Es un informe de geodesia, que cuenta con informacion relacionado a las señales que tiene un gps, asi como tambien los conceptos generales (definicion,caracteristicas,uso,objetivos) que tiene un gps.
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UNIVERSIDAD NACIONAL FEDERICO VILLAREAL
FACULTAD DE INGENIERIA GEOGRAFICA, AMBIENTAL Y ECOTURISMO
ESCUELA DE INGENIERIA GEOGRAFICA
TRABAJO DE INVESTIGACION
“SEÑAL L5 GPS”
CURSO:
GEODESIA
PROFESOR:
DOMINGO ESPINOZA OSCANOA
ALUMNO:
JOEL EGUSQUIZA RUIZ - 2007015662
LIMA-PERU
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1. INTRODUCCION ............................................................................................................3
2. OBJETIVOS....................................................................................................................4
2.1. Objetivo General..........................................................................................4
2.2. Objetivo Especifico......................................................................................4
3. MARCO TEORICO ..........................................................................................................5
3.1. Introducción al GPS.....................................................................................5
3.2. Historia y Desarrollo ....................................................................................5
3.3. Características Técnicas.............................................................................6
3.3.1. Segmento espacial ..................................................................................6
3.3.2. Segmento de Control...............................................................................7
3.3.3. Segmento del usuario..............................................................................8
3.3.4. Características Físicas de los Receptores GPS:....................................9
3.3.5. Funciones Generales de los Receptores GPS: ....................................10
4. RESULTADOS ..............................................................................................................12
4.1. La señal GPS.............................................................................................12
4.2. Señales y Datos.........................................................................................12
4.3. Banda “L” ...................................................................................................13
4.4. Señales de Primera Generación: L1 C/A, L1P (y) y L2P (y) ....................14
4.5. Señal L2C ..................................................................................................15
4.6. Señal L5.....................................................................................................16
4.6.1. Ventajas de la señal L5 .........................................................................17
4.7. Señal L1C ..................................................................................................17
5. CONCLUSIONES...........................................................................................................19
6. DISCUSION DE RESULTADOS ........................................................................................20
7. REFERENCIAS..............................................................................................................21
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1. INTRODUCCION
El presente informe de investigación se realizó con el propósito de conocer sobre la
“señal L5 GPS” además de tener conocimientode los diferentes tipos de señales (civiles
y militares) que hay.
Describir las características que poseen un GPS; el uso y el objetivo que tiene en el
ámbito territorial.
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2. OBJETIVOS
2.1. Objetivo General
Tener conocimientos de las características y funciones de la “señal L5 GPS”
2.2. Objetivo Especifico
Conocer los distintos tipos de señales que tiene un GPS (L1, L2, L5).
Definición de un GPS y la función que cumple.
Descripción de las frecuencias que tiene cada señal.
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3. MARCO TEORICO
3.1. Introducción al GPS
El sistema de posicionamiento global, mejor conocido como GPS (global positioning
system) es un sistema de navegación basado en una red de 24 satélites denominada
navstar, situados en una órbita geoestacionaria a unos 20.200 km de la tierra, y unos
receptores GPS, que permiten determinar nuestra posición en cualquier lugar del
planeta, de día o de noche y bajo cualquier condición meteorológica. Al no haber
comunicación directa entre el usuario y los satélites, el GPS puede dar servicio a un
número ilimitado de usuarios.
La red de satélites es propiedad del gobierno de los estados unidos de américa y está
gestionado por su departamento de defensa (dod).
3.2. Historia y Desarrollo
Dirigido por el Departamento de Defensa de Estados Unidos, el Sistema de
Posicionamiento Global se creó en 1973 para reducir los crecientes problemas en la
navegación, y así poder localizar y manejar sus aviones, buques, vehículos y personal
de tropa para su uso en combate.
En 1980, el presidente Ronald Reagan declaró que el GPS podía ser usado para
cualquier tipo de fin civil. Sin embargo, por razones de seguridad, el GPS de uso civil no
tenía la misma precisión milimétrica del GPS de uso militar. Esto lo lograban mediante
el empleo de interferencias electrónicas, con las que el Pentágono se aseguraba la
exclusividad del pleno acceso a la precisión del GPS. Con esto lograban aumentar el
error nominal en el cálculo de la posición de aproximadamente 15 m. a unos 100 m.
Esto fue hasta el primero de marzo del 2000, cuando el Departamento de Defensa de
Estados Unidos decidió descodificar la señal del GPS, permitiendo a los usuarios civiles
disponer de toda la exactitud que es capaz de proporcionar esta tecnología.
Al ser un sistema que supera las limitaciones de la mayoría de los sistemas de
navegación existentes, el GPS consiguió gran aceptación entre la mayoría de los
usuarios. Desde los primeros satélites, se ha probado con éxito en las aplicaciones de
navegación habituales. Como puede accederse a sus funciones de forma asequible con
equipos pequeños y baratos, el GPS ha fomentado muchas aplicaciones nuevas.
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3.3. Características Técnicas
El Sistema Global de Navegación por Satélite lo componen:
3.3.1. Segmento espacial
En el segmento espacial nos encontramos 24 satélites con trayectorias sincronizadas
para cubrir toda la superficie del globo terráqueo. Más concretamente, repartidos en 6
planos orbitales de 4 satélites cada uno. La energía eléctrica que requieren para su
funcionamiento la adquieren a partir de dos paneles compuestos de celdas solares
adosados a sus costados.
A continuación mostramos esquemáticamente la altitud a la que se encuentran, el
Periodo de tiempo de los satélites en orbitar, la vida útil de un satélite, y la inclinación
de estos respecto al ecuador terrestre.
a) Altitud: 20.200 km
b) Período: 11 h 56 min (12 horas sidéreas)
c) Inclinación: 55 grados (respecto al ecuador terrestre).
d) Vida útil: 7,5 años
e) Utilizan paneles solares y baterías de Ni-cad
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3.3.2. Segmento de Control
El sistema global de navegación por satélite compuesto por el segmento de control se
refiere a una serie de estaciones terrestres. Éstas envían información de control a los
satélites para controlar las órbitas y realizar el mantenimiento de toda la constelación.
Se podría decir que son estaciones de rastreo automáticas distribuidas globalmente y
que monitorean las órbitas junto con las señales de cada satélite enviando correcciones.
Activan y desactivan los satélites según las necesidades de mantenimiento.
Hay una estación principal, 4 antenas de tierra y 5 estaciones monitoras de seguimiento.
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3.3.3. Segmento del usuario
En este apartado nos referimos al instrumento en sí. Los Sistemas de Posicionamiento
indican la posición en la que se encuentran. Conocidas también como Unidades GPS,
son las que podemos adquirir en las tiendas especializadas.
El GPS es el conjunto de elementos (Software y Hardware) que permiten determinar la
posición, velocidad y tiempo de un usuario, además de los parámetros necesarios
adicionales que requiera.
a) A continuación enumeraremos las partes de las que consta un GPS:
b) Antena con preamplificador
c) Sección de radio frecuencia o canal
d) Micro procesador para reducción, almacenamiento y procesamiento de datos
e) Oscilador de precisión para la generación de los códigos pseudo aleatorios
utilizados en la medición del tiempo de viaje de la señal
f) Fuente de energía eléctrica Interfaces del usuario (pantalla, teclado de
comandos).
g) Memoria de almacenamiento
Llegado a este punto, es necesario plantearnos una pregunta, ¿Qué hace un GPS?
a) Identificación y seguimiento de los códigos asociados a cada satélite.
b) Determinación de la distancia. Decodificación de las señales de datos de
navegación para obtener las efemérides, el almanaque.
c) Aplicar las correcciones (del reloj, ionosfericas,...).
d) Determinación de la posición y velocidad.
e) Validación de los resultados obtenidos y almacenamiento en memoria.
f) Presentación de la información.
El equipo de campo estaría compuesto de los siguientes elementos:
Antena: Componente que se encarga de recibir y amplificar la señal recibida por los
satélites.
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Receptor: Recibe la señal recogida por la antena y decodifica esta para convertirla en
información legible.
Terminal GPS o Unidad de Control: Ordenador de campo que muestra la información
transmitida por los satélites y recoge todos datos útiles para su posterior cálculo, de
aplicaciones Topográficas
3.3.4. Características Físicas de los Receptores GPS:
Tamaño: Los modernos receptores GPS portátiles caben en la palma de la mano y son
de un tamaño similar a un teléfono móvil.
Peso: Los más típicos GPS de mano o portátiles pesan menos de 250 gramos, incluso
con las pilas instaladas. A medida que les vamos añadiendo más prestaciones van
aumentando de peso y tamaño.
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Carcasa: La carcasa, que forma la parte exterior del GPS, es bastante fuerte,
normalmente sellada y algunas veces resistente al agua o, al menos, impermeable;
aunque hay que tener en cuenta que los receptores GPS no han sido fabricados para
poder resistir golpes fuertes o ser sumergidos.
Algunos receptores tienen la antena receptora interna integrada en la parte superior de
la carcasa,y otros tienen una pequeña antena exterior desmontable que puede moverse
a una posición cercana para tener una mejor recepción de los satélites.
Pantalla: Las dimensiones de la misma,varían de un fabricante a otro y según modelos.
La mayoría de los receptores tienen pantallas de cristal líquido de alto contraste con luz
de fondo electroluminiscente.
3.3.5. Funciones Generales de los Receptores GPS:
MENÚ: Permite accederalalistade lasdiferentesopcionesdisponiblesenel receptor:
Satélites: Muestra en la pantalla a modo de gráfico o animación cuántos satélites está
"viendo" el receptor y el nivel de intensidad de la señal que se está recibiendo de cada
uno de ellos. Si hay más de 4 satélites visibles, nuestro receptor escogerá los 4 mejores,
basándose en la intensidad de las señales recibidas y en el ángulo de triangulación.
Posición: Muestra la posición actual, la altitud y, normalmente también la hora (con
algún truco en el encendido hasta se puede mostrar la temperatura).
Mapa: Muestra gráficamente la posición y el camino seguido hasta ahora. Si nos
estamos moviendo, nuestra posición se irá desplazando y dejando una huella del
caminoseguido (track). Los waypoints marcados también deben aparecer en estemapa.
Puntero o navegación: Si tenemos un destino activo (marcado) o una ruta activada,
muestra la dirección a seguir, el rumbo, la distancia y tiempo estimado de llegada. Si
nos estamos moviendo, se mostrará incluso la velocidad a que lo estamos haciendo.
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Landmark o waypoint list/rutas: Muestra los puntos de paso o posiciones previamente
introducidas en la memoria del receptor, para renombrarlos o borrarlos, o para planificar
una ruta. A veces, además del nombre, se pueden agregar iconos (existe una lista de
iconos prefijada) para distinguir los puntos de paso más importantes. También existe,
normalmente, una opción de rutas para editar o revisar las rutas que hemos hecho,
preparar una nueva, activar o invertir alguna otra.
Opciones: Muchos receptores permiten escoger entre unidades distintas de
Medición, tiempo, sistemas de coordenadas, norte magnético o verdadero, etc...
También existen las opciones para transmitir o recibir datos desde un PC u otro GPS o
para recibir las señales de un GPS Diferencial (DGPS).
Salida / puesta del sol: Algunos GPS muestran la hora de salida y de puesta del sol
para ese día y en esa determinada posición.
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4. RESULTADOS
4.1. LA SEÑAL GPS
Para diseñar una colección de herramientas de software de análisis y simulación de la
señal GPS es necesario conocer primero las características de dicha señal. En este
primer capítulo vamos a tratar el esquema de generación y las propiedades más
importantes de la misma.
4.2. SEÑALES Y DATOS
Las señales de GPS se han transmitido tradicionalmente en dos frecuencias de radio de
la Banda UHF, más concretamente de la banda que el IEEE denomina L. Estas dos
frecuencias se denominan L1, L2 y L5 y se derivan de una frecuencia común f0= 10.23
MHz:
fL1= 154f0= 1575.42 MHz
fL2= 120f0= 1227.60 MHz
fL5= 115f0= 1176.45 MHz
Las señales GPS son de amplio espectro para lograr:
altas precisiones en tiempo real para navegación
combatir las interferencias entre satélite y receptor
asegurar las comunicaciones.
Las señales están compuestas de tres partes:
Portadora: nos hemos centrado en las dos opciones fundamentales actualmente,
la L1 la L2 y L5.
Datos de navegación: contienen información acerca de las orbitas satelitales;
esta información se envía a todos los satélites desde las estaciones del
segmento de tierra del GPS. La tasa de bits de los datos de navegación es de
50 bps; se darán más detalles posteriormente.
Secuencia de ensanchado: como ocurre en el caso de las comunicaciones
móviles, la señal GPS contiene un código o secuencia que ensancha el espectro
más allá de lo que le correspondería de acuerdo a la información que transporta;
este código tiene la forma de pseudoruido, como se describirá más en detalle
después, que modula la portadora de tal forma que aumente el ancho de banda
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de la transmisión y reduzca la densidad de potencia espectral (es decir, el nivel
de potencia en cualquier frecuencia dada); la señal resultante tiene un espectro
muy parecido al del ruido, de tal forma que a todos los radiorreceptores les
parecerá ruido menos al que va dirigida la señal; este tipo de modulación se
conoce como DS-CDMA (acceso múltiple por división de código en secuencia
directa); cada satélite utiliza dos de estos códigos:
1. Código de Adquisición Aproximativa o C/A (courseacquisition code) que da lugar
al servicio estándar civil SPS (standard positioning service): se trata de una
secuencia de 1023 chips (un chip es equivalente al concepto de un bit, pero
recibe este nombre porque no pertenece a una palabra o byte de información
sino a un código de identificación); este código se repite cada milisegundo, lo
que da lugar a una tasa de chipping de 1.023 MHZ; este código modula la señal
L1 y L5 y es diferente para cada satélite
2. Código de Precisión (P(Y)), que se encuentra encriptado y permite el servicio
Para fines militares y de seguridad PSP (precisión positioning service); es un
código de mayor longitud, de unos 2.35 1014
chips, con una tasa de chips de
10.23 MHZ (es decir, los chips sondiez más cortos que para el C/A); este código,
en lugar de repetirse cada milisegundo como el C/A, se repetiría, siguiendo una
tasa de 10.23 MHZ cada 266.4 días pero se realiza una reset a las cero horas
del domingo y cada satélite utiliza un fragmento diferente para que se pueda
producir la identificación del mismo a través del código (así podemos llegar a
tener 38 satélites en funcionamiento simultaneo (266.4/7 =38.06); el código P(Y)
es militar y esta encriptado, como hemos dicho, y modula tanto la L1 como la L2.
4.3. BANDA “L”
Las frecuencias entre 1 y 2 GHz se conocen como banda L. Antenas de banda L son
pequeños y ligeros, siendo especialmente adecuado para la operación táctica y móvil.
La Banda L proporciona operaciones globales, incluso en condiciones climáticas
adversas para brindar cobertura de red global sin interrupciones que permite
comunicaciones de banda ancha a los usuarios móviles en cualquier parte del mundo.
Aplicaciones Típicas de banda L incluyen:
Servicios de voz móvil, vídeo y datos (terrestres, aéreas y marítimas)
Sistemas de Navegación
Rango de frecuencias: 1.53-2.7 GHz
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Ventajas:
grandes longitudes de onda pueden penetrar a través de las estructuras
terrestres; precisan transmisores de menor potencia.
Se propagan fácilmente por el espacio.
Precisan transmisores de menor potencia.
Inconvenientes:
poca capacidad de transmisión de datos.
4.4. SEÑALES DE PRIMERAGENERACIÓN: L1 C/A, L1P (Y) Y L2P (Y)
Desde un inicio los satélites GPS han transmitido tres señales importantes: una señal
civil (L1 C/A) y dos señales militares encriptadas (L1P (Y) y L2P (Y)). Como se puede
constatar, sólo una señal está disponible para los usuarios civiles. Las señales militares
se transmiten en dos bandas de frecuencias diferentes: L1 (1575.42 MHz) y L2 (1227.60
MHz) y están encriptadas. Tener acceso a dos bandas es altamente beneficioso para
mejorar la precisión y el tiempo de convergencia, ya que se pueden reducir
enormemente los efectos ionosféricos indeseados. Desde la década de los años 90 los
diseñadores de receptores de grado geodésico han conseguido acceder a la señal
encriptada L2P (Y) a través de una técnica denominada “rastreo parcialmente sin
código” (semi-codeless tracking), y así ofrecer todos los beneficios de tener dos
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frecuencias para usuarios civiles. Sin embargo, por un lado, los receptores de grado
geodésico tienen un precio mucho mayor que los receptores de gama baja y, por otro
lado, las técnicas que se usan para acceder a la señal L2P encriptada introducen una
ligera degradación de señal.
4.5. SEÑAL L2C
Como mencioné anteriormente, son muy importantes los beneficios de recibir una
segunda señal de GPS en otra banda de frecuencia. Debido a la creciente demanda de
aplicaciones civiles de GPS, el Departamento de Defensa de los EE.UU. decidió incluir
una nueva señal civil en la banda de frecuencia L2 llamada L2C, comenzando con los
satélites del bloque IIR-M. En lugar de generar una señal idéntica a la original L1 C/A y
transmitirla en L2, la señal L2C fue rediseñada para brindar muchas mejoras técnicas si
se compara con la señal L1 C/A. La L2C usa técnicas de modulación más sofisticadas
y modernas que ofrecen las siguientes ventajas cuando se compara con la señal
preexistente:
Mayor sensibilidad o umbral de rastreo, lo que se traduce en una mejora para
mantener el rastreo de la señal en condiciones desfavorables, tales como
obstrucciones o incluso al interior de edificaciones.
Mayor correlación cruzada entre señales, lo que permite una mayor tolerancia a
la interferencia y multitrayectorias.
Debido a que la L2C es una señal no encriptada para uso civil, se espera que incluso
los receptores baratos que no son de grado geodésico puedan recibir y rastrear la señal
L2C.
Aun cuando la señal L2C parece ser muy prometedora, tenemos que esperar unos años
antes de poder utilizarla. A la fecha (julio de 2015), de 30 satélites operativos sólo 15
transmiten L2C. Se espera que para el año 2020 todos los satélites transmitirán la señal
L2C.
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Adicionalmente, aun cuando el primer satélite que transmitió L2C fue lanzado en el
2005, fue hasta el 31 de diciembre de 2014 que los satélites del bloque IIR comenzaron
a transmitir mensajes de navegación utilizables (actualizados todos los días). Sin
embargo, según la página web del GPS del gobierno de los EE.UU., “L2C debe seguir
considerándose pre operativo y deberá ser usado por cuenta y riesgo del usuario”. Una
vez que toda la constelación de satélites de GPS transmitan la señal L2C, “el gobierno
de los EE.UU. alienta a todos los usuarios de tecnología GPS sin código/parcialmente
sin código a planificar el uso de señales civiles modernizadas a partir del 31 de diciembre
de 2020 ya que P (Y) puede cambiar después de esa fecha.”
4.6. SEÑAL L5
Después del bloque IIR-M, la siguiente generación de satélites, el bloque IIF, ofrece una
tercera señal civil en otra banda de frecuencia, la banda L5 (1176.45 MHz).
Contrariamente a la banda de L2, esta banda de radio está exclusivamente reservada
para servicios de seguridad de aviación, y como tal se espera que en el futuro los
usuarios civiles la prefieran a la L2. El primer satélite del bloque IIF fue lanzado en el
2010 y 8 satélites del bloque IIF están en operación a julio de 2015. La banda L5 será
usada en su totalidad para señales civiles y estará libre de señales militares. De esta
manera, en L5 se transmite una señal más potente, con un mayor ancho de banda, si
se compara con L1 y L2. Las principales ventajas de la señal L5 son las siguientes:
la posibilidad de rastrear señales más débiles a través de una secuencia de
códigos más larga y una mejor correlación cruzada entre códigos, además de
una mayor potencia transmitida.
mejor inmunidad a la interferencia debido a su mayor ancho de banda, y por ello
mayor difusión de espectro.
atenuación del efecto ionosférico usando una combinación L1/L5, similar a la
combinación L1/L2.
resolución instantánea o casi instantánea de ambigüedades de fase para
convergencia más rápida de solución fija dado el uso de una combinación de
señal de frecuencia triple (L1/L2/L5).
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4.6.1. VENTAJAS DE LA SEÑAL L5
MEJORA EN LA PRECISION: reducción de errores en la determinación de la
pseudo-distancia debidos al ruido aleatorio.
REDUCCION DE LOS ERRORES MULTIPATH: el mayor ancho de banda
agudiza el pico de la curva que representa la función de correlación de los
códigos.
MEJORA DEL SEGUIMIENTO DE LA FASE DE LA PORTADORA: componente
sin datos que permitirá integración completa de la portadora.
FIJACION DE AMBIGUEDADES MÁS RAPIDA Y FIABLE: diferencia de
frecuencias entre la L5 y la L2 de tan solo 51.15 MHZ.
MEJORA DE LA DIFERENCIACION DE CODIGOS: mayor longitud de onda de
los códigos modulados que reduce la posibilidad de cruzar la correlación de los
códigos procedentes de diferentes satélites.
Para una constelacióncompleta de satélites que transmitaL5, tendremos que sermucho
más pacientes que con la constelación total L2C. Si bien esta última se espera para el
año 2020, para la primera habrá que esperar unos cuantos años más.
Asimismo cabe considerar que L5 no transmite ninguna señal militar y tiene una señal
modulada con datos y una sin datos, siendo ambas transmitidas en una frecuencia de
10.23 MHz. Esto quiere decir que L5 tendrá códigos 10 veces más rápidos y más largos
que el código C/A de manera que los riesgos de interferencia serán muy bajos y permitirá
mediciones de pseudodistancias (pseudorange) más exactas.
4.7. SEÑAL L1C
En comparación con las señales modernas L2C y L5 en operación, la señal L1 C/A es
menos eficiente. Es necesario mejorarla para que esté a la par de las señales
modernizadas. Aquí es cuando entra en escena la siguiente generación de satélites
GPS, el bloque III. Este bloque de satélites incluirá otra señal civil modernizada, la L1C,
que a la larga reemplazará la antigua señal L1 C/A. Las características de la señal L1C
son similares a las de L2C y L5. Ya se ha terminado el diseño y fabricación de algunos
satélites del bloque III, pero aún no se ha realizado ningún lanzamiento. El primer
lanzamiento está programado para el 2016. Sin embargo, considerando el ritmo actual
de remplazo de satélites (el que puede cambiar dependiendo de circunstancias políticas
y económicas no previstas), podría tomar por lo menos otra década una constelación
completa de GPS con señales L1C.
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5. CONCLUSIONES
La L1C ha sido desarrollada en conjunto por los Estados Unidos y la Unión
Europea como una señal civil compartida para GPS y Galileo, y se transmitirá a
la misma frecuencia que la señal original L1 C/A, es decir a 1575.42 MHz, que
mantendrá la compatibilidad hacia atrás y tendrá al igual que la L2C dos señales
militares adicionales (códigos P y M).
Al igual que L2C y L5, L1C se transmitirá a una potencia mayor, lo cual significa
que la señal será más fuerte cuando arribe a la superficie terrestre, hecho que
representará una mejora a nivel de recepción de la señal, acortamiento del
tiempo de adquisición y evitará interferencias, sobre todo en ambientes “hostiles”
como las grandes ciudades.
La modernización de la constelación GPS supondrá una mejora en la precisión
y cobertura de satélites. Después de los datos aportados, obtendremos
gradualmente estos beneficios, pero con operatividad en el 2012 para el código
L2C y de la frecuencia L5 no antes del 2010.
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6. DISCUSION DE RESULTADOS
Desde el comienzo del nuevo milenio los profesionales de GPS han esperado
impacientemente que se desplieguen todas las nuevas señales GPS. Aun cuando esto
no resolverá como por obra de magia todos nuestros problemas actuales, tales como la
degradación del rendimiento en áreas con obstrucciones o el largo tiempo de
convergencia para una solución fija, creo que la modernización del sistema GPS tiene
un futuro prometedor.
a) Señales anteriores: L1 C/A, L1 P (Y) y L2 P (Y). Nótese que la señal civil usa el
componente I (en fase) y las señales militares usan el componente Q (en
cuadratura) de manera tal que puedan compartir la misma banda.
b) Nuevas señales a partir del bloque IIR-M: L2C y a partir del bloque IIF: L5. Nótese
que también hay nuevas señales militares (M) en L1 y L2. También nótese que
la señal L5 usa ambos componentes, I y Q.
c) Nueva señal a partir del bloque III: L1C. Nótese que esta señal usa un tipo de
modulación (BOC) que le permite compartir la banda y el componente en
fase/cuadratura con las señales anteriores y las militares.