El Sistema de Posicionamiento Global. GPS

El Sistema de Posicionamiento Global, más conocido con las siglas en inglés GPS, es un Sistema de Navegación por Satélite que permite determinar en todo el mundo la posición de un objeto, con una gran precisión que puede llegar hasta los centímetros,  si bien lo habitual son unos pocos metros. El sistema fue desarrollado, instalado y actualmente operado por el Departamento de Defensa de los Estados Unidos, que suministra información sobre la posición y la velocidad de los objetos que lo usan 24 horas al día y con cobertura en todo el mundo.

El sistema funciona mediante una red de 27 satélites (24 operativos y 3 de respaldo), situados en órbita sobre nuestro planeta a unos 20.200 km, con trayectorias sincronizadas para cubrir toda la superficie de la Tierra, alrededor de 6 planos con una inclinación de 55 grados.

Cuando se desea determinar la posición de un receptor situado en la superficie de la Tierra, en términos de longitud y latitud, el mismo necesita localizar un mínimo de tres satélites de la red, que deben estar «visibles» en línea recta. De ellos recibe unas señales, en las cuales se encuentra codificada la posición en el espacio y la hora del reloj de cada uno. Con base en esta información, el aparato sincroniza el reloj del GPS y calcula el retraso de las señales; y con ello la distancia exacta al satélite. Posteriormente, por triangulación calcula la posición en que éste se encuentra, realizando una superposición de unas esferas imaginarias. Con este método, a partir de las tres distancias conocidas, se determina fácilmente la propia posición relativa respecto a los tres satélites, obteniendo la posición absoluta o las coordenadas reales del punto de medición. Si además de conocer la posición del punto, también queremos conocer la altitud, es necesario un cuarto satélite adicional. También se consigue una exactitud extrema en el reloj del receptor GPS, similar a la de los relojes atómicos que llevan a bordo cada uno de los satélites, y con los cuales se sincroniza.

Debido a la configuración de la constelación de satélites, cualquier receptor situado en la superficie terrestre es capaz de observar de forma directa entre 6 y 12 satélites en todo momento. Por supuesto, sin tener en cuenta los accidentes geográficos u otro tipo de obstáculos naturales o artificiales. Cada satélite envía una señal única y que se conoce como Space Vehicle Number & Pseudorandom Code Number, la cual trasnporta toda la información necesaria para su procesamiento en el receptor.

Así pues, los receptores GPS más sencillos están preparados para determinar con un margen mínimo de error la latitud, longitud y altura desde cualquier punto de La Tierra donde nos encontremos situados. Otros más completos muestran también el punto donde hemos estado e incluso trazan de forma visual sobre un mapa la trayectoria seguida o la que vamos siguiendo en esos momentos, pero esto ya depende de la capacidad de procesamiento del propio receptor y la información histórica almacenada por él, bien de modo local, o a través de sistemas accesibles por internet.

Entre los antecedentes del GPS, nos encontramos que el lanzamiento del satélite espacial estadounidense Vanguard en 1959 puso de manifiesto que la transmisión de señales de radio desde el espacio podría servir para orientarnos y situarnos en la superficie terrestre o, a la inversa, localizar un punto cualquiera en la Tierra. Los sistemas anteriores de posicionamiento que empleaban estaciones terrestres de AM (Amplitud Modulada) cubrían un área mayor que los de UHF (Frecuencias ultracortas), pero no podían determinar con exactitud una posición debido a las interferencias atmosféricas que afectan a las señales de radio de amplitud modulada y a la propia curvatura de la Tierra que desvía las ondas.

Por tanto, la única forma de solucionar este problema era colocando transmisores de radio en el espacio cósmico que emitieran constantemente señales codificadas en dirección a la Tierra. De hecho esas señales cubrirían un área mucho mayor que las de AM sin introducir muchas interferencias en su recorrido.

Sin embargo, no fue hasta 1993 que el Departamento de Defensa de los Estados Unidos de América, basado en la experiencia recogida del satélite Vanguard (en un principio para uso exclusivamente militar) puso en funcionamiento el actual sistema de localización por satélite. En concreto, el 26 de junio de 1993, se puso en órbita el satélite Navstar número 24, con lo que se completaba la red para su funcionamiento operativo.

En sus inicios el propio Departamento de Defensa programó errores de cálculo codificados en las transmisiones de los satélites GPS para limitarlo solamente a la actividad militar que sí contaba con decodificadores para interpretar correctamente las señales, pero a partir de mayo de 2000 esta práctica quedó cancelada y hoy en día el sistema GPS se utiliza ampliamente en muchas actividades de la vida civil, aunque no está exento de ser reprogramado de nuevo en caso de cualquier conflicto bélico. La primera prueba con éxito del sistema GPS desde el punto de vista práctico como instrumento de ayuda a la navegación, la realizó el trasbordador espacial Discovery en el propio año que se puso en funcionamiento el sistema.

Actualmente los satélites GPS pertenecen a una segunda generación. Además, han surgido otras iniciativas, como la Galileo,  procedente de la Unión Europea bajo la dirección de la Agencia Espacial Europea. Este proyecto está formado por una constelación de 30 satélites divididos en tres órbitas circulares, a una altitud de aproximadamente 24.000 km. que, además, estarán apoyados por una red mundial de estaciones terrestres. El primer satélite experimental fue lanzado el 28 de diciembre de 2005 y el 21 de abril de 2011 se lanzaron los dos primeros satélites del programa. Se espera que el sistema esté completamente operativo a partir de 2019, nueve años más tarde de lo inicialmente previsto, y se prevé que sea compatible con GPS. También existe otra iniciativa china similar, con el nombre de Beidou, todavía en fase de proyecto.

Mediante el simulador espacial Celestia se puede observar el funcionamiento del sistema, para ello, basta instalar el addon con la totalidad de los satélites descargándolos de esta dirección.

Fernando Cuartero

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