Las características clave del GPS lo hacen fundamental para una variedad de soluciones móviles de IoT

Localización de objetos: El GPS utiliza su propia constelación de satélites militares para proporcionar datos de localización de objetos con un alto grado de precisión. Esto se hace mediante un proceso llamado trilateración, que implica que el objeto o dispositivo objetivo se comunique de forma inalámbrica con al menos tres satélites visibles que pueden proporcionar datos que luego se utilizan para calcular las coordenadas precisas del objeto.

• Cálculo de la velocidad: Esta capacidad del GPS depende de la transmisión constante de señales satelitales a medida que los satélites GPS realizan sus órbitas rutinarias de 12 horas alrededor de la Tierra. El movimiento del objeto o dispositivo objetivo en relación con la posición del satélite se puede utilizar para calcular la velocidad utilizando la ecuación tradicional: velocidad = distancia / tiempo.
• Cronometraje preciso: La función de los satélites GPS está respaldada por potentes relojes atómicos que se utilizan en el procesamiento de datos críticos para el correcto funcionamiento del sistema. Estos relojes integrados sincronizados y estables se corrigen diariamente para garantizar la precisión del cronometraje necesario para que el GPS funcione correctamente.
• Dirección: Los datos de efemérides publicados por los satélites GPS se pueden utilizar para calcular la dirección y la orientación de los objetos en relación con la posición orbital del satélite.
• La gran potencia computacional de este sistema de radionavegación basado en el cielo significa que las aplicaciones militares, civiles y comerciales de los usuarios finales se ven inmediatamente mejoradas por las amplias capacidades de procesamiento de datos de este sistema.

Cuando se combina con IoT, el GPS proporciona la capacidad de cuantificar y registrar grandes cantidades de datos relacionados con el tiempo, la ubicación, la velocidad y la dirección. Esta relación complementaria permite caracterizar el movimiento terrestre:

• de objetos
• de mercancías
• de animales
• de personas

Lo que tiene importantes implicaciones económicas y el potencial para crear ciudades inteligentes y el actualmente teórico Internet de Todo (IoE).

Aplicaciones del GPS en la tecnología IoT

Cuando se utilice como tecnología independiente, el uso del GPS se basará en sus capacidades de transferencia de tiempo, ubicación y monitoreo de movimiento.

El GPS se utiliza principalmente para aplicaciones de localización o seguimiento que dependen de la triangulación de los satélites en órbita en una antena de seguimiento GPS y un receptor en el objeto o dispositivo en uso. Una vez que se identifica con precisión, hay un cálculo continuo de la posición y actualizaciones periódicas para rastrear objetos que están en movimiento utilizando la transmisión de datos de microondas.

Los dispositivos IoT habilitados para GPS incluyen:

• Ayudas a la navegación
• Dispositivos de localización y rastreo que pueden integrarse o adherirse a objetos de consumo cotidiano, como un collar de perro o una mochila escolar. Esta tecnología también se puede utilizar para rastrear activos valiosos, como la carga que se envía internacionalmente.
• Wearables o artículos / dispositivos que se pueden usar como accesorio o vestimenta por empleados, personal, convictos o pacientes para monitorizar su actividad.
• Geofencing: La creación de límites monitoreados por GPS como medida de seguridad (por ejemplo, para mascotas) o para hacer cumplir un toque de queda.
• Sellado de tiempo preciso de transacciones o movimientos
• Sincronización con dispositivos digitales, relojes y relojes para un cronometraje preciso.

Antenas GPS para el diseño de productos embebidos

El éxito de las aplicaciones IoT basadas en GPS depende de una antena GPS de rendimiento adecuado. Las señales GPS no son excepcionalmente fuertes, por lo que una antena GPS integrada  necesita una exposición adecuada para poder recibir señales de tantos satélites como sea posible para proporcionar la retransmisión de datos necesaria al receptor del Sistema Mundial de Navegación por Satélite (GNSS) conectado.

El rendimiento óptimo del GPS depende de que los satélites más potentes tengan una relación entre la densidad de potencia portadora y acústica en el rango de 44 a 50 dBHz como mínimo. Las antenas GPS típicas superan esto. Otras características funcionales de una antena GPS de rendimiento óptimo incluyen:

• Alta ganancia
• LNA de bajo nivel de ruido
• Baja directividad
• Buena exposición al cielo
• Adaptación adecuada de la impedancia entre la antena y el cable.

Para aplicaciones basadas en GPS, hay disponible una amplia gama de tipos de antenas, que se pueden integrar como parte del diseño del dispositivo. Los principales tipos de antenas GPS incluyen:

• Antena Dipolos
• Antena de parche
• Antena de chip
• Antena helicoidal
• Antena de elemento fractal
• Antena GNSS de gama alta

El montaje de estas antenas es de vital importancia para permitir una exposición completa al cielo, lo que permite la visibilidad de tantos satélites como sea posible.

Los diferentes tipos de antenas ofrecen diferentes características que pueden afectar la recepción de la señal. Por ejemplo, las antenas de parche a menudo requieren un posicionamiento cuidadoso para una visibilidad óptima del cielo, mientras que las antenas de chip integradas en los dispositivos pueden beneficiarse de consideraciones específicas de conexión a tierra. Estos factores, junto con el tamaño de la antena y el diagrama de radiación, influyen en su rendimiento. En muchos casos, el tipo de antena elegido requerirá el uso de un conector de RF específico para una conexión de cable segura y funcional. Algunos ejemplos de adaptadores de cable de antena comunes utilizados en aplicaciones de antena son los conectores SMA, RP-SMA, MMCX y U.FL.

Combinación de GPS con 4G / LTE

La combinación de GPS y tecnología 4G/LTE proporciona la capacidad de crear novedosas soluciones inalámbricas y de posicionamiento. Esto se logra con éxito variable mediante la integración del GPS con el Sistema Mundial de Comunicaciones Móviles (GSM); tecnología de comunicaciones celulares que abarca protocolos como 4G.

La unión del GPS y el 4G no es fácil debido a los problemas iniciales con el tiempo de arranque en frío del GPS. Esto implica el tiempo que tarda un dispositivo GPS en localizar la órbita del satélite relevante y los datos del reloj para poder calcular la posición necesaria, lo que se conoce como "arreglo". El tiempo hasta la primera reparación (TTFF) para GPS puede variar de unos pocos segundos a varios minutos, dependiendo de las condiciones ambientales y del terreno en el que se encuentre el dispositivo. El arranque en frío también consume mucha energía, lo que puede dificultar el uso del GPS en aplicaciones de IoT.

Las redes de comunicaciones celulares se están utilizando para superar este retraso mediante la creación de una forma adaptada de GPS conocida como GPS "asistido". A-GPS busca cerrar la brecha de tiempo para lograr la solución inicial complementando los datos de posición en red de la bodega en el proceso. Los datos de asistencia móvil realizan funciones útiles como:

• Informar al dispositivo con GPS al instante de los satélites relevantes más cercanos, para que el dispositivo no tenga que buscarlos.
• Proporciona un canal de comunicaciones paralelo con una latencia más corta, una velocidad de bits más alta y la capacidad de transferir mayores cantidades de datos complementarios.
• Ayuda para proteger los datos de posición de los dispositivos en los que la señal GPS es débil o no está disponible mediante el uso de torres de telefonía móvil para determinar la posición.

El GPS asistido por 4G LTE se puede utilizar para una amplia gama de aplicaciones y soluciones que reúnen los sectores de las telecomunicaciones y el posicionamiento global. Tanto el 3G como el 4G pueden ser utilizados, pero a medida que el 3G está experimentando un ocaso generalizado, el 4G ha pasado a primer plano con las redes 4G que despliegan servidores A-GPS.

Algunos ejemplos de aplicaciones son:

• Gestión de flotas: las flotas de transporte y acarreo pueden ser supervisadas con monitoreo en tiempo real por parte de empresas y clientes.
• Detección y prevención de delitos. El CCTV habilitado para GPS se puede utilizar para identificar la ubicación del delito, transmitir datos a las fuerzas del orden y rastrear a los sospechosos.
• Los localizadores personales ya se están comercializando como un producto de consumo para padres y dueños de mascotas.
• Los servicios de emergencia pueden beneficiarse de datos de posición más precisos en situaciones cambiantes.
• Los servicios de Internet móvil optimizados para la ubicación pueden proporcionar a los usuarios noticias, direcciones y servicios digitales y publicidad específicos de la ubicación que se mueven con ellos.

Combinación de GPS con redes inalámbricas de área personal (WPAN)

El rendimiento de posicionamiento del GPS se ve afectado en entornos degradados, como paisajes urbanos urbanizados y dentro de edificios o estructuras protegidas. Para permitir que las aplicaciones que utilizan la ubicación GPS continúen funcionando en estos entornos desafiantes, se están reclutando y explorando WPAN como una solución de continuidad.

Las WPAN son redes de corta distancia (centímetros a unos pocos metros) y de baja potencia que incluyen Bluetooth y ZigBee. Estos han demostrado potencial para su uso en la creación de sistemas de posicionamiento Wi-Fi en interiores donde el GPS será inadecuado para proporcionar un servicio sin interrupciones. Esta forma alternativa de geolocalización depende de la capacidad de determinar la ubicación de un dispositivo en relación con los puntos de acceso inalámbrico conocidos cercanos, para determinar su ubicación. La técnica principal que se utiliza actualmente es la indicación de intensidad de la señal recibida (RSSI), pero las técnicas alternativas incluyen:

• Huellas digitales
• Tiempo de vuelo
• Ángulo de llegada

Las aplicaciones que combinan GPS con redes WPAN y Wi-Fi a menudo se ven obstaculizadas por las grandes demandas de energía del GPS. Se sabe que el GPS tiene un alto consumo de energía, ya sea debido a la superación del obstáculo de los arranques en frío o al mantenimiento de la comunicación inalámbrica necesaria para un estado de arranque en caliente más rápido en los dispositivos. Esto afecta a la utilidad de las aplicaciones propuestas, que deberán proporcionar una duración de batería adecuada para soportar el GPS.

Las características conectadas, comunicativas y receptivas de los objetos, dispositivos y componentes "inteligentes" crean un Internet de las cosas (IoT) en el que los dispositivos mejorados se pueden conectar en red y utilizar en una variedad de aplicaciones.

Las tecnologías inalámbricas que utiliza el IoT no solo proporcionan modalidades para la transmisión esencial de datos precisos y eficientes entre dispositivos, sino que también tienen características que pueden ampliar el alcance de lo que se puede lograr con los dispositivos a los que sirven. Un ejemplo clave de esto es el Sistema de Posicionamiento Global, un sistema de radionavegación basado en satélites creado y propiedad del Gobierno de los Estados Unidos y disponible para uso militar, civil y comercial en todo el mundo.

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