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¿Qué es y Cómo Funciona el GPS?

Que es y Como Funciona el GPS

Qué Significa GPS

El Sistema de Posicionamiento Global (GPS) es una red de unos 31 satélites que orbitan la Tierra a una altitud de 20.000 km.

El sistema fue desarrollado originalmente por el gobierno de los EE.UU. para la navegación militar, pero ahora cualquier persona con un dispositivo GPS, ya sea un reloj inteligente, un teléfono móvil o una unidad GPS portátil, puede recibir las señales de radio que transmiten los satélites.

El GPS utiliza mucha tecnología compleja, pero el concepto es simple.

Muchos receptores GPS modernos utilizan una combinación de satélites GPS y satélites GLONASS rusos para mejorar la cobertura y la precisión.

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Los seres humanos hemos mirado a los cielos para encontrar el camino desde la antigüedad. Los antiguos marineros usaban las constelaciones en el cielo nocturno para averiguar dónde estaban y hacia dónde se dirigían.

Hoy en día, todo lo que necesitamos es un receptor GPS de mano para saber exactamente dónde estamos en cualquier parte del mundo. Pero todavía necesitamos objetos en lo alto del cielo para saber dónde estamos y cómo llegamos a otros lugares.

En lugar de estrellas, usamos satélites. Más de 30 satélites de navegación están volando muy por encima de la Tierra. Estos satélites pueden decirnos exactamente dónde estamos.

El GPS funciona en todas las condiciones climáticas, siempre que haya una línea de comunicación visual sin obstrucciones con 4 o más satélites GPS.

Qué es

El GPS es un sistema.

Se compone de tres partes:

  1. satélites
  2. estaciones terrestres
  3. y receptores

Los satélites actúan como las estrellas en las constelaciones: sabemos dónde se supone que deben estar en un momento dado.

Las estaciones terrestres utilizan un radar para asegurarse de que realmente están donde creemos que están.

Un receptor, como el que puedes encontrar en tu teléfono o en el coche, está constantemente escuchando una señal de estos satélites. El receptor calcula a qué distancia se encuentran de algunos de ellos.

Una vez que el receptor calcula su distancia de cuatro o más satélites, sabe exactamente dónde se encuentra. ¡Listo! Desde kilómetros de altura en el espacio, tu ubicación en el suelo se puede determinar con una precisión increíble.

Por lo general, pueden determinar dónde te encuentras a unos pocos metros de tu ubicación real. ¡Sin embargo, más receptores de alta tecnología pueden averiguar dónde te encuentra en unos pocos centímetros!

Los antiguos marineros y exploradores de la historia se quedarían estupefactos ante la rapidez y la facilidad con la que se localiza tu ubicación en la actualidad.

Un GPS funciona independientemente de la conexión a Internet o la señal telefónica. Sin embargo, su presencia aumenta la efectividad del posicionamiento GPS.

  • Inicialmente, cuando se desarrolló el GPS para uso militar, había 24 satélites GPS orbitando la tierra cada 12 horas a una altura de 20.180 km.
  • Se ubicaron 4 satélites GPS en cada una de las 6 órbitas con una orientación de 60 grados entre sí. Estos planos orbitales no giran con respecto a ninguna estrella.
  • Más tarde, el número de satélites se incrementó a 32 para mejorar la precisión de la ubicación.
  • La localización de cualquier receptor GPS se realiza a través de la medición del tiempo de vuelo.
  • Cuanto mayor sea el número de satélites en la línea de visión de un receptor GPS, mayor será la precisión en la determinación de la posición del receptor.

Cómo Funciona

Donde sea que te encuentres en el planeta, al menos cuatro satélites GPS son ‘visibles’ en cualquier momento. Cada uno transmite información sobre su posición y la hora actual a intervalos regulares.

Estas señales, que viajan a la velocidad de la luz, son interceptadas por tu receptor GPS, que calcula la distancia a cada satélite en función del tiempo que tardan en llegar los mensajes.

Una vez que tiene información sobre la distancia a la que están al menos tres satélites, tu receptor GPS puede determinar tu ubicación mediante un proceso llamado trilateración.

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El servicio básico de GPS proporciona a los usuarios una precisión de aproximadamente 7,0 metros, el 95% del tiempo, en cualquier lugar sobre o cerca de la superficie de la tierra.

Para lograr esto, cada uno de los 31 satélites emite señales que permiten a los receptores a través de una combinación de señales de al menos cuatro satélites, determinar su ubicación y hora.

Los satélites GPS llevan relojes atómicos que proporcionan una hora extremadamente precisa. La información de la hora se coloca en los códigos transmitidos por el satélite para que un receptor pueda determinar continuamente la hora en que se transmitió la señal.

La señal contiene datos que un receptor utiliza para calcular las ubicaciones de los satélites y realizar otros ajustes necesarios para un posicionamiento preciso.

El receptor usa la diferencia de tiempo entre el tiempo de recepción de la señal y el tiempo de transmisión para calcular la distancia, o rango, desde el receptor hasta el satélite.

El receptor debe tener en cuenta los retrasos en la propagación o las disminuciones en la velocidad de la señal causadas por la ionosfera y la troposfera.

Con información sobre los rangos de tres satélites y la ubicación del satélite cuando se envió la señal, el receptor puede calcular su propia posición tridimensional.

Se requiere un reloj atómico sincronizado con GPS para calcular los rangos de estas tres señales. Sin embargo, al tomar una medida de un cuarto satélite, el receptor evita la necesidad de un reloj atómico. Por lo tanto, el receptor utiliza cuatro satélites para calcular la latitud, la longitud, la altitud y el tiempo.

Qué es la Trilateración

Imagina que estás parado en algún lugar de la Tierra con tres satélites en el cielo sobre ti. Si sabes a qué distancia estás del satélite A, entonces debe estar ubicado en algún lugar dentro del círculo rojo (ver imagen más abajo).

Si haces lo mismo para los satélites B y C, puedes calcular tu ubicación al ver dónde se cruzan los tres círculos. Esto es exactamente lo que hace tu dispositivo GPS, aunque utiliza esferas superpuestas en lugar de círculos.

Cuantos más satélites haya sobre el horizonte, más precisa será tu unidad GPS para determinar dónde te encuentras exactamente.

Cómo Funciona el GPS
Cómo Funciona el GPS

Una vez que se calcula la posición de un receptor, el dispositivo GPS puede calcular fácilmente:

  • Hora de salida y puesta del sol
  • Velocidad
  • Ruta
  • y distancia al destino

del receptor GPS.

GPS y Relatividad

Los satélites GPS tienen relojes atómicos a bordo para mantener la hora exacta. Sin embargo, la relatividad general y especial predice que aparecerán diferencias entre estos relojes y un reloj idéntico en la Tierra.

La Relatividad General predice que el tiempo parecerá correr más lento bajo una fuerza gravitacional más fuerte; por lo tanto, los relojes a bordo de los satélites parecerán avanzar más rápido que un reloj en la Tierra.

Además, la Relatividad Especial predice que debido a que los relojes de los satélites se mueven en relación con un reloj en la Tierra, parecerán funcionar más lentamente.

Toda la red de GPS debe tener en cuenta estos efectos, prueba de que la relatividad tiene un impacto real.

Retos técnicos a los que se enfrenta el GPS

  • Sincronización de tiempo entre satélites individuales y el receptor GPS
  • Actualización en tiempo real de la ubicación exacta del satélite GPS
  • Medición precisa del tiempo de vuelo
  • Interferencia con otras señales

Sincronización de tiempo

Cada uno de los satélites GPS está equipado con un reloj atómico para mantener la hora actualizada y precisa.

Para actualizar y proporcionar una sincronización precisa en el receptor, el receptor utiliza el cuarto satélite GPS para mantener la sincronización precisa.

Con el tiempo con el receptor y los satélites GPS mantenidos por los relojes atómicos, el receptor puede calcular la diferencia horaria exacta.

Los satélites GPS se gestionan constantemente desde estaciones terrestres para resolver la sincronización horaria.

Importancia de la ultra en la precisión de sincronización de tiempo

La radiación electromagnética se propaga con la velocidad de la luz.

La precisión en la posición es directamente proporcional a la medición del tiempo, ya que velocidad * tiempo = distancia, por lo tanto, incluso una pequeña desviación en el cálculo del tiempo puede crear una gran diferencia en la distancia debido a la gran velocidad de la luz.

Actualización en tiempo real de la ubicación exacta del satélite

  • Esto se hace monitoreando los satélites desde un número de sistemas terrestres ampliamente distribuidos.
  • La estación maestra analiza todas las medidas y transmite la posición real de cada satélite.

GPS diferencial [DGPS]

DGPS es una mejora sobre el GPS que proporciona una precisión de ubicación mejorada.

  • El receptor GPS, también llamado estación base, debe configurarse en una ubicación conocida con precisión
  • El receptor de la estación base calcula su posición en función de las señales del satélite y compara su ubicación con la ubicación conocida
  • La diferencia entre las dos ubicaciones se aplica a los datos registrados por el receptor GPS
  • Proporciona precisión de posición en un rango de sub metros a cm

DGPS utiliza una red de estaciones terrestres fijas para transmitir la diferencia entre las posiciones indicadas por los sistemas de satélite GPS y las posiciones fijas conocidas.

Estas estaciones transmiten la diferencia entre los pseudodistancias medidas del satélite y las pseudodistancias reales y las estaciones receptoras pueden corregir sus pseudodistancias en la misma cantidad.

Además de GPS

La navegación por satélite se basa en una red mundial de satélites que transmiten señales de radio desde una órbita terrestre media. Los usuarios de navegación por satélite están más familiarizados con los 31 satélites del Sistema de Posicionamiento Global (GPS) desarrollados y operados por los Estados Unidos.

Otras tres constelaciones de satélites también proporcionan servicios similares. En conjunto, estas constelaciones y sus aumentos se denominan Sistemas Globales de Navegación por Satélite (GNSS).

Las otras constelaciones de satélites son:

  • GLONASS, desarrollada y operada por la Federación Rusa
  • Galileo, desarrollada y operada por la Unión Europea
  • BeiDou, desarrollada y operada por China

Todos los proveedores han ofrecido el uso gratuito de sus respectivos sistemas a la comunidad internacional. Todos los proveedores han desarrollado estándares y prácticas recomendadas de la Organización de Aviación Civil Internacional (OACI) para respaldar el uso de estos sistemas para la aviación.

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