Tratamiento de la señal GPS

Proceso de adquisición

Al encender el receptor GPS éste puede encontrarse en dos estados distintos:

• Perdido (el almanaque tiene una fecha muy antigua)
  El aparato prueba con distintos satélites hasta que reciba una señal con una SNR aceptable. Cuando logra engancharse con un satélite demodula el mensaje de navegación y consigue así el almanaque y la referencia temporal GPS.
  Esta fase de prueba y error puede durar hasta unas decenas de minutos.

• Memorizado (hace poco que hemos usado el aparato GPS y el almanaque almacenado sirve para saber la posición de todos los satélites)
  El aparato se engancha con los cuatro satélites que tiene visibles.

Cuando el receptor ya está enganchado con un satélite se asigna el canal/es a los códigos de los satélites que están visibles y se inicia el proceso de enganche con cada satélite.

Proceso de seguimiento

Cuando nos hemos sincronizado con dada uno de los satélites, tras realizar la correlación detectamos los picos que superan un determinado umbral y a partir de ellos obtenemos el retardo temporal y con esto la ecuación de un esferoide donde está el usuario. Repitiendo este proceso para 4 satélites obtenemos la posición del usuario.

• Debemos seguir los picos que superan el umbral para ver como varía esa distancia. A esto se le llama lazo de seguimiento al código.

También hay un lazo de seguimiento a la portadora. Este tiene como misión estar contínuamente enganchados a las portadortas que emite el satélite.
Veamos estos dos lazos mediante un diagrama de bloques:

Configuración del sistema

En este capítulo veremos las partes que forman el sistema NAVSTAR-GPS. Estas son tres, a saber:

Segmento espacial

Constelación GPS

• Al principio se pensó que sólo eran necesarios 18 satélites (más 3 de emergencia por si acaso alguno fallaba). Sin embargo más tarde se comprobó que con este número la cobertura en algunos puntos de la superficie terrestre no era buena.

• Así pues se pasaron a utilizar 21 satélites (más 3 de reserva como antes) repartidos en 6 órbitas, de forma que hay 4 satélites por órbita.

• El sistema está diseñado de tal forma que sobre cualquier punto de la superficie terrestre se ven al menos 4 satélites.

Órbitas

• Las órbitas de los satélites son casi circulares, con una excentricidad de 0.03 a 0.3

• Están situadas a una altura de 20180 km.

• Tienen una inclinación respecto al plano del ecuador de 55º.

• La separación entre las órbitas es de 60º.

• El periodo de los satélites es de 11h 58m.

• Hay 6 efemerides que caracterizan a las órbitas.

Satélites del sistema NAVSTAR_GPS

• Emiten con una potencia de 700W
• La antena:
  • Es un array helicoidal 
  • Emiten con polarización a derechas.
  • Su ganancia es de 15dB.
• Incorporan un reloj atómico muy estable y preciso.
• Su vida media es de aproximadamente 7.5 años, al cabo de este tiempo hay que sustituirlo.

Segmento de control

Existe una estación maestra de control (sita en Colorado Spring)

• Esta se encarga de calcular las efemérides de cada uno de los satélites.

Hay 3 estaciones de carga

• Están situadas en Diego García, Isla Ascensión, Kwajalein

• Transmiten satos (mensaje de navegación) y reciben las señales que los satélites envían a estas estaciones.

• Se emplea la banda S

  • Canal ascendente: 1783.74MHz

  • Canal descendente: 2227.5 MHz

Además hay 5 estaciones monitoras

• Se encuentran en Hawaii y Colorado Spring.

• Controlan el estado y posición de los satélites.

• Reciben las señales transmitidas por los satélites y a partir de ellas obtienen información para poder calcular las efemérides de los satélites. Esta información es transmitida a la estación mestra de control que es la encargada de calcular las efemérides y obtener así la posición de los satélites con una posición muy buena.

Segmento de los usuarios

Está formado por los receptores GPS.
Sus funciones principales son las siguientes:

• Sintonizar las señales emitidas por los satélites

• Decodificar el mensaje de navegación

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

• Presentar la información de la posición en la que se encuentra (en 3D ó en 2D)

Otras funciones complementarias son

• Ayuda a la navegación.

• Almacenamiento de datos.

• Presentación más sofisticada (mapa de fondo...)

Prestaciones de los receptores civiles (c/A)

• 1ª posición 2D en menos de 2 minutos (siempre que no partamos de la posición perdido).

• 1ª posición 3D en menos de 2.5 minutos (siempre que no partamos de la posición perdido).

• Actualizaciones de la posición de 0.5 a 1 segundos.

• Precisión en torno a 15m.

• Medida de la velocidad del usuario, precisión de 0.1m/s aproximadamente.

• Referencia temporal, precisión de 100ns aproximadamente.

Estructura general del equipo de usuario

• Antena:
  LNA, para no degradar la sensibilidad

• Receptor:
  Traslada la señal a frecuencia intermedia.
  Demodula y decodifica el mensaje de navegación
  

• Microprocesador:
  Calcula la posición.
  Controla todos los procesos que debe realizar el receptor.

• Unidad de Control:
  Permite la comunicación entre el usuario y el microprocesador, por ejemplo para eleguir el tipo de presentación, introducir la posición inicial aproximada...

• Almacenamiento de datos:
  Rutas, posiciones...

• Presentación

• Teclado...