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Introducción: la
ubicación en la tierra: un problema tan viejo como el hombre. Desde el momento en que se irguió sobre sus extremidades traseras y comenzó a recorrer la tierra, el hombre ha estado buscando alguna forma de averiguar en qué lugar se encontraba y hacia donde se dirigía. Los primeros viajeros seguramente marcaban sus senderos con montones de piedras. ¿Qué ocurría cuando nevaba o la lluvia borraba las marcas? Luego, cuando el hombre empezó a explorar los océanos, ya no había ningún lugar donde apilar las piedras. En lo único en que se podía confiar era en las estrellas. Desgraciadamente, las estrellas están tan lejos que todas parecen las mismas sin importar dónde estén. La única forma de utilizarlas consiste en realizar mediciones muy cuidadosas. Estas mediciones sólo pueden hacerse en noches claras. Incluso con los mejores instrumentos, la navegación celeste solo puede decirnos aproximadamente dónde estamos, kilómetro más o menos. Algunas veces eso no es suficiente. El hombre moderno ha probado algunos ingeniosos sistemas nuevos, pero incluso estos sistemas tienen problemas. Cualquier marino ha oído hablar del LORAN. Se trata de un sistema radiogoniométrico muy eficaz para las aguas costeras en que existen cadenas de LORAN. Pero no cubre gran parte del resto de la tierra y su precisión varia según las interferencias eléctricas y las variaciones geográficas. Otro sistema que emplea satélites como el GPS es el Transit System o SatNav. Los satélites que utilizan están en una órbita muy baja y no son muchos, así que no se consigue una fijación muy a menudo. |
GPS-Un sistema de navegación global que cualquiera puede usar.
El departamento de Defensa de los E.E.U.U. de América, ideó el Sistema de Posicionamiento Global o "GPS": se basa en una constelación de 21 satélites que orbitan la tierra a gran altitud. Se les puede considerar estrellas fabricadas por el hombre como sustituto de las estrellas tradicionalmente utilizadas para la navegación.
Los satélites se encuentran a una altura suficiente para evitar los problemas con que tropiezan los sistemas con base en tierra, y utilizan una tecnología lo suficientemente precisa como para definir posiciones exactas en cualquier lugar del mundo durante las 24 horas del día.
El GPS fue diseñado por el Departamento de Defensa de los E.E.U.U. para simplificar la navegación de precisión.
¿Cómo funciona GPS?
1) El fundamento: La medición de la distancia desde los satélites.
El GPS se basa en hallar la distancia desde los satélites: estos actúan como puntos de referencia precisa.
El concepto básico del GPS es simple: digamos que estamos perdidos tratando de situarnos.
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Si sabemos que estamos a una cierta distancia del satélite A, digamos a 11.000 millas, eso estrecha la franja en la que podemos estar en una esfera imaginaria centrada en el satélite y cuyo radio es de 11.000 millas. |
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Si al mismo tiempo sabemos que nos encontramos a 12.000 millas de otro satélite B, eso estrecha aún más la franja en que podemos estar: el único lugar del universo en que podemos estar a 11.000 millas del satélite A y a 12.000 del satélite B, es el círculo de intersección de ambas esferas. |
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Si efectuamos una tercera medición de la distancia desde un tercer satélite podremos realmente situarnos. Porque si sabemos que al mismo tiempo estamos a 13.000millas del satélite C, solo existen dos puntos del espacio donde la esfera de 13.000 millas corte al circulo intersección se la esfera de 11.000 millas y de la esfera de 12.000 millas. |
Midiendo la distancia desde tres satélites podemos reducir a dos puntos en el espacio el lugar en que podemos encontrarnos: ¿cómo decidiremos cuál de estos dos puntos es la verdadera posición?. Podemos hacer una suposición. Generalmente uno de los dos puntos es una solución absurda. El punto incorrecto tal vez no estará cerca de la tierra. O quizá estará dentro de la tierra.
Si estamos seguros de nuestra altitud, como los están los marinos (que saben que se encuentran al nivel del mar), podemos eliminar una de las mediciones de satélite , una de las esferas en nuestro dibujo puede ser sustituida por una esfera cuyo centro coincida con el de la tierra.
Algunos receptores pueden conmutarse para que funcionen en esta modalidad –2d- con la cual el cálculo de una posición puede ser más rápido y más preciso. Si quisiéramos ser absolutamente técnicos la trigonometría nos dice que necesitamos las distancias de cuatro satélites para situarnos sin ambigüedad. Pero en la práctica podemos arreglarnos con solo tres si rechazamos las soluciones absurdas.
Dado que GPS se basa e conocer la distancia a que nos encontremos de los satélites en el espacio, necesitamos un método para averiguar lo alejados que estamos de esos satélites.
El sistema GPS funciona midiendo el tiempo que tarda una señal de radio en llegar hasta nosotros desde un satélite y calculando luego la distancia a partir de ese tiempo.
Las ondas de radio viajan a la velocidad de la luz 300.000 km. (186.000 millas) por segundo. Así, si podemos averiguar exactamente cuándo lo recibimos, sabremos cuánto tardó la señal en llegar hasta nosotros.
Nuestros relojes han de ser muy buenos respecto a cortos períodos de tiempo, pues la luz se mueve con tremenda rapidez. De hecho, si un satélite estuviera directamente sobre nosotros el mensaje radio solo tardaría 6/100 de segundo en llegar a nosotros.
La mayoría de los receptores pueden medir el tiempo con una precisión de nanosegundos, es decir, de 0.0000000001 segundos.
La clave de la medición del tiempo de transmisión de la señal radio consiste en averiguar exactamente cuando partió la señal del satélite. Para lograrlo los diseñadores del GPS tuvieron una idea: sincronizar los satélites y los receptores de manera que generen el mismo código exactamente a la misma hora. Luego lo que hay que hacer, es recibir los códigos desde un satélite y mirar retrospectivamente para ver cuánto hace que nuestro receptor generó el mismo código. La diferencia de tiempo será el tiempo que tardó en llegar hasta nosotros.
El sistema GPS no utiliza números: tanto los satélites como los receptores generan conjuntos de códigos digitales complejos. Estos códigos se han hecho complicados a propósito, de forma que se les pueda comparar fácilmente sin ambigüedades. Los códigos son tan complicados que su aspecto es el de una larga serie de impulsos aleatorios.
Estos impulsos no son realmente aleatorios, sino que se trata de secuencias "pseudo-aleatorias" que en verdad se repiten cada milisegundo. Por ello es que a menudo se las conoce por el nombre de código "pseudo-aleatorio"
2) Obtención del perfecto sincronismo
¿Cómo obtener un perfecto sincronismo? La luz viaja a 300.000km por segundo. Si un satélite y nuestro receptor estuvieran desincronizados siquiera a 1/100 de segundo, nuestra medición de distancia podría desviarse en 13.000 km.
¿Cómo sabemos que nuestro receptor y el satélite están realmente generando sus códigos al mismo tiempo? Una parte del problema de sincronismo de los relojes es fácil de explicar: los satélites llevan a bordo relojes atómicos. Estos instrumentos son increíblemente caros. Cuestan alrededor de cien mil dólares cada uno y cada satélite lleva cuatro.
Los relojes atómicos funcionan con energía eléctrica. Llevan ese nombre porque emplean como "metrónomo" las oscilaciones de un átomo en particular. Esta es la más estable y precisa referencia del tiempo que el hombre haya jamás desarrollado. ¿Qué pasa en la tierra? Hay una manera de conformarse con relojes que solo son moderadamente precisos en nuestros receptores, y el secreto reside en hacer una medición extra de distancia a un satélite. Una medición de distancia extra puede compensar un imperfecto sincronismo por nuestra parte.
La trigonometría dice que si tres mediciones perfectas sitúan un punto en el espacio tridimensional, entonces cuatro mediciones imperfectas pueden eliminar cualquier desviación del tiempo (siempre que la desviación sea consistente).
Los pequeños ordenadores en nuestros receptores GPS están programadas de tal forma que cuando reciben una serie de mediciones que no pueden intersectarse en un solo punto, perciben que hay algo erróneo, suponen que la causa es que el reloj interno esta desviado – que padece alguna desviación.
El ordenador empieza a restar (o a sumar) tiempo: la misma cantidad de tiempo de todas las mediciones. Así sigue recortando el tiempo hasta que logra una respuesta que permite que todas las distancias pasen por un punto. En esencia, el ordenador descubre (por ejemplo), que sustrayendo un segundo de las tres mediciones puede hacer que las circunferencias se corten en un punto. Y de esto deduce que su reloj atrasa un segundo.
El ordenador no busca una solución a la aventura, aplica el álgebra de problemas. El antiguo ejercicio de las "cuatro ecuaciones con cuatro incógnitas"
En tres dimensiones significa que necesitamos hacer cuatro mediciones para cancelar cualquier error y este es un número muy significativo que debe recordarse, porque indica que no se puede conseguir una posición verdaderamente precisa hasta que se tiene cuatro satélites sobre el horizonte circundante.
La necesidad de cuatro mediciones tiene un gran impacto en el diseño de los receptores GPS. Si se desean mediciones continuas de la posición en tiempo real se necesitará un receptor con cuatro canales por lo menos, es decir un receptor que pueda dedicar simultáneamente un canal a cada uno de los cuatro satélites.
Muchas aplicaciones no requieren esta clase de precisión instantánea. Para estas un receptor de un solo canal, mas económico, puede ser suficiente. Un receptor de un canal realizará cuatro mediciones separadas a cuatro diferente satélites antes que pueda calcular una respuesta. La operación entera puede durar entre 2 y 30 segundos, que para muchas cosas es más que suficiente.
Este tipo de receptor no hace el trabajo de controlador de velocidad con mucha precisión, así cualquier movimiento del receptor mientras está pasando por un ciclo de cuatro mediciones, puede afectar la precisión de estas medidas.
Un compromiso popular es un receptor con tres canales. Un canal ejecuta los cálculos de medida de tiempo mientras los otros establecen sintonía con los satélites próximos a ser medidos.
Esto puede acelerar la secuencia significativamente, y con este sistema las posiciones continuas y actualizadas son posibles. Un beneficio adicional es que estos tres canales pueden ser programados para seguir hasta ocho satélites, así que cuando un satélite está bloqueado, otro puede ser instantáneamente sustituido sin ninguna interrupción en el proceso de navegación.
3) ¿Cómo conocer donde se encuentra un satélite en el espacio?
Para calcular nuestra posición, no sólo necesitamos la distancia, también necesitamos saber donde están nuestros satélites en el espacio. Los satélites GPS están tan altos que sus órbitas son muy predictibles. El departamento de Defensa de los E.E.U.U. mide constantemente las pequeñas variaciones en las órbitas, y estos datos son retransmitidos por los propios satélites.
4) Causas de error
La precisión última del GPS viene determinada por la suma de varias fuentes de error. La contribución de cada fuente variará según las condiciones atmosféricas y el estado de los equipos. Colocar alguna imagen de una tormenta
Además, la precisión del GPS puede ser intencionadamente degradada por el departamento de Defensa de los E.E.U.U. utilizando un modelo operativo llamado "Disponibilidad selectiva" o "S/A". La S/A tiene por finalidad denegar a fuerzas hostiles la ventaja táctica del posicionamiento GPS. Cuando se pone en vigor, la S/A es el mayor componente de error en el GPS.
La ionosfera y la atmósfera terrestre causan retrasos en la señal GPS que se traducen en errores de la posición.
Algunos de estos errores pueden ser eliminados mediante las matemáticas y los modelos.
Otras fuentes de error son los relojes de los satélites, nuestros receptores y la recepción multisenda.
Algunas constelaciones de satélites en el espacio pueden magnificar los demás errores del sistema.
GPS diferencial, lo último en precisión
El GPS es, con mucho, el sistema de navegación global más preciso que jamás se haya diseñado. Pero incluso su increíble precisión puede mejorase utilizando una técnica llamada "GPS diferencial". Mediante esta técnica, el GPS consigue precisiones de medición mejores que un metro. Y esto está proporcionando al GPS algunas aplicaciones sorprendentes.
GPS para la topografía: Los topógrafos llevan ya algunos años utilizando el GPS para calcular sus posiciones hasta el último centímetro. Estas mediciones ultra-precisas se basan generalmente en al menos quince minutos de recopilación de datos GPS en una localización estacionaria con un conocimiento preciso de la coordenada del punto de referencia o "mojón" y en el uso de un complejo panorama de ordenador.
Un topógrafo sencillamente se desplaza a cada punto en el asentamiento que desea destacar y pulsa un botón. El receptor GPS registra instantáneamente la exacta localización de la estación.
El secreto para conseguir precisiones como estas se basa en la idea de que si nosotros estacionamos un receptor GPS en tierra, en una localización conocida, se puede utilizar este para averiguar exactamente que errores contienen los datos de los satélites. Actúa como un punto de referencia estático.
Selección de un receptor GPS
El GPS será pronto una utilidad básica. La adquisición del equipo correcto requiere un cuidadoso análisis de la forma en que se utilizará el receptor, que tipo de información necesitará del mismo y qué le permitirá su presupuesto.
Algunas de las cuestiones que deben considerarse:
¿Necesita medir con precisión su velocidad, como por ejemplo evaluar el comportamiento de un yate de regata? ¿Es la economía más importante que la precisión? ¿Es el consumo de energía un factor importante? ¿Tendrá que funcionar el receptor en condiciones altamente dinámicas, experimentando aceleraciones y altas velocidades?
Los dos grandes grupos de receptores son aquellos que pueden seguir simultáneamente
cuatro o mas satélites y aquellos que conmutan secuencialmante de uno a otro satélite. Y
dentro de cada categoría existe una cierta variedad de subespecies:
Para calcular con precisión, los receptores GPS deben recibir información de al
menos cuatro satélites. Los receptores de seguimiento en secuencia emplean un solo canal
que desplazan de un satélite al siguiente para reunir sus datos. Tienen menos circuitos,
así que son más económicos y consumen menos energía, pero el seguimiento en secuencia
puede interrumpir el posicionamiento y limitar su precisión general.
Otras consideraciones
Por encima de las ventajas e inconvenientes de arquitecturas específicas, al seleccionar un sistema hay que tener en cuenta algunas consideraciones adicionales.
Algunos de los sistemas más modernos están logrando precisiones sin precedentes, efectuando el seguimiento, tanto del código pseudo-aleatorio como de la frecuencia portadora. Este sistema llamado "seguimiento con ayuda de portadora" permite al receptor resolver con gran precisión exactamente donde cae el "borde" del código seudo-aleatorio.
Y eso significa mediciones de tiempo precisas, lo que a su vez se traduce en mejor posicionamiento. Los buenos receptores pueden arrancar de cero y definir su posición en cualquier sitio. A esto se le llama a veces "fijación en cualquier sitio".
Otra cosa a considerar al adquirir un receptor es una interfaz de usuario. Algunos receptores dan la latitud y longitud y poco más. Algunos son muy difíciles de usar instrumentos u ordenadores.
La fiabilidad es otro gran factor a considerar con cualquier instrumento que haya de llevarse mar adentro o a remotos lugares del campo. El consumo energético y el desprendimiento de calor que lo acompaña son indicadores importantes que hay que vigilar.
Los receptores más complejos de hoy en día añaden un gran valor a la información GPS básica, procesándola en formas muy complejas. A veces la presentan en pantallas alta resolución.
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Consejos para la compra de un
receptor Una forma rápida de comprobar la precisión de un receptor consiste en observar sus lecturas de posición y velocidad mientras se encuentra estacionado. Un buen receptor cambiará sus lecturas muy poco -si es que las cambia. Las lecturas de un mal sistema variarán de un lado para otro. Tenga cuidado: algunos fabricantes enmarcaran el comportamiento de sus sistemas programando sus instrumentos para que indiquen cero cuando su velocidad cae por debajo de un nudo. |