Uso del GPS en la agricultura

La exactitud de posicionamiento, con un margen de error de menos de un metro, hace que sea posible ahora que una cosechadora con equipos adecuados monitorice de forma continua el rendimiento de la cosecha a medida que va cosechando una parcela individual, relacionando los niveles de crecimiento con puntos específicos de la parcela. Después de la cosecha, pueden tomarse muestras sistemáticas de suelo usando posicionamiento DGPS y los mismos datos de rendimiento, para identificar la razón de cualquier variación. Cuando esta información es cargada en una abonadora controlada por ordenador, DGPS puede asegurar que ésta aplique los productos químicos únicamente en aquellos puntos de la parcela que los necesitan. Esto puede crear significativos ahorros de costes, además de reducir problemas medioambientales asociados con el aflujo de productos químicos sobrantes.

La fiabilidad y la exactitud de GPS Diferencial ha llegado a un nivel que ofrece a los agricultores posibilidades limitadas únicamente por su imaginación. La gestión de activos, el trazado de lindes, la gestión forestal y el seguimiento de vehículos son ahora operaciones sencillas. Ahora existe la tecnología necesaria para que el arado automático se convierta en realidad práctica, y para muchos, sólo es cuestión de tiempo el que los satélites se consideren herramientas agrícolas indispensables.

Expliación del GPS diferencial

Cuando el Gobierno de Estados Unidos estableció el Sistema de Posicionamiento Global, lanzó 24 satélites que están cambiando el mundo. Por primera vez, han hecho posible el uso de un pequeño receptor que le indica a usted su posición, no importa donde esté en el planeta.
La navegación sin esfuerzo trae evidentes ventajas a navegantes y viajeros en lugares remotos de la tierra, y también aporta ventajas a multitud de usuarios, desde cartógrafos a empresas de transporte, servicios de emergencia, y ahora, gracias a la introducción del GPS Diferencial, a los agricultores.

Navegación para todos

Para comprender las ventajas que aporta la tecnología GPS Diferencial a la agricultura moderna, merece la pena dedicar algún tiempo a explicar cómo funciona el GPS.
La idea original del Departamento de Defensa estadounidense fue establecer una constelación de satélites en órbita unos 23.000 km. por encima de la superficie de la Tierra. Éstos transmiten señales que pueden utilizarse para la navegación de buques de guerra, misiles y otros recursos del Departamento.

Sin embargo, rápidamente se hizo evidente que las señales de posicionamiento transmitidas por los satélites GPS podían ser recibidas por cualquiera, condujera un carro de combate, un superpetrolero o una cosechadora. El Gobierno de los Estados Unidos ha aceptado esta realidad y no tiene inconvenientes en que se utilice el servicio de forma gratuita. Lo único que se necesita para aprovechar esta tecnología que cuesta muchos billones de dólares es un receptor GPS que, hoy en día, puede comprarse por £100 o menos..

El receptor GPS contiene un diminuto ordenador que funciona escuchando las señales únicas transmitidas por cada uno de los satélites. El precio del receptor depende en gran medida del número de canales que contiene. Puesto que cada canal se utiliza para escuchar a un satélite individual, cuantos más canales posee, más señales de posicionamiento puede recibir y mejor será su rendimiento.

El receptor GPS sabe instantáneamente a cuál de los 24 satélites en órbita está escuchando, pero lo que es más importante, su reloj interno sabe cuándo se transmitió la señal de ese satélite. También sabe dónde debe estar ese satélite en su órbita, de manera que, al medir el tiempo que tarda la señal en viajar desde el satélite hasta el receptor GPS, puede calcular la distancia que hay entre los dos. Si el receptor GPS puede escuchar tres o más señales, su pequeño turbocerebro puede calcular instantáneamente la trigonometría necesaria para medir la distancia desde cada satélite, y calcular su posición. El proceso es esencialmente igual que usar una brújula para medir derrotas desde la torre de una iglesia y una colina para fijar la posición en un mapa bi-dimensional. Sin embargo, puesto que los satélites se desplazan en tres dimensiones, es necesario medir una tercera derrota para proporcionar la medición final que fijará la posición del receptor en la superficie de la tierra, o en el caso de un avión, por encima de ella.

Si el receptor GPS puede escuchar a un cuarto satélite, puede realizar unos cálculos matemáticos aún más útiles, para sincronizar su reloj interno con la hora universal usada por los relojes atómicos muy precisos a bordo de los satélites. Puesto que todas las mediciones del receptor se basan en el tiempo necesario para que la señal del satélite llegue a él, esta sincronización es esencial. No obstante, los cálculos matemáticos implicados son algo complejos para el no-experto, y es mejor no adentrarnos en ellos aquí. Para los propósitos de esta publicación, probablemente lo más sencillo es simplemente aceptar que todo esto ocurre, y seguir adelante.

Preciso pero no lo suficiente

Si un receptor GPS se utilizara en un vacío perfecto, el tiempo que tardan las señales de radio del satélite en llegar hasta él correspondería exactamente a la velocidad de la luz – 300.000 km. por segundo. Desgraciadamente, debido a que las señales deben atravesar la atmósfera de la Tierra, están sujetas a diversos factores que las pueden ralentizar. La señales se transmiten en la banda L, de alta frecuencia, que es altamente resistente a la interferencia, pero las partículas cargadas de la ionosfera y el vapor de agua de la troposfera pueden jugar un papel impredecible. Más cerca de la tierra, las señales pueden rebotar en otros objetos o accidentes geográficos causando errores locales por el efecto de trayectoria múltiple. Aunque la señal que llega a la antena de la unidad GPS directamente será la más exacta, los ecos de la misma señal recibidos desde edificios, montañas u otros objetos afectarán a su precisión de la misma forma en que causan el efecto familiar de sombra que a veces se ve en la televisión.

Otras potenciales fuentes de error pueden existir también; éstas pueden deberse a que el mismo satélite no está exactamente donde debe estar en su órbita, causando los que se conoce como errores de efemérides. El receptor GPS puede también ser algo menos que perfecto, y causar errores internos propios. Los errores más importantes, sin embargo, son causados por una distorsión intencionada llamada Disponibilidad Selectiva.

Un sistema demasiado preciso para su propio bien

Cuando el Departamento de Defensa estadounidense estableció el sistema GPS, desde luego la intención no fue la de proporcionar una manera fácil y gratuita de que los enemigos de los Estados Unidos lanzaran armas contra el país. Aunque el Departamento de Defensa quería que el sistema fuese utilizado con fines pacíficos por cualquiera, fue reconocido que la forma más segura de impedir su uso para guiar misiles era reducir su exactitud. Esto se consiguió mediante un proceso llamado Disponibilidad Selectiva (D/S); el Departamento de Defensa introduce ‘ruido’ en la señal de los satélites, reduciendo la exactitud de su mensaje. Estas distorsiones no preocupan a las fuerzas militares de los EE.UU. y sus aliados, que utilizan receptores P-code especiales que pueden descodificar los efectos de la Disponibilidad Selectiva y proporcionar una exactitud de posicionamiento de alrededor de 15 metros de forma rutinaria.

La aplicación de D/S parece ser aleatoria, y en tiempos de crisis como la Guerra del Golfo, puede ser desconectada del todo. Esto de hecho ocurrió con el fin de superar una escasez de receptores GPS P-code militares suministrando a las tropas receptores civiles comprados localmente. Bajo estas condiciones, los receptores civiles demostraron ser tan exactos como sus homólogos militares, más sofisticados. Cuando las condiciones atmosféricas son favorables, los sistemas funcionan correctamente y la Disponibilidad Selectiva está desconectada, un receptor GPS estándar con una vista clara del cielo puede proporcionar posicionamiento con un margen de error de tan solo unos metros. Desafortunadamente el usuario no tiene manera de saber cuándo dichas condiciones pueden producirse, y debe suponer, por prudencia, que la posición dada podría tener un error de hasta 100 metros. Esto no supone un problema para el capitán de un petrolero que intenta localizar el puerto de Amberes, pero es inútil si se busca una tubería enterrada o para confecccionar mapas de rendimiento de cosechas en los más modernos procesos de agricultura de precisión.

Corregir los errores con DGPS

La respuesta al problema de la inexactitud del GPS viene dada con el DGPS. El DGPS fue ideado como sistema sencillo para corregir los errores simplemente midiéndolos. Con la excepción de errores por trayectoria múltiple y los fallos técnicos de receptores individuales, los factores que afectan a la exactitud del posicionamiento GPS serán comunes en toda una zona que puede cubrir miles de kilómetros cuadrados. Todos los usuarios de GPS de esa zona estarán escuchando los mismos satélites con la misma D/S, y las señales pasarán por básicamente las mismas capas de distorsión atmosférica.

Al localizar un receptor GPS en un lugar cuya posición se conoce con precisión, es sencillo identificar el alcance de cualquier error en las señales de satélite. La localización exacta de dicho receptor de referencia, o para usar su nombre exacto, estación de referencia, será medida con error de pocos milímetros usando un marco de referencia científica internacional de alta precisión. Si la unidad GPS recibe señales de satélite que le dicen que está, por ejemplo, a 25,73 metros al este de donde realmente sabe que está, simplemente tiene que indicar a todos los demás receptores GPS de la zona que si desplazan su posición 25,73 metros al oeste, tendrán su localización exacta.

En la práctica el proceso es más complicado, puesto que la estación de referencia estará escuchando las señales de todos los satélites que puede ver por encima del horizonte. Comparará el tiempo que toma cada señal en llegar hasta él con el tiempo que sabe que la señal debería haber tomado. Lo que se proporciona al receptor móvil es precisamente esta diferencia de tiempo – de ahí viene el nombre de GPS Diferencial. Si el receptor móvil tiene menos canales, o si está en un lugar enmascarado por colinas u otros objetos, es posible que no escuche tantos satélites como la estación de referencia.
Esto significa que tendrá que seleccionar la información que necesita del paquete suministrado y emparejarla con los satélites que está escuchando.

Difusión

La única forma en que un receptor GPS móvil puede recibir correcciones es mediante algún tipo de radioenlace. La naturaleza de este enlace variará según el servicio DGPS usado, y puede incluir radiofaros terrestres o satélites de comunicaciones.
Las correcciones en sí suelen transmitirse en un formato llamado protocolo RTCM SC-104. Éste es un estándar internacionalmente acordado que permite a cualquier receptor GPS móvil con la ‘caja’ adecuada instalada recibir, comprender y aplicar las correcciones.

La International Association of Lighthouse Authorities (Asociación Internacional de Faros y Balizas) (IALA) también ha establecido su propio protocolo que proporciona correcciones diferenciales desde su propia red de radiofaros a barcos con el equipamiento adecuado, de forma gratuita.
Cuando un usuario puede elegir entre el acceso a un servicio diferencial por radiofaro gratuito como el sistema IALA o a un servicio DGPS comercial, la decisión se basa generalmente en el nivel de calidad de posicionamiento y asistencia técnica requeridos. Los servicios por radiofaro tipo IALA representan una muy valiosa mejora a la seguridad marítima, al estar disponibles para cualquier persona que tenga el receptor adecuado. Los proveedores comerciales de servicios DGPS existen para responder a las exigencias de usuarios que requieren un servicio que monitoriza constantemente la calidad de las señales de satélite y los mensajes de corrección, y que pueden necesitar también asistencia técnica para tener garantizado un mayor nivel de exactitud de posicionamiento en cualquier momento del día o de la noche.

Los problemas asociados con los radiofaros terrestres son más pronunciados debido a las propiedades de la frecuencia MF. Ésta es más susceptible al ruido electromagnético y a las condiciones atmosféricas como tormentas con aparato eléctrico, distorsión atmosférica, trayectorias múltiples, enmascaramiento y simplemente el hecho de que el receptor esté fuera del alcance de las transmisiones de radio. Debido a la curvatura de la Tierra, éstas pueden recibirse típicamente sólo hasta una distancia de 200 km.

Enlaces por satélite

Una nueva raza de satélites de comunicaciones proporciona ahora una solución para este problema. En lugar de enviarse los mensajes de corrección desde un radiofaro a nivel del suelo, son transmitidos en enlace ascendente a un satélite en órbita geoestacionaria por encima de la tierra. El satélite luego vuelve a transmitir las correcciones, que pueden ser recibidas por usuarios en cualquier lugar de una vasta área de la superficie terrestre. Los sistemas anteriores usaban los cuatro satélites de comunicaciones Inmarsat-C. Juntos, cubren toda la superficie de la Tierra, exceptuando los polos, que están enmascarados por la curvatura del planeta. Estas señales son de relativa baja potencia y requieren una antena grande comparable a una antena parabólica de televisión.
Esto no supone ningún problema para usuarios grandes, de movimiento relativamente lento, como barcos o plataformas petrolíferas. Sin embargo, es totalmente inadecuado para su uso en vehículos agrícolas.

Recientemente ha aparecido un nuevo tipo de satélite de comunicaciones, que transmite servicios de telefonía, televisión y otros a través de potentes haces muy estrechos. Éstos están enfocados hacia zonas geográficas específicas y están siendo utilizados por servicios como Racal LandStar y SkyFix para transmitir correcciones diferenciales. Debido a su potencia, las señales pueden ser recibidas por usuarios equipados con una antena combinada GPS y DGPS del tamaño de un plato de postre.