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 corrección 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 erróneamente 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 curioso 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 corrección 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 distancia está el emisor 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 comúnmente 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 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 margen 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.

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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