Nuestros ancestros tenían que tomar medidas bastante extremas para no perderse. Construían complejos puntos de referencia, creaban complicados y detallados mapas y aprendían a leer las estrellas en el cielo nocturno.
Hoy en día las cosas son mucho más fáciles. Por alrededor de cien euros ya podemos disponer de un dispositivo de bolsillo que te dirá exactamente donde estás en cualquier parte del mundo en cualquier momento. Mientras que tengas un navegador GPS y el cielo esté despejado, nunca te volverás a perder. ¿Cómo lo consiguen hacer? Como veremos a continuación, el llamado sistema de posición global es algo enorme, caro y dispone de un gran ingenio técnico, pero los conceptos fundamentales son bastante simples e intuitivos.
Cuando la gente habla de un GPS, normalmente se refieren a un receptor GPS. Este sistema es realmente un grupo de 27 satélites que orbitan el planeta Tierra, y donde tres de ellos están simplemente en caso de que algún otro satélite falle.
El ejército norteamericano desarrollo e implementó su red de satélites como un sistema de navegación militar, pero pronto lo abrió al mundo entero. Cada uno de estar satélites circula el planeta a casi 20 mil kilómetros por hora, realizando dos rotaciones completas cada día. Las órbitas están diseñadas para que en cualquier momento y en cualquier lugar de la Tierra, haya al menos cuatro satélites “visibles” en el cielo.
El trabajo de los navegadores GPS es localizar cuatro o más satélites, averiguar la distancia de cada uno de ellos, y usar esa información para deducir su propia localización. Esta operación está basada en un simple principio básico llamado trilateración.
Este sistema en un espacio de tres dimensiones puede ser algo complicado, por lo que es mejor explicarlo primero con una trilateración en dos dimensiones.
Imagínate que estás en algún punto en España y estás totalmente perdido – por algún motivo no tienes ni idea de donde estás. Paras en una gasolinera y le preguntas a un empleado que donde te encuentras. Te dice que estás a 250 kilómetros de Madrid. Aunque nos da una referencia de donde estamos, realmente por si mismo no es particularmente útil.
Podrías estar en cualquier punto en un círculo alrededor de Madrid en un radio de 250 Km. Le preguntas a otra persona y te dice que estás a 170 kilómetros de Alicante. Ahora ya estás más cerca de saber donde estás. Si combinas esta información con la que tienes de Madrid, ya tienes dos círculos que se interseccionan. Sabes que estás en alguno de estos dos puntos de intersección.
Una tercera persona te dice que estás a 423 Km de Zaragoza, por lo que puedes eliminar una de las posibilidades, porque el tercer círculo solo tendrá una intersección con uno de estos puntos. Por lo que ahora ya saber que estás en Albacete.
Este mismo concepto trabaja con un espacio en tres dimensiones, pero estás usando esferas en lugar de círculos. Fundamentalmente, la trilateración en tres dimensiones no es mucho más diferente que la de dos dimensiones, pero es más complicado de visualizar. Esto hay que verlo desde la perspectiva del satélite.
Si sabes que estás a unos 10 kilómetros del satélite A, podrías estar en cualquier sitio en la superficie de una gran e imaginaria esfera con un radio de 10 Km. Si también sabes que estás a 15 Km del satélite B, puedes solapara la primera esfera con la otra gran esfera. Las esferas se intersectan en un perfecto círculo. Si sabes el punto a un tercer satélite, ya tienes una tercer esfera, la cual tienen una intersección con este círculo en dos puntos.
La Tierra en si misma puede actuar como una cuarta esfera – solo uno de los dos posibles puntos estará realmente en la superficie del planeta, por lo que puedes eliminar la del espacio. Sin embargo, los receptores generalmente buscan cuatro o más satélites para mejorar la precisión y proveer de información de altitud.
Para poder hacer este simple cálculo, el receptor GPS tiene que saber dos cosas: La localización de al menos tres satélites que estén encima de ti, y la distancia entre donde estás y cada uno de los satélites. El receptor GPS averigua ambas cosas analizando la alta frecuencia y las señales de radio de baja potencia de los satélites GPS. Los dispositivos más modernos pueden tener múltiples receptores, por lo que pueden recoger señales de varios satélites de forma simultánea.
Las ondas de radio son energía electromagnética, lo cual significa que viajan a la velocidad de la luz. El receptor puede saber como de lejos ha viajado la señal calculando el tiempo que la señal ha tardado en llegar.
¿Cómo se hacen los cálculos GPS?
En un tiempo determinado (digamos la medianoche), el satélite empieza a transmitir un largo patrón digital que se puede entender como un código pseudo aleatorio. El receptor empieza a funcionar con el mismo patrón también exactamente a medianoche.
Cuando la señal del satélite llega al receptor, la transmisión del patrón tendrá un cierto retraso por detrás del patrón que está activo en el receptor. La longitud de este retraso es igual al tiempo de viaje de la señal. Asumiendo que la señal ha viajado en línea recta, esta es la distancia del receptor al satélite.
Para poder hacer esta medida, el receptor y satélite necesitan relojes que puedan ser sincronizados a un nivel de nanosegundos.
Para hacer que un sistema de posicionamiento de satélites solo use relojes sincronizados, será necesario el uso de relojes atómicos en todos los satélites y también en el propio receptor. Sin embargo, los relojes atómicos cuentan bastante dinero, lo cual los hace un poco caros para el consumidor habitual. El sistema de posicionamiento global (GPS) tiene una solución más ingeniosa y efectiva para este problema.
Todos los satélites contienen un caro reloj atómico, pero el receptor usa solo un reloj ordinario de cuarzo, el cual está constantemente reseteándose. Diciéndolo de una forma corta, el receptor está atento a señales entrantes de cuatro o más satélites y hace sus propios cálculos.
Dicho en otras palabras, solo hay un valor para el “tiempo actual” que el receptor puede usar. El valor de tiempo correcto causará que todas las señales que el receptor está recibiendo, alinearse en un único punto en el espacio.
Este valor de tiempo es el tiempo que tienen los relojes atómicos en todos los satélites. Por lo tanto, el receptor configura su reloj al valor de tiempo, y entonces tiene el mismo valor de tiempo que los relojes atónicos en los satélites que hay. El receptor consigue esta precisión de reloj atómico de forma “gratuita”.
Cuando mides la distancia de cuatro satélites localizados, se puede dibujar cuatro esferas que se interseccionan en un punto. Tres esferas tendrán esta intersección incluso si los números son incorrectos, pero cuatro esferas no harán una intersección en un punto si has las medidas no son correctas.
Al realizar el receptor las medidas de distancia usando su propio reloj, las distancias serán todas proporcionalmente incorrectas. El receptor puede fácilmente calcular el ajuste necesario que causará que las cuatro esferas interseccionen en un punto. Basado en esto, resetea su reloj para estar sincronizado con el reloj atómico del satélite. El receptor hace esto constantemente cuando esta activado, lo cual significa que es casi tan preciso como los relojes atómicos más caros en los satélites.
Para que la información de distancia sea de utilidad, el receptor también tiene que saber donde están los satélites. Esto no es particularmente difícil, ya que los satélites viajan en órbitas altas y predecibles. El receptor GPS simplemente almacena un almanaque que le dice donde debería estar cada satélite en cada momento. Cosas como la gravedad del sol y la luna cambian ligeramente estas órbitas, pero los satélites son constantemente monitorizados y hace los ajustes necesarios en los receptores GPS para que las señales sean las correctas.
Precisamente este es otro tema que hay que tener en cuenta, y son las diferencias y posibles errores GPS.
Algunos problemas GPS
Por ahora, hemos aprendido como un receptor GPS es capaz de calcular su posición en la Tierra basándose en la información que recibe de cuatro satélites bien localizados. Este sistema funciona bastante bien, pero hay ciertas imprecisiones que surgen también. Por uno lado, este método asume que las señales de radio conseguirán abrirse camino por la atmósfera a una velocidad constante (la velocidad de la luz).
De hecho, la atmósfera de la Tierra ralentiza un poco la energía electromagnética, particularmente según cuando pasa por la ionosfera y la troposfera. Este retraso varia dependiendo de donde estés en el planeta, lo cual significa que es difícil hacer los cálculos de distancia de una forma precisa. Puede surgir problemas cuando las señales de radio rebotan en objetos grandes, como pueden ser rascacielos, dando al receptor la impresión de que un satélite está más lejos que lo que realmente está.
El diferencial GPS (DGPS) ayuda a solucionar estos problemas. La idea básica es calibrar las imprecisiones GPS en una estación receptora. Al saber el diferencial GPS en la estación su propia posición, puede fácilmente calcular su imprecisión en el receptor. La estación entonces difunde una señal de radio a todos los receptores equipados con este sistema. En general, el acceso a esta información de corrección hace que los receptores muchos más precisos que los receptores ordinarios.
La función más esencial de un receptor GPS es conseguir las transmisiones de al menos cuatro satélites y combinar la información en esas transmisiones con información de un almanaque electrónico, todo para poder averiguar la posición del receptor en la Tierra. Una vez que el receptor ha hecho sus cálculos, puede decirnos la latitud, longitud y altitud – o algunas medidas similares –de su posición actual.
Para hacer la navegación más amigable, la mayoría de los receptores meten estos datos en mapas almacenados en memoria. Se pueden usar mapas almacenados en la memoria del receptor, conectar el receptor a un ordenador que pueda mantener mapas más detallados, o simplemente comprar un mapa detallado de tu área y usando las lecturas del receptor en longitudes y latitudes.
Algunos receptores te permiten descargar mapas detallas en memoria o suministrar estos mapas con cartuchos ya preparados. Un receptor estándar GPS no solo te emplazará en un mapa en una localización particular, pero también hará un seguimiento de tu ruta en un mapa según te vas moviendo.
Si dejas el receptor puesto, puede estar en constante comunicación con los satélites GPS como va cambiando tu localización. Con esta información y su reloj integrado, el receptor puede dar varias informaciones de mucho valor, como cuanto has viajado, por cuanto tiempo lo has hecho, la velocidad a la que vas, el promedio de velocidad, una traza de por donde has ido, y el tiempo estimado para llegar a tu destino.
