El sistema GPS

El hombre, desde sus inicios recorriendo la Tierra, ha estado buscando la mejor manera de saber dónde estaba y hacia dónde ir. Es algo tan fundamental para el hombre que siempre ha estado buscando el mejor sistema para hacerlo, pero todos tenían alguna pega.

Seguramente, el sistema más antiguo sería señalizar los senderos con marcas o montones de piedras, pero la idea se iba al traste en cuanto llovía o nevaba. Cuando empezamos a navegar y explorar los mares se complicó, había que guiarse por las estrellas. Pero sólo podíamos orientarnos por la noche y con el cielo despejado, se inventaron instrumentos complejos para ayudarnos a la navegación; pero el cálculo nos decía la ubicación con un error de más de una milla, por lo que en ocasiones era insuficiente.

Entonces llegó la era de la electrónica y, gracias a ello, se creó el LORAN. Un ingenioso sistema basado en la radiogoniometría muy fiable en aguas costeras, pero las interferencias eléctricas afectaban a su precisión. Luego el sistema OMEGA, con una técnica parecida pero pensado para la navegación terrestre.

Y el hombre empezó a mirar el cielo pensando en utilizar satélites para que fueran nuestras propias estrellas para la navegación, y creó el sistema SatNav (Transit System). Consistía en una constelación de pocos satélites que orbitaban muy bajo y, junto a la tecnología de trasmisión utilizada, requería de un tiempo de exposición muy prolongado y no siempre se obtenía la posición, además que podía darla con muy poca precisión.

Hasta que en los años 70 el Departamento de Defensa de los Estados Unidos creó, basado en su programa experimental Navigation Technology Program, el sistema satelital NAVSTAR que posteriormente se llamaría GPS (Global Positioning System).

Entre 1978 y 1985 se pusieron en órbita los primeros satélites destinados al sistema GPS, pero estos aún eran experimentales, siendo a partir de 1987 cuando se inició el lanzamiento de la generación de satélites que constituirían la auténtica constelación de GPS. En 1995 se anunció la “Capacidad Operativa Total” del sistema GPS, con una constelación de 24 satélites orbitando la Tierra.

El GPS, al igual que el resto de sistemas GNSS, consta de tres partes denominadas segmentos, siendo el segmento espacial, de control y de usuario.

Segmento espacial

Es la parte que compone la constelación de satélites que orbita alrededor de La Tierra, siendo un total de 24 satélites orbitando a 20.200 Km de la superficie terrestre en una órbita terrestre media (MEO), y a una velocidad de 14.000 Km/h, equivalente a una vuelta a La Tierra cada 12 horas.

Segmento de control

El Segmento de Control Operacional (OCS) está formado por un conjunto de 28 estaciones terrestres, cuya función es monitorizar el estado de funcionamiento de los satélites del sistema, actuando sobre ellos en caso que sea necesario modificar o corregir el funcionamiento de los mismos:

• Estación de Monitorización: Son 16 estaciones, cuya función es recibir las señales e información transmitida por los satélites.
• Estación de Transmisión: Son 11 estaciones, su función es transmitir a los satélites la información con las correcciones y/o mensajes de navegación para el correcto funcionamiento de los satélites.
• Estación de Control: Es una sola estación también denominada Estación Maestra, su función es centralizar todos los datos de la constelación GPS recibidos por las estaciones de monitorización, y para poder controlar el mantenimiento de los satélites, la sincronización de los relojes, rectificación de la órbita, etc.

Segmento de usuario

En esta parte del sistema están los receptores de GPS de, por ejemplo, los Smartphone y navegadores. Estos dispositivos reciben las señales de los satélites (segmento espacial) para obtener su posición, velocidad, rumbo, hora GMT, etc.

LAS SEÑALES DE GPS

El sistema de posicionamiento por GPS está basado en la recepción de las señales de los satélites y su posterior interpretación de las mismas.

Cada satélite GPS está constantemente emitiendo un mensaje a 50 bits por segundo, cada transmisión dura 30 segundos y lleva un total de 1500 bits de datos. Estas transmisiones se emiten de forma cronometrada, cada minuto y cada medio minuto; transportando la hora precisa obtenida del reloj atómico de abordo, la hora GPS, la órbita del satélite e información de su “estado de salud”. Estas transmisiones se denominan almanaque, y cada satélite emite las suyas propias.

Estas transmisiones están codificadas con una secuencia de códigos pseudo-aleatorios (PRN), diferente de cada satélite. Los receptores de GPS reciben los mensajes encriptados y pueden descifrarlos porque conocen los PRN de cada satélite, sabiendo así su contenido y a qué satélite corresponden. De toda la información del almanaque, los receptores necesitan los datos que transporta el mensaje de navegación, denominados efemérides.

BANDAS DE FRECUENCIA

Para que las efemérides vayan del satélite al receptor GPS, se debe utilizar una portadora en una frecuencia que permita salvar las pérdidas producidas por la ionosfera, y que la señal llegue con la suficiente potencia al receptor. Las frecuencias utilizadas para este fin se encuentran en el espectro de UHF (Ultra High Frequency), y las bandas asignadas son:

• Banda L1: Su frecuencia central es 1575,42 MHz.
• Banda L2: Su frecuencia central es 1227,60 MHz.
• Banda L3: Su frecuencia central es 1381,05 MHz.
• Banda L5: Su frecuencia central es 1176,45 MHz.

Aunque en este post nos hemos centrado en hablar del sistema GPS, actualmente existen otras constelaciones de satélites para el mismo fin, cómo GLONASS, Galileo o BeiDou, pero de ellos hablaremos en otro post.