¿Qué es y cómo funciona el GPS?

¿Qué es el GPS?

GPS son las siglas de Global Positioning System y es un Sistema de Posicionamiento Global con el cual podemos determinar la posición geográfica de cualquier objeto a través de un receptor GPS.

Lo anterior suena muy interesante ¿Cierto? Pero más adelante te sorprenderá saber que el GPS no es el único sistema que nos permite determinar una posición en la tierra, existen otros sistemas muy parecidos al GPS, pero esto lo veremos más adelante.

Historia y Orígenes del GPS

Los primeros sistemas que proporcionaron servicios de posicionamiento aparecen en los años 60's y fueron LORAN y OMEGA no utilizaban propiamente tecnología satelital, si no que basaban su funcionamiento en señales emitidas por una estación terrestre maestra y varias estaciones repetidoras (igualmente terrestres), estos sistemas fueron adoptados rápidamente por varios países como Japón y Rusia.

TRANSIT

En 1967 entra en operación el primer sistema de posicionamiento por satélite TRANSIT que más tarde conoceríamos como NAVSAT (Navy Navigation Satellite System), en los inicios este sistema era utilizado por la Marina de los Estados Unidos con la intención de recabar informes precisos de barcos, submarinos y lanzamiento de torpedos con una alta precisión.

La constelación de TRANSIT consistía únicamente de 6 satélites en una órbita baja aproximadamente a 1074 km y emitían dos señales portadoras UHF cada dos minutos lo que disminuía el error del retardo cuando las señalas pasaban por la capa Ionosfera de la tierra.

En este mismo año con el nacimiento de TRANSIT también fueron lanzados los primeros satélites Timation por el Laboratorio de Investigación Naval en Washington, DC, los cuales dieron origen a los satélites con relojes precisos lo cual era indispensable para dar paso al GPS.

NAVSTAR GPS

En 1973 se da el comienzo para lo que posteriormente conoceríamos como NAVSTAR GPS y comienza con la unificación de un proyecto por parte de la Armada y la Fuerza Área de los Estados Unidos y consistía en una técnica de transmisión de señales codificadas y moduladas con un código PRN (Pseudo-Random Noise) que significa ruido pseudoaleatorio, dicha modulación sigue siendo la forma en que los satélites de GPS emiten sus señales actualmente.

En este mismo año justamente el día del trabajo 12 oficiales del Pentágono se reunieron y dieron pie a la creación de un Sistema Satelital de Navegación de Defensa (DNSS) y fue precisamente esta reunión lo que marco el origen del GPS ya que entre los años 1978 y 1985 son lanzados 11 satélites dando origen a la constelación de nombre NAVSTAR.

NAVSTAR es renombrado a NAVSTAR GPS con la intención de representar y abarcar totalmente lo que representaba el sistema, sin embargo, posteriormente se redujo el nombre a simplemente GPS.

¿Cómo funciona el GPS?

¿Cómo funciona un GPS? Esta es la pregunta que intentaré responder a lo largo de este post y para ir entrando en matería hablemos en forma general de sus funcionamiento y, después revisar un poco más a detalle cada concepto.

Bien, comenzaré diciendo que este sistema de posicionamiento basa su funcionamiento en una constelación de satélites que orbitan la tierra a una determinada altura, cada satélite GPS emite señales de radio conocidas como efemérides las cuales son recibidas por los receptores GPS para determinar una posición.

¿Qué es una efeméride y que información tiene?

Las efemérides son señales emitidas por los satélites que contienen la siguiente información:

• Salud del satélite
• Posición del satélite en el espacio
• Hora atómica
• Información doppler
• Etc.

Las efemérides son emitidas continuamente con 50 bits por segundo a una frecuencia aproximada de 1600 MHz durante 30 segundos, por lo tanto, se transmiten 1500 bits en cada efeméride por satélite.

• Puedes revisar este post ¿Qué son los satélites? Si quieres profundizar en este tema.

Las señales GPS viajan a través del espacio a la velocidad de la luz, aproximadamente a 299 792 km/s pasando por las diferentes capas de la tierra, especialmente por la ionosfera en donde sufren retardo debido a las condiciones atmosféricas de esta capa, es por esto que las señales portadoras viajan a dos frecuencias de modulación diferente, para mitigar dicho retardo.

Señales en el receptor GPS

Cuando los receptores reciben las señales calculan la distancia a la que se encuentran del satélite con base en la información que decodifican de cada efeméride y lo hace multiplicando la velocidad de la señal por el tiempo que tardo en llegar.

Recordemos que cada efeméride nos indica el tiempo exacto en que fue emitida por el satélite, y el receptor quien tiene un reloj de cuarzo interno puede calcular cuánto tiempo tardo en llegar la señal y saber a qué distancia se encuentra del satélite, por esta razón los relojes atómicos son de vital importancia ya que las señales viajan a la velocidad de la luz y una falla en el cálculo puede representar varios kilómetros de error.

Si el receptor recibe las efemérides de al menos 4 satélites artificiales se puede determinar una posición tridimensional latitud, longitud y altitud. Esto te lo explico a detalle en mi artículo sobre los sistemas GNSS o puedes ver el siguiente vídeo que he seleccionado para ti.

Precisión de posicionamiento del sistema GPS Satelital

Es importante mencionar que Estados Unidos está comprometido en emitir señales de gran precisión, con un error de rango promedio menor a 7.8 metros con una probabilidad del 95%, sin embargo el 11 de mayo del 2016 se monitoreo que el error fue menor a 0.715 metros el 95% del tiempo.

Como hemos mencionado las señales que emiten los satélites son de muy alta precisión, no obstante esta precisión es afectada por factores externos como:

• Temas atmosféricos
• La misma geometría del satélite
• Bloque de la señal
• Calidad de los receptores.

Un ejemplo claro son los Smartphone los cuales comúnmente usan receptores GPS que tienen una precisión aproximada de 4.9 metros a cielo abierto, pero puede ser afectado si se encuentra en sótanos, a lado de un edificio, puentes o áreas con árboles.

Precisión en la velocidad del sistema GPS

La constelación del GPS proporciona un error menor al 0.006 m/s en cualquier intervalo de 3 segundos con una probabilidad del 95% y que de igual manera que con la precisión de posición depende de factores atmosféricos y entorno de los receptores.

Precisión de tiempo en los sistemas GPS

Los satélites GPS proporcionan una precisión menor a 40 nanosegundos el 95% del tiempo y es el método más común en la sincronización de relojes y redes con el Tiempo Universal Coordinado (UTC).

Precisión en aplicaciones militares

El error de los receptores para aplicaciones militares suele ser el mismo que el de los satélites en el espacio, por lo tanto, aquí se tiene la mayor precisión del sistema, debido a que los receptores GPS utilizan dos frecuencias a diferencia de los receptores para ámbito civil que solamente usan una frecuencia.

Fallas en receptores GPS

La mayoría de las fallas de los receptores GPS, no se deben al sistema GPS en sí, muchas veces el problema se encuentra en el entorno donde está ubicado el receptor y la antena, por ejemplo, si el receptor se encuentra en un sótano, en lugares montañosos, recibe un ataque de Jammer (ruido electromagnético que puede inhibir la señal GPS), debajo de una bahía industrial, etc. Es por ello que la antena juega un papel impartante en este tipo de equipos.

Tipos de antenas de equipos GPS

Según la aplicación y los equipos que se estén utilizando, podemos tener tres tipos principalmente:

• Antenas pasivas: este tipo no requiere de un fuente que la alimente de energía, ya que solo capta las señales y las envía a los equipos, los equipos hacen todo el trabajo de amplificación y procesamiento.
• Antenas activas: este tipo cuenta con una etapa de amplificación, ya que incrementan la amplitud de la señal antes de enviarla a los equipos, suelen tener una mayor sensibilidad y exactitud.
• Antenas integradas: en muchos equipos entontarás que no hay una conexión para la antena, esto es por que el equipo ya cuenta con una antena integrada y no se puede desconectar sin tener que desarmarlo.

La ubicación y selección de antena es muy importante cuando adquieres un equipo, ya que una mala selección puede traer como consecuencia que tu dispositivo no posiciones y creas que el equipo es malo, ya que en ciertas ubicaciones recibirá mas o menos señal.

Fallas del sistema GPS

Existen errores propios de los satélites, como los errores orbitales debido a que los satélites no siguen una órbita Kepleriana debido a perturbaciones, se requiere de estimaciones muy complejas debido a que no se conocen todos los factores que influyen directamente en los satélites, para minimizar el error el control terrestre utiliza efemérides captadas por los receptores y efemérides captadas días después.

Errores en los relojes de los satélites, a pesar de ser relojes atómicos existen diferencia de tiempo entre los satélites y el sistema GPS, el cual no es constante en todos los satélites ya que cada oscilador tiene valores definidos por cada satélite.

Errores en la configuración geométrica, la incertidumbre en el posicionamiento es consecuencia de errores derivados de las distancias asociadas con la geometría de los satélites utilizados, los cuales son 4 o más al mismo tiempo, este error se expresa en lo que se conoce como Dilución de Precisión Geométrica (GDOP), el cual considera los tres parámetros de posición tridimensional y tiempo.

Errores debido a la Ionosfera de la tierra, esta capa de la tierra afecta a la magnitud de la señal cuando pasa a través de esta, la atmósfera en si hace más lentas a las señales de radiofrecuencia, el error puede variar desde 50 a 1 metro, por lo tanto, puede darse el caso de que el satélite se encuentra en una posición ligeramente diferente a lo que indica sus efemérides. Para minimizar este efecto la mayoría de los sistemas GNSS emiten sus efemérides a través de 2 señales portadoras de diferente frecuencia y para el caso del GPS estas frecuencias son:

• L1=1575.42 MHz
• L2=1227.60 MHz

El retardo en la ionosfera depende de la densidad de electrones y de la frecuencia de la misma.

Error Multipath, es un error donde las señales llegan por dos lados diferentes causando interferencia de las señales al ser recibidas y se minimiza utilizando antenas que discriminen a las señales por su dirección.

Segmentos y usuarios GPS

El sistema GPS como la mayoría de los sistemas GNSS se divide en tres segmentos importantes: el segmento espacial, el segmento de control y el segmento de usuario, de los cuales la Fuerza Aérea de Estados Unido desarrolla, mantiene y opera el segmento espacial y control.

Segmento espacial del GPS

Consiste en una constelación de 24 satélites operativos que orbitan la tierra a 20 200 KM de altura y transmiten señales de radio unidireccionales que proporcionan la posición y hora de cada satélite. Los Estados Unidos están comprometidos en mantener la disponibilidad de estos 24 satélites GPS operativos el 95% del tiempo, lo que nos indica que es una tecnología confiable y con un enorme futuro para todos los desarrolladores, tal es el compromiso de Estados Unidos que La Fuerza Aérea ha lanzado 31 satélites en los últimos años para garantizar la operación del sistema GPS.

Los satélites GPS están distribuidos en 6 planos orbitales equidistantes que rodean la tierra y cada plano está dividido en 4 zonas con su respectivo satélite de referencia, esta distribución de satélites asegura que desde cualquier punto de la tierra se tenga visibilidad de al menos 4 satélites.

En junio de 2011 la Fuerza Aérea de Estados Unidos completo con éxito la operación “Expandable 24”, lo que aumento a 27 satélites activos mejorando la cobertura mundial del sistema GPS.

Segmento de control GPS

Consiste en una red global de instalaciones terrestres que rastrean los satélites GPS, monitorean sus transmisiones, realizan análisis, envían comandos y datos a la constelación de satélites. Estas estaciones están distribuidas en todo el mundo e incluyen:

• Una estación de control maestra.
• Una estación de control maestro alternativa.
• 11 antenas de comando y control.
• 16 sitios de monitoreo.

Estación de control maestra

• Envía comando y controla la constelación GPS.
• Utiliza los datos de las estaciones de monitoreo global para calcular las ubicaciones exactas de los satélites.
• Envía a los satélites datos de navegación.
• Supervisa las transmisiones de los satélites para determinar la precisión y el correcto funcionamiento del sistema.
• Realiza mantenimientos, atiende anomalías en el sistema y de ser necesario reemplaza satélites que presenten fallas.
• Cuenta con una estación maestra de respaldo o alternativa que contiene toda la información de la estación maestra.

Antenas de comando y control

• Realiza un monitoreo sobre la banda S para detectar anomalías en los satélites.
• Recopila datos de telemetría.
• Envía comandos, cargan datos de navegación y actualizan los datos de los procesadores de cada satélite.
• Se componen de 4 antenas totalmente dedicadas al sistema y 7 antenas remotas de la Red de Control de Satélites de la Fuerza Aérea.

Sitios de monitoreo

• Rastrean los satélites a medida que pasan sobre su zona visible.
• Recopila señales de navegación medidas y datos atmosféricos.
• Retroalimenta con datos de observación a la central maestra.
• Utiliza sofisticados receptores GPS en su operación.
• Proporciona una cobertura global a través de 16 sitios de los cuales 6 los opera la Fuerza Aérea.

Sistemas de navegación y posicionamiento

Ahora que ya conoces el GPS y como es que funciona, es momento de revisar otros sistemas que permiten determinar la posición de un objeto, algunos aun están en vías de desarrollo, pero lo importante es que sepas que existen más opciones y muchos dispositivos ya cuentan con soporte para estos otros sistemas.

Aplicaciones del GPS

GPS proporciona servicios tanto para uso militar como civil, y hoy en día es uno de los sistemas más usados a nivel mundial, encontrando muchos receptores en celulares y dispositivos de localización integrados en pulseras, relojes, etc., y es equiparable con otras tecnologías como el Internet que se han convertido en partes esenciales en la vida diaria de miles de personas.

Hoy en día existen cientos de sistemas que dependen del GPS, por ejemplo:

• GPS para auto, permite a cientos de personas y empresas de transporte dar seguimiento vía satélite a sus vehículos y flotas de camiones.
• El GPS es capaz de aumentar la productividad en ramos como la agricultura, construcción, minería, entrega de paquetes y en cadenas de suministro.
• En sistemas bancarios, financieros y en redes eléctricas dependen de la sincronización de tiempo exacta que brinda este tipo de sistema.
• Es muy utilizado en la prevención de accidentes de transporte, parte fundamental en operaciones de búsqueda y rescate.
• En la navegación aérea es fundamental, existen avances científicos en la pronosticación del tiempo, monitoreo de terremotos y en proyectos dedicados a la protección del medio ambiente.
• Sigue siendo la médula ósea del armamento actual de los Estados Unidos, prácticamente todos los avances que se han realizado en los últimos años están integrados con el GPS.

Sistema de corrección DGPS o GPS diferencial

Es un sistema que proporciona correcciones a los receptores GPS de los datos recibidos de los satélites, mejorando la precisión en la posición calculada. Se introdujo debido a la disponibilidad selectiva de los años 90.

En términos generales su funcionamiento radica en un receptor GPS fijo que actúa como una referencia de posición conocida, recibe la señales emitida por el sistema GPS y es capaz de calcular los errores producidos por el sistema comparando dicha posición recibida con la suya. El receptor fijo tiene la capacidad de transmitir su corrección a los receptores próximos a él, con esta información los receptores cercanos son capaces de corregir las señales recibidas ya que tienen datos de referencia confiables.

La estructura de este sistema se compone de:

• Estación monitorizada de referencia, compuesta por un receptor GPS del cual se conoce su posición con muy alta precisión, un microprocesador para realizar el cálculo del error y generar el mensaje que se enviará a los demás receptores y un transmisor para propagar el mensaje con la corrección.
• Equipo de usuario, compuesto por un receptor DGPS el cual es la suma de un receptor GPS más un receptor de enlace a la estación monitorizada.