GPS, sistema de alta precisión

La vida contemporánea desarrolla cada vez con mayor frecuencia los sistemas de posicionamiento satelital, medios que permitan con alta precisión ubicar a cualquier dispositivo o persona en la Tierra.

El Sistema de Posicionamiento Global determina en toda la Tierra el lugar de cualquier objeto, persona o vehículo con una precisión de hasta centímetros, aunque lo habitual son unos pocos metros. Fue desarrollado por el Departamento de Defensa de los Estados Unidos y necesita, para su funcionamiento, de cuatro satélites.

El GPS funciona mediante una red de como mínimo 24 satélites en órbita sobre la Tierra, a una altura de aproximadamente 20 000 kilómetros, con órbitas distribuidas para que en todo momento haya al menos cuatro satélites visibles en cualquier punto de la Tierra. Cuando se desea determinar una posición tridimensional, el receptor localiza automáticamente como mínimo cuatro satélites de la red, de los que recibe señales indicando la identificación y hora del reloj de cada uno de ellos, además de información sobre la constelación. Posteriormente, el aparato sincroniza su propio reloj con el tiempo del sistema GPS y calcula el tiempo que tardan en llegar las señales al equipo, y de tal modo mide la distancia al satélite.

Los Estados Unidos como parte de su doctrina militar han planteado que en caso de conflicto podrían “apagar” el sistema GPS por ser de su propiedad y, además, desarrollado por sus fuerzas armadas. Es fácilmente comprensible el caos que generaría una decisión de ese tipo, lo cual explica como otras potencias no se han quedado de brazos cruzados y han desarrollado sus propios sistemas como forma de independizarse del Tío Sam.

La antigua Unión Soviética, URSS, construyó un sistema llamado Glonass, ahora gestionado por la Federación Rusa. La Unión Europea desarrolló el sistema de navegación Galileo. La República Popular China implementa su propio sistema de navegación, el denominado Beidou, que una vez operativo plenamente en el 2020 deberá contar con 30 satélites.

¿CÓMO EMPEZÓ TODO?

En la década de 1960, el sistema de navegación terrestre Omega, basado en la comparación de fase de las señales emitidas a partir de pares de estaciones terrestres, se convirtió en el primer sistema mundial de radio de navegación. Las limitaciones de esos sistemas impulsaron la necesidad de una solución de navegación más universal con más precisión. La armada estadounidense aplicó esa tecnología de navegación utilizando satélites para proveer a los sistemas de navegación de sus flotas observaciones de posiciones actualizadas y precisas. El sistema debía cumplir los requisitos de globalidad, abarcando toda la superficie del planeta; continuidad, funcionamiento continuo sin ser afectado por las condiciones atmosféricas; altamente dinámico, preciso, para posibilitar su uso en la aviación

Posteriormente se desarrolló el sistema Transit, que fue operativo en 1964, hacia 1967 estuvo disponible, además, para uso comercial militar. Transit estaba constituido por una constelación de seis satélites en órbita polar baja, a una altitud de 1074 kilómetros. Tal configuración conseguía una cobertura mundial, pero no constante. La posibilidad de posicionarse era intermitente, pudiéndose acceder a los satélites cada 1.5 horas. El cálculo de la posición requería estar siguiendo al satélite durante quince minutos continuamente. En 1967, la armada de los Estados Unidos desarrolló el satélite Timation, que demostró la viabilidad de colocar relojes precisos al espacio, una tecnología requerida por el Sistema de Posicionamiento Global, GPS. Posteriormente, gracias al desarrollo de los relojes atómicos, se diseñó una constelación de satélites, portando cada uno de ellos con relojes sincronizados de acuerdo a una referencia de tiempo determinado.

En 1973 se combinaron los programas de la Armada y de la Fuerza Aérea de los Estados Unidos en lo que se conoció como Programa de Tecnología de Navegación, posteriormente renombrado Navstar GPS. Entre1978 y 1985 se desarrollaron y lanzaron once satélites prototipo experimentales Navstar, a los que siguieron otras generaciones de satélites, hasta completar la constelación actual, a la que se declaró con “capacidad operacional inicial” en diciembre de1993 y con “capacidad operacional total” y utilidad civil en abril de 1995. En 2009, el gobierno de los Estados Unidos ofreció el servicio normalizado de determinación de la posición para apoyar las necesidades de la Organización de Aviación Civil Internacional, Oaci, y ésta aceptó el ofrecimiento.

El Sistema Global de Navegación por Satélite lo componen:

• Satélites en la constelación: 24 (4 × 6 órbitas)
  • Altitud: 20 200 kilómetros
  • Período: 11 horas, 58 minutos
  • Inclinación: 55 grados (respecto al ecuador terrestre).
  • Vida útil: 7.5 años
• Cobertura: mundial
• Capacidad de usuarios: ilimitada

Cada uno de los satélites del sistema GPS emite continuamente un mensaje de navegación a 50 bits por segundo en una a frecuencia determinada. La señal GPS proporciona la “hora de la semana” precisa de acuerdo con el reloj atómico a bordo del satélite, el número de semana GPS y un informe de estado para el satélite de manera que pueda deducirse si es defectuoso. Cada transmisión dura 30 segundos y emite 1500 bits de datos. Esa pequeña cantidad de datos está codificada con una secuencia pseudoaleatoria de alta velocidad que es diferente para cada satélite. Los receptores GPS conocen esos códigos de cada satélite y por ello no sólo puede decodificar la señal sino que la pueden distinguir entre diferentes satélites. Las transmisiones son cronometradas para empezar de forma precisa en el minuto y en el medio minuto tal como indique el reloj atómico del satélite. La primera parte de la señal GPS indica al receptor la relación entre el reloj del satélite y la hora GPS. La siguiente serie de datos proporciona al receptor información de órbita precisa del satélite

La información que es útil al receptor GPS para determinar su posición se llama efemérides. En ese caso cada satélite emite sus propias efemérides, en la que se incluye la salud del satélite, su posición en el espacio, su hora atómica, información doppler, y otras. Mediante la trilateración (método matemático para determinar las posiciones relativas de objetos usando la geometría de triángulos de forma análoga a la triangulación) se determina la posición del receptor:

• Cada satélite indica que el receptor se encuentra en un punto en la superficie de la esfera, con centro en el propio satélite y de radio, la distancia total hasta el receptor.
• Obteniendo información de dos satélites queda determinada una circunferencia que resulta cuando se intersecan las dos esferas en algún punto de la cual se encuentra el receptor.
• Teniendo información de un tercer satélite, se elimina el inconveniente de la falta de sincronización entre los relojes de los receptores GPS y los relojes de los satélites. Y es en este momento cuando el receptor GPS puede determinar una posición 3D exacta (latitud, longitud y altitud).

GLONASS

Como ya se mencionó, otras potencias han desarrollado sus propios sistemas de posicionamiento satelital para no quedar a expensas de la voluntad de los Estados Unidos, uno de esos sistema es el Glonass

Glonass fue desarrollado por la Unión Soviética, URSS, y hoy se administra por la Federación Rusa y que constituye el homólogo del GPS estadounidense, del Galileo europeo y del Beidou chino. Consta de una constelación de 31satélites (24 en activo, tres satélites de repuesto, dos en mantenimiento, uno en servicio y otro en pruebas) situados en tres planos orbitales con ocho satélites cada uno y siguiendo una órbita inclinada de 64.8 grados con un radio de 25 510 kilómetros. La constelación de Glonass se mueve en órbita alrededor de la Tierra con una altitud de 19 100 kilómetros algo más bajo que el GPS tarda aproximadamente 11 horas y 15 minutos en completar una órbita. El sistema está a cargo del Ministerio de Defensa de la Federación Rusa y los satélites se lanzaron desde el cosmódromo de Baikonur, en Kazajistán.

Los tres primeros satélites fueron colocados en órbita en octubre de 1982. El sistema fue pensado para ser funcional en el año 1991, pero la constelación no fue terminada hasta diciembre de 1995 y comenzó a ser operativo el 18 de enero de 1996. Ese mismo año la ya Federación Rusa ofreció el canal de exactitud normalizada del Glonass para apoyar las necesidades de la Oaci, la cual aceptó. La situación económica de Rusia en los años 90 supuso que en abril de 2002 sólo ocho satélites estuvieran completamente operativos. En 2004, 11 satélites se encontraban en pleno funcionamiento. A finales de 2007 eran 19 los satélites operativos. Son necesarios 18 satélites para dar servicio a todo el territorio ruso y 24 para poder estar disponible el sistema en todo el mundo. En 2007, Rusia anuncia que a partir de ese año se eliminan todas las restricciones de precisión en el uso de Glonass, permitiendo así un uso comercial ilimitado. Hasta esa fecha las restricciones de precisión para usos civiles eran de 30 metros. La aparición en el mercado de receptores que permiten recibir señales pertenecientes a los dos sistemas Glonass y GPS (con sistemas de referencia diferentes) hace interesantes las posibilidades de Glonass en la medición como apoyo al GPS estadounidense.

Es de destacar que Cuba ha firmado acuerdos con la Federación Rusa para la utilización de ese sistema de posicionamiento, algo vital para el país considerando la agresividad expresada por la potencia norteña contra nosotros.

GALILEO

Galileo es el sistema europeo de radionavegación y posicionamiento por satélite desarrollado por la Unión Europea conjuntamente con la Agencia Espacial Europea. Ese programa dota a la Unión Europea de una tecnología independiente del GPS estadounidense y el Glonass ruso. Al contrario de estos dos anteriores, es de creación, gestión y uso civil.

A finales del siglo XX, un grupo de estados de la Unión Europea comenzaron a mostrar cierto rechazo e inseguridad sobre los sistemas GPS y Glonass. Ese grupo de países temía que, en caso de conflicto armado internacional, tanto Estados Unidos como Rusia limitarían o dificultaría el acceso a estos sistemas a los países de la Unión Europea, limitando así la operatividad militar y civil de la región. Paralelamente, también mostraron cierta preocupación sobre la precisión y efectividad de los sistemas GPS y Glonass, especialmente de cara al futuro. Ante esa situación, la Unión Europea —junto con la Agencia Espacial Europea—, anunció en 2003 el proyecto Galileo, un sistema de geolocalización desarrollado y gestionado íntegramente por organismos europeos, asegurando así la independencia de la región y mejorando los servicios de posicionamiento.

En diciembre de 2016 la Comisión Europea, propietaria del sistema, informó que Galileo comenzó sus operaciones y que los satélites ya enviaban información de posicionamiento, navegación y determinación de la hora a usuarios de todo el mundo. El sistema se puso en marcha el 15 de diciembre del 2016, con alrededor de la mitad (17 satélites) de la constelación prevista que sería completada para el año 2020. En julio de 2019 había 22 satélites operativos. La ESA supervisó el diseño y el despliegue de Galileo y en el año 2017 cedió las operaciones del sistema y la provisión de servicios a la Agencia Europea del Sistema Global de Navegación por Satélite (GSA)

BEIDOU

Beidou es un proyecto desarrollado por la República Popular de China para obtener un sistema de navegación por satélite. “Beidou” es el nombre chino para la constelación de la Osa Mayor. La primera generación, BeiDou-1, está operativa desde el 2000 y es un sistema de posicionamiento por satélite local dando servicio a China y a sus países vecinos. La segunda generación, también llamada Compass o BeiDou-2, será un sistema de posicionamiento global con un funcionamiento similar al GPS.

Según informaciones oficiales ofrecerá dos tipos de servicios: el primero será abierto y podrá dar una posición con un margen de 10 metros de distancia. El segundo servicio será autorizado solo para determinados clientes y ofrecerá servicios más precisos y con mayores medidas de seguridad. A diferencia de los sistemas GPS, Glonass, y Galileo, que utilizan satélites en órbitas bajas y ofrecen servicio global, la primera generación, Beidou-1 usa satélites en órbita geoestacionaria. Eso implica que el sistema no requiera una gran constelación de satélites, pero limita su cobertura sobre la Tierra al cono de visibilidad que sólo alcanza, en este caso, a China. Otra gran diferencia de BeiDou-1 es que calcula las coordenadas únicamente con dos satélites y una estación en tierra. Eso implica la necesidad de enviar una señal desde el dispositivo remoto, cosa que no es necesaria con GPS o Glonass.

Se preveía que Compass, la segunda generación, contase con entre 12 y 14 satélites entre 2011 y 2015 y para el 2020, ya plenamente operativo debe contar con 30 satélites.

Como se ve ninguno de los grandes está a merced de la voluntad de los otros en algo tan estratégico como el posicionamiento satelital, la mejor opción es tener desplegado en el país más de una opción y de esa forma se garantiza una mayor vitalidad.

Con esto termino y recuerden, si me ven en algún lugar, me saludan.