El
GPS
Global
Position System
Sistema
de Posicionamiento Global
Textos de Sandro Franchi
Primera
parte
El
objetivo de esta nota es dar un pantallazo general e introductorio a un
tema que está cada vez más en boca de infinidad de personas
que se dedican a las actividades al aire libre y la aventura en terrenos
inhóspitos: El GPS
Como primera medida, expliquemos de que se trata: Son las siglas de Global Positioning System (Sistema de Posicionamiento Global) el cual está integrado por tres componentes fundamentales, que más adelante explicaremos en detalle: 1) Los satélites, que permanentemente envían información a la Tierra, 2) Las estaciones terrenas, que corrigen la información enviada por los satélites y reenvían información a éstos para retroalimentar la correción de errores en un juego perpetuo de ida y vuelta, y 3) Los receptores, que son justamente los "aparatitos" que podemos comprar en casas de deportes o de náutica y que erroneamente llamamos GPS. En esta nota nos referiremos al receptor como "receptor" y al sistema de posicionamiento como un todo "GPS" o "NAVSTAR".
NAVSTAR es el verdadero nombre de pila del sistema GPS, como
un todo (NAVigational Satellite Timing And Ranging), aunque obviamente ya
se hizo popular su nuevo nombre: GPS, por lo cual seguiremos llamándolo
de esa manera. Es bueno aclarar que el NAVSTAR (comenzado a desarrollar
por los Estados Unidos de Norteamérica en 1973 y puesto en operación
definitiva en 1995) no es el único sistema de GPS que existe
en el mundo. La ex URSS también desarrolló su propio sistema
de posicionamiento global, el GLONASS, pero los modelos de receptores
que se venden mundialmente para uso en actividades recreativas no interpretan
las señales del GLONASS, solo las del NAVSTAR.
En
derredor de la tierra, a unos 19000 km. y orbitando una vez cada 12 horas,
se encuentran los 24 satélites que envían información
hacia los receptores que utilizamos a diario. Su distribución ( 6
órbitas con 4 satélites cada una ) permiten que en cualquier
parte de la Tierra - siempre y cuando se tenga una visión plena y
sin obstrucciones del horizonte a nuestro alrededor - tengamos al menos
6 satélites sobre nosotros. La señal enviada por los satélites
es extremadamente débil ( 50 watts, lo que equivale a la potencia
de modelos "modestos" de radio usados en náutica y otras
actividades) motivo por el cual, muchas veces, la calidad de la señal
recibida es "más que pobre" ante la mínima obstrucción
en la visibilidad de los satélites.
Elementos como la carrocería de un vehículo,
follaje denso, presencia de edificios que impiden la visualización
de parte del cielo, fenómenos climáticos y muchos muchos otros,
hacen que la exactitud en la determinación de la posición
por parte del receptor se vea reducida. Como dato curiosos es interesante
saber que existen otros dos satélites de "repuesto" que
se ponen en funcionamiento únicamente en caso de tener que poner
en mantenimiento alguno de los otros 24.
En Tierra existe una "red" de estaciones terrenas que en
forma permanente envían hacia los satélites la posición
exacta de cada uno de ellos (corrigiendo con esta información la
posición determinada por el propio satélite) y la hora exacta
UTC, a fin de poder sincronizar los cuatro relojes atómicos
con que cada satélite cuenta. Esta correción y sincronización
permanente de todos los satélites desde las estaciones en Tierra
permite que el sistema como un todo pueda mantener una confiabilidad uniforme
en cualquier punto del planeta.
Ahora
bien: ¿Cómo determina el receptor su posición
y qué tipo de información le envían los satélites
para poder calcularla? Sabemos que las ondas de radio se mueven a la velocidad
de la luz, por lo cual podemos decir que si sabemos en qué momento
se ha originado una señal de radio y cuánto ha tardado en
llegar hasta nosotros podríamos calcularle fácilmente a qué
distanci está el emisoa de esa señal: El satélite.
La información que los satélites envían a los receptores
es básicamente la hora UTC (Tiempo Universal Coordinado o
también mencionado comunmente como "Hora GPS") e
información acerca de en que posición debería estar
ese satélite en particular en cada momento. ¿Cómo sigue
el cálculo dentro del receptor que tenemos en nuestras manos? Dentro
del receptor existe una CPU y un programa de software a fin de realizar
complejos cálculos trigonométricos, de esos que en algún
momento de nuestro secundario hemos estudiado.
Supongamos
que desde donde estamos en este momento, con nuestro receptor en la mano,
captamos la señal de cuatro satélites a los que llamaremos
1, 2, 3 y 4 (en la realidad cada satélite tiene un número
identificatorio que puede verse en la mayoría de los receptores).
Determinando cuánto ha tardado la señal desde uno de los satélites
para él visible - no olvidemos que en la señal recibida viaja
la hora en que la señal se emitió y que el receptor tiene
en su propio reloj - y sabiendo la posición en que el satélite
debería estar, le es posible trazar una esfera virtual con origen
en el satélite y radio igual a la distancia a la que este dice encontrarse
(Fig. 1). ¿Para que esa esfera?
El receptor sabe de esta forma - por la información enviada por el
satélite y sus propios cálculos - que definitivamente se encuentra
en algún punto dentro de esa esfera de quizás ¡19000
km. de radio! lo cual no parece demasiado preciso, por cierto... Pero si
en este escenario agregamos un segundo satélite y el receptor "imagina"
una segunda esfera con las mismas características de la anterior,
estas dos esferas se intersectarán (Fig.
2) reduciendo muchísimo el área en que el receptor
se encuentra.
En cuanto un tercer satélite entra en escena - y en los cálculos
- el receptor ya es capaz de determinar lo que se llama una posición
"2D" (Fig. 3) es decir,
su posición expresada en latitud y longitud, con una exactitud relativamente
aceptable. Para esto el receptor necesita un valor ingresado por nosotros
- a falta de un cuarto satélite - que es la altura sobre el nivel
del mar a fin de mejorar el cálculo de su posición. Al ser
bastante difícil el conocer con exactitud la altitud en la que nos
encontramos, es preferible el no "confiar" en el receptor si entra
en modo "2D" debido a que ingresar una altitud incorrecta
nos puede dar errores más que considerables, es mucho más
sencillo sin lugar a dudas el mover el receptor a algún lugar donde
lograr una mejor visibilidad de los satélites y se logre entrar en
modo "3D".
¿Cómo
determina el receptor la posición "3D" y cómo
se logra? En cuanto un cuarto satélite se suma al cálculo
(Fig. 4) el receptor efectúa
esta medición con las cuatro posibles combinaciones de tres satélites
(1-2-3, 2-3-4, 1-3-4 y 1-2-4), utiliza al cuarto para el cálculo
de la altitud y promedia esos cálculos a fin de determinar su posición
con una exactitud igual o menor a 30 metros en el 95 % de las mediciones.
Es bueno aclarar que le valor determinado para la altitud es bastante inexacto
debido a que el receptor utiliza un solo satélite para esta tarea.
La mayoría
de los receptores modernos son capaces de "escuchar" hasta a 12
satélites en forma simultánea (12 canales) y a partir de la
calidad de la señal recibida de cada uno, determina con cuáles
efectuar estos cálculos valiéndose, de ser necesario, de los
restantes para mejorar el cálculo de su posición.
¿Cómo podemos saber exactamente qué exactitud tenemos al determinar una posición? Hay dos valores que figuran en la mayoría de los receptores y que nunca quedan muy en claro, tampoco en los manuales, sobre lo que tratan y para que sirven. Estos son el EPE (Estimates Position Error), que es el error estimado en la determinación de la posición y se expresa en metros, y el DOP (Dilution Of Precision) que es un factor - un valor absoluto - por el cual el valor del EPE debe ser multiplicado para tener una certeza bastante precisa de nuestro márgen de error. Como ejemplo, si nuestro receptor nos indica que tenemos un EPE de, digamos, 10 metros, significa que en el 50 % de las mediciones - o dicho de otra manera, con un 50 % de seguridad - estamos en un círculo de 10 metros de diámetro a partir del punto que el receptor nos dice estar.
Pero
si queremos más exactitud debemos multiplicar ese valor por el DOP,
supongamos 2. Esto nos permite decir que, con un 95 % de seguridad, estamos
en algún punto de un círculo de 20 metros de diámetro.
(EPE * DOP). Realmente saber con unos 20 ó 30 metros en que
lugar del planeta uno se encuentra, es más que suficiente en la mayoría
de las situaciones. No es poco frecuente, en días o noches claras,
con buena visibilidad del horizonte, tener un EPE de 3 ó 4
metros y un DOP de 1.8 ó 2, lo cual nos pone ya en un círculo
de apenas 6 a 8 metros, aproximadamente.
Existen procedimientos como el "promediado" de mediciones que efectúa un gran número de modelos de receptores que logran mejorar aún más estos valores y consiste sencillamente en colocar el receptor estático en algún sitio y solicitarle que promedie sus propios cálculos durante un tiempo prudencial. Sin dudas, luego de un centenar de mediciones - un par de minutos - lograremos valores mucho más exactos. Esta explicación (al igual que los algoritmos utilizados) puede variar sustancialmente entre diferentes modelos del mismo fabricante y más aún entre diferentes fabricantes, llegando a utilizar términos diferentes para referirse a lo mismo, haciendo este trabalenguas un poco más complicado aún.
Recomendamos leer
el manual del modelo de receptor que usted posee para tener certeza de estos
puntos, pero, conceptualmente, el principio utilizado es el mismo en todos
los casos, sin importar
el nombre que se le de a cada elemento.
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El
Sr. Sandro Franchi es Director de la empresa American Outland, organización
dedicada a la difusión de las actividades al aire libre. Por
cualquier consulta podrá contactarlo en forma directa a su
e-mail sandro_franchi@american-outland.com
o ingresando al web site http://www.american-outland.com |
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