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¿Sabes de verdad cómo funciona el GPS?

El GPS es uno de los mejores inventos de los últimos años. Lo usamos de manera habitual en el coche, el móvil o incluso en los relojes deportivos, sin embargo la mayoría de nosotros no sabemos cómo funciona. En el artículo de hoy veremos la historia de la creación del GPS y cómo funciona en la realidad.



Qué es el GPS

El GPS (Global Positioning System, en español Sistema de Posicionamiento Global) es un sistema que permite determinar la posición de un objeto en la Tierra.

El GPS se denominó en un principio Navstar (Navigation System Using Timing and Ranging) pero fue sustituido posteriormente por el de GPS.

El sistema GPS pertenece al Departamento de Defensa de los Estados Unidos.

Historia: cuándo y por qué se creó el GPS

Durante la Segunda Guerra Mundial se empezó a experimentar con los sistemas de geoposicionamiento (LORAN, TRANSIT) para, entre otras cosas, facilicitar la navegación aérea. Pero no fue hasta la década de los 70 cuando el Departamento de Defensa de los Estados Unidos desarrolló el sistema GPS tal y como lo conocemos ahora. El sistema debía satisfacer los siguientes requisitos:

Global: debía abarcar toda la superficie del globo

Continuidad: debía tener un funcionamiento continuo y no debía verse afectado por las condiciones atmosféricas

Preciso y rápido: para posibilitar su uso en aviación
Entre 1978 y 1985 se desarrollaron y lanzaron once satélites prototipo experimentales, llamados NAVSTAR. Este primera fase del proyecto pretendía validar que todo funcionaba según los modelos teóricos y serviría para aprender lecciones para el diseño de los nuevos satélites.

gps-satelite-navstar-1


El primer satélite del sistema GPS, el NAVSTAR 1, fue lanzado el 22 de febrero de 1978. Se continuaron lanzando satélites iguales hasta el 9 de octubre de 1985, cuando se puso en órbita el Navstar 11.

Posteriormente fueron lanzadas las siguientes generaciones de satélites, hasta completar la constelación actual.

gps-satelite-lanzamiento
En sus comienzos el sistema GPS fue diseñado únicamente para el uso militar, pero fue durante el mandato de Ronald Reagan cuando se abrió el sistema al uso civil como consecuencia de un malentendido de aviación.

El 1 de septiembre de 1983, durante el transcurso de la Guerra Fría, el vuelo 007 de Korean Air 1 se disponía a viajar desde Nueva York hasta Gimpo (Corea del Sur), haciendo escala en Alaska. El piloto automático (con funcionamiento magnético) internó el Boeing 747-200 sobre el espacio aéreo soviético. La Unión Soviética, que desconocía que el aparato era civil, hizo despegar varios cazas interceptores que derribaron el avión comercial que traía en él a 269 pasajeros y a la tripulación. Ninguno de los ocupantes sobrevivió a lo ocurrido.

vuelo 007 de Korean Air 1
Ruta planeada en líneas discontinuas, ruta seguida línea continua

El incidente podría haberse evitado con la utilización del nuevo sistema de navegación GPS, por lo que los Estados Unidos abrieron su uso al público civil, aunque eso sí, se hizo con condiciones. La señal sería perturbada aleatoriamente (disponibilidad selectiva – S/A) para que el grado de precisión civil fuera de entre 15 y 100 metros, mientras que la precisión para el ejército americano sería de pocos metros. De esta manera el Ejército de Estados Unidos se aseguraba seguir contando con una ventaja tecnológica.

Y así continuó hasta el 2 de mayo del año 2000, en el que Bill Clinton firmó un acuerdo para abrir el A-GPS (Accurate GPS) a todos los usos civiles. Más que nada, se comprometieron a eliminar el error aleatorio. Fue a partir de ese momento en el que el GPS civil consigue la precisión necesaria para todos los usos que le damos actualmente como: navegación terrestre, marítima y aérea, construcción, localización agrícola, salvamento y rescate; y una infinidad de usos más.

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Aún así es muy fácil perturbar las señales de GPS civiles. Esto se hace de forma muy habitual en zonas bélicas como Irak, para que los enemigos de los estadounidenses no puedan usar de los aparatos GPS civiles.

El hecho de que el ejército de Estados Unidos tenga la potestad de poder de distorsionar la señal en cualquier momento ha provocado que muchos estados e instituciones se sientan incómodos al depender de él. Por eso muchos países han desarrollado sus propios sistemas de posicionamiento global:

Rusia: GLONNAS. Uso militar y civil

Europa: GALILEO. Es el único sistema únicamente civil

China: Beidu. Uso militar y civil

Japón e India han lanzado más satélites GPS para mejorar la cobertura GPS de su país
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Redes de satélites de otros países

Cómo funciona el sistema GPS

La infraestructura del sistema GPS tiene tres componentes: los satélites, los sistemas de control y de calibración en tierra y dispositivo del usuario (el GPS que estés usando).

Satélites

Para que el sistema GPS funcione correctamente, este tiene que tener una constelación de al menos 24 satélites repartidos en 6 órbitas diferentes (4 satélites en cada órbita). De esta forma se consigue que haya como mínimo 4 satélites visibles desde cualquier punto de la superficie de la Tierra en todo momento.

En realidad, ahora mismo la constelación cuenta con 31 satélites operacionales y 5 satélites decomisionados, que pueden ser reactivados si son necesarios.

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Los satélites GPS orbitan a algo más de 20.000 km de altura

El satélite GPS emite una señal de radio en la que comunica la hora (en realidad es la hora de la semana), el número de semana GPS y el estado del satélite. Todo esto lo emite según una determinada codificación que es única para cada satélite. Los receptores de GPS (móviles, relojes deportivos con GPS, etc.) conocen la codificación de cada satélite, por lo que también pueden identificar de qué satélite viene cada señal.

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Sistemas de control y de calibración en tierra

El sistema de control del GPS está compuesto por 16 estaciones secundarias distribuidas a lo largo del globo y una estación principal (MCS o Master Control Station). Estas rastrean los satélites, reciben información de su navegación y utilizan esta información para calcular la posición exacta de los satélites en el espacio, para luego mandar esta información a los satélites. Este hecho es importante porque la información se envía a los dispositivos receptores, para que sepan dónde pueden encontrar los satélites durante las próximas horas (de esta forma los dispositivos pueden fijar los satélites mucho más rápido, segundos, y no tenemos que esperar varios minutos a que sepan donde está cada satélite).

gps-sistema-tierra


Además el MCS realiza la supervisión del estado de la constelación de satélites GPS y realiza las acciones correctoras necesarias en caso de fallo, como por ejemplo, la corrección de las órbitas de los satélites.

Dispositivo del usuario

El componente del usuario incluye todos aquellos gadgets que usan un receptor GPS para recibir y convertir la señal GPS en posición, velocidad y tiempo. Incluye además todos los elementos necesarios en este proceso, como las antenas y el software de procesamiento.

Calculando la posición GPS

Nuestro dispositivo GPS (teléfono móvil, reloj, etc.) calcula su posición mediante trilateración (que no triangulación). Para ello debemos de tener en cuenta varios puntos:

Los satélites tienen trayectorias predecibles, por lo que sabemos dónde van a estar

Con los datos que envía el satélite, nuestro dispositivo GPS puede calcular la distancia a la que estamos de ese satélite (distancia= velocidad  x tiempo).

Para determinar la posición necesitamos dicha información de 4 satélites
Como la velocidad de la onda de radio es muy próxima a la velocidad de la luz en el espacio (en las diferentes capas de la atmósfera se desplaza algo más lento) es muy importante medir con precisión el tiempo. De no ser así, una diferencia de unos pocos milisegundos podría producir un error en la posición de decenas de kilómetros.

Por eso los satélites GPS llevan a bordo varios relojes atómicos que miden con una precisión. Los satélites GPS que están en funcionamiento actualmente suelen contar como mínimo con dos relojes atómicos de cesio y otros dos de rubidio. Ello les permite determinar la hora con una precisión de 50 ns (nanosegundos).

Los receptores GPS (teléfonos móviles, relojes, navegadores, etc.) tienen unos relojes de cuarzo muy inexactos en comparación.

Para medir el momento a partir del cual el satélite emite la señal y el receptor GPS la recibe, es necesario que tanto el reloj del satélite como el del receptor estén perfectamente sincronizados.

Para sincronizar con exactitud el reloj del receptor GPS, el satélite emite cada cierto tiempo una señal digital o patrón de control junto con la señal de radiofrecuencia. Esa señal de control llega siempre al receptor GPS con más retraso que la señal normal de radiofrecuencia. El retraso entre ambas señales será igual al tiempo que demora la señal de radiofrecuencia en viajar del satélite al receptor GPS.

Con la distancia al primer satélite, podrías estar en una esfera alrededor suyo (imagen arriba a la izquierda). Con el segundo satélite te podrías situar en la intersección de ambas esferas, que es un círculo (arriba a la derecha). Con el tercer satélite ya te podrías encontrar en 2 puntos (abajo a la izquierda). Si le sumamos el 4 satélite, nuestra posición quedaría determinada a un sólo punto (abajo derecha).

trilateración GPS
Calculo posición mediante trilateración

La teoría de la relatividad

Pero no todo es tan fácil…y es que el tiempo, como entidad física, depende de la velocidad y de la gravedad…

gps-relatividad-einstein


Relatividad especial: la elevada velocidad a la que viajan los satélites, cerca de 14.000 km/h, hace que el tiempo pase más lento allí que en la Tierra.

Por lo que los relojes de los satélites se atrasan 0,000007 segundos (7 microsegundos) cada día, respecto a los relojes terrestres.

Relatividad general: por otro lado, como la fuerza de la gravedad deforma el espacio-tiempo y en la Tierra hay más gravedad que en el satélite, el tiempo pasa más despacio en la Tierra que en el satélite.

Duración de un día en la superficie de la Tierra debido a la relatividad general:

Duración de un día en el satélite debido relatividad general:

Por lo que debido a relatividad general los satélites se adelantan 45 microsegundos (60-15) cada día respecto a los de la Tierra.

Si hacemos la resta entre lo que se atrasan los satélites por la relatividad especial y lo que se adelantan por la relatividad general: 7 – 45 = -38 microsegundos.

Obtenemos que los relojes de los satélites se adelantan 38 microsegundos respecto a los relojes de la Tierra (el tiempo pasa más rápido en los satélites que en Tierra).

Si esto no se hubiera tenido en cuenta, el sistema GPS no funcionaría. Ya que acumularía un error de 10 km diarios…y es por eso por lo que los relojes atómicos de los satélites están diseñados para funcionar 38 microsengundos más lentos de lo que deberían.

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Nivel de precisión actual del sistema GPS

Actualmente hay dos formas de utilizar el GPS a nivel civil: (1) uso normal y (2) uso del GPS diferencial.

Uso normal

Si se capta la señal de 7 u 8 satélites y éstos están dispersos en el cielo (geometría adecuada), pueden obtenerse la posición con una precisión de alrededor de 2,5 metros.

GPS diferencial o DGPS

Aumentar la precisión del GPS no es fácil, ya que hay muchos factores externos (ionosfera, troposfera, distorsiones multibandas, etc.) que introducen un error altamente aleatorio. Por ello, para mejorar la precisión lo que se hace es construir unas pequeñas estaciones fijas en Tierra (WAAS en Estados Unidos, EGNOS en Europa, MSAS en Japón, etc.).

mapa WAAS EGNOS MSAS


Esta estación de referencia conoce su posición exacta y la compara con la posición calculada por el GPS. De esta forma puede calcular el error que hay entre la posición real y la del GPS; y lo transmite a los sistemas GPS que hay en sus proximidades, para que corrijan su posición de igual manera, ya que los errores producidos por el sistema GPS afectan por igual (o de forma muy similar) a los receptores situados próximos entre sí. Para que las correcciones DGPS sean válidas, el receptor tiene que estar relativamente cerca de alguna estación DGPS; generalmente, a menos de 200 km. De esta manera se pueden llegar a conseguir precisiones de centímetros aunque lo normal es una precisión de menos de un metro.

El GPS diferencial se usa para tareas que requieren de gran precisión, como en la construcción, en los aterrizajes en aeropuertos importantes, etc.

¿Cuánto cuesta el sistema de GPS?

El poner en marcha el sistema GPS costó a ejército de los Estados Unidos alrededor de 12 billones (americanos) de dólares o lo que es lo mismo $12,000,000,000.

A día de hoy el mantener el sistema en funcionamiento cuesta cerca alrededor de 750 millones de dólares al año, o dicho de otra forma, casi 2 millones de dólares al día.

El dinero sale de los impuestos que pagan los ciudadanos norteamericanos. Es un dineral, pero resulta barato si lo comparamos con todos los beneficios que proporcionan a todo el mundo. A día de hoy, el mundo se paralizaría si dejase de funcionar el GPS. La mayoría de aviones dejaría de volar, muchos barcos no podrían zarpar…el transporte de mercancías colapsaría.

Por ese motivo otros países están creando sus propios sistemas GPS: GLONASS, GALILEO, BEIDOU…

Otras cosas curiosas sobre el GPS

La órbita de los satélites no es circular, sino elíptica

Los satélites tienen una vida útil de entre 7,5 y 12 años, dependiendo del modelo de satélite

La próxima generación de satélites, conocida como GPS III, se lanzará a partir de 2017 y tendrá una vida útil de más de quince años

La frecuencia del GPS civil es de 1575,42/1602 MHz

La frecuencia del GPS militar es de 1227,60 MHz

Espero que te haya gustado este artículo sobre qué es y cómo funcionan los GPS. Si tienes alguna duda, déjala en los comentarios. Gracias

Fuentes: Time, Wikipedia.org, gpsinformation.netgps.gov

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