¿Cómo funciona un GPS?

Para comenzar vale la pena hacer ciertas aclaraciones, el sistema que nosotros conocemos por GPS (Global Positioning System), es una red de satélites en órbita pero que es mantenido y fue desarrollado por EEUU, sin embargo, existen al menos dos constelaciones importantes más: GLONASS (Global Orbiting Navigational Satellite System) que es una constelación de satélites similar a la de GPS pero de origen y mantenimiento ruso y la COPERNICO, que es la red de posicionamiento global europea. Todos los sistemas anteriores funcionan bajo el mismo principio, explicado más adelante, cuando un receptor GPS en tierra puede auxiliarse de cualquiera de esas constelaciones para ubicarse, decimos que el receptor tiene capacidad GNSS que significa que entiende las señales de las 3 constelaciones.

Lo segundo que es importante decir es que el GPS como tal que nosotros creemos tener en el celular, o tablet o cualquier otro dispositivo, no es más que un hardware y software que entiende las señales de los satélites, por eso el término correcto sería que el celular posee un receptor de señal GPS y no un GPS como tal. Entonces

 

¿Cómo hace un receptor GPS para saber en qué coordenadas del planeta se encuentra?

 

Básicamente, un receptor de GPS hace lo mismo que cualquiera de nosotros para orientarnos. Nosotros observamos lo que hay a nuestro alrededor, nos fijamos en lugares conocidos y calculamos nuestra posición a partir de ellos. La diferencia es que, para un aparato GPS, los lugares conocidos no son montañas, casas o accidentes geográficos sino satélites en órbita.

Para explicarlo veamos el siguiente ejemplo:

Imagine que sale con un grupo de amigos a una excursión, han llegado a un lugar que muy poco conocen, y en el grupo hay un “fanático de la precisión” y les obliga a todos a sincronizar los relojes al segundo.

 

Por la mañana uno de sus amigos sale a dar un paseo, y de repente una espesa niebla cubre todo el lugar donde están, no se alcanza a ver nada más allá de su nariz, y pues su amigo irremediablemente se pierde. Su amigo lleva un mapa pero como no puede ver nada en la distancia no le sirve en absoluto.

 

Dándose cuenta de la falta de su amigo, deciden emprender la búsqueda pero como son amigos “poco corrientes” (valore que uno los hizo sincronizar los relojes al no más llegar al campamento), deciden establecer una estrategia para encontrar al compañero perdido. Reunidos en el campamento ven que en el mapa aparecen 3 cerros, cuyos nombres aparecen en el mapa y que también aparecen en el mapa de la persona perdida, “tal vez, si pudiéramos indicarle a que distancia se encuentra de los cerros, él podría ubicarse y saber a dónde se encuentra” comenta uno de sus amigos.

 

Se ponen manos a la obra y uno de sus amigos llega a uno de los cerros que según el mapa se llama “Cerro 1”, y llama a su compañero perdido, pero su amigo extraviado ha perdido la voz de tanto gritar y su amigo en el Cerro 1 piensa “¿Cómo podría ayudarle a calcular la distancia a la que estoy?” Y se le ocurre una idea: “dado que los relojes están sincronizados, gritaré la hora exacta, segundos incluidos, y mi posición”; dicho y hecho, su amigo grita con todas sus fuerzas: “Son las 3 en punto desde que comienzo a hablar, y estoy en la cima del Cerro 1”. Su compañero extraviado escucha el mensaje y rápidamente toma nota de la hora a la que lo escucha, se da cuenta que no coinciden, debido a que desde que fue emitido el mensaje, el sonido ha tardado en llegar un tiempo hasta él, y como sabe que el sonido se mueve a 340 m/s, y ve que el mensaje ha llegado con 3 segundos de retraso, la cima del Cerro 1 está a 1020 m desde su posición. Esto es posible porque tiene un reloj sincronizado, un buen oído y conoce la velocidad de propagación.

 

Lo bueno de este sistema es que la persona que está en la cima no necesita saber nada de la persona perdida, basta con repetir la hora exacta frecuentemente esperando que la persona extraviada escuche el mensaje. El amigo que grita es un emisor y el amigo que escucha es un receptor de información. 

 

Pero con un solo punto no es posible ubicarse, él sabe que está a 1020 metros del Cerro 1 pero no sabe si esta al norte, al sur o a qué lado del cerro, pues por el momento solo sabe que se encuentra en un círculo de 1020 metros de radio alrededor del Cerro 1. Necesita más información, sin embargo sus otros amigos ya están en las cimas del Cerro 2 y del Cerro 3, y realizan el mismo ejercicio: “Son las 3:10 y estoy en la cima del Cerro 2” anota la hora de llegada del mensaje y calcula distancia a la que se encuentra del Cerro 2, descubre que está a 2 km del Cerro 2, y traza un círculo de 2 km de radio en el mapa alrededor del Cerro 2.

 

Lo importante es que él empieza a descubrir que se encuentra en la intersección de las circunferencias trazadas alrededor de los Cerros 1 y 2, con los radios calculados, pero en el caso más general estos son dos puntos probables, como lo muestra la siguiente imagen, su amigo perdido podría estar en el punto D o el E, pues ambos cumplen la condición de estar dentro del radio calculado para cada montaña: 

 
Intersección de dos circunferencias
 
 

Para descifrar cual de esos puntos es el correcto necesita más información, es entonces cuando escucha: “Son las 3:30 y estoy en la cima del Cerro 3” traza una nueva circunferencia y descubre que las 3 circunferencias se cortan en un punto, así descubre a donde es que esta.

 

   

                          
 
 

Pues el ejemplo anterior explica, en principio, cómo funciona el sistema GPS, solo que en lugar de ocupar a personas que gritan, el sistema ocupa satélites en órbita que “gritan” la hora a cada instante, el receptor en tierra calcula los radios y por ende su posición. 

El Sistema Global de Posicionamiento (GPS) se basa en una constelación de satélites artificiales, 24 en concreto, que están moviéndose en órbitas cercanas a los 20.000 kilómetros sobre la superficie y repartidos en seis planos diferentes para que, en cada momento, estemos donde estemos, tengamos siempre unos seis satélites a la vista sobre nuestras cabezas.

Cada satélite es una emisora de radio, es decir, emite ondas electromagnéticas que, al ser de la misma naturaleza que la luz, se propagan por el vacío a una velocidad de 300.000 kilómetros cada segundo. Esa velocidad es cierta en el vacío pero las señales emitidas por los satélites tienen que penetrar en la atmósfera y son perturbadas por la ionosfera y la troposfera, dos capas que afectan a la velocidad de propagación reduciéndola en distinto grado. Debido a esto, el satélite emite dos señales, una de 1.575,42 MHz que es la que sintoniza nuestro receptor y otra de 1.227,60 MHz que se emplea para medir el retardo que inducen la ionosfera y la troposfera.

 
 
Distorsion de la señal GPS al atravesar la Ionosfera y la Troposfera

Cada satélite es una emisora de radio y, lo mismo que cualquier emisora de radio terrestre, emite de forma continua, independientemente de que usted esté sintonizándola o no con su receptor. Si los satélites son emisoras, nuestro aparatito GPS es el receptor que ha sido diseñado para sintonizar sus señales. Nuestro aparato jamás se comunica con los satélites, se limita a escuchar la información que éstos les envían y aprovecharla para calcular la posición.

Cada satélite de los 24 que componen la constelación del GPS contiene nada menos que 4 relojes atómicos, dos de cesio y dos de rubidio. Estos relojes atómicos en conjunto, dan la hora con una precisión de nanosegundos, es decir, mil millonésimas de segundo. No se extrañen, la luz va a una velocidad tan endiablada que en 10 nanosegundos recorre tres metros. Así pues, si queremos utilizar la luz o, en este caso, las microondas que se mueven igual de rápido, para determinar la posición con unos pocos metros debemos contar con relojes muy precisos.

Dicho esto, ya tenemos todos los ingredientes para comprender cómo funciona el sistema GPS. Cada satélite emite una señal que, básicamente, viene a decir: Soy el satélite número tal, hoy es tal día y hora, esta señal la he comenzado a enviar a tal hora y tiene una duración concreta de 780 segundos, posteriormente añade datos para ajustar la hora, la posición en la órbita y el retraso calculado de la señal debido a la ionosfera y troposfera terrestre.

Todos y cada uno de los satélites que están a la vista del receptor que está en nuestras manos envían su información particular. Nuestro receptor interpreta las señales y hace los cálculos oportunos para determinar la distancia a la que se encuentra cada uno de los satélites que tiene a la vista. Para ello utiliza el retraso que tiene la señal desde que fue emitida y una parte de la información que le llega, que es conocida de antemano. La información que recibe le permite conocer con mucha exactitud la posición relativa de los satélites entre sí y estimar la posición sobre la superficie terrestre con una precisión de unos pocos metros.

Utilizando la distancia que recorren las ondas electromagnéticas entre uno de los satélites y el receptor, nuestro aparato de GPS sabe que se encuentra en algún punto de la superficie de una esfera que tiene por centro el satélite y radio la distancia calculada hasta el receptor. Esa esfera corta a la superficie terrestre en una circunferencia. Con este dato únicamente, no es posible calcular la posición porque el receptor puede estar en cualquier punto de esa circunferencia. El problema se reduce repitiendo el proceso con otro satélite. Una vez calculada la nueva distancia, podremos trazar una segunda circunferencia sobre la superficie terrestre que cortará a la anterior en dos puntos. Esos puntos son las posibles posiciones de nuestro receptor en tierra. Para conocer cuál de los dos es la posición correcta, se utiliza un tercer satélite. La distancia entre el receptor y este último proporciona una nueva circunferencia que se corta con las dos anteriores en un solo punto. Este punto es nuestra posición sobre la superficie de la Tierra.

Esa posición nos permite conocer la latitud y longitud del lugar en el que nos encontramos. Si nuestro receptor contiene en memoria un mapa del país o de la región en la que estamos, puede combinar ambas informaciones y especificar nuestra posición en el mapa para ubicarnos completamente. Por supuesto intervienen en el proceso muchos otros aspectos, como un conjunto de estaciones terrestres desde las que se controlan los satélites y realizan el mantenimiento de los mismos, pero el funcionamiento básico es ése.

 
MÁS DATOS DEL SISTEMA GPS
 
Satélites en la constelación: 24 (4 × 6 órbitas)
Altitud: 20200 km
Período: 11 h 58 min (12 horas sidéreas)
Inclinación: 55 grados (respecto al ecuador terrestre).
Vida útil: 7,5 años
Segmento de control (estaciones terrestres) 
Estación principal: 1
Antena de tierra: 4
Estación monitora (de seguimiento): 5, Colorado Springs, Hawai, Kwajalein, Isla de Ascensión e Isla de Diego García
Exactitud
Posición: Oficialmente indican aproximadamente 15 m (en el 95% del tiempo). En la realidad un GPSportátil monofrecuencia de 12 canales paralelos ofrece una precisión de 2,5 a 3 metros en más del 95% del tiempo. Con el WAAS / EGNOS / MSAS activado, la precisión asciende de 1 a 2 metros.
Hora: 1 ns
Cobertura: mundial
Capacidad de usuarios: ilimitada
Sistema de coordenadas: Sistema Geodésico Mundial 1984 (WGS84).

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