Notes updated Junio 2014 Capt. Andrés Vázquez

Tema: Conceptos básicos Navegacion por Satélite

Introduccion...................................................................................................................................1

Datum..............................................................................................................................................2Recepción de la Señal.................................................................................................................3Navegación..................................................................................................................................4

Navegación Marítima................................................................................................................4Navegación terrestre..................................................................................................................5

Automóviles:.............................................................................................................................5Navegación aérea......................................................................................................................5Aplicaciones militares...............................................................................................................5Otras aplicaciones.....................................................................................................................5

Limitaciones................................................................................................................................5

GPS Diferencial..............................................................................................................................6

Otros Sistemas de Navegación por Satélite.................................................................................7

Como Usar el GPS.........................................................................................................................8Opciones......................................................................................................................................8

Introduccion.El sistema GPS fue creado por el Departamento de Defensa de los EUA (costó $10 billones) y lo opera la Fuerza Aérea de los EUA. El sistema emite señales especialmente codificadas las cuales son procesadas en la unidad receptora del GPS, lo cual permite calcular la posición geográfica del observador, su velocidad y la hora exacta.

En realidad se requiere tener visibilidad de al menos 4 satélites que estén en “posición favorable” porque, por ejemplo, si se encuentran visualmente agrupados, o cerca del cenit, la precisión del cálculo se degrada y puede llegar a valores inadmisibles. Es una situación que de alguna manera recuerda la que ocurre al tomar alturas de astros con el sextante, que resulta difícil tangentearlos con el horizonte cuando se hallan muy altos sobre el mismo. El número de satélites de la constelación NAVSTAR y la ubicación de sus planos orbitales garantiza que siempre se cumpla la condición de visibilidad requerida para la situación asumiendo que su horizonte sea de 360°..

El sistema NAVSTAR-GPS (la única con cobertura mundial) usa de 24 a 27 satélites y da una posición con un error nominal hasta de centímetros si se usa el GPS Diferencial. Los satélites mantienen su órbita en el espacio a 20,200 km, con trayectorias sincronizadas para cubrir toda la Tierra.

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Como tenemos 24 satélites y se necesitan 3 como mínimo en el horizonte para obtener una posición los satélites se sitúan en 6 Planos Orbitales separados 55° entre sí, con 4 satélites en cada uno de estos Planos. Esta constelación de satélites le facilita al observador tener en su plano geográfico a la vista entre 5 y 8 satélites al mismo tiempo desde cualquier punto de la Tierra.

DatumUn datum es un modelo matemático de la Tierra usado como referencia básica para calcular posiciones y distancias entre dos puntos geográficos, recuerden que la Tierra es una esfera achatada por los polos, resultando en un abultamiento alrededor del ecuador. Las Cartas Náuticas indican el datum que usan en la parte descriptiva de la misma. La posición del GPS en latitud y longitud se indican generalmente usando el datum geodésico WGS-84 Sistema Geodésico Mundial que crea un elipsoide de revolución que idealiza la forma de la Tierra y permite realizar una cartografía única, ya que es aplicable para todo el planeta.. Si se usa el Datum incorrecto se pueden producir errores de cientos de metros.

Por lo tanto antes de usar la carta náutica ya sean normales, digitales o de 3D, verifique que el datum de la carta y del GPS sean iguales.

Cómo funciona el GPS

Los satélites transmiten continuamente su posición y su hora muy exacta usando relojes atómicos los cuales determinan el tiempo con mucha precisión (un segundo de error cada 70,000 años).

El receptor GPS recibe estas señales y usando al mismo tiempo tres o cuatro satélites puede calcular su posición en la Tierra. Calculando el tiempo transcurrido entre la emisión de la señal desde el satélite y su recepción se puede calcular la distancia a la

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que se encuentra el satélite. Usando estas distancias y un algologaritmo de computación se determina nuestra posición long/lat o UTM.

Se requieren dos lecturas de tres satélites para determinar la lat y long del lugar, requiriéndose de un cuarto satélite para calcular también la altura (posición tri dimensional).

Los satélites transmiten dos señales, la L1 para uso comercial y la L2 para uso militar. La señal comercial tiene una exactitud de unos 25 metros. Estas señales cuando se usan con el sistema selectivo (SA) son tan precisas que están sujetas a ser interferidas por el Departamento de Defensa. Por lo general la exactitud de estas señales se reduce a 100 metros. Sin embargo usando una técnica diferencial llamada GPS(DGPS), se puede reducir considerablemente el error de los 100 metros dándonos una exactitud final de 10 metros. Recepción de la Señal

Le recordamos a los Alumnos de la Escuela Naval del Mariel que tuvieron la suerte de tener de profesor de matemáticas al Cdte. Norberto Arrechea Ayala M.N., que un satélite mide la distancia al observador y usando esta distancia como radio se generar una esfera que identifica la posición del observador, por lo tanto la posición está en cualquier punto en la superficie de esta esfera.

Cuando tenemos en el horizonte dos satélites cada uno genera su propia esfera y cuando dos esferas se intersectan se crea un círculo por la tanto ahora tenemos que la posición está en cualquier punto de la circunferencia del círculo de esta intersección.

El tercer satélite que genera otra esfera cuando intersecta las dos anteriores crea una línea recta al cortar el círculo, por lo tanto la posición se encuentra en uno de los dos extremos de esta línea, como tenemos una posición estimada en la esfera de la Tierra se puede escoger la superior que corresponde a la posición actual del observador.

Un cuarto satélite determina este punto exactamente ya que determina la altura del observador sobre el nivel del mar, recuerde que usted puede ir en un avión o estar en una montaña, esto también exige que cuando sitúe su buque siempre lo haga en el mismo lugar o sea en el puente de mando así su altura es constante y se evita un pequeño error.

Recepción de la SeñalDurante el proceso de la recepción de la señal el receptor del GPS realiza las siguientes funciones:

Sintoniza las señales emitidas por los satélites Decodifica el mensaje de navegación El aparato prueba con distintos satélites hasta que reciba una señal fuerte y aceptable

midiendo el retardo de la señal (desde el transmisor hasta el receptor) a partir de los cuales calculan la posición.

La posición calculada por el GPS está sujeta a errores en la lectura que pueden ser los siguientes: Interferencia en la señal del satélite, error humano por ejemplo usar una carta que tenga el Datum incorrecto, no seleccionar los satélites idóneos o errores del instrumento usado.

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A fin de reducir o eliminar la distorsión introducida en las señales que disminuyen su precisión, se usa el Sistema GPS Diferencial que envuelve dos receptores próximos entre sí, uno fijo y el otro por lo general en movimiento.

Aplicaciones del GPSEl sistema GPS se emplea básicamente para navegar, aunque también se usan para determinar exactamente la hora, para trabajos geodésicos, emergencias, etc. El sistema GPS Standard está disponible para uso civil gratis aunque su exactitud es intencionalmente degradada por el Departamento de Defensa y su exactitud es de 100 metros en la horizontal, 156 metros en la vertical y 340 nanosegundos en la hora.

Tres satélites se pueden usar para determinar una posición si la medición del tiempo es perfecta. En la práctica esto es casi imposible debido a la poca precisión del reloj atómico en el receptor, por lo tanto se computa una fija en dos dimensiones solamente (latitud y longitud) con una altura asumida.

El sistema de GPS se usa extensamente en la navegacion maritima, aérea y terrestre, en los transportes internacionales, servicios de emergencia y de donde proviene y donde más se usa es en aplicaciones militares una de ellas es el control de los “drones”.

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Navegación

El sistema GPS se emplea básicamente para navegar, aunque también se usan para determinar exactamente la hora, para trabajos geodésicos, emergencias, etc.El sistema GPS Standard está disponible para uso civil gratis aunque su exactitud es intencionalmente degradada por el Departamento de Defensa y su exactitud es de 100 metros en la horizontal, 156 metros en la vertical y 340 nanosegundos en la hora.

Tres satélites se pueden usar para determinar una posición si la medición del tiempo es perfecta. En la práctica esto es casi imposible debido a la poca precisión del reloj atómico en el receptor, por lo tanto se computa una fija en dos dimensiones solamente (latitud y longitud) con una altura asumida.Navegación Marítima. Su implantación ha sido muy rápida. Se piensa que en poco tiempo toda la navegación marítima se basará en GPS. El costo del sistema GPS es bajo (además los barcos no requieren receptores de gran calidad) y lo puede usar cualquier embarcación. Los radares modernos pueden ser entrelazado con un GPS, lo cual ofrece la opción de ver en la pantalla de radar la posición exacta del buque, su velocidad exacta y el rumbo.

Un método muy útil que se usa en navegación es la opción de indicar en el GPS la marcación y la distancia a un punto de referencia lo cual aparece en el radar como un circulo alrededor del punto indicando también su marcación. Esto nos permite verificar si el punto de referencia que por ejemplo pudiera ser una boya está situada o marcada en la carta de navegación en el lugar correcto. Este método es muy útil a los yatistas.

Navegación terrestre.En este caso hay dos mercados principales: Automóviles:

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Integran el GPS con sistemas gráficos avanzados para proporcionar un sistema de guiado desde un punto de una ciudad a otro evitando embotellamientos.

Receptores personales. Excursiones en 4x4, como sistema de guiado para invidentes. La gran penetración de este sistema se debe al bajo costo de los receptores.

En la actualidad se emplean aplicaciones profesionales: Transportes internacionales de carga para saber la posición de los contenedores Redes de autobuses Policía Ambulancias También estamos viendo su aparición en pruebas deportivas como en el caso del ciclismo, donde permite conocer en cada instante y en tiempo real el tiempo que saca un corredor a otro, la pendiente de una rampa, etc.

Navegación aérea. Debido a su mayor complejidad técnica su proceso de instalación ha sido más lento. Se están desarrollando sistemas GNSS que pretender mejorar los actuales sistemas de gestión de vuelos. La desaparición del avión de pasajeros Malayo está ocasionando la revisión de los sistemas usados por los sistemas internacionales para la seguridad de los aviones de pasajeros.

Aplicaciones militaresComo el GPS es un sistema desarrollado por el Ejército, el desarrollo del GPS en este campo ha sido más rápido que en las aplicaciones civiles. Se emplea en la navegación militar (aeronaves, vehículos terrestres, barcos.), guiado de cohetes, posicionamiento y movimiento de las tropas, etc.

Otras aplicaciones Sincronización, como el GPS ofrece una referencia temporal muy exacta lo usan

algunos sistemas de transmisión para sincronizar sus señales. Defensa civil, para la localización y delimitación de zonas afectadas por grandes

catástrofes y guiado de vehículos de auxilio. El GPS está causando un gran impacto tanto en aspectos tecnológicos como

económicos.

Limitaciones

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Las descargas eléctricas pueden borrar la memoria del GPS o ponerlo completamente fuera de servicio.

Por lo tanto un navegante precavido mantiene una navegacion siguiendo los métodos clásicos que nunca fallan y eso quiere decir usar una carta que esté al día, chequeo a menudo del rumbo magnético (el compás magnético debe de tener una tablilla de desvío bien calibrada) en comparación con el rumbo dado por el GPS, que la profundidad indicada por el fatómetro esté de acuerdo con la carta, que toda esta informacion concuerde con la navegacion de estima, cambios bruscos en velocidad o rumbo significa que hay un error y hay que encontrar donde está para corregirlo.

Si la navegacion es de altura tener un buen sextante, las tablas de navegacion pertinentes, un buen cronómetro y saber usar este método de navegacion que muchos creen arcaico pero que nunca falla.

GPS DiferencialA fin de reducir o eliminar la distorsión introducida en las señales para disminuir su precisión, se usa el Sistema GPS Diferencial que envuelve dos receptores próximos entre sí, uno fijo y el otro por lo general en movimiento. Si suponemos que el receptor maestro basándose en otras técnicas y equipos disponibles conoce muy bien su posición la cual es exacta una vez corregidos todos los errores de la transmisión ya sean productos del sistema o inducidos. Si este receptor transmite la corrección de errores a los receptores próximos a él estos podrán a su vez corregir también los errores producidos por el sistema y lograr una posición mucho más exacta.

Los satélites están tan lejos de los dos receptores que cuando comparamos esta distancia con la distancia que los separa en la tierra resultan comparativamente insignificante, por lo tanto si dos receptores están próximos entre sí o sea separados unos cuantos cientos de kilómetros, la señal que ambos reciben se puede considerar que tienen ambas el mismo error ya que prácticamente han viajado la misma distancia a través del espacio y la atmósfera.

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La más importante es la dependencia de un único país EE.UU. Concretamente del DoD (Departamento de Defensa). Cuando ellos quieran pueden eliminar el uso por parte de los civiles del sistema.

Actualmente hay dificultad en su uso en ciudades con edificios altos. También es difícil garantizar su integridad, pues en caso de guerra se pueden

lanzar misiles para eliminar algún satélite.

Otros Sistemas de Navegación por SatéliteLa antigua Unión Soviética construyó un sistema similar llamado GLONASS, ahora gestionado por la Federación Rusa.

Actualmente la Unión Europea está desarrollando su propio sistema de posicionamiento por satélite, denominado Galileo.

A su vez, la República Popular China está implementando su propio sistema de navegación, el denominado Beidou, prevén que cuente con 12 y 14 satélites entre 2011 y 2015. Para 2020, ya plenamente operativo deberá contar con 30 satélites. En abril de 2011 tenían 8 en órbita.

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Como Usar el GPS

Costo: $289.00 US Dólares

Si usted usa un equipo fijo en su yate lo más probable que la instalación la hizo un profesional y es muy importante que la antena del GPS esté libre de interferencia ya sean obstáculos como mástiles, objetos, etc. y también libre de interferencia electrónicas o magnéticas, además si usted usa un modelo portátil salga a la cubierta o al puente abierto para tomar lecturas lo cual le asegura su exactitud.

Debemos de partir de un punto inicial. o sea el navegante conoce su posición ya sea estimada o fija. A este punto le llamaremos punto de partida y sabremos la posición en Latitud y Longitud, además se conocerá la fecha y hora local. Como en toda navegacion se traza una derrota a seguir en la carta ploteando los puntos de recalada (waypoints o puntos de referencia) cada uno de estos puntos de recalada o waypoints se identifican en la carta ya sea por lat/lon o se le asigna un nombre familiar: boya de recalada, pesquero de rabirrubias, etc.

Estos waypoints se archivan en la memoria del GPS usando las funciones correspondiente. La cantidad de waypoints que se pueden tener en memoria depende de la capacidad del GPS, normalmente 1000 waypoints es más que suficiente y se escogen aquellos por los cuales usted ha navegado o piensa navegar.

Se inicia la navegacion a partir del waypoint inicial creando la ruta o derrota deseada usando los waypoints escogidos que están en la memoria del equipo GPS y nos vamos moviendo de un punto al otro hasta llegar al final;. Una vez que se establece la derrota deseada es muy fácil añadir o eliminar puntos de recalada.

OpcionesSon muchas las opciones disponibles y estas varían con el equipo y el fabricante.Entre las principales tenemos: Las Rutas van en una dirección (forward) y cuando queremos regresar escogemos la opción

de regreso (reverse), lo cual nos da exactamente toda la información necesaria para regresar al punto original de partida.

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Podemos integrar la información del GPS con el Piloto Automático el cual puede incluir y ejecutar los cambios de rumbos necesario durante la travesía. Tenga mucho cuidado con esta opción ya que los cambios de rumbos pueden ser grandes y con mal tiempo o en proximidad de otras embarcaciones existe el peligro de una colisión.

Alarmas. Hay muchos tipos de alarmas disponibles, tales como: Rumbo. Diferencia permisible en grados entre el rumbo de gobierno y el rumbo actual del buque, cuando las guiñadas son mayores de 10° las alarmas crean problemas en el puente especialmente cuando las guiñadas llegan a los 15° y casi siempre se desconecta el automático Distancia. Cuantas millas nos podemos desviar de la derrota deseada. Cambios de Rumbos. Cuando tenemos que cambiar el rumbo. Aproximación. A que distancia deseamos que el GPS nos avise de un punto de recalada o un área peligrosa.

Hombre al Agua. Escogiendo esta función el GPS nos indicará la distancia y el rumbo a navegar al punto de Hombre al Agua (MOB). Esta función también nos permite marcar un punto durante la navegación que se le llama datum donde se inicia la operación de rescate y siempre poder retornar a esta posición de partida no importa los giros que hagamos. El datum se establece inmediatamente que la persona cae al agua o se nota su desaparición del buque o yate y a partir de esa punto se inicia la búsqueda ya sea por la maniobra de Hombre Al Agua o utilizando los métodos de búsqueda por cuadrantes o por triángulos dependiendo de la informacion que se tenga a mano.

Podemos seleccionar en cualquier momento utilizando la presente posición como punto de partida un waypoint al cual nos interese ir o retornar.

Podemos seleccionar navegar en el sistema 2D (dos dimensiones), usando nuestra altura sobre el nivel del mar como una constante y asi nos podemos situar con tres satélites, o podemos usar el sistema 3D para navegación en tierra o aérea donde se requieren cuatro satélites los cuales nos darán nuestra posición y nuestra altura sobre el nivel del mar.

Podemos variar el Datum de acuerdo con la carta que usemos o crear nuestro propio Datum. Podemos ver en pantalla los satélites disponibles y si los podemos usar para establecer

nuestra posición. Podemos escoger la fuente de poder: baterías, corriente directa o corriente alterna.

Si desea más información nos puede enviar un mensaje a:info@circulonaval.com

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