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La Tierra en el Espacio

Nuestra galaxia, la Vía Láctea, es simplemente una más en la inmensidad del Universo. Nuestra estrella más cercana, el Sol, es sólo una más entre los miles de millones de estrellas de la Vía Láctea. El planeta Tierra es uno de los 9 satélites que dan vueltas alrededor del Sol siguiendo una órbita elíptica. Estos planetas, del más próximo al más lejano al Sol, son: Mercurio, Venus, La Tierra, Marte, Júpiter, Saturno, Urano, Neptuno y Plutón. Las reglas que gobiernan el movimiento de estos satélites solares (los planetas) se estudian en la disciplina de Mecánica Celeste, y fueron descubiertas por científicos excepcionales como Johannes Kepler e Isaac Newton hace ya cientos de años.

El movimiento de los 9 planetas solares es como una fascinante maquinaria de relojería. La fuerza que los mantiene juntos y determina sus movimientos relativos es "la gravedad". Cuanto más cercano al Sol se encuentra un planeta, la fuerza de atracción de gravedad que siente es mayor y debe moverse más rápido en su órbita para no caer al Sol. Por ejemplo, La Tierra, situada a unos 150.000.000 Km del Sol, viaja en su órbita a una velocidad media de unos 30 kilómetros por segundo y completa una revolución alrededor del Sol en un año.

Varios planetas, a su vez, tienen uno o más satélites orbitando a su alrededor. Por ejemplo, el único satélite natural de la Tierra, la Luna, se encuentra a una distancia media de unos 385,000 kilómetros de la Tierra y da una vuelta completa alrededor de ella en unos 29 días. Las diferentes posiciones de la Luna con respecto a la Tierra determinan sus cuatro fases: luna llena, luna nueva, cuarto creciente y cuarto menguante.

La definición de satélite es, por tanto bastante sencilla de intuir. Es simplemente un cuerpo que orbita alrededor de otro. La gravedad es la fuerza de atracción que hace posible el movimiento relativo de las órbitas descritas por los satélites.

Satélites que orbitan la Tierra

El conocimiento detallado de las reglas de Mecánica Celeste y el estudio del movimiento de satélites naturales ha permitido a los científicos diseñar y poner en órbita satélites artificiales alrededor de la Tierra y de Marte (como, por ejemplo, el Viking).

Para lanzar los satélites al espacio se utilizan potentes cohetes. Si la velocidad de lanzamiento es muy baja el satélite caerá de nuevo a la Tierra atraído por la fuerza de la gravedad, de la misma manera que al lanzar una piedra vuelve a caerse a la superficie terrestre. Por otra parte, si la velocidad de lanzamiento es excesivamente alta la fuerza de gravedad de la Tierra no será suficiente para mantener al satélite en órbita y escapará hacia el espacio. Como se pueden imaginar, poner en órbita un satélite no es un trabajo muy sencillo

Hoy en día hay multitud de satélites artificiales orbitando la Tierra con diferentes finalidades:

* Telecomunicaciones
* Predicción meteorológica
* Aplicaciones militares
* Investigación Científica
* Geofísica

Las órbitas de algunos satélites están sincronizadas con el periodo de rotación de la Tierra. Si sus velocidades coinciden exactamente con la de rotación de la Tierra, los satélites se llaman geoestacionarios y permanecen siempre en el mismo punto del cielo con respecto a la Tierra. Si las velocidades son diferentes a la de rotación de la Tierra, entonces los satélites "salen" y se "ponen" a diferentes horas, tal y como ocurre con la Luna. Algunos salen y se ponen varias veces a lo largo de un día.

Se necesita alguna forma de comunicación para enviar órdenes y recibir respuestas de los satélites a la Tierra. Aunque hay muchas maneras de hacer esto, el alfabeto básico de comunicación consiste en ondas de radio, como las utilizadas para retransmitir programas de televisión y radio.

El Sistema de Posicionamiento Global

ORIGEN DEL GPS.



En la década del 80 la Armada de USA puso en funcionamiento un sistema de navegación basado en las emisiones de un reducido grupo de satélites. Este sistema llamado SATNAV fue el antecedente del actual GPS.

El GPS fue desarrollado por el departamento de defensa de USA al final del período de la "Guerra Fría" con fines militares.

Superada esta fase, se extendió su uso a aplicaciones civiles comenzando a utilizarse en náutica y aviación.

En sus comienzos la cobertura no era total pues faltaban situar en órbita varios satélites, además su elevado precio los ponía fuera de alcance de la mayoría de los usuarios potenciales. Actualmente la red es totalmente operativa, incluyendo satélites de reserva y hay disponibles en el mercado receptores GPS a precio asequible.

La evolución es incesante y cada día son más pequeños y ligeros ofreciendo al mismo tiempo prestaciones superiores y una mayor autonomía de funcionamiento operativo cuando son alimentados con pilas.

GPS (Global Positioning System)

El GPS, es una constelación de 24 satélites artificiales uniformemente distribuidos en un total de 6 órbitas, de forma que hay 4 satélites por órbita. Esta configuración asegura que siempre puedan "verse" al menos 8 satélites desde casi cualquier punto de la superficie terrestre. Los satélites GPS orbitan la Tierra a una altitud de unos 20.000 km y recorren dos órbitas completas cada día. Describen un tipo de órbita tal que "salen" y se "ponen" dos veces al día. Cada satélite transmite señales de radio a la Tierra con información acerca de su posición y el momento en que se emite la señal. Podemos recibir esta información con receptores GPS (receptores GPS), que decodifican las señales enviadas por varios satélites simultáneamente y combinan sus informaciones para calcular su propia posición en la Tierra, es decir sus coordenadas de latitud y longitud con una precisión de unos 10 metros. Hay receptores más sofisticados que pueden determinar la posición con una precisión de unos pocos milímetros.

Posicionamiento con GPS

¿Qué significa exactamente determinar nuestra posición en la Tierra? En el caso que nos atañe, esto significa proporcionar la latitud y longitud del punto en el que nos encontramos sobre la superficie terrestre. Por tanto, la mayoría de receptores proporcionan los valores de estas coordenadas en unidades de grados (°) y minutos ('). Tanto la latitud como la longitud son ángulos y por tanto deben medirse con respecto a un 0° de referencia bien definido.

Latitud: Hemisferios Norte y Sur

La latitud se mide con respecto al Ecuador (latitud 0°). Si un punto determinado se encuentra en el hemisferio norte (sur), su coordenada de latitud irá acompañada de la letra N (S). Otro tipo de nomenclatura refiere latitudes norte con números positivos y latitudes sur con números negativos.

Longitud: Este, Oeste

Por razones históricas, la longitud se mide relativa al meridiano de Greenwich. Si medimos un ángulo al este (oeste) del meridiano de Greenwich escribimos la letra E (W) acompañando al número que da la longitud. Algunas veces se utilizan números negativos. Por ejemplo, los siguientes valores de longitud son equivalentes: W 90°; E 270°; and -90°.
Descripción del Sistema GPS

El GPS funciona mediante unas señales de satélite codificadas que pueden ser procesadas en un receptor de GPS permitiéndole calcular su posición, velocidad y tiempo.

El Sistema GPS Midiendo la fase en el momento de llegada de las señales de al menos cuatro satélites permiten calcular cuatro parámetros: posición en tres dimensiones (X, Y, Z) y hora de GPS (T)


Nominalmente la constelación operacional de GPS consiste en 24 satélites que orbitan alrededor de la tierra en 12 horas.

Normalmente hay más número de satélites ya que se ponen en órbita unidades nuevas para reponer satélites antiguos que tienen una vida media aproximada de siete años y medio. Hasta la actualidad han habido tres generaciones de satélites, los Block I (actualmente inoperativos), Block II (9 satélites entre 1989 y 1990 y 19 adicionales hasta el 1997) y Block IIR (un satélite en 1998). En enero de 1999 orbitaban 27 satélites GPS en total.
Los satélites están situados a 20.180 Km de altura desplazándose a una velocidad de 14.500 Km./h. Las órbitas son casi circulares y se repite el mismo recorrido sobre la superficie terrestre (mientras la tierra rota a su vez sobre si misma) de esta forma en prácticamente un día (24 horas menos 4 minutos) un satélite vuelve a pasar sobre el mismo punto de la tierra. Los satélites quedan situados sobre 6 planos orbitales (con un mínimo de 4 satélites cada uno), espaciados equidistantes a 60 grados e inclinados unos 15 grados respecto al plano ecuatorial. Esta disposición permite que desde cualquier punto de la superficie terrestre sean visibles entre cinco y ocho satélites

Segmento de control

El segmento de control consiste en un sistema de estaciones de seguimiento localizadas alrededor del mundo.

Red de control del sistema GPS

La estación maestra de control (MCS) está situada en Falcon AFB en Colorado Spring. Las estaciones de control miden las señales procedentes de los satélites y son incorporadas en modelos orbitales para cada satélite. Los modelos calculan datos de ajuste de órbita (efemérides) y correcciones de los relojes de cada satélite. La estación maestra envía las efemérides y correcciones de reloj a cada satélite. Cada satélite envía posteriormente subconjuntos de estas informaciones a los receptores de GPS mediante señales de radio.

Segmento de usuario

El segmento de usuario lo forman los receptores y la comunidad de usuarios. Los receptores convierten las señales recibidas de los satélites en posición, velocidad y tiempo estimados. Se requieren cuatro satélites para el cálculo de la posición en cuatro dimensiones X, Y, Z y tiempo. Los receptores son utilizados para navegación, posicionamiento, estimaciones temporales y otras investigaciones.

# La navegación en tres dimensiones es la función principal del GPS. Se construyen receptores GPS para aeroplanos, embarcaciones, vehículos terrestres y equipos portátiles de pequeño tamaño.
# El posicionamiento preciso es posible usando receptores en posiciones de referencia proporcionando datos de corrección y posicionamiento relativo a receptores remotos. Vigilancia, control geodésico y estudios de las placas tectónicas son ejemplos.

* Las aplicaciones de tiempo y estabilización de frecuencia se basan en la precisión de los relojes que incorporan los satélites y que son monitorizados continuamente por las estaciones de control. Los satélites actuales incorporan cuatro relojes atómicos, dos de Rubidio y otros dos de Cesio que ofrecen una estabilidad de frecuencia equivalente a un error de un segundo en 30.000 años. (Hay que tener en cuenta que un error de 30ns Provoca un error de 30cm.). Los observatorios astronómicos, sistemas de telecomunicaciones, sincronización de centrales eléctricas y laboratorios de certificación pueden obtener señales de tiempo y frecuencia de alta precisión mediante receptores especiales de GPS. Las señales de GPS han sido utilizadas para medir parámetros atmosféricos.


¿COMO FUNCIONA EL GPS?

Cada satélite de la constelación GPS emite continuamente dos códigos de datos diferentes en formato digital. Estos datos son transmitidos por medio de señales de radio.

Uno de los códigos está reservado para uso exclusivamente militar y no puede ser captado por los receptores GPS civiles. El otro código, (de uso civil) transmite dos series de datos conocidas como ALMANAQUE y EFEMERIDES. Los datos ofrecidos por el almanaque y las efemérides informan sobre el estado operativo de funcionamiento del satélite, su situación orbital, la fecha y la hora.



Obviamente cada satélite emite sus propias efemérides y almanaque que incluyen un código de identificación específico para cada satélite. Los satélites están equipados con relojes atómicos que garantizan una precisión casi total, ofreciendo un error estimado en un segundo cada 70.000 años.



Un receptor GPS debe disponer en su memoria del almanaque y las efemérides actualizadas (si no lo están se actualizan automáticamente en poco tiempo, cuando el receptor sintonice las señales emitidas por un mínimo de tres satélites), de esta manera sabrá donde buscar los satélites en el firmamento.

Los satélites transmiten continuamente su situación orbital y la hora exacta. El tiempo transcurrido entre la emisión de los satélites y la recepción de la señal por parte del receptor GPS, se convierte en distancia mediante una simple fórmula aritmética (el tiempo es medido en nanosegundos). Al captar las señales de un mínimo de tres satélites, por triangulación el receptor GPS determina la posición que ocupa sobre la superficie de la tierra mediante el valor de las coordenadas de longitud y latitud (dos dimensiones). Dichas coordenadas pueden venir expresadas en grados, minutos y/o segundos o en las unidades de medición utilizadas en otros sistemas geodésicos. La captación de cuatro o más satélites facilita, además, la altura del receptor con respecto al nivel del mar (tres dimensiones). Las coordenadas de posición y otras informaciones que puede facilitar el receptor, se actualizan cada segundo o cada dos segundos.

CALIDAD DE LAS SEÑALES EMITIDAS

La calidad de las señales emitidas por los satélites, llamada SQ, está en función de la posición que ocupen en el firmamento, en relación con la situación de la antena del receptor, o del estado operativo del satélite. La calidad de las señales afecta a la precisión de las informaciones ofrecidas por los receptores. Algunos modelos tienen escalas gráficas que indican la calidad de las señales recibidas.

TIPOS DE RECEPTORES GPS

Existen dos tipos de receptores GPS, los fijos y los portátiles. Los fijos son de mayor tamaño, funcionan alimentados por baterías de automóviles, aviones o barcos y tienen antenas exteriores independientes. Habitualmente van interconectados a otros instrumentos electrónicos como radares, sondas, plotters, pilotos automáticos, etc.

Los receptores portátiles son mucho más pequeños y además de poder alimentarse con la energía de cualquier vehículo (con adaptadores) pueden funcionar por medio de pilas. Las antenas suelen ir instaladas en el interior del receptor (la mayoría tiene disponible antenas exteriores que se adquieren como opcionales), aunque también las hay desmontables para poder ser instaladas en el exterior. Algunos modelos portátiles también pueden interconectarse con otros instrumentos electrónicos.

FRECUENCIAS MILITAR Y CIVIL.

Como se señaló, cada satélite transmite series de datos en dos códigos diferentes. Uno de los códigos, el código P, está reservado para su utilización militar, el otro código, llamado SPS, está destinado para uso civil. Cada código tiene una frecuencia de emisión diferente.

CODIGO P : El código exacto, protegido conocido por las siglas PPS y también llamado código P, está reservado para un uso estrictamente militar y como su propio nombre indica ofrece la máxima exactitud y precisión. Se emite en la frecuencia de 1.227,6 Mhz.

CODIGO SPS : El código de adquisición ordinaria, también llamado SPS o C/A, es el código destinado a uso civil. Todos los receptores GPS "civiles" están sintonizados con este código. Se emite en la frecuencia de 1.575,42 Mhz.



DISPONIBILIDAD SELECTIVA

La estación central del sistema GPS, situada en Estados Unidos, degrada la precisión de las señales civiles (por medio de una pequeña diferencia en el tiempo de emisión/recepción) de forma que ofrezca un pequeño error, error estimado entre los 25 y 100 metros. Esta degradación de la señal es conocida como disponibilidad selectiva (SA). Esta diferencia en las coordenadas de posición nada importante para la utilización del GPS para usos corrientes civiles, es debida a motivos de seguridad, no hay que olvidar que algunos sistemas de dirección de mísiles utilizan el sistema GPS como guía.


GPS DIFERENCIAL

Se llama GPS diferencial (DGPS) al sistema modificado, desarrollado por los fabricantes de receptores civiles, que pretende conseguir o aproximarse a la precisión ofrecida por el código militar. Para conseguir este aumento de la precisión es necesario acoplar al receptor GPS, mediante una conexión interface especial, otro tipo de receptor. Este receptor complementario (debe ser compatible) capta las señales emitidas por una red de radiobalizas situadas en estaciones costeras. Un aparato que disponga de la función DGPS, interconectado con un receptor adecuado, puede "burlar" la disponibilidad selectiva impuesta por el Departamento de Defensa de USA, al disponer de otra serie de datos complementarios, ofreciendo de esta manera, una precisión en las coordenadas de posición que oscila entre los cinco y los diez metros.

Cada marca de GPS facilita los parámetros de compatibilidad entre los receptores con función DGPS y los receptores que captan las señales de las radiobalizas. La utilización del sistema DGPS solo es aplicable en la navegación marina, siendo especialmente útil en las maniobras de atraque con poca visibilidad.



LIMITACIONES DEL GPS.

El GPS es, sin duda, el más sencillo y preciso sistema de navegación disponible en la actualidad, sin embargo no debe ser el único instrumento de navegación de un vehículo, ya que además poder estropearse, el departamento de defensa de USA puede (ya lo ha hecho en alguna ocasión) interrumpir, modificar o degradar las señales cuando lo considere oportuno.

Las señales emitidas por los satélites se comportan, en cierto modo como la luz, ya que pueden traspasar el cristal y el plástico, sin embargo no pasan a través de montañas, túneles, edificios, superficies metálicas o estructuras similares. La antena de los receptores debe estar orientada de forma que tenga "acceso visual" a los satélites.

En el modo navegación, un receptor GPS indica la distancia que falta para alcanzar un punto de destino en línea recta. Hay que tener en cuenta que en la tierra es prácticamente imposible, incluso en el desierto, seguir una trayectoria recta por largos periodos ya que los accidentes orográficos obligan a variar la dirección con frecuencia.


NOMBRE Y DESCRIPCION DE LAS FUNCIONES

POSICION: Indica la posición del GPS. Facilita la localización casi exacta del receptor. Para ello el GPS tiene que haber captado las señales emitidas al menos por tres satélites.

ALTURA: al captar 4 o más satélites el GPS indica la altura sobre el nivel del mar. (sensible a Disponibilidad Selectiva)

TIEMPO: el GPS una vez inicializado, aunque no reciba señales satelitales indica la hora y fecha, si recibe señales indica la hora exacta.

PUNTO DE PASO o PUNTO DE REFERENCIA: El waypoint es la posición de un único lugar sobre la superficie de la tierra expresada por sus coordenadas. Un waypoint puede ser un punto de inicio, de destino o un punto de paso intermedio en una ruta. Todos los GPS pueden almacenar en memoria varios Waypoints, los cuales se pueden borrar, editar, e identificar mediante caracteres alfa numéricos.

Algunos GPS permiten agrupar una sucesión de waypoints representando un recorrido, a esto se le llama ruta.

DISTANCIA: introduciendo las coordenadas de dos puntos, la función distancia del GPS informa la separación de ambos y el rumbo en grados que hay que seguir desde el marcado como inicio al de destino. Lo mismo puede realizarse con dos waypoints.

NAVEGACION: Introduciendo un waypoint como destino y otro como origen, esta función facilita actualizando continuamente los siguientes datos:

-Rumbo de contacto (Bearing), rumbo expresado en grados que debemos seguir desde la posición actual para llegar al destino.

-Rumbo actual (Heading track) Rumbo en grados que llevamos en ese momento. Un GPS es una brújula exacta no afectada por campos magnéticos o metales de los vehículos.

-Distancia: el GPS nos informa la distancia que falta en línea recta para llegar a nuestro punto de destino.

-Error transversal: (CDI, XTE) El GPS nos informa del alejamiento transversal de la trayectoria ideal en línea recta desde el inicio al destino.

-Velocidad: (Speed) Velocidad a la que se está desplazando el GPS.

-Tiempo estimado de llegada: (ETA,TTG) Indica el tiempo estimado de llegada al destino en línea recta manteniendo constante la velocidad (por razones obvias solo aplicable a navegación aérea o marítima.)

-Tiempo estimado de viaje: (ETE) Tiempo estimado de viaje a la velocidad indicada por el GPS.

SET UP: La función set up se utiliza para programar el GPS y controlar la forma que ofrece la información, por ej. si los datos queremos que aparezcan en millas o km, en pies o metros. etc. al igual que el sistema de coordenadas que pueden utilizar los sistema Lat/Lon, UTM, y los diferentes GRID.

-Datum (map datum) representa un sistema geométrico de la tierra. La subfunción DATUM permite seleccionar entre los diferentes sistemas en que están basados los mapas y cartas marinas.

-Norte de Referencia: (North Reference) Permite elegir el modelo de norte (magnético, indicado por las brújulas) o verdadero (true) que el GPS toma para indicar las informaciones sobre rumbo actual y de contacto.

-Unidades de distancia: (Dist. units) Esta subfunción permite seleccionar las unidades de longitud de la información (km, millas y millas marinas)

-Unidades de elevación: (Elev. units) Esta permite elegir entre metro y pies.

-Hora: (Time) Selecciona el formato de la hora, se puede elegir entre UT (universal time) y GMT. Algunos modelos también traen la hora local.