[Logotipo] G.P.S.: GLOBAL POSITIONING SYSTEM



EL SECTOR DE USUARIO


El sector de usuario está compuesto por todos los instrumentos que se emplean para el cálculo, mediante el empleo de las señales provenientes de los satélites NAVSTAR, de las coordenadas de un punto, adquirir el tiempo de oscilador atómico o para navegación. El equipo propio del sector de usuario está formado por un receptor y una antena.


Antenas


La función de la antena del receptor G.P.S. es la conversión de la señal radioeléctrica que recibe de los satélites de la constelación NAVSTAR a señal eléctrica. La corriente eléctrica inducida en nuestra antena por las señales radiadas, recibidas, posee toda la información modulada sobre ellas.

El receptor G.P.S. realiza el posicionamiento del centro radioeléctrico de la antena, que no coincide normalmente con el centro físico del receptor, con lo que se producirá un leve error de posicionamiento. Los fabricantes de receptores especifican una posición adecuada de medición para el aparato, minimizándose el error cometido (Antenna phase center ambiguity).

Todas las antenas de los receptores evitan el efecto multipath de la reflexión en el suelo mediante la adición de un plano de tierra. Cuanto mayor sea el plano de tierra mayor será la protección de la antena ante reflexiones indeseadas, consiguiéndose así unas medidas con mejor precisión.

La antena es de cobertura hemiesférica omnidireccional, para poder captar con la misma sensibilidad las señales que provengan desde el cénit hasta el horizonte. Puede ser de muchas formas y materiales, dependiendo de las aplicaciones y del coste del receptor: monopolo, dipolo, dipolo curvado, cónico-espiral, helicoidal o microstrip.


Ejemplo de antenas receptoras


En la parte inferior de la antena se conecta el cable a la salida de un preamplificador. Éste es necesario para evitar que la señal recibida se atenúe antes de llegar al receptor y no pueda ser leída. El preamplificador debe amplificar sólo las frecuencias que se desean recibir, mientras que el resto sufren la atenuación del cable sin haber sido amplificadas. El preamplificador se alimenta habitualmente con corriente procedente del receptor por el cable de la antena. Las especificaciones de potencia del preamplificador van a depender de la ubicación del receptor y de la antena. El cable y los circuitos del receptor introducen un retardo en la medición del tiempo. Este retardo se engloba dentro del estado del reloj.

Se han desarrollado antenas múltiples que asocian hasta cuatro antenas muy cercanas en el mismo plano de tierra, y que por similar técnica usada en el VLBI, permiten determinar inclinaciones y giros en tres ejes, además de las posibilidades normales del GPS, con que se tiene una absoluta información de la dinámica tridimensional de un móvil. Concretamente en un receptor de 24 canales se podrían distribuir 6 canales por antena en grupo de 4 antenas, 8 en grupo de 3, 12 canales en grupo de dos o los 24 en una antena. Con este sistema se mencionan resoluciones angulares del orden de tres minutos de arco.



Receptor


Etapa receptora

En la antena se han de generar tantas señales como satélites por canal se estén recibiendo. Por ejemplo: un receptor de 12 canales bifrecuencia recibe 16 señales si sigue a 8 satélites, y podría admitir 24 señales si hubieran 12 satélites en seguimiento. Cada señal necesita un canal o dispositivo electrónico que la procese con independencia del resto, tras ser separada y aislada por el receptor.

Las señales G.P.S. se transmiten empleando la técnica del espectro ensanchado que protege contra interferencias y es favorable a la transmisión. Así pues la amplitud de la señal que llega a la antena es estable lo que ahorra la existencia de una estapa de control automático de ganancia (C.A.G.).

El receptor G.P.S. es del tipo heterodino, basado en la mezcla de frecuencias que permite pasar de la frecuencia recibida en la antena a una baja frecuencia que podrá ser manejada por la electrónica del receptor. La mezcla de frecuencias se realiza con la ayuda de un oscilador local que genera una señal senoidal pura.


Diagrama de bloques de receptor


Técnica de espectro ensanchado

En el sector espacial se explica el empleo de la técnica de espectro ensanchado en transmisión , ahora se comentará como funciona en recepción.

En el receptor se genera una señal pseudoaleatoria idéntica a la generada previamente en el transmisor, que se sincroniza con la señal ensanchadora de la señal recibida. Después se demodula la señal recibida con la réplica obtenida por el circuito de sincronismo del receptor, con lo que se obtiene la señal paso-banda desensanchada. Por último la señal paso-banda es demodulada tras obtener el sincronismo de portadora.

La demodulación tiene el efecto contrario al ensanchado, es decir, que la señal resultante recupera su espectro original. Si se aplica la demodulación a una señal que no ha sido previamente ensanchada, el resultado es que esta señal es ensanchada. Así pues, si se aplica el ensanchado y el desensanchado a una misma señal se obtiene ella mismo, pero si se aplica únicamente el desensanchado se obtiene un resultado similar al ensanchado.

Esta característica de la transmisión por espectro ensanchado proporciona una alta robustez frente a interferencias, puesto que toda señal que se añada a la deseada durante la transmisión sufrirá un ensanchado de espectro en el receptor, quedando gran parte de su energía fuera de la banda de detección.

La operación de desensanchado sólo será posible si el receptor es capaz de generar la misma señal pseudoaleatoria que se empleó en la transmisión. Con esta garantía se pueden emplear los sistemas de espectro ensanchado para aplicaciones que necesiten inmunidad frente a escuchas externas.


Correlación y cuadratura

Desde el satélite se recibe una portadora modulada; la portadora sin modular puede emplearse para medir como evoluciona la distancia satélite-antena receptora mediante la técnica de correlación o cuadratura.

Para conseguir la correlación son necesarios dos circuitos: uno que seguirá al código y permitirá medir distancias (pseudodistancias) al satélite y disponer de la portadora sin modular, y otro circuito que seguirá a la portadora y que observará como aumentan o disminuyen los ciclos y las diferencias de fase entre satélite y receptor, lo que permite medir incrementos o decrementos en la distancia en función del tiempo (técnica de la medida de fase).
La cuadratura sólo permite observar la medida de fase. Se basa en elevar al cuadrado la amplitud instantánea de la señal recibida.

La modulación se hace en el satélite multiplicando por +1 y por -1 la amplitud. Al multiplicar por sí misma la amplitud instantánea de la portadora modulada la modulación desaparece, obteniéndose un armónico de la portadora, pero totalmente limpio de modulación, con el que pueden hacerse medidas de fase y cuenta de incrementos de ciclos.

Un problema del método de cuadratura es que como la señal es menor que el ruido, al elevar al cuadrado ambas, la relación señal/ruido empeora. La ventaja es que no es preciso conocer, generar y correlar los códigos en el receptor.


Formas de recibir las señales de los satélites

En primer lugar se tiene la recepción contínua de cada portadora proveniente de cada satélite, hasta el límite que sea capaz el receptor, con lo que hay tantos canales físicos (electrónicos) como señales se pueden recoger, o sea un canal por satélite.

Pero también se puede emplear un canal para seguir a todas las señales. Sólo se puede recibir una señal a la vez, pero va conmutando de una a la otra, tomando muestras a una velocidad mayor que la que tienen los cambios en las señales. Si el circuito de recogida repite cada 20 mseg. o menos, que es el tiempo que tarda en transmitirse cada bit del mensaje, el receptor podrá recomponer el mensaje de cada satélite. Los receptores que emplean seguimiento conmutado son denominados normalmente receptores de canal multiplexado.

Otra forma de recibir la señal de los satélites es mediante un único canal secuencial, éste recibe los cuatro satélites secuencialmente.


Se puede recibir de distintas formas en cualquier lugar


Reloj u oscilador

Se encarga de generar las frecuencias de referencia empleadas en el batido de la señal de radiofrecuencia. Habitualmente está formado por osciladores de cuarzo de muy alta calidad y estabilidad que, en los receptores más evolucionados, permiten la conexión a una fuente de frecuencia exterior de mayor rango, como un reloj atómico, eliminándose la incógnita del estado del reloj propio y aumentando la redundancia de las observaciones.


Funciones de los receptores

Los receptores se encargan de tres funciones principales:

a) Satellite Manager, que es la gestión de los datos que envía el satélite. En primer lugar el receptor está en modo INIT en el que se almacena el almanaque y el estado de los satélites en una memoria. Después pasa al modo NAV en el que almacena los datos necesarios para los cálculos.

b) Select Satellite, que se encarga de encontrar los cuatro satélites con geometría óptima para la navegación, a partir de una lista de satélites visibles.

c) SV Position Velocity Acceleration, que calcula la posición y velocidad de los satélites empleados en la navegación.


Información del receptor

El receptor, una vez en funcionamiento, ofrece información sobre el proceso de observación a través de la pantalla y siguiendo órdenes del teclado. Se suele disponer de la siguiente información:




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