Principio de funcionamiento del gps

El Sistema de Posicionamiento Global, o GPS (Global Positioning System), es un sistema de navegación y posicionamiento mundial desarrollado por el Departamento de Defensa de los Estados Unidos para uso militar y civil. El GPS puede determinar la ubicación de un objeto en la Tierra con una precisión que varía desde decenas de metros hasta milímetros, dependiendo del receptor y la tecnología de procesamiento de señales. Esta tecnología permite a usuarios militares, civiles y científicos obtener ubicaciones tridimensionales cerca de la superficie terrestre con una precisión sin precedentes.

¿Cómo funciona el GPS?

El Sistema de Posicionamiento Global consta de una red de 24 satélites de transmisión que orbitan la Tierra a una altura de más de 20,000 km. El GPS también consta de receptores en tierra que escuchan e interpretan las transmisiones de los satélites. Las estaciones en la Tierra monitorean cuidadosamente la órbita de cada satélite, manteniendo un registro altamente preciso de la posición instantánea de los satélites. El conocimiento de la posición precisa de los satélites permite utilizarlos como puntos de referencia, desde los cuales los receptores GPS en la Tierra pueden determinar su posición. Esta técnica de determinación de la posición de un objeto se llama trilateración.

El concepto de trilateración se ilustra mejor con un ejemplo. Considere un satélite que está a una distancia de 25,000 kilómetros de una persona que sostiene un receptor GPS. Entonces, se sabe que la posición de la persona se encuentra en algún lugar de una esfera de 25,000 km de radio, centrada en el satélite. Sin embargo, la ubicación exacta de la persona en esa esfera aún se desconoce. Si, al mismo tiempo, la distancia de la persona a un segundo satélite se puede determinar en 20,000 km, entonces se puede determinar una segunda esfera de radio 20,000 km en la que se encuentra la persona. Por lo tanto, la persona debe estar en el círculo formado por la intersección de las dos esferas de posición. Un tercer satélite proporciona una tercera esfera, que reduce la ubicación de la persona a exactamente dos puntos. Uno de estos puntos suele ser una solución imposible, con frecuencia a varios miles de kilómetros de distancia en el espacio, por lo que tres rangos de satélites pueden determinar la posición precisa de la persona. Tres satélites proporcionan suficiente información para encontrar las coordenadas x, y, z (medidas desde el centro de masa de la Tierra). Sin embargo, en la práctica, se requieren cuatro satélites para precisar una posición, por razones que pronto quedarán claras.

En el modelo anterior de trilateración, la distancia entre un satélite y la persona en la Tierra se da como 20,000 km. Sin embargo, no se mencionó cómo se determinó la distancia. El Sistema de Posicionamiento Global funciona haciendo que cada uno de los 21 satélites activos irradie constantemente microondas. Estas microondas son recibidas por el receptor GPS, que puede utilizar el método de trilateración para ubicar su posición. La distancia desde el receptor a un satélite se mide de la siguiente manera. El satélite y el receptor están controlados por relojes separados. Los satélites se ajustan con la mayor precisión posible con un reloj atómico y se supone que están sincronizados entre sí. En un momento conocido, un satélite emite una señal en forma de microondas. Esta señal llega al receptor después de que ha transcurrido un cierto intervalo. Dado que las microondas viajan a la velocidad de la luz, una velocidad conocida y un tiempo conocido permiten que el receptor determine la distancia al satélite. Por lo tanto, es importante que el tiempo se mida con precisión para medir con precisión la distancia, ya que un error de sincronización de los dos relojes de un microsegundo crea un error de 300 metros. Esto requiere un cuarto satélite, ya que se ha añadido una cuarta variable, el tiempo, a las incógnitas que anteriormente sólo incluían las distancias x, y, z.

La red de satélites

Los 21 satélites en funcionamiento están espaciados uniformemente en órbitas circulares inclinadas 55 grados con respecto al plano ecuatorial, aproximadamente a 20,000 km sobre la superficie de la Tierra. A una altura de más de tres veces el radio de la Tierra, cada satélite orbita la Tierra una vez cada doce horas. Un satélite en particular es visible para un usuario en la Tierra durante aproximadamente cinco horas en cada rotación. Dependiendo de la ubicación del usuario y la hora del día, entre cuatro y diez satélites son visibles en cualquier momento. Cinco estaciones de control, espaciadas uniformemente por todo el entorno, controlan los satélites. Estas estaciones son responsables de predecir y corregir las órbitas de los satélites y de transmitir datos a los satélites, incluidas las correcciones del reloj.

¿Cómo funciona la señal GPS?

El satélite transmite dos ondas portadoras, la onda portadora L1 a 15742 MHz y L2 a 12260 MHz. Estas frecuencias duales se eligen para eliminar la dispersión ionosférica, una de las principales fuentes de error de rango sistemático. Los pseudorrangos, que se derivan del tiempo de viaje de la señal al receptor, utilizan dos códigos de ruido pseudoaleatorio (PRN). Estos códigos están modulados en las frecuencias portadoras. El primer código, que está disponible para civiles, es el código C/A (código de curso/adquisición), que tiene una longitud de onda de aproximadamente 300 metros. El código C/A solo está modulado en LSu omisión de L2 permite al gobierno controlar el nivel de precisión disponible para los usuarios civiles. El segundo código, el código P (código de precisión), solo está disponible para militares y algunos usuarios designados. El código P, con una longitud de onda de aproximadamente 30 metros, está modulado en L1 y LEl acceso al código P se ha denegado al público desde que el sistema se declaró completamente operativo en 199La técnica utilizada para transmitir las señales de los satélites implica la transmisión de un código cuidadosamente formulado conocido como secuencias pseudoaleatorias. Las señales recibidas y las secuencias transmitidas se comparan entre sí, y el tiempo de viaje de la señal se encuentra midiendo cuándo las dos señales están más correlacionadas.

Para mantener el control sobre el sistema de navegación, los militares querían limitar el acceso a las mediciones GPS más precisas. El método que eligieron para esta operación fue transmitir información inexacta a los civiles sobre cuándo se habían enviado las señales desde los satélites. Al alterar ligeramente los relojes de los satélites según un código específico, quienes tienen acceso al código pueden obtener información precisa, mientras que los civiles se ven obligados a lidiar con la inexactitud en las mediciones de distancia resultante del error de tiempo. Las señales modificadas permiten a los usuarios de GPS no militares obtener lecturas de navegación que son precisas hasta aproximadamente 100 metros. Sin embargo, los civiles han encontrado formas de evitar este parpadeo de los relojes. Al comparar la posición medida por GPS de una ubicación conocida con sus coordenadas reales, es posible detectar la cantidad de parpadeo. Una vez que se conoce la cantidad de parpadeo, las correcciones se pueden transmitir al receptor GPS y se puede lograr un cálculo preciso de la posición del receptor. Por lo tanto, incluso sin acceso a los códigos de parpadeo que mantienen los militares, es posible que un civil determine su posición con una precisión de milímetros.

Aplicaciones del GPS

Existen muchos usos variados para el Sistema de Posicionamiento Global. El GPS puede medir la posición con mucha precisión, y las señales de posicionamiento están disponibles para los usuarios de todo el entorno en todo momento. Estas características explican la popularidad del GPS entre muchos grupos diversos.

El Sistema de Posicionamiento Global fue diseñado para el posicionamiento militar preciso en tiempo real. Los militares utilizan el GPS en la navegación terrestre, marítima y aérea. Además, los satélites GPS están equipados con sensores para monitorear y detectar las detonaciones de armas nucleares. Sin embargo, la navegación es la función principal del GPS, con usos en todas las ramas de los militares. Algunos ejemplos son el reconocimiento fotográfico, la navegación a bajo nivel, la adquisición de objetivos, el mando y el control, la navegación en ruta y la tutorial de misiles.

Aunque el GPS fue diseñado para uso militar, el uso civil de la tecnología de navegación ha aumentado drásticamente con la llegada de receptores GPS portátiles asequibles y la capacidad de aumentar la precisión de las lecturas de GPS civiles. Un uso importante del GPS es para la topografía y la cartografía, incluida la topografía terrestre, marítima y aérea, el monitoreo de la deformación local y global y el control geodésico. Las aplicaciones en transporte y comunicación incluyen ayudas de navegación automotriz, con una visualización automatizada de la posición del vehículo en un mapa electrónico. Esto es particularmente útil para vehículos de emergencia y misiones de búsqueda y rescate. También se puede lograr el monitoreo de la ubicación y el movimiento de vehículos como taxis, camiones y vagones de ferrocarril utilizando GPS. Las actividades recreativas también se han convertido en un gran mercado para receptores portátiles de bajo costo. La navegación, el excursionismo, el ciclismo y la equitación son algunas de las actividades cuyos participantes utilizan receptores GPS relativamente económicos y de baja precisión (buenos para decenas o cientos de metros).

Tabla comparativa de códigos GPS

A continuación, se muestra una tabla que compara los códigos GPS C/A y P: