GPS (Sistema de posicionamiento global)

Esta tecnología que actualmente todos conocemos y muchos utilizamos a diario con nuestros navegadores, o incluso alarmas en los vehículos. Tuvo un objetivo bien distinto en su nacimiento. Mi propósito a lo largo de este articulo es intentar enseñaros los entresijos de este sistema y alguna cosa curiosa sobre el.

El sistema GPS fue diseñado por el departamento de defensa de EEUU, con fines militares. Por tanto ellos tienen el control sobre dicho sistema con todo lo que ello conlleva, como apagones de señal para dispositivos GPS no americanos o errores deliberados en la poción GPS únicamente corregidos en navegadores de las tropas americanas. Pero de ello hablare mas adelante.

Este sistema a pesar de que hoy no concibamos la vida sin el solo lleva operativo desde 1995. Gracias a la puesta en orbita de un complejo sistema de 24 satélites, que al contrario de lo que la gente cree no tienen una orbita GEO estacionaria como los satélites de comunicaciones.

Descripción del sistema GPS

El sistema esta compuesto por tres grandes secciones:

Sección espacio: formado por una constelación de 24 satélites a una orbita de 26.560km de radio con trayectorias sincronizadas para cubrir toda la superficie terrestre. Situados en 6 planos orbitales de 4 satélites cada uno con una inclinación de 55 grados y uniformemente distribuidas con un periodo sidéreo de 12 horas, lo que indica que la configuración local de la constelación se repite casi 4 minutos antes cada día solar, lo que representa casi media hora semanal o unas dos horas mensuales de adelanto.

Con la constelación definitiva actualmente (o probablemente aún más nutrida), habrán en cualquier punto y momento entre 6 y 11 satélites observables, con geometría favorable. El tiempo máximo de observación de un satélite es de hasta 4 horas y cuarto, suponiendo que pase por el cenit y que sólo se observe en alturas de horizonte superiores a 15 grados.

Segmento control

Consta de cinco estaciones monitoras encargadas de mantener en órbita los satélites y supervisar su
correcto funcionamiento,

La estación central o maestra (Consolidated Satellite Operation Center-CSOC o Master Control Center) se encuentra en Colorado Springs, exactamente en la base Falcon de la U.S. Air Force.

Las otras cuatro estaciones oficiales se denominan estaciones monitor y están situadas en:

La isla de Ascensión (Atlántico Sur).
La isla de Diego García (Océano Índico).
En Kwajalein (Pacífico Occidental).
En Hawaii (Pacífico Oriental).

Además hay otra estación central de reserva en Sunnivale (California), concretamente en la Base Ozinuka de la U.S. Air Force. La elección de la ubicación de las cinco estaciones oficiales de seguimiento no es casual, sino que se ha buscado que estén regularmente espaciadas en longitud

La transmisión a los satélites de la información necesaria para su ajuste puede ser transmitida por las estaciones de Ascensión, Diego García y Kwajalein. Además estas estaciones tienen capacidad para enviar correcciones de reloj, comandos de telemetría y otros mensajes. Por motivos de seguridad esta transmisión se realiza tres veces al día. Sin embargo es función exclusiva de la CSOC la activación de los sistemas de maniobra de los satélites para hacer modificaciones orbitales.

Segmento usuario, formado por las antenas y Los receptores pasivos situados en tierra. Los receptores, a partir de los mensajes que provienen de cada satélite visible, calculan distancias y proporcionan una estimación de posición y tiempo.

Satelites

Los satélites llevan paneles solares para suministrarles la energía necesaria para su funcionamiento y cargar los acumuladores de níquel-cadmio de 105 Ah, que permiten el funcionamiento mientras el satélite pasa por la sombra de la Tierra durante 1 hora debido a la gran velocidad a la que se mueven, unos 4 Km. /s. Pueden recibir y guardar información que les es enviada desde centros de control en tierra y transmitir continuamente señales, en función de la información recibida.

Los satélites tienen una serie de antenas emisoras que funcionan en la banda L del espectro, que son las encargadas de enviar a la superficie terrestre las señales que se recibirán. También tienen otra antena emisora-receptora, operando en banda S, para intercambiar información con el centro de control en tierra.

Debido al movimiento relativo de los satélites con la tierra y a que las antenas son direccionales el satélite incorpora un sistema de movimiento de antenas para optimizar su orientación. Además incluye un sistema similar para la orientación de los paneles solares. Pues estos funcionan solamente si están situados perpendicularmente a los rayos solares.

Para controlar la orientación del propio satélite, este, esta equipado con unos volantes de inercia llamados flywheels e impulsados por motores sincrónicos, cuyos ejes están dispuestos en tres direcciones mutuamente perpendiculares. Se puede aplicar cualquier momento de giro al satélite y corregir su orientación, acelerando o frenando los volantes de inercia, momentum wheels, mediante un elaborado sistema informático que actúa sobre la frecuencia de la corriente de alimentación de los motores. Debe considerarse que estos volantes de inercia actúan como giroscopios, por lo que cualquier cambio de orientación que se quiera imprimir al satélite genera, en los volantes cuyo eje no coincida con el giro deseado, una reacción parásita en forma de par de giro espontáneo, que deberá ser previsto y compensado automáticamente por el sistema informático. Cuando se alcanza el límite en el régimen de rotación en alguno de ellos, se activan un par de cohetes de maniobra, situados diametralmente opuestos en el mismo plano que el volante y orientados en sentidos contrarios, a la vez que se decelera el volante. Ambas acciones producen de forma antagónica el mismo efecto, aplicando pares de torsión que se anulan mutuamente, quedando el régimen de rotación del volante de inercia dentro de rango de manipulación.

La vida útil de un satélite llega a término principalmente por:

Envejecimiento o avería de los paneles solares.
Falta de capacidad de los acumuladores.
Averías no conmutables en los sistemas electrónicos.
Agotamiento del combustible de maniobra y recuperación de órbita.
La Vida útil de un satélite GPS es de 7,5 años.

Debido a esto, y a pesar de que anteriormente he comentado que había 24 satélites GPS en el espacio en realidad hay aproximadamente 30 aunque algunos están desactivados o fuera de uso debido a su deterioro.

En el interior del satélite hay unos relojes u osciladores los cuales son necesarios para la localización del un punto.

Actualmente se usan dos o cuatro osciladores atómicos por satélite (que pueden ser de rubidio, con precisiones de 10 -12, o de cesio, 10-13, uno de los cuales es seleccionado desde la Estación Maestra de Control para dar servicio. En el futuro probablemente se empleen osciladores atómicos de Hidrógeno, también conocidos como máseres de Hidrógeno, con precisiones de hasta 10-14 .

El funcionamiento de un reloj atómico se basa en la transición entre niveles de energía de átomos concretos. La transición produce una oscilación de frecuencia muy precisa que se usa para controlar por realimentación un oscilador piezoeléctrico de cuarzo, cuya frecuencia es la realmente utilizada. También se debe reflexionar sobre qué representa la precisión de 10-10 de los cuarzos o de 10-14 del Hidrógeno. 10-10. es lo que invierte la luz en recorrer 30 milímetros, y esa precisión representa una variación de un segundo en 300 años; y el 10 -14 representa respectivamente 3 milésimas de milímetro o un segundo en tres millones de años.

El tiempo que miden dichos satélites usan una escala uniforme independiente de de las variaciones rotacionales terrestres, dado que el movimiento de aquellos no depende de éstas. Para ello el US Naval Observatory establece una escala de tiempo atómico, que se llama GPS Time, cuya unidad es el segundo atómico internacional. El origen de la escala GPS se ha fijado como coincidente con el UTC a las 0 horas del 6 de enero de 1980. Como en ese instante la diferencia entre el UTC y el TAI era de 19 segundos, el GPS Time es equivalente al TAI menos 19 segundos, y así ha de mantenerse, dado que ambas escalas son atómicas y uniformes y, por tanto, paralelas.

TAI: (Tiempo Atómico Internacional) es una escala de tiempo continuo y constante. Su unidad es el segundo atómico, definido como unidad del vigente Sistema Internacional (SI). Su valor es el correspondiente a 9192631770 períodos de la radiación correspondiente a la transición entre dos niveles hiperfinos en el átomo del cesio 133.

UTC: (Universal Time Coordinate) es una escala de tiempo que se deduce directamente a partir de las observaciones estelares y considerando la diferencia entre día universal y sidéreo de 3 minutos 56,555 segundos. Ésta medida (que es el UT0) es corregida de la componente rotacional inducida por el movimiento del polo (UT1) y por las variaciones periódicas y estaciónales en la velocidad de rotación de la tierra así el UT2. Finalmente el UTC prácticamente equivalente al UT2, al que se aproxima muchísimo mediante correcciones llamadas segundos intercalares («leap second») que son sucesivos incrementos de 1 segundo motivados por la variación de la velocidad de rotación la tierra. Ello quiere decir que se hacen sucesivas correcciones discretas de estado sobre una marcha uniforme correspondiente al TAI.

Con esta base de tiempos, tan exacta y necesaria para posicionamiento, el sistema GPS tiene otra posibilidad que es la transmisión de tiempo instantáneo y con alta precisión: si la base de tiempos es atómica y de estado controlado y el retardo es calculable por ser obtenible la distancia satélite-receptor, el tiempo puede ser transferido con precisiones de hasta 100 ns.

Por ejemplo en España la hora de referencia es la que aparece en el teletexto de TVE-1 y la hora GPS es el séptimo sistema de referencia para establecer la hora oficial por el Real Instituto y Observatorio de la Armada (San Fernando).

La emisión de este código de tiempo se realiza por medio de dos señales portadoras L1 y L2. la primera es el resultado de multiplicar la fundamental (10,23 MHz.) por 154: 1575,42 MHz. que es llamada L1 (longitud de onda de 19,05 cm.). La L2 usa un factor 120: 1227,60 MHz. (longitud de onda de 24,45 cm.). La L es porque los valores usados están en la banda L de radiofrecuencia que abarca desde 1 GHz. a 2 GHz. El hecho de usar dos frecuencias permite determinar, en caso necesario y por comparación de sus retardos diferentes, el retardo ionosférica. Solo la señal L1 es utilizada por los dispositivos civiles. La señal L2 es utilizada con fines militares utiliza el Código de Precisión (P), cifrado.

Ambas señales tienen una potencia de -160 dBW (en la superficie terrestre) y tienen una dolarización circular dextrógira.

Con las citadas señales se envían mensajes modulados. Los mensajes tienen una duración de 12 minutos 30 segundos. Constan de 25 grupos (frames) de 1500 bits cada uno. A una velocidad de transmisión de 50 baudios cada grupo es transmitido en 30 segundos (como hay 25 grupos el mensaje total es transmitido en 12 minutos 30 segundos).por este motivo, no es apto para la aviación pues es demasiado lento, aun así es una ayuda a la navegación.

Cada grupo de 1500 bits se subdivide en 5 celdas (subframes) de 300 bits cada una, que nuevamente se subdividen en palabras (words), de 30 bits de longitud. Dentro de cada grupo las celdas 1, 2 y 3 son invariantes; las 4 y 5 no. Como hay 25 grupos, tendremos 25 celdas número 4 y 25 celdas número 5, llamadas páginas (pages) y todas ellas diferentes.

Cada BIT del mensaje se transmite durante 20 milisegundos; en este tiempo el código C/A se ha repetido 20 veces. La base de tiempos para la recepción del mensaje se obtiene de un contador/divisor de frecuencia de valor 20 en el C/A.

El contenido del mensaje es el siguiente:

Celda 1: Contiene información sobre estado del reloj en GPS Time (los coeficientes polinomios para convertir el tiempo de a bordo en tiempo GPS), condición del satélite (llamado salud, Health en términos GPS: puede estar sano o enfermo (OK o Unhealthy), antigüedad de la información y otras indicaciones.
Celdas 2 y 3: Contienen las efemérides radiodifundidas que se usan para la obtención de resultados.
Celda 4: Sólo se usa en 10 de sus 25 páginas o repeticiones (una por grupo). Ofrece un modelo ionosférico para usuarios monofrecuencia, información UTC e indicaciones de si está activado en cada satélite el AS (Anti Spoofing) que transforma el código P en el secreto Y. De las 15 páginas restantes, 11 están reservadas, 3 son para repuestos y una para mensajes especiales. También contendrían el almanaque y estado de relojes de los satélites que superaran el número 24, de haberlos; podrían ser satélites de otra constelación que difundieran también señales GPS, como los INMARSAT, por citar un proyecto ya en curso, o seudolites.
Celda 5: Contiene el almanaque, que es una información expedita de las órbitas de todos los satélites (y que se usa para planificar observaciones) y estados de los primeros 25 satélites. En el comienzo de cada celda 5 hay 2 palabras especiales (de las 20 que componen la celda: la TLM y la HOW. La TLM (TeLeMetry), avisa cuando se está insertando en el satélite información o si sufre alguna manipulación. La HOW (Hand Over Word) da acceso al código P (o para usuarios autorizados al Y si está activado el AS).

Para minimizar el tiempo que necesita el receptor para obtener una posición inicial, las efemérides y el estado de los relojes se repiten cada 30 segundos; recordemos que están en las celdas (subframes) 1, 2 y 3 de cada grupo (frame).

Por cada BIT que se envía para la señal civil se envían 10 de la señal militar. Por este motivo, los aviones militares si que pueden volar por medio de GPS pues por cada señal recibida por un navegador GPS civil un avión ha recibido 11 (10 civiles y una militar)

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