Introducción al G P S
GPS es el acrónimo de Global Positioning System (sistema global de posicionamiento), un sistema formado por una constelación de 24 satélites, llamados NAVSTAR, y 5 estaciones repartidas por la superficie terrestre.
Estos satélites se encuentran en órbitas situadas a 10.900 millas náuticas (20.200 km, aproximadamente) y realizan una circunvalación a la Tierra cada 12 horas. De los 24 en funcionamiento, 21 se encuentran en servicio, mientras que los otros 3 están de reserva. Cada uno de estos satélites emite de manera continua una señal indicando su posición y la hora de sus relojes atómicos.
Las estaciones de tierra se encuentran repartidas en cinco puntos del globo: Hawai, Isla de Ascensión, Diego García, Atolón de Kwajalein y Colorado Springs. Estas estaciones se encargan de vigilar el estado operativo de los satélites y su correcta posición en el espacio. Una de las estaciones cumple las funciones de estación principal y transmite las correcciones a los satélites.
Gracias a este sistema, un usuario puede determinar con muy poco margen de error su posición en la esfera terrestre y la altitud sobre el nivel del mar en las que se encuentra.
Para poder disfrutar de este sistema, el usuario únicamente debe disponer de un receptor GPS. Actualmente existe una gran variedad de GPS en el mercado y hoy día podemos disponer de un receptor GPS a partir de unos 1500 Pesos.
A comienzos de los años 60, la armada y la fuerza aérea norteamericanas decidieron crear un sistema de localización para su armamento, especialmente el nuclear. Este sistema debía ser muy preciso, estar disponible de manera continua, no verse afectado por las condiciones atmosféricas, funcionar en cualquier lugar del globo y de coste bajo.
Tras realizar inversiones multimillonarias (14.000 millones de dólares hasta 1994), investigar diversos proyectos previos y diseñar los satélites que integrarían el sistema, en 1989 se lanzaron los primeros satélites que formaban el sistema. El lanzamiento de los satélites originales prosiguió hasta 1994, cuando se lanzó el 24º satélite del sistema. Estos primeros satélites fueron fabricados por la empresa norteamericana Rockwell.
Como sistema diseñado para la guerra, no fue hasta la guerra del Golfo Pérsico, en 1991 cuando el sistema se sometió a situación de combate. El GPS cumplió su papel a la perfección. De hecho, en alguna ocasión algún general llegó a comentar que, junto con la visión nocturna, el GPS fue el elemento de equipamiento relevante en esta guerra.
Afortunadamente, el uso del GPS no es exclusivo del ejército norteamericano. Tras un incidente internacional ocasionado en 1983, el entonces presidente de los EE.UU., Ronald Reagan, anunció que el GPS también estaría disponible para la comunidad civil internacional, si bien el sistema tendría una precisión inferior a la que gozaba el ejército norteamericano. En 2000, Bill Clinton eliminó esta restricción y actualmente se logran precisiones de hasta 15 metros en usos civiles. A pesar de ello, y dado que el sistema está bajo el control, entre otros, del Departamento de Defensa norteamericano, los receptores no pueden ser capaces de funcionar a más de 18.000 metros de altitud ni a más de 900 nudos (1.667 km/hora) de velocidad. Además, el servicio puede verse sometido a restricciones temporales.
Como ya se ha mencionado en el primer capítulo, el sistema está formado por 24 satélites y cinco estaciones terrestres, además del receptor del usuario. Estos satélites, a partir de la información incluida en ellos y la que reciben de las estaciones, generan una señal que transmiten a los receptores. Una vez los receptores reciben esta señal, calculan la posición.
La base para determinar la posición de un receptor GPS es la trilateración a partir de la referencia proporcionada por los satélites en el espacio. Para llevar a cabo el proceso de trilateración, el receptor GPS calcula la distancia hasta el satélite midiendo el tiempo que tarda la señal en llegar hasta él. Para ello, el GPS necesita un sistema muy preciso para medir el tiempo. Además, es preciso conocer la posición exacta del satélite. Finalmente, la señal recibida debe corregirse para eliminar los retardos ocasionados.
Una vez que el receptor GPS recibe la posición de al menos cuatro satélites y conoce su distancia hasta cada uno de ellos, puede determinar su posición superponiendo las esferas imaginarias que generan.
Podemos comprender mejor esta explicación con un ejemplo. Imaginemos que nos encontramos a 21.000 km de un primer satélite. Esta distancia nos indica que podemos encontrarnos en cualquier punto de la superficie de una esfera imaginaria de 21.000 km de radio. Ahora, imaginemos que nos encontramos a 24.000 km de un segundo satélite. De este modo, también nos encontramos en cualquier punto de la superficie de esta segunda esfera imaginaria de 24.000 km de radio. La intersección de estas dos esferas generará un círculo que disminuirá las posibilidades de situar nuestra posición. Por otro lado, imaginemos que un tercer satélite se encuentra a 26.000 km. Ahora nuestras posibilidades de posición se reducen a dos puntos, aquellos donde se unen la tercera esfera y el círculo generado por las otras dos. Aunque uno de estos dos puntos seguramente dará un valor absurdo (lejos de la Tierra, por ejemplo) y puede ser rechazado sin más, necesitamos un cuarto satélite que determine cuál de ellos es el correcto, si bien no es necesario por la razón anteriormente mencionada. A pesar de su aparente falta de utilidad, este cuarto satélite tendrá una función crucial en la medición de nuestra posición, como se verá más adelante.
Pero, ¿cómo mide el receptor GPS el tiempo que tardan las señales en llegar hasta él? Todos sabemos que la distancia resulta de multiplicar la velocidad por el tiempo (100 km/hora x 3 horas = 300 km). Dado que en el GPS estamos midiendo señales de radio, la velocidad que emplearemos en nuestros cálculos será la de la luz, es decir, 300.000 km/s. Ahora el problema se reduce a conocer la duración del viaje que realiza esta señal. Este cálculo plantea algunos problemas ya que, entre otros, su duración es muy pequeña (en algunos casos puede llegar a ser de 0,067 segundos). Pero asumiendo que disponemos de relojes muy precisos, ¿cómo medimos este tiempo?
Para entender cómo un receptor GPS mide este tiempo, veamos el siguiente ejemplo. Imaginemos que a mediodía pudiéramos sincronizar simultáneamente el receptor y el satélite. Una vez sincronizados, acordamos que a partir de un instante determinado receptor y satélite empiezan a realizar una cuenta (1, 2, 3...). Cuando la señal procedente del satélite llega al receptor, esta llega con un cierto desfase como consecuencia de la distancia. Al receptor sólo le basta medir este desfase (podría ocurrir que la señal con la cuenta 100 llegue al receptor cuando éste va por la cuenta 170, lo cual representaría un desfase de 70). Una vez ha calculado este desfase, sólo tiene que multiplicar el tiempo desfasado por la velocidad de la luz (en nuestro ejemplo, y suponiendo que las cuentas se realizan en milisegundos, 300.000 km/s x 0,07 s = 21.000 km). Para realizar esta sincronización y esta cuenta, los emisores y los receptores del GPS utilizan un método denominado "Pseudo-Random Code" (código seudoaleatorio) o PRC.
El código PRC es un elemento fundamental del GPS. Se trata de una señal digital (señal eléctrica que representa los valores "0" y "1") muy complicada que casi parece aleatoria, de ahí su nombre. Este código se transmite empleando una señal transportadora a una frecuencia de 1.575,42 MHz, e incluye un mensaje de estado (posición del satélite, correcciones horarias y otros estados del sistema). Los emisores también emplean una segunda frecuencia a 1.227,60 MHz, pero ésta únicamente tiene un uso militar, dada la precisión que permite su uso.
El código PRC es complejo para evitar errores accidentales, su falsificación por parte de un elemento hostil, la superposición de las señales de los distintos satélites y por su bajo coste (de dinero y de espacio). Gracias a la complejidad de esta señal, no es necesario emitir señales muy potentes ni transportar una antena parabólica para recibir la señal del satélite y distinguirla entre el ruido ambiental, como tradicionalmente ocurre con la televisión por satélite. Para distinguirla basta con compararla con el patrón almacenado en el receptor.
Ya hemos comentado que la precisión y la exactitud en la medida de la distancia a los satélites son cruciales para el perfecto funcionamiento del GPS. Para ello, debemos disponer de relojes enormemente precisos, ya que una milésima de segundo a la velocidad de la luz puede suponer un error de 300 Km. Para los satélites esto no supone un problema ya que cada uno de ellos dispone de un reloj atómico en su interior. Aunque su nombre dé a entender que funciona con energía atómica, este reloj no utiliza este tipo de energía. Su nombre proviene del hecho que utiliza las oscilaciones de un átomo determinado como "metrónomo".
Lamentablemente, dado el coste y el tamaño, es imposible disponer de un reloj atómico en un receptor. Para solucionar este problema, los ingenieros que desarrollaron el GPS tuvieron la brillante idea de incluir (simular) un "reloj atómico" mediante la recepción de la señal de un satélite extra. La recepción de una señal extra permite que el receptor pueda calcular los errores producidos en la medición y comparación del tiempo y compensarlos, de ahí la necesidad de emplear cuatro satélites para la medición de nuestra posición, en lugar de tres como sería de esperar en un sistema tridimensional. Gracias a este "reloj atómico", los receptores pueden emplearse para algo más que el cálculo de posiciones, como la calibración de otros sistemas de navegación, la sincronización de sistemas informáticos u otros equipos, o la sincronización con el horario universal, entre otros.
Hemos visto que podemos calcular nuestra posición a partir de la posición conocida de cuatro o más satélites, pero, ¿cómo podemos conocer la posición de un satélite que se encuentra a más de 20.000 km de distancia y que da una vuelta a la tierra cada 12 horas?
Dado que en el espacio no hay atmósfera, podemos introducir satélites en órbitas invariables que seguirán modelos matemáticos previamente calculados. De este modo, siempre podremos conocer la posición de cada uno de los satélites en un momento dado. Para ello, los receptores GPS disponen de unos almanaques programados que indican en qué lugar del espacio se encuentran los satélites en cada momento.
A pesar de que estas órbitas son suficientemente exactas, las estaciones de tierra comprueban constantemente sus posiciones. Para ello emplean radares muy precisos que permiten medir la posición y velocidad exactas, y calculan los posibles errores. Estos errores se denominan "errores de efemérides" ya que afectan a la órbita de los satélites o efemérides.
Estos errores se producen como consecuencia del efecto de las atracciones gravitacionales de la Luna y el Sol o por la presión de la radiación solar en los satélites. A pesar de todo, estos errores son mínimos, si bien, si queremos un sistema preciso, debemos tenerlos en cuenta.
Una vez detectados, se retransmiten estos errores a los satélites para que éstos puedan incluir la nueva información en las señales emitidas. De este modo, la señal que incluye el PRC es algo más que una señal de sincronizado, es también una señal que también contiene información sobre la efemérides.
A pesar de todas las correcciones realizadas hasta el momento, aún nos queda una serie de errores por corregir. Hasta ahora hemos considerado que las señales viajan en el vacío y sin ningún obstáculo. Sin embargo, nuestro planeta está rodeado por la atmósfera, que afecta considerablemente a la recepción de las señales. Para reducir este error existen dos modos de hacerlo.
El primero de ellos pasa por aplicar un modelo matemático actualizable a partir de la información recibida de los satélites y que simula el comportamiento de la atmósfera. El segundo método consiste en la medición dual de frecuencias, un sistema que únicamente emplean los receptores militares y que utiliza las dos señales emitidas por los satélites.
Una vez que la señal llega a la superficie de la Tierra, ésta puede reflejarse en diversos obstáculos. De este modo, el receptor puede recibir una señal directa del satélite y, con un ligero desfase, la misma procedente de un reflejo. A este error se le denomina error de trayectoria múltiple. Para eliminarlo, los receptores únicamente tienen en cuenta la señal que llegó en primer lugar, la procedente directamente del satélite.
También pueden producirse errores en los satélites como consecuencia de desfases en los relojes o desvíos en las trayectorias. Además, estos errores pueden magnificarse por un principio denominado dilución geométrica de la precisión o GDOP (Geometric Dilution of Precision ). Para reducir este error, los buenos receptores determinan qué satélites son los que proporcionan el menor GDOP, que son aquellos que se encuentran más distanciados.
Ya hemos visto cómo funciona el GPS y cuál es su función principal: conocer nuestra posición.
Aunque conocer nuestra posición pueda parecer algo trivial, cada vez más se está convirtiendo en un aspecto casi imprescindible en muchos campos, ya sean profesionales o lúdicos. A grandes rasgos, podemos dividir los campos de aplicación en cinco.
Posicionamiento: la aplicación más obvia del GPS es la de determinar una posición o localización. El GPS es el primer sistema que permite determinar con un error mínimo nuestra posición en cualquier lugar del planeta y bajo cualquier circunstancia.
Navegación: dado que podemos calcular posiciones en cualquier momento y de manera repetida, conocidos dos puntos podemos determinar un recorrido o, a partir de dos puntos conocidos, determinar la mejor ruta entre ellos dos.
Seguimiento: mediante la adaptación del GPS a sistemas de comunicación, un vehículo o persona puede comunicar su posición a una central de seguimiento.
Topografía: gracias a la precisión del sistema, los topógrafos cuentan con una herramienta muy útil para la determinación de puntos de referencia, accidentes geográficos o infraestructuras, entre otros, lo que permite disponer de información topográfica precisa, sin errores y fácilmente actualizable.
Sincronización: dada la característica adicional de medición del tiempo de que disponen los receptores GPS, podemos emplear este sistema para determinar momentos en los que suceden o sucederán determinados eventos, sincronizarlos, unificar horarios...