La historia y funcionamiento del GPS.

Hubo una época donde buscar como trasladarse de una ciudad a otra, o entre dos puntos distantes de una misma ciudad requerían armarse de paciencia y un mapa en papel. La Guia "T" o "Filcar" (entre otras) eran compañeros infaltables para "la cartera de la dama o el bolsillo del caballero" (Frase ampliamente utilizaba por vendedores ambulantes en la década del 80/90).

Todo proceso comenzaba ubicando donde nos encontrábamos y donde queríamos ir. Un índice de calles nos podía dar una mano. Ubicados el punto inicial y final, apoyándonos en nuestro conocimiento previo o recomendaciones de terceros íbamos armando un recorrido en varios pasos.

Las guias, que se actualizaban 1 vez por año, podían darnos retos inesperados: caminos cerrados, ómnibus con recorridos diferentes, calles con nombres modificados. El recálculo del camino requería un copiloto avezado que sugería los pasos siguientes o detenerse en el camino para evaluar las opciones.

Ejemplo de guia en papel de
mapas urbanos

La aparición de los Dispositivos GPS comerciales y las aplicaciones de celulares de navegación han convertido esto en un hecho del pasado. El chascarrillo de algunas películas de los 80 donde grandes mapas tapaban el parabrisas del auto mientras el conductor se desplazaba de forma temeraria no tiene sustento en nuestra realidad cotidiana. Un asistente de navegación dentro amurado al vehículo o incorporado al mismo nos guiará sin taparnos la visual (aunque la peligrosidad de su uso no puede considerarse menor al de su versión en papel)

Hoy día es casi impensable no utilizar los mapas de navegación. No solo nos indican donde estamos, y como podemos llegar a destino, sino que incluso se vinculan con la información de otros dispositivos que nos proporcionan detalles de embotellamientos, accidentes, caminos cortados y caminos alternativos para evitar retrasos. Pero como funcionan realmente? Como saben donde estamos? Como encuentran el mejor camino al destino?

Podemos dividir el problema de la recomendación del camino en dos partes. En primer lugar tenemos que conocer donde estamos y a donde vamos. En segundo lugar evaluar los caminos posibles y seleccionar el más conveniente.

En conocer donde estamos es donde el GPS entra en acción. Global Positioning System, tal como es su nombre completo, es un sistema de satélites que orbitan la tierra que permite determinar la posición de un elemento dentro del planeta. 

Réplica de Sputnik 1

La NASA cuenta que la idea fundacional del GPS nace conceptualmente en un evento traumático para USA durante la carrera espacial: El Sputnik 1, primer satélite espacial puesto en órbita en la historia por la Unión Soviética el 4 de octubre de 1957. Los científicos norteamericanos pudieron rastrar la posición y mensurar su desplazamiento escuchando las señales emitidas por el satélite rival. El efecto doppler (el mismo que experimentamos cuando escuchamos la variación del motor de un auto que se nos va acercando y luego nos pasa en una ruta) permitía precisar si el satélite se estaba acercando o alejando. Si desde diferentes puntos de la tierra se podía calcular la posición de un satélite, desde varios satélites se podría determinar la posición de un punto en la tierra.

En 1958 desde el laboratorio de física aplicada (APL) de la universidad Johns Hopkins se propuso basándose en el principio anterior un sistema de satélites de posición predecible y conocida. (Utilizando estos satélites transmitiendo una señal, contando con un aparato receptor en un punto de la tierra se podría determinar la ubicación en cualquier punto en la tierra. El sistema de satélites Transit (también conocido como NAVSAT o Navy Navigation Satellite System) empezó a tomar forma.

Órbitas de 5 satélites de NAVSAT

Patrocinado por la armada de USA y desarrollado en conjunto por DARPA y el APL, Navsat fue creciendo hasta ser totalmente operacional en 1964. Sus satélites orbitaban alrededor de la tierra en forma polar (pasando por ambos polos). Un mínimo de cinco satélites se requería para tener una cobertura global razonable, aunque siempre se intentó que haya al menos diez operacionales. El servicio de posicionamiento se mantuvo hasta 1996.

Cada satélite emitía señales que proveia interrupciones horarias precisas (cada dos minutos) e información de posición del satélite. Esta información más el efecto doppler permitía ubicarse en referencia al mismo.

NAVSAT tenía algunas serias limitaciones. La hora de los satélites se iban desincronizando. Todos los días se debía realizar una comunicación desde tierra para la corrección de sus relojes. Además, se debía esperar tiempo para obtener la posición. Para un submarino tener que emerger sus sistemas de comunicación y esperar hasta 2 minutos para determinar su ubicación, en plena guerra fría no era algo sencillo. Incluso había largas horas donde una posición determinada del globo no tenía cobertura. Ni hablar para elementos en movimiento como aviones o misiles donde su alta velocidad hacia inadecuada la lectura de la posición.

En el mismo año que NAVSAT fue operacional (1964) se dió puntapié otro proyecto: Timation en manos del Laboratorio de Investigación Naval en Washington. El nombre del proyecto sale de "TIMe and navigATION" La idea detrás del proyecto era ofrecer a un observador terrestre pasivo en cualquier punto del globo su posición y la hora exacta.

Satélite TIMATION 1

Con la experiencia pasada se concentraron en mejorar la exactitud de los relojes en los satélites y a lograr mayor cobertura y menor latencia.

El primer satélite de este proyecto se lanzó el 31 de mayo de 1967. Contaba con un reloj de cristal de cuarzo creado especialmente para ser lo más preciso posible. Las pruebas realizadas sobre el mismo fueron alentadoras. El principio funcional empleado requería de 2 relojes sincronizados, uno en tierra y el otro en el satélite. El receptor en tierra escucharía la señal del satélite y obtendría la hora en la que se originó la misma. De esa forma, y gracias a la teoría de la relatividad, conocida la velocidad de la propagación de la onda, se puede determinar la distancia que recorrió. Se demostró que conocida la posición del satélite, conocida la distancia y sumándole al efecto doppler se podía conocer la posición instantánea del receptor.

El programa Timation preevia utilizar una constelación de 27 satélites, varias estaciones terrestres (para comunicación y envío de información a los satélites) y de esa forma lograr una cobertura global, continua e independiente del clima. El tercer satélite lanzado conocido como Timation III/NTS-1 tuvo como particularidad el reemplazo de su reloj por uno atómico. Este era más preciso y menos suceptible a errores por las fluctuaciones solares. Este fue el ultimo satélite lanzado dentro del programa que fue descontinuado.

Pruebas de transmisor de
sistema 621B en 1972

Paralelamente el Space and Missile Systems Organization, de la fuerza aérea de Estados Unidos, comenzó con su propio programa de navegación satelital. El Sistema 621b se comenzó a desarrollar en 1968 e incluyo varias pruebas hasta 1971 utilizando aviones. A diferencia de los sistemas propuestos por la armada, los aviones y misiles requieren navegación en tres dimensiones (longitud, latitud y altitud). Además se pensó para evitar que satélites u otros dispositivos puedan interferir o corromper la señal.

Estos tres sistemas pronto comenzaron a competir entre ellos. Conseguir presupuestos para construir y mantener satélites no era (y no es) algo sencillo. Por lo tanto el gobierno decidió generar el Navigation Satellite Executive Group (NAVSEG). Este debía decidir que camino seguir para construir un único sistema de navegación.

El análisis de NAVSEG determinó que cada uno de los sistemas tenían sus desventajas frente a los otros. TRANSIT solo podía actualizase pocas veces por día, además tenía una limitación por auto interferencia en la cantidad de satélites que se podían agregar para mayor cobertura. TIMATION era fácil de interferir y además no poseía una geolocalicación en tres dimensiones. 621b requería la intercomunicación continua de estaciones terrestres para operar.

Una propuesta de sistema al que llamaron "Global Positioning Satellite/NAVSTAR" luego de varias idas y vueltas fue aprobada el 17 de Diciembre de 1973. Iba a utilizar diferentes partes de los diferentes proyectos existentes, pero principalmente: el método de comunicación de 621b, junto con los relojes de Timation. El primer prototipo del nuevo satélite de NAVSTAR fue una modificación de un satélite en producción de TIMATION. El Timation III/NTS-1 puso en órbita el 14 de Julio de 1974.

Logotipo de NAVSTAR

En 1978 comienza la primera etapa del sistema que se conocerá coloquialmente como GPS. Las pruebas realizadas demuestran una exactitud en las mediciones de 10 metros. Para 1985 ya habían lanzado 11 satélites de pruebas sumando importante experiencia. 

Dos decisiones políticas determinan la continuación y soporte del presupuesto oneroso del proyecto. En primer lugar la posibilidad de adicionar detectores de explosiones nucleares en los satélites. Con la constelación de satélites con cobertura global el gobierno de los Estados Unidos podría detectar en tiempo real la existencia de detonaciones nucleares. Los dispositivos sensores NUDET serían parte de cada satélite del GPS.

En segundo lugar, la tragedia del vuelo 007 de Korean Air que partió el 31 de agosto de 1983 y fue derribado por jets interceptores sovieticos. Segun investigaciones de la época los pilotos de este avión trazaron un rumbo equivocado que los terminó internando en territorio aéreo soviético. En este vuelo civil se trasladaban 240 pasajeros y 29 tripulantes Como medida el presiente en aquel tiempo Ronald Reagan anunció que el sistema GPS, una vez terminado, se pondría disponible para propósitos civiles.

En 1989 se lanza el primer satélite GPS totalmente funcional y para 1995 se termina de ubicar los 27 satélites operaciones (3 de respaldo) para hacer el sistema completamente operacional. Hasta la fecha el sistema continua totalmente operacional y algunos de los satélites se fueron renovando.

A pesar de ser el más conocido en el mundo, no es el único sistema de navegacion satelital.
La Unión Soviética generó su propio sistema que desarrolló entre 1982 y 1995 conocido como GLONASS. La unión europea se encuentra desarrollando (se estima su finalización para 2020) el sistema de navegación civil Galileo. China está desarrollando hace varios años su propio sistema: Beidou.

¿Como funciona el gps?

El proceso de determinar la posición en el GPS se determina utilizando un mínimo de tres satélites (triangulación) pero idealmente cuatro (cuadrangulación). La constelación de satélites esta ideada para que realizando sus órbitas siempre existan al menos esa cantidad disponibles para cualquier punto de la tierra. El dispositivo receptor en tierra busca las señales de los satélites y calcula su distancia a los mismos. Conocidas las posiciones de los satélites y la distancias a los mismos puede determinar la posición. Para mejor explicación, se presenta la siguiente secuencia:

La medición de la distancia - como se comentó antes - la realiza en base el tiempo transcurrido entre la emisión y recepción de la señal del satélite. Por eso mismo es tan importante que los relojes de los satélites estén sincronizados y no tengan errores. Cada satélite tiene su propia señal generada en forma pseudo-aleatorias (De las cuales hablamos en el artículo "Hackeando a la suerte (Historias de funciones pseudo aleatorias)"). El receptor conoce la función generadora de cada señal y también tiene su reloj sincronizado con los de los satélites. Al recibir la señal del satélite este se encuentra desfasado en el tiempo (con un retraso producido por el tiempo en que tardo en viajar). El receptor determina en cuanto tiempo están desincronizados y multiplicándo el valor por la velocidad de la luz obtiene la distancia (tiempo x velocidad = distancia).