GPS para niños
El Sistema de Posicionamiento Global (GPS, del inglés Global Positioning System), que al principio se llamó Navstar GPS, es una tecnología que ayuda a un aparato a saber dónde está en la Tierra. Puede ser muy preciso, a veces con una exactitud de pocos centímetros, aunque lo más común es que sea de unos pocos metros. Este sistema fue creado y puesto en marcha por el Departamento de Defensa de Estados Unidos y ahora es propiedad de la Fuerza Espacial de los Estados Unidos. Para saber su posición, un aparato GPS usa las señales de cuatro o más satélites. Es similar a otros sistemas como el GLONASS de Rusia y el Galileo de Europa.
Cuando quieres saber tu posición exacta en tres dimensiones (como la latitud, longitud y altura), tu receptor GPS busca automáticamente al menos cuatro satélites. De ellos, recibe señales que le dicen qué satélite es, la hora exacta de su reloj y datos sobre el grupo de satélites que forman el sistema. Con estas señales, tu aparato GPS ajusta su propio reloj con el tiempo del sistema GPS. Así, calcula cuánto tardan las señales en llegar desde cada satélite. Al medir estas distancias, el GPS puede calcular dónde estás. También calcula la hora con mucha exactitud, usando los relojes atómicos que tienen los satélites y las estaciones en tierra.
Hoy en día, el sistema GPS tiene 31 satélites funcionando.
Contenido
¿Cómo empezó el GPS?
En los años 60, existía un sistema de navegación llamado OMEGA. Usaba señales de radio desde estaciones en tierra para ayudar a los barcos a saber dónde estaban. Pero este sistema tenía limitaciones y se necesitaba algo más preciso y que funcionara en todo el mundo.
La Armada de Estados Unidos empezó a investigar cómo usar satélites para que sus barcos tuvieran información de posición muy exacta y actualizada. Querían un sistema que cubriera todo el planeta, funcionara sin parar sin importar el clima y fuera útil incluso para aviones. Así, hicieron experimentos como el Timation.
En 1964, se puso en marcha el sistema TRANSIT. Este sistema usaba seis satélites que giraban alrededor de la Tierra a unos 1074 kilómetros de altura. Aunque cubría todo el mundo, solo podías saber tu posición de forma intermitente, cada hora y media. Necesitabas seguir un satélite durante unos quince minutos para calcular tu ubicación.
En 1967, la Marina de EE. UU. desarrolló el satélite Timation. Este demostró que era posible poner relojes muy precisos en el espacio, algo clave para el futuro GPS.
Más tarde, en esa misma década, gracias a los avances en los relojes atómicos, se pensó en crear un grupo de satélites. Cada uno llevaría uno de estos relojes, y todos estarían sincronizados con una hora de referencia.
El nacimiento de NAVSTAR GPS
En 1973, se unieron los programas de la Armada y la Fuerza Aérea de Estados Unidos. La Fuerza Aérea había desarrollado una técnica para enviar datos precisos usando una señal especial. Esta unión dio origen al "Programa de Tecnología de Navegación", que luego se llamó NAVSTAR GPS.
Entre 1978 y 1985, se lanzaron once satélites de prueba para NAVSTAR. Después, se lanzaron más satélites hasta completar el grupo actual. El sistema empezó a funcionar de forma limitada en diciembre de 1993 y de forma completa para uso civil en abril de 1995.
En 1983, después de un triste accidente aéreo, el presidente de Estados Unidos, Ronald Reagan, anunció que el sistema GPS estaría disponible para uso civil una vez terminado. Sin embargo, la precisión para los civiles sería menor que la militar.
En 1996, el presidente Bill Clinton reconoció lo importante que era el GPS para los civiles. Por eso, impulsó una norma que permitía el uso dual del GPS: tanto militar como civil.
En 2009, el gobierno de Estados Unidos ofreció el servicio GPS para apoyar las necesidades de la OACI (Organización de Aviación Civil Internacional), y esta lo aceptó.
La antigua Unión Soviética creó un sistema parecido al GPS, llamado GLONASS. Ahora lo maneja la Federación Rusa.
La Unión Europea desarrolló su propio sistema, llamado Galileo. En diciembre de 2016, la Comisión Europea, dueña del sistema, anunció que Galileo ya estaba funcionando. Sus satélites envían información de posición, navegación y hora a usuarios de todo el mundo.
China también está creando su sistema de navegación, llamado Beidou. Se espera que tenga entre 12 y 14 satélites entre 2011 y 2015. Para 2020, se planea que esté totalmente operativo con 30 satélites. En diciembre de 2014, ya tenían 14 satélites en órbita.
¿Cómo funciona el GPS?
Componentes y señales
El Sistema Global de Navegación por Satélite (GNSS) se compone de:
- Satélites en el espacio: Hay 24 satélites principales, distribuidos en 6 órbitas.
- Altitud: Cada satélite orbita a unos 20.200 kilómetros de altura.
- Período: Tardan casi 12 horas en dar una vuelta completa a la Tierra.
- Inclinación: Sus órbitas están inclinadas 55 grados respecto al ecuador.
- Vida útil: Cada satélite funciona unos 7,5 años.
- Precisión de tiempo: Sus relojes son increíblemente exactos, con una precisión de 1 nanosegundo (una milmillonésima de segundo).
- Cobertura: Funciona en todo el mundo.
- Usuarios: Puede ser usado por una cantidad ilimitada de personas.
Cada satélite GPS envía continuamente un mensaje de navegación. Lo hace a una velocidad de 50 bits por segundo, usando frecuencias de microondas, alrededor de 1600 MHz. Para que te hagas una idea, la radio FM se emite entre 87.5 y 108.0 MHz. Todos los satélites emiten en 1575.42 MHz (señal L1) y 1227.6 MHz (señal L2).
La señal GPS te da la "hora de la semana" exacta según el reloj atómico del satélite. También te dice el número de semana GPS y si el satélite está funcionando correctamente. Cada transmisión dura 30 segundos y lleva 1500 bits de datos codificados. Esta pequeña cantidad de datos se codifica con una secuencia especial que es diferente para cada satélite. Los receptores GPS conocen estos códigos y así pueden entender la señal y distinguir entre los diferentes satélites.
Las transmisiones están programadas para empezar justo al minuto y al medio minuto, según el reloj atómico del satélite. La primera parte de la señal GPS le dice al receptor cómo se relaciona el reloj del satélite con la hora GPS. La siguiente parte de los datos le da al receptor información precisa sobre la órbita del satélite.
La trilateración: el secreto de la posición
La información que el receptor GPS usa para saber dónde está se llama efemérides. Cada satélite envía sus propias efemérides, que incluyen datos sobre su estado, su posición en el espacio, su hora atómica y otros detalles.
Para determinar la posición del receptor, se usa un método llamado trilateración:
- Cada satélite le dice al receptor que se encuentra en algún punto de una esfera. El centro de esta esfera es el satélite, y el radio es la distancia desde el satélite hasta el receptor.
- Cuando el receptor obtiene información de dos satélites, se forma un círculo donde se cruzan las dos esferas. El receptor está en algún punto de ese círculo.
- Al tener información de un tercer satélite, se resuelve el problema de que los relojes del receptor y de los satélites no estén perfectamente sincronizados. En este momento, el receptor GPS puede calcular su posición exacta en 3D: latitud, longitud y altitud.
Los dispositivos GPS se usan mucho en la telemática, que es la combinación de informática y telecomunicaciones. Esto ayuda a las empresas a gestionar sus flotas de vehículos, optimizando sus rutas y operaciones.
¿Qué tan precisos son los datos del GPS?
Antes, el Departamento de Defensa de EE. UU. podía introducir un pequeño error aleatorio en el sistema GPS, que podía variar entre 15 y 100 metros. Esto se llamaba "disponibilidad selectiva" (SA). Pero esta función fue eliminada el 2 de mayo de 2000.
Hoy en día, la precisión del GPS depende de cuántos satélites se pueden ver en un momento y lugar determinados. Si se captan las señales de entre siete y nueve satélites, y estos están bien distribuidos en el cielo, se pueden obtener precisiones de menos de 2.5 metros el 95% del tiempo. Si se usa un sistema llamado DGPS (GPS diferencial) o SBAS (como WAAS en EE. UU. o EGNOS en Europa), la precisión mejora aún más, siendo de menos de un metro en el 97% de los casos.
¿Qué puede afectar la precisión del GPS?
La posición que calcula un receptor GPS depende de la posición del satélite en ese instante y del tiempo que tarda la señal en llegar. La precisión puede verse afectada por varios factores:
- Retraso de la señal: Las señales GPS pueden ralentizarse al pasar por la ionosfera y la troposfera (capas de la atmósfera terrestre).
- Señal multirruta: Esto ocurre cuando la señal rebota en edificios o montañas cercanas antes de llegar al receptor, creando múltiples caminos para la señal.
- Errores orbitales: Los datos sobre la órbita del satélite pueden no ser completamente exactos.
- Número de satélites visibles: Cuantos más satélites se vean, mejor será la precisión.
- Geometría de los satélites: La forma en que los satélites están distribuidos en el cielo también influye. Si están muy juntos, la precisión puede ser menor.
- Errores en el reloj del GPS: Pequeñas variaciones en el reloj interno del receptor GPS.
Aquí tienes una tabla con algunos efectos de estas fuentes de error:
| Fuente | Efecto |
|---|---|
| Ionosfera | ± 3 m |
| Efemérides (datos orbitales) | ± 2.5 m |
| Reloj del satélite | ± 2 m |
| Distorsión multibandas | ± 1 m |
| Troposfera | ± 0.5 m |
| Errores numéricos | ± 1 m o menos |
GPS Diferencial (DGPS)
El DGPS (Differential GPS) es un sistema que mejora la precisión del GPS. Lo hace enviando correcciones a los receptores GPS. Se creó principalmente para compensar la "disponibilidad selectiva" que existía antes.
La idea es que los errores del sistema GPS afectan de forma muy similar a los receptores que están cerca unos de otros. Una estación GPS fija en tierra, que sabe su posición con mucha exactitud, recibe la señal GPS y calcula los errores comparándola con su posición real. Luego, esta estación envía esas correcciones a los receptores GPS cercanos. Así, estos receptores pueden corregir sus propios errores y ser mucho más precisos.
En resumen, el DGPS funciona así:
- Estación de referencia: Es una estación fija que conoce su posición con gran precisión. Tiene un receptor GPS, un microprocesador para calcular los errores y un transmisor para enviar las correcciones a los usuarios.
- Equipo del usuario: Es tu receptor GPS, que también tiene un receptor para recibir las correcciones de la estación de referencia.
Puedes obtener estas correcciones DGPS de varias maneras:
- Por radio, a través de canales especiales como el RDS en emisoras de FM.
- Descargándolas de internet o usando una conexión inalámbrica.
- A través de sistemas de satélites diseñados para ello, como WAAS en Estados Unidos, EGNOS en Europa o MSAS en Japón.
Con el DGPS se pueden corregir errores causados por:
- La disponibilidad selectiva (aunque ya no se usa).
- Retrasos de la señal en la ionosfera y la troposfera.
- Errores en la posición del satélite.
- Problemas en el reloj del satélite.
Para que las correcciones DGPS funcionen bien, el receptor debe estar relativamente cerca de una estación DGPS, generalmente a menos de 1000 km. Los receptores diferenciales pueden alcanzar precisiones de centímetros, lo que los hace muy útiles en ingeniería y otras áreas donde se necesita mucha exactitud.
El GPS en tu día a día
Integración con teléfonos y relojes inteligentes
Hoy en día, muchos teléfonos inteligentes y relojes inteligentes tienen GPS integrado. Esto ha permitido el desarrollo de muchas aplicaciones y servicios. Por ejemplo, puedes usar tu teléfono para navegar de un punto a otro, o para encontrar amigos cercanos en un mapa.
Los relojes inteligentes con GPS son muy populares para el deporte y el ejercicio. Marcas como Garmin o Polar ofrecen relojes deportivos que registran tu recorrido. Otros relojes inteligentes, como el Apple Watch o el Samsung Gear S3, también tienen GPS y pueden funcionar de forma independiente o junto con tu teléfono.
Usos del GPS en la vida civil
El GPS tiene muchísimas aplicaciones en nuestra vida diaria:
- Navegación: Te ayuda a encontrar tu camino en coche, caminando, en barco o en avión. Muchos coches ya lo traen incorporado.
- Teléfonos móviles: Para mapas, encontrar lugares y servicios basados en tu ubicación.
- Topografía y construcción: Para medir terrenos, hacer cortes en taludes o instalar tuberías con precisión.
- Agricultura y ganadería: Para la agricultura de precisión o para localizar animales.
- Salvamento y rescate: Para encontrar personas perdidas o en peligro.
- Deporte y ocio: Para actividades al aire libre como acampar, senderismo o geocaching (una actividad de búsqueda de "tesoros").
- Localización de personas: Para saber dónde están personas mayores, con discapacidad o niños.
- Gestión de flotas: Las empresas lo usan para seguir y organizar sus vehículos.
- Deportes aéreos: Como parapente o ala delta.
Usos militares del GPS
El GPS también es fundamental para fines militares:
- Navegación para tropas, aviones y barcos.
- Guiado de misiles y otros proyectiles.
- Operaciones de búsqueda y rescate.
- Reconocimiento y creación de mapas.
- Detección de explosiones.
El GPS y la teoría de la relatividad
Los relojes de los satélites GPS necesitan estar perfectamente sincronizados con los relojes en la Tierra. Para lograr esto, hay que tener en cuenta las teorías de la relatividad de Einstein. Hay tres efectos principales: la dilatación del tiempo, el cambio de frecuencia por la gravedad y los efectos de la excentricidad de la órbita.
Si no se consideraran estos efectos, los relojes de los satélites se desviarían unos 38 microsegundos al día. Esto causaría errores de varios kilómetros en la determinación de la posición.
Para compensar esta diferencia, los relojes atómicos a bordo de cada satélite se ajustan antes del lanzamiento. Se hacen funcionar un poco más lento de lo normal para que, una vez en órbita, su tiempo coincida con el de la Tierra. Esto demuestra cómo la teoría de la relatividad es aplicada en un sistema tecnológico real como el GPS.
Galería de imágenes
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Operadora de satélites controlando la constelación NAVSTAR-GPS, en la Base Aérea de Schriever.
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Lanzamiento de satélites para la constelación NAVSTAR-GPS mediante un cohete Delta.
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Estación y receptor GPS profesionales para precisiones centimétricas.
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Representación visual en movimiento de la constelación de satélites GPS en conjunción con la rotación de la Tierra. Se puede ver cómo el número de satélites visibles desde un determinado punto de la superficie de la Tierra, en esta ilustración a 45° N, va cambiando con el tiempo.
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Estación Leica de referencia DGPS.
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Equipo de campo realizando levantamiento de información sísmica usando un receptor GPS Navcom SF-2040G StarFire montado sobre un mástil.
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Un dispositivo GPS civil Swiss Gadget 760GS colocado en parabrisas y mostrando datos de navegación vehicular libre
