¿Qué es el sistema GPS?
El sistema GPS (Sistema de Posicionamiento Global) utiliza una red de Satélites estadounidenses para triangular la posición, es decir, básicamente utiliza el desfase de las señales recibidas por cada satélite para calcular la posición.
Esta red de satélites está formada por 24 unidades (con 4 satélites de reserva) pertenecientes a las fuerzas armadas de los EEUU. En un principio el uso de estos satélites era exclusivamente militar, luego pasó a ser también de uso civil aunque inducían errores para que el uso civil no tuviese excesiva precisión, y, finalmente, hace pocos años se eliminaron estos errores inducidos. Los satélites orbitan a 20.200 Km de altura en seis planos orbitales con una rotación de 12 horas exactas. La red de satélites ha sido diseñada para que en cualquier punto del planeta, exceptuando los polos terrestres, estén visibles un mínimo de 4 satélites (normalmente entre 8 y 12).
Que 4 satélites sean visibles es indispensable para poder conocer la posición exacta de un objeto en sus tres dimensiones. Este mínimo de cuatro satélites deben además estar visibles con un ángulo de elevación superior a 15º.
Algunas definiciones importantes.
En breve voy a publicar una serie de artículos prácticos de cómo utilizar distintos módulos GPS en función de las necesidades. Es importante conocer algunas deficiones sobre GPS, pues ayudarán posteriormente a la comprensión sencilla de la parte práctica.
Almanaque
Es la información enviada periódicamente por los satélites de la constelación, informando sobre el estado de ellos mismos y el resto de satélites de la red. Es decir, su nivel de salud, etc, etc. Esta información suele variar aproximadamente cada 4 meses. La información del almanaque permite predecir la órbita y la posición de todos los satelites de forma aproximada. Cada satelite envía de forma individual los datos correspondientes al almanaque de todos los demás satelites.
Efemérides
Información enviada por los satélites, dando la posición precisa de los mismos. Esta información sí cambia frecuentemente, siendo actualizada por las estaciones de seguimiento de la Tierra. Los parámetros orbitales de los satélites se van actualizando a medida que su movimiento se ve alterado por la atracción del Sol y la Luna, la diferencia de gravedad entre distintas zonas de la corteza terrestre, viento solar, etc. Esta información de las efemérides normalmente cambia cada 4 horas. A diferencia del almanaque, en este caso cada satélite envía únicamente los datos de sus efemérides.
Arranque autónomo
Es la situación de arranque de un GPS que no tenga almacenado ni un almanaque, ni unas efemérides, por lo que debe descargar esta información de los satélites. Normalmente el tiempo a cielo abierto y despejado suele ser superior a los 90 segundos.
Cold start
Es la situación de arranque de un GPS con un almanaque válido almacenado, por lo que sólo tiene que descargar la información de los satélites. Los satélites envían la información de las efeméresis a una velocidad de 50bps por lo que el tiempo de adquisición suele ser de unos 45 segundos, en función del punto en el que se encuentre la transmisión de las tramas de información en el mometo del arranque del GPS.
Warm Start
Es la situación de arranque de un GPS con un almanaque y unas efeméresis válidas almacenadas. En este caso sólo se necesita obtener una referencia de tiempo y sincronización con la transmisión de los satélites. El tiempo de adquisición es de unos 7-15 segundos.
Hot Start
Es la situación de arranque de un GPS con un almanaque y unas efeméresis válidas almacenadas y una referencia de tiempo precisa. Esta situación suele darse en ciudades cuando “perdemos cobertura GPS” o cuando atravesamos un túnel con el coche. El tiempo de adquisición suele ser de entre 3 y 5 segundos.
MultiPath
Es una de las causas de errores de posicionamiento más importantes debido a las reflexiones sufridas por las señales de los satélites en edificios y otras estructuras de envergadura. El multiPath introduce dos problemas: atenuación selectiva (si se reciben varias señales simultaneamente), e incremento de la distancia medida al satélite (ya que en vez de tomar la distancia real, se toma la distancia a través del multitrayecto).
Funcionamiento básico.
Cuando se activa el GPS se carga la tabla de información del almanaque, y, teniendo en cuenta la hora del dispositivo, el GPS predicirá qué satélites van a estar visibles por él en ese preciso momento. Una vez ha predecido estos satélites tan solo esperará recibir información de las efeméresis de ellos. Si el almanaque no es válido deberá ser cargado y se tendrá que buscar uno a uno todos los satélites, muchos de ellos no estando visibles, lo cual llevará bastante tiempo.
Los datos de las efemérides no serán validos si el GPS se desplaza varios cientos de kilómetros desde la última posición en la que se encendió, o en el caso de que no contenga una hora exacta en el reloj interno. Además, en este caso puede que los datos del almanaque no sean tampoco válidos, porque las posiciones de los satélites se estiman teniendo en cuenta la última posición adquirida por el GPS. Si se cambia de hemisferio o de cara del planeta (en un viaje desde USA a Europa), puede ocurrir que ninguno de los satélites previstos por el almanaque estén ahí. En este caso, tras unos minutos en los que el GPS reintenta recibir información de los satélites sin éxito, el sistema inicia una búsqueda en el cielo (Search the sky).
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