Que es GPS y como funciona?

A travez de la historia de la raza humana el hombre a luchado con diferentes metodos para identificar ubicaciones y para navegar entre ellas.

El método más antiguo de navegación se cree que pueden haber sido simples señales visibles en el terreno. Después de esto vino la navegacion simple con compas y la navegación celestial (por las estrellas). Cada método de navegación tenía sus desventajas y ningun método se podía utilizar para todos los usos. Eso cambió con la introducción de GPS (Sistema de Posicionamiento Global).

El GPS fue desarrollado por el departamento de defensa de los ESTADOS UNIDOS sobre todo para propósitos militares. El resultado fue un sistema de navegación que es confiable, exacto, funciona las 24 horas del día en cualquier condicion climatica y cubre el globo entero.

Cómo Trabaja el GPS

El GPS utiliza señales provenientes de 24 satelites en orbita alrededor de la tierra para calcular rapida y exactamente la posicion en cualquier punto del planeta. Los 24 satélites del sistema GPS viajan en seis diversas trayectorias orbitales con cada satélite completando una trayectoria orbital completa aproximadamente cada 12 horas.

Limitaciones del GPS

Las señales basadas en los satélites del GPS tienen una energía muy baja y no pasarán a través de objetos sólidos. Esto significa que los receptores del GPS no conseguirán posiciones dentro de un edificio o aún localizaciones al aire libre donde haya también muchas obstrucciones a la señal de los satélites. Estas obstrucciones podían ser edificios, montañas o aún arbustos densos.

Concepto Fundamental

El concepto fundamental detrás del GPS es trilateracion. Trilateracion es similar a un concepto bien conocido llamado triangulación donde una posición se puede calcular sabiendo solamente los ángulos de tres puntos de referencia sabidos. La diferencia es que la trilateracion utiliza las distancias a partir de tres puntos de referencia sabidos para calcular una posición en vez de los ángulos (véase la explicación basada en los satélites de trilateracion abajo). La triangulación se hace generalmente en tierra usando puntos de referencia fijos pero en el caso del GPS y de la trilateracion, los satélites se utilizan como los puntos de referencia.

La primera cosa que un receptor GPS necesita saber es la localización exacta de todos los satélites. Esta información se contiene en lo qué se llama un calendario astronómico. Los datos del calendario astronómico son transmitidos por todos los satélites del GPS y descargados por el receptor del GPS. Los otros datos que son transmitidos por los satélites de GPS se llaman pseudo código al azar. Esto es un código único para cada satélite que permite a un receptor GPS identificar de cual satélite vino el código y el tiempo exacto en el cual el código fue enviado.

La distancia de cada satélite puede entonces ser calculada multiplicando el tiempo tomado por la señal para alcanzar el receptor del GPS por la velocidad que viaja la señal (la velocidad de la luz). Cada satélite del GPS tiene cuatro relojes atómicos extremadamente exactos a bordo y con una inteligente técnica (y un mínimo de cuatro satélites disponibles) el reloj en los receptores del GPS se sincroniza casi exactamente a los relojes basados en los satélites. La medida de la distancia que resulta es muy exacta.

Si el receptor del GPS conoce la Ubicacion de un satélite y sabe su distancia exacta desde ese satélite, ej: 21,000km, entonces sabe que su localización actual podría estar en cualquier posición respecto a la superficie de una esfera imaginaria centrada en el satélite con un radio de 21,000km. Al tiempo que se agregan más satélites se reducen las posiciones posibles. Tres satélites son suficientes para dar una posición sin altitud pero cuatro satélites son ideales pues se da la altitud y la exactitud se mejora perceptiblemente. La demostración de diapositiva explica cómo los receptores del GPS calculan una posición usandola la trilateracion basada en los satélites.

Exactitud del GPS

Los factores principales que afectan la exactitud del GPS son la geometría de los satélites, retraso atmosférico , los errores de reloj interno y errores multidireccionales . Cada uno de éstos se explica brevemente abajo.

Geometría basada en los satélites - esto se refiere a la agrupacion de los satélites disponibles. Por ejemplo, si hay solamente cuatro satélites que pasan sobre el receptor y todos se agrupan juntos en una triangulación pequeña estos no son muy eficaces y la exactitud del GPS se reduce perceptiblemente. Mientras la separacion hacia fuera de los satelites se incrementa la triangulación llega a ser más eficaz y la exactitud del GPS mejora. Hay un grado llamado PDOP (dilusión de la posición de la precisión) que representa la geometría basada en los satélites. Los grados bajos de PDOP representan buena geometría satelital mientras que los altos grados de PDOP representan geometría satelital pobre.

Retraso Atmosférico - la distancia medida desde los satélites es muy exacta si se asume que la señal está viajando constantemente a la velocidad de la luz. Las ondas de radio viajan a la velocidad de la luz en el espacio pero se retardan perceptiblemente mientras pasan a través de la atmósfera de la tierra. Esto puede causar inexactitudes leves en las medidas de la distancia a cada satélite.

Errores de reloj internos - Debido a que los receptores GPS no tienen relojes atómicos su sincronización es considerablemente menos exacta que la sincronización de los satélites. Los receptores GPS utilizan una técnica inteligente para sincronizar sus relojes internos casi exactamente al tiempo de los satélites. Se requieren cuatro señales para que esta sincronización ocurra.

Multidireccional - los errores multidireccionales son causados por las señales que se reflejan de deistintos objetos antes de que alcancen el receptor del GPS. Esto aumenta la distancia que viaja la señal dando un resultado inexacto al receptor.

Con todas estas fuentes de error tomadas en consideración el GPS sigue siendo muy exacto. Con un receptor handheld típico de GPS se obtiene una exactitud ±de 15 metros para por lo menos 95 % del tiempo.

Hechos sobre los satélites del GPS:

• Los satélites del GPS se llaman NAVSTAR y fueron fabricados por Rockwell International.
• Cada satélite pesa aproximadamente 850 kilogramos.
• Cada satélite mide 5 pies de ancho por 17.5 pies de largo con los paneles solares extendidos.
• Cada satélite se mueve en órbita en una altitud de aproximadamente 20.000 kilómetros.
• Cada satélite transmite una señal de energia de 50 watts o menos.
• Cada satélite transmite en dos frecuencias, L1 (1575.42 Mhz) y L2 (1227.6 Mhz). L1 es la frecuencia del GPS civil. L2 es utilizado por los militares y algunos receptores especializados de GPS.
• Cada satélite tiene una vida prevista de 7 - 8 años con satélites de reemplazo que son lanzados antes de que los viejos satélites fallen.
• El primer satélite NAVSTAR fue puesto en órbita en 1978 pero no fue sino hasta diciembre 8 de 1993 que los 24 satélites estaban en órbita y completamente operacionales.