Como funciona el GPS

El GPS es una tecnología que se ha ido colando en nuestras vidas durante los últimos años a través de los navegadores de coche, relojes deportivos y aplicaciones como google maps o pokemon go.

 

¿Que es el GPS?

GPS es el acrónimo de Global Positioning System o Sistema de Posicionamiento Global. Es un sistema de geolocalización que nos sirve para poder ubicarnos en cualquier parte del planeta que tenga visibilidad directa del cielo. El sistema GPS es un sistema originalmente desarrollado por la armada estadounidense en los 70 con el nombre de Navstar para ayudar a posicionar sus tropas. En el año 1983, el presidente Ronald Reagan firmó una directiva que permitía el uso de la señal GPS por parte de los civiles, con algunas limitaciones que veremos más adelante.

¿Como funciona el GPS?

Como bien sabrás, alrededor de la tierra hay orbitando muchos satélites. No todos están destinados a predicciones del tiempo ni a emitir señales de TV. 31 de esos satélites que orbitan la Tierra pertenecen a la red GPS y están repartidos alrededor de la tierra de forma que en todo momento (mientras estemos a cielo descubierto) haya 4 satélites directamente visibles de los que recibamos la señal.

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La posición exacta de estos satélites es conocida en todo momento así como la distancia entre ellos. Cada uno de estos satélites emiten, cada segundo, un pulso hacia la tierra en la frecuencia de 1600 Mhz. Esta señal incluye el número de satélite que la emite, el estado de salud del mismo (por si hubiera que descartar su información por mal funcionamiento detectado por el propio satélite), y la hora exacta a la que se transmitió el pulso. También emiten con menos frecuencia (de periodicidad) otras señales que veremos más adelante.

Como nuestro GPS sabe exactamente la distancia a la que están los satélites entre sí, y la diferencia de tiempo entre cuando le llega cada señal del GPS, sabe calcular lo lejos que está de cada uno de los satélites de los que obtiene señal, y de esta forma, puede ubicarnos mediante triangulación.

¿Consume datos el GPS?

Un tema en el que mucha gente suele confundirse es la direccionalidad de la transmisión GPS. El GPS, en el lado que los civiles solemos utilizar, es un sistema de solo escucha. Los dispositivos GPS que tenemos solo reciben la señal de los satélites, no envían absolutamente nada a estos. No obstante, el dispositivo de navegación puede consumir datos si utiliza la técnica de GPS asistido aGPS de la que hablo más adelante en esta misma entrada.

Generaciones de GPS

Los satélites GPS han ido evolucionando y siendo reemplazados con el tiempo. En la actualidad hay 12 satélites de la generación IIR, lanzados entre 1997 y 2004. Otros 7 pertenecen a la generación IIR-M, lanzados entre 2005 y 2009. Por último, los 12 restantes pertenecen a la generación IIF, lanzados entre 2010 y 2016. Hay otros 12 planeados para ser puestos en funcionamiento a partir de 2017, pertenecientes a la generación IIIA.

Precisión de un GPS

La precisión de los GPS ha ido variando con el tiempo y de hecho puede ser diferente entre distintos modelos de hardware. Originalmente, la señal GPS proporcionaba diferentes datos a la población civil y a los militares. Esto cambió en el año 2000 por orden del presidente Bill Clinton. En la actualidad, los GPS civiles obtienen datos de la misma calidad que los militares, con una precisión mayor de 3,5 metros.

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Estados de un GPS

Para que un GPS funcione de forma precisa, necesita pasar por varios estados.

Cold Status

El receptor GPS tiene información muy desactualizada o acaba de ser encendido por primera vez. Se pondrá a esperar señales de algún satélite GPS. Sin embargo, aún no conoce la posición de los demás satélites con respecto a este. Esa información se transmite de forma periódica cada 12 minutos y medio y se denomina “almanac”. Todos los satélites GPS emiten el almanac con esa periodicidad.

Warm Status

El receptor GPS dispone de información de la hora actual transmitida por los GPS con un margen de error de 20 segundos. Con esta información es capaz de obtener su posición con una precisión de 100km y su velocidad con un margen de 25 metros por segundo. También sabe donde están todos los satélites repartidos. Ahora debe de obtener la información detallada sobre las órbitas de cada satélite. Esta información se denomina “ephemeris” y es transmitida cada 30 segundos por cada satélite GPS.

Hot Status

El receptor GPS dispone de información de hora, posición, almanac y ephemeris y puede proporcionar una posición exacta.

Cuando el receptor GPS ha fijado nuestra posición, podemos decir que hemos obtenido un Fix.

Altitud por GPS

El número de satélites que el receptor GPS es capaz de “ver en el cielo” determina la precisión de la ubicación que tenemos, pero también la capacidad de determinar la altura del receptor. De esta forma, si solo podemos recibir información de 3 satélites, obtendremos lo que se denomina un 2D-Fix.

El 2D Fix es el estado en el que un GPS es capaz de calcular su longitud y latitud. Este estado puede tener mayor o menor precisión, ya que utiliza una altitud sobre el mar estimada. La diferencia de posición estimada entre una posición long/lat a nivel del mar y a 3000 metros de altura puede ser de un kilómetro.

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Si disponemos de visibilidad de 4 o más satélites, obtendremos un 3D Fix, que nos proporciona también la altura del dispositivo sobre el nivel del mar. Esta es la situación óptima para comenzar a utilizar un GPS.

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GPS Asistido

Como hemos podido ver, la velocidad a la que un GPS fija su posición puede ser relativamente lenta, sobre todo en su primer encendido o tras mucho tiempo sin utilizar. Los dispositivos más modernos pueden hacer uso de varias técnicas para acelerar estos procesos.

Múltiples canales de recepción

Permiten obtener los datos de distintos satélites de forma simultánea (hasta 12 de hecho). Esto acelera mucho los fixes.

aGPS

Se trata de una tecnología que usan la mayoría de receptores GPS presentes en los smartphones, que obtienen los datos de almanac y ephemeris a través de Internet, en vez de esperar los 12.5 minutos y 30 segundos que tardan respectivamente en ser retransmitidos. Esto acelera muchísimo el fijar la posición y por este motivo cuando abrimos una aplicación de mapas en el teléfono podemos ver como nos comienza a localizar casi de forma instantánea.

Glonass / Galileo

Algunos receptores GPS son capaces de interpretar las señales emitidas por otras redes de geolocalización distintas a la del gobierno de los Estados Unidos. Rusia tiene su propia red de satélites, completada en los años 2000, denominada Glonass. La Unión Europea tiene un proyecto que nunca termina (ya está postpuesto para el año 2020) denominado Galileo, con el que pretende contar con su propia red de satélites de geolocalización.

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El GPS para obtener la hora

Curiosamente, el GPS es una de las formas más fiables para obtener una hora precisa, siempre que tengamos el receptor en un lugar con suficiente visibilidad del cielo para fijar unos cuantos satélites.

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