Qué es un GPS y cómo funciona?

La curiosidad es el comportamiento más admirable de la humanidad, gracias a ella el hombre ha desarrollado la cultura, las ciencias y las tecnologías que definen nuestro presente y nos proyectan al grandioso futuro. Parte de la curiosidad implica el saber donde estamos y a donde podemos ir, esta cuestión es y ha sido por siempre una de las preocupaciones más importantes para nuestra especie. Es por ello que a través de los años se han investigado y desarrollado muchas propuestas, para intentar resolver este predicamento.

Hace unos 34 años, el departamento de defensa de Estados Unidos de América, llegó a la conclusión que tenían que encontrar una fórmula para conocer la posición exacta, en cualquier punto del planeta. Y contaban además con el dinero necesario, algo así como 12 billones de dólares de la época.

Resultado: Nace el GPS (Global Positioning System), que cambió totalmente el fenómeno de la navegación-localización.

Inicialmente el sistema fue concebido como un proyecto militar. El Estado norteamericano quería saber con exactitud la posición, no sólo de sus soldados, vehículos, sino también, de sus submarinos en el momento en que éstos salían a la superficie, para interceptar posibles misiles lanzados por “sus” enemigos.

A inicios de los años 80, el Departamento de Estado decidió que el sistema estaría disponible para usos civiles, pero con algunas restricciones.

El GPS es un sistema de localización/navegación mundial, formado por una constelación de 24 satélites, que:

Orbitan a unos 20.000 Km. de altura de la superficie de la tierra.
Están situados en 6 planos orbitales, inclinados unos 55 grados.
Están repartidos de tal forma que siempre existan al menos 4 satélites “visibles” desde cualquier punto del planeta.
Completan 2 giros a la Tierra cada 24 horas.
Tienen una vida útil de aproximadamente 10 años.

El sistema cuenta con cinco bases de control terrestres, situadas en: Hawai, Isla Ascensión, Diego García, Kwajalein y Colorado Springs, que controlan la posición, el tiempo de vida restante y otros aspectos de los satélites en el espacio.

Para que el sistema funcione se necesita:

Los satélites.
Un receptor. Existen muchísimos tipos diversos.
Una antena, que recibe la señal de los satélites.
El sistema de alimentación.

Cada satélite envía, en tres frecuencias distintas al receptor GPS, dos tipos de señal:

Efemérides: Envía estado, fecha, hora actual y posición exacta del satélite.
Almanaque: Guarda la posición GPS (“memoria”) por algún tiempo.

Las frecuencias GPS son estas:

L1: 1575.42 Mhz: Aporta información sobre el estado y el tiempo que tardará la señal GPS en llegar.
L2: 1227.60 Mhz: Se usa exclusivamente, para servicios militares. Existe también una señal GPS de baja frecuencia que se añade a la L1 que ofrece información acerca de la órbita del satélite GPS, así como otro estado del mismo.

Las señales GPS se conocen como Código Pseudo Aleatorio, y no son más que una secuencia de pulsos ON-OFF. Cada satélite GPS tiene su propio código, para garantizar que no existen errores en el receptor GPS a la hora de recibir y calcular la señal GPS.

Adicionalmente existen otros dos tipos de códigos:

C/A (“Coarse Acquisition”): Modula la frecuencia GPS L1 a 1 MHz, y la repite cada 1023 bits. Éste código es el que se utiliza para uso civil.
P (“Precise”): Modula las frecuencias L1 y L2 a 10 MHz., repitiéndolas en ciclos semanalmente. Éste código GPS es el que se utiliza para uso militar. El código puede ser también encriptado, se llama entonces “Y”.

El receptor GPS envía también la misma señal, a los satélites, al mismo tiempo, y compara las dos señales, calculando así el retardo con el que llega la señal del espacio.

Como físicamente se conoce la velocidad de propagación de las ondas de radio, así como el tiempo que tardan en llegar esas señales, multiplicando éstos dos factores, podemos saber la distancia exacta a la que se encuentra del satélite.

Calculando la distancia que existe con 3 de ellos, y teniendo en cuenta que sabemos la posición exacta de cada uno de ellos, mediante “triangulación”, obtenemos la posición “exacta” del receptor GPS, en el planeta, ya sea tierra, mar o aire.

Matemáticamente son necesarios 4 satélites para el cálculo. Pero con tres satélites podemos saber la posición exacta, si descartamos datos ilógicos, como por ejemplo: Situación en un punto muy lejano de la Tierra, velocidad exagerada, o bien mediante otros trucos.

La información del cuarto satélite se utiliza para saber la altura a la que se encuentra el receptor sobre la superficie terrestre.

Es imprescindible, que el receptor GPS reciba señal de al menos 3 satélites, para poder calcular la posición.

El sistema GPS ofrece una precisión aproximada de 5 cm., que es casi perfecta. Los norte americanos introducen, a propósito, una señal, que distorsiona la precisión, por lo que en el mejor de los casos la posición que obtengamos, tiene un error de aproximadamente 5m. Ésta señal se llama disponibilidad selectiva, SA en inglés. Ésta SA es aleatoria y varía constantemente, y puede incluso aumentar hasta los 100m. Esto ocurre normalmente cuando existe un conflicto bélico, en el que se ve involucrado el ejército americano. Evidentemente para que el “enemigo” no pueda aprovecharse de este sistema.

Existen otros factores que influyen a la hora de saber con precisión la posición, y que evidentemente provocan distorsiones en las señales que envían los satélites:

Éstas tienen que atravesar las atmósfera terrestre.
Pueden rebotar en edificios y/o construcciones específicas.

Existe una forma de “corregir” la SA. Con un sistema llamado “Differencial GPS” (DGPS):

Esto no es más que 2 estaciones fijas, que tienen un receptor GPS.
Una de ellas controla las variaciones en las señales de los satélites, y se las comunica a la otra estación.
Ésta puede entonces corregir los cálculos iniciales y ofrecer una mayor precisión.

Existen también otras dos formas de “corregir” la SA:

“Carrier-phase GPS”: Éste sistema se basa en una señal más rápida que la del GPS.
“Augmented GPS”: Éste sistema utiliza satélites geoestacionarios, que corrigen las informaciones y errores de las señales de los satélites.

Estos sistemas están siendo desarrollados actualmente por la industria aeronáutica, fundamentalmente como ayuda al aterrizaje de los aviones en aeropuertos y/o espacios en los que la visibilidad o las condiciones meteorológicas son adversas.

Los satélites geoestacionarios son capaces de corregir las señales para cada continente.

Actualmente la NASA y las agencias espaciales de los diferentes países del mundo, están exportando esta tecnología para la exploración del planeta Marte.