El GPS es un sistema de navegación por satélite que empezó a operar en 1978 como parte del programa NAVSTAR desarrollado por el Departamento de Defensa de los EE.UU. El desarrollo del GPS constituyó todo un reto tecnológico ya que se concibió como un sistema que funcionara con terminales pasivas, es decir que no tuvieran que transmitir información a los satélites y que además usaran relojes de baja precisión en relación a los relojes atómicos empleados en los satélites.
El sistema entró plenamente en operación hasta 1993, cuando un número mínimo de satélites (24) se encontraba en órbita. NAVSTAR posteriormente se convirtió en GPS, que es propiedad del gobierno de EE.UU. y está operado por la Fuerza Aérea de EE.UU. El funcionamiento del GPS se basa en medir el tiempo que tarda la transmisión de las señales que envían al receptor varios satélites de posición conocida, para determinar la posición del receptor, de acuerdo a un procedimiento geométrico denominado trilateración. Mediante la trilateración es necesario conocer las posiciones y distancias a cuatro satélites para estimar la posición del receptor en tres dimensiones geométricas así como para corregir el error en tiempo que podría tener el reloj del receptor. Esto último permite que el receptor pueda dar estimaciones precisas de la posición aún utilizando relojes baratos con una precisión significativamente menor que los relojes atómicos a bordo de cada satélite de la constelación GPS.
El GPS consta de tres segmentos, el segmento espacial, el segmento de control y el segmento de usuario.
Segmento Espacial
El segmento espacial de GPS consta de una constelación de 24 satélites que se encuentran distribuidos en 6 planos orbitales circulares a 20,200 Km de altura. A esta altura, los satélites dan una vuelta completa a la Tierra en aproximadamente 12 horas. Cada órbita alberga a 4 satélites uniformemente espaciados y tiene una inclinación de 55 grados con respecto al ecuador, como se muestra en el siguiente video:
En la siguiente figura se muestra una representación de los satélites GPS y de otras constelaciones como Glonass y Galileo sobre una posición determinada. Los números identifican a cada satélite en particular de cada constelación. Nótese que en este caso se tienen 8 satélites GPS distribuidos en el cielo, lo que permite una magnífica estimación de la posición.
Los 24 satélites aseguran una cobertura mundial a través de garantizar que al menos haya 4 satélites en todo momento sobre cualquier región de la Tierra para llevar a cabo una localización. En la actualidad hay un conjunto adicional de 7 satélites en órbita que se emplean para ofrecer redundancia y un mejor rendimiento en las zonas donde no se puede ver todo el cielo como por ejemplo entre los edificios de una gran ciudad. Los satélites pertenecen a diferentes bloques, donde cada bloque tiene diferentes capacidades de señal, potencia y vida útil.
Actualmente hay cuatro bloques de satélites GPS en uso que corresponden a diferentes generaciones tecnológicas. Estos bloques son: IIA, IIR, IIR (M) y IIF, con lanzamientos previstos del bloque III en 2017. Cada bloque tiene diferentes capacidades y diseños, de acuerdo al fabricante del satélite y la evolución de la tecnología, pero el principio de funcionamiento del sistema es básicamente el mismo para todos los bloques.
El equipo básico a bordo de los satélites incluye relojes atómicos muy precisos para mantener el tiempo, así como transmisores para el envío de las señales GPS y antenas para recibir información de corrección de las estaciones de control. Para proporcionar una estimación muy precisa de la posición, los relojes tienen que ser compensados tanto por efectos de la relatividad especial como por la relatividad general (dilatación del tiempo por la velocidad de los satélites respecto a Tierra, así como por los efectos del campo gravitatorio de la Tierra).
Segmento de Control
El segmento de control monitorea y controla la constelación GPS. Su propósito es garantizar que los satélites GPS envíen los mensajes correctos en el momento adecuado, diagnosticar el funcionamiento de cada satélite y colocar nuevos satélites cuando sea necesario.
Este segmento está operado por el Segundo Escuadrón Espacial de la Fuerza Aérea de EE.UU, localizado en Fort Collins, Colorado. Para llevar a cabo sus tareas, este segmento cuenta con una Estación de Control Maestra (MCS por su siglas en inglés), así como una estación de reserva, 12 antenas de mando y control y 16 estaciones de monitoreo.
Segmento de Usuario
El segmento de usuario de GPS consta de todo el hardware y software necesario para recibir y procesar las señales que envían los satélites GPS. Existen diferente tipos de receptores dependiendo de las aplicaciones y de si utilizan las señales civiles o militares, pero los fundamentos de operación de todos los receptores son los mismos y se basan en la estructura de las señales GPS. Para usos civiles, la estructura de las señales es pública y se puede consultar con detalle en el sitio www.gps.gov.
Las señales GPS son muy débiles cuando llegan a la superficie de la Tierra. Los satélites GPS transmiten solamente 27 W (14.3 dBW) desde una distancia de 20,200 km sobre la Tierra. Al momento en que las señales llegan al receptor del usuario su potencia puede ser de -160 dBW, equivalente a 0.1 picowatts. Esta potencia está muy por debajo del nivel de ruido térmico en su ancho de banda, por lo que la estructura de las señales GPS ha sido diseñada muy cuidadosamente para ser detectada y decodificada por técnicas de recepción avanzadas.
Frecuencias de Transmisión
La constelación GPS transmite en tres frecuencias diferentes de la banda L de radiofrecuencia: L1, L2 y L5. Algunos receptores sólo pueden recibir la señal L1, algunos las L1 y la L2 y algunos las tres: L1, L2 y L5. En una manera similar, algunos satélites son capaces de transmitir únicamente la señal L1, algunos satélites pueden retransmitir la señal L1 y L2, y algunos satélites transmiten las tres. Los 31 satélites transmiten la señal L1. Actualmente 17 satélites transmiten la señal L2, y 10 satélites transmiten la señal L5. Las frecuencias para cada caso son las siguientes:
L1: 1575.42 MHz: Esta portadora se utiliza para proporcionar el código de Adquisición Aproximada (C/A o Coarse Adquisition) y los códigos de cifrado de precisión P (Y). También se utiliza para transmitir la señal L1C (L1 Civil) y los códigos militares (M) en los satélites del Bloque III.
L2: 1227.60 MHz: Esta señal se utiliza para transportar el código P (Y), así como la señal L2C y códigos militares en los satélites del Bloque IIR-M y satélites posteriores.
L5: 1176.45 MHz: Se está proponiendo esta señal GPS para uso civil como una señal de salvaguardia de vida (SoL).
Estructura de la Señal GPS
En general, cada señal GPS consta de tres partes. Una señal portadora, uno o más códigos de ruido pseudoaleatorio (PRN por sus siglas en inglés) y el mensaje de navegación. Las dos últimas son moduladas por la portadora mediante una técnica conocida como modulación de fase.
Señal portadora
La señal portadora es una onda senoidal en banda L con una frecuencia distinta para cada caso, según se trate de L1, L2 o L5. Esta es la frecuencia en la que el receptor GPS debe estar en sintonía para recibir la información GPS.
Códigos PRN
Los códigos PRN son códigos que distinguen a cada satélite a través de la técnica de acceso al medio denominada CDMA (Code Division Multiple Access). Los códigos pueden ser civiles o militares y están diseñados para tener muy poca correlación cruzada entre sí, es decir, son ortogonales, por lo que es muy difícil confundir un código con otro. Puesto que cada satélite transmite códigos únicos, éste es el método para la identificación de un satélite, es decir, los códigos son como una llave para cada satélite ya que cada código debe ser conocido por el receptor para descifrar el mensaje que contiene. Asimismo, los códigos sirven para estimar el tiempo de retraso entre la transmisión del satélite y el arribo del mensaje al receptor y con esto estimar la distancia entre el satélite y el receptor. Los códigos PRN se transmiten de forma continua, y están en la repetición constante.
Mensaje de navegación.
El mensaje de navegación transmite información que se puede clasificar en 3 grandes áreas:
Mensaje de tiempo
La fecha y la hora del GPS además del estado del satélite y una indicación de su salud.
Las efemérides.
Estos datos consisten en información orbital precisa que permite al receptor calcular la posición del satélite. Cada satélite transmite sus propias efemérides. Los datos de las efemérides son válidos por las siguientes 4 horas.
Almanaque
Estos datos contienen información sobre el estado y la posición aproximada de todos los satélites. Estos datos se actualizan cada 24 horas. Cada satélite transmite datos de almanaque para varios (posiblemente todos) los satélites, en función de los códigos de PRN que están en uso.
Portadora L1
Para efectos demostrativos, únicamente cubriremos la señal L1 detalle, dado que esta portadora es común a todos los satélites GPS.
La señal L1 consta de tres códigos PRN: el código C/A, el código P y el código Y. El código P y el código Y son militares y no los cubriremos en este artículo. En la siguiente figura se muestra cómo se combinan el código C/A y el mensaje de navegación con la portadora para el caso de la señal L1.
Código C/A
El código C / A (adquisición aproximada) es el código de uso civil y consta de 1023 “chips” que se transmiten a una rapidez de 1.023 Mbps, por lo tiene un período de 1 ms. Al referirse a los códigos PRN, es práctica común usar la palabra chips, para no confundirla con los bits del código de navegación. Esencialmente un chip es lo mismo que un bit, pero en otro nivel de resolución temporal.
Al igual que todos los códigos PRN, el código C/A sirve para identificar a cada satélite y se repite continuamente. En operación, el receptor intenta sincronizarse a un satélite generando el código C/A correspondiente que lo caracteriza. Dado que los códigos C/A de cada satélite están diseñados para tener muy poca correlación entre sí, el receptor se sincronizará al código que está emitiendo en un momento dado y con ello identificará al satélite y además podrá medir el retraso de transmisión de la señal de satélite así como decodificar el mensaje de navegación. Para los códigos C/A se utilizan los códigos Gold que fueron inventados por el matemático Robert Gold. La frecuencia portadora L1 que modula al código es de 1575.42 MHz. Al usar únicamente la señal C/A, el error mínimo posible en la estimación de la posición del receptor es de 3 m.
Es de tener en cuenta que la tasa de transmisión del mensaje de navegación es de 50 bps, la cual es considerablemente más baja que la tasa de transmisión del código C/A en donde va montado.
Otros códigos.
Existen otros códigos en las otras frecuencias portadoras. Brevemente describiremos algunos de ellos.
El código L2C (C por civil) es más reciente que el L1 C / A, y consta de dos códigos, el CM L2 (Civil Moderado) y L2 código LC (Civil Largo). El código L2 CM se repite después de 20 ms y tiene una velocidad de chip de 511.5 kbps, mientras el código L2 CL se repite después de 1,500 ms, pero tiene la misma velocidad de chip que el código de L2 CM. La frecuencia portadora L2 es de 1226.6 MHz.
La señal L5 es la más nueva de las señales GPS. En esta portadora están disponibles dos códigos civiles: el código L5 en fase y el código cuadrafase, Q5. El código L5 contiene los datos de navegación, mientras que el código Q5 no contiene los datos de navegación, lo que permite una adquisición más fácil. La señal frecuencia de la portadora L5 es de 1176.45 MHz, y tiene una período de 1 ms. La tasa de transmisión de datos en esta frecuencia portadora es de 10.23 Mbps.
La comprensión de la estructura de las señales GPS es fundamental para el diseño de receptores GPS, por lo que al lector interesado en este tema se le recomienda revisar las especificaciones que publica el gobierno de Estados Unidos en la página www.gps.gov.
Actualmente existe en el mercado una gran oferta de receptores comerciales que varían en sensibilidad, velocidad de respuesta y otros parámetros de rendimiento. Algunos de estos receptores no solamente utilizan las señales de los satélites GPS sino que pueden captar y procesar señales de otros sistemas satelitales de navegación como el Glonass ruso y el Galileo. Con esto, los receptores pueden aumentar considerablemente la precisión de la estimación de la posición y mejorar los sistemas de navegación.
Es de esperarse que los sistemas de navegación satelital sigan evolucionando y mejorando con el tiempo. Con la proliferación del Internet de las Cosas, (IoT), los vehículos autónomos y muchas otras aplicaciones, seguramente veremos muchos avances en la precisión de las señales tanto del GPS como de los sistemas de otros países. Por lo tanto existe una gran oportunidad para desarrollar aplicaciones no vistas hasta ahora, y una comprensión del funcionamiento de estos sistemas de navegación es de gran importancia para lograr estos nuevos desarrollos.
