¿Qué es GPS?

Índice del artículo

• ¿Qué es GPS?
• ¿Cómo funciona un receptor GPS?
• Precisión del sistema
• DGPS o GPS diferencial
• Causas de posibles problemas para señales GPS
• ¿Qué hay que saber para elegir el receptor GPS adecuado?
• Características básicas recomendables en un receptor GPS
• Aplicaciones
• Vocabulario básico en GPS
• Ventajas del GPS respecto a otros sistemas de orientación
• Utilizar en los PC los datos obtenidos con receptores GPS

El GPS (Global Positioning System o Sistema de Posicionamiento Global) es un sistema que sirve para determinar nuestra posición con coordenadas de latitud, longitud y altura.

Constelación de satélites NAVSTAR

El sistema NAVSTAR-GPS, al igual que cualquier otro sistema satelital, está constituido por tres segmentos:

- Segmento espacial.
- Segmento de control.

- Segmento de usuario.

Se basa en una constelación nominal de 24 satélites NAVSTAR y 5 estaciones repartidas por la superficie terrestre, propiedad del Gobierno de los Estados Unidos de América y gestionada por su Departamento de Defensa, que proporciona un servicio de posicionamiento para todo el globo terrestre. Estos satélites no geoestacionarios recorren trayectorias sincronizadas para cubrir toda la superficie del globo terráqueo. Más concretamente, repartidos en 6 planos orbitales de 4 satélites cada uno. Dichos planos están inclinados 55° respecto al ecuador. La energía eléctrica que requieren los satélites para su funcionamiento la adquieren a partir de dos paneles compuestos de celdas solares adosados a sus costados. Esta constelación de satélites forma el segmento espacial y están situados a una distancia de unos 20.200 km de la Tierra y, equipados con relojes atómicos de cesio, transmiten ininterrumpidamente la hora exacta y su posición en el espacio. Necesitan 11 h 58 min (12 horas sidéreas) para describir una órbita completa alrededor de la Tierra.

Lanzamiento de satélites para la
constelación NAVSTAR-GPS
mediante un cohete Delta

Algunos datos interesantes sobre estos satélites son:

- El primer satélite GPS fue lanzado en 1978.

- Un satélite GPS pesa unos 900 kilos (en órbita) y mide 5 metros con los paneles solares extendidos.

- Los 24 satélites estuvieron todos en órbita en 1994.

- Los satélites GPS tienen una vida útil limitada y son reemplazados periódicamente.

El segmento de control forma parte del sistema GPS y consta de 5 estaciones de monitorización, las cuales están ubicadas en: la isla de Ascensión (Atlántico sur), la isla de Diego García (océano Índico), en Kwajalein (Pacífico occidental), en Hawaii (Pacífico oriental) y Colorado Springs (EE. UU.). Además hay otra estación central de reserva en Sunnivale (California), concretamente en la Base Ozinuka de la U.S. Air Force. La Estación Maestra de Control (MCS) está localizada en la base aérea de Falcon (Colorado).

La ubicación de las cinco estaciones de seguimiento no es casual, estas están regularmente espaciadas en longitud sobre la Tierra. Las estaciones reciben continuamente las señales de los satélites, obteniendo la información necesaria para establecer la órbita de los satélites con alta precisión. Los datos obtenidos por las estaciones se envían a la MCS, donde son procesados para calcular las efemérides, los estados de los relojes y toda la información a transmitir a los satélites y que estos almacenarán en su memoria. Además, tienen capacidad para enviar correcciones de reloj, comandos de telemetría y otros mensajes. Por motivos de seguridad, esta transmisión se realiza tres veces al día. Sin embargo, es función exclusiva de la MCS la activación de los sistemas de maniobra de los satélites para hacer modificaciones orbitales.

La antigua Unión Soviética construyó un sistema similar llamado GLONASS, ahora gestionado por la Federación Rusa. GLONASS y GPS son sistemas independientes, pero actualmente muchos receptores pueden trabajar con ambos sistemas simultáneamente. Ambos sistemas tienen un común denominador, fueron concebidos inicialmente para fines militares, aunque en la actualidad son utilizados también para usos civiles.

La Unión Europea desarrolló su propio sistema, denominado Galileo, que actualmente está operativo. El proyecto Galileo fue diseñado desde su concepción para usos civiles. Es un sistema global independiente de GPS, pero totalmente compatible e interoperable con él. Esto significa que un receptor compatible con ambos sistemas puede utilizar simultáneamente las señales recibidas de los satélites Galileo y GPS.

¿Cómo funciona un receptor GPS?

El segmento de usuario es el consumidor final del GPS y consiste en una variedad de receptores/procesadores civiles y militares específicamente diseñados para recibir o sintonizar la señal emitida por los satélites, decodificar el mensaje de navegación, medir los tiempos de retardo y procesar los códigos y mensajes de navegación que envían los satélites GPS.

Los satélites GPS transmiten las señales de radiofrecuencia en dos frecuencias portadoras diferentes:

- Civil: 1575,42 MHz (L1). Utiliza el Código de Adquisición Aproximativa (C/A).

- Militar: 1227,60 MHz (L2). Utiliza el Código de Precisión (P), cifrado.

La señal GPS contiene, entre otros datos, el código pseudoaleatorio que identifica al satélite, las efemérides y el almanaque.

- El código Pseudo-Random es simplemente un identificador para saber cuál de los satélites está transmitiendo información.

- Efemérides le dice al receptor GPS dónde debería estar cada satélite a cualquier hora. Cada satélite transmite este tipo de señal aportando su información de órbita y las órbitas de los otros satélites.

- Los datos del almanaque contienen información sobre la constelación de satélites y su estado general, y facilitan al receptor la adquisición de las señales.

Cada uno de los satélites GPS transmite todos estos datos vía señales de radio ininterrumpidamente a la Tierra, las cuales son procesadas por nuestro equipo receptor GPS para darnos a conocer nuestra posición en la Tierra.

Cuando encendemos nuestro receptor GPS, empezamos automáticamente a captar las señales de los satélites (el receptor GPS no envía ninguna señal de radio, solo las recibe), de manera que puede calcular la distancia que hay entre él y cada uno de los satélites. Para ello, utiliza la información contenida en las señales recibidas, incluida la posición y la hora de cada satélite. Una vez que el receptor ha captado las señales de al menos cuatro satélites, puede calcular su posición en la Tierra mediante la trilateración, a partir de las distancias a los satélites. El receptor determina la posición buscando la intersección de las esferas cuyos centros son las posiciones de los satélites y cuyos radios son las distancias entre el receptor y cada satélite, obteniendo la latitud, longitud y altitud de su posición, además de corregir el desfase de su propio reloj.

El receptor calcula la distancia entre cada satélite y él. Para ello mide el tiempo transcurrido desde que salió la señal hasta que llegó al receptor. Como distancia es igual a velocidad por tiempo (s=v⋅t), entonces se puede determinar sin ningún problema la distancia entre el receptor y el satélite. La velocidad de propagación de las ondas de radio es la misma que la de la luz: 300.000 km/s medida en el vacío.

Fig. 1

Con un satélite se obtiene una distancia, esto quiere decir que la posición a determinar puede estar en cualquier punto de la superficie de una esfera a una distancia "x" del satélite. Ver figura 1.

Con dos satélites el punto puede estar en algún lugar de la circunferencia de intersección de las dos distancias de los satélites. Ver figura 2.

Geométricamente, podemos entender de forma simplificada el principio de funcionamiento de la siguiente manera:

Midiendo la distancia desde tres satélites podemos reducir a dos puntos en el espacio el lugar en el que podemos encontrarnos. Esto quiere decir que una posición es verdadera y la otra es falsa. El sistema en sí puede determinar cuál de estos puntos es incorrecto, dado que no está cerca de la Tierra. De esta forma, geométricamente, ya tendríamos una posición en 2D (latitud y longitud). Ver figura 3.

Fig. 2

Finalmente, midiendo la distancia a cuatro satélites podemos determinar la posición de un punto. Ahora, dispondríamos de la posición en 3D, es decir, además de la latitud y la longitud, dispondríamos de la altitud. Ver figura 4.

El sistema GPS trabaja siempre con el datum geodésico WGS84, si bien los distintos navegadores GPS pueden convertir en tiempo real dichas coordenadas a las que nosotros les definamos. Este datum o elipsoide no es otra cosa que un modelo matemático de la forma de la Tierra.

Fig. 3

Es importante tener bien presente el tipo de coordenadas que nos está dando nuestro GPS y el datum que está utilizando. Sobre todo, si vamos a llevar nuestras coordenadas a un mapa, o del mapa al GPS. Pues si no nos preocupamos de hacer coincidir el datum y las coordenadas del GPS con los del mapa, el error que normalmente daría nuestro navegador se puede incrementar en 200 o 300 metros (por el datum), o incluso no parecerse en nada (por las coordenadas). Y esto sería debido, no a un mal funcionamiento sino a una mala configuración.

Fig. 4

Precisión del sistema

Los receptores GPS pueden recibir, y habitualmente lo hacen, las señales de más de tres satélites para calcular su posición. La precisión del posicionamiento depende, entre otros factores, del número de satélites visibles, de su geometría y de las condiciones de recepción. Con varios satélites visibles y una geometría adecuada (bien dispersos), un receptor GPS puede alcanzar una precisión del orden de unos pocos metros. Como referencia, el servicio GPS civil establece una precisión de hasta unos 8 m en horizontal y 13 m en vertical, con un 95 % de probabilidad, como promedio global.

DGPS o GPS diferencial

Estación de referencia DGPS

El DGPS (Differential GPS), o GPS diferencial, es un sistema que proporciona a los receptores de GPS correcciones de los datos recibidos de los satélites GPS, con el fin de proporcionar una mayor precisión en la posición calculada.

Un receptor GPS fijo en tierra (referencia) que conoce exactamente su posición basándose en otras técnicas, recibe la posición dada por el sistema GPS, y puede calcular los errores producidos por el sistema GPS, comparándola con la suya, conocida de antemano. Este receptor transmite la corrección de errores a los receptores próximos a él y así estos pueden, a su vez, corregir también los errores producidos por el sistema dentro del área de cobertura de transmisión de señales del equipo GPS de referencia.

Con el DGPS se pueden corregir en parte los errores debidos a:

- Disponibilidad selectiva (eliminada a partir del 2 de mayo de 2000).
- Propagación a través de la ionosfera - troposfera.

- Errores en la posición del satélite (efemérides).

- Errores producidos por problemas en el reloj del satélite.

Para que las correcciones DGPS sean válidas, el receptor tiene que estar relativamente cerca de alguna estación DGPS. Las técnicas diferenciales de alta precisión pueden alcanzar precisiones del orden de centímetros, por lo que son utilizadas en aplicaciones de ingeniería.

Causas de posibles problemas para señales GPS

A continuación se enumeran algunos motivos de la posible degradación de la señal GPS y la consecuente pérdida de precisión:

1 – Retrasos en la ionosfera y la troposfera. La señal del satélite se ralentiza según pasa por la atmósfera. El sistema lleva integrado un dispositivo para intentar corregir parcialmente este problema.

2 – Señal reflectada. Esto ocurre cuando una señal GPS se refleja en objetos como pueden ser edificios u obstáculos naturales antes de llegar al receptor. Esto incrementa el tiempo de viaje de la señal, causando errores.

3 – Errores de reloj en el receptor. Los relojes que llevan los receptores no son tan precisos como los que llevan los satélites GPS. Por ello, puede haber errores de tiempo.

4 – Errores de órbita. También conocidos como errores de efemérides, y pueden ocasionar fallos en la localización del satélite.

5 – Número visible de satélites. En general, cuantos más satélites puede ver el receptor, mayor será la disponibilidad de señales para calcular la posición. Edificios, interferencias electrónicas, geografía y otros obstáculos pueden causar errores de posición.

6 – Geometría de los satélites. Se refiere a la posición relativa de los satélites que el receptor está captando en un momento dado. La geometría ideal de los satélites se produce cuando estos están ampliamente separados entre sí. Una geometría poco conveniente es cuando los satélites están en línea o agrupados entre sí.

¿Qué hay que saber para elegir el receptor GPS adecuado?

Primero de todo, antes de adquirir un GPS debemos decidir qué equipo se adaptará mejor a nuestras necesidades.

Existen básicamente tres grandes grupos de receptores GPS:

- Con cartografía y sin cartografía. Muchas veces lo más adecuado es tener un GPS con cartografía, ya que nos permite una mejor orientación en el territorio al que nos enfrentamos, ya sea visualizando las curvas de desnivel, carreteras o los ríos próximos, pero para aplicaciones más simples puede no ser necesario un GPS con cartografía. En aplicaciones para navegación marítima o aérea es prácticamente indispensable la utilización de un GPS con cartografía. Esta decisión es la primera que debemos determinar, ya que de ello depende el modelo a elegir y también el precio del equipo.

- Los que tienen brújula y barómetro electrónico. Todos los GPS simulan a una brújula, pero algunos lo hacen por la actualización de la señal de los satélites y otros con brújulas electrónicas internas, que nos permitirán ubicarnos aunque no tengamos recepción de satélites, como es el caso de estar pasando por una zona de baja señal. Ahora bien, los equipos que incluyen brújula electrónica también incluyen altímetro barométrico, por lo que podríamos decir que están especialmente diseñados para quienes practican deportes de alta montaña, o quienes necesitan estimar alturas precisas sin errores o también poder calcular la presión atmosférica del momento o la de las últimas 12 horas, para así poder determinar el estado del tiempo, un implemento muy importante a la hora de emprender una expedición a la montaña.

Otra diferencia fundamental de los GPS que incorporan barómetro es que permiten una medición de distancias más real, ya que contemplan tanto desniveles ascendentes como descendentes para medir las distancias, y no solo una pseudodistancia perimetral como en otros GPS sin este implemento.

- Pantalla a color o a escala de grises. Esta opción depende del gusto de cada usuario, muchos prefieren adquirir un GPS a color, ya que son mucho más fáciles de visualizar por el contraste de los colores. Esta opción influye significativamente en el precio del equipo pero no en las capacidades, puesto que un equipo a escala de grises puede hacer lo mismo que uno a color.

Características básicas recomendables en un receptor GPS

- Sistema receptor de como mínimo 12 canales paralelos, necesario para poder tener una buena recepción de las señales en terrenos abruptos y con espesa cobertura vegetal.

- Ligereza y tamaño; en actividades al aire libre, cuanto más ligero y pequeño sea, mejor.

- Resistencia al agua: deben tener alguna resistencia al agua para evitar verse afectados por la humedad.

- Waypoints o posiciones: capacidad de almacenamiento de, como mínimo, 500 waypoints.

- Capacidad de listar waypoints indicando las distancias y dirección desde la actual posición.

- Pantalla de Mapa: para poder ver más fácilmente nuestra posición con respecto a los demás waypoints marcados.

- Rutas: capacidad de almacenar 1 o más rutas.

- Track: capacidad de almacenar 10 o más tracks, que corresponden a las huellas de nuestro trayecto realizado, para así poder repetirlas o hacerlas de vuelta en caso de que no reconozcamos el camino.

- Capacidad de conexión con PC para poder traspasar datos.

- Múltiples Datum: para poder ocupar el GPS con las cartas topográficas o náuticas de cualquier zona del mundo.

- Utilización de Coordenadas UTM, que son las normalmente utilizadas en los mapas topográficos a escalas 1:250.000 hasta 1:25.000, y que facilitan el cálculo de nuestra posición en el mapa y viceversa.

- Cartografía digital incluida en el propio receptor, útil para ver plasmado sobre un mapa o carta náutica, dónde nos encontramos (plotter).

Aplicaciones

Civiles:

- Navegación terrestre (y peatonal), marítima y aérea. Bastantes automóviles lo incorporan en la actualidad, siendo de especial utilidad para encontrar direcciones o indicar la situación a la grúa.

- Teléfonos móviles.

- Topografía y geodesia.

- Localización agrícola (agricultura de precisión), ganadera y de fauna.

- Salvamento y rescate.

- Deporte, acampada y ocio.

- Para localización de enfermos, discapacitados y menores.

- Aplicaciones científicas en trabajos de campo (geomática).

- Geocaching, actividad deportiva consistente en buscar "tesoros" escondidos por otros usuarios.
- Se utiliza para rastreo y recuperación de vehículos.

- Navegación deportiva.

- Deportes aéreos: parapente, ala delta, planeadores, etc.

- Sistemas de gestión y seguridad de flotas.

Militares:

- Navegación terrestre, aérea y marítima.

- Guiado de misiles y proyectiles de diversos tipos.

- Búsqueda y rescate.

- Reconocimiento y cartografía.

- Detección de detonaciones nucleares.

Vocabulario básico en GPS

BRG (Bearing): el rumbo entre dos puntos de paso intermedios (waypoints).

CMG (Course Made Good): rumbo entre el punto de partida y la posición actual.

EPE (Estimated Position Error): margen de error estimado por el receptor.

ETE (Estimated Time Enroute): tiempo estimado entre dos waypoints.

DOP (Dilution Of Precision): medida de la precisión de las coordenadas obtenidas por GPS, según la distribución de los satélites, disponibilidad de ellos...

ETA (Estimated Time to Arrival): hora estimada de llegada al destino.

Ventajas del GPS respecto a otros sistemas de orientación

En síntesis, podemos entender el GPS como un sistema que nos facilita nuestra posición en la Tierra y nuestra altitud, con una gran precisión, incluso en condiciones meteorológicas muy adversas.

Es muy importante entender que el cálculo de la posición y la altitud no se hace a partir de los datos de sensores analógicos de presión, humedad o temperatura (o una combinación de estos) como en los altímetros o altímetros-barómetros analógicos, o incluso como en los más sofisticados altímetros digitales, sino que se hace a partir de los datos que nos envía una constelación de satélites en órbita que, a pesar de ser simples como satélites, nos proporcionan la fiabilidad de hacer uso de la tecnología más sofisticada y precisa de la que el hombre dispone actualmente. También debemos reparar en el hecho de que la evolución de esos datos analógicos que, en efecto, nos van a ser muy útiles para prever los cambios atmosféricos y las condiciones ambientales para el desarrollo de la actividad que llevemos a cabo, son de una fiabilidad relativa para calcular nuestra posición y altitud exactas.

Además, todos los GPS incorporan funciones de navegación realmente sofisticadas que nos harán cambiar nuestro concepto de la orientación. Por ejemplo, podemos elaborar nuestras rutas sobre mapas, registrando en el dispositivo los puntos por los que queremos o debemos pasar y, sobre el terreno, activando esa ruta, una pantalla gráfica no indicará si estamos sobre el rumbo correcto o nos estamos desviando en alguna dirección; o utilizar la misma función en rutas reversibles, es decir, ir registrando puntos por los que vamos pasando para luego poder volver por esos mismos puntos con seguridad. Con todos estos datos, además podemos deducir la velocidad a la que nos estamos desplazando con exactitud, mientras mantenemos nuestro rumbo en línea recta, o deducir la velocidad a la que nos hemos desplazado si registramos todos los puntos de cambio de rumbo y un largo etcétera de funciones muy útiles e interesantes que podemos ir descubriendo al utilizar estos dispositivos.

Utilizar en los PC los datos obtenidos con receptores GPS

Si necesitamos exportar los datos obtenidos con nuestro receptor GPS a un ordenador para hacer los cálculos que sean necesarios es bueno recordar que, habitualmente, los kits para transferencia de datos entre los PC y los GPS, así como los kits de alimentación eléctrica, acostumbran a ser dispositivos opcionales cuando adquirimos nuestro receptor GPS, al menos hasta los receptores de gama media, que ya empiezan a incorporar funciones que pueden hacer necesario incluir estos kits de serie. Además, no podemos olvidar que necesitaremos un software específico para importar esos datos de una forma más o menos estándar, que nos permita hacer uso de ellos de manera versátil.

Las interfaces más corrientes son los NMEA 0180, 0181 y 0183, principalmente el tercero, así que necesitaremos software que contemple estas interfaces para hacer transferencias por un puerto serie. También es corriente encontrar interfaces con correcciones RS232 que nos permitan hacer transferencias por puertos paralelos. Además, existen interfaces propias de muchas firmas de fabricantes de GPS que crean sus propios protocolos.

El software para estas tareas es relativamente barato (si lo que queremos, simplemente, es obtener esos datos, claro está), e incluso existen muchas aplicaciones shareware y freeware que podemos encontrar, por ejemplo, en internet.

Te recomiendo que veas el vídeo a pantalla completa con una explicación (en inglés) sobre la composición y el funcionamiento del sistema NAVSTAR-GPS, así como de la recepción de las señales procedentes de los satélites por parte de un receptor GPS ubicado en Los Ángeles, California, para calcular su posición.

Puedes ver una presentación del proyecto satelital GPS europeo Galileo, que básicamente tiene el mismo fundamento que el sistema NAVSTAR, aunque incorpora mejoras en las señales y nuevas prestaciones.

Publicado por Manuel Pastor.

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