DIPLOMADO EN SEGURIDAD PRIVADA INTEGRAL NOMBRE DEL MÓDULO: Aplicación de los Sistemas tecnológicos en seguridad NOMBRE DEL DOCENTE: Cristián Gálvez Vergara
UNIDAD TEMÁTICA EL SISTEMA DE POSICIONAMIENTO GLOBAL (GPS)
I.- INTRODUCCIÓN:
La necesidad de conocer nuestra ubicación sobre la superficie de la tierra, nace de la natural inquietud del conocimiento humano, del desarrollo del hombre y de la tecnología para conocer, con la mayor certeza posible, donde estamos y cómo podemos gestionar por medio de la tecnología, un sistema de búsqueda y ubicación aplicable a muchas actividades del hombre.
Con el advenimiento de la era de los satélites, actividades tan notables como las telecomunicaciones, la fotografía satelital o la meteorología, tuvieron una avance notable. El uso masivo de satélites, permitió además, pensar en un sistema de posicionamiento y navegación para ser empleado casi en cualquier punto de la tierra. En este contexto, la posición de un buque en el mar, de un vehículo sobre la superficie de la tierra o de una persona, constituye un conocimiento de alta necesidad para poder gestionar, por ejemplo, los sistemas de transporte.
Algunas de las interrogantes antes descritas las buscaremos durante el desarrollo de este escrito, de manera de que, por medio de las principales características que constituye el sistema de posicionamiento global o GPS, podamos determinar su mejor empleo para complementar un sistema de seguridad.
II.- DESARROLLO:
El GPS, por sus iniciales en idioma inglés corresponde a Global Positioning System, (GPS) o Sistema de Posicionamiento Global, siendo su sigla correcta de acuerdo al nombre originalmente dado, NAVSTAR-GPS.(Navigation System with Timing And Ranging Global Positioning System). Este sistema corresponde a proyecto global de navegación por satélite
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o GNSS (Global Satellite Navigation System) que continuamente emite información codificada con la cual se hace posible conocer permanentemente ubicaciones sobre la tierra de naves, vehículos, aviones y personas, con una precisión de hasta centímetros, por medio de la técnica de efectuar mediciones de distancia desde los satélites que constituyen la constelación de satélites GPS.
La constelación GPS, que tal como ya señaló, corresponde a satélites de un proyecto del Departamento de Defensa de Estados Unidos de Norteamérica consistente en 27 satélites (24 operativos y 3 de respaldo) los cuales transmiten señales de radio de muy bajo poder permitiendo que cada persona que posea un receptor comercial, tenga la capacidad de recibir estas señales y, por ende, conocer su ubicación sobre la tierra por medio del procesamiento de las señales emitidas.
Figura 1: Constelación de satélites que forman el sistema GPS
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El sistema GPS fue un proyecto de alto monto, llevado a cabo por USA, país que se hace cargo de su mantención y actualización, lo cual incluye el lanzamiento de nuevos satélites que permiten mantener el servicio. Aplicabilidad:
Las prestaciones del GPS son muy variadas, tanto en tierra, aire o mar. Una de las características del sistema, es que los receptores permiten almacenar la posición de localidades o lugares en la tierra, ayudando por ende a efectuar una navegación o tránsito a cada uno de dichos puntos previamente almacenados. Estos puntos reciben el nombre de waypoints.
El GPS puede ser usado prácticamente en cualquier lugar de la tierra, excepto en aquellos donde no es posible recibir la señal satelital, tales como en edificios, cuevas, estacionamientos interiores, bajo el agua, etc. Las aplicaciones más comunes en el aire corresponden a la navegación aérea comercial, en el mar a los buques, y también es posible encontrarlas en teléfonos, equipos de radio y balizas de emergencia. Lo anterior, permite que, adicionalmente a recibir una señal, los dispositivos antes nombrados puedan entregar la información de cuál es su posición en la tierra y, de esta manera, gestionar un sistema de ubicación para fines de logística o seguridad.
Las aplicaciones en la tierra son muy variadas. Es usado ampliamente para la comunidad científica, por organismos de seguridad, por servicios de encargos de vehículos etc.
Segmentos del GPS
El sistema de navegación GPS posee tres denominados sectores o segmentos en los cuales se producen las diferentes acciones que, en su conjunto, comprenden el sistema GPS, los cuales se describen a continuación:
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Segmento espacial: El segmento espacial, consiste en la constelación de 27 satélites ya señalados, constituyendo el corazón del sistema, por cuanto es a través de estos equipos donde se produce el procesamiento de las señales. Los satélites están ubicados en una orbita alta, aproximadamente a 20.000 kilómetros de la superficie de la tierra, lo cual les permite cubrir una amplia 3
área de cobertura. Los satélites están configurados para circular en una órbita particular cada uno, de manera de que cada receptor ubicado en la tierra, puede recibir siempre al menos 4 satélites de esta constelación. El primero de los satélites GPS fue lanzado en 1978, alcanzándose la totalidad de los satélites comprendidos en la constelación, en el año 1994. Cada transmisión de satélite, tal como ya se señaló, constituye una transmisión de bajo poder las cuales son efectuadas en varias frecuencias designadas con la denominación L1, L2, L3 etc. Los receptores comerciales “escuchan” estas emisiones en la frecuencia L1 que corresponde a la frecuencia de 1.575,42 MHz. Las señales viajan a través del espacio en línea de vista desde el satélite hacia los receptores, lo cual implica que dichas señales pueden pasar a través de vidrios, nubes o plástico. Sin embargo, no pueden pasar a través de la mayoría de los materiales sólidos, como edificios y montañas. La frecuencia L1 posee 2 códigos de información, denominados “código protegido”, el cual corresponde a una señal encriptada o protegida y un “código de adquisición bruta”. Cada señal de satélite transmite los códigos antes señalados de manera única y exclusiva, permitiendo que cada receptor de GPS reconozca y, por ende, identifique las señales correspondientes a dicho satélite. La principal función de estas señales codificadas es permitir el cálculo del tiempo de ellas desde el satélite hasta el receptor. El mensaje de navegación transmitido por cada satélite, no es otra cosa que la información contenida en la transmisión la cual contiene la información de su órbita y la información del reloj del satélite.
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El Segmento de control satelital: El segmento de control hace lo que su nombre indica, vale decir controla el comportamiento de la constelación de satélites, efectuando su seguimiento y proporcionándoles información actualizada y corregida acerca del tiempo y de su órbita. Hay cinco estaciones de control en el mundo, las cuales se encuentran ubicadas en Kwajalein, (Pacífico Sur), Hawai, Isla Ascensión, Isla Diego García en el Océano Indico y Colorado Springs en Estados Unidos de Norteamérica. De estas estaciones, las primeras cuatro son estaciones automáticas y sin dotación de personal y la estación de Colorado Springs, corresponde a la Estación Principal de Control. Las cuatro estaciones sin dotación de gente, constantemente reciben datos de los satélites y envían esta información a la Estación principal de control, la cual corrige los datos y por medio de la transmisión de señales, envía mensajes de corrección para actualizar la información de cada satélite.
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El segmento de usuario: El segmento de usuario, corresponde a las personas que utilizan los beneficios del GPS. Tal como se señaló, este segmento está 4
constituido por los dueños de yates, pilotos, cazadores, aviadores, científicos, militares, organismos de seguridad y, en general, cualquier persona que utilice un dispositivo receptor de GPS. Cómo trabaja el GPS:
Cada receptor de GPS necesita saber dos cosas principales: donde están los satélites y cuál es la distancia a la cual se encuentran.
En primer lugar, el receptor conoce donde están los satélites en el espacio gracias a la ya enunciada recepción de los códigos contenidos en la transmisión de los satélites. Un tipo de esta información se denomina “almanaque”, la cual contiene la posición aproximada de los satélites. Esta data es continuamente transmitida y almacenada en la memoria de cada receptor de GPS, de manera que cada receptor conoce la órbita de los satélites y, por ende, la ubicación donde se supone que cada satélite debe estar. Lo datos del almanaque son permanentemente almacenados con información actualizada en la medida que los satélites se mueven en su trayectoria.
En atención a que cada satélite puede desviarse levemente de su trayectoria, los datos de la órbita, la altura, la posición y velocidad de cada satélite, son monitoreados permanentemente por la estación de control, las cuales alimentan a la estación principal (Colorado Springs), la cual envía a los satélites datos corregidos acerca de su posición. Los datos corregidos de posición son denominados “efemérides”, los cuales son válidos por aproximadamente 6 horas. Esta información corregida también es transmitida a los receptores comerciales de GPS, los cuales gracias a la recepción tanto del almanaque como de las efemérides, pueden conocer permanentemente la posición de los satélites.
Para permitir un conocimiento exacto de la posición de un receptor GPS sobre la tierra, la medición del tiempo es fundamental. En efecto, en atención a que cada receptor conoce la posición precisa de los satélites en el espacio, todavía se necesita conocer cuál es la distancia a la cual se encuentran los satélites de la tierra. Este dato puede calcularse a partir de la simple fórmula:
Distancia=Velocidad x Tiempo
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En jerga de GPS, el dato del tiempo indicado, se denomina “tiempo de arribo” y se calcula usando el dato conocido de la velocidad de las ondas de radio en el espacio que es de 300.000 kilómetros por segundo (que es la misma velocidad de la luz) y el dato del tiempo. El dato del tiempo se obtiene mediante el empleo de un código transmitido por cada satélite denominado código “seudo aleatorio”. Este código, además, es emitido por cada receptor, de manera que cuando recibe el código de un satélite, cada receptor compara ambos códigos para determinar cuánto tiempo se requiere para adelantar o retrasar su propio código para que sea coincidente con el del satélite. Este tiempo, corresponde al denominado tiempo de arribo y se multiplica por la velocidad de la luz para obtener la distancia a la cual se encuentra cada satélite.
En atención a que el receptor GPS no posee un reloj atómico, tal como poseen los satélites, aparentemente ambas mediciones de tiempo no podrían ser comparables dadas las diferencias de sus exactitudes. Además, colocar un reloj atómico haría a los receptores de GPS inalcanzables para su explotación comercial masiva. Sin embargo, aún es necesario efectuar las correcciones necesarias en el reloj interno del receptor GPS y esa es la razón por la cual se requiere un mínimo de 4 informaciones de satélite para efectuar, mediante comparación la señalada corrección.
Una vez con los datos de distancia y la ubicación de los satélites el receptor puede determinar una posición. Por ejemplo, si estamos a 20.000 kilómetros de un satélite, nuestra ubicación podría estar en cualquier punto ubicado a 20.000 kilómetros de distancia de dicho satélite. Si al mismo tiempo estamos a 12.000 kilómetros de otro satélite, nuestra posición estará tanto a los 20.000 kilómetros del primero, pero también a los 12.000 del segundo. En este caso pueden existir dos puntos distintos que cumplan con ambas condiciones.
Si esta combinación le agregamos un tercer satélite, este punto se reduce a uno solo.
La siguiente figura muestra el método de obtención de la posición en un plano de dos dimensiones:
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Punto 1
Punto 2
2 D Punto único
Figura 2: método de cálculo de la posición en un plano de dos dimensiones
Sin embargo, el problema de la obtención de la posición en la superficie de la tierra se refiere a un plano de naturaleza esférica, en donde el problema de la posición se resuelve de la siguiente forma esquemática:
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Figura 3: resolución del cálculo de la posición en un plano esférico
Cada uno de los tres satélites de la figura se encuentra a una determinada distancia de la tierra y, mediante la combinación de estas distancias se obtiene un único punto que corresponde a la posición.
Fuentes de errores del GPS
Considerando la electrónica empleada, así como la transmisión de señales a través del espacio, existen varias fuentes de errores en un GPS:
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Demoras en el paso de la ionósfera y la tropósfera: La señal del satélite sufre un retardo durante los pasos de las capas atmosféricas. El sistema usa un modelo de construcción interna, que calcula un promedio de la demora, aunque no exacta.
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Rebotes de señal: ocurre cuando la señal del GPS es reflejada en objetos como edificaciones o largas estructuras de rocas, antes de que llegue al receptor, lo cual ocasiona un aumento en la medición del tiempo de arribo y, por ende, causa errores.
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Errores en el reloj del receptor: tal como se dijo previamente, a diferencia del satélite, un receptor comercial de GPS no posee un reloj atómico y, a pesar de tener un reloj altamente preciso, éste no está exento de errores.
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Errores orbitales: también conocidos como errores de efemérides, los cuales son errores en la recepción del reporte de la posición de los satélites.
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Número de satélites visibles: Para determinar una posición precisa, en la medida que más satélites se emplean, mejor en la exactitud. Las construcciones, materiales sólidos, vegetación o interferencias electrónicas afectan la calidad de la señal recibida causando errores en la posición recibida. Normalmente, los receptores GPS no trabajan en recintos cerrados, en subterráneos ni bajo el agua.
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Geometría de los satélites: se refiere a la posición relativa que poseen los satélites con respecto al receptor. La mejor geometría se refiere cuando los satélites empleados para fijar la posición poseen grandes ángulos de separación entre sí. Una geometría pobre se obtiene cuando los satélites está en línea o agrupados en un sector del cielo.
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Degradación intencional de la señal de satélite: Se refiere a la degradación efectuada por el administrador del sistema y se conoce como “disponibilidad selectiva” y tiene por objeto evitar el uso de la exactitud del GPS para ataques por parte de fuerzas adversarias. El mayor error que posee la señal se debe a esta degradación, aún cuando fue eliminada a contar del 2 de Mayo del 2000 y, aparentemente, no está activa. Lo anterior significa que es posible esperar exactitudes en la posición de un receptor, en el orden de 6 a 12 metros.
Mejoras en la recepción de GPS
A diferencia del listado de errores típicos del GPS, existe una forma de mejorar la exactitud de la recepción y determinación de la posición de un GPS. Esta forma es denominada GPS diferencial o DGPS.
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El GPS diferencial trabaja empleando un receptor GPS, denominado “estación de referencia”, instalado en un punto conocido de la tierra (por ejemplo una estación o cota geodésica SHOA o IGM). En atención a que la estación de referencia conoce exactamente su ubicación, es posible determinar cual es el error medido entre su posición y aquella que indican los satélites, mediante la comparación de las distancias obtenidas por la recepción de las transmisiones de los satélites con aquellas determinadas gracias al conocimiento de su punto exacto en la tierra. La diferencia entre lo obtenido, versus lo medido para cada satélite, es conocido como “corrección diferencial”. Esta corrección es transmitida o irradiada de forma radial, de manera que cualquier vehículo que la reciba, puede, automáticamente corregir su posición eliminando varios de los errores ya señalados y, por ende mejorando la exactitud de su posición. Una posición GPS con corrección diferencial, puede alcanzar una exactitud de 1 a 5 metros.
Aplicaciones prácticas del GPS
Mapas georreferenciados: Cuando se posee un dispositivo que posee la capacidad de desplegar un mapa de un área determinada, con detalles de calles, rutas u obstáculos y, sobre él, montar la recepción de un GPS, es posible obtener un mapa para gestionar la ubicación y distribución de, por ejemplo personas, vehículos, buques etc. Esta capacidad permite efectuar un proceso de gestión logística y también un control de un dispositivo de seguridad.
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Figura 4: dispositivo receptor de automóvil, con nombres de calles y capacidad de generar rutas.
Ubicación de personas: Existen dispositivos que permiten la ubicación permanente de personas. Un ejemplo, extraído de un blog se refiere a continuación: (http://blogs.ya.com/vivientremaquinas/200708.htm):
Las zapatillas con GPS se crearon en la cabeza de Isaac Daniel en el 2002, cuando dieron por desaparecido en el colegio a su hijo de 8 años. Desde entonces no ha parado para dar con el calzado 'encuentra personas'. Se trata de una línea de zapatillas unisex en 19 combinaciones de color dotadas con un 'chip' GPS que se comunica con cuatro satélites internacionales. Las zapatillas con Sistema de Posicionamiento Global (GPS, por su nombre en inglés) se activan mediante un botón que envía una alerta inalámbrica a un servicio de vigilancia de 24 horas para que detecte su ubicación. Y prometen localizar a cualquier persona en cualquier parte del mundo. Salieron en mayo a la venta en Estados Unidos y fueron todo un exito. Antes de la salida al mercado ya había 30.000 encargadas.
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También se puede utilizar de forma externa llamando a la centralita, y así serán estos los que activarán de forma remota las zapatillas, éstas envían la señal y se localiza. Se cargan por USB (el calzado incorpora un puerto MiniUSB para su efecto), con lo que habrá que tener cuidado para no quedarse nunca sin batería. Por ahora, el GPS no se vende suelto, pero la compañía está desarrollando una versión que permite al usuario sacar el 'chip' GPS y colocarlo en otro modelo. Daniel también tiene previsto desarrollar un "zapato con teléfono móvil" y un "zapato con juegos". La versión del "teléfono móvil" tendrá toda la tecnología de un teléfono móvil en el zapato y permitirá al usuario utilizar la tecnología inalámbrica Bluetooth. El "zapato con juegos" actuará como una base de almacenamiento de los juegos del usuario.
Telefonía celular: muchos dispositivos de telefonía celular poseen actualmente un receptor de GPS, lo cual les permite combinar la posición sobre un mapa digital.
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Figura 5: teléfono móvil con GPS para mapas y rutas.
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Figura 6: dispositivo portátil de GPS para múltiples usos
Figura 7: dispositivo portátil de GPS incluido como llavero.
Figura 8: telescopio con GPS, permite ubicar posición de objeto visualizado.
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Figura 9: dispositivo móvil para ubicación de animales.
Figura 10: equipo handy con dispositivo GPS
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III.- CONCLUSIONES:
El GPS corresponde a un sistema de posicionamiento global que permite un empelo casi ilimitado contribuyendo a conocer con exactitud la posición de cualquier objeto sobre la tierra de manera de gestionar su empleo.
En términos de seguridad, su empleo puede estar orientado a la administración del dispositivo y ubicación de personas, algunas veces de manera oculta.
La tecnología puesta a nuestro servicio nos permite simplificar nuestro mundo.
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