Descripción a fondo sobre como trabaja el GPS

1. Sistema GPS
Como el mundo dejó de perderse
•QUÉ ES EL GPS?
•¿CÓMO FUNCIONAN LOS GPS?
•APLICACIONES

2. QUE ES GPS?
Se conoce como sistema de
posicionamiento global
¿Dónde estoy ubicado sobre la
Observador
tierra?

3. ¿QUÉ ES GPS?
COMPONENTES DEL SISTEMA:
• Segmento de Control
• Segmento Espacial
• Segmento Usuario

4. ¿QUÉ ES GPS?
Segmento Espacial
(satélites)
Segmento de Control
(estación de control)
Segmento del Usuario
(receptores)

5. ¿QUE ES GPS?
SEGMENTO DE CONTROL / MONITOREO
• 10 Estaciones en todo el mundo
monitoreadas por el Ministerio de Defensa
de U.S.A.
• Todas desarrollan funciones de Monitoreo
• Reciben las señales de los satélites
• Capturan Datos Meteorológicos
• Transmiten Datos a Estación Maestra de
Control

6. ¿QUE ES GPS?
SEGMENTO DE CONTROL / MONITOREO
• Estación Maestra de Control
Transmite a los satélites:
• Parámetros de predicción de Orbitas
• Correcciones en los relojes de los satélites
(atómicos)
• Modelos de la Ionosfera
• Comandos a los satélites

7. ¿QUE ES GPS?
SEGMENTO DE ESPACIO
24 Satélites en constelación:
• 6 planos con rotación de 60° en longitud y
una inclinación respecto al plano del
ecuador en 55º
• 4 Satélites por cada plano
• Orbitas muy elevadas:
• 20,183 Km Aprox.
• Una revolución cada 12 horas sidéreas

8. ¿QUE ES GPS?
SEGMENTO ESPACIAL

9. ¿QUE ES GPS?
Cada satélite contiene relojes
atómicos de alta precisión y
transmiten constantemente señales
de radio utilizando un código único
de identificación
Señal de radio

10. La señal GPS
Los satélites transmiten constantemente en dos ondas portadoras que viajan
a la velocidad de la luz. Dichas ondas portadoras se derivan de la frecuencia
fundamental (10.23 MHz), generada por un reloj atómico muy preciso.
La portadora L1 ⇒ frecuencia de 1575.42 MHz y longitud de onda de 19.05 cm.
La portadora L2 ⇒ frecuencia de 1227.60 MHz y longitud de onda de 24.45 cm.
Las ondas portadoras están diseñadas para llevar los códigos binarios C/A y P en
un proceso conocido como modulación. Modulación significa que los códigos
están superpuestos sobre la onda portadora.

11. La señal GPS
• Cada satélite transmite señales en ambas frecuencias, siendo éstas, las señales de
navegación (códigos), y los datos de navegación y sistema (mensaje). Los códigos
que se modulan en la señal son:
• El Código C/A modula a una frecuencia de 1.023MHz (10.23/10). Tiene una duración
de un milisegundo y su longitud de onda es de aproximadamente 300 m. El código
C/A se transmite actualmente sólo por medio de la frecuencia portadora L1.
• El Código P o Código de Precisión modula a una frecuencia de 10.23MHz. La
secuencia de este código es de 267 días y su longitud de onda es de 29.31 cm. Se
les ha asignado a los distintos satélites porciones de siete días.

12. Mensaje de navegación
El conjunto completo de datos está subdividido en cinco subconjuntos de seis
segundos de duración cada uno, lo que hace que el conjunto completo tiene un
ciclo de tiempo de 30 segundos. En ellos podemos encontrar:
 Subconjunto 1: Datos de los parámetros de los relojes de los satélites.
 Subconjuntos 2 y 3: Datos de las efemérides (info. satélite) transmitidas.
 Subconjuntos 4 y 5: Datos del almanaque y parámetros Ionosféricos.
Los subconjuntos 4 y 5 no se repiten cada 30 segundos. Ambos subconjuntos
contienen 25 páginas que aparecen sucesivamente. Cada página contiene los
datos de almanaque de un satélite, de tal modo que se dispone del contenido
total de información cada 12.5 minutos.

13. Tiempo del Sistema GPS
El tiempo del sistema GPS es una escala atómica de tiempo definida por el
reloj principal de la Estación Central de Control.
Se caracteriza por: ⇒ el número semanal.
⇒ el número de segundos transcurridos desde
el comienzo de la semana actual
La época inicial de GPS es el 6 de enero de 1980 a las 0 horas de UTC.
En ese momento coincidieron los tiempo GPS y UTC.

14. ¿QUE ES GPS?
SEGMENTO USUARIO
Receptores Civiles y
Militares localizados en
tierra, mar ó aire.
La utilización en
aplicaciones civiles
es cada día más extensa
y con mayores precisiones.

15. ¿CÓMO FUNCIONAN LOS
GPS?
Para medir la distancia se Además de la medida la
3 necesitan relojes precisos y
cuatro satélites
4 distancia, es necesario saber
la posición de los Satélites
para cada instante
2
Para la trilateración
5
Se corrigen los
los GPS miden la dis-
errores
tancia usando la veloci-
atmosféricos
dad de la luz.
6
Se obtiene así una
solución navegada
El sistema se basa en la
1 trilateración con los satéli-
tes.

16. Trilateración
Una medida nos da la posición sobre
la superficie de una esfera
Estamos localizados
19,000km en cualquier punto
sobre esta esfera

17. Trilateración
Una segunda medida nos localiza
en la intersección de dos esferas.
19,000km
20,000
La intersección km
de dos esferas
es un
circunferencia

18. Trilateración
Una tercera medida nos acerca a
dos puntos únicos La intersección
de tres esferas
19,000 km genera dos
puntos
Una de las
soluciones es
20,000 km absurda
21,000 km

19. Distancia al Satélite
Las señales de radio viajan a la
velocidad de la luz
Se calcula midiendo el tiempo de viaje de las
señales de radio.
D t= tiempo entre la emisión de la señal
emitida por el satélite y la llegada de esta
señal al receptor
c= velocidad de la luz
D= distancia entre el satélite y el receptor en
un instante determinado
D = Dt x c

20. Distancia al Satélite
D t= tiempo entre la emisión de la señal en el
satélite y la llegada al receptor.
El D t se mide en función del reloj del
receptor
por lo tanto el D t tiene un error
D tverdadero = D t medido + e t
e t es el error entre el reloj del receptor y el
tiempo GPS
D = D t medido * c + e t * c
Esto se denomina Pseudodistancia

21. Relojes
Con relojes adelantados
Posición desfasada porque el reloj
está adelantado
5 seg. Medida 7 seg. Medida
incorrecta incorrecta

22. Se necesitan relojes muy
precisos
Es necesario utilizar relojes
precisos para medir el tiempo de
viaje
Los Satélites tienen relojes atómicos
• Los receptores GPS necesitan relojes
consistentes (pero son de cuarzo)
• Adicionando un cuarto Satélite se
eliminan el error del reloj del
receptor.

23. Se necesitan relojes muy
precisos ?
D1 = ( x − x1 ) 2 + ( y − y1 ) 2 + ( z − z1 ) 2 = ∆t1aparente × c + ε t × c
D2 = ( x − x2 ) 2 + ( y − y2 ) 2 + ( z − z 2 ) 2 = ∆t 2 aparente × c + ε t × c
D3 = ( x − x3 ) 2 + ( y − y3 ) 2 + ( z − z3 ) 2 = ∆t3 aparente × c + ε t × c
D4 = ( x − x4 ) 2 + ( y − y4 ) 2 + ( z − z 4 ) 2 = ∆t 4 aparente × c + ε t × c
El GPS es un buen posicionador y un buen reloj

24. Dilution of Precision (DOP)
Situación real-Círculos inexactos
El punto que representa la
posición es realmente un
cuadrado
4 secs 6 secs
Incierto
Incierto

25. Dilution of Precision (DOP)
Empeora con ciertos ángulos
El cuadrado aumenta si
los satélites están cerca.

26. Dilution of Precision (DOP)
• Geometría de los Satélites
• Indica la calidad de la medida
• Puede ser expresado en
diferentes dimensiones
Las mas conocidas
GDOP PDOP HDOP
Las menos
VDOP TDOP

27. Disponibilidad Selectiva
• El gobierno de U.S.A. puede
introducir errores
• Cuando ellos lo hacen, ésta es la
mayor fuente de error
• Las correcciones diferenciales
eliminan este error
• Post-proceso
• RTCM-Tiempo real

28. Fuentes de error
Relojes
Efemérides
Receptores
Atmósfera
Disponibilidad Selectiva
0 20 40 60 80 100
Metros

29. Otros errores
•Efecto multicamino
este error es difícil de determinar y
es el que genera los peores
problemas al medir con GPS dado
que no se manifiesta al medir (error
traicionero)

30. Otros errores
Ingreso de “ruido en la señal
GPS o relación señal / ruido
Aparece al tener elementos que distorsionan la
señal. Este error se puede mitigar tratando de
quitar o atenuar las fuentes de ruido, además
siempre es posible filtrarlo
También aparece en satélites que están muy
bajos respecto al horizonte.
Tormentas solares.

31. Se Pueden Conseguir
Distintas Precisiones
Depende de lo Siguiente
• Tipo de receptor
• Posición relativa de los satélites
• Tiempo de mediciones
• Uso de GPS Diferencial

32. GPS Autónomo
12 m
Aprox.
100 m
Existe un antes y un después del 2000

33. Diferencial GPS (DGPS)
RTCM
• Una estación DGPS o red de estaciones, generan
una corrección en los observables GPS y provee
esta información al receptor móvil.
• Un receptor móvil GPS usa las señales de los
satélites + la información de la corrección para
calcular con precisión su posición actual.
• Las correcciones DGPS en tiempo real pueden
transmitirse desde un satélite o desde una estación
terrestre.
• La conectividad puede ser por radio modem
(integrado o no), celular, etc
• En general, el uso de señales correctoras DGPS
requieren una subscripción paga.

34. Diferencial GPS (DGPS)
Post proceso
• Una estación comunitaria, red de estaciones o un
equipo monousuario guarda observaciones de la
señales GPS y provee esta información al receptor
móvil a traves del envio de un archivo al PC.
• Un receptor móvil GPS guarda las señales de los
satélites y posiciones sin corregir
• Los datos son cargados en un PC y se realiza el
postproceso de las posiciones con la infomación
de la estación base y el equipo movil
• Los archivos para la corrección pueden obtenerse
por internet, redes lan, etc
• El postproceso no permite obtener la posicion con
precision en tiempo real

35. Diferencial GPS Tiempo
Real (RTK)
• Una equipo GPS recibe la señal GPS y provee esta
información al receptor móvil a traves de un
radioenlace.
• Un receptor móvil GPS usa las señales de los
satélites + la información enviada por el equipo
base para calcular con precisión su posición
actual.
• La conectividad puede ser por radio modem
(intregrado o no), celular, etc
• La distancia entre la estacion base y el movil es
acotada
• La precision lograda es del orden centimétrico

36. Receptores DGPS
Estación Base
<2m

37. Receptores DGPS
sub-métricos
Estación Base <1m

38. Tiempo real cinemático
RTK (para topografía)
Estación Base RTK
<1cm

39. GPS para Geodesia
Estación Base
<1/2 cm

40. Precisión:
después del
11/09/2001
12m 1m 1/2cm
1cm 2m
90 m
Antes del 1/05/2000

41. Una idea de la Corrección
Diferencial
• Capture datos en un Base
lugar - determine .
errores
+
• Cada error se marca
+
de acuerdo con el
tiempo GPS. +
+ + t+1
+ +
+ Tiempo, t

42. Una idea de la Corrección
Diferencial
• El móvil incurre en Móvil
los mismos ?
errores
+
• Aplique el error de
+
la Base en la
dirección opuesta +
+ + t+1
+ +
+ Tiempo, t

43. Corrección Diferencial
Postproceso:
• Software de Post-Proceso
• No se requieren radios
Tiempo Real
• Coordenada precisa en campo
• Enlace de Radio

44. Post-Proceso
Receptor Base
x,y,z conocidos Receptor portátil

45. Post-Proceso
Equipo Móvil
S 33° 23’ 2 7 .2 2 5 8
O 56° 02’ 15 . 15 5 3
Equipo Base

46. Tiempo Real
Radio Enlace
Cm 3 7 ° 2 3 ’
N 2 7 .2 2 5 8
W 12 2 ° 0 2 ’ 15 . 15 5 3
Base

47. Datums &
Transformación de Datums
Los elipsoides se utilizan para
producir el mejor acomodamiento
en áreas específicas sobre la tierra
• El Datum es un elipsoide de referencia
fijo.
• Las transformaciones de Datum
describen la localización relativa entre
ellos.
Geoide Elipsoide
acomodado a
Elipsoide acomodado Canadá
a Uruguay

48. Geoide, Separación del Elipsoide
y Modelos Geoidales
El geoide es una superficie no
uniforme h: Altura
Terreno h Ortométrica
N: Separación
Geoide
N Geoide-
Datum elipsoide
• El modelo geoidal brinda valores N en
un área determinada
• En pendientes planas es similar la
separación geoidal

49. Diagrama Completo
Diagrama de flujo GPS Típico
Elipsoide GPS Elipsoide
WGS-84: Latitud, Local
Longitud, y Altura Transformación Latitud local ,
Elipsoidal de Datum Longitud local, y
Altura Elipsoidal
Coordenadas Proyección
Locales TransformaciónPl
ana
Norte, Este Coord.
Locales
Altura Norte, Este y
Ajuste de Alturas altura
CoordenadasL
Elipsoidal
ocales
Altura Ortométrica
El cálculo se puede hacer en cualquier
sentido

50. Aplicaciones
•Navegación
•Control de flotas y vehículos (AVL)
•Sistemas de información geográfica
(SIG)
•Cartografía

51. Aplicaciones
•Apoyo fotogramétrico y de imágenes satelitales
•Relevamientos topográficos
•Geodesia

52. Aplicaciones
•Agricultura de Precisión
•Calculo de área y rutas

53. Aplicaciones
•Diversión y Deportes
•Control de tiempo
•Otros

54. • Y así es como funciona