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Ciencia Nuestra de cada Día

La Naturaleza nos sorprende cada instante con multitud de fenómenos que despiertan nuestra curiosidad. La Ciencia Nuestra de Cada Día es un espacio en el que Ángel Rodríguez Lozano nos incita a mirar a nuestro alrededor y descubrir fenómenos cotidianos que tienen explicación a la luz de la ciencia.

Perdidos en la niebla ¿Cómo funciona un GPS?

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Continuamente recibimos preguntas dirigidas a la Ciencia Nuestra de Cada Día y hacemos lo posible por responder aunque, no con la rapidez que nos gustaría. Hoy les voy a comentar un mensaje enviado por Andreu Salvà Pagès que decía: “Tendría una preguntita para “La Ciencia Nuestra de Cada Dia”.

¿Cómo hace un GPS para saber en qué coordenadas del planeta se encuentra?

Básicamente, un receptor de GPS hace lo mismo que cualquiera de nosotros para orientarnos. Nosotros observamos lo que hay a nuestro alrededor, nos fijamos en lugares conocidos y calculamos nuestra posición a partir de ellos. La diferencia es que, para un aparato GPS, los lugares conocidos no son montañas, casas o accidentes geográficos sino satélites en órbita.

Para entender el funcionamiento del GPS les invito a escuchar el audio porque exponemos un ejemplo muy especial.

El Sistema Global de Posicionamiento ( GPS) se basa en una constelación de satélites artificiales, 24 en concreto, que están moviéndose en órbitas cercanas a los 20.000 kilómetros sobre la superficie y repartidos en seis planos diferentes para que, en cada momento, estemos donde estemos, tengamos siempre unos seis satélites a la vista sobre nuestras cabezas.

Cada satélite es una emisora de radio, es decir, emite ondas electromagnéticas que, al ser de la misma naturaleza que la luz, se propagan por el vacío a una velocidad de 300.000 kilómetros cada segundo. Esa velocidad es cierta en el vacío pero las señales emitidas por los satélites tienen que penetrar en la atmósfera y son perturbadas por la ionosfera y la troposfera, dos capas que afectan a la velocidad de propagación reduciéndola en distinto grado. Debido a esto, el satélite emite dos señales, una de 1.575,42 MHz que es la que sintoniza nuestro receptor y otra de 1.227,60 Mhz que se emplea para medir el retardo que inducen la ionosfera y la troposfera.

Cada satélite es una emisora de radio y, lo mismo que cualquier emisora de radio terrestre, emite de forma continua, independientemente de que usted esté sintonizándola o no con su receptor. Si los satélites son emisoras, nuestro aparatito GPS es el receptor que ha sido diseñado para sintonizar sus señales. Nuestro aparato jamás se comunica con los satélites, se limita a escuchar la información que éstos les envían y aprovecharla para calcular la posición.

Cada satélite de los 24 que componen la constelación del GPS contiene nada menos que 4 relojes atómicos, dos de cesio y dos de rubidio. Estos relojes atómicos –no voy a entrar en materia, explicaremos qué son en otra ciencia nuestra de cada día-, en conjunto, dan la hora con una precisión de nanosegundos, o sea, mil millonésimas de segundo. No se extrañen, la luz va a una velocidad tan endiablada que en 10 nanosegundos recorre tres metros. Así pues si queremos utilizar la luz o, en este caso, las microondas que se mueven igual de rápido, para determinar la posición con unos pocos metros debemos contar con relojes muy precisos.

Dicho esto, ya tenemos todos los ingredientes para comprender cómo funciona el sistema GPS. Cada satélite emite una señal que, básicamente, viene a decir: soy el satélite número tal, hoy es tal día y hora, esta señal la he comenzado a enviar a tal hora y tiene una duración concreta de 780 segundos, posteriormente añade datos para ajustar la hora, la posición en la órbita y el retraso calculado de la señal debido a la ionosfera y troposfera terrestre.

Todos y cada uno de los satélites que están a la vista del receptor que está en nuestras manos envían su información particular. Como hacemos nosotros en el ejemplo que se pone en el audio del podcast, nuestro receptor interpreta las señales y hace los cálculos oportunos para determinar la distancia a la que se encuentra cada uno de los satélites que tiene a la vista. Para ello utiliza el retraso que tiene la señal desde que fue emitida y una parte de la información que le llega, que es conocida de antemano. La información que recibe le permite conocer con mucha exactitud la posición relativa de los satélites entre sí y estimar la posición sobre la superficie terrestre con una precisión de unos pocos metros.

Utilizando la distancia que recorren las ondas electromagnéticas entre uno de los satélites y el receptor, nuestro aparato de GPS sabe que se encuentra en algún punto de la superficie de una esfera que tiene por centro el satélite y radio la distancia calculada hasta el receptor. Esa esfera corta a la superficie terrestre en una circunferencia. Con este dato únicamente, no es posible calcular la posición porque el receptor puede estar en cualquier punto de esa circunferencia. El problema se reduce repitiendo el proceso con otro satélite. Una vez calculada la nueva distancia, podremos trazar una segunda circunferencia sobre la superficie terrestre que cortará a la anterior en dos puntos. Esos puntos son las posibles posiciones de nuestro receptor en tierra. Para conocer cuál de los dos es la posición correcta, se utiliza un tercer satélite. La distancia entre el receptor y este último proporciona una nueva circunferencia que se corta con las dos anteriores en un solo punto. Este punto es nuestra posición sobre la superficie de la Tierra.

Esa posición nos permite conocer la latitud y longitud del lugar en el que nos encontramos. Si nuestro receptor contiene en memoria un mapa del país o de la región en la que estamos, puede combinar ambas informaciones y especificar nuestra posición en el mapa para ubicarnos completamente. Por supuesto intervienen en el proceso muchos otros aspectos, como un conjunto de estaciones terrestres desde las que se controlan los satélites y realizan el mantenimiento de los mismos, pero el funcionamiento básico es ése. De todas formas en el audio de este episodio damos una explicación más detallada, les invito a escucharlo.

MÁS DATOS DEL SISTEMA GPS

Satélites en la constelación: 24 (4 × 6 órbitas)
Altitud: 20200 km
Período: 11 h 58 min (12 horas sidéreas)
Inclinación: 55 grados (respecto al ecuador terrestre).
Vida útil: 7,5 años
Segmento de control (estaciones terrestres)
Estación principal: 1
Antena de tierra: 4
Estación monitora (de seguimiento): 5, Colorado Springs, Hawai, Kwajalein, Isla de Ascensión e Isla de Diego García
Señal RF
Frecuencia portadora:
1575,42 MHz (L1). Utiliza el Código de Adquisición Aproximativa (C/A).
1227,60 MHz (L2). Utiliza el Código de Precisión (P), cifrado.
Nivel de potencia de la señal: –160 dBW (en superficie tierra).
Polarización: circular dextrógira.
Exactitud
Posición: Oficialmente indican aproximadamente 15 m (en el 95% del tiempo). En la realidad un GPS portátil monofrecuencia de 12 canales paralelos ofrece una precisión de 2,5 a 3 metros en más del 95% del tiempo. Con el WAAS / EGNOS / MSAS activado, la precisión asciende de 1 a 2 metros.
Hora: 1 ns
Cobertura: mundial
Capacidad de usuarios: ilimitada
Sistema de coordenadas: Sistema Geodésico Mundial 1984 (WGS84).

MÁS INFORMACIÓN.

Global Positioning System (GPS) and related topics

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