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¿Cuál
es GPS?
El Sistema de Posicionamiento Global (GPS) es un sistema de posición
basado en una constelación de aproximadamente 24 satélites
que están en órbita la tierra en altitudes de aproximadamente
11,000 millas. El GPS fue desarrollado por el Departamento de defensa
de los Estados Unidos (DOD), para su aplicación tremenda
como una utilidad de localización militar. La inversión
del DOD en GPS es inmensa. Los mil millones y los mil millones de
dólares han sido invertidos en la creación de esta
tecnología para usos militares. Sin embargo, durante varios
años pasados, GPS ha resultado ser un instrumento útil
en aplicaciones de correlación no militares también.
Los satélites
de GPS son estados en órbita bastante altos para evitar que
los problemas asociados con la tierra sistemas basados, aún
puedan proporcionar la colocación exacta de 24 horas por
día, en cualquier parte del mundo. Las posiciones no corregidas
determinadas del satélite GPS señalan exactitudes
de productos en la variedad de 50 a 100 metros. Usando una técnica
llamó la corrección diferencial, los usuarios pueden
conseguir posiciones exactas a dentro de 5 metros o menos.
Hoy, muchas industrias
son leveraging de la tarea masiva del DOD. Cuando las unidades de
GPS se hacen más pequeñas y menos caras, hay un número
creciente de aplicaciones para GPS. En aplicaciones de transporte,
GPS asiste a pilotos y conductores en el señalamiento de
sus posiciones y evitación de colisiones. Los agricultores
pueden usar GPS para dirigir el equipo y controlar la distribución
exacta de fertilizantes y otros productos químicos. Recreacionalmente,
GPS es usado para proporcionar ubicaciones exactas y como un instrumento
de navegación para excursionistas, cazadores y canotieres.
Muchos sostendrían
que GPS ha encontrado su mayor utilidad en el campo de Sistemas
de Información Geográficos (GIS). Con un poco de consideración
para el error, GPS puede proporcionar cualquier punto en la tierra
con una dirección única (su posición precisa).
Un GIS es básicamente una base de datos descriptiva de la
tierra (o una parte especifica de la tierra). El GPS le dice que
usted está en el punto X, Y, Z mientras GIS le dice que X,
Y, el Z es un roble, o un punto en una corriente con un nivel de
pH de 5.4. El GPS nos dice "el donde". El GIS nos dice
"el que". El GPS/GIS reforma el modo que localizamos,
organizamos, analizamos y trazamos un mapa de nuestros recursos.
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Como GPS Determina una Posición
En una
cáscara de nuez, GPS está basado en la variación
de satélite - cálculo de las distancias entre el receptor
y la posición de 3 o más satélites (4 o más
si la elevación es deseada) y luego la aplicación
de algunas viejas matemáticas buenas. La asunción
de las posiciones de los satélites es conocida, la posición
del receptor puede ser calculada determinando la distancia de cada
uno de los satélites al receptor. El GPS toma estas 3 o más
referencias conocidas y distancias medidas y "triangulates"
una posición adicional.
Como un ejemplo, asuma que le he pedido encontrarme en una posición
inmóvil basado sobre unas pistas que quiero darle. Primero,
le digo que soy exactamente 10 millas de distancia de su casa. Usted
sabría que estoy en algún sitio en el perímetro
de una esfera que tiene un origen como su casa y un radio de 10
millas. Con esta información sola, usted tendría un
tiempo difícil para encontrarme ya que hay un número
infinito de posiciones en el perímetro de aquella esfera.
Segundo, le digo que soy también exactamente 12 millas de
distancia de la Tienda de Comestibles de ABECÉ. Ahora usted
puede definir una segunda esfera con su origen en la tienda y un
radio de 12 millas. Usted sabe que soy localizado en algún
sitio en el espacio donde los perímetros de estas dos esferas
se cruzan - pero hay todavía muchas posibilidades de definir
mi posición.
La adición de esferas adicionales reducirá adelante
el número de posiciones posibles. De hecho, un tercer origen
y distancia (digo que usted es 8 millas de distancia del Reloj de
Ciudad) reduce mi posición a sólo 2 puntos. Añadiendo
uno más esfera, usted puede señalar mi posición
exacta. Realmente, la 4a esfera puede no ser necesaria. Una de las
posibilidades puede no tener sentido, y por lo tanto puede ser eliminada.
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Por
ejemplo, si usted sabe que estoy encima del nivel del mar, usted
puede rechazar un punto que tiene la elevación negativa.
Las matemáticas y las computadoras permiten que nosotros
determinemos el punto correcto con sólo 3 satélites.
Basado en este ejemplo, usted puede ver que usted tiene que saber
la información siguiente a fin de calcular su posición:
A)
¿Cuál es la posición precisa de tres o más
puntos conocidos (satélites de GPS)?
B)¿Cuál es la distancia entre los puntos conocidos
y la posición del receptor GPS?
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Como
las Posiciones Corrientes de Satélites GPS son Determinadas
Los satélites
de GPS están en órbita la Tierra en una altitud de
11,000 millas. DOD puede predecir los caminos de los satélites
contra el tiempo con la gran exactitud. Además, los satélites
pueden ser periódicamente ajustados por sistemas de radar
a base de tierra enormes. Por lo tanto, las órbitas, y así
las posiciones de los satélites, son conocidas de antemano.
Los receptores GPS de hoy almacenan esta información de órbita
para todos los satélites GPS en lo que es conocido como un
almanaque. Piense en el almanaque como "una lista de autobús"
aconsejarle de donde cada satélite será en un tiempo
particular. Cada satélite GPS continuamente transmite el
almanaque. Su receptor GPS coleccionará automáticamente
esta información y lo almacenará para la futura referencia.
El Departamento de defensa constantemente supervisa la órbita
de los satélites que buscan desviaciones de valores predichos.
Cualquier desviación (causado por el fenómeno atmosférico
natural como la gravedad), es conocida como errores de calendario
astronómico. Cuando los errores de calendario astronómico
son determinados para existir para un satélite, los errores
son devueltos hasta aquel satélite, que por su parte transmite
los errores como la parte del mensaje estándar, suministrando
esta información a los receptores GPS.
Usando la información del almanaque en conjuction con los
datos de error de calendario astronómico, la posición
de un satélite GPS puede ser muy exactamente determinada
durante un tiempo dado.
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La
informática de la Distancia Entre Su Posición y los
Satélites GPS
El GPS
determina la distancia entre un satélite GPS y un receptor
GPS midiendo la cantidad de tiempo esto toma una señal de
radio (la señal de GPS) para viajar del satélite al
receptor. Las ondas de radio viajan en la velocidad de luz, que
es aproximadamente 186,000 millas por segundo. De este modo, si
la cantidad de tiempo que esto toma para la señal viajar
del satélite al receptor es conocida, la distancia del satélite
al receptor (distancia = velocidad x tiempo) puede ser determinada.
Si el tiempo exacto cuando la señal fue transmitida y el
tiempo exacto cuando fue recibido es conocido, el tiempo de viajes
de la señal puede ser determinado.
A fin de hacer este, los satélites y los receptores usan
relojes muy exactos que son sincronizados de modo que ellos generen
el mismo código en exactamente el mismo tiempo. El código
recibido del satélite puede ser comparado con el código
generado por el receptor. Comparando los códigos, la diferencia
de tiempo entre cuando el satélite generó el código
y cuando el receptor generó el código puede ser determinada.
Este intervalo es el tiempo de viajes del código. La multiplicación
de este tiempo de viajes, en segundos, en 186,000 millas por segundo
da la distancia de la posición de receptor al satélite
en millas.
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Cuatro
(4) Satélites para dar una 3a posición
En el ejemplo anterior, usted vio que esto
tomó sólo 3 medidas a "triangulate" una
3a posición. Sin embargo, GPS necesita un 4o satélite
para proporcionar una 3a posición. ¿ ¿Por qué??
Tres medidas
pueden ser usadas para localizar un punto, asumiendo al receptor
GPS y los relojes de satélite son exactamente y continuamente
sincronizados, así permitiendo a los cálculos de distancia
ser exactamente determinado. Lamentablemente, es imposible sincronizar
estos dos relojes, ya que los relojes en receptores GPS no son tan
exactos como los relojes atómicos muy precisos y caros en
los satélites. El GPS señala viajes del satélite
al receptor muy rápido, tan si los dos relojes son desconectados
por sólo una pequeña fracción, los datos de
posición decididos pueden ser bastante deformados.
Los relojes atómicos a bordo de los satélites mantienen
su tiempo a un grado muy alto de la exactitud. Sin embargo, siempre
habrá una variación leve en precios de reloj del satélite
al satélite. Cerca la escucha del reloj de cada satélite
de la tierra permite a la estación de control insertar un
mensaje en la señal de cada satélite que exactamente
describe el precio de movimiento del reloj de aquel satélite.
La introducción del precio de movimiento con eficacia sincroniza
todos los relojes de satélite GPS.
El mismo procedimiento no puede ser aplicado al reloj en un receptor
GPS. Por lo tanto, una cuarta variable (además de x, y y
z), tiempo, debe ser determinada a fin de calcular una posición
precisa. Matemáticamente, para solucionar para cuatro unknowns
(x, y, z, y t), deben haber cuatro ecuaciones. En la determinación
de posiciones de GPS, las cuatro ecuaciones son representadas por
señales de cuatro satélites diferentes.
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La Utilización
de GPS diferencial para Aumentar Exactitud
Tan poderoso
como GPS es, +/-50 - 100 metros de la incertidumbre no son aceptables
en muchas aplicaciones. ¿Cómo podemos obtener exactitudes
más altas?
Una técnica
llamó la corrección diferencial es necesaria para
conseguir exactitudes dentro de 1-5 metros, o aún mejor,
con el equipo avanzado. La corrección diferencial requiere
a un segundo receptor de GPS, una estación baja, coleccionando
datos en una posición inmóvil en un punto exactamente
conocido (típicamente esto es una cota de referencia contemplada).
Como la posición física de la estación baja
es conocida, un factor de corrección puede ser calculado
comparando la posición conocida con la posición GPS
determinada usando los satélites.
El proceso de corrección diferencial toma este factor de
corrección y lo aplica a los datos GPS coleccionados por
un receptor GPS en el campo. La corrección diferencial elimina
la mayor parte de los errores puestos en una lista en el Presupuesto
de Error GPS hablado antes. Después de la corrección
diferencial, el Presupuesto de Error GPS se cambia como sigue:
Presupuesto de Error de GPS
| Fuente |
No
corregido |
Con
Diferencial |
| Ionosfera |
0-30
metros |
Sobre todo Quitado |
| Troposfera |
0-30
metros |
Todos Quitado |
| Señalar
el Ruido |
0-10
metros |
Todos Quitado |
| Datos
de calendario astronómico |
1-5 metros |
Todos Quitado |
| Cronometrar el
Movimiento |
0-1.5
metros |
Todos Quitado |
| Multicamino |
0-1 metros |
No Quitado |
| SA |
0-70
metros |
Todos Quitado |
Eliminando muchos de los susodichos errores, la corrección
diferencial permite que posiciones GPS sean calculadas en un nivel
mucho más alto de la exactitud. |
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La Medición de Exactitud de GPS
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Como
hablado encima, hay varias fuentes externas que introducen errores
en una posición GPS. Mientras los errores hablados encima
siempre afectan la exactitud, otro factor principal en la determinación
de la exactitud posicional es la alineación, o la geometría,
del grupo de satélites (constelación) de la cual las
señales están siendo recibidas. La geometría
de la constelación es evaluada para varios factores, todo
de los cuales se cae en la categoría de la Dilución
de la Precisión, o DOP.
El DOP es un indicador de la calidad de la geometría
de la constelación de satélite. Su posición
calculada puede variar según cuales satélites usted
usa para la medida. Las geometrías de satélite diferentes
pueden ampliar o disminuir los errores en el presupuesto de error
descrito encima. Un mayor ángulo entre los satélites
baja el DOP, y proporciona una mejor medida. DOP más alto
indica la geometría de satélite pobre, y una medida
inferior cofiguration.
Algunos receptores GPS pueden analizar las posiciones de los satélites
disponibles, basados sobre el almanaque, y elegir aquellos satélites
con la mejor geometría a fin de hacer el DOP tan bajo como
posible. Otro rasgo de receptor GPS importante debe ser capaz no
de hacer caso o no eliminar lecturas GPS con valores de DOP que
exceden límites definidos por usuario. Otros receptores GPS
pueden tener la capacidad de usar todos los satélites en
mente, así minimizando el DOP tanto como posible. |
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El
Presupuesto de Error GPS
El sistema
GPS ha sido diseñado para ser tan casi exacto como posible.
Sin embargo, hay todavía los errores. Añadido juntos,
estos errores pueden causar una desviación de +/-50-100
metros de la posición de receptor GPS actual. Hay varias
fuentes para estos errores, hablan del más significativo
de cual abajo:
Condiciones Atmosféricas
La ionosfera y la troposfera ambos refractan las señales
de GPS. Este hace que la velocidad de la señal de GPS en
la ionosfera y troposfera sea diferente de la velocidad de la
señal de GPS en el espacio. Por lo tanto, la distancia
calculada "de la Velocidad de Señal x Tiempo"
será diferente para la parte del camino de señal
de GPS que pasa por la ionosfera y la troposfera y para la parte
que pasa por el espacio.
Ruido de Movimiento/Medida de Errores/Reloj de Calendario astronómico
Como mencionado antes, las señales de GPS contienen la
información sobre el calendario astronómico (posición
orbital) errores, y sobre el precio del movimiento de reloj para
el satélite de difusión. Los datos acerca de errores
de calendario astronómico pueden no modelar exactamente
el movimiento de satélite verdadero o el precio exacto
del movimiento de reloj. La deformación de la señal
por el ruido de medida puede aumentar adelante el error posicional.
La disparidad en datos de calendario astronómico puede
introducir 1-5 metros del error posicional, la disparidad de movimiento
de reloj puede introducir 0-1.5 metros del error posicional y
el ruido de medida puede introducir 0-10 metros del error posicional.
Disponibilidad Selectiva
Los errores de calendario astronómico no deberían
ser aturdidos con la Disponibilidad Selectiva (SA), que es la
modificación intencional del tiempo y señal de epherimis
por el Departamento de defensa. El SA puede introducir 0-70 metros
del error posicional. Por suerte, los errores posicionales causados
por SA pueden ser quitados por la corrección diferencial.
Multicamino
Una señal de GPS que salta de una superficie reflexiva
antes del alcance de la antena de receptor GPS se menciona como
el multicamino. Como es difícil al error de multicamino
completamente correcto, hasta en la precisión alta unidades
de GPS, el error de multicamino es una preocupación seria
al usuario GPS.
La carta debajo de listas las fuentes más comunes de error
en posiciones GPS. Esta carta es comúnmente conocida como
el Presupuesto de Error GPS:
Presupuesto de Error de GPS
| Fuente |
Nivel
de Error no corregido |
| Ionosfera |
0-30
metros |
| Troposfera |
0-30
metros |
| Ruido de medida |
0-10
metros |
| Datos
de calendario astronómico |
1-5 metros |
| Cronometrar el
Movimiento |
0-1.5
metros |
| Multicamino |
0-1metros |
| Disponibilidad
selectiva |
0-70
metros |
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Niveles
de Exactitud GPS
Hay
tres tipos de receptores GPS que están disponibles en el
mercado de hoy. Cada uno de los tres tipos ofrece niveles diferentes
de la exactitud, y tiene exigencias diferentes para obtener aquellas
exactitudes. A este punto, la discusión en este libro ha
enfocado en la Adquisición Gruesa (código de C/A)
a receptores de GPS. Los dos tipos restantes del receptor GPS son
receptores de Fase de Portador y receptores de Frecuencia Duales.
Receptores
de Código de C/A
Los receptores de Código de C/A típicamente proporcionan
la exactitud de posición de GPS de 1-5 metros por la corrección
diferencial. El Código de C/A receptores de GPS proporciona
un grado suficiente de la exactitud para hacerlos útiles
en la mayor parte de aplicaciones GIS.
Los receptores
de Código de C/A pueden proporcionar la exactitud de posición
de GPS de 1-5 metros por un tiempo de ocupación de 1 segundo.
Los tiempos de ocupación más largos (hasta 3 minutos)
proporcionarán exactitudes de posición GPS consecuentemente
dentro de 1-3 metros. Los avances recientes en el diseño
de receptor GPS permitirán ahora que un receptor de Código
de C/A proporcione la exactitud de submetro, abajo a 30 cm.
Receptores de Fase de portador
Los receptores de Fase de portador típicamente proporcionan
la exactitud de posición de GPS de 10-30 cm por la corrección
diferencial. Los receptores de Fase de portador proporcionan el
nivel más alto de la exactitud exigida por ciertas aplicaciones
GIS.
Los receptores
de Fase de portador miden la distancia del receptor a los satélites
contando el número de ondas que llevan la señal de
Código de C/A. Este método de determinar posición
es mucho más exacto; sin embargo, esto requiere realmente
un substatially que el tiempo de ocupación más alto
alcance la exactitud de 10-30 cm. Inicializando una Fase de Portador
el trabajo de GPS en un punto conocido requiere un tiempo de ocupación
de aproximadamente 5 minutos. Inicializando una Fase de Portador
el trabajo de GPS en un punto desconocido requiere un tiempo de
ocupación de aproximadamente 30-40 minutos.
Las exigencias
adicionales, como el mantenimiento de la misma constelación
de satélite en todas partes del trabajo, interpretación
bajo el dosel y la necesidad de estar muy cerca de una estación
baja, limitan la aplicabilidad de la Fase de Portador receptores
de GPS a muchas aplicaciones GIS.
Receptores
de frecuencia dual
Los receptores de frecuencia dual son capaces del subcentímetro
que provee la exactitud de posición de GPS con la corrección
diferencial. Los receptores de frecuencia dual proveen "exactitudes"
de grado de revisión no a menudo requeridas para aplicaciones
GIS.
Los receptores
de frecuencia dual reciben señales de los satélites
en dos frecuencias simultáneamente. La Recepción de
señales de GPS en dos frecuencias simultáneamente
permite que el receptor determine posiciones muy precisas.
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GPS y Dosel
Los receptores de GPS requieren una línea de vista a los
satélites a fin de obtener a un representante de señal
de la distancia verdadera del satélite al receptor. Por
lo tanto, cualquier objeto en el camino de la señal tiene
el potencial para interferir con la recepción de aquella
señal. Los objetos que pueden bloquear una señal
de GPS incluyen dosel de árbol, edificios y rasgos de terreno.
Las superficies adicionales, reflexivas pueden causar las señales
de GPS saltar antes de llegar a un receptor, así causando
un error en el cálculo de distancia. Este problema, conocido
como el multicamino, puede ser causado por una variedad de materiales
incluso el agua, cristal y metal. El agua contenida en las hojas
de vegatation puede producir el error de multicamino. En algunos
casos, que funcionan bajo el dosel forestal pesado, mojado puede
degradar la capacidad de un receptor GPS de rastrear satélites.
Hay varias técnicas de colección de datos que pueden
mitigar los efectos del bloqueo de señal por el dosel de
árbol u otros objetos. Por ejemplo, muchos receptores GPS
pueden ser instruidos de rastrear sólo los satélites
más altos en el cielo, a diferencia de aquellos satélites
que proporcionan mejor DOP. El aumento de la elevación
de la antena GPS también puede aumentar dramáticamente
la capacidad del receptor de rastrear satélites.
Lamentablemente, habrá posiciones donde las señales
de GPS simplemente no están disponibles debido a la obstrucción.
En estos casos, hay técnicas adicionales que pueden ayudar
a solucionar el problema. Algunos receptores GPS tienen la capacidad
de coleccionar un punto de compensación, que implica registrar
una posición GPS en una posición donde las señales
de GPS están disponibles también registrando la
distancia, aguantando y cuesta de la antena GPS a la posición
del interés donde las señales de GPS no están
disponibles. Esta técnica es útil para evitar un
soporte de madera denso o el edificio.
Adelante, un tradicional cruzan el programa puede ser usado a
mano para entrar en una serie de portes y variedades para generar
posiciones hasta que las señales de satélite puedan
ser otra vez recibidas. Estos datos de posición pueden
ser usados entonces para aumentar datos de posición coleccionados
con el receptor GPS.
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GPS para GIS
Hasta este punto, la discusión se ha concentrado
en la descripción como GPS determina una posición
en la superficie de la Tierra. Ahora la discusión puede cambiar
al proceso de descripción lo que está en la posición.
"Lo que" es el objeto u objetos de que trazarán
un mapa. Estos objetos se mencionan "como Rasgos", y son
usados para construir un GIS. Esto es el poder de GPS de localizar
exactamente estos Rasgos que añade tanto a la utilidad del
sistema GIS. Por otra parte, sin datos de Rasgo, una posición
de coordenada es de poco valor
Tipos de Rasgo
Hay tres tipos del Rasgo de que pueden trazar un mapa: Puntos, Líneas
y Áreas. Un Rasgo de Punto es una posición de coordenada
de GPS sola que es identificada con un Objeto específico.
Un Rasgo de Línea es una colección de posiciones GPS
que son identificadas con el mismo Objeto y unidas juntos para formar
una línea. Un Rasgo de Área es muy similar a un Rasgo
de Línea, salvo que los finales de la línea son atados
el uno al otro para formar un área cerrada.
Descripción
de Rasgos
Como declarado encima, un Rasgo es el objeto de que trazará
un mapa el sistema GPS. La capacidad de describir un Rasgo en términos
de base de datos multiacodada es esencial para la integración
acertada con cualquier sistema GIS. Por ejemplo, es posible trazar
un mapa de la posición de cada casa en un bloque de ciudad
y simplemente etiquetar cada posición de coordenada como
una casa. Sin embargo, la adición de información como
color, tamaño, de coste, inquilinos, etc. proporcionará
la capacidad de clasificar y clasificar las casas por estos catagories.
Estos catagories
de descripciones para un Rasgo son saben como Atributos. Pueden
pensar de atributos como preguntas a que preguntan sobre el Rasgo.
Usando el ejemplo encima, los Atributos del Rasgo "casa"
serían "en color", "tamaño", "costarían"
"e inquilinos".
Lógicamente,
cada pregunta hecha por los Atributos debe tener una respuesta.
Las respuestas a las preguntas planteadas por los Atributos son
llamadas Valores. En el ejemplo encima, un Valor apropiado (respuesta)
para el Atributo (pregunta) "color" puede ser "azul".
La mesa
siguiente ilustra la relacion entre Rasgos, Atributos y Valores:
| Rasgo |
Atributo |
Valor |
| Casa |
Color |
Azul |
| |
Tamaño |
3 BDR
|
| |
Coste |
$118K |
| |
Inquilinos |
5
|
Coleccionando el mismo tipo de datos para cada casa de que trazan
un mapa, una base de datos es creada. La atadura de esta base de
datos para colocar información es la filosofía principal
que es la base de cualquier sistema GIS. Presentar
Listas
El proceso de entrada de datos de campaña puede ser aerodinamizado
por el uso de una Lista de Rasgo. La Lista de Rasgo es una base
de datos que contiene un listado de los Rasgos de que trazarán
un mapa, así como los Atributos asociados para cada Rasgo.
Además, la Lista de Rasgo contiene una selección
de Valores apropiados para cada Atributo. La Lista de Rasgo puede
ser creada en el coleccionista de datos GPS portátil CMT,
o en un ordenador personal. Abajo es un ejemplo de una Lista de
Rasgo cuando aparece en el ordenador-personal-GPS:
Cuando una Lista de Rasgo es usada en el campo, el primer paso
debe seleccionar el Rasgo para ser trazado un mapa. Una vez que
un Rasgo es seleccionado, los Atributos para aquel Rasgo son automáticamente
puestos en una lista. Un Valor para cada Atributo puede ser seleccionado
entonces de la lista mostrada de Valores predeterminados.
El uso de una Lista de Rasgo aerodinamiza el proceso de entrada
de datos y también asegura la entrada de datos consecuente
entre usuarios diferentes en la misma organización.
La exportación a un Sistema GIS
El paso final en la incorporación de datos de GPS con un
sistema GIS debe exportar el GPS y datos de Rasgo en el sistema
GIS. Durante este proceso, "una capa" GIS es creada
para cada Rasgo en el trabajo GPS. Por ejemplo, el proceso de
exportar un trabajo GPS que contiene datos para Casa, Camino y
Rasgos de Parte crearía una capa de Casa, una capa del
Camino y mucha capa en el sistema GIS. Estas capas pueden ser
incorporadas entonces con la existencia de datos de GIS.
Una vez que el trabajo GPS ha sido exportado, el poder lleno del
sistema GIS puede ser usado para clasificar y evaluar los datos.
Referencia:
http://www.cmtinc.com/gpsbook/index.htm
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