GPS ¿Qué es, para qué sirve y cómo funciona este sistema de localización geográfica?

Con el desarrollo de la tecnología, son numerosas las soluciones que han surgido para simplificar el día a día de las personas. Razón por la que, se han adoptado numerosos términos que abarcan un sinfín de utilidades que resultan óptimas al momento de poner en funcionamiento un determinado sistema. Tal es el caso del reconocido sistema de geolocalización que emplea las siglas “GPS”.

Por lo general, los usuarios se apoyan en este sistema que, a través de sus smartphones o automóviles, les permite localizar un punto en concreto dentro de un mapa y llegar a cualquier sitio, sin siquiera saber la dirección. Pero, aunque se trata de una tecnología ampliamente utilizada en este momento, lo cierto es que todavía muchos desconocen cómo funciona el GPS en realidad.

Es por ello que, a fin de entender en qué consiste el GPS y para qué sirve, a continuación, te detallaremos dicha información de gran interés. Incluso, también vale la pena saber su origen y su historia, los aspectos que intervienen en su señal para ofrecer resultados precisos y hasta sus fundamentos científicos. Lo cual, podrás conocerlo aquí.

¿Qué es el sistema GPS y para qué sirve en informática?

Siendo el acrónimo de “Global Positioning System” que, en español, significa “Sistema de Posicionamiento Global”, el GPS se define como un sistema de navegación por satélite que permite determinar la posición de cualquier objeto en toda La Tierra. El cual, consiste en un sistema de navegación que funciona por medio de una red que cuenta con 24 satélites como mínimo y se localizan sobre el planeta a unos 20.000 km de altura, aproximadamente.

Por su parte, en informática, esta tecnología de posicionamiento global se ha inducido en diferentes dispositivos y teléfonos móviles, principalmente. De ese modo, sirve para localizar dichos equipos en caso de robo, ejecutar determinadas aplicaciones que requieren de esta funcionalidad, maximizar el funcionamiento de juegos, llegar a una dirección precisa cuando te trasladas en coche, moto, bicicleta o hasta caminando, etc.

En ese sentido, el GPS tiene la capacidad de concretar la localización de cualquier persona, vehículo o cosa, sin importar la velocidad a la cual se mueve. Además, cuenta con las características necesarias para revelar datos como su altura en cualquier instante de tiempo y su punto específico dentro del globo terrestre. Considerando que, su precisión es de hasta centímetros y por eso, resulta tan efectivo.

¿Cuáles son las características del GPS y qué se puede hacer con él?

Para conocer más detalladamente en que consiste el GPS, es valioso concretar cuáles son sus principales características. Por lo que, primero que todo, vale destacar que un GPS está compuesto por tres elementos que son: Los satélites en órbita alrededor de La Tierra, los receptores del GPS en propiedad de los usuarios y las estaciones terrestres de control y seguimiento. Así, se valora que, el GPS se integra por tres componentes o sectores diferentes, tales como: Sector espacial, Sector usuario y Sector terrestre.

A continuación, especificamos de que se trata cada uno de ellos:

• Sector espacial: Está constituido por 24 satélites dispuestos en un total de seis órbitas (4 satélites en cada una de ellas). Los cuales, viajan alrededor del planeta a una altura de 20.200 km y su velocidad de rotación, aproximadamente, es de una vuelta a La Tierra cada 12 horas. Asimismo, siguen una ruta con una inclinación de 55 grados respecto al Ecuador celeste.
• Sector usuario: Se conforma por una antena, un amplificador y un receptor. A partir de dichos elementos, el equipo se ocupa de elegir los satélites que pueden proporcionarle la información requerida para determinar la posición pertinente y medir el tiempo entre transmisiones.
• Sector terrestre: Consiste en un sector de control que se encarga de corregir la señal adquirida a través de los satélites y, además, mejora las posibles desviaciones de la órbita. Generalmente, está constituido por 9 estaciones (5 de rastreo, 3 de datos y 2 general).

Gracias a todo esto, el GPS se distingue por las siguientes particularidades, de forma específica:

• Vida útil: 7.5 años.
• Altitud: 20.200 km.
• Periodo: 11 horas con 58 minutos (o 12 horas sidéreas).
• Inclinación: 55 grados en torno al ecuador terrestre.
• Hora: 1 ns.
• Capacidad de usuarios: ilimitada.
• Cobertura: a nivel mundial.
• Sistema de coordenadas: 8.000.

Por otro lado, para caracterizar este reconocido sistema de posicionamiento global, es preciso conocer sus principales aplicaciones, más allá de su funcionamiento específico en el entorno informático.

Por ende, a continuación, puntualizamos sus usos más destacados:

• Uso militar: Para nadie es un secreto que, esta ha sido la aplicación principal del GPS. Ya que, hace muchos años, nació como una herramienta para desarrollar un sistema capaz de brindar la situación exacta de una persona u objeto e incluso, su velocidad. Con ello, también permitió el desarrollo de tecnologías de radio navegación y lanzamiento de armas hacia una situación geográfica específica.
• Seguridad pública y privada: En el ámbito de la seguridad, el Sistema de Posicionamiento Global también cuenta con múltiples aplicaciones. Ya sea para medidas antirrobo, como herramienta de seguridad personal o su integración en alarmas.
• Navegación área, marítima y terrestre: Aunque estas herramientas eran usadas por militares, lo cierto es que muchas de ellas acabaron siendo usadas por civiles en diferentes medios basados en la navegación marítima, aérea y terrestre.
• Ingeniería y cartografía: Por supuesto, el GPS también se emplea para recabar datos precisos y fiables de cualquier punto del globo terrestre con el fin de llevar a cabo proyectos en este ámbito. Asimismo, permite realizar mediciones, monitorear lo que ocurre en grandes estructuras por sobrecargas en tiempo real, detectar movimientos sísmicos ubicados en cierto punto, etc.
• Deporte: En conjunto con sus aplicaciones en la informática, el GPS también se utiliza ampliamente para realizar deporte. Puesto que, permite controlar la progresión de determinados entrenamientos y así, optimizar el rendimiento con absoluta precisión al obtener datos como el ritmo de la carrera, la distancia recorrida, el tiempo de demora, etc.

Historia y Origen ¿Cuándo se creó, quién lo hizo y cómo ha evolucionado el GPS?

Básicamente, el origen del GPS como Sistema de Posicionamiento Global se remonta al periodo comprendido entre los años 1957 y 1960. Puesto, desde 1957, surgió el primer satélite artificial conocido como “Sputnik” lanzado por la Unión Soviética. Después, a partir de la década de 1960, el sistema de navegación terrestre OMEGA impulsó esta tecnología y se convirtió en el primer sistema mundial de radio de navegación.

Sin embargo, las notables limitaciones de estos sistemas, produjeron la necesidad de obtener una solución de navegación más universal que pudiera garantizar una mayor precisión. A partir de allí, la armada de Estados Unidos comenzó a experimentar con un sistema de navegación por satélite para proveer observaciones de posiciones actualizadas y precisas en los sistemas de sus flotas.

En principio, dicho sistema pensado tenía que cumplir los requisitos de globalidad para así abarcar toda la superficie de La Tierra. Sumado a esto, era necesario que mostrará un funcionamiento continuo sin que las condiciones atmosféricas pudieran afectar y, por si fuera poco, también debía posibilitar su uso en aviación. Por lo que, los fundamentos del GPS corresponden a un sistema: Global, continuo, dinámico y preciso.

Pero, bajo estas condiciones, nació el sistema “TRANSIT” en 1964 que, tres años más tarde, estuvo disponible para su uso comercial y militar. El cual, principalmente, contaba con una constelación de 6 satélites en órbita polar baja y a una altura de 1.074 km. Sin embargo, aunque lograba la globalidad, no era constante. A causa de esto, los expertos siguieron buscando otras soluciones para poder cumplir con las bases de un Sistema de Posicionamiento Global verdaderamente óptimo.

Ante esto, en 1967, la U.S Navy impulsó un satélite llamado “Timation” que logró asegurar la viabilidad de colocar relojes precisos en el espacio para así, mantener la continuidad necesaria para el GPS. Gracias a esto, en 1973, pudieron combinar los programas diseñados por la Fuerza Aérea y la Armada de los Estados Unidos para fomentar un novedoso proyecto de tecnología de navegación conocido como “Navigation Technology Program”. El cual, posteriormente, fue renombrado “NAVSTAR GPS”.

Así, a continuación, empezaron a desarrollar otros 11 satélites de forma experimental para mejorar el funcionamiento de NAVSTAR con un total de 18 satélites previstos. Con esto, en 1985, logran completar la constelación actual y por su notable constancia, dinamismo y precisión, pudieron declararlo como un sistema con “capacidad operacional total” al añadirle 24 satélites con tres suplentes en 1993. Con lo que, se da inició al famoso GPS que conocemos en la actualidad.

¿Cómo funciona el sistema de posicionamiento global y qué tan precisos son sus datos?

En cuanto a su funcionamiento, destacamos que, los satélites del GPS (24 en total) se encargan de circular La Tierra dos veces al día, es decir, cada 12 horas. Lo cual, lo efectúan en una órbita exacta para poder transmitir la información de la señal a La Tierra.

A continuación, los receptores GPS adquieren esta información y emplean la triangulación o trilateración para medir o calcular la ubicación exacta del usuario. Considerando que, para esto, dicho receptor se centra en comparar el tiempo de emisión y recepción en torno a una señal transmitida por el satélite.  Así, podrá hallar la posición del usuario para mostrarla.

Por lo tanto, mediante el proceso de la trilateración se puede descubrir la posición del receptor de la siguiente forma:

• Cada satélite del conjunto señala que el receptor se encuentra en un punto de la superficie de la esfera. Básicamente, con centro en el propio satélite y un radio igual a la distancia total que hay hasta el receptor.
• Después de obtener los datos en cuestión en base a dos satélites, el resultado será una circunferencia que ilustra cuando se intersectan las dos esferas en algún punto en el que se localiza el receptor.
• Fundamentados en la información de un tercer satélite, se suprime la falta de sincronización entre los relojes de los satélites y los receptores GPS. Con ello, se encuentra una posición 3D exacta basada en la latitud, longitud y altitud.

Así, en pocas palabras, el receptor GPS tendrá que estar conectado a la señal de dos o tres satélites, como mínimo, para encontrar la posición 2D y el movimiento de la pista. Después, con otro satélite más a la vista, el receptor logra calcular la posición 3D del usuario y gracias a esto, también podrá computar otros datos de interés (velocidad, rumbo, distancia de viaje, distancia al destino, pista, hora de salida, puesta del sol, etc.).

A continuación veremos la exactitud de los datos:

Ahora bien, seguramente, te preguntarás cómo es la precisión del Sistema de Posicionamiento Global con respecto a la información que provee. Por lo que, señalamos que, los sistemas GPS incluyen cierto grado de error aleatorio que puede fluctuar entre los 15 metros y 100 metros. Valorando que, la exactitud del mismo dependerá del número de satélites visibles en un instante dado, al igual que de la posición del usuario y ciertos factores atmosféricos. Sin embargo, se apunta que, en la actualidad los receptores GPS son muy precisos.

Debido al diseño multicanal en paralelo que contienen. Pues, por defecto, mantienen conexiones fuertes sin importar que se encuentre en entornos urbanos con edificios altos o en un bosque denso, por ejemplo. Aparte de esto, los usuarios también pueden obtener una mejor precisión con el GPS diferencial (DGPS), conocido como “Sistema de Posicionamiento Global Diferencial”. El cual, es ideal para corregir los errores existentes en las órbitas satelitales y perfeccionar la posición proporcionada por el GPS.

Considerando que, funciona de la siguiente forma:

• Un conjunto de estaciones terrestres fijas se encarga de comparar la posición suministrada por el GPS y la situación real, para establecer el error en cada momento.
• Una vez se compute dicho error, este es comunicado y emitido hacia las antenas de usuario y así, los equipos del mismo se centran en aplicar dicho error para descubrir la posición correcta (basados en un margen de 10 metros, como máximo).

Todo esto, se logra gracias a la estructura DGPS que cuenta con los siguientes elementos: Estación monitorizada como referencia (la cual, posee: un receptor GPS, un microprocesador y un transmisor) y el equipo de usuario (contiene un receptor DGPS que es un GPS con un receptor del enlace de datos desde la estación monitorizada).

Señal del GPS ¿Cuál es su frecuencia y qué aspectos influyen en ella?

Si bien es cierto, la señal GPS proporciona la “hora de la semana” de manera exacta, en función del reloj atómico a bordo del satélite, el número de semana GPS y un informe de estado. Así, cada transmisión dura 30 segundos y transporta 1.500 bits de datos codificados que, básicamente, hacen que una señal GPS cuente con tres bits de información resumida.

Los cuales son:

• Un código pseudoaleatorio: Es un número de identificación que permite saber qué satélite está transmitiendo la información. Por lo general, este código se encuentra en su unidad GPS de Garmin.
• Datos de efemérides: Ofrecen información al recepto GPS, indicando donde tiene que estar cada satélite GPS en un instante dado durante el día. Estos datos, presentan la información orbital para cada elemento del sistema.
• Datos de almanaque: Son datos transmitidos por cada satélite, constantemente. Por lo general, entregan información sobre el estado del satélite, fecha y hora actuales. Los cuales, son esenciales para determinar una posición.

Por su parte, cada satélite GPS emite un mensaje de navegación a 50 bits por segundo, de manera continua, en la frecuencia transportadora de microondas de 1600 MHz. Sin embargo, específicamente, los satélites GPS se caracterizan por transmitir dos señales de radio de baja potencia que son conocidas como “L1” y “L2”.

En el caso del GPS de uso civil, básicamente, emplea la frecuencia L1 en la banda UHF que proporciona 1575,42 MHz de forma específica. Mientras que, la señal L2 ofrece 1227,6 MHz. Con esta frecuencia, la señal del GPS civil podrá pasar a través de las nubes, el plástico y el vidrio (es decir, por la línea de visión). Pero, no podrá transmitirse por la mayoría de los objetos sólidos, tales como montañas o edificios.

Esto significa que, normalmente, en la frecuencia de la señal del GPS influyen varios aspectos que pueden ofuscarla, entre los que mencionamos:

• Errores del reloj del receptor: Habitualmente, los relojes atómicos a bordo de los satélites GPS son precisos. Pero, el reloj incorporado del receptor no es tan exacto como ellos y, por eso, puede mostrar ligeros errores de tiempo que afecten la señal GPS.
• Errores orbitales: Son los errores de efemérides y presentan inexactitud en la localización reportada por parte del satélite.
• Retardos de troposfera e ionosfera: A medida que pasa por medio de la atmosfera, la señal de satélite puede reducirse. Sin embargo, el sistema GPS cuenta con un modelo añadido que calcula un promedio de retardo para poder corregir este tipo de error.
• Degradación intencional de la señal de satélite: Conocida como “Selective Availability” corresponde a una degradación de la señal de forma premeditada que una vez fue impuesta por el Departamento de Defensa de los Estados Unidos. Así, pretendían evitar que los adversarios militares pudieran emplear señales GPS de alta precisión. Pero, actualmente ha sido desactivada para mejorar la señal GPS de receptores civiles.
• Número de satélites visibles: Las interferencias electrónicas, el terreno, los edificios y el follaje denso suelen bloquear la recepción de la señal GPS y así, producen errores de posición o falta de lecturas. Ya que, mientras menos satélites pueda “ver” un receptor GSP, menor será su precisión.
• Multipath de señal: Es un problema que ocurre cuando la señal GPS es reflejada en algunos objetos (superficies rocosas, edificios altos, etc.) antes de que llegue al receptor. Razón por la que, se incrementa el tiempo de recorrida de esa señal y genera notables errores.

GPS en el desarrollo de las telecomunicaciones ¿Cómo ha influido en el desarrollo de nuevos dispositivos?

Para nadie es un secreto que, el GPS corresponde a una tecnología de posicionamiento global que ha representado un avance significativo en la sociedad. Por ello, así como ha generado beneficios en el ámbito de la ingeniería, la seguridad, le defensa y la informática, el GPS también ha influido en las telecomunicaciones y el desarrollo de los nuevos dispositivos.

Puesto que, gracias a que amplía la perspectiva espacial de los usuarios, los fabricantes y desarrolladores han hecho todo lo posible por aprovechar las bazas de esta tecnología con el objetivo de proveer mejores soluciones a las personas. Como consecuencia, los smartphone que se emplean en la actualidad, tienen la capacidad de habilitar la ubicación a partir del Sistema de Posicionamiento Global.

De esa forma, empleando las funciones propias de dichos dispositivos y recurriendo a aplicaciones que admitan esta tecnología, los usuarios cuentan con la posibilidad de localizar y precisar diferentes ubicaciones de forma inmediata, monitorear el tráfico de las vías, encontrar objetos perdidos, etc. Tomando en cuenta que, hasta los nuevos automóviles tienen incluido este sistema.

Por ende, el GPS ha contribuido con el desarrollo de la sociedad a nivel mundial, notablemente. Pues, en términos de telecomunicaciones, las personas anteriormente no disfrutaban de estas posibilidades y es por ello que, este sistema ha revolucionado la forma en cómo pueden comunicarse los individuos.

GPS y la relatividad de Einstein ¿Cómo se relaciona el sistema con esta teoría?

En 1915, Albert Einstein supuso que la gravedad está íntimamente unida al espacio y al tiempo, a partir de su Teoría General de la Relatividad. Pues, estos tres elementos están por todos los lados y en todo instante en el universo. En lo cual, su principal nexo es la geometría porque en presencia de una masa, el espacio-tiempo se deforma de modo que cualquier otra masa que note ese espacio deformado se verá obligada a seguir diferentes trayectorias mientras esté presente en el espacio sin deformar.

Gracias a ello, se puede afirmar que, la relatividad que propone Einstein y el Sistema de Posicionamiento Global están altamente vinculados. Por lo que, se estima que el revolucionario GPS no sería posible sin las bases científicas que instauran está reconocida teoría. Ahora bien, básicamente, dicho vínculo se debe a que, un reloj situado en la superficie de La Tierra y otro en el espacio no avanzan al mismo ritmo, en vista de que el tiempo depende de la gravedad en todo momento.

Como consecuencia, el retraso existente entre ambos relojes tendrá que ser valorado a la hora de programar un sistema que provea información acerca de la posición de un determinado objeto sobre la superficie terrestre. Lo cual, hace referencia al GPS. Por lo tanto, para lograr el grado de precisión que garantiza el Sistema de Posicionamiento Global por naturaleza, será necesario tener en cuenta la Teoría de la Relatividad.

Ya que, de lo contrario, la influencia del GPS sobre los relojes de los satélites revelaría errores que superan la exactitud requerida, ampliamente, alrededor de unos 10 kilómetros de imprecisión cada día y por ello, se volvería inútil.