¿Qué es una antena GPS?

Una antena GPS es una antena de radiofrecuencia que proporciona conectividad con el Sistema de Posicionamiento Global, un sistema de radionavegación por satélite patentado, diseñado, creado y propiedad del Gobierno de los Estados Unidos. Cuando se conecta adecuadamente a un transceptor GPS, la antena GPS puede transmitir y recibir las señales de radiofrecuencia específicas necesarias para que un dispositivo GPS realice sus funciones de tiempo, ubicación y navegación. Al realizar esta función, las antenas GPS se convierten en el punto clave de interacción entre los satélites que forman el segmento espacial GPS y el segmento de usuario GPS (receptores).

La antena debe ser adecuadamente sensible y poseer la resonancia necesaria para detectar la señal GPS emitida por la constelación de satélites y, a menudo, puede necesitar un amplificador de bajo ruido (LNA) para mejorar la señal.

Las antenas GPS están conectadas a un receptor GPS, un dispositivo de navegación por satélite que posee una interfaz frontal y un software para extraer la información pertinente de la señal GPS recibida y mostrarla en un formato fácil de usar. El software y los controladores involucrados deben ser capaces de extraer información de la señal GPS a pesar de sus niveles relativamente bajos y, por lo general, implican una mayor amplificación de la señal y el uso de una serie de cálculos y técnicas de correlación. Los datos de posición, las direcciones de ruta y otros métodos de navegación se pueden mostrar utilizando mapas u otros métodos patentados. Los tipos de receptores GPS varían desde los receptores profesionales de topografía y precisión hasta los dispositivos de navegación portátiles (PND) comúnmente disponibles que se utilizan dentro de los vehículos o se integran como parte de teléfonos inteligentes o dispositivos portátiles.

Características físicas y eléctricas clave de las antenas GPS o GNSS del Sistema Global de Navegación por Satélite.

El diseño de la antena GPS es vital porque la señal GPS de la constelación celeste de satélites no es particularmente fuerte. La antena, por lo tanto, juega un papel único en el rendimiento final de un dispositivo habilitado para GPS.

Una antena GPS se compone de:

● El elemento radiante de la antena determinará el ancho de banda de la antena y otros aspectos de cómo irradia energía electromagnética.

● El plano de tierra de la antena influye en el diagrama de radiación de la antena.

● Un amplificador de algún tipo

● El radomo de la antena, (Radomo es una estructura protectora que cubre una antena, diseñada para protegerla de las condiciones ambientales como lluvia, viento, hielo y radiación UV sin interferir significativamente con las señales electromagnéticas que la antena transmite o recibe). Este Radomo que encierra las antenas puede influir en su centro de fase. El centro de fase es importante para la ubicación GPS, ya que la posición informada por un receptor generalmente se refiere a donde la antena captura la señal, conocida como centro de fase eléctrica.

Las antenas GPS suelen ser antenas de alta eficiencia de impedancia de 50 ohmios, lo que las hace compatibles y bien adaptadas a las líneas de transmisión de cable coaxial comúnmente disponibles.

La señal GPS se transmite con polarización circular dextrógira (RHCP) o dextrorrotatoria, lo que significa que las antenas GPS suelen ser RHCP y omnidireccionales. El diagrama de radiación casi hemisférico de estas antenas significa que la señal del satélite puede recibirse en cualquier dirección a través del arco del cielo, desde el cenit hasta el horizonte.

En los EE. UU., la Comisión Federal de Comunicaciones (FCC) especifica los límites de la cantidad de energía que se puede suministrar a la antena GPS, pero dentro de los límites legales, estas antenas tienen alta ganancia, baja directividad y pérdidas de señal mantenidas en un mínimo absoluto.

Eficiencia de la antena

También hacen un uso eficiente de la energía de radiofrecuencia que reciben, convirtiendo al menos el 50%, como mínimo, en potencia radiada.

Relación de onda estacionaria de voltaje (VSWR), la medida de la eficiencia de transmisión de energía electromagnética desde la fuente hasta la antena debe ser lo más baja posible, pero es aceptable en una relación de 2:1 o menos.

El posicionamiento y la orientación de la antena deben optimizarse para una buena visibilidad del cielo en todo momento. Para lograr el tiempo de reparación más rápido (TTFX), la antena debe ser capaz de recibir señales de tantas antenas como sea posible. La mala visibilidad conduce a la deriva posicional y a la inexactitud de la degradación del dispositivo de navegación. Por lo tanto, el montaje de estas antenas es de especial importancia.

Tipos de antena GPS

Aquí hay un resumen conciso de los principales tipos de antenas GNSS.

[R] Las antenas GPS internalizadas o integradas están integradas en el dispositivo receptor GPS. En la mayoría de los casos, se trata de antenas de parche o antenas cuadrifilares (más sobre ellas más adelante). No se puede acceder directamente a estas pequeñas antenas, a menudo están montadas en una placa de circuito impreso (PCB). Una señal óptima se obtiene colocando todo el dispositivo en lugar de solo la antena.

[B] Las antenas GPS externas son antenas separadas que se conectan a un receptor GPS a través de un cable coaxial GPS o un adaptador adecuado. Son más grandes, de mayor ganancia, y se utilizan con mayor frecuencia en situaciones en las que un receptor con una antena interna no puede captar la señal, ya que se pueden montar fácilmente.

[C] Las antenas helicoidales consisten en un cable que se enrolla en una hélice, para reducir el espacio que ocupará esta antena internalizada. Multiplicar el número de hélices, como en una antena de cuádruple hélice, donde se utilizan cuatro hélices, puede aumentar la ganancia de la unidad de antena final.

[D] Las antenas de parche son antenas de PCB que consisten en un diseño geométrico de lámina bidimensional llamado fractal, que está conectado a líneas de transmisión de lámina y a un plano de tierra. Estas antenas de bajo perfil se pueden incrustar en materiales como plástico y cerámica como parte de una antena externa o dentro de un dispositivo GPS.

[E] Las antenas activas son antenas GPS que tienen un amplificador de bajo ruido incluido para superar las pérdidas de la línea de alimentación asociadas con lo que a menudo es una señal muy débil. Esto mejora la sensibilidad de la antena. Un LNA se situará cerca de la antena con la menor cantidad posible de línea de alimentación de conexión para limitar la pérdida de señal. Los LNA funcionan para amplificar la señal de radionavegación sin alterarla o degradarla con la amplificación de cualquier ruido presente. Para un rendimiento óptimo, la ganancia de LNA suele ser de al menos 15 decibelios y el factor de ruido de este tipo de amplificador está estrictamente limitado a menos de 1 decibelio. A diferencia de un amplificador genérico, la relación señal/ruido no debe empeorar con un LNA. Las antenas GPS activas tienen requisitos de energía adicionales que se extraerán de las baterías del dispositivo receptor. Para ahorrar energía, el LNA solo debe estar activo cuando la antena está en uso.

[F] Antenas pasivas: Estas antenas simples no tienen un LNA o medios alternativos de amplificación de señal y, por lo tanto, no requieren energía suplementaria. La longitud del cable debe mantenerse corta, por debajo de 1 metro (3,3 pies), con antenas GPS pasivas, ya que requieren proximidad al receptor y pérdidas mínimas de la línea de conexión para funcionar de manera óptima.

[G] Antenas reradiantes: Los sistemas de antenas emparejadas se conocen como antenas reradiantes. Una antena se instala muy cerca del receptor GPS y la otra, una antena donante, a una distancia en la que quizás la señal sea mejor. Las dos antenas están conectadas por un cable de extensión de antena y adaptadores de antena GPS. Uno de los usos más comunes es en vehículos donde la antena de reradiación se monta en el exterior del vehículo y se conecta a un receptor en el interior. Son antenas alimentadas, por lo que requerirán energía del receptor o de una fuente auxiliar. El uso de repetidores GNSS es ilegal en el Reino Unido fuera de ciertas circunstancias autorizadas.

[H] Las antenas GPS se pueden emparejar con antenas LTE para crear un sistema de antena ventajoso, como discutimos a continuación. La antena 4G se puede sintonizar para cubrir el GPS y la entrada del GPS debe estar aislada de la antena LTE/4G. Las antenas se conectan a través de un conector SMA de antena GPS auxiliar  al que se puede conectar un cable de antena adecuado de 50 ohmios. Esto permite que la señal se transmita en bucle entre las dos antenas. La antena primaria puede transmitir y recibir y la antena auxiliar solo recibe. Las antenas combinadas también pueden realizar esta función.

[I] Antenas parabólicas: Estas  antenas GPS direccionales están equipadas con un plato parabólico o reflector, que tiene una forma curvada con precisión que dirige las ondas de radio. Solo están operativos en una sola dirección, son de alta ganancia y ventajosos para fines de monitoreo o enlace ascendente.

[J] Antenas de radomo: Estas antenas GPS cuentan con un semiesférico que aloja y protege el elemento radiante de la antena y otros componentes clave de las condiciones ambientales adversas. El radomo puede ser penetrado por la señal de radio GPS y no afecta a la fase central de la antena.

[K] Antenas de torniquete: Esta estructura de antena GPS consiste en pares de dipolos montados perpendicularmente entre sí en una disposición de alta ganancia. Dependiendo de la orientación de la antena, puede estar polarizada horizontal o circularmente.

Aplicaciones de antenas GPS

Los usos de la tecnología GPS abarcan una multitud de industrias, entre ellas:

• Marino
• Agricultura
• Transporte y Logística
• Aviación
• Defensa
• Servicios de Emergencia
• Infraestructura
• Seguridad

Las antenas GPS se pueden agrupar a grandes rasgos según su aplicación:

1. Las antenas receptoras de mano se encuentran en teléfonos inteligentes o dispositivos montados en el tablero y pueden ser pasivas o activas. La mayoría de estas antenas son de banda estrecha y funcionan en una sola frecuencia. Son comunes y, por lo general, de menor costo, más livianas y tienen un menor consumo de energía que las antenas GPS utilizadas con fines profesionales o industriales. Sin embargo, esto también significa que son de baja sensibilidad y propensos a las interferencias.
2. Las antenas geodésicas se utilizan para trabajos de topografía profesional o industrial donde las mediciones de precisión son esenciales. Los mástiles de antena de montaje en techo con conjuntos de antenas de alta ganancia están conectados a receptores fijos que son capaces de realizar los cálculos complejos necesarios para medir y comprender la geometría, la orientación y los campos gravitatorios de la Tierra.
3. Las antenas Rover proporcionan precisión para aplicaciones como la silvicultura, la construcción o la ingeniería, donde se necesitará movilidad. Estas antenas GPS suelen montarse en altura en un poste móvil o en un trípode de antena para topografía.

¿Por qué son importantes las antenas GPS?

Las antenas GPS son parte integral del funcionamiento del Sistema de Posicionamiento Global y permitieron a los usuarios de todo el mundo utilizar esta tecnología desarrollada en los EE. UU. para:

• Posicionamiento
• Navegación
• Servicios de cronometraje

El GPS, originalmente llamado NAVSTAR GPS, fue el primer sistema de este tipo en el mundo y tiene una amplia gama de aplicaciones, desde la actividad militar restringida hasta ser ahora una utilidad civil y de consumo casi esencial. El GPS se implementó por primera vez en la década de 1970 y ahora comprende una constelación de 31 satélites que orbitan a una altura de más de 21.000 km sobre la Tierra. Las señales de radiofrecuencia transmitidas a intervalos desde estos satélites pueden ser recibidas y utilizadas por los receptores GPS para fines de tiempo, ubicación y navegación con visibilidad sin obstrucciones desde al menos 4 satélites en órbita para obtener datos de posicionamiento con una precisión de 30 cm (11,8 pulgadas) dependiendo de la banda de frecuencia utilizada. Como este sistema está controlado y monitoreado por el ejército de los Estados Unidos, su rendimiento puede degradarse o el acceso puede restringirse por Orden Ejecutiva. El programa de Disponibilidad Selectiva, implementado en la década de 1990, degradó deliberadamente la señal GPS con fines militares estratégicos, pero esto terminó en el año 2000. La Fuerza Aérea de los EE. UU. cuenta con un Segmento de Control Operacional que supervisa el despliegue de GPS con 11 antenas de comando y control y numerosos sitios de monitoreo en todo el mundo.

¿Cómo funciona el GPS?

Una constelación de 24 satélites en funcionamiento ocupa una órbita terrestre media y están colocados de manera que al menos 4 de estos satélites son visibles desde cualquier posición de la Tierra. Dentro de 24 horas, cada satélite habrá dado dos vueltas alrededor de la Tierra, viajando a más de 8.000 millas por hora (12.875 kilómetros por hora).

Mientras están en órbita, los satélites emiten continuamente una señal captada por la antena GPS del receptor. Esta señal contiene datos relativos a la posición del satélite y la hora, medidos por relojes atómicos sincronizados que se llevan dentro de cada satélite.

Los componentes específicos de la señal GPS son:

1. Código de ruido pseudoaleatorio (PRN) formado por ceros y unos, que se utiliza para identificar el satélite que se comunica.
2. Los datos de efemérides cubren la fecha y la hora en el momento de la emisión, así como el estado del satélite de radiodifusión.
3. Datos de almanaque: datos de posición y ubicación e informes sobre toda la constelación que se pueden utilizar para determinar la posición del satélite en relación con la Tierra.

Estos datos están bajo monitoreo continuo y corrección cuando sea necesario desde tierra por parte de la Fuerza Aérea de los EE. UU. desde varios centros de comando y control.

A través de sus antenas GPS, los receptores captan la señal emitida y capturan:

1. Hora de llegada (TOA)
2. Tiempo de vuelo (TOF)

Es el tiempo que tarda la señal de radiodifusión en viajar entre el satélite y el receptor. Como se conoce la velocidad de la señal, la posición de los satélites de radiodifusión y la hora en que se envió la señal, el receptor GPS puede utilizar estos datos para calcular y trazar su ubicación, dirección de viaje y velocidad. En el cálculo se compensa el retardo de la señal del satélite a su paso por las capas atmosféricas superiores de la Tierra.

Bandas de frecuencia GPS

Las señales GPS se emiten utilizando la banda L del espectro de radiofrecuencia a frecuencias inferiores a 2 GHz que pueden superar los retrasos ionosféricos y no requieren una antena de haz para su recepción. Esto se debe a que en estas frecuencias las ondas de radio tendrán una buena penetración de las nubes, variando las condiciones climáticas como lluvia o niebla y vegetación.

Las antenas GPS deben ser capaces de recibir los datos transmitidos por satélite en al menos una de las dos frecuencias portadoras principales utilizadas.

● L1 que funciona a 1575,42 MHz con un ancho de banda de 15,345 MHz, y

● L2 que tiene una frecuencia de 1227.60 MHz y un ancho de banda de 11 MHz.

Estas bandas proporcionan acceso GPS civil y, cuando se utilizan en combinación con receptores de doble frecuencia, proporcionan una rápida adquisición de señales, un TTFF rápido, un rendimiento fiable y un rango de funcionamiento mejorado.

Se ha introducido una tercera banda de frecuencias, la banda L5,  para uso civil. Tiene una frecuencia de 1176,45 MHz y un ancho de banda de 12,5 MHz. Ha sido diseñado para ser robusto y proporcionar acceso a aplicaciones de alto rendimiento, como la aviación y la "seguridad de la vida".

Estas frecuencias son múltiplos de la frecuencia base de la banda L (10,23 MHz) del reloj atómico a bordo del satélite. Los códigos PRN, los datos de efemérides y los datos de almanaque se superponen a L1 y L2 y su ancho de banda debe adaptarse a esto.

Interferencias y limitaciones del GPS

Sin duda, el GPS ha tenido un efecto transformador en la navegación, pero existen algunas debilidades intrínsecas en el sistema que limitan su uso en determinadas circunstancias. La mala recepción de la señal puede superarse hasta cierto punto mediante el uso juicioso de una antena GPS externa, pero los problemas que se enumeran a continuación se encuentran comúnmente independientemente de la antena o el receptor utilizado.

• El GPS multitrayecto es una fuente común de error causada por una antena GPS que capta no solo las señales satelitales verdaderas, sino también otras ondas de radio que se han reflejado o difractado en edificios y otras estructuras. Es mucho más probable que ocurra si no hay una vista clara del cielo de la antena. Estos llegan al receptor con un retraso y causan interferencia con el cálculo incorrecto de la posición.
• Mal tiempo: aunque el GPS es capaz de penetrar en condiciones meteorológicas adversas, la antena GPS puede verse afectada por una acumulación de hielo o nieve o por ser arrastrada fuera de posición por fuertes vientos.
• La vegetación densa y las copas de los árboles también producen reflejos que perjudican la precisión y la utilidad del GPS.
• Las áreas urbanas / urbanizadas son un desafío para el GPS debido a los edificios que bloquean la línea de visión necesaria entre los satélites y las antenas y las rutas múltiples debido a la reflexión de la señal en el concreto y otros materiales densos.
• Los ambientes interiores están cerrados y, por lo tanto, no tienen visibilidad directa de los satélites y sus paredes y otras estructuras causan atenuación de la señal. Incluso si hay alguna penetración de señal en un edificio, es poco probable que sea adecuada.
• Consumo de energía. Las antenas GPS activas se caracterizan por su alto consumo de energía, lo que puede impedir no solo un uso prolongado, sino también afectar el diseño de los dispositivos, que a menudo necesitan una batería grande.
• Software front-end de receptor GPS y cartografía. Los errores y fallos de software y cartografía provocarán errores en el uso de un dispositivo GPS. Si los mapas no se actualizan o se representan incorrectamente, los dispositivos pueden dar indicaciones erróneas.

Preguntas frecuentes:

¿Existen alternativas al GPS?

El GPS es el primero y más importante de una serie de sistemas de radionavegación desplegados por naciones de todo el mundo. Es, con mucho, el sistema más utilizado. Otros sistemas mundiales de navegación por satélite son los siguientes:

1. GLONASS o Global'naya Navigatsionnaya Sputnikovaya Sistema, es un sistema de navegación por satélite administrado por la Unión Soviética y ahora administrado por la Federación Rusa que se lanzó en la década de 1980. Cuenta con una constelación de 24 satélites.
2. BeiDou es el sistema de radionavegación chino que lanzó sus primeros satélites en el año 2000. Inicialmente ofrecía cobertura regional, pero tiene planes de desplegar una constelación de 30 satélites para una cobertura global.
3. Galileo es el sistema de navegación por satélite de la Unión Europea que se espera que despliegue hasta 30 satélites para 2020. Galileo tiene cierta compatibilidad con el GPS.

¿Puedo usar mi antena GPS con un sistema de navegación por radio alternativo?

Las frecuencias GPS y GLONASS están muy próximas entre sí y, por lo tanto, es probable que sean recibidas adecuadamente por una antena GPS. Sin embargo, es probable que los datos de GLONASS o de sistemas alternativos se empaqueten de manera diferente a los del GPS, lo que afectará a la calidad de funcionamiento del receptor y del LNA en particular. La única manera de estar seguro de que puede lograr la compatibilidad con todos los sistemas mundiales de navegación por satélite es utilizar un receptor y una antena de los sistemas mundiales de navegación por satélite (GNSS) que tengan funcionalidad multiconstelación

¿Qué es el GPS asistido?

A-GPS ha sido diseñado para reducir el tiempo hasta la primera reparación que se puede encontrar en entornos urbanizados. Se usa particularmente con teléfonos celulares y ayuda a los despachadores de llamadas de emergencia a localizar a una persona que llama. A-GPS proporciona tiempos de inicio rápidos mediante el uso de fuentes de datos externas, como el ISP del teléfono o la estación base celular más cercana, para ayudar a localizar el teléfono.

¿Cómo debo montar una antena GPS en un vehículo?

La instalación de una antena GPS en un automóvil u otro vehículo debe tener en cuenta el techo metálico del vehículo, así como cualquier curvatura o estructura metálica que pueda causar el reflejo de la señal. Una antena GPS debe colocarse en el centro del techo lo más alto posible, lejos de estructuras metálicas como un portaequipajes. Los soportes magnéticos de antena de techo se pueden usar para proporcionar un posicionamiento ajustable de la antena en un techo de metal.

En conclusión

Las antenas GPS son clave para el uso exitoso del Sistema de Posicionamiento Global, ya que están sintonizadas para recibir y, en la mayoría de los casos, amplificar la señal relativamente débil de los satélites en órbita. El tipo, el diseño y las características de la antena GPS afectarán no solo la sensibilidad a la señal, sino también el diseño y la utilidad del receptor GPS, y sus requisitos de energía en particular. Un montaje cuidadoso de la antena, aprovechando la exposición al cielo y la línea de visión siempre que sea posible, permitirá un rendimiento óptimo del sistema.

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