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dispositivo de navegación por satélite

Navegación del vehículo en un asistente de navegación personal Dispositivo portátil Garmin eTrex10 edición Un dispositivo de navegación por satélite , también llamado dispositiv...

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Navegación del vehículo en un asistente de navegación personal
Dispositivo portátil Garmin eTrex10 edición

Un dispositivo de navegación por satélite , también llamado dispositivo GPS /GNSS , utiliza satélites del Sistema de Posicionamiento Global (GPS) u otros sistemas globales de navegación por satélite (GNSS) para determinar las coordenadas geográficas del usuario . También puede mostrar la posición del usuario en un mapa y ofrecer indicaciones de ruta (como en la navegación paso a paso ).

Existen cuatro sistemas globales de navegación por satélite (GNSS): el Sistema de Posicionamiento Global (GPS) de Estados Unidos, Galileo de la Unión Europea , GLONASS de Rusia [ 1 ] [ 2 ] y el Sistema de Navegación por Satélite BeiDou de China [ 3 ] . Estos sistemas se utilizan a menudo conjuntamente para mejorar la precisión y la disponibilidad del posicionamiento. Además, sistemas regionales como NavIC de India y el Sistema de Satélites Cuasi-Cenitales ( QZSS ) de Japón aumentan la precisión de varios GNSS en sus respectivas regiones [ 4 ] .

Un dispositivo de navegación por satélite puede obtener información de ubicación y hora de uno o más sistemas GNSS en cualquier condición meteorológica, en cualquier lugar de la superficie terrestre o cerca de ella. La recepción de la navegación por satélite requiere una línea de visión despejada hacia cuatro o más satélites GNSS, [ 5 ] y está sujeta a condiciones de señal satelital deficientes. En condiciones de señal excepcionalmente deficientes, por ejemplo en áreas urbanas, las señales satelitales pueden presentar propagación multitrayecto donde las señales rebotan en estructuras o se debilitan por condiciones meteorológicas. Las líneas de visión obstruidas pueden deberse a la cubierta de un árbol o al interior de una estructura, como en un edificio, garaje o túnel. Actualmente, la mayoría de los receptores de navegación por satélite autónomos se utilizan en automóviles. La capacidad de navegación por satélite de los teléfonos inteligentes puede utilizar tecnología GNSS asistida (A-GNSS), que puede utilizar la estación base o las torres de telefonía celular para proporcionar un tiempo de primera fijación (TTFF) más rápido, especialmente cuando las señales satelitales son deficientes o no están disponibles. Sin embargo, la parte de red móvil de la tecnología A-GNSS no estaría disponible cuando el teléfono inteligente esté fuera del alcance de la red de recepción móvil, mientras que la función de navegación por satélite seguiría estando disponible en otras circunstancias.

Historia

Al igual que muchos otros avances tecnológicos de finales del siglo XX, se puede afirmar razonablemente que el moderno sistema GNSS es una consecuencia directa de la Guerra Fría de ese mismo siglo. El gasto multimillonario de los programas estadounidenses y rusos se justificó inicialmente por intereses militares. En cambio, el sistema europeo Galileo fue concebido con un propósito puramente civil.

En 1960, la Armada de los Estados Unidos puso en servicio su sistema de navegación por satélite Transit para facilitar la navegación naval. A mediados de la década de 1960, la Armada llevó a cabo un experimento para rastrear un submarino con misiles mediante seis satélites y polos orbitales, y pudo observar cambios en la posición de los satélites. [ 6 ] Entre 1960 y 1982, a medida que se demostraron los beneficios, las fuerzas armadas estadounidenses mejoraron y perfeccionaron continuamente su tecnología y sistema de navegación por satélite. En 1973, las fuerzas armadas estadounidenses comenzaron a planificar un sistema de navegación mundial integral que finalmente se conoció como GPS (Sistema de Posicionamiento Global).

Receptor GPS portátil Magellan Trailblazer XL de 1993

En 1983, tras la tragedia del derribo del vuelo 007 de Korean Air Lines , un avión que fue abatido en espacio aéreo soviético debido a un error de navegación, el presidente Ronald Reagan puso a disposición del público las capacidades de navegación del Sistema de Posicionamiento Global (GPS) militar para uso civil. Sin embargo, inicialmente, el uso civil consistía únicamente en una señal de posicionamiento de " Disponibilidad Selectiva " ligeramente degradada. Esta nueva disponibilidad del GPS militar estadounidense para uso civil requirió cierta colaboración técnica con el sector privado durante un tiempo, antes de que pudiera convertirse en una realidad comercial. El Macrometer Interferometric Surveyor fue el primer sistema comercial basado en GNSS para realizar mediciones geodésicas . [ 7 ] [ 8 ]

En 1989, Magellan Navigation Inc. presentó su Magellan NAV 1000, el primer receptor GPS portátil comercial del mundo. [ 9 ] Estas unidades se vendieron inicialmente por aproximadamente US$2,900 cada una. En 1990, el Mazda Eunos Cosmo fue el primer automóvil de producción en el mundo con un sistema de navegación satelital incorporado . [ 10 ] En 1991, Mitsubishi introdujo la navegación satnav para automóviles en el Mitsubishi Debonair (MMCS: Mitsubishi Multi Communication System). [ 11 ] En el mismo año, Sony presentó el Pyxis IPS-360 , una de las primeras unidades GPS portátiles relativamente asequibles. El sucesor Pyxis IPS-760 fue el primero en presentar tarjetas de base de datos de mapas intercambiables , dirigido a aviadores y navegantes. [ 12 ] [ 13 ] En 1997, se desarrolló un sistema de navegación que utilizaba GPS diferencial como una opción instalada de fábrica en el Toyota Prius . [ 14 ] En 2000, la administración Clinton eliminó las restricciones de uso militar de la señal, proporcionando así acceso comercial completo al sistema de satélites GPS de EE. UU.

A medida que los sistemas de navegación GNSS se hicieron más y más comunes y populares, el precio de dichos sistemas comenzó a bajar y su disponibilidad generalizada aumentó constantemente. Varios fabricantes adicionales de estos sistemas, como Garmin (1991), Benefon (1999), Mio (2002) y TomTom (2002) entraron en el mercado. Mitac Mio 168 fue el primer PocketPC en contener un receptor GPS integrado. [ 15 ] La entrada de Benefon en el mercado en 1999 también presentó a los usuarios el primer sistema de navegación GPS basado en un teléfono del mundo. Más tarde, a medida que se desarrolló la tecnología de los teléfonos inteligentes, un chip GPS finalmente se convirtió en equipo estándar para la mayoría de los teléfonos inteligentes. Hasta la fecha, los sistemas y dispositivos de navegación por satélite cada vez más populares continúan proliferando con nuevas aplicaciones de software y hardware desarrolladas. Se ha incorporado, por ejemplo, en cámaras.

Si bien el GPS estadounidense fue el primer sistema de navegación por satélite desplegado a escala global y disponible para uso comercial, no es el único de su tipo. Para 2020, debido a preocupaciones militares y de otra índole, ya existían otros tres sistemas globales de navegación por satélite (GNSS) operativos: GLONASS de Rusia , Galileo de la Unión Europea y BeiDou de China . [ 3 ] Además, sistemas regionales como NavIC de la India y el Sistema de Satélites Cuasi-Cenitales de Japón proporcionan cobertura en áreas específicas. [ 4 ]

Diseño técnico

Los dispositivos GNSS varían en sensibilidad, velocidad, vulnerabilidad a la propagación multitrayecto y otros parámetros de rendimiento. Los receptores de alta sensibilidad utilizan grandes bancos de correladores y procesamiento digital de señales para buscar señales con gran rapidez. Esto se traduce en tiempos de primera fijación muy rápidos cuando las señales se encuentran en sus niveles normales, por ejemplo, en exteriores. Cuando las señales son débiles, por ejemplo, en interiores, la potencia de procesamiento adicional se puede utilizar para integrar las señales débiles hasta el punto en que puedan utilizarse para proporcionar una solución de posición o sincronización.

Las señales GNSS son muy débiles cuando llegan a la superficie terrestre. Los satélites GPS transmiten solo 27  W (14,3  dBW) desde una órbita  de 20 200 km sobre la Tierra. Para cuando las señales llegan al receptor del usuario, suelen ser tan débiles como -160 dBW , equivalente a 100 attovatios (10⁻¹⁶ W ) . Esto está muy por debajo del nivel de ruido térmico en su ancho de banda. En exteriores, las señales GPS suelen estar alrededor de los -155 dBW (-125 dBm ).     

Sensibilidad

Los receptores GPS convencionales integran las señales GPS recibidas durante el mismo tiempo que dura un ciclo completo de código C/A, que es de 1  ms. Esto permite adquirir y rastrear señales hasta un  nivel de aproximadamente -160 dBW. Los receptores GPS de alta sensibilidad pueden integrar las señales entrantes hasta 1000 veces más tiempo y, por lo tanto, adquirir señales hasta 1000 veces más débiles, lo que resulta en una ganancia de integración de 30  dB. Un buen receptor GPS de alta sensibilidad puede adquirir señales hasta -185  dBW y continuar el seguimiento hasta niveles cercanos a -190  dBW.

El GPS de alta sensibilidad puede proporcionar posicionamiento en muchos, pero no en todos, los lugares interiores . Las señales se atenúan considerablemente por los materiales de construcción o se reflejan como en el caso de trayectos múltiples . Dado que los receptores GPS de alta sensibilidad pueden ser hasta 30 dB más sensibles, esto es suficiente para rastrear a través de 3 capas de ladrillos secos o hasta 20 cm (8 pulgadas) de hormigón armado, por ejemplo. Algunos ejemplos de chips receptores de alta sensibilidad son SiRFstarIII y MTK II de MediaTek . [ 16 ]    

Receptor secuencial

Un receptor GPS secuencial rastrea los satélites necesarios, generalmente utilizando uno o dos canales de hardware. [ 17 ] El sistema rastrea un satélite a la vez, registra la hora de las mediciones y las combina cuando se han medido las pseudodistancias de los cuatro satélites. Estos receptores se encuentran entre los más económicos disponibles, pero no pueden operar en entornos dinámicos complejos y presentan el tiempo de primera fijación (TTFF) más lento .

Tipos

Los dispositivos de navegación GNSS para el consumidor incluyen:

  • Dispositivos de navegación GNSS dedicados
  • módulos que necesitan conectarse a una computadora para poder usarse
  • Registradores que guardan información de los viajes para su descarga. Este tipo de seguimiento GPS es útil para abrir senderos, elaborar mapas para excursionistas y ciclistas, y producir fotografías geocodificadas .
  • Dispositivos convergentes, como teléfonos con navegación por satélite y cámaras con geolocalización , en los que el GNSS es una función adicional en lugar de su propósito principal. La mayoría de los dispositivos GNSS actuales son convergentes y pueden utilizar GPS asistido , GPS independiente (sin depender de la red) o ambos. La vulnerabilidad del GNSS de consumo a las interferencias de radiofrecuencia de los servicios de datos inalámbricos planificados es un tema controvertido. Para las redes móviles, este problema se ha resuelto con S-GPS .

Dispositivos de navegación GNSS dedicados

Receptores portátiles
Un taxi japonés equipado con GPS

Los dispositivos especializados ofrecen distintos grados de movilidad. Los receptores portátiles , para exteriores o deportivos cuentan con baterías reemplazables que les permiten funcionar durante varias horas, lo que los hace ideales para senderismo , cicloturismo y otras actividades lejos de una toma de corriente. Su diseño es ergonómico , sus pantallas son pequeñas y algunos modelos no muestran color, en parte para ahorrar energía. Algunos utilizan pantallas de cristal líquido transflectivas , lo que permite su uso incluso bajo la luz solar directa. Sus carcasas son robustas y algunas son resistentes al agua.

Otros receptores, a menudo llamados móviles, están diseñados principalmente para su uso en un automóvil, pero cuentan con una pequeña batería interna recargable que les permite funcionar durante una o dos horas fuera del vehículo. Los dispositivos específicos para uso en automóviles pueden instalarse de forma permanente y dependen completamente del sistema eléctrico del automóvil. Muchos de ellos utilizan pantallas táctiles como método de entrada. Los mapas pueden almacenarse en una tarjeta de memoria . Algunos ofrecen funciones adicionales, como un reproductor de música rudimentario , un visor de imágenes y un reproductor de video . [ 18 ]

El software integrado preinstalado en los primeros receptores no mostraba mapas; los del siglo XXI suelen mostrar mapas interactivos de calles (de ciertas regiones) que también pueden mostrar puntos de interés , información de ruta e instrucciones de ruta paso a paso, a menudo en formato de voz con una función llamada " texto a voz ".

Entre los fabricantes se incluyen:

Integración en teléfonos inteligentes

Casi todos los teléfonos inteligentes incorporan ahora receptores GNSS [ 19 ] . Esto se debe tanto a la demanda de los consumidores como a los proveedores de servicios. Actualmente existen muchas aplicaciones móviles que dependen de los servicios de localización, como las ayudas a la navegación, y múltiples oportunidades comerciales, como la publicidad localizada. En sus inicios, el acceso a los servicios de localización de usuarios fue impulsado por los servicios de emergencia europeos y estadounidenses para ayudar a localizar a quienes llamaban. [ 20 ]

Todos los sistemas operativos de los smartphones ofrecen servicios gratuitos de mapas y navegación que requieren conexión a internet; algunos permiten la compra y descarga anticipada de mapas, pero la demanda está disminuyendo, ya que los mapas que dependen de la conexión a internet generalmente se pueden almacenar en caché. Existen numerosas aplicaciones de navegación y constantemente se lanzan nuevas versiones. Entre las principales se encuentran Google Maps Navigation , Apple Maps y Waze , que requieren conexión a internet; iGo para Android, Maverick y HERE para Windows Phone, que utilizan mapas almacenados en caché y pueden funcionar sin conexión a internet. Por consiguiente, prácticamente cualquier smartphone puede considerarse un asistente de navegación personal .

El uso de teléfonos móviles como dispositivos de navegación ha superado el uso de dispositivos GNSS independientes. En 2009, la firma de análisis independiente Berg Insight descubrió que los teléfonos móviles GSM/WCDMA con capacidad GNSS solo en EE. UU. sumaban 150 millones de unidades, [ 21 ] frente a la venta de tan solo 40 millones de receptores GNSS independientes. [ 22 ]

El GPS asistido (A-GPS) utiliza una combinación de datos satelitales y de torres celulares para acortar el tiempo de obtención de la primera posición , reducir la necesidad de descargar periódicamente un almanaque satelital y ayudar a determinar la ubicación cuando las señales satelitales se ven afectadas por la proximidad de grandes edificios. Cuando se está fuera del alcance de una torre celular, el rendimiento de la ubicación de un teléfono que utiliza A-GPS puede verse reducido. Los teléfonos con un sistema de posicionamiento híbrido basado en A-GPS pueden mantener la posición cuando las señales GPS son insuficientes mediante la triangulación de torres celulares y la localización de puntos de acceso Wi-Fi. La mayoría de los teléfonos inteligentes descargan un almanaque satelital cuando están en línea para acelerar la obtención de la posición GPS cuando están fuera del alcance de una torre celular. [ 23 ]

Algunos teléfonos más antiguos con Java habilitado y que carecen de GPS integrado aún pueden usar receptores GPS externos a través de conexiones seriales o Bluetooth , pero actualmente la necesidad de esto es poco común.

Al conectarse a una computadora portátil , algunos teléfonos también pueden proporcionar servicios de localización a una computadora portátil. [ 24 ]

Palm, ordenador de bolsillo y portátil

Las compañías de software han puesto a disposición programas de software de navegación GPS para su uso en vehículos en computadoras portátiles. [ 25 ] Los beneficios del GPS en una computadora portátil incluyen una vista general del mapa más grande, la posibilidad de usar el teclado para controlar las funciones del GPS, y algunos programas de GPS para computadoras portátiles ofrecen funciones avanzadas de planificación de viajes que no están disponibles en otras plataformas, como paradas intermedias, la capacidad de encontrar rutas panorámicas alternativas, así como la opción de solo autopista.

Las Palms [ 26 ] y las Pocket PC también pueden equiparse con navegación GPS. [ 27 ] Una Pocket PC se diferencia de un dispositivo de navegación dedicado ya que tiene su propio sistema operativo y también puede ejecutar otras aplicaciones.

módulos GPS

Receptor GPS moderno de 20 canales basado en el chip SiRFstarIII con soporte para WAAS/EGNOS.

Otros dispositivos GPS necesitan conectarse a un ordenador para funcionar. Este ordenador puede ser un ordenador de sobremesa , un portátil , una PDA , una cámara digital o un teléfono inteligente . Según el tipo de ordenador y los conectores disponibles, las conexiones pueden realizarse mediante un cable serie o USB , así como Bluetooth , CompactFlash , SD , PCMCIA y la más reciente ExpressCard . [ 28 ] Algunas unidades GPS PCMCIA/ExpressCard también incluyen un módem inalámbrico . [ 29 ]

Los dispositivos generalmente no vienen con software de navegación GPS preinstalado ; por lo tanto, una vez adquiridos, el usuario debe instalar o desarrollar su propio software. Al poder elegir el software, este se adapta mejor a sus preferencias personales. Es muy común que un receptor GPS para PC incluya un paquete de software de navegación. Además, los módulos de software son considerablemente más económicos que los sistemas completos independientes (entre 50 y 100 € ). El software puede incluir mapas solo de una región específica o del mundo entero, si se utiliza software como Google Maps.

Algunos aficionados también han fabricado dispositivos de navegación por satélite y han publicado los planos como código abierto. Un ejemplo son las unidades GPS Elektor. [ 30 ] [ 31 ] Estas se basan en un chip SiRFstarIII y son comparables a sus homólogas comerciales. También existen otros chips e implementaciones de software. [ 32 ]

Aplicaciones

Navegación del vehículo

Un sistema de navegación para automóviles obtiene su ubicación de un sistema GNSS y, dependiendo del software instalado, puede ofrecer los siguientes servicios:

  • Mapas, incluidos mapas de calles, en formato de texto o gráfico,
  • Instrucciones de navegación paso a paso mediante texto o voz,
  • Instrucciones enviadas directamente a un coche autónomo ,
  • Mapas de congestión de tráfico, datos históricos o en tiempo real y sugerencias de rutas alternativas,
  • Información sobre servicios cercanos como restaurantes, gasolineras y atracciones turísticas,
  • Rutas alternativas.

Aviación

Los aviadores utilizan la navegación por satélite para la navegación y para mejorar la seguridad y la eficiencia del vuelo. Esto puede permitir a los pilotos ser independientes de las ayudas a la navegación terrestres, permitir rutas más eficientes y proporcionar navegación a aeropuertos que carecen de equipos de navegación y vigilancia terrestres. Ahora existen algunas unidades GPS que permiten a los aviadores obtener una visión más clara en áreas donde el satélite aumenta para poder realizar aterrizajes seguros en condiciones de mala visibilidad. Se han creado dos nuevas señales para GPS, la primera para ayudar en condiciones críticas en el cielo y la segunda para hacer del GPS un servicio de navegación más robusto. Muchos servicios de aviación ahora han hecho que el uso de un GPS sea un servicio obligatorio. [ 33 ] Las aplicaciones de la aviación comercial incluyen dispositivos GNSS que calculan la ubicación y envían esa información a grandes computadoras de navegación de múltiples entradas para el piloto automático , la información de rumbo y las pantallas de corrección para los pilotos, y dispositivos de seguimiento y registro de rumbo.

Militar

Las aplicaciones militares incluyen dispositivos similares a los productos deportivos de consumo para soldados de infantería (comandantes y soldados regulares), vehículos pequeños y barcos, y dispositivos similares a las aplicaciones de aviación comercial para aeronaves y misiles. Ejemplos de ello son el Asistente Digital del Comandante y el Asistente Digital del Soldado del ejército de los Estados Unidos . [ 34 ] [ 35 ] [ 36 ] [ 37 ] Antes de mayo de 2000, solo el ejército tenía acceso a la precisión total del GPS. Los dispositivos de consumo estaban restringidos por la disponibilidad selectiva (SA), que estaba programada para ser eliminada gradualmente, pero fue retirada abruptamente por el presidente Clinton. [ 38 ] El GPS diferencial es un método para cancelar el error de la SA y mejorar la precisión del GPS, y ha estado disponible de forma rutinaria en aplicaciones comerciales como para carros de golf. [ 39 ] El GPS está limitado a una precisión de unos 15 metros incluso sin SA. El DGPS puede tener una precisión de unos pocos centímetros. [ 40 ]

Riesgos

Los dispositivos de navegación por satélite pueden sugerir una ruta imposible porque no tienen en cuenta todas las condiciones.

Los mapas y las indicaciones del GPS a veces son imprecisos. Algunas personas se han perdido al preguntar por la ruta más corta. [ 41 ] [ 42 ] [ 43 ] [ 44 ] Un residente del estado estadounidense de Oregón afirmó en 2010 que las personas eran dirigidas a su entrada privada de cinco a ocho veces por semana porque sus navegadores GPS mostraban una calle que atravesaba su propiedad. [ 44 ] Otros peligros incluyen que un callejón aparezca como una calle, que un camino se identifique como una carretera, [ 45 ] o que las vías del tren se identifiquen como una carretera. [ 46 ]

preocupaciones sobre la privacidad

La privacidad del usuario puede verse comprometida si los dispositivos portátiles con navegación por satélite, como los teléfonos móviles, cargan datos de geolocalización del usuario a través del software instalado en el dispositivo. La geolocalización del usuario es actualmente la base de aplicaciones de navegación como Google Maps, publicidad basada en la ubicación , que puede promocionar tiendas cercanas y permitir que una agencia de publicidad rastree los movimientos y hábitos del usuario para su uso futuro. Los organismos reguladores difieren entre países en cuanto al tratamiento de los datos de geolocalización como privilegiados o no. Los datos privilegiados no pueden almacenarse ni utilizarse de ninguna otra forma sin el consentimiento del usuario. [ 47 ]

Los sistemas de seguimiento de vehículos permiten a los empleadores rastrear la ubicación de sus empleados, lo que plantea interrogantes sobre la violación de la privacidad de los empleados. Existen casos en los que los empleadores continuaron recopilando datos de geolocalización cuando un empleado estaba fuera de servicio, en su tiempo libre. [ 48 ]

Los servicios de alquiler de coches pueden utilizar la misma técnica para restringir geográficamente a sus clientes a las áreas por las que han pagado, cobrando tarifas adicionales por infracciones. [ 49 ] En 2010, la Unión de Libertades Civiles de Nueva York presentó una demanda contra el Departamento de Trabajo por despedir a Michael Cunningham tras rastrear su actividad diaria y ubicaciones mediante un dispositivo de navegación GPS instalado en su coche. [ 50 ] Los investigadores privados utilizan dispositivos GPS instalados para proporcionar información a sus clientes sobre los movimientos de un objetivo.

Véase también

Referencias

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