El más conocido por el gran público, desde siempre, hasta el punto de que podríamos decir que se ha convertido en una especie de sinónimo de “posición geográfica”, es el sistema GPS (del inglés Global Positioning System), aunque hay otros funcionando en la actualidad con características parecidas —tales como el sistema europeo “Galileo, o el “Glonass” ruso—. Todos ellos son similares en cuanto al principio de funcionamiento técnico y prestaciones, y a los efectos del presente breve texto de divulgación nos referiremos solamente al primero.
El GPS no fue el primero de los sistemas de navegación, ni tampoco el primero por satélite. En sus sistemas precursores por satélite, el servicio no siempre estaba disponible, sino que el usuario, por ejemplo un barco en alta mar, tenia que esperar a que apareciera algún satélite por el horizonte para determinar su posición de manera electrónica, y ello durante un breve intervalo de tiempo. Sin embargo, se considera el primer desarrollo significativo en cuanto a facilitar una navegación eficiente y más segura.
Probado durante la Guerra del Golfo, en enero de 1991, a pesar de que no estaba aún totalmente desarrollado, se mostró como una herramienta primordial para el posicionamiento preciso de las Fuerzas Armadas. Pero también, y especialmente desde entonces, se ha venido empleando en otros campos de aplicación civil como la navegación marítima y aérea. Por ejemplo, y sin ser exhaustivos, como instrumento de precisión en estudios geológicos y topográficos, en la determinación precisa de las reservas de biomasa en espacios naturales, así como en el establecimiento más exacto del tiempo de referencia universal de nuestro planeta, asunto nada baladí, que permite, por ejemplo, la sincronización de relojes entre diferentes países, y muy en particular, de las comunicaciones digitales entre ordenadores para el flujo eficiente de la información a través de Internet, etc.
Y, por supuesto, desde la incorporación de receptores GPS integrados en los chips de los teléfonos móviles, se ha convertido en una herramienta de uso habitual, existiendo además muchas aplicaciones para su descarga, en cualquiera de los sistemas IOS o Android, bastantes de escasa utilidad, aunque en ciertos casos ofrecen prestaciones adicionales de cierto interés para los usuarios en general.
Concepto
Los sistemas de posicionamiento pretenden dar respuesta a un simple par de preguntas: ¿dónde nos encontramos y en qué momento de tiempo? La cuestión adicional a responder es el grado de confianza que nos merece el sistema de medida. Es decir, en palabras menos técnicas, la precisión que necesitamos según el caso.
Desde siempre, en los sistemas clásicos de navegación, el posicionamiento ha consistido en determinar las coordenadas sobre mapas, en los que se reflejan las medidas observadas; mapas a su vez referidos a las coordenadas de determinados observatorios astronómicos, también sujetos a errores y a cambios variables con el tiempo, como por ejemplo la declinación magnética.
Los primeros sistemas de radionavegación —OMEGA, LORAN, etc.— supusieron un cambio muy significativo. Aparecieron antes de la década de los setenta, y sus rudimentos se remontan a la Segunda Guerra Mundial. Algunos de ellos se siguen utilizando todavía, sobre todo como ayudas a la navegación aérea (por ejemplo el sistema VOR de aproximación en zonas cercanas a algunos aeropuertos). Todos ellos están basados en la medida de determinadas características de las ondas de radio generadas por estaciones de referencia en tierra.
En cuanto al sistema GPS, a pesar de ser bastante más sofisticado, no está muy lejos de los primeros sistemas citados, puesto que se basa también en ondas de radio, aunque en este caso provenientes de una flota de satélites en órbita alrededor la Tierra.
Gestado a partir de un proyecto de la fuerza aérea estadounidense del año 1963, debía ser capaz de determinar continuamente la posición de aeronaves militares en cualquier lugar del mundo. Desde su despliegue completo hacia mediados de les años noventa, existen dos tipos de receptores GPS: los civiles y los militares. Los primeros —que se han popularizado sobre todo en los navegadores en coches y en teléfonos móviles— utilizan un código de cifrado digamos “público” de ambos (el sistemas civil y el militar) generados por los satélites.
Durante la década de los noventa, se empezó a popularizar su empleo en navegación marítima (pesca, deporte, etc.), aérea (avionetas, aviones, etc.) y terrestre (flotas de camiones, rallys deportivos, etc. ). A pesar de que daban la posición cada segundo o menos, los GPS de los años noventa necesitaban por lo general un cierto tiempo de puesta en marcha (entonces era, típicamente, unos cuantos minutos). Actualmente este tiempo es inapreciable. Por su parte, los receptores militares utilizan el código “protegido”, de acceso secreto, que también generan los satélites, lo que les permite una precisión muchísimo mayor. Se emplean, por ejemplo, en el control de artillería —las “bombas inteligentes”—, como equipo central de navegación en los aviones supersónicos de combate y en los misiles, en cohetes lanzadores de naves espaciales, etc. Incluso, en algunos casos, se añaden protecciones especiales para evitar las interferencias enemigas en la guerra electrónica.
¿Cómo está construido?
Pues no es nada sencillo. Intentaremos hacer un breve resumen de su gran complejidad. Hay una constelación de 24 satélites orbitando la Tierra, a una altura de 20.200 km, distribuidos en seis planos orbitales. Cada uno de los planos contiene 4 satélites con una inclinación de 55 grados respecto del plano del ecuador terrestre. Cada satélite emite continuamente dos códigos en la banda de ondas de radio 1000 MHz, y mantiene él mismo información de su posición y de su reloj atómico enormemente preciso, sincronizado con los otros satélites, en todo momento. Para mantener en funcionamiento toda esta compleja estructura, la administración norteamericana dispone de una sofisticada red de supervisión y control a escala mundial. Hay, asimismo, algunos satélites de reserva para casos de avería.
¿Cómo funciona?
De entrada, cabe decir que la energía que reciben los GPS desde los satélites es increíblemente baja, aunque suficiente por supuesto, dada la enorme distancia a la que se encuentran (20.200 km) de la Tierra. El problema lo ha resuelto la tecnología electrónica con chips receptores más sensibles, capaces de detectar con aprovechamiento señales de radio muy débiles.
Para determinar la posición en 3 dimensiones, es decir Latitud, Longitud y Altura respecto del nivel del mar (aunque también se puede hacer solo en 2 dimensiones, sin la altura), un receptor GPS necesita como mínimo 4 satélites. El reloj interno del receptor GPS determina 4 “pseudodistancias” a los correspondientes satélites a partir de los momentos relativos en que le llegan las señales y de un almanaque interno, lo que le permite saber dónde se encuentra cada satélite. Entonces, tiene 4 medidas y 4 incógnitas por determinar: la latitud, la longitud, la altura relativa al centro de la Tierra y el error del reloj del GPS —un reloj que es más económico que el del satélite (y por tanto menos preciso) respecto del tiempo universal—. El resto ya son matemáticas de álgebra convencional con un poco de geometría, y la realiza el minúsculo ordenador especializado del GPS: resuelve en fracciones de segundo las 4 ecuaciones de distancia y obtiene la información de posición del usuario con una precisión enorme (pocos metros, o menos) y la hora, con una precisión de una décima de millonésima de segundo. Y todo repetido una y otra vez de manera continua. Esto es lo que hace básicamente todo receptor GPS. Algunos incorporan mejoras para conseguir calcular más rápidamente o para escoger qué combinación de 4 satélites es la que proporciona más precisión, o para pasar a sólo 2 dimensiones (no se calcula la altura), o para aceptar correcciones adicionales que mejoran aún más la precisión (el llamado sistema DGPS o GPS diferencial). Existen otros sistemas mejorados, de una precisión hasta de centímetros, que se utilizan por lo general en las maniobras de las aeronaves en los momentos críticos, cuales son el despegue o el aterrizaje, en muchos aeropuertos del mundo.
Damià Vidal