HDG explica: ¿Cómo funciona el GPS?

La última vez que usó su teléfono para que Google Maps señalara su ubicación exacta(Google Maps pinpoint your exact location) en un mapa, ¿alguna vez se detuvo y se preguntó cómo funciona el GPS con tanta precisión?

El Sistema de Posicionamiento Global(Global Positioning System) ( GPS ) fue lanzado por el Departamento(U.S. Department) de Defensa(Defense) de los EE. UU. en 1973 (conocido como NAVSTAR ). Para 1993, había 24 satélites GPS orbitando la Tierra y transmitiendo datos orbitales y posicionales que los militares podían usar para la navegación y otros fines militares. Hoy, al momento de escribir este artículo, hay 28.

En la década de 1980, los datos transmitidos desde los satélites GPS se abrieron al público, lo que abrió todo un mercado para la amplia variedad de dispositivos de navegación GPS que tenemos hoy. 

Al momento de escribir este artículo, Rusia(Russia) , China , Europa(Europe) e India tienen sus propios sistemas GPS activos . Japón(Japan) está desarrollando su propio sistema GPS programado para estar operativo en 2023.

¿Cómo funciona el GPS?(How Does GPS Work?)

Si bien la tecnología satelital en la que se basa el GPS es muy avanzada, la forma en que opera el sistema es impresionantemente simple.

Hay tres componentes en cualquier sistema de navegación GPS individual.(GPS)

  • Satélites(Satellites) : Los satélites GPS orbitan la Tierra(Earth) y transmiten su hora actual y posición orbital a todos los receptores GPS en su lado del planeta.
  • Centro de comando(Command Center) : El centro de comando transmite datos orbitales, correcciones de tiempo y la posición orbital de otros satélites hasta los satélites en órbita.
  • Receptores de GPS(GPS Receivers) : un receptor de GPS en la (GPS)Tierra(Earth) recibe tiempos orbitales de tantos satélites dentro del alcance y calcula su propia posición en la Tierra(Earth) en función de las posiciones de al menos cuatro satélites de GPS .

Los receptores GPS(GPS) utilizan un principio matemático conocido como triangulación para calcular su propia ubicación. 

¿Cómo funciona la triangulación GPS?(How Does GPS Triangulation Work)

Desde cualquier punto del planeta, si tiene un receptor de GPS (como el de su teléfono), un receptor de GPS recibe marcas de tiempo de los relojes sincronizados en cada uno de los satélites de GPS .

Usando las diferencias en las marcas de tiempo y la velocidad constante de la luz a la que viajan las ondas de radio, el receptor GPS puede determinar la distancia entre el lugar donde se encuentra y cada satélite.

Esto proporciona al receptor GPS el radio de las esferas con los satélites en el centro y su ubicación en el borde de la esfera.

Dado que cada satélite viaja en una órbita predecible sobre la tierra, el receptor puede usar un almanaque almacenado de la posición actual conocida de todos los satélites GPS para determinar dónde, aproximadamente, esos satélites se encuentran actualmente sobre la tierra.

Con la posición conocida de cada satélite y la distancia medida entre esos satélites y su posición, su receptor GPS puede calcular su ubicación aproximada al determinar dónde se unen las intersecciones de esas tres esferas en la superficie de la Tierra(Earth) .

Luego, el receptor le muestra esa ubicación en un mapa.

Tres satélites brindan una ubicación aproximada y los receptores GPS requieren una cuarta señal de otro satélite GPS para determinar su altitud actual en la superficie de la Tierra utilizando otro principio matemático conocido como trilateración.

Cómo funciona el sensor GPS de su teléfono(How Your Phone GPS Sensor Works)

La mayoría de los teléfonos inteligentes modernos vienen equipados con un chip receptor de GPS . Este chip puede recibir las señales de radio de los satélites GPS .

El reloj de tu teléfono no es un reloj atómico, por lo que su hora no está sincronizada con los relojes atómicos de los satélites en órbita. Sin embargo, esto no importa cuando se trata de calcular la ubicación usando señales de esos satélites.

Esto se debe a que el receptor GPS(GPS) de su teléfono se concentra en los datos que recibe de los satélites y en una base de datos de ubicaciones satelitales conocidas sobre la Tierra(Earth) . Dado que todos los satélites tienen un reloj atómico, la hora actual en cada satélite es exactamente la misma en cualquier momento dado.

Sin embargo, debido a la distancia del satélite y al hecho de que las señales de radio viajan a la velocidad de la luz, las diferencias entre cada marca de tiempo recibida revelan la distancia entre su teléfono y cada uno de los satélites.

Así es como funciona este proceso de GPS:

  • Los cuatro satélites transmiten la misma marca de tiempo exacta a su teléfono a las 5:12:14 p. m.
  • Su teléfono recibe esa marca de tiempo a las 5:12:15 del satélite 1.
  • Recibe la marca de tiempo a las 5:12:16 del satélite 2.
  • Finalmente, a las 5:12:17, recibe la marca de tiempo del satélite 3.

Esto le dice a su receptor GPS que la señal de radio tardó 1 segundo en llegar desde el satélite 1, 2 segundos desde el satélite 2 y 3 segundos desde el satélite 3.

La velocidad de la luz es una constante conocida de 299.792.458 metros por segundo.

Usando matemáticas simples, el receptor puede calcular que su distancia es de aproximadamente 300 mil metros del satélite 1, 600 mil metros del satélite 2 y 900 mil metros del satélite 3.

Usando una tabla de búsqueda de una base de datos de satélites GPS , el receptor (GPS)GPS de su teléfono conoce la ubicación actual aproximada sobre la tierra de los tres satélites, lo que proporciona las coordenadas de longitud y latitud de los tres. 

Con esa información, su teléfono puede calcular sus propias coordenadas de longitud y latitud(your own longitude and latitude coordinates) en la Tierra.

Usando sus coordenadas conocidas, su receptor GPS puede usar la distancia medida entre él y un cuarto satélite para determinar a qué altitud sobre la Tierra(Earth) se encuentra.

¿Qué es un sistema de posicionamiento global asistido?(What Is An Assisted Global Positioning System?)

Antes de que los teléfonos inteligentes comenzaran a integrar circuitos GPS , las personas generalmente usaban receptores GPS portátiles que funcionaban con baterías AA. O instalarían unidades de GPS en los automóviles, que funcionaban conectados a la batería del teléfono.

Esto se debió a que la comunicación por radio requiere más potencia. La limitación de esto es que a menudo tenía que esperar varios minutos para que su receptor GPS se "bloquee" con suficientes satélites GPS para calcular su posición.

Los fabricantes de teléfonos inteligentes superaron esta limitación de la batería al combinar su tecnología existente de triangulación celular. Mucho(Long) antes de que los teléfonos estuvieran habilitados para GPS , podían usar señales provenientes de torres de telefonía celular para triangular su posición, utilizando el mismo tipo de marca de tiempo de triangulación y tecnología de distancia que con los satélites  GPS .

Desafortunadamente, debido a que las torres de telefonía celular están al nivel del suelo, este cálculo de navegación es mucho menos preciso. Por lo tanto, el software GPS(GPS) de su teléfono inteligente primero usará la triangulación de la señal celular para determinar su posición aproximada y luego actualizará esa posición una vez que los datos satelitales del GPS estén listos.

Esto permite que los teléfonos inteligentes modernos reserven la energía de la batería utilizando solo los datos del GPS cuando se requieren esas actualizaciones de ubicación. Esta es la razón por la que a menudo puede ver su ubicación(see your location) en Google Maps saltando ocasionalmente a una nueva ubicación cuando hay datos más precisos disponibles.



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