El receptor produce una secuencia C/A para un satélite específico con un generador interno de código C/A, los receptores modernos almacenan en memoria un conjunto completo de secuencias C/A precalculadas aunque también distintos se puede utilizar un sistema hardware de registros de desplazamiento
El generador de código produce una secuencia
de 1023 chips diferente para cada selección de muestreo de fase
(Phase Taps Setting). En una implementación por registros de desplazamientos
los chips de código se generan cada impulso del reloj que controla
los registros de desplazamiento. En un modelo mantenido en memoria los
chips son recuperados directamente de esta. El generador de código
C/A repite la misma secuencia de 1023 chips de código pseudoaleatorio
cada milisegundo. Se han definido códigos pseudoaleatorios para
32 números de identificación de satélite.
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El receptor va desplazando una copia de código hasta que hay correlación con el código del satélite. Si el receptor aplica un código PRN distinto del de un satélite no habrá correlación.
Cuando el receptor utiliza el mismo código que el del satélite el código empieza a correlacionarse y se comienza detectar algo de nivel de señal.
El receptor de GPS utiliza la potencia detectada en la señal
correlacionada para alinear el código C/A del receptor con el del
satélite. A menudo son comparadas dos versiones de código
C/A para asegurarse de mantener el sincronismo.
Para demodular el mensaje de 50 Hz de navegación de la señal
GPS se utiliza un PLL que permita controlar medio ciclo tanto positivo
como negativo (biPLL). El mismo PLL puede ser usado para medir y sincronizar
la frecuencia portadora (el desplazamiento por efecto Doppler) y monitorizando
los cambios del oscilador controlado numéricamente, la fase y frecuencia
de la portadora pueden ser sincronizada s y medidas.
El comienzo del código PRN en el receptor en el momento de completa correlación coincide con el instante de llegada (TOA Time Of Arrival) de la señal PRN del satélite al receptor. Este instante de llegada es una medida de la desviación del reloj del receptor respecto del reloj del satélite, a esta medida se le denomina pseudo-rango.
Se utilizan cuatro satélites para determinar una posición
en tres dimensiones y tiempo (modo de navegación normal). Las posiciones
son calculadas en el receptor con origen en el centro de la tierra, este
sistema de coordenadas se conoce como coordenadas ECEF XYZ (Earth-Centered,
Earth Fixed XYZ)
Mediante el uso de los datos de tiempo, se puede corregir el ajuste
del reloj del receptor, permitiendo a los fabricantes el uso de relojes
económicos.
La posición de cada satélite es calculada a partir de
los pseudo-rangos, la corrección de reloj y los datos de efemérides.
La posición del receptor es calculada a partir de la
posición de los satélites, la medida de los pseudo-rangos
(corregidos con los ajustes de reloj, retrasos ionosféricos, y efectos
relativistas) y la posición estimada del receptor (normalmente la
última calculada).
También pueden usarse tres satélites para determinar
una posición de tres dimensiones mediante un receptor con un reloj
altamente preciso. En la practica esto es raramente posible y se utilizan
tres satélites para el cálculo de posiciones en dos dimensiones,
los cálculos horizontales (en latitud/longitud) parten de una altura
asumida. Esto es a menudo posible a nivel del mar o mediante el uso de
altímetros.
Con cinco o más satélites se pueden calcular posición
y tiempo redundantes. De esta manera se pueden obtener estimaciones de
posición con mayor certeza y se pueden detectar señales con
tolerancia desbordada bajo ciertas circunstancias.
2.6.3. - Posición, velocidad y hora del receptor
La posición en formato ECEF XYZ es convertida en latitud, longitud
y altura geodésicas en el receptor.
La Latitud y Longitud son generalmente calculadas basándose
en el Datum geodésico WGS84 en que el GPS se basa. Los receptores
también pueden ser configurados para calcular la posición
mediante un Datum requerido por el usuario. Si se utiliza un Datum erróneo
pueden producirse errores de unos cientos de metros.
La velocidad es calculada a partir de cambios de posición
en el tiempo, el efecto Doppler de las señales de los satélites
o ambos.
Los tiempos calculados son de los satélites, del receptor
y UTM.
El tiempo de satélite es mantenido en cada satélite,
cada unos de ellos incorpora cuatro relojes atómicos (dos de cesio
y dos de rubidio). Los relojes de los satélites son monitorizados
por las estaciones de tierra que en ocasiones los reajusta para mantener
el error de cada reloj de los satélites dentro de 1 milisegundo
del tiempo de GPS. Los bits de datos de corrección de reloj representan
el desfase de los relojes de cada satélite respecto del tiempo de
GPS.
El tiempo de satélite es obtenido de la señal de GPS
en los receptores. Las tramas de datos llegan cada 6 segundos y contienen
información para calcular el tiempo semanal en los siguientes 6
segundos. La secuencia de datos de 50 Hz se alinea con las transiciones
de código C/A de forma que el momento de llegada de un flanco de
un bit de datos (en un intervalo de 20 milisegundos) resuelve el pseudo-rango
al milisegundo más cercano.
La distancia aproximada al satélite soluciona la ambigüedad
de 20 milisegundos y la medida del código C/A representa el tiempo
en fracciones de 20 milisegundos. Con varios satélites y una solución
de navegación (o una posición conocida para un receptor de
tiempo) se puede conseguir ajustar la hora del satélite con una
precisión limitada por el error de posición y el error de
pseudo-rango para cada satélite. Finalmente el tiempo de satélite
es convertido a tiempo de GPS en el receptor.
EL tiempo de GPS un cálculo sobre el papel del reloj de
la estación de control maestra y de los relojes de los satélites.
El tiempo de GPS es medido en semanas y segundos partiendo de las 24:00:00
horas del 5 de enero de 1980 y es mantenido dentro de un microsegundo de
UTC. EL tiempo de GPS no tiene saltos y va adelanto algunos segundos respecto
al UTC. La hora en coordenada universal (UTC Universal coordinated time)
es calculado a partir del tiempo de GPS usando las correcciones UTC que
se envían como parte de los datos del mensaje de navegación.
En la transición de la 23:59:59 del 31 de diciembre de 1998 a las
00:00:00 del 1 de enero de 1999 (UTC) el tiempo UTC se retrasó un
segundo respecto del de GPS, de forma que el tiempo de GPS quedó
adelantado13 segundos respecto al de UTC.
2.6.4. - Seguimiento de fase de portadora (vigilancia)
El seguimiento de fase de las portadoras de las señales
de GPS ha revolucionado la vigilancia de la superficie terrestre. No es
necesaria disponer de visual a lo largo de la superficie para un
posicionamiento preciso. La posición puede ser medida hasta una
distancia de 30 Km desde un punto de referencia sin necesidad de puntos
intermedios. Este uso del GPS requiere receptores equipados con seguimiento
de portadora especiales. Las portadoras L1 y/o L2 son usadas en este tipo
de vigilancia. La portadora L1 tiene una longitud de onda de 18 centímetros.
Si seguimos y medimos esta portadora puede proporcionar rangos de medida
con precisión relativa en torno a milímetros trabajando bajo
condiciones especiales.
El seguimiento de portadora imposibilita la transmisión
de información. Las señales, aunque son demoduladas con códigos
binarios de tiempo, no incluyen información que puedan distinguir
unos ciclos de otros. Las medidas usadas en seguimiento de fase son diferencias
en ciclos de portadora y pequeñas fracciones de ciclo en el tiempo.
Al menos dos receptores siguen las portadoras al mismo tiempo. El retraso
ionosférico en ambos receptores debe ser lo suficientemente pequeño
para asegurar que los ciclos de portadora son contados correctamente. Esto
normalmente requiere que ambos receptores se encuentren a una distancia
máxima de unos 30 Km. La fase de la portadora es seguida en
ambos receptores y los cambios en la fase son registrados a lo largo del
tiempo en ambos receptores.
Los seguimientos de fase de portadora son siempre diferenciales,
por lo que se requiere que tanto el receptor remoto como el de referencia
sigan las fases a la vez.
A menos que los receptores remotos utilicen las portadoras L1
y L2 para cuantificar el retraso ionosférica, ambos receptores deben
encontrarse lo suficientemente próximos como para asegurar que este
retardo es menor que la longitud de onda de la portadora.
Usando las medidas sobre L1 y L2 y observaciones durante periodos
de tiempo prolongados, se pueden obtener posiciones relativas de puntos
fijos sobre distancias de cientos de kilómetros. Los cambios de
diferencia de fase en los dos receptores son reducidos mediante el uso
de programas que determinen la posición en tres dimensiones entre
la estación de referencia y el receptor remoto, de esta forma se
pueden obtener medidas de alta precisión (por debajo del centímetro).
Los problemas aparecen por la dificultad de seguir las señales
con ruido o cuando los receptores se mueven. Dos receptores y un satélite
proporcionan resultados en diferencia simple. Si se usan dos satélites
se obtiene diferencia doble. El postprocesado de los registros de seguimiento
de fase puede proporcionar posicionamiento de 1 a 5 centímetros
con distancias de 30 kilómetros y periodos de medida de entre 15
minutos (para 10 Km) y una hora (30 Km).
Para una medición más rápida se pueden conseguir
precisiones de 4 a 10 cm en mediciones de 15 minutos si la distancia entre
las dos unidades es de un kilómetro. Con el empleo de Kinemática
en tiempo real se pueden conseguir medidas centimétricas en tiempo
real con distancias de 10 kilómetros mediante seguimiento de cinco
o más satélites y enlaces a tiempo real entre la estación
de referencia y los receptores.
