11. EL SISTEMA DE POSICIONAMIENTO GLOBAL (GPS) 11.1

11. EL SISTEMA DE POSICIONAMIENTO GLOBAL (GPS)
11.1 INTRODUCCIÓN
GPS es el acrónimo de Global Positioning System (sistema global de
posicionamiento), un sistema formado por una constelación de 24 satélites, llamados NAVSTAR (Navigation Satellite Timing and Ranging), y 5
estaciones en la superficie terrestre.
Estos satélites se encuentran en órbitas situadas 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 a la tierra indicando su posición y la hora de sus relojes
atómicos.
Las estaciones de tierra se encuentran repartidas en cinco puntos:
Hawai, Isla de Ascensión, Diego García, Atolón de Kwajalein y Colorado
Springs. Estas estaciones se encargan de supervisar 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 un navegador sencillo, y con muy poco margen de error su posición en la esfera
terrestre en que se encuentra. En la actualidad existe una gran variedad
de receptores GPS en el mercado.
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Existe también una versión rusa del sistema de posicionamiento global. Se trata de un intento incompleto que inició el gobierno ruso (Constelación Glonass), pero que fue abandonado por falta de financiamiento. Esta
constelación incompleta de satélites Glonass sólo se usa ocasionalmente
como complemento al sistema GPS norteamericano en algunas aplicaciones de precisión.
Por otro lado, también existe en proyecto una versión europea modernizada del GPS que actualmente se encuentra en fase de elaboración.
Liderado por la Agencia Espacial Europea, denominado Proyecto Galileo, el
cual estima tener operativo todo su sistema a partir del 2008.
11.2 ANTECEDENTES
A comienzos de los años 60, Estados Unidos decidió crear un sistema de localización para sus submarinos nucleares. Este sistema debía ser
preciso, estar disponible en forma permanente, no verse afectado por las
condiciones atmosféricas, funcionar en cualquier lugar del globo y, además de bajo costo.
El primer sistema desarrollado fue denominado Transit, el que fue
reemplazado posteriormente por el actual sistema GPS. El sistema Transit
también fue liberado para uso público, sin embargo requería mayor tiempo
para obtener la información y sólo permitía obtener información de uno de
los satélites de la red, cuya órbita era circumpolar.
En 1989 se lanzaron los primeros satélites que conformaban el sistema GPS. El lanzamiento de los satélites prosiguió hasta 1994, cuando se
lanzó el 24º satélite del sistema.
Como sistema diseñado para la guerra, no fue sino hasta la guerra del
Golfo Pérsico, en 1991, cuando el sistema se sometió a situación de combate. El GPS cumplió su papel acorde a los requerimientos planteados.
El uso del GPS no es exclusivo del ejército norteamericano. El entonces Presidente de EE.UU., Ronald Reagan, liberó el sistema GPS para la comunidad civil internacional, el cual tendría como restricción una precisión
inferior a la que gozaba el ejército norteamericano, denominada Disponibilidad Selectiva. En el 2000 se eliminó esta
restricción y actualmente se logran precisiones
de hasta 10 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.
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11.3 EL FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA GPS
Los 24 satélites y las 5 estaciones fijas, a partir de la información
incluida en ellos y la que reciben de las estaciones, generan una señal
que transmiten a los receptores. A su vez los receptores reciben la señal
y 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.
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.
Para comprender mejor esta explicación, imagine que se encuentra
a 21.000 km de un primer satélite. Esta distancia indica que puede localizarse en cualquier punto de la superficie de una esfera imaginaria de
21.000 km de radio. Ahora, imagine que se encuentra a 24.000 km de un
segundo satélite. De este modo, también se encuentra en cualquier punto
de la superficie de esta segunda esfera imaginaria de 24.000 km de radio.
La intersección de estas dos esferas genera un círculo que disminuye las
posibilidades de localizar la posición. Por otra parte, imagine que un tercer
satélite se encuentra a 26.000 km. Ahora las posibilidades de localización
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 otra consideración, se requiere de un cuarto satélite
que determine cuál de ellos es el correcto, aunque esto no es necesario
por la razón anteriormente mencionada. A pesar de su aparente falta de
utilidad, este cuarto satélite tendrá una función concluyente en el cálculo
de la localización.
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11.4 CÁLCULO DE LA DISTANCIA
Se sabe que la distancia resulta de multiplicar la velocidad por el
tiempo (100 km /hora x 3 horas = 300 km). Dado que en el GPS se están
midiendo señales de radio, la velocidad que se emplea en los 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 se dispone de relojes muy precisos, ¿cómo se mide este tiempo?
Para comprender cómo un receptor GPS mide este tiempo, tómese el
siguiente ejemplo. Imagine que a mediodía se pudieran sincronizar simultáneamente el receptor y el satélite. Una vez sincronizados, se acuerda que a
partir de un instante determinado el receptor y el satélite comienzan a realizar un conteo (1, 2, 3...). Cuando la señal procedente del satélite llegue al
receptor, ésta llegará 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 calculado este desfase, sólo
se tiene que multiplicar el tiempo de retardo por la velocidad de la luz (en
el ejemplo, y en el supuesto que los conteos se realizan en milisegundos,
300.000 km /s x 0,07 s = 21.000 km). Para realizar esta sincronización y
este conteo, los emisores y los receptores del GPS utilizan un método denominado “Seudo-Random Code” (código seudo aleatorio) o PRC.
El código PRC 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, (L1) 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, (L2) pero ésta únicamente tiene un uso militar, dada la precisión que
permite su uso. El empleo de dos frecuencias distintas se debe a que la
atmósfera proporciona un cierto retardo en la propagación de las ondas,
siendo este retardo función de la frecuencia. Al utilizar dos frecuencias
distintas se puede conocer ese retardo y compensarlo en consecuencia.
El código PRC es complejo para evitar errores accidentales, su infiltración por parte de un elemento hostil y la interferencia de las señales
de los distintos satélites. 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.
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11.5 LA SINCRONIZACIÓN
La precisión y la exactitud en la medida de la distancia a los satélites son
factores fundamentales para el funcionamiento del sistema GPS. Para ello,
debe disponerse de relojes, en virtud 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.
Lamentablemente, dado el costo y el tamaño, es imposible incluir un
reloj atómico en cada receptor. Para solucionar este problema, se simula
un reloj atómico mediante la recepción de la señal de un satélite extra. La
recepción de una señal adicional permite que el receptor calcule los errores producidos en la medición y comparación del tiempo y compensarlos,
de ahí la necesidad de emplear cuatro satélites para la medición de la localización. Gracias a este seudo 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.
11.6 POSICIONES DE LOS SATÉLITES
Se ha mostrado como es factible calcular una localización a partir
de la posición conocida de cuatro o más satélites, pero, se analizará la
situación inversa, que radica en 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, se pueden introducir satélites en órbitas invariables que seguirán modelos matemáticos previamente calculados. De este modo, siempre se podrá conocer la posición de cada
uno de los satélites en un momento dado. Para ello, los receptores GPS
disponen de unos almanaques programados que permiten conocer 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 permanentemente sus posiciones. Para ello
emplean radares que miden 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 ello, estos errores son mínimos, sin
embargo, si se desea un sistema preciso, deben tenerse en consideración.
Una vez detectados, se retransmiten estos errores a los satélites
para que éstos puedan incluir la nueva información en las señales emitiTOPOGRAFÍA
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das. 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.
11.7 CORRECCIÓN DE ERRORES
A pesar de todas las correcciones realizadas, aún subsisten una serie
de errores por corregir. Se ha 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 procedimientos.
El primero de ellos implica aplicar un modelo matemático 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.
11.8 APLICACIONES DEL SISTEMA GPS
Aunque conocer la localización nuestra posición pueda parecer algo
trivial, resulta cada vez un aspecto casi imprescindible en muchos campos. En términos generales estos campos de aplicación pueden señalarse
en las siguientes grandes áreas:
- 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 es posible calcular posiciones en cualquier
momento y de manera repetida, conocidos dos puntos se puede
determinar un recorrido o, a partir de dos puntos conocidos, determinar la mejor ruta entre ellos dos
- Rastreo: mediante la adaptación del GPS a sistemas de comunicación, un vehículo o persona puede comunicar su posición a una
central de rastreo
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EL SISTEMA DE POSICIONAMIENTO GLOBAL (GPS)
- 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, se puede emplear este
sistema para determinar momentos en los que suceden o sucederán determinados eventos, sincronizarlos, unificar horarios, etc.
11.9 ANTECEDENTES A CONSIDERAR CUANDO SE UTILIZA UN GPS DE
NAVEGACIÓN
11.9.1 En primer lugar el usuario debe saber que los equipos GPS de navegación entregan coordenadas con una precisión de ± 10 a 15 metros.
11.9.2 Asegurarse que las baterías internas del navegador estén lo suficientemente cargadas. De todas maneras se aconseja utilizar pilas nuevas si es que no se ha utilizado el GPS por un determinado
tiempo.
11.9.3 Al inicializar el GPS de navegación es necesario tener en cuenta
los siguientes parámetros:
- Conocer y programar en el navegador el Datum o sistema de referencia sobre el cual se realizará la navegación. Considerar que
si se utiliza un mapa o cartografía como base el GPS debe tener
programado el mismo Datum en su sistema
- Conocer y elegir el sistema de coordenadas. Pueden ser UTM (norte y este) o geográficas (latitud y longitud)
- Verificar las unidades de tiempo, distancia, velocidad y altura. Recordar que el sistema interno que controla a los GPS de navegación entrega diversas alternativas especto a estas unidades
- Borrar o verificar la memoria interna del GPS ya que es posible no
poder grabar ningún punto si la memoria está llena
- Verificar los sistemas de alarmas e iluminación que pueden causar
que las baterías duren mucho menos de lo previsto. Se aconseja
siempre de llevar un juego de baterías de respaldo
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- Cambiar el idioma si es necesario. Casi todos los navegadores presentan la alternativa del idioma español
11.9.4 Siempre tener en consideración que otra persona pudo haber
usado el GPS anteriormente y haber modificado los parámetros.
Por esto es que es necesario chequear los pasos anteriores antes
de utilizar el navegador.
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