¿Qué significa GPS?

El GPS, o sistema de posicionamiento global, es un sistema de navegación global por satélite que proporciona información relativa a ubicación, velocidad y sincronización horaria.

El GPS está en todas partes. Puedes encontrar sistemas GPS en tu coche, tu smartphone y tu reloj. El GPS te ayuda a llegar a tu destino, desde un punto A hasta un punto B. ¿Qué es el GPS? Lee este artículo para descubrir cómo funciona, su historia y avances futuros.

¿Qué significa GPS y cómo funciona?

El sistema de posicionamiento global (GPS) es un sistema de navegación que utiliza satélites, un receptor y algoritmos para sincronizar datos de localización, velocidad y hora para viajes aéreos, marítimos y terrestres.

El sistema de satélites está formado por una constelación de 24 satélites en seis planos orbitales centrados en la Tierra, cada uno con cuatro satélites, que orbitan a 13.000 km por encima de la Tierra a una velocidad de 14.000 km/h.

Aunque solo necesitamos tres satélites para determinar una ubicación en la superficie de la Tierra, a menudo se utiliza un cuarto satélite para validar la información de los otros tres. El cuarto satélite también nos aporta la tercera dimensión y nos permite calcular la altitud de un dispositivo.

¿Cuáles son los tres elementos del GPS?

El GPS está formado por tres componentes diferentes, llamados segmentos, que trabajan conjuntamente para suministrar información de ubicación.

Los tres segmentos del GPS son:

• Espacio (satélites): los satélites que giran alrededor de la Tierra, transmitiendo a los usuarios señales sobre la posición geográfica y la hora del día.
• Control terrestre: el segmento de control está integrado por estaciones de monitorización terrestres, estaciones de control principales y antena de tierra. Las actividades de control incluyen el seguimiento y el funcionamiento de los satélites en el espacio y la monitorización de las transmisiones. Hay estaciones de vigilancia presentes en casi todos los continentes del mundo, incluidos Asia, África, América del Norte y del Sur, Europa y Australia.
• Equipo de usuario: receptores y transmisores GPS, incluidos elementos como relojes, smartphones y dispositivos telemáticos.

¿Cómo funciona la tecnología GPS?

El GPS funciona a través de una técnica llamada trilateración. Utilizada para calcular la ubicación, la velocidad y la elevación, la trilateración recopila señales de los satélites para enviar información de ubicación. A menudo se confunde con la triangulación, que se utiliza para medir ángulos, no distancias.

Los satélites que orbitan la Tierra envían señales para que las lea e interprete un dispositivo GPS situado en la superficie de la Tierra o cerca de ella. Para calcular la ubicación, un dispositivo GPS debe poder leer la señal de al menos cuatro satélites.

Cada uno de los satélites de la red completa dos órbitas a la Tierra en 24 horas y envía una señal, parámetros orbitales e información horaria únicos. En cualquier momento dado, un dispositivo GPS puede leer las señales de seis o más satélites.

Un solo satélite transmite una señal de microondas que es captada por un dispositivo GPS y se utiliza para calcular la distancia desde el dispositivo GPS al satélite. Dado que un dispositivo GPS solo proporciona información sobre la distancia desde un satélite, un solo satélite no puede proporcionar mucha información sobre la ubicación. Los satélites no proporcionan información sobre los ángulos, por lo que la ubicación de un dispositivo GPS podría estar en cualquier punto de la superficie de una esfera.

Cuando un satélite envía una señal, crea un círculo con un radio medido desde el dispositivo GPS al satélite.

Cuando agregamos un segundo satélite, crea un segundo círculo, y la ubicación se reduce a uno de los dos puntos donde los círculos convergen.

Con un tercer satélite, la ubicación del dispositivo se puede determinar definitivamente, ya que el dispositivo está en la intersección de los tres círculos.

Dicho esto, vivimos en un mundo tridimensional, lo que significa que cada satélite genera una esfera, no un círculo. La intersección de tres esferas produce dos puntos de intersección, por lo que se elige el punto más cercano a la tierra.

A medida que un dispositivo se mueve, el radio (distancia al satélite) cambia. Cuando el radio cambia, se generan nuevas esferas, lo que nos da una nueva posición. Podemos utilizar esos datos, combinados con la hora del satélite, para determinar la velocidad y calcular la distancia a nuestro destino y la hora de llegada estimada.

¿Cuáles son los usos del GPS?

El GPS es una herramienta potente y fiable para empresas y empresas de muchos sectores diferentes. Los topógrafos, científicos, pilotos, patrones de barco, personal de emergencia y trabajadores en minería y agricultura son algunas de las personas que usan el GPS diariamente en su trabajo. Utilizan la información de GPS para preparar planos y mapas precisos, tomar mediciones exactas del tiempo, hacer un seguimiento de la posición o ubicación, y para la navegación. El GPS funciona ininterrumpidamente y en casi todas las condiciones meteorológicas.

Hay cinco usos principales del GPS:

1. Ubicación: determinación de una posición.
2. Navegación: desplazamiento de una ubicación a otra.
3. Seguimiento: supervisión del movimiento de objetos o personas.
4. Cartografía: creación de mapas del mundo.
5. Temporización: permite realizar mediciones precisas del tiempo.

Algunos ejemplos específicos de casos de uso del GPS incluyen:

• Respuesta de emergencia: Durante una emergencia o un desastre natural, el personal de emergencia usa el GPS para trazar mapas, efectuar seguimiento y predecir el tiempo, y para mantener localizado al personal de emergencia. En la UE y Rusia, el reglamento eCall de llamadas de emergencia se basa en la tecnología GLONASS (una alternativa al GPS) y la telemática para enviar datos a los servicios de emergencia en caso de accidente de un vehículo, lo que reduce el tiempo de respuesta.
• Entretenimiento: El GPS se puede incorporar en juegos y actividades como Pokémon Go y Geocaching.
• Salud y forma física: Los Smartwatches y la tecnología portátil pueden emplearse para realizar un seguimiento de la actividad física (como la distancia recorrida haciendo running) y compararlo con un sector demográfico similar.
• Construcción, minería y camiones fuera de la red viaria: Desde la localización de equipos hasta la medición y mejora de la asignación de activos, el GPS permite a las empresas aumentar el rendimiento de sus activos.
• Transporte: Las empresas de logística implementan sistemas telemáticos para mejorar la productividad y la seguridad de los conductores. Un dispositivo de geolocalización de camiones puede usarse para mejorar la optimización de rutas, la eficiencia del combustible, la seguridad del conductor y el cumplimiento normativo.

Otros sectores en los que se utiliza el GPS incluyen: agricultura, vehículos autónomos, retail y servicios, ejército, comunicaciones móviles, seguridad y pesca.

¿Qué precisión tiene el GPS?

La precisión de un dispositivo GPS depende de muchas variables, como, entre otras, el número de satélites disponibles, la ionosfera y el entorno urbano.

Algunos de los factores que pueden afectar a la precisión del GPS son:

• Obstrucciones físicas: Las mediciones de tiempo de llegada pueden verse alteradas por masas voluminosas como montañas, edificios, árboles y otras estructuras.
• Efectos atmosféricos: Los retrasos ionosféricos, las fuertes tormentas y las tormentas solares pueden afectar a los dispositivos GPS.
• Efemérides: El modelo orbital interno de un satélite podría ser incorrecto o estar desfasado, aunque esto es cada vez más raro.
• Cálculos numéricos erróneos: Este aspecto puede influir cuando el hardware del dispositivo no se ha diseñado siguiendo las especificaciones.
• Interferencias artificiales: Entre ellas se incluyen los dispositivos de interferencia intencionada (jamming) o suplantación (spoofing) de GPS.

La precisión tiende a ser mayor en áreas abiertas sin edificios altos adyacentes que puedan bloquear las señales. Este efecto se conoce como cañón urbano. Cuando un dispositivo está rodeado de edificios altos, como en el centro de Manhattan o Toronto, la señal de satélite primero se bloquea, luego rebota en un edificio y, por último, es recibida por el dispositivo. Esto puede dar lugar a cálculos erróneos de la distancia al satélite.

Afortunadamente, se han identificado muchos problemas críticos que afectan a la tecnología GPS y están cerca de solucionarse. Los receptores de alta calidad proporcionan una precisión horizontal superior a 2,2 metros en el 95% de los casos y superior a 3 metros en el 99% de los casos.

Breve historia del GPS

La humanidad lleva miles de años perfeccionando la navegación, orientándose primero por el sol, la luna y las estrellas, y más tarde, mediante el uso del sextante. El GPS fue un avance del siglo XX posibilitado por la tecnología de la era espacial.

La tecnología GPS se ha estado utilizando a nivel mundial a lo largo de la historia reciente. El lanzamiento del satélite ruso Sputnik I en 1957 abrió la puerta a la posibilidad de disponer de capacidades de geolocalización y, poco después, el Departamento de Defensa de EE. UU. comenzó a utilizarlo para la navegación submarina.

En 1983, el gobierno de los Estados Unidos puso el GPS a disposición del público, pero siguió manteniendo el control de los datos disponibles. No fue hasta 2000 que las empresas y el público en general obtuvieron acceso completo al uso del GPS, allanando el camino a un mayor avance del GPS.

Sistemas mundiales de navegación por satélite (GNSS)

Se considera que un GPS es un sistema mundial de navegación por satélite (GNSS), lo que significa que es un sistema de navegación por satélite con cobertura mundial. A fecha de 2020, existen dos sistemas mundiales de navegación por satélite totalmente operativos: el GPS de sincronización y alcance de señal de navegación (NAVSTAR) de EE. UU. y el Sistema de navegación global por satélite de Rusia (GLONASS). El GPS NAVSTAR consta de 32 satélites propiedad de los EE. UU. y es el sistema de satélite más conocido y utilizado. El GLONASS ruso consta de 24 satélites operativos y tres de repuesto o en pruebas.

Illustration of GLONASS, GPS and Galileo Satellites.

Otros países también están trabajando contra reloj para ponerse al día. La UE, por ejemplo, ha estado trabajando en Galileo, que debería alcanzar su capacidad operativa total para finales de 2020. China también está construyendo el sistema de satélites de navegación BeiDou, cuyo satélite n.º 35 (y último) se puso en órbita en junio de 2020. Japón y la India también llevan a buen paso sus propios sistemas regionales, el Sistema de satélites cuasi Zenith (QZSS) y el Sistema de satélites de navegación regional de la India (IRNSS), respectivamente.

Comparación entre dispositivos GPS y GNSS

Aunque el GPS es un subconjunto de GNSS, los receptores se diferencian como GPS (es decir, solo GPS) o GNSS. Un receptor GPS solo puede leer información de los satélites de la red de satélites GPS, mientras que el dispositivo GNSS típico puede recibir simultáneamente información tanto de GPS como de GLONASS (u otros sistemas por añadidura, aparte de estos dos).

Un receptor GNSS dispone de 60 satélites visualizables. Aunque un dispositivo solo necesita tres satélites para determinar su ubicación, la precisión se mejora con un mayor número de satélites. La tabla siguiente muestra un ejemplo del número de satélites disponibles (en verde), junto con su intensidad de señal (altura de la columna), para un receptor GPS. En este caso, hay 12 satélites disponibles.

Tarjeta de prueba típica solo para GPS que muestra 12 señales de satélite (verde), utilizando el software U-Center.

Un dispositivo GNSS puede visualizar más satélites, lo que ayuda a mejorar la precisión del dispositivo. En el gráfico siguiente hay 17 satélites disponibles. Las barras verdes forman parte del sistema GPS, y las barras azules, del GLONASS.

Tabla de prueba típica GNSS que muestra 17 señales de satélite (GPS = verde; GLONASS = azul), utilizando el software U-Center.

Al disponer de un mayor número de satélites que suministran información al receptor, el dispositivo GPS puede calcular la ubicación con mayor precisión. Un número mayor de satélites ofrece a un dispositivo una mayor posibilidad de determinar una posición precisa una vez que el receptor ha calculado la ubicación del usuario.

Dicho esto, los receptores GNSS tienen algunos inconvenientes:

• El coste de los chips GNSS es mayor que el de los dispositivos GPS.
• El GNSS utiliza un ancho de banda más amplio (1559-1610 MHz) que el GPS (1559-1591 MHz). Esto significa que los componentes de radiofrecuencia GPS estándar, como antenas, filtros y amplificadores, no se pueden utilizar para receptores GNSS, lo que tiene como resultado un mayor impacto en los costes.
• El consumo de energía sería ligeramente superior al de los receptores GPS, ya que se conecta a más satélites y ejecuta los cálculos para determinar la ubicación.

El futuro del GPS

Los países siguen construyendo y mejorando sus sistemas GPS. Se están llevando a cabo iniciativas en todo el mundo para aumentar la precisión y mejorar la fiabilidad y las capacidades del GPS. Por ejemplo:

• Se espera que en un futuro próximo los receptores GNSS sean más pequeños, más precisos y más eficientes, y la tecnología GNSS está destinada a introducirse incluso en las aplicaciones GPS en las que el costo sea un factor crítico.
• Los científicos y el personal de rescate están encontrando nuevas formas de utilizar la tecnología GPS en la prevención de desastres naturales y su análisis en caso de terremotos, erupciones volcánicas, hundimientos de terreno o avalanchas. Para la pandemia de Covid-19, los investigadores están considerando las posibilidades que ofrecen los datos de localización de teléfonos celulares para ayudar con el rastreo de contactos a fin de frenar la propagación del virus.
• El lanzamiento de nuevos satélites GPS III refinará la precisión del GPS a entre 1 y 3 metros, mejorará la capacidad de navegación e introducirá componentes de mayor duración ya en 2023. Mediante la transmisión en la señal civil L1C para la interoperabilidad con otros sistemas de satélite.
• La próxima generación de satélites GPS incluirá una mejor protección de la señal, menor susceptibilidad a interferencias intencionadas de señal (jamming) y mayor maniobrabilidad para cubrir las zonas muertas.
• El reloj atómico de espacio profundo de la Administración Nacional de Aeronáutica y el Espacio (NASA) está destinado a utilizar un potente satélite GPS a bordo para ayudar a proporcionar una mejor coherencia a tiempo para futuros astronautas que se embarquen en viajes espaciales profundos.

El futuro del seguimiento por GPS probablemente se caracterice por una precisión y eficacia muy superior tanto para uso personal como empresarial.