.
Cartografía: los cartógrafos civiles y militares usan el GPS extensivamente.
Telefonía celular: la sincronización de reloj permite la transferencia de tiempo, que es crítica para sincronizar sus códigos de dispersión con otras estaciones base para facilitar la transferencia entre celdas y admitir la detección híbrida de posición GPS / celular para llamadas de emergencia móviles y otras aplicaciones. Los primeros teléfonos con GPS integrado se lanzaron a fines de la década de 1990. La Comisión Federal de Comunicaciones de EE. UU. (FCC) dispuso la función en el teléfono o en las torres (para su uso en la triangulación) en 2002, por lo que los servicios de emergencia podrían ubicar a los que llaman al 911. Los desarrolladores de software de terceros más tarde obtuvieron acceso a las API de GPS de Nextel en el momento del lanzamiento, seguidos por Sprint en 2006 y Verizon poco después.
Sincronización del reloj: la precisión de las señales horarias del GPS (± 10 ns) es la segunda después de los relojes atómicos en los que se basan, y se usa en aplicaciones como osciladores disciplinados por GPS.
Servicios de socorro / emergencia en casos de desastre: muchos servicios de emergencia dependen del GPS para la ubicación y las capacidades de tiempo.
Radiosondas y radiosondas equipados con GPS: miden y calculan la presión atmosférica, la velocidad del viento y la dirección hasta 27 km desde la superficie de la Tierra.
Ocultación de radio para aplicaciones meteorológicas y de ciencias atmosféricas.
Seguimiento de flota: se usa para identificar, localizar y mantener informes de contacto con uno o más vehículos de la flota en tiempo real.
Geofencing: los sistemas de rastreo de vehículos, los sistemas de rastreo de personas y los sistemas de seguimiento de mascotas usan el GPS para localizar dispositivos que están sujetos o transportados por una persona, vehículo o mascota. La aplicación puede proporcionar un seguimiento continuo y enviar notificaciones si el objetivo sale de un área designada (o "cercada").
Geoetiquetado: aplica coordenadas de ubicación a objetos digitales como fotografías (en datos Exif) y otros documentos para fines tales como la creación de superposiciones de mapas con dispositivos como Nikon GP-1
Seguimiento de aviones GPS
GPS para minería: el uso de RTK GPS ha mejorado significativamente varias operaciones mineras, tales como perforación, palear, seguimiento de vehículos y topografía. RTK GPS proporciona precisión de posicionamiento a nivel de centímetro.
Minería de datos GPS: es posible agregar datos GPS de múltiples usuarios para comprender patrones de movimiento, trayectorias comunes y lugares interesantes.
Visitas guiadas por GPS: la ubicación determina qué contenido mostrar; por ejemplo, información sobre un punto de interés cercano.
Navegación: los navegantes valoran las mediciones de velocidad y orientación digitalmente precisas.
Mediciones de fasor: GPS permite un sellado de tiempo altamente preciso de las mediciones del sistema de potencia, lo que permite calcular fasores.
Recreación: por ejemplo, Geocaching, Geodashing, GPS drawing, waymarking y otros tipos de juegos móviles basados en la ubicación.
Robótica: robots autónomos que navegan por sí solos y que utilizan sensores GPS para calcular la latitud, la longitud, el tiempo, la velocidad y el rumbo.
Deporte: utilizado en fútbol y rugby para el control y análisis de la carga de entrenamiento.
Agrimensura: los agrimensores usan ubicaciones absolutas para hacer mapas y determinar los límites de las propiedades.
Tectónica: el GPS permite la medición directa del movimiento de fallas de los terremotos. Entre los terremotos, el GPS se puede usar para medir el movimiento y la deformación de la corteza para estimar la acumulación de deformación sísmica para crear mapas de riesgo sísmico.
Telemática: tecnología GPS integrada con computadoras y tecnología de comunicaciones móviles en sistemas de navegación automotriz.

Restricciones en el uso civil

El gobierno de los EE. UU. Controla la exportación de algunos receptores civiles. Todos los receptores GPS capaces de funcionar a más de 18 km (60,000 pies) de altitud y 515 m / s (1,000 nudos), o diseñados o modificados para uso con vehículos aéreos no tripulados como, por ejemplo, misiles balísticos o de crucero, se clasifican como municiones (armas ), Lo que significa que requieren licencias de exportación del Departamento de Estado.

Esta regla se aplica incluso a unidades de otra manera puramente civiles que solo reciben la frecuencia L1 y el código C / A (Grueso / Adquisición).

Deshabilitar la operación por encima de estos límites exime al receptor de la clasificación como una munición. Las interpretaciones del vendedor difieren. La regla se refiere a la operación tanto a la altitud como a la velocidad objetivo, pero algunos receptores dejan de funcionar incluso cuando están estacionarios. Esto ha causado problemas con algunos lanzamientos de globos de radioaficionados que regularmente alcanzan los 30 km (100,000 pies).

Estos límites solo se aplican a unidades o componentes exportados desde los Estados Unidos. Existe un comercio creciente de diversos componentes, incluidas unidades de GPS de otros países. Estos se venden expresamente como libres de ITAR.

Militar

Adjuntando un kit de guía de GPS a una bomba tonta, marzo de 2003.

M982 Excalibur Carcasa de artillería guiada por GPS.

A partir de 2009, las aplicaciones militares GPS incluyen:

Navegación: los soldados usan el GPS para buscar objetivos, incluso en la oscuridad o en un territorio desconocido, y para coordinar el movimiento de tropas y suministros. En las fuerzas armadas de los Estados Unidos, los comandantes usan el Asistente Digital del Comandante y los rangos inferiores usan el Asistente Digital del Soldado .
Seguimiento de objetivos: varios sistemas de armas militares usan GPS para rastrear posibles objetivos terrestres y aéreos antes de marcarlos como hostiles. Estos sistemas de armas pasan las coordenadas del objetivo a las municiones guiadas de precisión para permitirles atacar los objetivos con precisión. Los aviones militares, particularmente en los roles aire-tierra, usan el GPS para encontrar objetivos.
Proyección de misiles y proyectiles: el GPS permite una selección precisa de varias armas militares, incluidos ICBM, misiles de crucero, municiones guiadas de precisión y proyectiles de artillería. Se han desarrollado receptores de GPS integrados capaces de soportar aceleraciones de 12,000 goaproximadamente 118 km / s para uso en proyectiles de obús de 155 milímetros (6,1 pulg).
Búsqueda y rescate.
Reconocimiento: El movimiento de la patrulla se puede manejar más de cerca.
Los satélites GPS llevan un conjunto de detectores de detonación nuclear que consisten en un sensor óptico llamado bhangmeter, un sensor de rayos X, un dosímetro y un sensor de pulso electromagnético (W-sensor), que forman una porción importante de los Estados Unidos. Sistema de Detección de Detonación Nuclear. El general William Shelton ha declarado que los satélites futuros pueden abandonar esta función para ahorrar dinero.

La navegación de tipo GPS se usó por primera vez en la guerra 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 ser bloqueado, cuando las fuerzas iraquíes instalaron dispositivos de interferencia en objetivos probables que emitían ruido de radio, interrumpiendo la recepción de la débil señal del GPS.

Comunicación

Las señales de navegación transmitidas por los satélites de GPS codifican una variedad de información, incluidas las posiciones de los satélites, el estado de los relojes internos y el estado 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 habilita la navegación de resolución más baja y una codificación cifrada utilizada por el ejército de EE. UU.

Formato de mensaje

Formato de mensaje GPS
Subframes	Descripción
1	Reloj satelital, relación de tiempo del GPS
2-3	Efemérides (órbita satelital precisa)
4-5	Componente Almanaque (sinopsis de la red de satélites, corrección de errores)

Cada satélite de GPS transmite continuamente un mensaje de navegación en frecuencias L1 (C / A y P / Y) y L2 (P / Y) a una velocidad de 50 bits por segundo (ver tasa de bits). Cada mensaje completo tarda 750 segundos (12 1/2 minutos) en completarse. La estructura del mensaje tiene un formato básico de una trama de 1500 bits de longitud formada por cinco subtramas, cada subtrama tiene una longitud de 300 bits (6 segundos). Los subtramas 4 y 5 se subcomunican 25 veces cada uno, de modo que un mensaje de datos completo requiere la transmisión de 25 cuadros completos. Cada subframe consta de diez palabras, cada una de 30 bits de longitud. Por lo tanto, con 300 bits en una subtrama multiplicada por 5 subtramas en una trama multiplicada por 25 fotogramas 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 fotograma de 30 segundos comienza exactamente en el minuto o medio minuto según lo indicado por el reloj atómico en cada satélite.

La primera subtrama de cada cuadro codifica el número de semana y el tiempo dentro de la semana, así como los datos sobre la salud del satélite. La segunda y la tercera subtramas contienen las efemérides : la órbita precisa del satélite. Las subtramas cuarta y quinta contienen el almanaque , que contiene información de la órbita y el estado gruesa para hasta 32 satélites de la constelación, así como los datos relacionados con la corrección de errores. Por lo tanto, para obtener una ubicación de satélite precisa 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 recoger todos los almanaques transmitidos, el receptor debe demodular el mensaje durante 732 a 750 segundos o 12 1/2 minutos.

Todos los satélites transmiten en las mismas frecuencias, codificando señales que usan el acceso múltiple por división de código único (CDMA) para que los receptores puedan distinguir satélites individuales entre sí. El sistema utiliza dos tipos de codificación CDMA distintas: el grueso / adquisición (C / A) de código, que es accesible por el público en general, y la () P (Y) de código precisa, que se cifra para que sólo el Ejército de Estados Unidos y otra Las naciones de la OTAN a las que se les ha dado acceso al código de cifrado pueden acceder a él.

Las efemérides se actualizan cada 2 horas y, en general, son válidas durante 4 horas, con disposiciones para actualizaciones cada 6 horas o más en condiciones no nominales. El almanaque se actualiza típicamente cada 24 horas. Además, los datos de algunas semanas posteriores se cargan en caso de actualizaciones de transmisión que retrasen la carga de datos.

Frecuencias satelitales

Descripción general de frecuencia de GPS
Banda	Frecuencia	Descripción
L1	1575,42 MHz	Códigos de adquisición aproximada (C / A) y precisión encriptada (P (Y)), más los códigos L1 civil (L1C) y militar (M) en los futuros satélites del Bloque III.
L2	1227.60 MHz	Código P (Y), más el L2C y los códigos militares en el Bloque IIR-M y los satélites más nuevos.
L3	1381.05 MHz	Utilizado para la detección de detonación nuclear (NUDET).
L4	1379.913 MHz	Estudiado para la corrección ionosférica adicional.
L5	1176,45 MHz	Propuesto para su uso como una señal de seguridad de vida civil (SoL).

Todos los satélites transmiten en las mismas dos frecuencias, 1.57542 GHz (señal L1) y 1.2276 GHz (señal L2). La red de satélite utiliza una técnica CDMA de amplio espectro donde los datos del mensaje de baja tasa de bits están codificados con una secuencia pseudoaleatoria de alta velocidad (PRN) que es diferente para cada satélite. El receptor debe conocer los códigos PRN para cada satélite para reconstruir los datos del mensaje real. 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 estadounidense, 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 que hacen que los observadores en la Tierra perciban una referencia de tiempo diferente con respecto a los transmisores en órbita. La portadora L1 está modulada por los códigos C / A y P mientras que la portadora L2 solo está modulada por el código P. El código P se puede cifrar como el llamado código P (Y) que solo está disponible para equipos militares con una clave de descifrado adecuada. Los códigos C / A y P (Y) transmiten la hora precisa del usuario.

La señal L3 a una frecuencia de 1.38105 GHz se utiliza para transmitir datos de los satélites a estaciones terrestres. Estos datos son utilizados por el Sistema de Detección de Detenciones Nucleares de los Estados Unidos (NUDET) (USNDS) para detectar, localizar y reportar detonaciones nucleares (NUDET) en la atmósfera de la Tierra y cerca del espacio. Un uso es la aplicación de los tratados de prohibición de pruebas nucleares.

La banda L4 a 1.379913 GHz está siendo estudiada para corrección ionosférica adicional.

La banda de frecuencia L5 a 1.17645 GHz se agregó en el proceso de modernización del GPS. Esta frecuencia se encuentra dentro de un rango internacionalmente protegido para la navegación aeronáutica, prometiendo poca o ninguna interferencia en todas las circunstancias. El primer satélite Block IIF que proporciona esta señal se lanzó en mayo de 2010. El 5 de febrero de 2016, se lanzó el 12 ° y último satélite del Bloque IIF. El L5 consiste en dos componentes del portador que están en cuadratura de fase entre sí. Cada componente de portadora es una tecla de desplazamiento bifásico (BPSK) modulada por un tren de bits separado. "L5, la tercera señal GPS civil, eventualmente apoyará las aplicaciones de seguridad de la vida para la aviación y proporcionará una disponibilidad y precisión mejoradas".

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 1525 a 1559 ya en 2003 y se publicó para recibir comentarios del público, la FCC solicitó a LightSquared que formara un grupo de estudio con la comunidad GPS para probar los receptores GPS e identificar un problema que podría surgen debido a la mayor potencia de señal de la red terrestre LightSquared. La comunidad de GPS no se había opuesto a las aplicaciones 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 ejecutar varios órdenes de magnitud más de potencia en la misma banda de frecuencias para estaciones de base terrenales, esencialmente readaptando lo que se suponía que era un "vecindario silencioso" para señales del espacio como el equivalente de una red celular. Las pruebas en la primera mitad de 2011 han demostrado que el impacto de los 10 MHz de espectro más bajo es mínimo para los dispositivos GPS (menos del 1% del total de dispositivos GPS se ven afectados). Los 10 MHz superiores destinados para su uso por LightSquared pueden tener algún impacto en los dispositivos GPS. Existe cierta preocupación de que esto pueda degradar seriamente la señal del GPS para muchos usos del consumidor. La revista Aviation Week informa que las últimas pruebas (junio de 2011) confirman el "bloqueo significativo" del GPS por parte del sistema de LightSquared. Las pruebas en la primera mitad de 2011 han demostrado que el impacto de los 10 MHz de espectro más bajo es mínimo para los dispositivos GPS (menos del 1% del total de dispositivos GPS se ven afectados). Los 10 MHz superiores destinados para su uso por LightSquared pueden tener algún impacto en los dispositivos GPS. Existe cierta preocupación de que esto pueda degradar seriamente la señal del GPS para muchos usos del consumidor. La revista Aviation Week informa que las últimas pruebas (junio de 2011) confirman el "bloqueo significativo" del GPS por parte del sistema de LightSquared. Las pruebas en la primera mitad de 2011 han demostrado que el impacto de los 10 MHz de espectro más bajo es mínimo para los dispositivos GPS (menos del 1% del total de dispositivos GPS se ven afectados). Los 10 MHz superiores destinados para su uso por LightSquared pueden tener algún impacto en los dispositivos GPS. Existe cierta preocupación de que esto pueda degradar seriamente la señal del GPS para muchos usos del consumidor. La revista Aviation Week informa que las últimas pruebas (junio de 2011) confirman el "bloqueo significativo" del GPS por parte del sistema de LightSquared.

Demodulación y decodificación

Desmodulando y decodificando las señales de satélite GPS usando el código Coarse / Acquisition Gold.

Debido a que todas las señales de satélite están moduladas en la misma frecuencia de portadora L1, las señales deben separarse después de la demodulación. Esto se hace asignando a cada satélite una secuencia binaria única conocida como código de oro. Las señales se decodifican después de la demodulación usando la adición de los códigos Gold correspondientes a los satélites monitoreados por el receptor.

Si la información del almanaque ha sido adquirida previamente, el receptor selecciona los satélites para escuchar por sus PRN, números únicos en el rango 1 a 32. Si la información del almanaque no está en la memoria, el receptor ingresa en un modo de búsqueda hasta que se obtiene un bloqueo en uno de los satélites. Para obtener un bloqueo, es necesario que haya una línea de visión sin obstáculos desde el receptor hasta el satélite. El receptor puede adquirir el almanaque y determinar los satélites que debe escuchar. Como detecta la señal de cada satélite, la identifica por su patrón de código C / A distinto. Puede haber un retraso de hasta 30 segundos antes de la primera estimación de posición debido a la necesidad de leer los datos de efemérides.

El procesamiento del mensaje de navegación permite la determinación del tiempo de transmisión y la posición del satélite en este momento. Para obtener más información, consulte Demodulación y descodificación, Avanzado.

Ecuaciones de navegación

Descripción del problema

El receptor usa los mensajes recibidos de los satélites para determinar las posiciones del satélite y el tiempo enviado. Los X, Y, y Z componentes de posición del satélite y la hora de envío 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 de a bordo es t i , el tiempo real de recepción es t i = t i - b , donde b es el sesgo del reloj del receptor de los relojes de GPS mucho más precisos empleados por los satélites. La polarización del reloj del receptor es la misma para todas las señales satelitales recibidas (suponiendo que los relojes del satélite estén perfectamente sincronizados). El tiempo de tránsito del mensaje es t i - b - s i , donde s i es la hora del satélite. Suponiendo que el mensaje viajó a la velocidad de la luz, c , la distancia recorrida es ( t i - b - s i ) c .

Para n satélites, las ecuaciones para satisfacer son:

{\ displaystyle d_ {i} = \ left ({\ tilde {t}} _ {i} -b-s_ {i} \ right) c, \; i = 1,2, \ dots, n}

donde d i es la distancia o rango geométrico entre el receptor y el satélite:

{\ displaystyle d_ {i} = {\ sqrt {(x-x_ {i}) ^ {2} + (y-y_ {i}) ^ {2} + (z-z_ {i}) ^ {2} }}}

Definiendo pseudorrangos como , vemos que son versiones sesgadas del verdadero rango:

p_ {i} = \ left ({\ tilde {t}} _ {i} -s_ {i} \ right) c

{\ displaystyle p_ {i} = d_ {i} + bc, \; i = 1,2, ..., n}

.

Dado que las ecuaciones tienen cuatro incógnitas [ x, y, z, b ] -los tres componentes de la posición del receptor GPS y la polarización del reloj- las señales de al menos cuatro satélites son necesarias para intentar resolver estas ecuaciones. Se pueden resolver mediante métodos algebraicos o numéricos. Abell y Chaffee analizan la existencia y la singularidad de las soluciones de GPS. Cuando n es mayor que 4, este sistema está sobredeterminado y se debe usar un método de ajuste.

La cantidad de error en los resultados varía con las ubicaciones de los satélites recibidos en el cielo, ya que ciertas configuraciones (cuando los satélites recibidos están muy juntos en el cielo) causan grandes errores. Los receptores generalmente calculan una estimación en curso del error en la posición calculada. Esto se hace multiplicando la resolución básica del receptor por cantidades llamadas factores de dilución geométrica de posición (GDOP), calculados a partir de las direcciones relativas del cielo de los satélites utilizados. La ubicación del receptor se expresa en un sistema de coordenadas específico, como la latitud y la longitud, utilizando el datum geodésico WGS 84 o un sistema específico del país.

Interpretación geométrica

Las ecuaciones de GPS se pueden resolver por métodos numéricos y analíticos. Las interpretaciones geométricas pueden mejorar la comprensión de estos métodos de solución.

Esferas

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 uno centrado en uno de los satélites transmisores. La solución para la posición del receptor está entonces en la intersección de las superficies de tres de estas esferas. Si hay disponible más de la cantidad mínima de rangos, se puede encontrar una intersección cercana de más de tres superficies esféricas, por ejemplo, mínimos cuadrados.

Hiperboloides

Si el pseudodistancia entre el receptor y el satélite i y el pseudodistancia entre el receptor y el satélite j se restan, p i - p j , el sesgo del reloj del receptor común ( b ) se cancela, lo que da como resultado una diferencia de distancias d j - d j. El lugar de puntos que tiene una diferencia constante en la distancia a dos puntos (aquí, dos satélites) es una hipérbola en un plano y una hiperboloide de revolución en el espacio tridimensional (ver Multilateración). Por lo tanto, a partir de cuatro mediciones de pseudodistancia, el receptor puede colocarse 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 se busca una mejor solución.

Esfera inscrita

La posición del receptor se puede interpretar como el centro de una esfera inscrita (insfera) de radio bc , dada por el sesgo b del reloj receptor (escalado por la velocidad de la luz c ). La ubicación de la insfera es tal que toca otras esferas (consulte el Problema de las aplicaciones de Apollonius #). Las esferas circunscritas se centran en los satélites GPS, cuyos radios son iguales a los pseudorrangos p i medidos . Esta configuración es distinta de la descrita en la sección # Esferas, en la cual los radios de las esferas fueron los intervalos diagonales o geométricos d i .

Conos esféricos

El espacio de solución [ x, y, z, b ] se puede ver como un espacio geométrico de cuatro dimensiones. En ese caso, cada una de las ecuaciones describe un cono esférico, con la cúspide localizada en el satélite, y la base una esfera alrededor del satélite. El receptor está en la intersección de cuatro o más de tales conos.

Métodos de solución

Mínimos cuadrados

Cuando hay más de cuatro satélites disponibles, el cálculo puede usar los cuatro mejores, o más de cuatro simultáneamente (hasta todos los satélites visibles), según la cantidad de canales receptores, la capacidad de procesamiento y la dilución geométrica de precisión (GDOP).

Usar más de cuatro implica un sistema de ecuaciones demasiado determinado sin una solución única; dicho sistema puede resolverse mediante un método de mínimos cuadrados o mínimos cuadrados ponderados.

\ left ({\ hat {x}}, {\ hat {y}}, {\ hat {z}}, {\ hat {b}} \ right) = {\ underset {\ left (x, y, z) , b \ right)} {\ arg \ min}} \ sum _ {i} \ left ({\ sqrt {(x-x_ {i}) ^ {2} + (y-y_ {i}) ^ {2 } + (z-z_ {i}) ^ {2}}} + bc-p_ {i} \ right) ^ {2}

Iterativo

Ambas ecuaciones para cuatro satélites, o las ecuaciones de mínimos cuadrados para más de cuatro, son no lineales y necesitan métodos de solución especiales. Un enfoque común es mediante la iteración en una forma linealizada de las ecuaciones, como el algoritmo de Gauss-Newton.

El GPS se desarrolló inicialmente suponiendo el uso de un método numérico de solución de mínimos cuadrados, es decir, antes de que se encontraran soluciones de forma cerrada.

Forma cerrada

Una solución de forma cerrada para el conjunto de ecuaciones anterior fue desarrollada por S. Bancroft. Sus propiedades son bien conocidas; en particular, los proponentes afirman que es superior en situaciones de bajo GDOP, en comparación con los métodos de mínimos cuadrados iterativos.

El método de Bancroft es algebraico, a diferencia de numérico, y se puede usar para cuatro o más satélites. Cuando se utilizan cuatro satélites, los pasos clave son la inversión de una matriz de 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 (generalmente el caso), solo uno es una solución sensible cercana a la Tierra.

Cuando un receptor utiliza más de cuatro satélites para una solución, Bancroft usa la inversa generalizada (es decir, la pseudoinversión) para encontrar una solución. Sin embargo, se ha argumentado que los métodos iterativos (por ejemplo, el algoritmo de Gauss-Newton) para resolver problemas de mínimos cuadrados no lineales (NLLS) excesivamente determinados generalmente proporcionan soluciones más precisas.

Leick et al. (2015) afirma que "la solución de Bancroft (1985) es una solución muy temprana, si no la primera, de forma cerrada". Posteriormente se publicaron otras soluciones cerradas, aunque su adopción en la práctica no está clara.

Fuentes de error y análisis

El análisis de error de GPS examina las fuentes de error en los resultados de 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 multitrayectoria e interferencia natural y artificial. La magnitud de los errores residuales de estas fuentes depende de la dilución geométrica de precisión. Pueden producirse errores artificiales a causa de dispositivos de interferencia y amenazan a los buques y las aeronaves o por la degradación intencionada de la señal mediante la disponibilidad selectiva, que limita la precisión a ≈6-12 m, pero se ha desconectado desde el 1 de mayo de 2000.

Mejora de precisión y topografía

Aumento

Integrar información externa en el proceso de cálculo puede mejorar materialmente la precisión. Dichos sistemas de aumentación generalmente se nombran o describen en función de cómo llega la información. Algunos sistemas transmiten información de error adicional (como deriva de reloj, ephemera o retardo ionosférico), otros caracterizan errores previos, mientras que un tercer grupo proporciona información adicional de navegación o vehículo.

Entre los ejemplos de sistemas de aumentación se incluyen el Sistema de aumento de área amplia (WAAS), el Servicio de superposición de navegación geoestacionaria europea (EGNOS), el GPS diferencial (DGPS), los sistemas de navegación inercial (INS) y el GPS asistido. La precisión estándar de aproximadamente 15 metros (49 pies) se puede aumentar a 3-5 metros (9.8-16.4 pies) con DGPS, y a aproximadamente 3 metros (9.8 pies) con WAAS.

Monitoreo preciso

La precisión se puede mejorar a través de una monitorización y medición precisas de las señales de GPS existentes en formas adicionales o alternativas.

El mayor error restante suele ser el retraso impredecible a través de la ionosfera. La nave espacial transmite parámetros del modelo ionosférico, pero quedan algunos errores. Esta es una razón por la cual la nave espacial GPS transmite en al menos dos frecuencias, L1 y L2. El retardo ionosférico es una función bien definida de la frecuencia y el contenido total de electrones (TEC) a lo largo del camino, por lo que la medición de la diferencia de tiempo de llegada entre las frecuencias determina TEC y, por lo tanto, el retardo ionosférico preciso en cada frecuencia.

Los receptores militares pueden decodificar el código P (Y) transmitido tanto en L1 como en L2. Sin claves de descifrado, todavía es posible utilizar una técnica sin código para comparar los códigos P (Y) en L1 y L2 para obtener gran parte de la misma información de error. Sin embargo, esta técnica es lenta, por lo que actualmente solo está disponible en equipos topográficos especializados. En el futuro, se espera que se transmitan códigos civiles adicionales en las frecuencias L2 y L5 (ver modernización GPS). Todos los usuarios podrán realizar mediciones de doble frecuencia y calcular directamente los errores de retardo ionosférico.

Una segunda forma de monitoreo preciso se llama mejora de fase de portadora (CPGPS). Esto corrige el error que surge debido a que la transición de impulsos del PRN no es instantánea y, por lo tanto, la operación de correlación (coincidencia de secuencia del receptor de satélite) es imperfecta. CPGPS utiliza la onda portadora L1, que tiene un período de , que es aproximadamente una milésima del período de bits del código C / A Gold , para actuar como una señal de reloj adicional y resolver la incertidumbre. El error de diferencia de fase en el GPS normal equivale a 2-3 metros (7-10 pies) de ambigüedad. El CPGPS que funciona con un 1% de transición perfecta reduce este error a 3 centímetros (1,2 pulgadas) de ambigüedad. Al eliminar esta fuente de error, CPGPS acoplado con DGPS normalmente realiza entre 20-30 centímetros (8-12 pulgadas) de precisión absoluta.

{\ Frac {1 \, \ mathrm {s}} {1575,42 \ times 10 ^ {6}}} = 0.63475 \, \ mathrm {ns} \ aprox 1 \, \ mathrm {ns} \

{\ Frac {1 \, \ mathrm {s}} {1,023 \ times 10 ^ {3}}} = 977,5 \, \ mathrm {ns} \ aprox 1,000 \, \ mathrm {ns} \

El posicionamiento cinemático relativo (RKP) es una tercera alternativa para un sistema preciso de posicionamiento basado en GPS. En este enfoque, la determinación de la señal de rango se puede resolver con una precisión de menos de 10 centímetros (4 pulgadas). Esto se hace resolviendo el número de ciclos que la señal es transmitida y recibida por el receptor usando una combinación de datos de corrección de GPS diferencial (DGPS), transmitiendo información de fase de señal de GPS y técnicas de resolución de ambigüedad mediante pruebas estadísticas, posiblemente con procesamiento en tiempo real tiempo (posicionamiento cinemático en tiempo real, RTK).

Hora normal

Segundos de salto

Si bien la mayoría de los relojes derivan su tiempo del Tiempo Universal Coordinado (UTC), los relojes atómicos en los satélites se configuran en tiempo GPS (GPST, consulte la página del Observatorio Naval de los Estados Unidos). La diferencia es que el tiempo del GPS no se corrige para que coincida con la rotación de la Tierra, por lo que no contiene segundos intercalares u otras correcciones que se agregan periódicamente a UTC. La hora del GPS fue configurada para coincidir con UTC en 1980, pero desde entonces ha divergido. La falta de correcciones significa que el tiempo del GPS permanece en una compensación constante con el Tiempo Atómico Internacional (TAI) (TAI - GPS = 19 segundos). Se realizan correcciones periódicas a los relojes incorporados para mantenerlos sincronizados con los relojes terrestres.

El mensaje de navegación GPS incluye la diferencia entre la hora del GPS y UTC. A partir de enero de 2017, el tiempo del GPS es 18 segundos superior al UTC debido al segundo intercalar añadido a UTC el 31 de diciembre de 2016. Los receptores restan este desplazamiento del tiempo del GPS para calcular los valores UTC y de la zona horaria específica. Las nuevas unidades GPS pueden no mostrar la hora UTC correcta hasta después de recibir el mensaje de compensación UTC. El campo de desplazamiento GPS-UTC puede acomodar 255 segundos de salto (ocho bits).

Exactitud

El tiempo del GPS es teóricamente exacto a aproximadamente 14 nanosegundos, debido a la deriva del reloj que experimentan los relojes atómicos en los transmisores GPS. Sin embargo, la mayoría de los receptores pierden precisión en la interpretación de las señales y solo tienen una precisión de 100 nanosegundos.

Formato

A diferencia del formato de año, mes y día del calendario gregoriano, la fecha del GPS se expresa como un número de semana y un número de segundos por semana. El número de semana se transmite como un campo de diez bits en los mensajes de navegación C / A y P (Y), por lo que vuelve a cero cada 1,024 semanas (19,6 años). La semana cero del GPS comenzó a las 00:00:00 UTC (00:00:19 TAI) del 6 de enero de 1980, y el número de la semana volvió a cero nuevamente por primera vez a las 23:59:47 UTC del 21 de agosto de 1999 (00 : 00: 19 TAI el 22 de agosto de 1999). Para determinar la fecha gregoriana actual, se debe proporcionar un receptor GPS con la fecha aproximada (hasta 3,584 días) para traducir correctamente la señal de fecha GPS. Para resolver este problema, el mensaje de navegación GPS modernizado usa un campo de 13 bits que solo se repite cada 8.192 semanas (157 años).

Seguimiento de fase de portadora (topografía)

Otro método que se utiliza en aplicaciones topográficas es el seguimiento de fase de portadora. El período de la frecuencia portadora multiplicado por la velocidad de la luz da la longitud de onda, que es de aproximadamente 0,19 metros para la portadora L1. La precisión dentro del 1% de la longitud de onda para detectar el borde delantero reduce este componente del error de pseudodistancia a tan solo 2 milímetros. Esto se compara con 3 metros para el código C / A y 0.3 metros para el código P.

Sin embargo, la precisión de 2 milímetros requiere medir la fase total: la cantidad de ondas multiplicadas por la longitud de onda más la longitud de onda fraccional, que requiere receptores especialmente equipados. Este método tiene muchas aplicaciones topográficas. Es lo suficientemente preciso para el seguimiento en tiempo real de los movimientos muy lentos de las placas tectónicas, generalmente 0-100 mm (0-4 pulgadas) por año.

La triple diferenciación seguida del hallazgo de raíz numérica y una técnica matemática llamada mínimos cuadrados pueden estimar la posición de un receptor dada la posición de otro. Primero, calcule la diferencia entre satélites, luego entre receptores, y finalmente entre épocas. Otras órdenes de tomar diferencias son igualmente válidas. Se omite la discusión detallada de los errores.

La fase total del operador del satélite se puede medir con ambigüedad en cuanto al número de ciclos. Dejemos denotar la fase de la portadora del satélite j medida por el receptor i en el momento . Esta notación muestra el significado de los subíndices i, j y k. El receptor ( r ), el satélite ( s ) y el tiempo ( t ) vienen en orden alfabético como argumentos de y para equilibrar la legibilidad y concisión, sea una abreviación concisa. También definimos tres funciones,:

\ \ phi (r_ {i}, s_ {j}, t_ {k})

\ \ t_ {k}

\ \ phi

\ \ phi _ {i, j, k} = \ phi (r_ {i}, s_ {j}, t_ {k})

\ \ Delta ^ {r}, \ Delta ^ {s}, \ Delta ^ {t}

, que devuelven las diferencias entre receptores, satélites y puntos de tiempo, respectivamente. Cada función tiene variables con tres subíndices como sus argumentos. Estas tres funciones se definen a continuación. Si es una función de los tres argumentos enteros, i, j y k, entonces es un argumento válido para las funciones,: , con los valores definidos como

\ \ alpha _ {i, j, k}

\ \ Delta ^ {r}, \ Delta ^ {s}, \ Delta ^ {t}

\ \ Delta ^ {r} (\ alpha _ {i, j, k}) = \ alpha _ {i + 1, j, k} - \ alpha _ {i, j, k}

,

\ \ Delta ^ {s} (\ alpha _ {i, j, k}) = \ alpha _ {i, j + 1, k} - \ alfa _ {i, j, k}

y

\ \ Delta ^ {t} (\ alpha _ {i, j, k}) = \ alpha _ {i, j, k + 1} - \ alpha _ {i, j, k}

.

También si son argumentos válidos para las tres funciones y a y b son constantes, entonces es un argumento válido con valores definidos como

\ \ alpha _ {i, j, k} \ y \ \ beta _ {l, m, n}

\ (a \ \ alpha _ {i, j, k} + b \ \ beta _ {l, m, n})

\ \ Delta ^ {r} (a \ \ alpha _ {i, j, k} + b \ \ beta _ {l, m, n}) = a \ \ Delta ^ {r} (\ alpha _ {i, j, k}) + b \ \ Delta ^ {r} (\ beta _ {l, m, n})

,

\ \ Delta ^ {s} (a \ \ alpha _ {i, j, k} + b \ \ beta _ {l, m, n}) = a \ \ Delta ^ {s} (\ alpha _ {i, j, k}) + b \ \ Delta ^ {s} (\ beta _ {l, m, n})

y

\ \ Delta ^ {t} (a \ \ alpha _ {i, j, k} + b \ \ beta _ {l, m, n}) = a \ \ Delta ^ {t} (\ alpha _ {i, j, k}) + b \ \ Delta ^ {t} (\ beta _ {l, m, n})

.

Los errores de reloj del receptor pueden eliminarse aproximadamente al diferenciar las fases medidas del satélite 1 con las del satélite 2 en la misma época. Esta diferencia se designa como

\ \ Delta ^ {s} (\ phi _ {1,1,1}) = \ phi _ {1,2,1} - \ phi _ {1,1,1}

La doble diferenciación calcula la diferencia entre la diferencia de satélite del receptor 1 y la del receptor 2. Esto elimina aproximadamente los errores del reloj del satélite. Esta doble diferencia es:

{\ begin {aligned} \ Delta ^ {r} (\ Delta ^ {s} (\ phi _ {1,1,1})) \, & = \, \ Delta ^ {r} (\ phi _ {1 , 2,1} - \ phi _ {1,1,1}) & = \, \ Delta ^ {r} (\ phi _ {1,2,1}) - \ Delta ^ {r} (\ phi _ {1,1,1}) & = \, (\ phi _ {2,2,1} - \ phi _ {1,2,1}) - (\ phi _ {2,1,1} - \ phi _ {1,1,1}) \ end {aligned}}

La triple diferenciación resta la diferencia del receptor del tiempo 1 de la del tiempo 2. Esto elimina la ambigüedad asociada con el número integral de longitudes de onda en la fase portadora, siempre que esta ambigüedad no cambie con el tiempo. Por lo tanto, el resultado de triple diferencia elimina prácticamente todos los errores de polarización del reloj y la ambigüedad entera. Los errores atmosféricos y de efemérides satelitales se han reducido significativamente. Esta triple diferencia es:

\ \ Delta ^ {t} (\ Delta ^ {r} (\ Delta ^ {s} (\ phi _ {1,1,1})))

Los resultados de triple diferencia se pueden usar para estimar variables desconocidas. Por ejemplo, si se conoce la posición del receptor 1 pero la posición del receptor 2 es desconocida, puede ser posible estimar la posición del receptor 2 usando el hallazgo de raíz numérica y los mínimos cuadrados. Los resultados de triple diferencia para tres pares de tiempo independientes pueden ser suficientes para resolver las tres componentes de posición del receptor 2. Esto puede requerir un procedimiento numérico. Se requiere una aproximación de la posición del receptor 2 para usar dicho método numérico. Este valor inicial probablemente se puede proporcionar desde el mensaje de navegación y la intersección de las superficies de la esfera. Tal estimación razonable puede ser clave para el hallazgo de raíz multidimensional exitoso. La iteración de tres pares de tiempo y un valor inicial bastante bueno produce un resultado de triple diferencia observado para el receptor 2 ' posición s Procesar pares de tiempo adicionales puede mejorar la precisión, sobredeterminando la respuesta con múltiples soluciones. Los mínimos cuadrados pueden estimar un sistema sobredeterminado. Los mínimos cuadrados determinan la posición del receptor 2 que mejor se ajusta a los resultados de la triple diferencia observada para las posiciones del receptor 2 bajo el criterio de minimizar la suma de los cuadrados.

Cuestiones reglamentarias sobre el espectro de los receptores GPS

En los Estados Unidos, los receptores GPS están regulados por las reglas de la Parte 15 de la Comisión Federal de Comunicaciones (FCC). Como se indica en los manuales de los dispositivos compatibles con GPS vendidos 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". Con respecto a los dispositivos GPS en particular, la FCC establece que los fabricantes de receptores GPS "deben usar receptores que discriminen razonablemente contra la recepción de señales fuera de su espectro asignado". Durante los últimos 30 años, los receptores de GPS han operado junto a la banda del Servicio de Satélite Móvil y han discriminado contra la recepción de servicios satelitales móviles, como Inmarsat, sin ningún problema.

El espectro asignado para el uso del GPS L1 por la FCC es de 1559 a 1610 MHz, mientras que el espectro asignado para el uso de satélite a tierra propiedad de Lightsquared es la banda del servicio móvil por satélite. Desde 1996, la FCC ha autorizado el uso con licencia del espectro que se encuentra junto a la banda de GPS de 1525 a 1559 MHz a la compañía 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 de satélite terrestre. En 2002, el Consejo de la Industria de 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 a la banda GPS cercana de 1559 a 1610 MHz. En 2004, la FCC adoptó el acuerdo OOBE en su autorización para que LightSquared implemente una red terrestre auxiliar para su sistema satelital -conocidos como los Componentes de la Torre Anclar (ATC) - "Autorizaremos al ATC del SMS sujeto a condiciones que garanticen que el componente terrestre agregado sigue siendo accesoria a la oferta principal del SMS. No tenemos la intención, ni permitiremos, que el componente terrestre se convierta en un servicio independiente ". Esta autorización fue revisada y aprobada por el Comité Asesor de Radio Interdepartamental de los EE. UU., Que incluye el Departamento de Agricultura de EE. UU., US Air Force, US Army, US Coast Guard, Federal Aviation Administration, National Aeronautics and Space Administration, Interior y US Department of Transportation .

La orden de enero de 2011 hace que la autorización final dependa de los estudios de problemas de interferencia de GPS llevados a cabo por un grupo de trabajo liderado por LightSquared junto con la industria de GPS y la participación de la agencia federal. El 14 de febrero de 2012, la FCC inició un procedimiento para anular la orden de exención condicional de LightSquared sobre la base de la conclusión de la NTIA de que actualmente no había una forma práctica de mitigar la potencial interferencia del GPS.

Los fabricantes de receptores GPS diseñan receptores GPS para usar el espectro más allá de la banda asignada por GPS. En algunos casos, los receptores GPS están diseñados para usar 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 tierra y en niveles de potencia proporcionales a los servicios móviles por satélite . Sin embargo, según lo regulado por las reglas de la Parte 15 de la FCC, los receptores GPS no tienen garantía de protección contra señales fuera del espectro asignado por GPS. Esta es la razón por la cual el GPS opera al lado de la banda del servicio móvil por satélite y también por qué la banda del servicio móvil por satélite opera junto al GPS. La relación simbiótica de la asignación del espectro garantiza que los usuarios de ambas bandas puedan operar de manera cooperativa y libre.

La FCC adoptó reglas en febrero de 2003 que permitieron a los licenciatarios del Servicio móvil por satélite (MSS) como LightSquared construir un pequeño número de torres auxiliares en tierra en su espectro con licencia para "promover un uso más eficiente del espectro inalámbrico terrestre". En esas reglas de 2003, la FCC declaró "Como cuestión preliminar, se espera que el servicio de radio móvil terrestre (" CMRS ") y el MSS ATC tengan diferentes precios, cobertura, aceptación del producto y distribución, por lo tanto, aparecen los dos servicios, en el mejor de los casos, para ser sustitutos imperfectos entre sí que estarían operando en segmentos de mercado predominantemente diferentes ... es poco probable que MSS ATC compita directamente con CMRS terrestre para la misma base de clientes ... ". En 2004, la FCC aclaró que las torres de tierra serían auxiliares, y señaló que " Autorizaremos al ATC del SMS sujeto a condiciones que aseguren que el componente terrestre agregado permanezca como accesorio a la oferta principal del SMS. No pretendemos, ni permitiremos, que el componente terrestre se convierta en un servicio independiente ". En julio de 2010, la FCC declaró que esperaba que LightSquared usara su autoridad para ofrecer un servicio satelital integrado para" proporcionar banda ancha móvil ". servicios similares a los provistos por los proveedores de servicios móviles terrestres y la competencia en el sector de banda ancha móvil ". Sin embargo, los fabricantes de receptores GPS han argumentado que el espectro licenciado de LightSquared de 1525 a 1559 MHz nunca se previó como banda ancha inalámbrica de alta velocidad basada en el 2003 y 2004, las sentencias de la FCC ATC dejan claro que el Componente de torre auxiliar (ATC) sería, de hecho, accesoria al componente satelital primario. Para construir el apoyo público de los esfuerzos para continuar con la autorización de la FCC de 2004 del componente terrestre auxiliar LightSquared frente a un servicio LTE terrestre simple en la banda Mobile Satellite Service, el fabricante de receptores GPS Trimble Navigation Ltd. formó la "Coalición para salvar nuestro GPS".

La FCC y LightSquared se han comprometido públicamente a resolver el problema de la interferencia del GPS antes de que la red pueda operar. Sin embargo, según Chris Dancy, de la Asociación de Pilotos y Propietarios de Aeronaves, los pilotos de líneas aéreas con el tipo de sistemas que se verían afectados "pueden desviarse del rumbo y ni siquiera darse cuenta". 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.

El 14 de febrero de 2012, la Comisión Federal de Comunicaciones (FCC) se trasladó a la barra de la red nacional de banda ancha planificada de LightSquared después de ser informada por la Administración Nacional de Telecomunicaciones e Información (NTIA), la agencia federal que coordina los usos del espectro para los militares y otros gobiernos federales entidades, que "no hay una forma práctica de mitigar la posible interferencia en este momento". LightSquared está desafiando la acción de la FCC.

Otros sistemas

Comparación de geoestacionarios, GPS , GLONASS , Galileo , Compass (MEO) , la Estación Espacial Internacional, el Telescopio Espacial Hubble y las órbitas de la constelación de Iridium, con los cinturones de radiación de Van Allen y la Tierra a escala. La órbita de la Luna es alrededor de 9 veces más grande que la órbita geoestacionaria. (En el archivo SVG, desplace el cursor sobre una órbita o su etiqueta para resaltarlo, haga clic para cargar su artículo).

Otros sistemas de navegación por satélite en uso o varios estados de desarrollo incluyen:

GLONASS - Sistema de navegación global de Rusia. Totalmente operativo en todo el mundo.
Galileo: un sistema global desarrollado por la Unión Europea y otros países socios, que comenzó a funcionar en 2016 y se espera que esté totalmente implementado para 2020.
Beidou: el sistema regional de la República Popular de China, actualmente limitado a Asia y el Pacífico Occidental, prevé que la cobertura mundial esté operativa para 2020
IRNSS: un sistema de navegación regional desarrollado por la Organización de Investigación Espacial de la India.
QZSS: un sistema de navegación regional en desarrollo que podría recibirse dentro de Japón.

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