¿Cómo funciona el GPS?

Las siglas GPS significan Global Position System, ‘Sistema de Posicionamiento Global’. Es un sistema que permite conocer la posición de algo o alguien en cualquier lugar del mundo con una gran precisión. Este sistema fue desarrollado, instalado y operado por el Departamento de Defensa de EEUU.

Antiguamente, nuestros antepasados se guiaban por la posición del Sol durante el día y por la estrella Polar por las noches, cargaban cartas y mapas de navegación y deducían su posición basándose en el uso de la brújula y el sextante. En la actualidad, nosotros solamente necesitamos un pequeño aparato de precio asequible con GPS integrado, para conocer exactamente nuestra posición en cualquier parte del mundo.

Pero… ¿cómo funciona el GPS? ¿por qué sabe dónde nos encontramos?

El funcionamiento del GPS se basa en una red de satélites formada por 24 unidades en órbitas sincronizadas alrededor del globo terráqueo, tal como se aprecia en la imagen. Así, cualquier punto del globo está “cubierto” por varios satélites.

Para situar una posición, el GPS se basa en la triangulación, un principio matemático que determina la posición exacta de un punto conociendo las distancias de éste a otros tres puntos de ubicación conocida. Para ello solo hay que trazar tres circunferencias imaginarias con centro en los puntos conocidos y cuyos radios coincidan con la distancia del punto a determinar. Las tres circunferencias se cortan en un único punto: la posición a determinar.

Así pues, en teoría, solamente es necesario conocer la posición de tres satélites (y su distancia al aparato receptor de GPS) para poder calcular nuestra posición. Esto parece fácil, pero su aplicación supone bastantes inconvenientes, entre los que el económico no es el menor. Pero todo se soluciona con la inclusión de la medición de un cuarto satélite y algunos cálculos correctivos.

Ahora bien… ¿cómo medimos la distancia de nuestro receptor a los satélites?

La distancia a un satélite se determina comparando el tiempo que tarda una señal de radio, que éste emite, en alcanzar nuestro receptor de GPS, con la misma señal generada en el mismo instante por nuestro receptor. El retardo existente entre ambas determina el tiempo que la primera tardó en llegar. Ai ahora multiplicamos dicho valor por la velocidad de la luz obtendremos la distancia al satélite.

Pero no solamente es necesario conocer la distancia al satélite, también se debe conocer su posición, puesto que podría estar a la misma distancia desde diferentes posiciones invalidando el cálculo. Por ello los satélites se mantienen en órbitas definidas, regulares y predecibles a unos 20.000 km de altura, según un patrón que reconocen los receptores de GPS, que también reciben las eventuales correcciones de rumbo por sutiles desviaciones por evolución orbital.

La atmósfera interfiere en el tiempo de llegada de la señal desde los satélites. Una señal de GPS pasa a través de partículas cargadas en su paso por la ionosfera y luego pasa a través de vapor de agua en la troposfera, perdiendo algo de velocidad. Y lo hace de manera desigual dependiendo de la densidad de estas partículas en esa parte del mundo. Así se crea el mismo efecto que un error de precisión en los relojes a la hora de sincronizar las señales de radio.

Pero ello se arregla con la inclusión de la medición a un cuarto satélite. Cualquier error debido a la sincronización de las señales (los satélites possen un reloj atómico, pero los receptores de GPS no) o a los factores atmosféricos afectaría a las tres medidas por igual, pudiendo dar un resultado erróneo. Si el error se ha producido, la cuarta señal no coincidirá con tal punto. Entonces, el receptor de GPS realiza un cálculo averiguando qué factor correctivo aplicado a las cuato mediciones las hace coincidir en el mismo punto. Y una vez lo ha hallado lo aplica, obteniendo así la posición correcta.

 

 

Nota sabionda: Los GPS actuales pueden fijar la posición con un margen de error de unos 15 a 20 m 3 m. Cuando es necesaria una mayor precisión —como en el aterrizaje en un aeropuerto— se usa el GPS diferencial, que consta de una señal adicional transmitida desde tierra y con un alcance de unos 200 km.

Nota sabionda: La Unión Europea está desarrollando su propio sistema de posicionamiento por satélite llamado Galileo.

Nota sabionda: En realidad la red consta de 27 satélites: 24 operativos y 3 de respaldo.

www.sabercurioso.es

Entrada elaborada a partir de la información ofrecida aquí, aquí, aquí y en otros sitios más.

21 Comentarios

  1. meneame.net dice:

    ¿Cómo funciona el GPS?…

    (C&P) Las siglas GPS significan Global Position System, ?Sistema de Posicionamiento Global?. Es un sistema que permite conocer la posición de algo o alguien en cualquier lugar del mundo con una gran precisión. Este sistema fue desarrollado, i…

  2. Horacio dice:

    Conocía el funcionamiento, pero no sabía lo de la nota sabionda y el GPS diferencial para los aviones. Gracias.

  3. otama dice:

    la nota sabonda estará bien, pero no lo está el dato del margen de error no se de dónde lo habrá sacado.

    Un receptor gps con una recepción buena (al aire libre) puede obtener precisiones inferiores a 2,5 metros en el 95% del tiempo. Esto se consigue si se tiene cobertura de 6 o 7 satélites. Cuantos más, mejor presición.

    Date cuenta que los gps de los coches te “encuadran” en la calle donde estás, y no a 15 metros (en medio de una manzana a lo mejor), que se reserva por si pierdes señal…

    Un saludo y muy buen post.

  4. Toni1de3 dice:

    a otama
    ¡Cierto! El dato lo obtuve de las fuentes señaladas y quizá fuera correcto cuando esos artículos se escribieron (hace ya tiempo). Olvidé actualizar el dato, que se encuentra actualmente alrededor de los 3m. Gracias por la corrección. Ya lo he modificado.

    Inicialmente el GPS para uso civil tenia un margen de error que iba desde 15 a 100 mts debido a las distorsiones que los militares introducían. A partir del 2000 se pudo disponer de la tecnología sin cortapisas y los márgenes de error se redujeron a los 15 o 20 m comentados. Posteriormente, con la mejora de los receptores y la utilización en el cálculo de más satélites, los márgenes de error se han ido reduciendo paulatinamente y se supone que se reducirán más.

  5. Kickirikim dice:

    [b]Nota sabionda[/b]: Para determinar la posición se basan en la trilateración, que es el nombre que recibe la medida de las distancias que muy bien explicas (es decir costados del “triángulo”), para saber el ángulo no haría falta conocer la distancia. Ya sé que todo el mundo lo llama triangulación…pero a un blog de la calidad del tuyo no le está bien. ;)

  6. Toni1de3 dice:

    a Kickirikim
    Gracias por tu aporte.
    Ciertamente le llama “triangulación” la mayoría de la gente (entre los que me incluía hasta ahora), pero haciendo eso englobamos dos procesos diferentes.
    En la Wikipedia se puede leer que son métodoa análogos. Que la triangulación usa medidas de ángulo, junto con al menos una distancia conocida para calcular la localización del sujeto, mientras que la resección o trilateración usa las localizaciones conocidas de dos o más puntos de referencia, y la distancia medida entre el sujeto y cada punto de referencia. Añade que para determinar de forma única y precisa la localización relativa de un punto en un plano bidimensional usando sólo trilateración, se necesitan generalmente al menos 3 puntos de referencia.

  7. leitzaran dice:

    @Otama y Toni,

    La precisión de la que habáis (que puede ser tan buena como 2,5 m o tan mala como lo que se quiera) depende de varios factores. El error debido a la geometría con la que “vemos” los satélites es ése que decís, y que el propio receptor es capaz de calcular y de presentarlo en pantalla (así lo hacen, por ejemplo, los Garmin).

    Pero puede haber errores adicionales, por ejemplo por retardos desiguales de las señales de los distintos satélites debido a malas condiciones de propagación; por ejemplo, por encontrarnos en un bosque. Entonces los errores pueden ser (bastante) mayores que los calculados por el gps (haced la prueba en un bosque decente…).

    Pero asumamos un terreno llano con una buena constelación de satélites a la vista. El receptor nos marca un error de 2 m. ¿Es eso cierto? PUES NO.

    Los satélites añaden una señal adicional a los datos transmitidos, en virtud de la cual se crea UNA IMPRECISIÓN ALEATORIA. Hasta el año 2000 esa imprecisión era del orden de 100 m, y desde esde año se redujo a 10/15 m.

    Luego la información original de Toni era correcta… parcialmente, pues hay que sumar los 10/15 m con el error estimado debido a la geometría de los satélites, y añadir un posible error por condiciones adversas de propagación (si es el caso).

    Los satélites transmiten en realidad otro código con un cifrado diferente para usos militares, con lo que se elimina esa imprecisión deliberada de 10/15 m para usos civiles.

    Otama, los navegadores de los coches SUPONEN que vas por una carretera, y te representan la carretera más próxima a la posición obtenida (de hecho a veces se despistan notablemente). Usa un programa que no sea navegador, o desactiva en el navegador el “forzar” las carreteras, y verás qué sorpresas te llevas.

  8. Una pregunta… ¿Existe algún sistema de posicionamiento global que no dependa de los satélites artificiales?

    Lo digo porque, con la cantidad de basura que hay por ahí flotando, lo caro que es poner un satélite en órbita, la vida limitada de dichos satélites, etc., casi que sería buena idea disponer de un sistema que no dependa de esos aparatos.

  9. Kideus dice:

    Hombre, donde se pegan por el espacio es en la órbita geoestacionaria, pero en el resto de sitio hay muchos menos satélites así que no hay mucho problema

  10. leitzaran dice:

    ¿Borraste mi comentario anterior porque era muy largo? Gracias. Pues no tengo copia de él. Te rogaría que intentes recuperarlo.
    Te lo resumo:
    - El margen de error intencionado (para usos civiles) sigue siendo de 10 a 20 metros (compruébalo en las fuentes. Deshaz la corrección anterior.
    - Con buena geometría de la constelación de satélites los errores pueden ser tan bajos como 3 metros.
    - Los errores hay que sumarlos: error geométrico error aleatorio (deliberado) errores por problemas de propagación (bosques).
    - A Otama – Los navegadores “fuerzan” a una carretera, opción que se puede desactivar. Con esa opción desactivada, o con programas que no sean navegadores, verás los errores reales de un receptor gps, bastante mayores que 3 m.

  11. Toni1de3 dice:

    a leitzaran
    No, no lo he borrado. Ocurre que los comentarios están moderados (para evitar los comentarios basura, ofensivos, inadecuados…) y he de aprobarlos para que se publiquen. Ayer no pude acceder y hoy vi los dos.
    En cuanto a la precisión, ¡qué dolor de cabeza! :)
    He consultado las fuentes y se mencionan los 15-20 m señalados y los navegadores GPS que mencionan los 3 m señalados. De estas informaciones y de vuestros aportes se concluye que la precisión de estos aparatos depende de muchos factores: número de satélites, su orientación, ausencia de interferencias en la atmósfera, ausencia de interferencias en el terreno, calidad del software del navegador para las correcciones…, que si las condiciones son favorables se acercan a los 3 m y que si no lo son se pueden alejar mucho de esta cifra.

  12. leitzaran dice:

    ok, Toni.

    Es que lo de la moderación de comentarios suele ser una tabarra, gracias por las aclaraciones.

    Con el tema de las precisiones, el navegador puede decirte 3 m (o 7 o 33 o …), que es la precisión de cálculo (geometría de la constelación, etc.). Pero además está la imprecisión deliberada (para usos civiles) de los 15/20 m famosos, que el gps no la dice (tampoco la “sabe”) pero que hemos de tenerla necesariamente en cuenta. Precisamente esa es una de las fuentes de error que se elimina con el gps diferencial.

    Los gps para uso militar hacen uso de un código de encriptación más largo, y a ellos no se les aplica ninguna indeterminación. En el espacio abierto pueden llegar a tener una precisión del orden de pocos decímetros.

    Un saludo

  13. seba dice:

    Y tirando al aspecto economico del asunto, quien paga y mantiene los satelites? Las companias que venden los aparatitos gps que todos usamos, “alquilan” el servicio?

  14. sabiondo dice:

    Estais hablando todo el rato de gps para el coche, pero los receptores gps usados en topografia dan una precision de 1 o 2 cm (no de dm) en los mejores casos, (claro esta, contando con correcciones de estaciones fijas en tierra, lo que aqui llamais diferencial).
    En los GPS de coche, da igual la precision porque el mismo aparato corrige la posicion superponiendola con un sistema de informacion geografica que limita dicha ubicacion del coche, (nunca te posicionara en una azotea, o yendo en sentido contrario…..)

  15. Nacho dice:

    “La distancia a un satélite se determina comparando el tiempo que tarda una señal de radio, que éste emite, en alcanzar nuestro receptor de GPS, con la misma señal generada en el mismo instante por nuestro receptor.”

    Para que nuestro receptor emita la misma señal en el MISMO instante sería muy costoso (relojes atómicos en los receptores) y esto no es así.

    Saber la distancia exacta entre el satélite y nuestro receptor es crucial y esto se consigue con un cuarto satélite. Con tres no hay suficiente!!

  16. Hugo dice:

    ¿Y cada cuanto se puede calcular la posición?. Los satélites envían datos de forma periódica por lo que debe existir un intervalo de tiempo en el cálculo.

    ¿Cada cuanto tiempo se obtiene la señal?.

    Salu2
    Hugo

  17. sabiondo dice:

    Esta continuamente recibiendo la señal por parte de la antena, y tantas veces como da el receptor interpretandola, osea “calculando” la posicion tanto los de coche como los de ingenieria, dependiendo del aparato, tienes mas velocidad de “arranque” o reanudando la medicion despues de una pérdida de señal. Los satelites envian señal siempre, independientemente de que como tu quieras recibirla o de cuanta gente quiera hacerlo; esta emitiendo constantemente.

  18. LOSH VID dice:

    Quisiera realizar una aclaracion sobre la conformacion del GPS, e observado que casi en todas las fuentes mensionan que esta conformado por 24 satelites lo cual no es cierto, el GPS esta conformado por un total de 32 satelies, que estan en constante operacion son 24, otros en operacion y otros reservados para operaciones especiales, esto se confirmo el 21 de mayo del 2008 cuando se hizo una observacio con GPS Diferencial y se recibio la informacion que los 32 satelites se encontraban operando para ese dia.

  19. fernanda dice:

    gracias por esto me salvaste grasias

  20. Navegadores dice:

    muy buena info teórica del gps, me pregunto si el gps del teléfono móvil funciona igual?

  21. diana dice:

    muy buena teoria yo no sabia con exactitud que era un gps!! voy en sexto de primaria.
    los gps sirven para rastrear a alguien!¿?¿?¿
    gracias

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