Sistema de localización global y navegadores (2)

Uno de los satélites del sistema NAVSTAR-GPS.

Tal y como comentábamos en mi anterior artículo, la principal característica de un navegador es su capacidad de saber donde está. Utilizando un sistema de localización por satélite, que alcanza prácticamente todo el planeta, los navegadores pueden comparar la posición con sus mapas, para calcular la ruta a seguir hasta el destino marcado.

Los satélites NAVSTAR-GPS se encuentran orbitando a una altura de unos 20200km sobre el nivel del mar, dando una vuelta a la tierra aproximadamente cada doce horas. De esta forma, cada satélite sólo está visible en el cielo durante seis horas de cada doce; la mitad del tiempo. No obstante, si el satélite está muy abajo en el cielo (acaba de salir, o está a punto de ponerse), la señal tiene que atravesar mucha atmósfera y se ve ligeramente atenuada. Así que la señal es óptima aproximadamente sólo durante una cuarta parte del tiempo. Para solucionarlo, en cada órbita se sitúan cuatro satélites, a intervalos regulares. En total, se tenemos seis diferentes órbitas, lo que da un total de 24 unidades espaciales en la constelación NAVSTAR, más otros tres de auxilio. Constelación de satelites GPS.En la actualidad, la red de satélites se ha extendido hasta 31, consiguiendo una mejor cobertura. El sistema está diseñado para que, en cada instante, haya entre 9 y 10 satélites disponibles en la mayor parte del planeta, tal y como se puede ver en el diagrama adjunto.

El sistema NAVSTAR-GPS es propiedad del departamento de defensa de los Estados Unidos de América. Tiene dos versiones, una de alta precisión, capaz de determinar la posición con un error de apenas centímetros, pero cifrada para evitar que los ejércitos enemigos se aprovechen de ella (la tecnología de las bombas inteligentes se basa en esta gran precisión). La versión menos potente, con una precisión de unos treinta metros aproximadamente, es de libre utilización para todo el mundo. Hasta el 2 de mayo de 2000, el gobierno norteamericano se reservaba el derecho de introducir un adicional (y voluntario) error aleatorio de hasta 100m en la banda civil para perjudicar a sus enemigos. Si no se hubiera eliminado esta disponibilidad selectiva, hoy en día no sería factible la navegación terrestre por GPS.

Cada satélite está equipado con un reloj de alta precisión, capaz de determinar el segundo actual con un error de una parte entre mil millones. Además, el satélite conoce exactamente las coordenadas de su posición actual. Para no perder precisión, los datos de la órbita de cada uno de los satélites se actualizan cada 12 minutos. Esta información se emite constantemente por radio a la tierra.

Al recibir la señal, la unidad GPS compara la hora de emisión con la de su reloj interno. Dado que las ondas de radio (que no es más que luz de un color invisible) se mueven a una velocidad constante de 299792458 metros por segundo, sabiendo la diferencia de tiempo entre la emisión y recepción, la unidad puede calcular la distancia a la que se encuentra del satélite. Repitiendo la operación con otros dos satélites, puede triangular las coordenadas exactas (latitud, altitud y altura respecto el nivel del mar).

Sin embargo, para que esto funcione bien es necesario que el reloj de la unidad receptora sea muy preciso. Por ejemplo, los relojes digitales normales de pulsera tienen una precisión de 0.01s. En este tiempo, la luz puede recorrer unos tres mil kilómetros. Ese sería el error al medir la distancia al satélite, lo que haría poco útil el sistema. Sin embargo, construir relojes tan precisos como los que llevan los satélites es muy caro. Para solucionar este problema, se utilizan los datos de más satélites a la vez para corregir el reloj interno. De esta forma, el reloj de vuestro navegador siempre estará en hora, será el más preciso a vuestra disposición.

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La Física pone otro problema más a la hora de determinar con exactitud la diferencia de tiempo entre la emisión y la recepción de la señal: la relatividad. Explicar con detalles los efectos relativistas no es el objetivo de este blog de seguridad vial, pero permitidme que os haga un resumen muy muy pequeño. La relatividad dice que dos observadores diferentes realizando mediciones sobre el mismo fenómeno pueden obtener resultados diferentes dependiendo de su estado de movimiento y la gravedad en el lugar donde se encuentran. ¿Cuál de los dos observadores tiene razón? Pues los dos, simplemente hay que tener en cuenta que las mediciones son relativas, no absolutas. Ambos observadores están midiendo correctamente en su sistema de referencia, y todos los sistemas de referencia son igualmente válidos.

En este caso, como la gravedad en órbita es lijeramente más débil que en la superfície (ya que los satélites se encuentran más lejos de la tierra), sus relojes se adelantarán 45.9 microsegundos por día (0.0000459 segundos). Además, debido a que se mueven muy rápidamente, los relojes de los satélites se retrasarán en 7.2 microsegundos por día (0.0000072 segundos). Combinando ambos efectos, los relojes de los satélites NAVSTAR-GPS sufrirán un adelanto de de 38 microsegundos por cada día (0.000038 segundos). Aunque parezca una diferencia minúscula, los relojes tardarán 72 años en desviarse un segundo, a la velocidad de la luz 38 microsegundos representan 11km, un error considerable a la hora de orientarse. Por lo tanto, es necesario corregir este efecto retrasando artificialmente los relojes en órbita.

Dado que el sistema NAVSTAR-GPS es propiedad de los USA, está optimizado para ofrecer mejores resultados en su territorio, y en aquellos lugares donde les interesa lanzar bombas con gran precisión. En Europa, y sobre todo en las regiones cercanas a los círculos polares, la cobertura de los satélites se ve mermada, perjudicando la precisión. Con el objetivo de solucionar este problema, la Unión Europea está preparando el sistema Galileo, que además será de uso civil, dando acceso a todo el mundo a una mayor precisión. Aunque se pretendía activar en 2008, actualmente el proyecto acumula al menos tres años de retrasos como mínimo. Por lo tanto, en los próximos años los navegadores ya no dependerán del sistema americano exclusivamente, probablemente incluirán receptores para ambos sistemas.

Bien, teniendo todo esto en cuenta, la unidad GPS es capaz de determinar con una precisión de unas pocas docenas de metros la posición en la tierra. Si la unidad GPS está conectada a un mapa, tenemos un navegador capaz de orientarnos a la hora de circular. Pero hay que usarlo con responsabilidad, tal y como veremos en el próximo artículo.

Más Información | Wikipedia
Fotos | Fuerza aérea de EEUU (vía wikipedia), El pak, Paul Vlaar (bajo GPL)