Explicame: Qué es un GPS?
Satélite de GPS - Navstar 2

Seguramente has oído de hablar del GPS (Global Positioning System, su nombre en inglés), o Sistema de Posicionamiento Global.   Talvez lo has escuchado en las noticias, cuando hablan de algún rescate de un barco o persona perdida.  O talvez tienes amigos que lo utilizan para salir de paseo, y orientarse para manejar.  Algunos teléfonos y vehículos ya hasta lo traen integrado!

El GPS es un sistema global de posicionamiento, el cual permite a cualquier persona, en cualquier lugar del mundo, saber en qué posición física del globo terráqueo está en ese momento.  Donde nuestros antepasados tenían que viajar cargando mapas detallados, cartas de navegación, y deduciendo su ubicación aproximada con las posiciones de las estrellas y del sol, nosotros no tenemos más que tener un aparato de bolsillo con GPS integrado, y una clara vista del cielo para poder recibir la señal.

Pero, cómo funciona el GPS?  Como es posible que sea tan fácil hoy en día tener una ubicación precisa instantánea?  En este artículo, nos dedicaremos a explorar cuáles son los fundamentos del GPS, por qué fue creado, cuáles son sus limitantes, y cómo podemos aprovecharlo al máximo.

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Fundamentos del GPS 

Cuando se habla de un GPS, usualmente las personas se refieren a un receptor de GPS.  Pero, los receptores por sí solos no pueden hacer nada. A continuación detallaremos cada uno de los componentes que permiten que un sencillo receptor de GPS de $100 pueda saber su posición exacta en el globo terráqueo en cualquier momento.

El sistema de GPS se compone de 3 componentes básicos:

  • Segmento Espacial: Talvez el componente más importante, son 27 satélites que orbitan la Tierra aproximadamente a 20,000kms de altura.  De estos, 24 están en funcionamiento constante, y 3 están disponibles en caso que alguno falle.  Cada uno de los satélites pesan entre 3,000 y 4,000 libras, y utilizan energía solar que recolectan a través de sus celdas solares.  Cada satélite dá dos vueltas diarias a la Tierra.  Las órbitas y alturas están calculadas para que, en cualquier momento, en cualquier lugar del planeta, hayan por lo menos seis satélites "visibles" en el cielo.
  • Estaciones de Control:  Se mantienen estaciones de control que constantemente monitorean y sincronizan los relojes atómicos dentro de cada satélite a una millonésima de segundo, así como también revisan y ajustan las trayectorias y órbitas de los satélites.  Existen estaciones de control en Hawaii, Diego García, Isla de la Asunción, y Colorado, Estados Unidos.
  • Receptor de GPS:  Esto es el último componente necesario del GPS, el cuál le indica a la persona cuál es su ubicación exacta en la Tierra.   Los receptores simplemente reciben la información transmitida por los satélites, y calcula el tiempo que toman las señales en llegarle.  En base a esto, utilizando un principio llamado triangulación, calcula la posición exacta de la persona sobre el globo terráqueo.  Se necesita la señal de por lo menos 3 satélites para esto.  Algunos receptores de GPS también utilizan otras fuentes de sincronización terrestres, para intentar hacer más precisa la información dada al usuario, y explicaremos esto más adelante en el artículo.


Globo Terráqueo visto desde el espacio

 

En la siguiente sección, explicaremos como funciona la triangulación en dos dimensiones.

Triangulación en dos dimensiones (2D)

La triangulación en dos dimensiones es una simplificación de como funciona el sistema de GPS en realidad, ya que éste último aplica en mismo concepto en tres dimensiones.   Sin embargo, es necesario comprenderlo para poder entender bien el concepto en tres dimensiones.

Imagina que estás en una gran ciudad, y te pierdes, sin tener idea de donde te encuentras.  Le preguntas a una persona "Donde está la Plaza Central"?  Ella dice, “Estamos a 10 kilómetros de la Plaza Central”.  Esto es un dato interesante, pero no es particularmente útil por sí mismo. Podrías estar en cualquier ubicación dentro de un círculo alrededor del hotel X que tenga un radio de 10 kilómetros, así como se vé en la siguiente gráfica.  Tu ubicación real podría ser cualquier punto en el círculo, por lo que tienens infinitas posibilidades.  Por ejemplo, todos los puntos indicados en la gráfica con un punto azul son posiciones posibles en este momento.
Triangulacion 2D - Primera Figura

A continuación, le preguntas a alguien mas y te dice, “Estamos a 10 kilómetros del hotel X”.  Con esto ya tienes más información.  Si combinas la información que tienes, tendrás dos círculos que se intersectan, cuyos centros son la plaza central y el hotel.  Con esto, sabes que debes estar en alguno de los dos puntos de intersección de ambos círculos, indicado por los dos puntos azules en la gráfica a continuación.  Todavía no estás seguro de tu posición, pero ya solo hay dos posibilidades.
  
Triangulacion en 2D - Segunda figura
 
Finalmente, y para confirmar, le preguntas a una tercera persona, y te indica que estás a 7 kilómetros del aeropuerto.   Con esta información, ya puedes saber exactamente tu posición, porque el tercer círculo se intersectará solamente con uno de los puntos posibles, y con eso sabrás exactamente donde estás en el mapa de la ciudad.
Triangulacion en 2D - Tercera figura

 
Triangulación en tres dimensiones (3D)
 
El mismo concepto de triangulación se aplica en tres dimensiones, pero en lugar de trabajar con círculos, lo haces con esferas.  Aunque es más difícil de visualizar, es básicamente la misma idea.  Debes utilizar a los satélites como centros de tus esferas.  Al traslapar la primera esfera con la segunda obtienes un círculo de puntos posibles de ubicación.  Al intersectar este con una tercera esfera, se obtendrán dos posibles puntos de intersección.   Sin embargo, la Tierra misma puede actuar como una cuarta esfera.  Sabemos que sólo uno de los dos posibles puntos estará realmente sobre la superficie del planeta, así que puedes eliminar el que está en el espacio.  Para mejorar la exactitud y para proporcionar información exacta de la altitud donde te encuentras, es necesario consultar mas satélites.
 
Diagrama mostrando las órbitas de los 24 satélites de GPS
 
Pero, cómo hace el receptor de GPS para saber cuánta distancia hay a cada satélite exactamente?  Para hacer este cálculo el receptor GPS tiene que saber tres cosas:

  • La localización exacta en el espacio de por lo menos tres satélites.
  • La distancia exacta entre él y cada uno de esos satélites.
  • La hora exacta en la cual el satélite transmitió la información recibida.
 
Cada uno de los satélites está transmitiendo constantemente su posición exacta, su identificador específico (único para cada satélite), información de la órbita del satélite, y finalmente, la hora exacta en la cual se envió la transmisión.  El receptor recibe toda esta información, y puede calcular el tiempo que tomó en viajar la información.  Ya que sabe que esta información viaja a la velocidad de la luz (300,000 kilómetros por segundo en el vacío), y sabe cuánto se tardó en recibirla, puede averiguar a cuánta distancia está el satélite que envió la información

Para esto, el satélite comienza a calcular y transmitir un patrón digital pseudo-random a una hora determinada. El receptor comienza a calcular el mismo patrón digital también exactamente a la misma hora. Cuando el GPS recibe la señal del satélite, el patrón digital estará retrasado un lapso de tiempo calculado por el receptor.  Este lapso es el tiempo que tomo a la señal llegar del satélite al receptor.  Si el receptor multiplica este valor por la velocidad de la luz (asumiendo que la señal viajó en línea recta), ésta es la distancia del receptor al satélite.

Para que los cálculos sean precisos, los satélites y los receptores necesitan relojes que se pueden sincronizar al microsegundo. Estos relojes usualmente tienen un costo muy grande, por lo que ponerlos en cada receptor de GPS haría que su precio subiera a más de $20,000.  El sistema de posicionamiento global tiene una solución eficaz a este problema:  Cada satélite tiene dos relojes atómicos de altísima precisión, usualmente de cesio, pero el receptor solamente necesita un reloj ordinario de cuarzo, de menos de $1, que reajusta constantemente con la señal de los satélites.  De esta manera, se logran las ventajas de tener relojes atómicos de alta precisión, pero el receptor no necesita tener uno.  Aún los relojes de cesio dentro de los satélites son reajustados constantemente por las estaciones de control terrestres, para asegurarse que todos tienen exactamente la misma hora, con una precisión de una millonésima de segundo.
 
Finalmente, y para que la información calculada por el receptor GPS tenga sentido, es necesario saber la ubicación precisa de los satélites. Esto no es difícil ya que los satélites viajan en órbitas muy altas y fiables. El receptor GPS almacena simplemente un almanaque que le dice donde debe estar cada satélite a cualquier hora determinada. Algunos factores como la atracción de la luna y el sol cambian las órbitas de los satélites muy levemente, pero las estaciones de control terrestres supervisan constantemente sus posiciones exactas, y transmiten cualquier ajuste que sea necesario a través de los satélites hacia los receptores, para que siempre tengan la información actualizada, y sus cálculos sean lo más exacto posible.

 

Receptor de GPS típico - Cortesía Garmin

 

Precisión del GPS 

A pesar de toda su complejidad, el sistema de GPS no es perfecto.  Aún bajo condiciones ideales, siempre tiene un error que puede ir desde ±1 metro, hasta más de ±30 metros, dependiendo de la cantidad de satélites que están "visibles", las condiciones atmosféricas, y si existen obstáculos naturales o artificiales que obstruyan parcial o totalmente la señal de los satélites.  A continuación detallamos los factores que pueden influenciar la exactitud de los resultados de un GPS, y cuánto pueden aumentar su error:

  • Efectos en la ionósfera:  ± 5 metros
  • Error de efemérides: ± 2.5 metros
  • Error de reloj del satélite:  ± 2 metros
  • Distorsión por rebote de señal:  ± 1 metro
  • Efectos en la tropósfera:  ± 0.5 metros
  • Errores en cálculos numéricos:  ± 1 metro

Ya que la señal del satélite debe viajar a través de la atmósfera, condiciones inusuales en la misma pueden causar retrasos en la transmisión de las señales.  También pueden haber problemas cuando las señales rebotan en objetos grandes cercanos, tales como colinas o rascacielos, dando al receptor la impresión que un satélite está más lejan.  También sucede a veces que los satélites envían datos atrasados de su órbita exacta, lo cual también afecta el resultado final.  Todos estos efectos, como puede verse arriba, pueden llegar a sumar un error de hasta unos ±12 metros en el cálculo de la posición final.

Finalmente, existe el tema de la Disponibilidad Selectiva (SA por sus siglas en inglés).  Esto es una característica en el diseño inicial del GPS, el cual intencionalmente agregaba un error al azar de hasta ±100 metros a la señal utilizada por civiles.  La señal utilizada por los militares no era afectada por este error.  De esta manera, razonaban, misiles enviados por otra nación que utilizarán GPS, no podrían ser tan exactos como los misiles estadounidenses, dándoles una ventaja militar significativa.  Sin embargo, el 1 de Mayo de 2001, el Presidente Bill Clinton anunció que deshabilitarían definitivamente la Disponibilidad Selectiva, de esta manera dando al mundo una herramienta de posicionamiento global invaluable.  Estados Unidos aún conserva la posibilidad de interferir o deshabilitar por completo la señal de GPS en un área geográfica limitada, sin interferir con la señal en otros lados del mundo.

 

Escudo del departamento militar encargado de GPS

 

DGPS (Differential GPS) o GPS diferencial

Para reducir significativamente los errores introducidos por todos los factores arriba descritos, se utiliza comúnmente sistemas de GPS diferencial.  Estos proporcionan a los receptores de GPS correcciones a los datos recibidos de los satélites GPS.  Una vez aplicadas, estas correcciones proporcionan una precisión mucho mayor en la posición calculada, a veces llegando a tener una exactitud en la ubicación de ±1 metro.

El sistema de correcciones funciona de la siguiente manera: 

  • Una estación terrestre, con coordenadas muy bien definidas, recibe las transmisiones de los satélites GPS.
  • La estación calcula su posición exacta por los datos recibidos de los satélites.
  • Dado que su posición está bien definida, calcula el error entre su posición verdadera y la calculada, estimando el error en cada satélite.
  • Se envía estas correcciones al receptor a través de algún medio, usualmente de forma inalámbrica.

Existen varias formas de obtener las correcciones DGPS.  Usualmente, se transmiten a través de un sistema de satélites diseñado para tal efecto. En Estados Unidos existe el WAAS, en Europa el EGNOS y en Japón el MSAS, todos compatibles entre sí.  La mayoría de equipos avanzados de GPS disponibles comercialmente pueden utilizar esta información, para dar un cálculo más exacto de la ubicación.

 

Modelo avanzado de GPS - Cortesia Garmin

 


Características Generales de receptores de GPS

Además de la información básica de ubicación actual, un receptor de GPS puede darte información valiosa como:

  • Mapa satelital y/o de calles del área.
  • Distancia viajada
  • Cuánto tiempo has estado viajando
  • Tu velocidad actual (velocímetro)
  • Tu velocidad media
  • Tu ruta, que te muestra exactamente donde has viajado en el mapa
  • Brújula electrónica

El precio aproximado de un receptor GPS oscila entre US$100 y US$2,500.00, dependiendo de su exactitud y las características que ofrecen.  Las marcas más conocidas de equipos de GPS son Garmin, Magellan y DeLorme.

 

Modelo avanzado de GPS para vehículos - Cortesia Magellan

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