Un receptor GPS utiliza satélites para identificar ubicaciones. Nuestros antepasados tuvieron que tomar medidas bastante extremas para no perderse. Erigieron hitos monumentales, elaboraron laboriosamente mapas detallados y aprendieron a leer las estrellas en el cielo nocturno.
Las cosas son mucho, mucho más fáciles hoy. Por menos de $ 100, puede obtener un dispositivo de bolsillo que le dirá exactamente dónde se encuentra en la Tierra en cualquier momento. Siempre que tenga un receptor GPS y una vista clara del cielo, nunca más se perderá.
En este artículo, descubriremos cómo estas prácticas guías logran este increíble truco. Como veremos, el Sistema de Posicionamiento Global es amplio, costoso e implica mucho ingenio técnico, pero los conceptos fundamentales en funcionamiento son bastante simples e intuitivos.
Cuando la gente habla de "un GPS", normalmente se refiere a un receptor GPS . El Sistema de Posicionamiento Global (GPS) es en realidad una constelación de 27 satélites en órbita terrestre (24 en funcionamiento y tres extras en caso de que uno falle). El ejército de EE. UU. desarrolló e implementó esta red satelital como un sistema de navegación militar, pero pronto la abrió a todos los demás.
Cada uno de estos satélites de energía solar de 3000 a 4000 libras da la vuelta al mundo a unas 12 000 millas (19 300 km), realizando dos rotaciones completas cada día. Las órbitas están dispuestas de modo que en cualquier momento, en cualquier lugar de la Tierra, haya al menos cuatro satélites "visibles" en el cielo.
El trabajo de un receptor GPS es ubicar cuatro o más de estos satélites, calcular la distancia a cada uno y usar esta información para deducir su propia ubicación. Esta operación se basa en un principio matemático simple llamado trilateración . La trilateración en el espacio tridimensional puede ser un poco complicada, por lo que comenzaremos con una explicación de la trilateración bidimensional simple.
Contenido- Trilateración 2-D
- Trilateración 3D
- Cálculos GPS
- GPS diferencial
Trilateración 2-D
Imagina que estás en algún lugar de los Estados Unidos y estás TOTALMENTE perdido; por alguna razón, no tienes ni idea de dónde estás. Encuentras un lugareño amistoso y le preguntas:"¿Dónde estoy?". Él dice:"Estás a 625 millas de Boise, Idaho".
Este es un hecho agradable y duro, pero no es particularmente útil por sí mismo. Podrías estar en cualquier parte de un círculo alrededor de Boise que tenga un radio de 625 millas, así:
Le preguntas a otra persona dónde estás y te dice:"Estás a 690 millas de Minneapolis, Minnesota". Ahora estás llegando a alguna parte. Si combina esta información con la información de Boise, tiene dos círculos que se cruzan. Ahora sabe que debe estar en uno de estos dos puntos de intersección, si está a 625 millas de Boise y a 690 millas de Minneapolis.
Si una tercera persona te dice que estás a 615 millas de Tucson, Arizona, puedes eliminar una de las posibilidades, porque el tercer círculo solo se cruzará con uno de estos puntos. Ahora sabe exactamente dónde se encuentra:Denver, Colorado.
Este mismo concepto también funciona en el espacio tridimensional, pero se trata de esferas en lugar de círculos. En la siguiente sección, veremos este tipo de trilateración.
Trilateración 3-D
Básicamente, la trilateración tridimensional no es muy diferente de la trilateración bidimensional, pero es un poco más complicada de visualizar. Imagine los radios de los ejemplos anteriores saliendo en todas las direcciones. Entonces, en lugar de una serie de círculos, obtienes una serie de esferas.
Si sabes que estás a 10 millas del satélite A en el cielo, podrías estar en cualquier parte de la superficie de una enorme esfera imaginaria con un radio de 10 millas. Si también sabe que está a 15 millas del satélite B, puede superponer la primera esfera con otra esfera más grande. Las esferas se cortan en un círculo perfecto. Si conoce la distancia a un tercer satélite, obtiene una tercera esfera, que se cruza con este círculo en dos puntos.
La Tierra misma puede actuar como una cuarta esfera:solo uno de los dos puntos posibles estará realmente en la superficie del planeta, por lo que puedes eliminar el que está en el espacio. Sin embargo, los receptores generalmente buscan cuatro o más satélites para mejorar la precisión y proporcionar información precisa sobre la altitud.
Entonces, para hacer este cálculo simple, el receptor GPS debe saber dos cosas:
El receptor GPS resuelve ambas cosas mediante el análisis de señales de radio de alta frecuencia y baja potencia. de los satélites GPS. Las mejores unidades tienen múltiples receptores, por lo que pueden captar señales de varios satélites simultáneamente.
Las ondas de radio son energía electromagnética, lo que significa que viajan a la velocidad de la luz (alrededor de 186 000 millas por segundo, 300 000 km por segundo en el vacío). El receptor puede averiguar qué tan lejos ha viajado la señal cronometrando cuánto tardó en llegar la señal. En la siguiente sección, veremos cómo el receptor y el satélite funcionan juntos para realizar esta medición.
Cálculos GPS
Un satélite GPS En la página anterior, vimos que un receptor GPS calcula la distancia a los satélites GPS cronometrando el viaje de una señal desde el satélite hasta el receptor. Resulta que este es un proceso bastante elaborado.
En un momento determinado (digamos a medianoche), el satélite comienza a transmitir un patrón digital largo llamado código pseudoaleatorio. . El receptor comienza a ejecutar el mismo patrón digital también exactamente a la medianoche. Cuando la señal del satélite llega al receptor, la transmisión del patrón se retrasará un poco con respecto a la reproducción del patrón por parte del receptor.
La duración del retraso es igual al tiempo de viaje de la señal. El receptor multiplica este tiempo por la velocidad de la luz para determinar qué tan lejos viajó la señal. Suponiendo que la señal viajó en línea recta, esta es la distancia del receptor al satélite.
Para realizar esta medición, el receptor y el satélite necesitan relojes que puedan sincronizarse hasta el nanosegundo. Para hacer un sistema de posicionamiento satelital utilizando solo relojes sincronizados, necesitaría tener relojes atómicos no solo en todos los satélites, sino también en el propio receptor. Pero los relojes atómicos cuestan entre $ 50,000 y $ 100,000, lo que los hace un poco demasiado caros para el uso diario del consumidor.
El Sistema de Posicionamiento Global tiene una solución inteligente y eficaz para este problema. Cada satélite contiene un costoso reloj atómico, pero el propio receptor utiliza un reloj de cuarzo ordinario, que se reinicia constantemente. En pocas palabras, el receptor analiza las señales entrantes de cuatro o más satélites y mide su propia inexactitud. En otras palabras, solo hay un valor para la "hora actual" que el receptor puede usar. El valor de tiempo correcto hará que todas las señales que recibe el receptor se alineen en un solo punto en el espacio. Ese valor de tiempo es el valor de tiempo que tienen los relojes atómicos en todos los satélites. Entonces, el receptor ajusta su reloj a ese valor de tiempo, y luego tiene el mismo valor de tiempo que tienen todos los relojes atómicos en todos los satélites. El receptor GPS obtiene la precisión del reloj atómico "gratis".
Cuando mide la distancia a cuatro satélites ubicados, puede dibujar cuatro esferas que se cruzan en un punto. Tres esferas se intersecarán incluso si sus números están muy lejos, pero cuatro las esferas no se cruzarán en un punto si ha medido incorrectamente. Dado que el receptor realiza todas sus mediciones de distancia utilizando su propio reloj incorporado, todas las distancias serán proporcionalmente incorrectas .
El receptor puede calcular fácilmente el ajuste necesario que hará que las cuatro esferas se crucen en un punto. En base a esto, reinicia su reloj para estar sincronizado con el reloj atómico del satélite. El receptor hace esto constantemente cuando está encendido, lo que significa que es casi tan preciso como los costosos relojes atómicos de los satélites.
Para que la información de distancia sea útil, el receptor también debe saber dónde están realmente los satélites. Esto no es particularmente difícil porque los satélites viajan en órbitas muy altas y predecibles. El receptor GPS simplemente almacena un almanaque que le dice dónde debe estar cada satélite en un momento dado. Cosas como la atracción de la luna y el sol cambian muy levemente las órbitas de los satélites, pero el Departamento de Defensa monitorea constantemente sus posiciones exactas y transmite cualquier ajuste a todos los receptores GPS como parte de las señales de los satélites.
En la siguiente sección, veremos los errores que pueden ocurrir y veremos cómo los corrige el receptor GPS.
GPS diferencial
StreetPilot II, un receptor GPS con mapas integrados para conductores Hasta ahora, hemos aprendido cómo un receptor GPS calcula su posición en la tierra basándose en la información que recibe de cuatro satélites ubicados. Este sistema funciona bastante bien, pero aparecen imprecisiones. Por un lado, este método supone que las señales de radio atravesarán la atmósfera a una velocidad constante (la velocidad de la luz). De hecho, la atmósfera de la Tierra desacelera un poco la energía electromagnética, particularmente a medida que atraviesa la ionosfera y la troposfera. El retraso varía dependiendo de dónde se encuentre en la Tierra, lo que significa que es difícil tenerlo en cuenta con precisión en los cálculos de distancia. También pueden ocurrir problemas cuando las señales de radio rebotan en objetos grandes, como rascacielos, dando al receptor la impresión de que un satélite está más lejos de lo que realmente está. Además de todo eso, los satélites a veces simplemente envían datos de almanaque incorrectos, informando erróneamente su propia posición.
GPS diferencial (DGPS) ayuda a corregir estos errores. La idea básica es medir la inexactitud del GPS en una estación receptora estacionaria con una ubicación conocida. Dado que el hardware DGPS en la estación ya conoce su propia posición, puede calcular fácilmente la inexactitud de su receptor. Luego, la estación transmite una señal de radio a todos los receptores equipados con DGPS en el área, brindando información de corrección de señal para esa área. En general, el acceso a esta información de corrección hace que los receptores DGPS sean mucho más precisos que los receptores ordinarios.
La función más esencial de un receptor GPS es captar las transmisiones de al menos cuatro satélites y combinar la información de esas transmisiones con la información de un almanaque electrónico, todo para determinar la posición del receptor en la Tierra.
Una vez que el receptor hace este cálculo, puede decirle la latitud, la longitud y la altitud (o alguna medida similar) de su posición actual. Para que la navegación sea más fácil de usar, la mayoría de los receptores conectan estos datos sin procesar en archivos de mapas almacenados en la memoria.
Puede usar mapas almacenados en la memoria del receptor, conectar el receptor a una computadora que pueda almacenar mapas más detallados en su memoria, o simplemente comprar un mapa detallado de su área y encontrar su camino usando las lecturas de latitud y longitud del receptor. Algunos receptores le permiten descargar mapas detallados en la memoria o suministrar mapas detallados con cartuchos de mapas enchufables.
Un receptor GPS estándar no solo lo ubicará en un mapa en cualquier ubicación en particular, sino que también rastreará su ruta a través del mapa a medida que se desplaza. Si deja su receptor encendido, puede permanecer en comunicación constante con los satélites GPS para ver cómo cambia su ubicación. Con esta información y su reloj incorporado, el receptor puede brindarle varios datos valiosos:
Para obtener mucha más información sobre los receptores GPS y temas relacionados, consulte los enlaces a continuación.