GPS (sistema de posicionament global)

El GPS és una tecnologia de navegació que, mitjançant l’ús de satèl·lits, proporciona informació precisa sobre una ubicació. Bàsicament, un sistema GPS consisteix en un grup de satèl·lits i eines ben desenvolupades com el receptor. El sistema, però, hauria de comprendre almenys quatre satèl·lits. Cada satèl·lit i el receptor estan equipats amb un rellotge atòmic estable. Els rellotges de satèl·lit es sincronitzen entre ells i els de terra. El receptor GPS també té un rellotge, però no està sincronitzat ni és estable (menys estable). Qualsevol desviació del temps real dels satèl·lits respecte al rellotge terrestre s’ha de corregir diàriament. Es requereixen quatre quantitats desconegudes (tres coordenades i desviació del rellotge respecte a l’hora del satèl·lit) a partir de la xarxa sincronitzada de satèl·lits i del receptor.La feina del receptor GPS és rebre senyals de la xarxa de satèl·lits per calcular tres equacions bàsiques desconegudes de temps i posició.

Un senyal GPS inclou codis pseudoreatorials i el temps de transmissió i la posició del satèl·lit en aquell moment. El senyal emès pel GPS també s’anomena freqüència portadora amb modulació. A més, un codi pseudoaleatori és una seqüència de zeros i uns. Pràcticament, la posició del receptor i el desplaçament del rellotge del receptor en relació amb el temps del sistema del receptor es calculen simultàniament, utilitzant les equacions de navegació per processar el temps de vol (TOF). TOF són els quatre valors que el receptor forma utilitzant l’hora d’arribada i l’hora de transmissió del senyal. La ubicació sol convertir-se en latitud, longitud i alçada en relació amb geoides (bàsicament, nivell mitjà del mar). A continuació, es mostren les coordenades a la pantalla.

Elements del GPS

L’estructura del GPS és complexa. Consta de tres segments principals d'un segment espacial, un segment de control i un segment d'usuari. Llançar el satèl·lit a una òrbita terrestre mitjana és una feina feixuga. El segment espacial comprèn de 24 a 32 satèl·lits o vehicles espacials en la mateixa òrbita, 8 cadascun en tres òrbites circulars. Almenys sis satèl·lits sempre es troben a la línia de visió des de gairebé tot arreu de la superfície terrestre.

Al costat del segment espacial hi ha el segment de control. En el segment de control hi ha una estació de control mestra, una estació de control mestra alternativa, antenes de terra i estació de monitor. El segment d'usuaris està format per milers de serveis de posicionament civil, comercial i militar. Un receptor o dispositiu GPS consisteix en una antena, sintonitzada a la freqüència transmesa pels satèl·lits. També inclou pantalla de visualització per proporcionar ubicació i hora.

Un receptor GPS es classifica segons el nombre de satèl·lits que pot controlar simultàniament, és a dir, el nombre de canals. Els receptors generalment tenen de quatre a cinc canals, però els avenços recents han demostrat que també s’han creat fins a 20 canals.

Freqüència de satèl·lit: totes les freqüències de transmissió per satèl·lit. La banda de freqüència comprèn cinc tipus, com ara L1, L2, L3, L4 i L5. Aquestes bandes tenen rangs de freqüència entre 1176 MHz i 1600 MHz.

Com funciona el GPS

Els satèl·lits GPS giren al voltant de la Terra dues vegades al dia. Gira al voltant d’un recorregut molt precís i envia indicacions i informació a la terra. Els receptors de GPS obtenen tota la informació i apliquen triangulacions per descobrir la ubicació exacta de l'usuari. Fonamentalment, el receptor de GPS contrasta la durada en què un senyal va ser difós per un satèl·lit i assigna el temps de recepció. La diferència horària formula a quina distància es troba el receptor dels satèl·lits del GPS. Mesura la distància exacta amb pocs satèl·lits més i el receptor determina la posició de l’usuari i el mostra al mapa de l’aparell electrònic.

El receptor ha d’estar bloquejat al senyal amb almenys tres satèl·lits per produir una posició bidimensional i també fa un seguiment del moviment de l’usuari. Mitjançant l’ús de quatre o més satèl·lits, el receptor pot determinar la posició tridimensional de l’usuari que consisteix en altitud, latitud i longitud. Després de determinar la posició de l'usuari, la unitat GPS calcula altra informació com ara la velocitat, el coixinet, la pista, la distància, la destinació, la sortida del sol i l'hora del capvespre.

Quina precisió té el GPS?

Els receptors del GPS són molt precisos pel disseny multicanal paral·lel. Els canals paral·lels són molt ràpids i precisos, tot i que certs factors com el soroll atmosfèric i les pertorbacions poden pertorbar i afectar de vegades la precisió dels receptors GPS en general.

Els usuaris també poden obtenir una precisió millorada amb el GPS diferencial (DGPS), que corregeix els senyals GPS envoltats per un habitual de tres a cinc metres. La Guàrdia Costera dels Estats Units opera el servei de correcció DGPS més comú. El sistema conté una disposició de torres que obtenen senyals GPS i emeten un senyal exigit pels transmissors de balises. Amb l'objectiu d'obtenir el senyal exacte, els usuaris han de tenir un receptor de balises diferencial i una antena de balisa a part de disposar d'un GPS.

Fonts d'errors de senyal GPS

Els factors que poden corrompre la precisió dels senyals GPS i, per tant, influir en la precisió incorporen el següent:

• Retards en la ionosfera i la troposfera: el senyal del satèl·lit es ralentitza en creuar les capes de l’atmosfera. El sistema GPS utilitza un model integrat que s’utilitza per calcular la durada habitual de l’obstacle necessària per corregir aquest tipus d’exactitud.
• Senyal de ruta múltiple: aquest error es produeix quan el senyal es reflecteix en objectes com edificis més alts i roques més grans abans que arribi al receptor. Això augmenta la durada del temps global del recorregut del senyal i provoca errors i imprecisions.
• Errors orbitals: aquests errors també es coneixen com a errors d’efemèrides que s’utilitzen per calcular les inexactituds de la ubicació del satèl·lit.
• Nombre de satèl·lits visibles: la precisió depèn del nombre exacte de satèl·lits que pugui veure un receptor GPS. Els factors com ara edificis, terreny, interferències electròniques bloquegen la precisió i recepció del senyal, cosa que provoca errors de posició i, de vegades, no hi ha lectura en els senyals. Normalment no funciona a l'interior, sota l'aigua ni al subsòl.

Aplicacions

Una màquina GPS, no només per a ús militar, és àmpliament coneguda pel seu ús en serveis civils i comercials. Algunes aplicacions civils són:

1. Astronomia: s’utilitza en càlculs d’astrometria i mecànica celeste.

2. Vehicles automatitzats: també s’utilitza en vehicles automatitzats (vehicles sense conductor) per aplicar ubicacions per a cotxes i camions.

3. Telefonia cel·lular: els telèfons mòbils moderns estan equipats amb programari de seguiment GPS. És present perquè es pot conèixer la seva posició i també es pot fer un seguiment de serveis públics propers com caixers automàtics, cafeteries, restriccions, etc. El primer GPS amb telèfon mòbil es va llançar als anys noranta. En telefonia cel·lular també s’utilitza en la detecció de trucades d’emergència i moltes altres aplicacions.

4. Servei d'ajuda per desastres i altres serveis d'emergència: en cas de qualsevol desastre natural, un GPS és la millor eina per identificar la ubicació. Fins i tot abans dels desastres com els ciclons, el GPS ajuda a calcular el temps estimat.

5. Seguiment de flotes: el GPS és una eina de desenvolupament coneguda pel seu potencial per rastrejar vaixells militars durant la guerra.

6. Ubicació del cotxe: un cotxe amb GPS facilita el seguiment de la seva ubicació.

7. Esgrima geogràfica: a l’esgrima geogràfica, fem servir el GPS per rastrejar un ésser humà, un animal o un cotxe. L'equip està fixat al vehicle, a la persona o al coll de l'animal. Proporciona un seguiment i actualització contínua.

8. Geoetiquetatge: una de les principals aplicacions és el geoetiquetatge, és a dir, aplicar coordenades locals a objectes digitals.

9. GPS per a la mineria: utilitza una precisió de posicionament a nivell de centímetre.

10. Visites GPS: ajuda a determinar la ubicació del punt d'interès proper.

11. Topografia: els topògrafs fan ús del sistema de posicionament global per traçar mapes.