GPS; qué es y cómo funciona

El Global Positioning System, o lo que es lo mismo GPS es algo que hoy en día todos sabemos definir y explicar como funciona (o eso nos creemos), aunque en la mayoría de los casos sin dar una explicación clara y rotunda. Es por ello que a lo largo de este artículo os vamos a mostrar qué es y cómo funciona el GPS para que puedas entenderlo con todo lujo de detalles. Sigue leyendo, descubre todo lo que necesitas saber sobre el GPS, y sobre todo, disfruta.

¿Qué es el GPS?

El GPS o Global Positioning System, que es lo mismo que Sistema de Posicionamiento Global, fue concebido para determinar posiciones tierra, mar, aire o en el espacio, partiendo de posiciones conocidas de una constelación de satélites. La señal enviada por el satélite, es continuamente registrada en su propio tiempo de transmisión por el receptor, de tal forma que si el reloj de este, está sincronizado con el resol del satélite se podrá calcular el tiempo de transmisión de la señal.

Además del posicionamiento de puntos, son también objetivos del GPS, la determinación de la posición instantánea y la velocidad de un móvil, así como la coordinación precisa de tiempos.

El GPS utiliza pseudodistancias, obtenidas de las señales de radio emitidas por los satélites. La pesudodistancia se calcula midiendo el tiempo de viaje de la señal, y multiplicando por su velocidad o por medida de fase de la señal. En ambos casos, se emplean relojes u osciladores del satélite y del receptor. Dado que los relojes no están nunca perfectamente sincronizados, en lugar de verdaderas distancias, se obtiene pseudodistancias.

Por todo ello, cada ecuación que relaciona satélite y receptor, contiene cuatro incógnitas, las coordenadas del punto de estación del receptor, y el error de sincronización del reloj.

En el sistema GPS se parte del hecho de que existen al menos cuatro satélites visibles desde cualquier punto y durante las 24 horas del día. Cuando se utilizan diferencias de fase existe una ambigüedad a la hora de medir la pseudodistancia, que es el número entero de longitudes de onda comprendido en ella, y que será otra incógnita a calcular.

Cómo funciona el Global Positioning System

A continuación os mostramos cómo funciona el Global Positioning System, para lo cual hablaremos de los segmentos de un GPS, la clave para entender su funcionamiento.

Segmentos por los que está compuesto el GPS

El Global Positioning System está dividido en tres segmentos bien diferenciados;

1. Segmento espacial, conteniendo los satélites emisores de señales
2. Segmento de control, que gobierna el sistema
3. Segmento usuario, que incluye todos los diferentes tipos de receptores

Segmento espacial

Con el sector espacial al completo, el sistema GPS proporciona una cobertura global con un número comprendido entre cuatro y ocho satélites que se pueden observar simultáneamente, con una elevación superior a 15 grados. Si la elevación se reduce a 10 grados, ocasionalmente se pueden observar hasta diez satélites, aumentando hasta doce cuando la altura sobre el horizonte se reduce hasta 5 grados.

Los satélites están en órbitas casi circulares a una altura de 20.200 kilómetros y con un período de 11 horas 57 minutos y 58,3 segundos, aproximadamente 12 horas sidéreas. En un principio, el número de satélites fue de veinticuatro, en tres planos orbitales inclinados 63º respecto al ecuador. Más tarde, el número se redujo a dieciocho, con tres de ellos en cada una de la seis órbitas. Esta nueva constelación fue rediseñada como consecuencia de que no proporcionaba una cobertura de 24 horas.

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En el año 1986, se amplió el número de satélites a veintiuno, tres en cada una de las seis órbitas anteriormente indicadas y los otros tres de repuesto. Actualmente se tiene previsto que la constelación conste de veinticuatro satélites operativos, dispuestos en seis órbitas inclinadas a 55º con respecto al ecuador, a razón de cuatro satélites por órbita, disponiendo además de otros cuatro satélites de repuesto para reemplazar a aquellos que dejen de estar en servicio.

Esencialmente , estos satélites GPS son la base para los transmisores-receptores, relojes atómicos, computadores y demás equipamiento para la operatividad del sistema. El equipamiento electrónico de cada satélite permite al usuario medir la seudodistancia al satélite, y éste a su vez emite un mensaje que posibilita al usuario la determinación exacta de la posición de dicho satélite en cualquier instante. Conocida ésta, el usuario puede obtener su posición sobre la superficie terrestre.

Segmento de control

El sector de control es el encargado de controlar y corregir las órbitas de los satélites del sector espacial, así como las de sus relojes u osciladores. La información obtenida de este seguimiento es enviada a una denominada "Estación principal", en la que se calculan las órbitas futuras de los satélites como una función del tiempo. Los cálculos realizados y las correcciones de los relojes de los satélites están introducidos en el mensaje de navegación.

El sector de control está constituido por una Estación principal (Master Control Station) y cinco Estaciones de control y seguimiento (Monitor Station). La Estación principal estuvo en principio ubicada en la base de la Fuerza Aérea de Vanderberg (California), siendo posteriormente trasladada al Consolidated Space Operations Center (CSOC), en la Base de la Fuerza Aérea de Falcon, en Colorado Springs, Colorado.

La Estaciones de control están situadas en Hawai, Colorado Springs, Isla de Ascensión en el Atlántico Sur, Diego García en el Indico y Kwajalein en el Pacífico Norte. Cada una de estas estaciones está equipada con un reloj de cesio y receptores que están continuamente midiendo seudodistancuas a todos los satélites que se encuentran visibles. El control desde la Estación principal se realiza por cable y reciben continuamente los mensajes de navegación en las dos frecuencias L1 y L2, con el fin de corregir el retador inosférico. Asimismo, registran la precisión de los relojes y recogen información metereológica, que envían a la Estación principal para corregir el retardo troposférico. Todos los satélites con altura superior a 5º sobre el horizonte de una estación son rastreados por ésta.

Una vez calculadas por la Estación principal las efemérides, los estados de los relojes y demás información, se transmiten de nuevo a los satélites a través de tres estaciones inyectoras situadas en Ascensión, Diego García y Kwajalein, información que es almacenada en la memoria de los satélites para su posterior radiodifusión.

Segmento del usuario

El sector del usuario está constituido por todos los equipos utilizados, permanentes u ocasionales, para la recepción de las señales emitidas por los satélites y empleados para el posicionamiento, ya sea estático o cinemático, navegación o para la determinación del tiempo con precisión.

Básicamente, el equipo está fundamentalmente formado por el receptor y la antena.

En general, se conoce como receptor GPS a un equipo constituido por una antena con preamplificador, para captar las señales emitidas por los satélites, y un receptor que permite seguir, registrar, controlar, almacenar y visualizar los datos, cálculos, presentación de resultados y todas aquellas otras funciones necesarias para una buena posición de los satélites.

Hay receptores que llevan incorporado un procesador-calculador, así como el soporte magnético necesario para el almacenamiento de los datos. Otros, sin embargo, solo registran los datos y después resulta necesario volcarlos a un PC para su posterior tratamiento. No obstante, todos los receptores llevan un oscilador de cuarzo muy estable, equivalente al tiempo que tarda la luz en recorrer un distancia de 300 milímetros, cuya misión es generar una frecuencia fundamental de la que se derivan todas las demás que son necesarias en el proceso de medición.

Los receptores se pueden clasificar atendiendo a varios criterios: según la señal que reciben y procesan, proceso de medición, modo de funcionamiento, etc. Un ejemplo de clasificación podría ser el siguiente;

• Receptores no codificados
• Receptores codificadaos

Los receptores no codificados no reconocen los códigos P y C/A, por lo que efectúan un tratamiento de la señal recibida, considerada como fuente de ruido, utilizando los procedimientos de cuadratura de la señal e interferometría. Son aparatos de gran precisión en el posicionamiento estático relativo porque van equipados con receptores de doble frecuencia L1 y L2. Sus principales inconvenientes estriban en que no son cinemáticos, es decir necesitan efemérides muy precisas, porque no descodifican el mensaje de navegación, y no proporcionan el posicionamiento instantáneo.

Por su parte, los receptores codificados utilizan todos los datos emitidos por los satélites y, generalmente, están equipados con receptores de frecuencias L1 y L2. Para el proceso de los datos pueden emplear la técnica de cuenta Doppler integrada, medida de seudodistancia y medida de la fase portadora. Asimismo, pueden ser empleados en modo estático, cinemático, navegación, posicionamiento absoluto, relativo y algunas cuantos más.

El Global Positioning System, o GPS es un tema tremendamente amplio que hemos intentado condensar en unas pocas líneas, que con el paso del tiempo iremos haciendo crecer para dar cabida a más información que os pueda ser útil a todos. Además trataremos de realizar más artículos relacionados con el GPS. Si necesitas alguna información concreta o solucionar alguna duda no dudes en pedírnosla y trataremos de ayudarte.