Aplicaciones civiles del GPS

APLICACIONES CIVILES DEL GPS L ui s Fe rn a nd o Martínez, José Ignacio Mena y Josep Closa I conce pt o de posicion ami ento global es al go m ás que un a evo luci ón en los istemas clásicos de navegació n. L as primer as form as de navegación, medi a nt e el Sol y l as estre ll as, eran ciertamente globales pe ro no eran ind ependientes de l as co ndi c ion es c li - ma tol ógicas y de visibilidad. El de eo de los estados poderosos - EE. UU. y la Unión Soviéticade poseer un sistema de navegación con fin es militares qu e funcionara en cualquier pa rt e del mundo, a cualquier hora del día y bajo cualquier co nd ición a tm osférica ll evó a desarro ll ar la id ea de utilizar satélites para determinar la po s ici ón de un receptor mó v il en tierra medi a nt e la medición de l as di stanci as de esos satélites al rece pt or -como un método de tri ang ul ac ión cl ásico-. Con el poste ri or desarrollo de los aco nt ec imi en tos po líti cos, soci ales, econó mi cos y militares en el mundo -desmembración de los bl oques militares, c ri sis econó mi cas, caída de los reg ím enes impe ri a li st as y totalitarios del Este europeo, etc.-, l as a pli caciones militares han dado pa o a un gran núm ero de uso pacífi cos qu e nos repo rt an ben ef icios a todos lo s usuarios de me di os de tran sporte, a in vestigadores, a empresas cons tru ctor as, a co mp añías petrolífera s, a excursio ni st as , a ag ri c ult ores . .. LUIS FERNANDO MARTíNEZ, JOSÉ IGNAC IO MENA Y JO SEP CLOSA SO/l proyeclisras e /l el grupo FAMR de la ETSETB , e /l la U Pe. e /l le lll as de diserso /11 elría RADAR y SA R . J.I GNAC/O M ENA es mi e mbr o de la B ra/lca d'E sludiallls de /'IEEE de Barcelo ll a. 14 DESCRIPCIÓN DEL SI STEMA GPS El sistema GPS (Globa l Position in g Syste m) consiste en un a constel ac ión de satélites (en la ac tu al idad 21 ac ti vos y 3 de re serva) que difunden continuame nt e un mensaje de navegación usa nd o un a secuencia de señales mediante la t éc ni ca de espect ro ensanchado (s pread sp ec trum) sobre un a portadora primaria (L! ) de 15 75.42 MH z y sobre una po rt adora sec und a ri a ( L2 ) de 1227.60 MH z. El receptor pu ede ex tr ae r de esa in fo rm ación el retardo que ha sufrido la señal desde el saté lit e, y por ta nt o determinar su di stancia a é l. Comb in a nd o l as di stanci as a tr es saté lit es y conocie nd o sus respec ti vas órbitas, el receptor determina su posición en longitud y la ti - tud . Para un a fij ac ión tridimensional - altur ael rece pt or debe tener otra referencia de ti e mp os, por lo que se r eq ui eren los datos de un cua rt o satélit e. El GPS of rece d os niveles de precisión para el p os icionamie nt o: el se rvicio de posicionamiento preci so o PPS (Pr ec ise Position in g System), di sponible só lo para usua ri os a ut o ri zados como militares o empresas qu e desarro ll en tareas de interés para los EE.UU., y el servicio está nd ar de po sici ona mi e nt o SPS (Standard Positioning System) a di sposición de todos lo s usuarios s in nin guna cuota o carga económica. El PPS usa un a secuenc ia pseudoaleato ri a con la técnica de espectro ensanchado (spread code) denominado có di go P (Precission) a un a ve locidad de 10 .23 Mbpscon un período de repetición de 267 días, y que se cambia por moti vos de seguridad cada seman a. Por su pa rt e el SPS usa también un a secuencia pse ud oaleato ri a media nt e espectro ensanchado, pero de adquisición poco precisa C/A (Coarse Adq uisition) a un a ve locid ad de 1.023 Mbp s, con un período de repe ti ción de I ms -señal, por tant o, mu cho m ás fácil de adquirir- , y qu e s ir ve para qu e los usua ri os a ut orizados enganchen con el có di - go P. L os receptores G PS comercial es para uso no militar se s ir ve n únicamente de este códi go C/ A para conseguir el posicionamiento, con lo que la precisión es un as 10 veces menor qu e la proporcionada por el códi go P. o obsta nt e, es ta pr ec isión es mu cho mayor de la qu e se pr evió en el diseño o ri ginal, por lo qu e el Depa rt ame nt o de Defensa (0 00 ) de los EE .U . determinó in - tro du c ir un a degradación intenci onada en el sistema (Se l ec ti \'e Availahi lit\') para que los usua ri os qu e u se n el códi go C/A no pu edan o bt ener pr ec isiones tan bu en as y pu edan aprovecha rl as para ate nt ar contra la segurid ad nacional. Sin embargo, dada la co mp etencia del sistema GLONASS sovié ti co, qu e no in corpora esta limitación. y el cambio en la es tru ctura militar y política de bl oq ues mundial -con la subsi gu iente desaparición de enemi gos potenciales para el paí sse prevé una futu ra desaparición de es ta degradación. En la ac tualidad el código P es ya bien con oc id o y documentado, por lo que el 0 00 es tá desarrollando un nue vo código ll amado Y que lo sustitu ya. Cada satélite GPS trans mit e un único códi go C/A se leccionado entre un a f am ili a de 1023 códigos B URAN °6 DICI EMBRE 1 995 ERRO<ES EN L03 SIST Ef\tll\S GPS CI) e Qj E patrón para minimizar la interferencia entre señales de los satélites y proporcionar así un a mejor adquis ición de la señal por el usuario además de un a id entificación positiva del satélite que está emitiendo. Modulando la portadora LI en BPSK (Bil7ary Ph ase 5hifl Key) va superpuesto (suma mód uI 0-2) en paquetes de 1500 bits y a un a velocidad de 50 bps el código CI A y un mensaje de nav egac ión que contiene inf ormación so br e: el estado del satélite, el HOW ( Hand over W ord) usado para pasar del có d i go CI A al P, la co rrección de las derivas del reloj del satélite y parámetros orbitales o efemér id es, parámetros para corregir los retardos de propagación a través de la ionosfera, y posiciones aproximadas' (almanaque) y estado de tod os los demás satélites de la conste lación. El r eceptor GPS del usuario extrae la secuencia del códi go de la señal cO IT elando esta última con una secu e ncia ge n erada internamente , reduciendo así el ancho de banda de la señal hasta los 50 Hz de ancho de banda de la información. El receptor demodula entonces la señal BPSK para obtener los datos del mensaje. AP LIC AC IO NES CIVIL ES DEL SISTEMA NAVSTAR GPS Aplicaciones marina s: avegación de precisió n: navegación costera, en puertos y en vías fluviales Exploración y explotación de yacimie nt os de combust ibles fósiles: IJ relojes • átitas o irosfera o trqJOSfera ·recetXa o mJticaTino D ~I.AI.EiI<il. inspecciones hidrográficas, reconocimiento de objetivos, in specciones sís mica s, convencionales y tridimensionales, co ntrol de la lo ca li zación del yacimiento y de los conductos de extracción. R eco noc imiento de ex - cavacione s: verificación de estructuras Posicionamiento de di spositivos acústicos Posiciona mi ento de barcos de prospección Rea li zación de mapas: trazado de depósitos, posicionamiento de las pl ataformas de prospección yexcava - ción, loca li zación de emp laza mi entos Oceanografía civil: medidas de co rri entes oceánicas, geología ma ri - na, geofísi ca Minería profunda en el océan o: trazado de mapas de fondos marinos Reconocimiento hidrográfico: localización de bancos de peces, locali zación de peligros para la navegación In gen ie rí a de costas y ca nal es : dragado de l echos cos t eros y fluviales, co n strucción de rompeolas y muro s de con t enc i ón, dis eño de puerto s, mante nimien- to de puertos Aplicacione s aérea s y terrestre s: Aéreas : n avegación en áreas remotas , guiado de helicóptero s, gu iad o de av ione ta s para ap li caciones agríco las, aprox imaci ones • B RA NCA D' Es TUDIANTS DE L' IEEE DE B AR CE LO NA de preci sión, aterrizajes (con GPS diferencial) Posicionamiento y navegación terrestre : vehículo privados, flotas de camiones, taxis y a ut ob use . vehículos de alvamento. bombero. policía y ambulancias, reconocimiento en general LIMITACIONES DEL SISTEMA Y SOL ClONES AL TERNA TIVAS El Sistema de Posicionamiento Global proporciona un a información muy buena sobre nu estra localización en las coor denadas de longitud y de latitud, y bastante buena en la altur a. Co n el có digo P se alcanzan unos errores menores de 3 m. en valor medio y con el C/A se podrían alcanzar errores e menos de 10 m. si no fuera por la degr adación añadi da que provoca una pr ec isión de varias decenas de metros. Estas precisiones, a un - que suficientes para muchas de las aplicaciones del GPS como las de navegación oceánica, no basta para usos más críticos, como por ejemplo la aproximación a pi sta y el aterrizaje de un avión en co ndiciones de visibilidad muy deficiente, o la s de loca li - zación de tuberías de perforación y extracción de bolsas de gas o petróleo en el fondo marino, en un caso porgue un error de menos de un metro podría tener consecuencias funestas para lo s pasajeros y en el otro porque desviaciones de decena s de centímetros causan pérdidas de mi 1I0nes de dólares. Estas imprecisiones están causadas por: errores de los satélites en la medición del tiempo; errores por propagación a través de la atmósfera; error multica min o por reflexiones de la señal en obstrucciones locales antes de ll ega r a la antena del receptor; error del receptor: de sus relojes o de ruid o int ern o; errores p or la relatividad: dilatación temporal debida a la veloc id ad del satélite y co nlI"acción temporal debida a la dif ere ncia de campo gravitato ri o -la dominante-; disponibilidad selectiv a: mucho peor que cua lqui era de las fuentes naturales de er r or es el err or i nt enc ionado aportado p or el DoD de los EE.UU. Éste provoca que si repr ese ntáramos las distintas posiciones que daría un r eceptor estacionario en di- 15 ferentes instantes, veríamos cómo divagarían en un círculo de unos 100 metros de radio. Para conseguir mejores precisiones utilizaremos una modificación del GPS, el DGPS o GPS Diferencial. Este sistema requiere un receptor GPS localizado en una posición conocida con muy buena precisión y cercano a la zona donde se hagan las medidas, típicamente un área de varios cientos de kilómetros cuadrados. El receptor fijo calcula su posición según las señales que recibe del satélite y la compara con su posición exacta. Entonces envía a los demás receptores de la zona los términos de corrección para que los utilicen en sus propias mediciones para obtener una localización más precisa. Con este sistema se alcanzan precisiones de 2 ó 3 metros e incluso mejores para receptores estáticos. Otro gran avance en la tecnología GPS es el uso de las transmisiones de la fase de la portadora como un medio para la determinación de la posición. Mediante la técnica de diferencia de fase se alcanzan precisiones del orden de centímetros y, bajo ciertas circunstancias, milímetros. Dos receptores reciben simultáneamente las señales de los mismos satélites, tomando medidas de la fase de las señales que les llegan. Restando las medidas entre pares de receptores se eliminan del proceso matemático del cálculo de la posición todos los errores debidos a relojes. Se puede incluso contar el número de ciclos de portadora hasta los satélites. Hasta recientemente la ambigüedad en la determinación del número de ciclos de portadora requería para su solución técnicas de campo muy cuidadosas que implicaban horas de recopilación estática de datos y su posterior procesamiento. Esta forma de GPS se denomina GPS de fase de portadora. No obstante, estas técnicas son muy especializadas y han atraído principalmente a usuarios de la comunidad topográfica. RECEPTORES GPS En los últimos años se ha producido una avalancha de receptores GPS en el mercado; de todos modos podemos dividirlos en dos grandes 16 grupos: a) Receptores continuos: se sintonizan simultáneamente con varios satélites, como mínimo cuatro. b) Receptores discontinuos: van sintonizando los diferentes satélites de modo alternativo, con mayor o menor rapidez dependiendo del modelo. Todos los receptores GPS utilizan información procedente de, por lo menos, tres satélites. Los modelos más simples disponen de un solo canal y van pasando de un satélite al otro reteniendo la información recibida de cada uno de ellos. Se trata de aparatos relativamente económicos que consumen poca corriente, pero por contra no nos proporcionan la situación de manera instantánea y su precisión no es tan alta como la de los que sintonizan varios satélites a la vez. Los receptores múltiplex también utilizan un solo canal, pero trabajan a mayor velocidad y son más precisos que los anteriores, aunque su precio es más elevado, llegando a alcanzar el de un receptor de dos canales. Teniendo en cuenta todo lo anterior y que, además, hay receptores GPS fijos y portátiles, el abanico donde elegir resulta muy amplio y merece un estudio atento antes de decidimos por uno u otro modelo. A título de ejemplo, y teniendo en cuenta las variaciones a la baja de los precios conforme avanzan los meses, podemos encontrar receptores GPS portátiles desde unas 60 o 70 mil pesetas hasta las 150 mil, y receptores de precisión fijos cuyos precios alcanzan varios millones de pesetas, con consumos que van desde los 100 mA. hasta las decenas de amperios. Para su puesta en marcha los primeros requieren desde uno a 17 minutos, mientras que para determinar la situación necesitan en tomo al minuto. GPS APLICADO AL TRÁFICO AÉREO Aunque el uso de satélites para el control del tráfico aéreo se empezó ya a considerar en los años 70, por parte de la Federal Aviation Administration (FAA), en la actualidad los sistemas de navegación tradicionales (VOR -VeryHighFrequency Omnidirectional Range, DME - Distance Measuring Equipment, NDB -Non Directional Bacon) y los de ayuda al aterrizaje y aproximación a pista (lLS -Instrumental Landing System, MLS -Microwave Landing System) aún son los dominantes en todo el mundo. Los sistemas de navegación por satélite, entre los que cabe citar el TRANSIT y los de posicionamiento global NA VST AR GPS yGLONASS, aventajan a los anteriores en cobertura y en el menor coste de sus receptores, lo cual permite su rápida implantación. Sin embargo, el GPS sólo proporciona una precisión en la posición suficiente para la navegación, por 10 que en aterrizajes y aproximaciones a pista es necesario el uso del GPS diferencial para contrarrestar los errores que introduce la Disponibilidad Selectiva, ya comentados. Para ello se utilizan los denominados pseudosatélites, estaciones terrenas que reciben y transmiten señales compatibles y sincronizadas con las de los satélites GPS, además de transmitir las correcciones de GPS diferencial, mejorando con todo ello la precisión del posicionamiento (la denominada GDOP) en un área local. INCONVENIENTES DEL GPS EN LA AVIACIÓN CIVIL De los errores ya comentados, los críticos en esta aplicación son la Disponibilidad Selectiva (Selective Availability), un mal funcionamien- to temporal de los satélites y errores en la integridad de la señal. Disponibilidad Selectiva: Como ya hemos comentado, la DS degrada las efemérides que transmiten los satélites y su calibración, limitando la precisión de la posición para usuarios civiles a 100 metros de radio, en el plano horizontal. Sin la presencia de DS se consiguen precisiones de 20 a 40 metros para usuarios civiles, lo cual aún es insuficiente para el aterrizaje. Se debe, por tanto, recurrir al GPS diferencial. Mal funcionamiento temporal en algún satélite: Importante cuando se exige conocer posición en 3D y determinación de velocidad, para lo cual se requiere tener visibles (5 grados por encima del horizonte) a BURAN N°6 DICIEMBRE 1995 4 satélites de la constelación. Integridad de la señal: Los fallos en la señal se detectan tarde para esta aplicación (15 a 20 minutos) y se corrigen hasta en 1 hora. Es preferible monitorizar los satélites uno a uno y controlar el estado de cada uno con un enlace de datos. NAVEGACIÓN En ruta: Se exigen 500 metros en precisión lateral. Pueden combinarse los satélites GPS con uno geosíncrono y una estación de tierra, que transmita señales GPS hacia el geosíncrono. Éste las retransmite hacia toda su zona de cobertura. Así se dispone de un enlace de datos para conocer si se recibe señal correcta, además de disponer de una medida de la distancia en el sentido inverso, para saber si el satélite GPS funciona correctamente. Las señales GPS se monitorizan por una red de 4 a 6 estaciones de calibración. Una estación central recoge los datos y los retransmite a los distintos usuarios que los precisen. El satélite geoestacionario únipuerto, siempre con visibilidad directa y cumpliendo ciertas restricciones por interferencias, pudiéndose usar para varias pistas. Su posición determina la VDOP, es decir, la precisión de la posición en la dirección vertical. Como ya se ha comentado en la navegación en ruta, el uso de satélites geoestacionarios permite diseminar la información de manera global, a mayor número de naves, proporciona una sincronización más precisa y diagnósticos en tiempo real. Con este método los aviones tranmitirían su posición y velocidad a los satélites geosíncronos, que la enviarían a tierra, donde desde la estación de control se tendrían los datos de todos ellos permanentemente y usaría los mismos enlaces para vigilancia, instrucciones de aterrizaje, etc. Se debería disponer, no obstante, de un gran ancho de banda y una elevada potencia de tranmisión pero se reduciría el problema de los desplazamientos doppler en los receptores y los ángulos de visión de los satélites geosíncronos son constantes, con las ventajas que esto reporta en su seguimiento. camente actúa como repetidor de la RECEPTORES GPS PARA AVIA- infórmación de reloj y efemérides CIÓN CIVIL que se transmiten desde tierra. Su Se debe equipar a los aviones peso es bajo y por tanto barato de con dos antenas y dosfront-ends para lanzar. recibir señales de satélites y Aproximación a pista: Con pseudosatélites. Los receptores deben el mismo sistema anterior pero con ser de tipo multicanal, con un canal un proceso de corrección mayor y por cada uno de los 4 mejores satélites una monitorización de la señal más~ visibles en cada instante, otro para exigente se consigue una precisión adquirir nuevos satélites visibles, otro lateral de 100 metros. para las correcciones diferenciales, y Aproximación a pista con otro más para recibir información soalta precisión: Incluyendo dos bre la integridad de la señal. Se pueden pseudosatélites cercanos al aeropuerimplementar con un solo micro- to, con una constelación de 18 satéprocesador enganchando la señal más lites y Disponibilidad Selectiva, se rápidamente que con el seguimiento consigue una precisión vertical memultiplexado o secuencial, aunque jor que en el caso anterior, casi captaría más ruido. suficiente para cumplir con las exigencias de la FAA. Un pseudosatélite puede monitorizar todos los satélites GPS visibles, actuar como si fuera uno más de ellos, emitiendo la misma señal, y enviar correcciones DGPS (GPS Diferencial) para eliminar errores. Así se obtiene una mayor precisión en el área local. Se pueden situar a varios kilómetros del aero- DGPS EN A VIACIÓN CIVIL Con el GPS Diferencial se consiguen precisiones hasta de centímetros para aplicaciones estacionarias. Para los móviles, con grandes aceleraciones y que precisen recibir la información muy rápidamente, el sistema aún no satisface las exigencias de las normativas internacionales dictadas por la OACI (Organización Internacional • BRANCA D'ESTUDIANTS DE L'IEEE DE BARCELONA para la Aviación Civil). Sin embargo, el futuro de las ayudas para la navegación en aviación civil pasa por aplicarlo, ya sea mediante la instalación de múltiples estaciones terrenas, ya integradas con otro sistema. Como ya hemos dicho, las correcciones de GPS diferencial las tranmiten los pseudosatélites, que se pueden instalar cerca o lejos del receptor de referencia. Si están cerca, ambos comparten antena, permitiendo su autocalibración, y si no el receptor de referencia debe enviar las correcciones al pseudosatélite, el cual se auto corrige para sincronizarse con el receptor. El pseudosatélite puede entonces tranmitir esas correcciones modulándolas sobre las señales GPS. Si solamente se dispone de un pseudosatélite en la región local es preferible colocarlos juntos para tener visión directa de ambos. Si se dispone de más de uno, el receptor se puede colocar lejos pero común a ambos, para tener una sola fuente de sincronización. Para visión directa se puede tener el receptor incorporado a uno de los pseudosatélites y así los restantes pueden ser monocanal. INTEGRACIÓN DEL GPS CON OTROS SISTEMAS GPS vs. GLONASS: GLONASS (Global Navigation Satellite System) es el sistema ruso de navegación por satélite. Se presentó en 1982 proporcionando precisión de 100 metros aunque pruebas posteriores demostraron que la precisión era mejor que la prevista. Aunque por si solo tampoco proporciona una precisión suficiente para aviación civil en toda la superficie del globo, organismos como la ESA o INMARSAT están estudiando su integración para conseguirla. El principal problema es la implementación de un receptor que incluya ambos sistemas pues presentan notables diferencias. Por ejemplo las señales transmitidas: las efemérides del NAVSTAR son parámetros geométricos y angulares mientras que los del GLONASS informan de la posición, velocidad en 3D y aceleración. También son diferentes las referencias de tiempo, tomándolas de la UTC (Universal Time Coordination) 17 y de la hora de Moscú respectivamente. A pe ar de todo. firmas como Magnavox. El Instituto Ru so de R adionavegación y Tiempo y Aerodata en Aleman ia ya ti enen en el mercado rece pt or es integrando a mbos sistema . Se han realizado t es ts de vuelo que demostraron que GLO ASS da mejor resultado en la di sponibilidad y la geometr ía en alg un as áreas del globo como Europa y América del Norte. paradójicame nt e. NA YSTAR e co mp o rt a mejor en la regiones ec uato ri al es debido a la propia distribu ción de los saté lit e. Dada la falta de exactitud en la p os ición en el DG PS . parece ser que una integr ac ión de a mb os siste ma s es la opción má s válid a en av i ac ión civ il. GPS int eg rado con un sist ema inercial: Como hemos come nt ado , el DGPS no consigue simultáneamente los requis it os exig id os pa ra sistem as de aterrizaje ( pr ec isió n, in - te gridad y f un ciona mi e nt o continuo). Es to se debe al e nm ascara mi e nt o m ome nt áneo o al fa ll o de alg ún satélite o en ma ni obr as con aceleracione s. Se ha comprobado con es tudi os teóricos que la integr ac ión del GPS con un siste ma in ercial proporcion aría un a precisión en la po sición con sta nt e, dando re sultados tan bu enos como al usar l LS o MLS. Ambos sistem as son dual es en su funci o na - mi ent o: mi entras el in ercial, con g ir óscopos y acelerómetro s, ac umula errores a largo pl azo pero da la inform ac ión rápidame nt e, el DGPS pu ede gara nti zar uf! a precio ión dada a largo pl azo. Los es tudios teóricos han s id o corroborados por tests de v uel os in - corpora nd o el INLS (/l1l egra led Navigarioll & L andin8 Sy slem). El DGPS asegura un a precisión de I metro, mi entr as un filtrad ode Ka lm an detecta y elimina er rores a co rt o plazo, deb id os al sistema in ercia l. qu e aseg ur a por su parte continuid ad de fu ncionamie nt o. PORTABILIDAD Y EXCU RSIONISMO Con la aparición de recepto re s de ba jo peso y vo lumen. a lt ame nt e portát il es (s in olvidar la re du cción de su pr eci o) el u so del GPS se ha ex ten- 18 dido a exc ur sio ni s ta s. cazado re s y alpinist as. Su utilidad se centra en aumentar su seguridad en terrenos descon oc id o ya que su posición pu ede er determinada de forma rá id a y re cisa. inclu so en condicione adversas de baj a visibilid ad como niebla. ni eve o ausencia de lu z al ar. En 1 99 1 aparece un receptor de Sony de cuatro canal es con un pe so de 0. 68 K g. Y un precio de . 1 395 con el que pu eden calc ul ar se di stanci as desde la po . ición inicial a destino y el cu al es capaz de mostrar en panta ll a el camino recorrid o. Poste ri o rm e nt e aparecen otros receptores de cinco canales (recordemos qu e este último canal se utili za co mo bu sca del siguiente saté lit e del vi tales» de ve híc ul o ... y como n o. de g ui arnos mediante símbolos en pantall as de cristal líquido o voz iendo capaz de elegir ruta alternati va . hasta llegar al destino introducido rev iame nt e por el conducto r. La f un ción del GPS consiste en detectar la po sición del ve hículo. la cual se procesa en el o rd enador de a bo rd o y se compara con un mapa electró ni co ubicado en memo ri a. Otras aplicaciones de ri vadas del posicionamiento de ve hí cu lo son: -Mo nit a ri zación constante del a ut omóv il a partir de la posición of rec id a por el rece pt o r. Satélite del siste ma G PS (Global P os itioning S ys t em) que se tendr án que recibir dato s) que se co mb inan con ordenadores portáti les. Es te es el caso del modelo 95 LX Palmtop de H ew le tt -Packard. LOCALIZACI ÓN Y GU I ADO DE A TOMÓY IL ES El sistema GPS se e nm arca dentro del I. Y. H .S . (lnl e lli ge l11 Ve hi cfe Hi ghway Svs lem ), un automóvil capaz de identificar al usuario. acl imatar el hab it ác ulo a la tempe ratura deseada. proporcionar comunicación con el exte ri or media re telefonía móv il , in formar me di an te síntesis de voz acerca de l as «constantes -Sistemas de co nt ro l de ve h íc ul os l os cual es in c lu yen. a partir de lo s dat os GPS procesados alguna in - dicaci ón visual o auditiva, como por ejemplo el aj uste au tomá ti co de la ve loc id ad en caso de detectarse ve l ocidades demasiado a lt as. -Administración de l as rutas: Se in c lu ye n aquÍ l as decisiones tomadas por el ordenador de navegación ta l es co mo camino a seguir. indicaciones de d ir ección an te cruces contl ic ti vos. e tc . tanto en situaciones normales como eventuales ( mal ti empo. tr af ico conges ti onado). Se requiere reci bir constantemente. además de B URAN N° 6 DICIEMBRE 1 995 la posición del vehículo, información relativa al estado del tráfico,disposición de mapas electrónicos y un interface con el conductor que sea capaz de dar las instrucciones oportunas sin distraer su atención por lo que, en general, se han preferido los sintetizadores de voz a las indicaciones gráficas en un L.C.D. -Administración de las flotas: Mediante mapas, bases de datos y algoritmos de optimización de rutas se busca incrementar la productividad de una flota de automóviles, reducir tiempos de espera,etc. La navegación en automóviles está basada fundamentalmente en dead-reckoning y map-matching; en ambas técnicas el sistema GPS es fundamental para obtener la posición base y tomar las medidas oportunas. Dead-reckoning consiste en determinar la posición a partir de un punto inicial de gran exactitud e integrando sucesivas medidas de posición en la dirección en la que se dirige el móvil. Los sistemas tradicionales de dead-reckoning de basan en contar giros de las ruedas y determinar la dirección a partir de una brújula electónica y tienen como gran inconveniente la acumulación de errores. Con el GPS esta posición es constantemente determinada y se obtienen errores por debajo de los 50m. si se usa el código CIA. Sin embargo el inconveniente del GPS se produce cuando se circula por ciudad, conde los edificios producen discontinuidades en la recepción del señal con lo que es necesario complementar este sistema con otro clásico para aplicaciones donde la monitorización constante sea crítica. El map-matching exige, primero, una gran precisión en cuanto a posicionamiento y segundo la disponibilidad de mapas de carreteras digitalizados en memoria. En este sentido, dicha exigencia ha supuesto un gran impacto en el campo de la cartografía en el que han aparecido los nuevos mapas en CD-ROM. En el map-matching se compara la ruta trazada por el vehículo con los mapas de carreteras en memoria: así se asocian constantemente características mateIlláticas (vector dirección, posiciones ... ) de la trayectoria del automóvil con aquellas asociadas a la base de datos del mapa digital al igual que un conductor lo haría entre los lugares observados y las características dibujadas en el mapa. Por otra parte, aunque la precisión del GPS junto con los algoritmos de postprocesado es generalmente suficiente, es necesario incrementarla en algunas aplicaciones de map-matching, empleando el GPS diferencial. Las propuestas para el envio de la información correctora del DGPS son: -el uso del sistema europeo RDS, que permite comunicación unidireccional a través de un canal digital adyacente a los canales de FM, mediante la modulación de una subportadora. -el uso del estándard europeo GSM para telefonía móvil celular, a través de alguno de sus canales de señalización. -el estándard Mobitex para el envio de paquetes de información a móviles. Sin embargo la utilización de este sistema GPS diferencial en grandes áreas puede resultar inútil si se confirma la propuesta de, para el año 2000 y por razones comerciales, no interferir sobre el código CI A mediante la Selective Availability, o de dar libre acceso al código P, debido al gran d~ollo logrado por el GPS. En cuanto al mercado existente, en 1991 Japón vendió unos 280.000 sistemas, integrados como una parte más del automóvil, la mayoría instalados en modelos de la gama alta de Toyota, Nissan, Mazda, Mitsubishi y Honda; mientras que el número de sistemas vendidos en Europa y EE. Uu. conjuntamente no llegó a 24.000. En este sentido cabe destacar el sistema Electro-Multivisión de Toyota (1994) que muestra la posición en un monitor de cristal líquido a color, por el que también se posibilita la recepción de emisiones de TV. y que, además es capaz de calcular la ruta a un destino mostrándola en pantalla, y mediante voz sintetizada guiar al conductor (incluso se muestran imágenes de la parte trasera del • BRANCA D'ESTUDIANTS DE L'IEEE DE BARCELONA coche tomadas por una micro-cáma- ra exterior). En EE. UU. Chrysler desarrolló en 1991 una unidad experimental basado en GPS (CLASS) que se ayudaba de odómetro y brújula en caso de pérdida del satélite. El proyecto CLASS se espera que esté acabado para mediados de 1996 y su coste en el mercado será entre 1.500 y 2.000 dólares. Otros sistemas desarrollados son el Ai-NET de Alpine Electronics of America Inc. que usa conjuntamente módulos de reconocimiento y síntesis de voz con el sistema de audio del coche, mientras que un lector CD puede leer indiferentemente o bien música o bien mapas CD-ROM; su precio ronda los 2.000 dólares. En Europa el primer sistema que apareció en el mercado fue el Travelpilot desarrollado por Blaupunkt de Bosch, con la implantación inicial únicamente en Francia, Alemania y Holanda. En el sistema el conductor tiene disponibles una serie de menus seleccionables mediate botones en una pantalla LCD. Seleccionando el control de navegación se presentan en pantalla una serie de indicaciones gráficas que nos van conduciendo a través de la mejor ruta calculada, a la vez que la voz del ordenador informa, instantes antes de los cruces, cuando se debe girar. Si el conductor no sigue las indicaciones del ordenador, éste recalcula la mejor ruta para llegar al destino. LOCALIZACIÓN DE TRENES El GPS se ha experimentado también en el seguimiento de trenes; en este sentido cabe destacar el sistema ARES, experimentado por Burlington Northern Railroad Co. A través de un pequeña antena, el receptor Navcore, utilizando el código CI A, determina la posición, velocidad y tiempo, información que es mostrada en una pantalla CRT tanto a bordo del tren como en el centro de operaciones a través de un enlace digital de RF. Así con ARES se obtiene una gran precisión, con lo que se permitiría a través del enlace controlar el tren automáticamente y monitorizar, via radio, y en la estación de control, el 19 estado de la locomotora mediante varios ensores instalados en ést a. NÁUTICA Lo receptores GPS se han in talado hasta el momento en muchos cargueros, petroleros y barcos de pasajeros transoceá ni cos, pero se e pera que con el descenso de los precios de los sistemas GPS menos sofisticados su uso se ex ti enda hacia el gran mercado que suponen las embarcaciones de recreo. CONCLUSIONES Si la industria es capaz de cr ea r me jo res e nl aces co n o tr as t ec nologías: co muni cac iones. bases de dat os, pr ocesa miento de la inf orm ació n, se n so r es físicos , visua li zadores el ec tr ó ni cos , etc. par a exp lot ar t odo el potencial del GPS , estab l ece r estándar es clar os y métod os de t est unificado s para eva lu ar el co mport ami ento del hard wa re y el software de l os e quipo s de t odas las lín eas de producto s y de seg uir r ebaja ndo el pr ec io de es t os equip os el futuro que espe ra a este siste ma es muy prometedor: en 1 99 1 las ventas de r ecep t ores G PS r epor taron un os 70 mi 11 0- n es de dólare s, y se es pera que para 1 996 aumenten ha sta los 1.200 mill ones de dólares. La s ap li cac iones de este sistema ayudarán a reducir las distancias entre las personas, tanto por hacer l os viajes más rápidos, sencillos y se..g uros, como por enseñar indirectamente a la ge nt e que todos somos vec in os globales. La ciencia, la industria y millones de usuari os individuales se beneficiarán enorm emente del de sarro ll o del GPS. BIBLIOGRAFÍA BROQUETAS IB A RS , A. y ELÍAS F STÉ, A.: R adi o localilz ac i ó, Inl ensificació: Tran sp arencie s de Radionavegació, CP ET , 1995 DAHER, j. k. el a l. : An Eva lu a li on of lhe Radio Frequency Suscep ti bi lt y of Co mm ercia l GPS R ece ivers, I EEE Aerospace and Elec /r onic Syslems Ma - gazine, OC lOb er 1994 20 AC KR OYD. N. Y LORIMER. R.: Gl obal N av iga li on. A GPS User' s Guide. L/oyd's of Lo ndon Press LTD .. 1990 HUR N. J .: GPS Dife ren cial explicado clarame nt e. Tr i lll ble Na\·igalion. 1 993 VIEWEG. S. y LECHI ER. W. : A GPSI GLO ASSIINS Tesl Pr ogra mo IEEE Aerospace and El ec rr onic S YS lems Maga~ in e. Julv 1994 PARKINSON. B. W. : GPS Accuracy and R eli abiliry Improved Wilh Pseudoliles, Mi cro wa ve S ys lems N ews , NO l' e mb er 1 984 FIGUERAS. M .: GPS. un g ran paso al fururo , Ná llli ca, 1 99 1 STANSE LL . T. A. 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