Sistemas Globales de Navegación por Satélite: el GPS

Carlos Duarte Muñoz

Fecha: 2014-02-01


Una de las preocupaciones mayores del hombre ha sido el contar con sistemas confiables que le proporcionen información precisa sobre su posición en el espacio. Desde la antigüedad se inventaron sistemas establecer la posición de las embarcaciones en el océano. Un faro, por ejemplo, es una referencia que ayuda a fijar la posición de una embarcación. Si la altura del faro es conocida, una simple medición del ángulo entre su cúspide y el horizonte nos puede dar la distancia al faro y así fijar la posición de una embarcación dentro una circunferencia con centro en el faro. Conocida la distancia a tres puntos de referencia podremos, por medio del uso de compás y regla, fijar nuestra posición en un mapa. A esta técnica se le llama triangulación.
 
 
En general todos los sistemas de posicionamiento espacial se basan en el concepto de triangulación, y lo único que ha cambiado es la tecnología para medir la distancia a los puntos de referencia conocidos. Por ejemplo, antes del advenimiento de los satélites, el gobierno de Estados Unidos creó un sistema de posicionamiento para ayuda a la navegación llamado Loran, basado en la recepción de señales de tiempo emitidas desde torres de referencia distribuidas en los oceanos. La distancia a cada torre se calcula a partir de conocer el tiempo de viaje de las señales y el saber que la velocidad a la que viajan de 300,000 km/seg. 

Sistemas globales de navegación por satélite 
Con la aparición de los satélites resultó normal pensar en desarrollar un sistema de posicionamiento basado en estos dispositivos debido a su capacidad para cubrir toda la tierra. Este tipo de sistemas se llama GNSS (Global Navigation Satellite Systems), de los cuales el más conocido y actualmente en operación es el GPS. Actualmente están en desarrollo otros sistemas GNSS, entre los que destacan el Galileo, de la Unión Europea, el GLONASS de Rusia y el Compass/BeiDou de China.
 
El GPS 
El Sistema de Posicionamiento Global GPS funciona también por el principio de triangulación en el que en vez de contar con torres fijas como referencia, se tiene una red de satélites moviéndose en órbitas precisas. El GPS, también llamado NAVSTAR (Navigation System with Timing And Ranging), fue creado por el Departamento de la Defensa de los Estados Unidos (DoD) y consiste en una constelación de al menos 24 satélites y un sistema de control en tierra.  El sistema GPS fue concebido originalmente para aplicaciones militares, pero en la década de 1980, el gobierno de Estados Unidos puso el sistema a disposición del uso civil.
 
¿Cómo funciona? 
Los satélites GPS circundan la tierra dos veces al día en órbitas muy precisas y continuamente están transmitiendo su posición así como una señal de tiempo que proviene de 4 relojes atómicos abordo de cada satélite. La precisión de estos relojes es de 1 parte en 10 a la 12. Esto significa que un observador tendrá que esperar 10 a la 12 segundos (32,000 años) para detectar un adelanto o un atraso de un segundo.  

El sistema está diseñado de manera que el receptor no requiera de un reloj tan preciso -y por lo tanto caro- como el que va abordo de los satélites
 
Básicamente lo que sucede es que el reloj del receptor se corrige constantemente basado en las señales de tiempo de alta precisión que transmiten los relojes atómicos de los satélites. Lo anterior hace que además de darnos la posición espacial, el receptor nos proporcione señales de tiempo de alta precisión sin la necesidad de contar con un reloj atómico. 

Los receptores GPS usan la información que transmiten los satélites para calcular su posición a través de comparar el tiempo transmitido por el satélite con el tiempo en que la señal fue recibida.  La diferencia entre los dos tiempos es lo que tardó la señal en viajar del satélite al receptor. Esta cantidad, multiplicada por la velocidad de la luz, nos da la distancia a la que se encuentra el receptor del satélite. Con las mediciones de distancia a varios satélites, el receptor determina su posición espacial.
 
El receptor GPS debe recibir información de por lo menos tres satélites para calcular una posición en dos dimensiones (latitud y longitud). Con cuatro o más satélites a la vista, el receptor puede determinar la posición del usuario en tres dimensiones (latitud, longitud y altitud). Una vez que la posición del usuario ha sido determinada, el receptor GPS puede desplegarla en un mapa y realizar cálculos para determinar parámetros como la velocidad del usuario, su rumbo y muchas otras variables más. 

El sistema de satélites GPS 
Los satélites que componen el segmento espacial del GPS, orbitan la Tierra en órbitas circulares a 20,200 kilómetros de altura sobre la superficie terrestre, aproximadamente. Estos satélites están en constante movimiento y completan dos revoluciones a la tierra en un día sideral (aproximadamente 24 horas). Su velocidad respecto a la tierra es de unos 7,000 kilómetros por hora. Los satélites GPS orbitan la tierra en 6 planos con una inclinación de 55 grados respecto al plano del ecuador distribuidos uniformemente en longitud. El segmento de control mantiene los puntos de intersección de las órbitas con el ecuador dentro de un margen de 2 grados de longitud, a través de la activación de propulsores en los satélites. 

La constelación mínima de satélites GPS contiene 4 satélites en cada órbita, lo que hace un total de 24 satélites. El añadir más satélites a la constelación aumenta la confiabilidad del sistema. En la actualidad existen 30 satélites GPS en órbita. 

Los satélites GPS son alimentados por energía solar y contienen un sistema de propulsión que corrige su órbita al contrarrestar pequeños cambios en su trayectoria inducidos por la atracción de otros astros y otras fuerzas perturbadoras. 

El primer satélite GPS fue lanzado en 1978, y la constelación completa de 24 satélites se logró en 1994. La vida útil de un satélite GPS se estima en 10 años, por lo que constantemente se están construyendo reemplazos y poniéndolos en órbita. Un satélite GPS pesa aproximadamente 1,000 kilogramos y mide unos 17 metros de ancho con los paneles solares extendidos. La potencia de transmisión es de menos de 50 watts.  

Formato de los datos 
Los satélites GPS transmiten información a partir de dos señales de radio de baja potencia en banda L denominadas L1 y L2. El GPS civil utiliza la frecuencia L1 de 1575.42 MHz. Las señales viajan por línea de vista, y pueden atravesar nubes, vidrio y plástico, pero no pasan a través de la mayoría de los objetos sólidos como edificios y montañas.
 
Una señal GPS contiene tres tramas de información diferentes - un código pseudoaleatorio, datos de efemérides y datos de almanaque. El código pseudoaleatorio sirve para identificar al satélite que está transmitiendo información.  

Las efemérides son datos muy precisos sobre su órbita actual, así como correcciones de tiempo. Los datos de efemérides son transmitidos por cada satélite cada 30 segundos y se consideran válidos únicamente por 30 minutos. Los datos de almanaque contienen parámetros orbitales menos precisos, así como información sobre el estado (saludable o no) de toda la constelación. El almanaque contiene datos de calibración del reloj, así como información para la corrección de retrasos en la señal causados por la ionósfera. Cada satélite transmite el almanaque de todos los satélites del sistema. Estos datos generalmente tienen una validez de varios meses.
 
 
Precisión de las mediciones 
En general, prácticamente todos los receptores tiene una precisión básica de aproximadamente 10 metros, que en la práctica es "diluida" por la geometría y otros errores a aproximadamente 2 o 3 veces más. La precisión vertical suele ser alrededor de dos veces menor que la exactitud horizontal. 
 
Fuentes de error de la señal GPS 
Algunos de los factores que pueden degradar la señal GPS y por lo tanto afectar su precisión son los siguientes: 
  • Retrasos por la ionosfera y la troposfera - La señal del satélite se frena y se refracta a medida que pasa a través de la atmósfera, lo que aumenta su tiempo de viaje al receptor. El receptor GPS utiliza un modelo matemático que calcula el retraso promedio y hace una corrección para este tipo de error. 
  • Multitrayectoria. Esto ocurre cuando la señal GPS es reflejada por los objetos, como edificios altos o grandes superficies de roca antes de llegar al receptor. Esto aumenta el tiempo de viaje de la señal, lo que provoca un error en el cálculo de la distancia al satélite. 
  • Errores del reloj del receptor. El reloj del receptor receptor no es tan preciso como los relojes atómicos abordo de los satélites GPS. El reloj del receptor se corrige periódicamente en base a las señales que recibe de los relojes atómicos de los satélites.
  • Errores orbitales. También conocido como errores de efemérides, son imprecisiones en la ubicación reportada por el satélite. Estos son los errores más difíciles de corregir, ya que no es posible conocer todas las fuerzas a las que está sujeto el movimiento del satélite. El segmento de control se encarga de medir la posición de los satélites y enviarles instrucciones para que corrijan sus órbitas cuando se salen de tolerancia.
  • Número de satélites visibles. Entre más satélites pueda detectar el receptor, mayor será la precisión en el cálculo de su posición. Los edificios, las montañas y hasta el follaje pueden bloquear la recepción de la señal. Los receptores GPS por lo general no funcionan bajo techo, bajo el agua o bajo tierra.
  • Geometría de satélite.  Esto se refiere a la posición relativa de los satélites en un momento dado. Se dice que hay una "buena" geometría cuando los satélites se encuentran muy dispersos en la bóveda celeste. Una "mala" geometría resulta cuando los satélites se encuentran muy juntos. Evidentemente entre mejor sea la geometría, mayor será la precisión en la determinación de la posición.
  • Degradación intencional de la señal de satélite.  La Disponibilidad Selectiva (SA, por sus siglas en inglés: Selective Avaliability) es una degradación intencional de la señal impuesta por el Departamento de la Defensa de EE.UU. con el objeto de impedir que sus adversarios militares usen las señales GPS de alta precisión. El 1 de mayo de 2000 el gobierno de Estados Unidos apagó la SA, lo que mejoró significativamente la precisión de los receptores GPS civiles. 
El futuro de los sistemas GNSS 
La operación de más plataformas GNSS como Galileo, Compass y GLONASS no sólo proporcionará más opciones en cuanto a qué sistema o sistemas a emplear, sino que también mejorarán la precisión y confiabilidad de los receptores GNSS mediante el uso de las técnicas de recepción compatibles e interoperables. 

Aunque no tenemos bola de cristal, lo que sí podemos decir es que en una década habrá más de 60 satélites de navegación en órbita, lo que generará una enorme cantidad y diversidad de servicios que seguramente nos asombrará.
 



Etiquetas: Satélites,Receptores,GPS,Navegación,GNSS

Revista Hacia El Espacio de divulgación de la ciencia y tecnología espacial de la Agencia Espacial Mexicana.




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