Generalidades
El Sistema de Posicionamiento Global (GPS) es una tecnología revolucionaria que ha transformado la navegación y la determinación de la posición en todo el mundo. Este sistema consta de tres segmentos: el segmento espacial, el segmento de control y el segmento de usuario. Cada uno de estos segmentos desempeña un papel fundamental en la operación y precisión del GPS. Este texto se enfoca en analizar la importancia de estos segmentos y los principios básicos que permiten al GPS determinar la posición y el tiempo con gran precisión.
Segmento Espacial
Comprende 24 satélites GPS colocados en seis planos orbitales a 55° respecto al ecuador en órbitas geoestacionarias a una altitud de 20,000 km sobre la Tierra. La órbita sigue la Tierra, formando un patrón tipo. Se requieren de veintiún satélites para una cobertura completa en todo el mundo, y tres satélites actúan como repuestos. Los satélites GPS utilizan dos frecuencias de transmisión, L1 a 1575.42 MHz y L2 a 1227.6 MHz, para transmitir los datos de mensajes de navegación codificados digitalmente a una modulación de 50 Hz en ambos canales L1 y L2.
Segmento de Control
Este segmento consta de una Estación de Control Principal en Colorado Springs, Estados Unidos, y cinco estaciones de monitoreo ubicadas en todo el mundo. El segmento de control es operado por el Departamento de Defensa de los Estados Unidos (DoD). Realiza un seguimiento de los satélites y predice sus futuros datos de posición orbital y los parámetros de corrección del reloj del satélite necesarios, y actualiza cada satélite cuando pasa por encima de la estación de control.
La precisión completa del sistema GPS solo está disponible cuando el sistema de control operativo funciona correctamente y los mensajes de navegación se cargan diariamente. Sin embargo, los satélites GPS están diseñados para funcionar con el sistema de control inoperable durante un período de 180 días, con una precisión gradualmente degradada. Esto proporciona al sistema GPS un alto grado de robustez.
Segmento de Usuario
La operación del sistema de usuario se describe brevemente de la siguiente manera. El operador primero ingresa la posición presente estimada y la hora. Luego, el receptor GPS comienza a buscar y rastrear satélites. Los datos que llegan identifican el número de satélite, ubican el satélite en el espacio y establecen la hora del sistema. El receptor GPS necesita rastrear las señales de al menos cuatro satélites para determinar la posición del usuario.
Principios básicos del GPS
El principio básico para determinar la posición utilizando el sistema GPS consiste en medir las distancias del usuario desde un mínimo de cuatro satélites GPS. Las posiciones orbitales de estos satélites con respecto a la Tierra son conocidas con una precisión extremadamente alta, y cada satélite transmite sus datos de posición orbital.
Cada satélite transmite una señal que está modulada con el código pseudoaleatorio C/A de manera que permite recuperar el tiempo de transmisión.
La distancia del usuario desde el satélite transmisor individual se puede determinar midiendo el retraso temporal para que la transmisión del satélite llegue al usuario. Multiplicar el retraso temporal por la velocidad de la luz da como resultado la distancia, R, del usuario desde el satélite transmisor.
El sistema depende de mediciones de tiempo precisas y requiere estándares de referencia de relojes atómicos. La necesidad de una precisión extremadamente alta en la medición del tiempo se puede observar en el hecho de que un error de tiempo de 10 ns (10^-8 segundos) resulta en un error de distancia de 3 metros, dado que la velocidad de la luz es de 3 × 10^8 m/s.
Cada satélite GPS lleva un reloj atómico que proporciona la referencia de tiempo para la transmisión de datos del satélite. Supongamos por un momento que este tiempo es perfecto; las correcciones necesarias se explicarán en breve. Dado un reloj de tiempo perfecto en el equipo del usuario, la medición de las distancias esféricas de tres satélites sería suficiente para determinar la posición del usuario.
En conclusión el Sistema de Posicionamiento Global (GPS) es una tecnología esencial que ha revolucionado la navegación y la determinación de la posición en todo el mundo. Su funcionamiento se basa en tres segmentos clave: el segmento espacial, el segmento de control y el segmento de usuario. Los satélites en el segmento espacial proporcionan señales que permiten a los receptores GPS calcular su posición con alta precisión. El segmento de control, operado por el Departamento de Defensa de los Estados Unidos, garantiza la precisión y la confiabilidad del sistema, supervisando y actualizando los satélites. Por último, el segmento de usuario, a través de receptores GPS, utiliza las señales de los satélites para determinar la posición del usuario.
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