Download El sistema GPS calcula la posición en cualquier

Universidad Peruana de Ciencias Aplicadas
Satélites artificiales y sistemas de posicionamiento
global (GPS)
Curso
:
Física 1
Sección
:
I45B
Profesor :
AMORETTI VIDAL, JESUS ESTEBAN
Integrantes:
BENAVIDES RODRIGUEZ, CARLOS
201121444
MORALES ALBA, LINCOLN JEAMPIER
201501214
PEREZ CALISAYA, CHRISTIAN ANTONIO
201518087
SALLO MEZA, RAFAEL FORTUNATO
201500599
SERNA CHAVEZ, DICK EDWARD
200712839
Universidad Peruana de Ciencias Aplicadas – UPC
Índice
1. Índice…………………………………………………………………………........ Pág. 1
2. Resumen………………………………………………………………………….. Pág. 2
3. Introducción...……………………………………………………………….…… Pág. 4
4. Satélites……………………………………………………………..…..….…….. Pág. 5
4.1. Aplicaciones de los Satélites artificiales…………………………..…... Pág. 6
-
Satélites climáticos…………………………..…..……………….. Pág. 6
-
Satélites de comunicación………………..…..……….………... Pág. 6
-
Satélites de transmisión televisiva………………..…..……..… Pág. 7
-
Satélites de rescate………………..…..……………………….…. Pág. 8
-
Satélites científicos…………………………..…..…………….…. Pág. 8
-
Satélites de navegación…………………………..…..…………. Pág. 8
-
Satélites de observación terrestre………………..…..….….… Pág. 9
-
Satélites militares…………………………..…..…………………. Pág. 9
-
Orbitas…………………………..…..………………………….....… Pág. 9
4.2. Tipos De Órbitas Satelitales……………..…..…………………………... Pág. 11
-
Órbitas Geoestacionarias……………..…..……………………… Pág. 11
-
Órbitas asíncronas……………..…..…………………………....... Pág. 12
-
Órbitas polares……………..…..…………………………......…… Pág. 12
5. GPS…………………………………………..………..………………….……….. Pág. 14
6. Impacto en el Perú y sugerencias……………………………………………. Pág. 19
7. Conclusiones…………………………………………………………..………… Pág. 21
8. Bibliografía………………………………………………………………..……… Pág. 22
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Resumen
Desde el inicio de la humanidad, el hombre ha tenido la necesidad de
determinar su posición en la Tierra. Esta es la razón detrás del surgimiento de
los sistemas de navegación en tiempos tan remotos como la era vikinga,
griega y romana, con sistemas precarios que dependían exclusivamente de
los fenómenos físicos de la Tierra, tales como el sol, la Luna y las estrellas.
Como tal, estos sistemas se desactualizaban constantemente, precisamente
por el cambio en los fenómenos físicos de la Tierra.
El descubrimiento del espacio exterior y su posterior conquista fueron los
primeros pasos hacia un adelanto en la historia, pues estos logros dieron
paso a una nueva era en la navegación al proporcionar a la humanidad un
sistema basado en la triangulación de las señales satelitales, que fuera
completamente independiente de los elementos físicos en la
Tierra, convirtiendo este sistema en uno más confiable y preciso.
Consideramos que los satélites artificiales son uno de los avances
tecnológicos más importantes de las últimas décadas. Pese a que en un
principio, hace cinco décadas, los satélites tenían un uso exclusivamente
militar, para tareas de navegación, investigación y espionaje del ejército. Hoy
sin embargo, se han convertido en una herramienta fundamental en el normal
desarrollo de nuestras vidas cotidianas. Los vemos en funcionamiento a
través de diversas actividades como la transmisión de televisión satelital,
reportes climáticos, transmisiones en directo de eventos deportivos desde
cualquier parte del mundo o de corresponsales de telediarios de noticias, así
como simples llamadas telefónicas, entre otras cosas. Pero también realizan
muchas más tareas que no se encuentran tan a la vista nuestra pero que aun
así son esenciales para el funcionamiento de países enteros o incluso se los
utiliza en investigación terrestre (por ejemplo para medir el movimiento de
continentes y la predicción de fenómenos geológicos, la medición áreas de
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bosques, etc) o espacial (por ejemplo telescopios para el estudio de galaxias
lejanas y del origen del Universo).
Por otro lado, la tecnología de sistema de posicionamiento global (GPS) se ha
desarrollado rápidamente, durante las dos últimas décadas. Actualmente, la
técnica de GPS sólo se puede aplicar a estructuras flexibles que tienen
rangos de frecuencia más baja modales, y todavía tiene problemas restante
cuando se trata de obtener mediciones precisas. Sin embargo, la aplicación
de GPS es prometedor como una herramienta de monitoreo, ya que puede
medir las características dinámicas y desplazamientos estáticos en tiempo
real, mientras que el sistema de monitoreo convencional utilizando
acelerómetros no puede medir desplazamientos estáticos y cuasi estático.
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Introducción
Fue inicialmente desarrollado por el departamento de defensa de los Estados
Unidos, con fines militares. Los norteamericanos decidieron lanzar los primeros
satélites a partir de 1978, con el fin de construir un sistema que les permitiera tener
una ventaja competitiva sobre los demás países permitiéndoles estimar una
posición, velocidad y tiempo .Así pues, a partir del año de 1989 y hasta el año de
1997, alrededor de 24 satélites fueron lanzados por los Estados Unidos, con el fin
de crear una gran constelación de objetos artificiales.
Ahora bien, con el paso de los años, los Estados Unidos tomaron la decisión de
desclasificar el sistema, dando el primer paso real para el surgimiento del conocido
mundialmente Sistema de Posicionamiento Global, comúnmente conocido por sus
siglas en inglés como GPS. De esta manera, el sistema de navegación satelital
pasó de ser un sistema exclusivamente con fines bélicos, a ser un sistema para el
beneficio de toda la humanidad.
Al día de hoy, el sistema norteamericano GPS es el más completo de todos los
sistemas de navegación satelital en el mundo. Sin embargo, este no es el único
sistema de navegación satelital que existe en la actualidad en el planeta Tierra.
Otras potencias mundiales, tales como los países que conforman la Unión
Europea, decidieron construir su propia constelación de satélites de navegación,
con el fin de reducir la dependencia del sistema norteamericano. Así, se espera,
por ejemplo, que el sistema Galileo entre en operación y permita prestar el mismo
servicio de navegación por satélite que presta el sistema GPS de los
estadounidenses. De la misma manera, es pertinente mencionar el sistema de
navegación satelital de Rusia, denominado Glonass y el de China denominado
Compass.
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4. Satélites
Como primera medida, los satélites son lunas, planetas o máquinas que
orbitan un planeta o estrella. Pueden ser naturales o artificiales dependiendo
de si existen en el universo o si son creados por el hombre de países
tecnológicamente avanzados, y están compuestos esencialmente por una
antena y una carga útil. La antena le permite recibir y enviar información,
mientras que la carga útil le proporciona energía. Algunos satélites tienen
como carga útil la hidracina, que es un combustible, mientras que otros
cuentan con paneles solares como fuente energética.

La trayectoria que sigue un satélite alrededor de un planeta se
denomina órbita. El punto más lejano de una órbita de forma elíptica
(círculo ovalado) se denomina apogeo, mientras que el punto más
cercano se denomina perigeo.

Los satélites artificiales no se producen en masa. La mayoría son
construidos especialmente para la realización de tareas específicas. Son
excepción los satélites utilizados por los GPS, los cuales incluyen 24
unidades iguales colocadas en órbita; y los 66 satélites iguales de
comunicación de la constelación Iridium (así fue bautizado este grupo de
satélites), diseñados por la empresa Motorola, que prestan servicios de
comunicación de datos y voz utilizados por dispositivos móviles en áreas
que se encuentran fuera de cobertura de los servicios de telefonía celular
y fija de zonas urbanas (por ejemplo en montañas o zonas completamente
despobladas).

Hay más de 26.000 objetos artificiales registrados orbitando nuestro
planeta, considerados como basura espacial, y que son lo suficientemente
grandes como para ser detectados; la mayoría son pedazos de artefactos
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que se desprendieron de viejos satélites apagados que ya han dejado de
funcionar hace tiempo, herramientas que se han escapado de las manos
de astronautas que trabajan en la reparación de artefactos en órbita,
cargas y objetos de investigación que fueron colocados erróneamente en
órbitas equivocadas, propulsores de cohetes de naves que se han
utilizado por naves o sondas interplanetarias para escapar de la gravedad
del planeta Tierra al ser lanzados y que luego se desprenden de las naves
y son abandonados. Por lo que el ser humano no sólo contamina la Tierra
sino que también el espacio.
4.1 Aplicaciones de los satélites artificiales
Los satélites artificiales pueden usarse para diferentes propósitos como
son:
-
Satélites climáticos:
Son una herramienta esencial para que los meteorólogos puedan predecir
el clima o conocer lo que está sucediendo en el mismo instante en
distintas regiones de un país o del mundo. La mayor parte de los satélites
meteorológicos fueron fabricados por Estados Unidos, Rusia, Japón,
Francia, y en parte Alemania, Italia y Gran Bretaña. Son administrados por
Estados Unidos, Rusia, Japón y un consorcio de naciones europeas.
Estos satélites cuentan con cámaras que envían fotos del clima terrestre,
algunos desde una posición fija geoestacionaria (a 35.786 kilómetros de
altura siempre fotografiando la misma franja del planeta) y otros desde
órbitas polares (que giran de polo a polo a unos 850 kilómetros de altura,
completando una revolución en 100 minutos, por lo que cada vez que
hayan completado una vuelta la Tierra ya ha girado unos 25°, permitiendo
así que fotografíen una franja distinta tras cada vuelta). Los satélites
climáticos geoestacionarios son los de la serie GOES (con cuatro satélites
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en operación que cubren varias partes del globo terrestre, y siendo el
GOES-10 el que cubre el clima de América) y los METEOSAT europeos;
mientras que los de órbita polar son los de la serie TIROS (también
conocida como NOAA).
-
Satélites de comunicación:
Permiten conversaciones telefónicas y envío de datos a través del satélite.
El elemento más importante de un satélite de comunicaciones es el
transpondeador (un receptor de ondas de radio que recibe una
conversación a cierta frecuencia y luego la amplía retransmitiéndola
nuevamente a la Tierra en otra frecuencia. Normalmente un satélite de
comunicaciones contiene cientos o incluso miles de transpondeadores
que permiten miles de comunicaciones simultáneas. Los satélites de
comunicaciones tienen órbitas geoestacionarias, así las antenas en la
Tierra que les envían y reciben las señales no se tienen que mover y
siempre apuntan hacia la misma dirección del cielo donde el satélite se
encuentra.
Satélites de transmisión televisiva:
Son iguales a los satélites de comunicación y son utilizados para enviar
señales televisivas de un lugar a otro para permitir transmisiones en vivo o
el envío de señales de empresas de televisión satelital (como Direct TV)
de la estación de transmisión a las casas de cada uno de los clientes
suscriptos.
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Satélites de rescate:
Responden a señales de radio de vehículos extraviados (por ejemplo
buques en peligro o aviones caídos en zonas inhóspitas) las cuales son
enviadas a equipos de rescate para situaciones de emergencia.
Satélites científicos:
Realizan una gran variedad de misiones científicas. El satélite científico
más famoso es el Telescopio Espacial Hubble, ubicado en una órbita a
559 kilómetros de altura con un período (tiempo en completar una vuelta
alrededor de la Tierra) de 96-97 minutos, una longitud de 13,2 metros y
una masa de 11.110 kg; se ha encargado durante años de tomar las
imágenes provenientes de los lugares más lejanos del universo con que
cuenta la humanidad ubicados a miles de millones de años luz de la
Tierra. También existen otros satélites científicos que investigan todo tipo
de fenómenos naturales que van desde manchas solares hasta rayos
gamma.
Satélites de navegación:
Utilizados para que los aviones y barcos puedan navegar, aunque en los
últimos años han sido puestos a disponibilidad civil, ya que hoy todo tipo
de vehículos civiles hacen uso de ellos a través del servicio brindado por
los satélites de GPS (Gobal Positioning System o Sistema de
Posicionamiento Global) de la serie NAVSTAR de fabricación y
administración estadounidense.
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Satélites de observación terrestre:
Observan cambios de todo tipo en distintas regiones del planeta, como
por ejemplo deforestaciones, cobertura de hielo en los polos o zonas de
glaciares, crecimiento y desarrollo de zonas urbanas, temperaturas
promedio de distintas regiones del planeta, movimiento de continentes,
etc. Los más famosos son los satélites de la serie LANDSAT de origen
estadounidense.
Satélites militares:
Son satélites que aunque estén ahí arriba nuestro, su información es
confidencial. Este tipo de información incluye inteligencia estatal que hace
uso de equipos sofisticados de fotografía de alta tecnología electrónica,
para reconocimiento de actividades como (operaciones militares de
países investigados, búsqueda de narcotraficantes y grupos paramilitares,
etc). Sus aplicaciones incluyen también el relevamiento de datos de
comunicación entre distintos puntos de la Tierra, monitoreo de
operaciones con energía nuclear, observación del movimiento de tropas,
alerta de lanzamiento de misiles, fisgoneo fotográfico de distintas regiones
del mundo, etc.
Orbitas:
Las órbitas son la trayectoria que describe, con relación a un sistema de
referencia especificado, el centro de gravedad de un satélite o de otro
objeto
espacial,
por
la
acción
única
de
fuerzas
naturales,
fundamentalmente por la de gravitación. Las órbitas, a su vez, se
clasifican según el cuerpo que orbitan, su forma, uso e inclinación.
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El satélite Sputnik 1: Primer satélite artificial puesto en orbita
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4.2.
Tipos de Órbitas Satelitales
Hay tres tipos de órbitas satelitales dependiendo de la posición del satélite
en relación a la superficie terrestre.
-
Órbitas Geoestacionarias:
También se las conoce como órbitas geosíncronas o síncronas (sincrono
significa que algo va al mismo tiempo o es simultáneo, refiriéndose en este
caso a que el satélite se mueve a la misma velocidad en que gira la Tierra, o
sea que se mueve en simultáneo en relación a un punto determinado del
planeta). Los satélites geoestacionarios siempre están posicionados fijos
sobre un mismo punto del planeta. Muchos satélites geoestacionarios están
colocados sobre una banda a 35.786 kilómetros por encima del la línea del
Ecuador (lo que sería a casi una décima de la distancia a la Luna que se
encuentra a unos 384.600 kilómetros). Sin embargo la banda de
"estacionamiento" o "parqueadero" de satélites sobre la línea del Ecuador se
está congestionando con varios cientos de satélites de transmisiones
televisivas, meteorológicos y de comunicación; por lo que cada satélite debe
ser colocado en órbita con mucho cuidado y precisión para evitar que las
señales que emite interfieran con las señales de algún satélite vecino
adyacente. Tanto los satélites meteorológicos como los de comunicación y
los de transmisiones televisivas utilizan órbitas geoestacionarias. Gracias a
las órbitas geoestacionarias las antenas de televisión satelital pueden
instalarse en una posición fija siempre apuntando hacia la misma dirección.
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-
Órbitas asíncronas:
Son las órbitas de menor altura que hacen que los satélites no giren en
simultáneo a un determinado punto fijo del planeta, pasando varias veces al
día por encima del mismo punto de la Tierra. La mayoría promedian una
altura de 600-700 kilómetros.
-
Órbitas polares:
Son órbitas de baja altura (en comparación a las geoestacionarias) y en
cada revolución pasan por encima de los polos del planeta. Dado que la
órbita polar se mantiene fija en el espacio mientras la Tierra rota dentro de la
misma (o sea que la órbita no gira hacia el este junto al planeta), esto hace
que gran parte del planeta pase por debajo de un satélite de órbita polar. Por
ejemplo si un satélite da un giro completo alrededor de la Tierra en unos 90
minutos (pasando por los polos de sur a norte y luego de norte a sur 16
veces al día), el planeta habrá girado en ese tiempo unos 22,5° hacia el este,
por lo que con cada pasada el satélite cubrirá una buena porción del planeta
de unos 22,5° de ancho (recordemos que un giro completo es de 360°).
Dada su gran cobertura estos satélites son excelentes para la realización de
mapeos y tomas fotográficas de todo el planeta.
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5. Sistema de Posicionamiento Global (GPS)
El Sistema de Posicionamiento Global (GPS) es un servicio propiedad de los
EE.UU. que proporciona a los usuarios información sobre posicionamiento,
navegación y cronometría. Este sistema está constituido por tres segmentos: el
segmento espacial, el segmento de control y el segmento del usuario. La
Fuerza Aérea de los Estados Unidos desarrolla, mantiene y opera los
segmentos espacial y de control.
El GPS está integrado por tres segmentos o componentes de un sistema, que a
continuación se describen:
-
Segmento espacial:
El Sistema de Posicionamiento Global (GPS) es una constelación de
satélites de navegación que orbitan la Tierra a una altitud de cerca de 12.000
millas (20.000 kilómetros). A esta altitud, los satélites completan dos órbitas
en un poco menos de un día. Aunque originalmente diseñado por el
Departamento de Defensa de EE.UU. para aplicaciones militares, su
gobierno federal hizo el sistema disponible para usos civiles y levantó las
medidas de seguridad diseñadas para restringir la precisión hasta 10 metros.
La constelación óptima consiste en 21 satélites operativos con 3 de
"repuesto". A partir de julio de 2006, había 29 satélites operacionales de la
constelación.
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Señales GPS
Los satélites del GPS transmiten dos señales de radio de baja potencia,
llamadas "L1" y "L2". Cada señal GPS contiene tres componentes de
información: un código pseudoaleatorio, los datos de efemérides de satélite y
datos de almanaque. El código pseudoaleatorio identifica al satélite que
transmite su señal. Los datos de efemérides de satélite proporcionan
información sobre la ubicación del satélite en cualquier momento. El
almanaque contiene información sobre el estado del satélite y la fecha y hora
actuales. Para cada satélite, el tiempo es controlado por los relojes atómicos
a bordo que son cruciales para conocer su posición exacta.
Determinación de Posiciones del GPS
Las posiciones se obtienen mediante la determinación de las distancias a los
satélites visibles. Este proceso se conoce como "trilateración". El momento
de la transmisión de la señal en el satélite se compara con el momento de la
recepción en el receptor. La diferencia de estos dos tiempos nos dice cuánto
tiempo tomó para que la señal viajara desde el satélite al receptor. Si se
multiplica el tiempo de viaje por la velocidad de la luz, podemos obtener el
rango, o de distancia, con el satélite. La repetición del proceso desde tres
satélites permite determinar una posición de dos dimensiones en la Tierra
(es decir, la longitud y latitud). Un cuarto satélite es necesario para
determinar la tercera dimensión, es decir la altura. Cuantos más satélites son
visibles, más precisa es la posición del punto a determinar. Las órbitas de los
satélites GPS están inclinadas respecto al ecuador de la Tierra en alrededor
de 55°. La distribución espacial de la constelación de satélites permite al
usuario disponer de 5 a 8 satélites visibles en cualquier momento. El sistema
está diseñado para asegurar que al menos cuatro satélites estarán visibles
con una recepción configurada de la señal de 15 ° sobre el horizonte en un
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momento dado, en cualquier parte del mundo.
Aunque el GPS puede dar posiciones muy precisas, aún hay fuentes de
error. Estos incluyen los errores del reloj, los retrasos atmosféricos, sin saber
exactamente dónde están los satélites en sus órbitas, las señales que se
refleja de los objetos en la superficie de la Tierra, e incluso la degradación
intencionada de la señal del satélite.
-
Segmento de control:
Es una serie de estaciones de rastreo, distribuidas en la superficie terrestre
que continuamente monitorea a cada satélite analizando las señales
emitidas por estos y a su vez, actualiza los datos de los elementos y
mensajes de navegación, así como las correcciones de reloj de los satélites.
Las estaciones se ubican estratégicamente cercanas al plano ecuatorial y en
todas se cuenta con receptores con relojes de muy alta precisión.
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-
Segmento usuario:
Lo integran los receptores GPS que registran la señal emitida por los
satélites para el cálculo de su posición tomando como base la velocidad de
la luz y el tiempo de viaje de la señal, así se obtienen las pseudodistancias
entre cada satélite y el receptor en un tiempo determinado, observando al
menos cuatro satélites en tiempo común; el receptor calcula las coordenadas
X, Y, Z y el tiempo.
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Principios de funcionamiento del sistema GPS:
El sistema GPS calcula la posición en cualquier punto en coordenadas (x,y,z),
calculando distancias desde el punto a un mínimo de tres satélites de localización
conocida. Se mide la distancia del receptor del GPS al satélite, multiplicando el
tiempo de vuelo de la señal emitida desde el satélite por su velocidad de
propagación. Existen receptores que distan de presión de metros hasta de pocos
milímetros.
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Los datos que trabajamos en un SIG se verás reflejados en el GPS, las cuales
provienen directamente de algún tipo de medida directa de alguna instrumentación:
Datos Primarios: Son los que podemos emplear en un Sistema Información
Geográfica y en su forma original están listos para operaciones de manejo y
análisis, en las que podemos encontrar a imágenes digitales o datos obtenidos por
GPS
Datos Secundarios: Provienen de otro tipo de dato previo que no es adecuando
para emplear en el SIG. (Documento analógico a digital) o datos que provienen de
levantamiento tradicional, cartografía impresa.
Niveles de servicio GPS
Sistema de Posicionamiento Estándar. Abierta para el público, de frecuencia simple
Sistema de Posicionamiento Preciso. Posicionamiento dinámico de alta precisión
basado en la frecuencia dual, de acceso restringido.
6. Impacto en el Perú y sugerencias
Limitaciones de los GPS en el Perú
Por la Ionosfera que presenta partículas cargadas eléctricamente que
modifican la velocidad de las señales de radio que la atraviesan. Tenemos
en el Perú diversos microclimas que están relacionados a la altitud que
presenta según nuestra cordillera de los andes.
Los fenómenos Meteorológicos que se da a lo largo del Perú son variantes
(que se dan en la troposfera) afectando a las señales electromagnéticas el
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vapor de agua que allí se encuentra, disminuyendo su velocidad y siendo
difícil de corregir. Alterando la medición del GPS
Relojes atómicos de los satélites imprecisos presentan ligeras desviaciones
así como el de los receptores.
Las interferencias eléctricas imprevistas generando correlaciones erróneas.
Éste fenómeno se da más seguido en la zona alto andina de nuestra país.
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7. Conclusiones
-
Satélites: Para el estudio de fenómenos atmosféricos: La señal al atravesar
la troposfera se enfrenta al vapor de agua, un causante principal de
fenómenos meteorológicos modificando la velocidad de ésta, modelando así
predicciones meteorológicas.
-
Satélites: En topografía es una herramienta fundamental para el
levantamiento de terrenos y en geología aplicándose en el estudio de
movimiento de placas tectónicas, para predicción de terremotos.
-
El GPS ayuda a monitorizar en tiempo real las deformaciones de estructuras
sometidas a cargas.
-
El GPS es importante para la localización y navegación: como ayuda en
expediciones en regiones de difícil acceso o no exploradas.
-
El GPS se utiliza para la navegación y el control vehicular: para planificar
trayectorias y control de flotas de vehículos (policía, bomberos, taxis, etc.)
-
El GPS en la aviación, se emplea tanto en vuelos domésticos,
transoceánicos.
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8. Bibliografía
NATIONAL ACADEMIES PRESS (2013). The Global Positioning System for the Geosciences.
Washington: Editorial Aspen Publisher.
ARTECH House (2013). Applied Satellite Navigation Using GPS, GALILEO, and Augmentation
Systems
Anonymous (2013). GPS Organizations Join Forces In New GPS Innovation Alliance.
Washington: Editorial Aspen Publisher.
NEWSRX (2015). Meteorology; New Meteorology Findings from University of Tehran Reported.
Atlanta: Editorial NewsRx.
KALMBACH (2008). Publishing Company. How to observe artificial satellites
UNIVERSIDAD COMPLUTENSE DE MADRID (2006). La Geofísica en el Real
Instituto y Observatorio de la Armada en San Fernando/The Geophysics in the Royal Naval
Institute and Observatory in San Fernando. Madrir: Editorial Universidad Complutense de
Madrid.
LOU, Yidong; Zheng, Fu; Gu, Shengfeng; Liu, Yang (2015). The Impact of Non-nominal Yaw
Attitudes of GPS Satellites. Cambridge: Editorial Cambridge University Press
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