17 noviembre, 2010

Algunas cosas que quizá no sepas sobre el GPS

Algunas cosas que quizá no sepas sobre el GPS: "

El sistema de posicionamiento global (GPS) está presente en nuestra vida cotidiana, por todas partes, a veces incluso donde no nos damos cuenta. Hoy en día tener un receptor GPS asociado a un software que permite la navegación por carretera con control sobre la posición del vehículo en todo momento permite saber en tiempo real donde nos encontramos, planificar rutas y es algo que con el progresivo abaratamiento de los receptores y la mejora en los mapas ha permitido que se extienda y generalice hasta nuestros días.



El sistema NAVSTAR-GPS está desplegado y funcionando desde 1995. Sin embargo ha habido que esperar una década más para que empezara a generalizarse sobre todo por el abaratamiento de los terminales receptores. Hoy en día incluso los terminales móviles de alta gama cuentan con receptores GPS perfectamente funcionales. Pocos sectores escapan a esta dependencia, y es que el GPS aparte de ser un excelente sistema para conocer dónde estamos, también es una fuente extraordinariamente precisa de sincronía temporal.


Sin embargo, existe un gran desconocimiento general acerca del sistema GPS. De hecho se suele llamar “GPS” al receptor de la señal procedente de la constelación de satélites de GPS por abuso del lenguaje y para el usuario es algo completamente transparente.


He decidido dividir esta entrada en un total de  15 12  aspectos (al final he incorporado las otras 3 a las demás) que considero de especial interés. No quiero entrar en una introducción histórica, para eso vale con leer la entrada sobre GPS que hay en la Wiki en castellano aunque como siempre, si queréis algo mucho más exhaustivo os recomiendo la entrada en inglés.


1. La financiación y control del GPS corre a cargo del DoD.


El sistema NAVSTAR-GPS tuvo inicialmente motivación militar y por ello es financiado y operado por el Department of Defense de los Estados Unidos de América.


La estación principal de control y seguimiento se encuentra en la Schriever Air Field Base, en el condado de El Paso, en Colorado Springs.


Desde ahí se gestiona la constelación de 32 satélites GPS, se sincronizan los satélites con el reloj atómico de la base de Schriever que tiene la hora del Tiempo Universal Coordinado (UTC). Es la hora que dan los satélites, a todo el mundo.


El coste lo sufraga el DoD porque lo necesita, y el hecho de que haya 1 o 150 millones de receptores civiles no afecta en absoluto al coste del sistema en sí, puesto que los receptores únicamente escuchan en una frecuencia determinada, no interaccionan para nada con el sistema ni con las estaciones de control.


¿Por qué el DoD regala al mundo el uso de un sistema que financia y paga él por completo? Los receptores GPS pagan royalties al DoD por el uso del GPS, pero no es un alquiler, como ocurre en sistemas de telecomunicaciones por satélite. El que EEUU sea quien maneja el cotarro suscita bastantes teorías de la conspiración. El GPS desde el principio se diseñó para concebir el uso mixto, civil y militar.Esto se responde, en parte, en las siguientes tres preguntas.


2. El GPS no es un sistema activo de espionaje.


El hecho de que el sistema sea controlado por militares suscita su polémica, pero es gratis para los civiles, en el sentido de que no hay que pagar una cuota de alquiler por el uso del servicio, algo que es muy raro de ver en el segmento espacial. Con lo cual, a caballo regalado, en principio, no le mires el diente.


Mucha gente piensa (por culpa de las películas) que si te compras un receptor GPS ya estás localizado por los yankees. Y en realidad eso no es verdad, porque el receptor únicamente recibe (sic) la señal de la constelación y con ella hace sus cuentas, pero los satélites no saben ni quién escucha ni quién deja de escuchar la señal. Únicamente hacen caso de las estaciones de control.


Para que utilizaran el GPS como sistema de espionaje debería ir añadido al receptor un dispositivo que transmita la posición a una estación de escucha. Típicamente un teléfono celular. Pero claro, eso te lo tienen que colocar, se supone que no te lo pones voluntariamente. Y a veces esto da pie a situaciones que rozan lo absurdo, como el usuario de Reddit que se encontró un dispositivo de este tipo en su coche.


Así que estén tranquilos con su navegador GPS para el coche, con eso no pueden saber donde están, a menos que ustedes lo publiquen o le pongan un dispositivo de escucha. Pero eso ya es más de película de espías. ¿No?


En cualquier caso no es un sistema activo de espionaje, nadie puede marcar un numerito y hacer que el satélite se ponga a espiarte en tu casa porque te han visto ir a cierto lugar y te han seguido con el GPS.


3. Los estadounidenses introdujeron un error que hace que las medidas civiles sean peores.


El hecho de que a escala global se utilice un sistema financiado por el DoD tiene inmediatas consecuencias estratégicas. Para empezar, la hora que dan los satélites GPS depende del reloj de Colorado Springs. Para seguir, los estadounidenses pueden decidir introducir una señal que engañe a los receptores falseando la medida en la posición.


Durante muchos años, por miedo a que el GPS pudiera ser usado como sistema de guiado de armas, los estadounidenses introdujeron una perturbación llamada Selective Availability (SA). Se trataba de una señal que engañaba al receptor dándole unas efemérides (datos sobre la constelación) falsas. Al final, el resultado para el usuario era que la precisión del sistema en la posición era de unos 50 a 100 metros.


Esto jugó bastante en contra del boom de las aplicaciones civiles del GPS. Al final, en el año 2000 se decidió eliminar la SA a instancias del por entonces presidente Bill Clinton que en una carta comunicaba al mundo el 1 de mayo de 2000 que había dado orden de desconectar este mecanismo de forma permanente y que degradaba de forma totalmente artificial y voluntaria el sistema.


No obstante, sigue existiendo la posibilidad de activarla en ciertas zonas del mundo cuando hay algún tipo de conflicto bélico en esa zona, para evitar que se haga un uso por parte del enemigo contra los propios estadounidenses.


Esto a los estadounidenses no les afecta, principalmente porque ellos conocen el código que produce la SA y saben como desconectarla, pero es que además, los receptores militares cuentan con una ventaja: trabajan con dos frecuencias. Esto nos lleva al siguiente punto.


4. El GPS civil trabaja con dos frecuencias distintas: militar y civil.


Los satélites GPS emiten dos portadoras. Una a 1575.42 MHz para uso civil y otra a 1227.60 MHz para uso militar. En la práctica, quien paga la licencia correspondiente, tiene acceso a las dos frecuencias.


La razón de usar dos frecuencias es debido a la perturbación que provoca la ionosfera en la señal. Se puede demostrar con las ecuaciones apropiadas que con dos frecuencias eliminas el error que produce la ionosfera y por tanto aumentas la precisión en la medida.


Los receptores civiles al contar solo con una, están teniendo este error mientras que los militares lo eliminan. Obviamente los mensajes de navegación y demás van encriptados en la segunda frecuencia y solo el DoD sabe como hacer uso de ello.


Esto, unido al control sobre la SA hace que un receptor GPS militar pueda hacer medidas con el receptor en movimiento con precisiones del orden de algunos metros.


Ahora veamos algunas cuestiones sobre la constelación de GPS.


5. Los satélites de GPS no son geostacionarios.


Los satélites GPS se encuentran a una altura de 20.200 km y con una inclinación orbital de 55º dispuestos en 6 órbitas diferentes y habiendo 4 satélites en cada una de ellas.


No se escogió la órbita geoestacionaria a 36000 km porque esta órbita se puede demostrar que impide tener cobertura en las regiones polares.


La razón de esa inclinación y esa órbita es porque el periodo orbital es exactamente de medio día. Esto hace que un satélite que en este momento está sobre tu cabeza, transcurrido medio día estará en las antípodas (recordemos que la Tierra rota mientras tanto) y transcurrido otro medio día volverá a estar exactamente sobre nuestra cabeza.


Puede parecer contradictorio que el periodo orbital sea medio día y se tarde 24 horas en volver a ver sobre nuestras cabezas. ¿No deberían ser 6?


Eso sería así si la Tierra estuviera quieta. Pero la Tierra rota 1 vez cada 24 horas, con lo cual, debe transcurrir el doble de tiempo para que se encuentre sobre el punto inicial dado que el sistema presenta una sincronía 1:2 en ese sentido.


Así se garantiza que en cada momento estemos por lo menos bajo la cobertura de 4 satélites. En la práctica, habrá muchos más.


Esto es muy útil para calcular las efemérides de la constelación. Es decir, para saber donde se encuentra cada satélite en cada momento si conocemos de forma aproximada donde estamos (y ese donde incluye la fecha y el lugar aproximados).


Las efemérides de la constelación las transmite cada satélite en un mensaje que tarda unos 12 minutos en enviarse por completo al receptor. Este es el motivo por el que un receptor nuevo, si no le metemos la fecha y el lugar en el que estamos, tarda mucho en engancharse y saber donde está: porque tiene que recibir las efemérides y luego hacer los cálculos pertinentes.


Gracias a esto el receptor, conociendo donde están los satélites, puede hacer los cálculos para saber donde (y también cuando) estamos.


6. Hacen falta por lo menos 4 satélites para obtener la posición.


Se necesitan 3 para triangular una posición en el espacio y se necesita uno más para poder resolver la sincronización temporal y eliminar el tiempo como incógnita.


Recordemos: vivimos en un mundo de 4 dimensiones.


7. Los efectos relativistas afectan muchísimo a la precisión en las medidas del GPS.


Las fuentes de error de la medida son diversas. Recordemos una vez más que es el receptor el que hace las cuentas, por lo que ahí arriba debe ser todo muy preciso para que se pueda hacer la medida bien. Ya hablé del error de la ionosfera, pero también le afecta la lluvia bajo la troposfera y el problema del camino múltiple (multitrayecto o multitrack, son señales reflejadas en edificios y obstáculos) también afecta.


Para conseguir la precisión adecuada se puede demostrar que hacen falta precisiones en el tiempo del orden del nanosegundo. Por esto los satélites GPS llevan a bordo un reloj atómico cada uno que se sincroniza con el de Colorado Springs.


Y como el satélite se mueve muy deprisa ahí arriba, casi 14.000 km por hora. Eso es insignificante frente a la velocidad de la luz, pero como trabajamos con precisiones de nanosegundos, el tiempo sufre una deriva como consecuencia de la dilatación del tiempo.


Pero además, el satélite está bajo un potencial gravitatorio. Aquí entra también en juego la relatividad general. Al final, hay que hacer consideraciones relativistas y calcular el error, porque de no hacerlo, se acumulan errores de decenas de kilómetros al día. No es moco de pavo.


8. El software del receptor es el que hace todos los cálculos.


Los satélites en su mensaje de navegación además de las efemérides permiten al receptor conocer la distancia a la que se encuentran los satélites. Como su posición es conocida, el receptor puede calcular donde estamos.


Esto requiere una potencia de cálculo relativamente elevada teniendo en cuenta que a menudo nos estamos moviendo con el receptor, y el receptor debe ser capaz de hacer las cuentas en el tiempo apropiado para reflejarlas en la interfaz.


Por este motivo al DoD no le cuesta nada que haya gente escuchando la señal civil, porque los satélites ni se enteran. Ellos simplemente comprueban que el estado de salud y las medidas sean ciertas por su propio interés, y de eso se benefician todos los receptores que estén a la escucha.


9. El GPS no es un buen sistema para determinar alturas.


Cuanto más cerca está del horizonte más fácil es que aparezcan problemas de multitrayecto y otras interferencias no deseadas. Además, a menudo solo es un satélite el que nos verá en esa posición.


Por eso para hacer medidas precisas en altura se utilizan radioaltímetros y otro tipo de instrumental mucho más preciso para este menester. O eso, o recurrir a los llamados sistemas diferenciales.


Consiste en un GPS posicionado en un lugar del que conocemos perfectamente sus coordenadas. Entonces se mide el error en la medida del GPS y se considera que en una zona cercana, el error es aproximadamente el mismo. Con ese error se puede corregir la lectura de los receptores GPS cercanos dando medidas muy precisas.


10. El GPS no cumple los requisitos de la OACI para operar vuelos civiles.


Hemos visto que el GPS es la caña para identificar la posición y todo parece apuntar a que su aplicación en aeronáutica es estupenda. De hecho los aviones tienen receptores GPS que les ayudan, pero no son un mecanismo reconocido por la OACI como vital o del que se pueda depender para navegar.


El receptor GPS de los aviones se combina con los datos obtenidos por los sensores que incorpora el avión para saber donde está y esto permite ayudarle en ruta a establecer mejor su posición.


Sin embargo los requisitos de la OACI de disponibilidad y fiabilidad para emplearlo en aproximación, aterrizaje, rodadura y docking (aparcamiento) no permiten su uso en estas circunstancias.


Cuidado, esto no quiere decir que el sistema GPS no sea fiable. Es que los requisitos de la OACI son elevadísimos, requieren disponibilidad y fiabilidad por encima del 99.75% y el GPS la da en torno al 98%.


Y sobre todo en fases de aterrizaje, ascenso, aproximación y demás se requieren precisiones de pocos metros y en el docking de centímetros. Y eso no es algo que el GPS pueda proporcionar.


Sin embargo juega un importante papel como dispositivo auxiliar, sobre todo en espacio aéreo no controlado en vuelos transoceánicos y demás. Se puede mejorar, con sistemas expandidos y sistemas diferenciales, pero el GPS puramente no lo permite, hacen falta sistemas adicionales.


11. Pueden hacerse mediciones GPS con precisión por debajo del centímetro.


En geodesia y topografía esto es una aplicación excelente, porque los datos obtenidos del terreno pueden ser inmediatamente georreferenciados en una base de datos. Espera ¿no quedamos que la precisión en la medida era del orden de decenas de metros?


Existen receptores GPS civiles capaces de analizar la señal y poder obtener precisiones mucho mejores. Pero claro, el coste de esto es que no podemos mover el receptor durante bastante tiempo.  Aquí es donde el DGPS entra en juego, como ya conté en el punto 9. Es  útil en geodesia, pero no podemos emplearlo en navegación.


leica medidor de gps topografia


Los receptores GPS que utilizan los topógrafos suelen tener varias antenas embutidas en disco y varios receptores que en conjunto son capaces de hacer mediciones muy precisas.


12. Es muy fácil y barato perturbar e interferir un receptor de GPS.


El receptor GPS es muy vulnerable a interferencias voluntarias (jamming) porque se conoce perfectamente tanto la estructura de la señal como el ancho de banda como las frecuencias en las que se opera. Esto unido a que la potencia con la que llega la señal a la superficie es muy baja (-160 dBW) hace que sea relativamente sencillo construir un aparato que interfiera la señal.


Un perturbador GPS se puede comprar en muchas tiendas. Con solo 1 W de potencia puedes jorobar a receptores no protegidos a 50 km a la redonda. Y con solo 9 W ya de paso, jorobas la frecuencia militar.



Como esto es bien conocido, los receptores GPS militares van equipados con equipos anticontramedidas electrónicas (típicamente filtros) que les permiten evitar ser interferidos por estos aparatos. Los civiles, por regla general, no. Porque eso encarece el dispositivo y porque los sistemas anti contramedidas electrónicas hacen que la recepción de la señal sea peor.


Y bueno, hasta aquí hemos llegado, por ahora. Si el tema os interesa y queréis profundizar, os recomiendo tanto el último de los enlaces que pongo en las referencias, como el artículo en inglés de la Wiki y los que hay sobre las fuentes de error en GPS y el cálculo matemático de todo esto que hemos hablado a lo largo de este post.


Referencias:







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