¿Cómo determina el GPS la posición?

El sistema GPS utiliza una red de satétiles para triangular tu posición. En otras palabras, lo que en realidad hace la unidad GPS es medir el tiempo de desplazamiento de las señales que son transmitidas por los satélites, lo multiplica por la velocidad de la luz para determinar la distancia desde la unidad a cada uno de los satélites que le sirven de referencia.

El Segmento Espacial está constituído por los satélites que soportan el sistema y las señales de radio que emiten. Estos satélites conforman la llamada constelación NAVSTAR (Navigation Satellite Timing and Ranging), constituida por 24 satélites operativos más cuatro de reserva, mantenidos por la fuerza aérea estadounidense. No hay que olvidar, que el origen de este sistema es militar y su financiación corre íntegramente a cargo del gobierno de los Estados Unidos.

Los 24 satélites y sus 4 de reserva de la constelación NAVSTAR, circundan la tierra en órbitas a una altura alrededor de los 20.200 km de la superficie (puede ser algo más o algo menos, dependiendo del satélite) y distribuidos de tal manera que en cada punto de la superficie terrestre se tiene posibilidad de leer la señal de al menos cuatro satélites. Esto es muy importante, porque se necesitan al menos cuatro satélites para conocer la posición del observador, y que estos se dispongan con un ángulo de elevación sobre el horizonte superior a 15°; no obstante, casi siempre son más de cuatro los satélites 'visibles'.

Almanaque

Información enviada de forma periódica por los satélites de la constelación, informando sobre ellos mismos y el resto de satélites miembros del sistema, su nivel de salud, etc. Esta información suele variar con poca frecuencia, de año en año.



Efemérides
Información enviada por los satélites, dando la posición precisa de los mismos. Esta información sí cambia frecuentemente, siendo actualizada por las estaciones de seguimiento de la Tierra. Los parámetros orbitales de los satélites se van actualizando a medida que su movimiento se ve alterado por la atracción del Sol y la Luna, la diferencia de gravedad entre distintas zonas de la corteza terrestre, viento solar, etc. Un período de cambio típico sería de 4 horas.

Arranque autónomo

Si se activa una unidad GPS sin que ésta tenga un almanaque actualizado, ni unas efemérides, debe descargar ambas cosas de los satélites. El tiempo normal para ello, con cielo despejado, puede ser superior a 90 segundos. En situaciones urbanas o con cielo muy obstaculizado, el tiempo puede ser muy superior.

Cold Start

Si la unidad GPS tiene un almanaque válido (recordemos que la validez normal de un almanaque es de varios meses) tan solo deberá recibir las efemérides de los satélites. Transmitiendo a 50 bps, el tiempo normal de adquisición es de unos 45 segundos, dependiendo de en qué punto de la transmisión se arranque el GPS.

Las efemérides de los satélites tienen una validez de varias horas, por lo que un encendido "cercano" de la unidad GPS puede necesitar un simple "warm start".

Warm Start

Si la unidad GPS tiene un almanaque y unas efemérides recientes (menos de cuatro horas), necesita obtener una referencia de tiempo y sincronización con la transmisión de "espectro ensanchado" de los satélites. El tiempo de adquisición, en este caso, es de unos 7-15 segundos.

Hot Start

Si la unidad GPS tiene un almanaque, unas efemérides actualizadas y un tiempo local razonablemente preciso (por ejemplo, acabamos de pasar por un túnel), el tiempo de adquisición es muy bajo.

MultiPath

Multitrayecto. Es una de las causas de error sistemáticos más importantes. Se debe a la reflexión de las señales GPS en edificios, estructuras metálicas, etc.

El multitrayecto introduce dos problemas: atenuación selectiva (si se reciben varias señales simultaneamente), e incremento de la distancia medida al satélite (ya que en vez de tomar la distancia real, se toma la distancia a través del multitrayecto).

Los satelites de la constelación NAVSTAR (en inglés los SV) envían dos tipos de datos que son recogidos e interpretados por el receptor: el almanaque y las efemérides.


El almanaque está constituido por un conjunto de valores o parámetros que permiten predecir la órbita y la posición de todos los satelites, pero solo de una manera aproximada. Cada satelite envía de forma individual los datos correspondientes al almanaque de todos los demás satelites. Los datos de este almanaque son útiles durante varios meses.


Las efemérides son también datos transmitidos por el satelite que son recibidos por el GPS. Estos datos indican al GPS la posición exacta de los satelites. El GPS usa los datos de la efemérides de varios satelites al mismo tiempo para realizar cálculos (triangulaciones) y correcciones muy complejas que le permiten determinar con una extraordinaria precisión cuál es su posición real en la Tierra. Estos datos son por tanto muchísimo más completos y detallados que los que contienen los almanaques,


Otra diferencia es que cada satelite solo envia sus propios efemérides. La validez de los datos contenidos en las efemérides depende de cada satelite en particular, pero pueden llegar a ser útiles hasta 4 e incluso 6 horas.

Cuando el GPS se enciende, lo primero que hace es tener en cuenta los datos del almanaque y la hora de su reloj interno para predecir qué satelites van a estar disponibles en la esfera celeste justo encima de él. Entonces intentará conectar sólo con esos satelites presuntamente disponibles con el objeto de captar la información de sus efemérides. Esto permite ahorrar tiempo a la hora de adquirir una posición, ya que si no obtiene información del almanaque, tendría que buscar uno a uno todos los satélites, y algunos de ellos podrían estar en la otra cara del planeta, donde serían completamente inaccesibles.



Los datos de las efemérides no serán validos si el GPS se desplaza varios cientos de kilómetros desde la última posición en la que se encendió, o en el caso de que no contenga una hora exacta en el reloj interno. Además, en este caso puede que los datos del almanaque no sean tampoco válidos, porque las posiciones de los satélites se estiman teniendo en cuenta la última posición adquirida por el GPS. Si se cambia de hemisferio o de cara del planeta (en un viaje desde USA a Europa), puede ocurrir que ninguno de los satélites previstos por el almanaque estén ahí.



¿Qué ocurre?. Que el GPS se vuelve loco. No encontrará las señales correspondientes a muchos de los satélites que deberían estar ahí, pero que en realidad no están.


Entonces, pasados unos minutos de fracasos continuos, el GPS se decide a realizar una búsqueda en el cielo (search the sky). Este proceso implica la búsqueda de las señales enviadas por los satélites de uno en uno con idea de refrescar las nuevas efemérides. Esta función se llama AUTOLOCATE.

Búsqueda en el Cielo (Search the sky). Esto ocurre cuando las variables Tiempo, Posición, el almanaque y las efemérides son todos desconocidos. El GPS empieza a buscar satélites uno por uno, y tardará de 10 a 15 minutos en conseguir un posicionamiento. Esto sólo ocurre cuando se le hace un reset, el equipo viene de fábrica y ha estado apagado por varios meses.


AutoLocalización (Autolocate).

Ocurre cuando se desconocen las variables Tiempo y efemérides, se conoce la totalidad o parte de la información que ofrece el almanaque, y se ha variado notablemente o incluso se desconoce la posición (porque se ha hecho un viaje muy largo). En esta etapa es necesario introducir manualmente una estima aproximada de nuestra posición que el receptor usará para predecir la posición de los satelites en un momento dado con la ayuda de los datos del almanaque que tiene almacenado.

En estas condiciones el GPS no necesitará buscar uno a uno los satelites, sino sólo aquellos que están en el cielo, y tardará mucho menos que en el caso anterior para adquirir un posicionamiento correcto (varios minutos). Será necesario recoger la información de al menos 4 efemérides completas.