curso de orientación, GPS y nuevas tecnologías de posicionamiento mundial león04demayo07 facultaddeccdelaactividadfísicaydeldeporte

C.D. Syncro Bike León www.syncrobike.com FCAFD León Universidad de León

Con la

Colaboración de:

Ponentes

Lanero Barbero,

Fernando

ferlanero@gmail.com

LDO. En Ciencias

de la Actividad

Física y del

Deporte por la

Universidad de

León

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“¿Dónde estoy? La pregunta parece simple; la historia ha demostrado que la respuesta no lo es […]”

Lanero Barbero, Fernando. (2006)

Curso de Orientación, Gps y Nuevas Tecnologías de Posicionamiento Mundial.

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ASIGNATURA Actividades Físicas y

Deportivas en la Naturaleza DE LA FACULTAD DE CIENCIAS DE LA

ACTIVIDAD FÍSICA Y DEL DEPORTE DE LA

UNIVERSIDAD DE LEÓN. TEORÍA DEL GPS

Viernes 04 de mayo.

1. ORIENTACIÓN. CONCEPTOS BÁSICOS 1.1. Si tenemos mapa y brújula 1.2. Sin mapa y sin brújula

1.2.1. Método de la punta de sombra 1.2.2. Método de las sombras iguales 1.2.3. Método del reloj

1.3. Recurriendo a las estrellas 2. HISTORIA Y EVOLUCIÓN DEL SISTEMA GPS

2.1. Sistema de posicionamiento global. El papel de los relojes atómicos

2.2. ¿Dónde está el capitán O´Grady? Usos militares del sistema global de posicionamiento.

2.3. Tiempo y posición, con precisión. 2.4. Comenzó con una investigación básica. 2.5. Una herramienta para estudiar la naturaleza. 2.6. El reloj de Isidor Isaac Rabi. 2.7. Aplicaciones prácticas. 2.8. Gps y el futuro 2.9. Cronología.

3. PRINCIPIOS GENERALES DE FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA GPS.

CONCEPTOS BÁSICOS Y TERMINOLOGÍA. 3.1 Principios generales de funcionamiento del sistema de

posicionamiento global. 3.2 Funcionamiento.

3.2.1 Triangulación 3.2.2 Midiendo la distancia. 3.2.3 Obtener un timing perfecto. 3.2.4 Posicionamiento de los satélites. 3.2.5 Corrección de errores.

3.3. Conceptos básicos y terminología. 3.3.1. ¿Para qué sirve un GPS? 3.3.2. ¿Cómo indica mi posición?

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3.3.3. Sistemas de coordenadas ¿UTM? ¿UPS? Coordenadas UTM ¿31T 417862N 4580017E?

3.3.4. ¡Ojo al “Datum”! 3.3.5. ¿Qué es la latitud? 3.3.6. ¿Y la longitd? 3.3.7. ¿Curvas de nivel? 3.3.8. ¿Proyecciones cartográficas? 3.3.9. Waypoint - ¿Waypoint? 3.3.10. Ruta o Route 3.3.11. Tracklog 3.3.12. Track - ¿Qué es un Track? 3.3.13. Función Trackback 3.3.14. Goto - ¿Me dice cómo llegar a un punto

concreto? 3.3.15. ¿Ruta o Track?

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ASIGNATURA Actividades Físicas y

Deportivas en la Naturaleza DE LA FACULTAD DE CIENCIAS DE LA

ACTIVIDAD FÍSICA Y DEL DEPORTE DE LA

UNIVERSIDAD DE LEÓN. TEORÍA DEL GPS

ABSTRACT

¿Dónde estoy? La pregunta parece simple; la historia ha demostrado que la respuesta no lo es. Durante siglos, navegantes y exploradores han buscado en el cielo un sistema que les permitiera conocer su posición en el globo con la precisión necesaria para llegar a su destino sanos y salvos. Sin embargo, el 26 de junio de 1993 la respuesta se hizo tan simple como la pregunta. En esa fecha, la fuerza aérea de Estados Unidos puso en órbita el satélite Navstar número 24, con lo que se completó una red formada por 24 satélites conocida como GPS (Global Positioning System, Sistema de posicionamiento global). Con ayuda de un asequible receptor GPS puede averiguar de forma instantánea su posición en el planeta (latitud, longitud e incluso la altitud) con un margen de error de pocos metros.

1. ORIENTACIÓN. CONCEPTOS BÁSICOS

Es evidente, incluso para los no iniciados, que los instrumentos de orientación elementales son dos: el mapa y la brújula. A pesar de ello, es fácil observar como grupos de amigos o familias completas visitan lugares de alta montaña sin portar ninguno de ellos, ni mapa ni brújula. Uno de los primeros puede salvarnos la vida al recuperar el sentido de la orientación mediante su empleo y algún punto o elemento de referencia, no cuesta más de 3 euros y puede constituir, incluso, un buen recuerdo de las jornadas de campo. Por otro lado, existen brújulas de muchos tipos pero quien más y quien menos, sabe cual es su función: descubrir la dirección del norte magnético. El precio de una brújula básica no excede los 7-9 euros. Por tanto, podemos equiparnos con estos instrumentos de orientación que pueden sernos de mucha utilidad, no ocupan espacio apenas y suponen un gasto de 10 a 12 € para todo el grupo.

Si no se dispone de mapa y brújula hay que echar mano de alguien que sepa orientarse sin esta instrumentación. Si tenemos la suerte de que en el grupo nos acompaña alguien con esa característica puede que no paguemos la imprudencia de haber salido sin los objetos elementales de orientación. Sin ellos descubriremos que el que sabe orientarse se fija en las sombras, las agujas del reloj, o la posición relativa de determinadas estrellas de ciertas constelaciones.

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1.1. Si tenemos mapa y brújula

Si tenemos mapa y brújula nos será sencillo encontrar el norte y con ello nuestra situación de una manera muy aproximada, ya sea para indicarla a un equipo de rescate o para tomar una decisión sobre el avance del grupo o la persona a buscar la salida del problema. Quizá lo más destacable para quien no tiene la costumbre de uso es la aparición de “dos nortes”. Por un lado una brújula no es más que un imán por lo que la información que proporciona es una reacción magnética a la carga terrestre (nuestro planeta también lo es), su aguja señalará el que llamamos ‘norte magnético’.

Sin embargo, el verdadero es el ‘norte geográfico’, también llamado ‘norte

Lambert’. Aunque en la mayoría de las ocasiones bastará con tomar como referencia el norte magnético que da la brújula, la diferencia entre ambos puede calcularse con la información que proporciona un mapa, que en su cuadro de información al margen destacará un ‘diagrama de declinación’, que muestra, un función de determinados parámetros, la diferencia angular entre ambos nortes, de forma que puede deducirse el verdadero de Lambert.

Los tipos de mapas disponibles más importantes son los siguientes: mapas planimétricos o de carreteras, cartas de náuticas, cartas de navegación aérea, y mapas topográficos. Los últimos son los que debe llevar el excursionista o profesional de la naturaleza, conozca o no el terreno. Por razones obvias las cartas de navegación, marinas o aéreas, no son de utilidad en tierra y los topográficos incluyen casi la totalidad de la información servida en un mapa de carreteras y añaden datos, referencias e información marginal muy útil sobre el terreno.

Sabido ya que el mapa es la representación a escala de la realidad a modo de dibujo aéreo ortogonal, centrémonos en su interpretación, para lo que es imprescindible la comprensión de la ‘información marginal’ que se acompaña con el documento. En ella se encuentran los símbolos gráficos que aparecen en el mapa con sus correspondencias alfanuméricas o lingüísticas, la escala y la escala gráfica, curvas de nivel, diagrama de declinación angular del norte verdadero, etcétera.

Los cambios de pendiente del terreno o las diferencias de nivel se aprecian al tomar nota de la posición relativa del punto del mapa que interese con las denominadas ‘curvas de nivel’ que son líneas continuas que unen todos los puntos que tienen la misma altitud en superficie. A menudo al seguir dicha línea imaginaria encontraremos una cifra que se corresponde con la altitud (metros para nosotros, pies en otros casos). Se denomina ‘intervalo de nivel’ a la diferencia numérica entre dos curvas de nivel consecutivas.

La declinación angular puede calcularse puesto que depende únicamente de

los movimientos de rotación de la Tierra sobre su eje, de modo que se elabora el diagrama de declinación que permite traducir el dato de norte magnético obtenido por otro método.

La importancia de la escala es crucial y conocida por todos, así como su

significado por lo que no profundizaremos en él. Baste un ejemplo: en un mapa

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topográfico de escala 1:25.000 cada unidad de medida tomada sobre el mapa equivale a 25.000 veces esa misma unidad sobre el terreno. Ahora bien, en la información marginal del mapa se expresa la escala de diferentes maneras.

La escala gráfica esta dividida en sectores que varían intensamente de color entre ellas. Situándose en esta escala gráfica puede observase que a partir del 0 y hacia la derecha las divisiones son mayores (empleadas para grandes distancias), mientras que desde el ya citado 0 a la izquierda se reserva la escala en menores divisiones más útiles para distancias menores. Esta última parte de la escala se denomina ‘escala extendida’, el resto ‘escala primaria’. Quiere decir esto que la escala gráfica se compone de extendida, a la izquierda, y primaria, a la derecha.

Las brújulas de mano son variadas en sus estilos: militar o de lente, modelo Slyva, de pulsera, simple de bolsillo, etcétera. Cualquiera puede servirnos si se toman ciertas precauciones de empleo. Se trata sólo de un imán, por lo tanto está sometido permanentemente a los campos magnéticos que la rodean. Para su correcto uso se debe comprobar que no está cercana a objetos de hierro o acero, sobremanera cuando pudieran ser de gran tamaño o muy próximos. Lo mismo ocurre si estamos cerca de grandes masas de rocas ricas en el mineral magnetita.

Una vez que tenemos en la mano una brújula y un mapa tenemos que orientarnos sobre el terreno. Para ello empleamos el método más sencillo, denominado ‘método de triangulación’ y que pudiera llamarse ‘del sentido común’ también. Se trata de tomar dos puntos de referencia lejanos, de modo que formen un triángulo entre el que interpreta y ese par de referencias. Uno de los puntos de referencia será el A, el otro el B. Se confirma la dirección de cada uno de ellos alineado con el observador. Por último, sabiendo que el norte de la brújula y el del mapa han de coincidir ya tenemos una orientación muy aceptable.

1.2. Sin mapa y sin brújula

En el caso de no haber tenido la precaución de salir con el instrumental descrito deberá ceñirse a las señales procedentes de la naturaleza y su traducción relativa a los puntos cardinales terrestres. Así, siendo de día, se emplean un par de métodos basados en las proyecciones de las sombras de determinados objetos, o el del reloj. Una vez la luz del sol desaparece y sólo se cuenta con el reflejo de la misma en el satélite natural terrestre, son las estrellas las que nos marcarán la dirección buscada.

Método de la punta de sombra

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Cuando luce el sol el procedimiento más simple y utilizado es el ‘método de la punta de sombra’. Se clava una estaca o palo del lugar sobre una porción de terreno expuesta al sol y que se considere con inclinación del terreno igual a todos los lados de la estaca. En el mismo instante de la colocación se marca de alguna forma la punta de la sombra del palo. Se espera un instante, calcúlense unos 10 o 15 minutos mínimo, y se marca la segunda proyección de la punta, la sombra sobre el terreno. Sabido que el sol sale por el Este (ligeramente Sur) y que se dirige, al avanzar el día, al Oeste (ligeramente Norte), no habrá problema para deducir las cuatro direcciones hacia los puntos cardinales.

La unión del punto marcado en el terreno como primera sombra de la punta

y de su análogo posterior en el tiempo será la dirección aproximada E-W (desde ligeramente Sur a ligeramente Norte). Por este mismo método puede saberse la hora aproximada. Piénselo el lector, lo trataremos en siguientes artículos de la revista D.

1.2.2. Método de las sombras iguales

Existe un segundo método con base en las sombras y que es más preciso: ‘método de las sombras iguales’. Los expertos aseguran que puede aplicarse con éxito en cualquier punto del Globo con latitud mayor a 66º y en cualquier época del año. Sin embargo, requiere dos condiciones de aplicación a las que habrá que evaluar si conviene ajustarse por premuras de tiempo u otras condiciones de supervivencia. Y es que debe realizarse siempre en torno al mediodía, además el observador ha de vigilar la sombra de la estaca y fijarla en el momento preciso.

Se procede de la siguiente manera: se coloca una rama o estaca en las mismas condiciones que en el método de la punta de sombra; se traza sobre la tierra una semicircunferencia de radio la sombra de la rama y centro en la intersección de la misma con el terreno (puede utilizar un cordón de bota, otra rama, …); se observa que al acercarse al mediodía la sombra se hace más corta y, después de las 12, se alarga hasta cruzar el arco; una línea recta trazada o imaginada entre las dos marcas de punta de sombra es, de nuevo, la línea E-W.

1.2.3. Método del reloj

Aún con sol se puede emplear el ‘método del reloj’. Es un método que puede presentar un error mayor al deseable y al que sirven los anteriormente descritos. Tiene una aplicación aceptable en las zonas templadas comprendidas entre los 23.5º y 66.5º de latitud en ambos hemisferios. No profundizamos más por lo considerar que sea demasiado útil en nuestra Península Ibérica.

1.3. Recurriendo a las estrellas

Una vez que nos encontramos en la cara oscura de La Tierra recurriremos a las estrellas. Hay que distinguir entre el hemisferio boreal y el austral para la

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aplicación del método que desarrollaremos. Nos ajustamos al nuestro que es lo que nos interesa. El objetivo es descubrir la estrella Polar o estrella del Norte. Para ello se puede partir de la identificación de dos constelaciones conocidas: Casiopea o la Osa Mayor. Si identifica esta última busque las dos estrellas posteriores del cuadrilátero (son las llamadas ‘guardas’), unidas ellas se prolonga la línea recta hasta encontrar una estrella brillante a distancia 2,5 veces la distancia entre las dos guardas, se trata la Estrella Polar.

Debe tenerse en cuenta que la Osa Mayor gira en torno a la Estrella Polar, por lo que el método puede sufrir alguna variación. Si prefiere guiarse por Casiopea o la encuentra antes, la posición relativa de la Polar en ese caso es en línea recta a partir de la estrella central de Casiopea y aproximadamente a la misma distancia que de la Osa Mayor. Casiopea aparecerá, como una W con una estrella en cada variación de pendiente en el trazado de la letra imaginaria, al lado opuesto de la Estrella Polar que la Osa Mayor. Recuérdese que ambos grupos de estrellas giran en torno a la Polar.

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2. HISTORIA Y EVOLUCIÓN DEL SISTEMA GPS

El sistema de “GPS” nace en 1973 y queda oficialmente declarado como funcional en 1995. Es un sistema que inicialmente se desarrolló con enfoque de estrategia bélica pero a través de los años el gobierno de Estados Unidos decidió permitir el uso al público en general con ciertas limitaciones de exactitud.

A continuación se analizará la historia y desarrollo del denominado "GPS"

cuyas siglas significan Global Positioning System. En español conocido como Sistema de Posicionamiento Global. Este sistema surge en 1973 con los problemas que experimentaron las tropas norteamericanas en el conflicto con Vietnam. En esa época se utilizaba un sistema llamado LORAN y debido a sus deficiencias, como las de cualquier frecuencia de radio, se buscó otra alternativa. Estados Unidos desarrolló entonces lo que ahora es el sistema GPS, pero sólo con cuatro satélites y lo llamaron Transit. Transit era de uso limitado debido a la insuficiencia de satélites y fue hasta en 1990 cuando un sistema con una mayor red satelital llamado NavStar quedó finalmente funcionado al 100% con una red de 21 satélites. También se explicará cómo funciona este sistema, cuáles son sus modalidades, se hará una descripción de sus principales aplicaciones y de quienes son sus usuarios. Sin olvidar las limitaciones, reglamentación, control y costo de este moderno sistema de posicionamiento.

2.1. Sistema de posicionamiento global. El papel de los relojes atómicos

La increíble tecnología del Sistema de Posicionamiento Global ha sido posible gracias a la combinación de progresos de ingeniería y científicos, en particular gracias al desarrollo de los relojes más precisos del mundo: los relojes atómicos que tienen una precisión de hasta un nanosegundo. Estos relojes fueron creados por físicos que pretendían obtener respuestas a preguntas sobre la naturaleza del universo, sin saber que llegaría el día en que su tecnología haría posible un sistema global de navegación. Hoy en día, el GPS permite salvar vidas, sirve de ayuda a la sociedad de muchísimas otras maneras y genera 100.000 puestos de trabajo en una industria que mueve varios miles de millones de dólares. El siguiente apartado, una adaptación parcial del artículo escrito por el físico Daniel Kleppner, describe cómo las investigaciones básicas sobre la naturaleza del tiempo y los métodos para medir el tiempo con precisión contribuyeron al desarrollo del GPS. Constituye un maravilloso ejemplo de cómo los trabajos científicos y las investigaciones básicas conducen al desarrollo de tecnologías prácticamente inimaginables cuando se llevaron a cabo las investigaciones.

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2.2. ¿Dónde está el capitán O´Grady? Usos militares del sistema global de posicionamiento.

Eran las 2:08 de la madrugada del 6 de junio de 1995 cuando un piloto de la fuerza aérea estadounidense que sobrevolaba en un caza F-16 las posiciones serbias de Bosnia-Herzegovina escuchó la llamada "Basher 52" a través de su radio. "Basher 52" era la señal de llamada de un piloto americano, el capitán Scott O'Grady, cuyo F-16 había sido abatido por las fuerzas serbias en esa misma área 4 días antes. Posteriormente, el piloto declaró que la señal de llamada de O'Grady resultó como escuchar una voz de ultratumba. Un misil tierra-aire serbio había alcanzado al F-16 de O'Grady y éste explotó de inmediato. Aunque el piloto, de 29 años de edad, consiguió saltar sano y salvo, el piloto que le seguía no vio salir ningún paracaídas de los restos llameantes.

El piloto del F-16 americano capitán Scott F. O'Grady

O'Grady estuvo en tierra tras las líneas enemigas durante 4 días, alimentándose a base de hierbas e insectos, durmiendo durante el día bajo un nido de camuflaje y desplazándose por la noche. Finalmente, se arriesgó a establecer contacto por radio con otros aviones, que verificaron su posición y avisaron a los marines, concretamente a la unidad expedicionaria de marines 24 y su grupo de expertos en recuperación táctica de personal de aeronaves o TRAP. Transcurridas 4 horas, el equipo de búsqueda y rescate el había despegado del USS Kearsarge en el mar Adriático con dirección Bosnia. A las 6:50 a.m. ya habían rescatado a O'Grady mediante un espectacular rescate clásico, habían hecho frente a los ataques serbios y se dirigían de vuelta a casa. Posteriormente, ese mismo día en Alexandria, Virginia, se informaba a William O'Grady, el padre del joven piloto, que su hijo estaba vivo y fuera de peligro.

La prensa aclamaba a O'Grady como un héroe y el propio O'Grady atribuía el mérito y daba las gracias a los marines que "arriesgaron sus vidas para salvarme". Pero fue otro factor el que permitió a los marines desempeñar ese papel fundamental en la operación de rescate con una precisión milimétrica. Cuando O'Grady saltó del avión, su chaleco salvavidas disponía de un receptor de radio portátil sintonizado con una red de 24 satélites conocida como GPS. O'Grady pudo determinar su posición tras las líneas enemigas (longitud, latitud y altitud) con una precisión de metros y, a continuación, notificó esa posición a los pilotos de las

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fuerzas aéreas que le sobrevolaban y a los marines que acudieron en su ayuda. Uno no puede dejar de preguntarse si O'Grady y los que le rescataron eran conscientes de que parte de la tecnología que posibilitó este notable rescate se había desarrollado a partir de investigaciones básicas sobre las propiedades fundamentales de los átomos y los núcleos realizadas unos 60 años antes.

2.3. Tiempo y posición, con precisión.

Gracias al GPS se puede contestar una pregunta tan simple como "¿Dónde estoy?" de forma casi inmediata y con una precisión sorprendente. La novedosa tecnología utiliza relojes atómicos que marcan el tiempo con una precisión de un nanosegundo. Estos relojes fueron creados por científicos que no podían imaginar que en el futuro formarían parte de un sistema global de navegación. El sistema se utilizó por primera vez durante la Guerra del Golfo de 1991 y obtuvo críticas muy favorables. Las tropas estadounidenses lo utilizaron para orientarse en tierra, mar y aire, localizar el objetivo de las bombas y orientar los misiles de a bordo. El GPS permitió a las tropas terrestres estadounidenses moverse con rapidez y precisión a través del vasto y monótono desierto de la Península Arábiga.

Desde entonces, la tecnología GPS se ha trasladado al sector civil. Hoy en día, el GPS permite salvar vidas, sirve de ayuda a la sociedad de muchísimas otras maneras y genera puestos de trabajo en una nueva industria que mueve miles de millones de dólares. Los avances conseguidos en la tecnología de circuitos integrados (la tecnología que se utiliza para crear los chips informáticos) muy pronto permitirá construir transmisores y receptores GPS del tamaño de una tarjeta de crédito, tan pequeños y asequibles que prácticamente todos los vehículos y personas podrán disponer de uno.

En tan sólo unos pocos años, las aplicaciones del GPS son prácticamente ilimitadas:

· Los vehículos de emergencia utilizan el GPS para ubicar con exactitud los destinos y trazar rutas.

· El GPS se utiliza para localizar embarcaciones perdidas en el mar.

· Los servicios de transporte utilizan GPS para realizar un seguimiento de su flota y acelerar las entregas.

· Las compañías de transporte equipan los buques cisterna y cargueros con GPS para su navegación, así como para registrar y controlar los movimientos de las embarcaciones.

· Los propietarios de embarcaciones de recreo y pequeños vehículos comerciales confían en el GPS para la navegación.

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· Los pilotos civiles utilizan GPS para la navegación, fumigación aérea, topografía y fotografía aérea.

· Al utilizar la tecnología GPS para elaborar los planes de vuelo, las líneas aéreas ahorran millones de dólares. Los GPS se pueden utilizar para el aterrizaje instrumental, tanto en aeropuertos grandes como pequeños, y hacen posible la creación de nuevos sistemas de elusión aérea.

· La tecnología GPS se usa habitualmente para realizar mapas, mediciones de tierra y en topografía. El GPS se ha utilizado para realizar mapas de carreteras, seguimiento de incendios forestales y para guiar las hojas de los bulldozers en los procesos de construcción, consiguiendo un grado de precisión de centímetros.

· Los científicos que estudian la Tierra utilizan la tecnología GPS para monitorizar los terremotos y los movimientos de las placas tectónicas terrestres.

· Las compañías de telecomunicaciones confían cada vez más en el uso de GPS para sincronizar sus redes digitales terrestres mediante la comparación directa de sus relojes de referencia con la hora del GPS.

· Los fabricantes de satélites utilizan receptores GPS para realizar un seguimiento de las posiciones de los satélites.

· En los automóviles se están instalando GPS para que los conductores puedan saber dónde están y a la vez recibir indicaciones de dirección. En Japón, 500.000 automóviles ya incorporan un sistema de navegación basado en GPS. · El mundo del deporte ha incorporado esta tecnología de forma masiva, sobre todo en aquellas modalidades que se desarrollan en el medio natural como pueden ser la escalada, el montañismo, las carreras de orientación, el mountain bike, la navegación a vela y un largo etcétera.

Esto es sólo el principio. El mercado mundial actual de la tecnología y

receptores GPS se estima en más de 2.000 millones de dólares, y se espera un crecimiento hasta más de 30.000 millones de dólares durante los próximos 10 años.

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Aunque originalmente se concibió como una herramienta de navegación para uso militar, el sistema de posicionamiento global se ha trasladado a muchas otras aplicaciones comerciales creando una industria que se prevé alcance 30.000 millones de dólares en ingresos anuales durante la próxima década: en la fotografía, un dispositivo de localización incorporado para automóviles. (Trimble Navigation, Ltd.)

2.4. Comenzó con una investigación básica.

La historia del GPS demuestra cómo una investigación básica hizo posible en primer lugar el desarrollo de una tecnología de defensa vital y posteriormente una gran variedad de aplicaciones comerciales. Existen muchos otros avances tecnológicos que han contribuido al desarrollo del GPS, entre los que podemos mencionar las tecnologías de control y lanzamiento de satélites, los dispositivos de estado sólido, los microchips, los circuitos de correlación, la tecnología de diferencia de tiempo de llegada, la tecnología de microondas y la radionavegación. Este relato se centra en cómo la búsqueda del conocimiento de la naturaleza del mundo atómico, concretamente, en la creación de relojes atómicos para estudiar las teorías de Einstein y la relatividad, condujo a la creación de relojes de gran precisión, y cómo dichos relojes se pusieron en funcionamiento posteriormente junto con la tecnología de seguimiento de satélites para satisfacer el deseo humano básico de saber dónde estamos y adónde vamos.

Durante siglos, la única forma de orientarse era observar la posición del sol y las estrellas y realizar una estimación. Incluso después del desarrollo de los relojes modernos, que permitían averiguar la longitud, los instrumentos más precisos podían obtener una posición con una exactitud de varias millas solamente. Sin embargo, en el momento en que la Unión Soviética lanzó el Sputnik el 4 de octubre de 1957, se supo que era posible utilizar esta "estrella artificial" como una herramienta de navegación. La noche siguiente, los investigadores del laboratorio Lincoln del Instituto tecnológico de Massachusetts (MIT) pudieron determinar con precisión la órbita del satélite, al observar cómo la frecuencia aparente de la señal de radio aumentaba al acercarse y disminuía al alejarse, efecto que se conoce como efecto Doppler. Al probar que es posible determinar con precisión la órbita de un satélite desde la tierra, se dio el primer paso para establecer la posibilidad de determinar las posiciones en la tierra mediante la localización de señales emitidas por satélites.

Durante los años siguientes, la marina estadounidense realizó experimentos con una serie de sistemas de navegación por satélite, que comenzó en 1965 con el sistema Transit, desarrollado para satisfacer las necesidades de navegación de los submarinos que transportaban misiles nucleares Polaris. Estos submarinos debían permanecer ocultos y sumergidos durante varios meses, pero el sistema de

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navegación basada en giroscopio, conocido como navegación inercial, no podría mantener su precisión durante períodos tan largos. El sistema Transit estaba formado por media docena de satélites que girarían alrededor de la tierra continuamente en órbitas polares. Al analizar las señales de radio transmitidas por los satélites; es decir, al medir el efecto Doppler de las señales, un submarino podía determinar su ubicación con precisión en un período de 10 ó 15 minutos. En 1973, el Departamento de defensa intentaba descubrir un método infalible para la navegación por satélite. Durante una reunión para poner ideas en común realizada el fin de semana del día del Trabajo en el Pentágono, se desarrolló el concepto de GPS, basado en la experiencia del departamento con todos los satélites anteriores. Los componentes esenciales del GPS son los 24 satélites Navstar fabricados por Rockwell International. Cada uno de estos satélites tiene el tamaño de un vehículo de gran tamaño y pesa alrededor de 1.900 libras (900 kilogramos). Todos los satélites giran alrededor de la tierra cada 12 horas en una formación tal que cada punto del planeta siempre se encontrará en contacto por radio con 4 satélites como mínimo. El primer satélite GPS en funcionamiento se lanzó en 1978 y el sistema alcanzó su capacidad completa de 24 satélites en 1993.

Veinticuatro satélites Navstar, del tamaño de un automóvil y unas 1.900 libras (900 kilos) de peso, giran alrededor de la tierra en órbitas de 18.000 kilómetros de altura. El sistema de satélites, construido por Rockwell International y operado por la Fuerza Aérea estadounidense, se completó en 1993, 20 años después de ser concebido en el Pentágono. (Lockheed Martin Astro Space)

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2.5. Una herramienta para estudiar la naturaleza.

El GPS se concibió como una herramienta militar, pero los relojes atómicos que lo hicieron posible se originaron en una investigación básica realizada poco antes de la Segunda Guerra Mundial. En aquel tiempo, los científicos descubrieron que las técnicas de gran precisión desarrolladas para estudiar la estructura atómica fundamental podían utilizarse para construir un reloj atómico. Esta genial idea no estaba relacionada lo más mínimo con la navegación ultraprecisa, si no con el sueño de crear un reloj lo suficientemente bueno para estudiar la naturaleza del tiempo en sí mismo y, en particular, el efecto de la gravedad sobre el tiempo que Einstein había predicho en su teoría de la gravedad, conocido como corrimiento al rojo gravitacional.

Hasta finales de la década de 1920, los relojes de mayor precisión se basaban en la oscilación regular de un péndulo. Fueron desbancados por unos relojes de mayor precisión basados en las vibraciones regulares de un cristal de cuarzo, que tenían un margen de error inferior a una milésima de segundo al día. Pero esta gran precisión tampoco era suficiente para los científicos que deseaban estudiar la teoría de la gravedad de Einstein. Según Einstein, un campo gravitacional podía deformar el espacio y el tiempo. Por lo tanto, si, por ejemplo, se situase un reloj en la cima del Everest, éste avanzaría al día 30 millonésimas de segundo más rápido que un reloj idéntico situado al nivel del mar. La única forma posible de realizar mediciones con este grado de precisión consistía en controlar el reloj mediante las oscilaciones infinitesimales del propio átomo.

2.6. El reloj de Isidor Isaac Rabi.

De acuerdo con las leyes de la física cuántica, los átomos absorben o emiten energía electromagnética en cantidades diferenciadas que se corresponden con las diferencias de energía entre las distintas configuraciones de electrones de los átomos, es decir, las distintas configuraciones de electrones que rodean sus núcleos. Cuando un átomo sufre una transición de un "estado de energía" a otro más bajo, emite una onda electromagnética con una frecuencia característica discreta, conocida como frecuencia de resonancia. Estas frecuencia de resonancia es idéntica en todos los átomos de un tipo determinado; por ejemplo, todos los átomos de cesio 133 tienen una frecuencia de resonancia de exactamente 9.192.631.770 ciclos por segundo. Por esta razón, es posible utilizar un átomo de cesio como metrónomo que proporcione la hora con extraordinaria precisión.

El primer progreso sustancial en el desarrollo de un reloj basado en dicho cronómetro atómico se consiguió durante la década de 1930 en un laboratorio de la Universidad de Columbia, en el que I.I. Rabi y sus alumnos estudiaban las propiedades fundamentales de átomos y núcleos. Durante el transcurso de esta investigación, Rabi inventó la técnica conocida como resonancia magnética, que permitía medir las frecuencias de resonancia naturales de los átomos. Rabi recibió por su trabajo el premio Nobel en 1944. En ese mismo año, Rabi sugirió (o, como dijeron sus estudiantes, "dejó caer la idea") por primera vez que la precisión de

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estas resonancias era tal que podrían utilizarse para crear un reloj de extrema fiabilidad. Concretamente, propuso el uso de las frecuencias del tipo conocido como "transiciones hiperfinas" de los átomos, que son transiciones entre dos estados de energías ligeramente diferentes que se corresponden a distintas interacciones magnéticas entre el núcleo de un átomo y sus electrones.

En este tipo de reloj, un haz de átomos con un estado hiperfino determinado atraviesa un campo electromagnético oscilante. Cuanto más próxima esté la frecuencia de oscilación del campo a la frecuencia de la transición hiperfina del átomo, habrá mayor cantidad de átomos que absorban la energía del campo y, por lo tanto, sufrirán una transición del estado hiperfino original al otro. Un bucle de retroalimentación ajusta la frecuencia del campo oscilante hasta que prácticamente todos los átomos realicen la transición. El reloj atómico emplea la frecuencia del campo oscilante, que ahora se encuentra perfectamente sincronizada con la frecuencia de resonancia exacta de los átomos, como metrónomo para generar impulsos de tiempo.

Rabi no perseguía el desarrollo de un reloj de este tipo, pero hubo otros investigadores que continuaron el estudio para mejorar la ida y perfeccionar la tecnología necesaria. En 1949, por ejemplo, la investigación llevada a cabo por Norman Ramsey, alumno de Rabi, sugirió que si se hacía que los átomos atravesaran el campo magnético oscilante dos veces, se podría obtener un reloj mucho más preciso. Ramsey recibió el premio Nobel por su trabajo en 1989.

Dos científicos pioneros cuyo trabajo contribuyó al desarrollo del sistema de posicionamiento global GPS: la investigación de I.I. Rabi, a la izquierda, sobre las propiedades fundamentales de los átomos y núcleos, condujo a la invención de una técnica denominada resonancia magnética en la que se basó el primer reloj atómico; a la derecha, Norman Ramsey, antiguo alumno de Rabi, que estableció la base para el desarrollo del reloj atómico de haz de cesio e inventó el máser de hidrógeno, dispositivos que redefinieron la medición del tiempo.

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2.7. Aplicaciones prácticas.

Después de la guerra, el National Bureau of Standards (oficina nacional de normalización) de EE.UU. y el British National Physical Laboratory (laboratorio nacional de física británico) intentaron crear los estándares de la hora atómica basándose en el trabajo sobre la resonancia atómica realizado por Rabi y sus alumnos. El primer reloj atómico fue creado por Louis Essen y John V.L Parry en el National Physical Laboratory, pero para albergar este reloj era necesaria una habitación llena de equipos. Otro de los antiguos colaboradores de Rabi, Jerrold Zacharias, del MIT, consiguió convertir los relojes atómicos en dispositivos prácticos. Zacharias planeaba construir lo que denominaría una fuente atómica, un tipo visionario de reloj atómico que sería lo suficientemente fiable para estudiar el efecto de la gravedad sobre el tiempo que había predicho Einstein. Durante el proceso desarrolló un reloj atómico lo suficientemente pequeño como para transportarse de un laboratorio a otro. En 1954, Zacharias se unió a la National Company de Malden, Massachusetts, para construir un reloj atómico comercial basado en su dispositivo portátil. La compañía fabricó el Atomichron, el primer reloj atómico comercial, 2 años después y vendió 50 en 4 años. Todos los relojes atómicos de cesio que se utilizan actualmente en sistemas GPS descienden del Atomichron.

Los físicos continúan experimentando con nuevas variaciones de las ideas sobre la resonancia atómica de Rabi y sus alumnos, y las ponen en práctica en los relojes atómicos. Existe una técnica que, en vez de utilizar imanes, hace uso de un fenómeno conocido como bombeo óptico para seleccionar los niveles de energía de los átomos encargados de registrar la hora y emplea un haz de luz para conseguir que todos los átomos del haz alcancen el estado deseado. Alfred Kastler, del Ecole Normal Suprieure de París, obtuvo por este trabajo el premio Nobel. Hoy en día, existen muchos relojes atómicos que utilizan átomos de rubidio bombeados de forma óptima en lugar de cesio. Los relojes de rubidio resultan bastante más baratos y pequeños que los relojes de cesio, aunque no son tan precisos.

Otro tipo de reloj atómico es el conocido como máser de hidrógeno. El máser se originó durante la investigación que Charles Townes y sus colegas de la Universidad de Colombia realizaron sobre la estructura de las moléculas en 1954, trabajo por el que Townes compartió el premio Nobel de física en 1964. El máser, percusor del láser, es un dispositivo de microondas que genera su señal mediante la emisión directa de la radiación procedente de átomos o moléculas. Mientras que el máser original de Townes empleaba amoníaco, Ramsey y sus colegas de Harvard desarrollaron un máser en 1960 que funcionaba con hidrógeno y podía utilizarse como un reloj atómico de extremada precisión.

En 1967, las investigaciones realizadas sobre los relojes atómicos ya habían resultado tan fructíferas que el segundo se volvió a definir en función de las oscilaciones de un átomo de cesio. Hoy en día, los relojes atómicos suelen tener un margen de error inferior a 1 segundo cada 100.000 años. El principal estándar horario de nuestro país es el recién inaugurado reloj atómico que se encuentra en el National Institute of Standards and Technology (Instituto nacional de

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normalización y tecnología), denominado NIST-7. Tiene un margen de error estimado inferior a 1 segundo en 3 millones de años.

Durante años, estos tres tipos de relojes (el reloj de haz de cesio, el de máser de hidrógeno y el de rubidio) se han utilizado en el espacio, ya sea en satélites o en sistemas de control terrestres. En última instancia, los satélites GPS se basan en relojes de cesio semejantes a aquéllos que Rabi ideó hace 60 años.

En 1993, 2 décadas después de su concepción en el Pentágono, el GPS pasó a ser completamente funcional con la puesta en órbita de su vigesimocuarto satélite. La Fuerza aérea estadounidense se encarga de dirigir y controlar estos satélites desde 5 estaciones terrestres repartidas por todo el mundo. Los datos obtenidos se analizan en el Air Force Consolidated Space Operations Center (Centro de operaciones espaciales de la Fuerza aérea) de Colorado, que se encarga de transmitir diariamente actualizaciones a cada uno de los satélites para corregir sus relojes y datos orbitales.

2.8. Gps y el futuro

En ocasiones, nos olvidamos de que el GPS sigue siendo un dispositivo militar construido por del Departamento de defensa que costó 12.000 millones de dólares y fue diseñado para uso militar principalmente. Este hecho ha desencadenado varias polémicas respecto al exitoso sistema. Al igual que sucede con cualquier otra tecnología, el progreso conlleva riesgos y el GPS podría beneficiar a contrabandistas, terroristas y fuerzas enemigas. El Pentágono sólo accedió a poner a disposición el sistema GPS para uso comercial tras ser presionado por las compañías que construyeron los equipos y vieron el enorme potencial de mercado. Sin embargo, se acordó que el Pentágono desarrollara una política conocida como disponibilidad selectiva, por la que las señales de mayor precisión emitidas por los satélites del GPS quedan estrictamente reservadas para militares y otros usuarios autorizados. En la actualidad, los satélites GPS emiten dos tipos de señales: una señal civil, con una precisión de hasta 30 metros, y una segunda señal que únicamente pueden decodificar los militares y que tiene una precisión de 18 metros. Además, el Pentágono se reserva el derecho a introducir errores en cualquier momento en la señal civil para reducir su precisión a unos 90 metros.

En marzo de 1996, la Casa Blanca anunció que se pondría a disposición de todo el mundo un nivel mayor de precisión GPS y que la degradación de las señales GPS civiles dejaría de llevarse a cabo dentro de una década. Además, la Casa Blanca reafirmó el compromiso del gobierno federal de proporcionar servicios de GPS para uso civil, comercial y científico en todo el mundo y de forma gratuita.

El futuro del GPS parece no tener límites y abundan las fantasías tecnológicas. El sistema proporciona una dirección disponible nueva, única e instantánea para cada metro cuadrado de la superficie del planeta: un nuevo estándar internacional que permite determinar ubicaciones y distancias. Al menos para las computadoras de todo el mundo, nuestras direcciones pueden no estar

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determinadas por una calle, una ciudad y un estado, si no mediante una longitud y latitud. Con la ubicación GPS de servicios almacenados con números de teléfonos en las "páginas amarillas" informatizadas, será posible buscar en un instante un restaurante local o la estación de servicio más cercana en cualquier población. Gracias al sistema GPS, el mundo dispone de una tecnología sin límites, nacida en los laboratorios de científicos motivados por su propia curiosidad para comprender la naturaleza del universo y de nuestro mundo, basada en los resultados de investigaciones básicas realizadas con apoyo público.

2.9. Cronología.

Este esquema cronológico de eventos seleccionados enfatiza las primeras

investigaciones realizadas en física, especialmente los relojes atómicos, que contribuyeron al desarrollo del sistema de posicionamiento global GPS e ilustra el gran valor de este tipo de tales investigaciones básicas a largo plazo en la consecución última de importantes beneficios para la sociedad.

1920’s Orígenes de la radionavegación

Principios de la II Guerra Mundial – LORAN, el primer sistema de navegación basado en la llegada diferenciada de señales de radio desarrollado por el laboratorio de Radiación de MIT. LORAN fue también el primer sistema de posicionamiento capaz de funcionar bajo cualquier condición climatológica pero es solamente bidimensional (latitud y longitud).

1938-1940

Isador Isaac Rabi inventa la resonancia magnética de haz molecular en la Universidad de Columbia en 1938. Él sus colegas aplican la resonancia magnética a los estudios fundamentales de átomos y moléculas. Se plantea la posibilidad de construir un reloj atómico para medir el corrimiento al rojo gravitacional. Rabi recibe el premio Nobel en 1944 por este trabajo.

1949

Norman Ramsey inventa el método de resonancia del campo oscilante separado en la Universidad de Harvard, por el que se le concedió el Premio Nobel en 1989. Jerrold Zacharias proponer utilizar el método de Ramsey para crear un reloj atómico de "fuente" de haz de cesio con la precisión suficiente para medir el corrimiento al rojo gravitacional.

La oficina National Bureau of Standards pone en funcionamiento un reloj atómico basado en la absorción de microondas del gas amoniaco. Comienzan los trabajos sobre el reloj atómico de haz de cesio.

1954

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Charles Townes, en la Universidad de Columbia, demuestra el funcionamiento del primer máser basado en la emisión de la radiación procedente de las moléculas de amoniaco. Townes compartió el premio Nobel de física en 1964.

1954-1956

Zacharias y la empresa National Company desarrollan el primer reloj atómico portátil independiente: el Atomichron.

1957

La Unión Soviética pone en órbita en octubre el Sputnik. Se inaugura el seguimiento Doppler por satélite en el laboratorio Lincoln del MIT y en diciembre se pone en marcha el programa Navy Transit en el laboratorio de física aplicada de la Universidad Jonhs Hopkins.

1959 Albert Kastler y Jean Brossel, que se encontraban trabajando en París y en el MIT, desarrollan métodos de bombeo óptico. Kastler recibió el premio Nobel por este trabajo. TRANSIT, el primer sistema operacional basado en satélites, fue desarrollado por Johns Hopkins (Laboratorio de Física Aplicada) bajo el Dr. Richard Kirschner. A pesar de que la intención de TRANSIT era dar soporte a la flotilla de la marina de Estados Unidos, las tecnologías empleadas para el sistema demostraron ser útiles para el sistema de posicionamiento global (GPS). El primer satélite fue lanzado en 1959. 1960 Ramsey y los estudiantes Kleppner y Goldenberg ponen en funcionamiento un máser de hidrógeno en la universidad de Harvard. El primer sistema de posicionamiento de tres dimensiones es sugerido por Raytheon Corporation en necesidad de la fuerza aérea. 1963

La compañía aeroespacial lanzó un estudio en la utilización de un sistema espacial para el sistema de navegación para los vehículos en movimiento a gran velocidad y tres dimensiones; esto los llevó directamente al concepto de GPS. El concepto involucraba medir los tiempos de llegada de las señales de radio transmitidas por los satélites cuyas posiciones eran bien conocidas. Esto proporcionaba la distancia al satélite cuya posición era conocida que a la vez establecía la posición del usuario.

La fuerza aérea da apoyo a este estudio bautizándolo Sistema 621B.

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1960-1965

Se presenta un reloj de rubidio bombeado ópticamente. Se instalan los estándares de frecuencia del cesio en la mayoría de los laboratorios de estandarización del tiempo.

1964-1965

Timation Naval, un sistema satélite, es desarrollado por Roger Easton en los laboratorios de investigación Naval para el desarrollo de relojes de alta estabilidad, capacidad de transferencia de tiempo y navegación en dos dimensiones.

Se computa la primera posición fija desde un satélite Transit a bordo de un submarino Polaris.

1967

El sistema Transit se pone a disposición de la comunidad civil.

1968

El departamento de defensa de los Estados Unidos establece un comité llamado NAVSEG (Navigation Satellite Executive Comité) para coordinar los esfuerzos de diversos grupos de navegación satelital. Se definen los estándares de un sistema de navegación por satélite de defensa.

1971

El sistema 621B es probado por la fuerza aérea dando resultados de una precisión de centésimas de milla.

1973

El secretario de la defensa decide que los diferentes sistemas de navegación que se estaban creando, se unificaran y crearon un solo y robusto sistema de navegación. El Departamento de defensa aprueba el desarrollo del GPS Navstar.

1974

Junio. Rockwell International fue contratado como proveedor de los satélites GPS.

Julio. Se lanza el primer satélite Navstar de prueba de GPS, que pertenece al programa Timation, para probar los relojes de rubidio y las técnicas de diseminación del tiempo.

1977

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Se lanza un satélite de prueba que incorpora las principales características de los satélites GPS más recientes, entre las que se incluyen los primeros relojes de cesio en el espacio.

1978-1985

Se ponen en órbita diez prototipos de satélites GPS, fabricados por Rockwell International. Uno de los diez satélites se perdió debido a un fallo en el lanzamiento.

1982

DoD decide reducir la constelación de satélites de 24 a 18.

1983

Después de la caída de una Unión Soviética, el gobierno de Estados Unidos informa que el sistema GPS podrá ser utilizado por las aeronaves civiles.

1988

El secretario de las Fuerzas Aéreas anuncia la expansión de la constelación de GPS de 18 a 21 satélites y tres repuestos.

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1989-1993

Se realiza el lanzamiento de la serie de 24 satélites, con una media de 6 al año. El lanzamiento del último satélite se realiza el 26 de junio de 1993.

1990 Dod activa una degradación en la exactitud del Sistema de forma planeada. El sistema es probado en la guerra del Golfo Pérsico.

1991 El gobierno ofrece el sistema de GPS a la comunidad internacional sin costo durante los siguientes 10 años.

1993 El gobierno declara el sistema formalmente funcionando con sus 24 satélites en orbita.

1995

El gobierno de Estados Unidos, Bill Clinton se compromete mediante una carta a la ICAO a proveer las señales de GPS a la comunidad internacional.

1996

La Casa Blanca anuncia un mayor nivel de precisión del GPS disponible para todo el mundo.

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3. PRINCIPIOS GENERALES DE FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA GPS. CONCEPTOS BÁSICOS Y TERMINOLOGÍA.

3.1. Principios generales de funcionamiento del sistema de posicionamiento global.

Si consideramos lo extremadamente sofisticada que es la tecnología, el principio de funcionamiento del GPS resulta extraordinariamente simple. Cada uno de los satélites transmite de forma continua una señal de radio digital que incluye su propia posición y la hora, con una precisión de un nanosegundo. Un receptor de GPS capta esta información, procedente de cuatro satélites, y la utiliza para calcular su posición en el planeta con una precisión de metros. El receptor compara su hora y la hora que ha enviado el satélite y utiliza la diferencia entre ambas horas para calcular su distancia con respecto al satélite. (La luz viaja a una velocidad de 300.000 kilómetros por segundo: si, por ejemplo, la hora del satélite es una centésima de segundo anterior a la hora del receptor GPS, los cálculos del receptor indicarán que se encuentra a 300 kilómetros del satélite.) Al contrastar su hora con la de tres satélites de posiciones conocidas, el receptor podrá ubicar con exactitud su longitud, latitud y altitud.

Para emplear el método descrito anteriormente es necesario que tanto los satélites como el receptor dispongan de relojes de gran precisión. Sin embargo, el hecho de que el receptor capte la señal de un cuarto satélite, le permite conseguirlo con un reloj de cuarzo relativamente simple, como el que se utiliza en la mayoría de los relojes de pulsera. Una vez que el receptor ha contactado con cuatro satélites, el sistema toma el control y computa su posición de forma casi instantánea.

Para que el sistema funcione, es necesario que el receptor sepa la posición exacta de los satélites y que éstos puedan mantener la hora con una precisión extraordinaria y fiable. Dicha precisión se consigue mediante la incorporación de cuatro relojes atómicos en cada satélite, estos relojes constituyen los dispositivos para medir el tiempo más precisos jamás construidos. La fiabilidad se consigue mediante las órbitas de 18.000 kilómetros de altura de los satélites, que los aleja de la atmósfera y los mantiene en movimiento a lo largo de trayectorias muy previsibles. El Departamento de defensa realiza un seguimiento de los satélites según sobrevuelan dos veces al día y realiza una medición precisa de su velocidad, posición y altitud. Esta información se vuelve a enviar a los satélites y éstos la transmiten junto con sus señales de tiempo.

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3.2. Funcionamiento.

El sistema GPS funciona en cinco pasos lógicos: Triangulación, Medición de distancia, Tiempo, Posición y Corrección.

3.2.1. Triangulación

La posición se calcula en base a la medición de las distancias a los satélites. Matemáticamente se necesitan cuatro mediciones de distancia a los satélites para determinar la posición exacta. En la práctica se resuelve la posición con sólo tres mediciones si podemos descartar respuestas ridículas o utilizamos ciertos trucos. Se requiere de todos modos una cuarta medición por razones técnicas que luego se verá.

3.2.2. Midiendo la distancia

La distancia al satélite se determina midiendo el tiempo que tarda una señal de radio, emitida por el mismo, en alcanzar un receptor de GPS. Para efectuar dicha medición se que ambos, el receptor GPS y el satélite, están generando el mismo Código Pseudo Aleatorio en exactamente el mismo momento. Comparando cuánto retardo existe entre la llegada del Código Pseudo Aleatorio proveniente del satélite y la generación del código del receptor de GPS, se podrá determinar cuánto tiempo le llevó a dicha señal llegar hasta el receptor. Multiplicando dicho tiempo de viaje por la velocidad de la luz, se obtiene la distancia al satélite.

3.2.3. Obtener un Timing Perfecto

Un timing muy preciso es clave para medir la distancia a los satélites. Los satélites son exactos porque llevan un reloj atómico a bordo. Los relojes de los receptores GPS no necesitan ser tan exactos porque la medición de un rango a un satélite adicional permite corregir los errores de medición.

3.2.4. Posicionamiento de los Satélites

Para utilizar los satélites como puntos de referencia se debe conocer exactamente donde están en cada momento. Los satélites de GPS se ubican a tal altura que sus órbitas son muy predecibles. El Departamento de Defensa de los EE.UU controla y mide variaciones menores en sus órbitas. La información sobre errores es enviada a los satélites para que estos a su vez retransmitan su posición corregida junto con sus señales de timing.

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3.2.5. Corrección de Errores

La ionosfera y la troposfera causan demoras en la señal de GPS que se traducen en errores de posicionamiento. Algunos errores se pueden corregir mediante modelación y correcciones matemáticas. La configuración de los satélites en el cielo puede magnificar otros errores. El GPS Diferencial puede eliminar casi todos los errores.

3.3. Conceptos básicos y terminología.

3.3.1. ¿Para qué sirve un GPS?

La función básica del GPS es mostrar la posición en el espacio, es decir, la distancia hasta el ecuador (Latitud), el meridiano cero (longitud) y la altura respecto al nivel del mar. El resto ya son aplicaciones añadidas, que servirán para ver, dibujar y seguir rutas, crear itinerarios, observar el perfil altimétrico del recorrido, etc. 3.3.2. ¿Cómo indica mi posición?

Mediante coordenadas geográficas, pero no en grados, minutos y segundos, sino con coordenadas UTM, por ejemplo. Es una forma decimal de dividir los espacios representados en los mapas. Los modelos avanzados incorporan en su menú una pantalla que muestra la posición y el rumbo dentro de un mapa, así como el itinerario realizado, los waypoints, etc. 3.3.3. Sistemas de coordenadas

Una posición se define en relación a un sistema de referencia fijo que permita establecer la posición de dos puntos diferentes de tal manera que no se confundan entre sí.

Para poder interpretar una posición imaginémonos que la tierra está dividida en cuadrículas con líneas imaginarias horizontal y verticalmente. Si nos dan una coordenada longitudinal y otra transversal, el punto de unión de dichas líneas representa nuestra posición.

Los sistemas de coordenadas mas utilizados son Coordenadas Geográficas (Lontitud/Latitud) y Coordenadas UTM (Universal Transversa Mercator).

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Mapa del SGE (Servicio Geográfico del Ejercito) Coordenadas Longitud/Latutud : 43 40'04''0/8 11'10''1 UTM : 5 66/48 35

Mapa del IGN (Instituto Geográfico Nacional) Coordenadas Longitud/Latitud : 43 40'04'' 1/7 31'10''2 UTM : 6 20

¿UTM?: El Universal Transversal Mercator es le más utilizado, pero sólo comprende el territorio englobado entre los 84º N y los 80º S, y deja fuera las áreas polares. ¿UPS?: Complemento de UTM, pues cubre las regiones polares. ¿31 T 417862N 4580017E?: Esto son coordenadas en sistema UTM. El 31T hace referencia al cuadrilátero en el que nos encontramos, pues se ha dividido la superficie terráquea en una cuadrícula de la siguiente manera: cada columna tiene 6º de anchura y se enumeran del 1 al 60, empezando en el meridiano 180º. Cada columna se fracciona en franjas bautizadas con letras (de A a X, omitiendo I y 0), comenzando en los 80º S. El resto de números se refieren a la latitud y longitud medidas según UTM, respecto al meridiano central de ese cuadrante. El sistema de coordenadas puede variar en función de quién edite el mapa o de un país a otro. El receptor se puede configurar para que muestre las coordenadas, como el mapa que usemos de referencia. La base de las UTM es el metro.

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3.3.4. ¡Ojo al "Datum"!

Hay que tener en cuenta este concepto al cruzar información del GPS con cualquier sistema cartográfico. La cartografía de España está basada en el "datum" europeo de 1950 (ED 50). Algunos GPS podrían estar configurados con el "datum" internacional WGS84 cuando se usa por primera vez, por lo que habrá que configurarlo con el mapa que vayamos a utilizar. De este modo, al trasladar las coordenadas mostradas en el mapa al GPS, no habrá errores de situación. Los datos del mapa se suelen encontar en el margen de éste, junto al resto de características. Cada uno de ellos está confeccionado con un "datum" diferente. Un mismo punto geográfico puede dar coordenadas diferentes en función del "datum" utilizado en el mapa. 3.3.5. ¿Qué es la latitud?

La distancia de un punto respecto al Ecuador. Se mide en grados y puede ser norte o sur, en función de si el punto está en un hemisferio o en el otro. La circunferencia de la Tierra sería de 36oº, por lo que hay 90 grados del Ecuador a cada polo. Cada grado equivale a unos 110 km, aunque esto varía en función de la latitud, porque la Tierra no es una esfera perfecta (se achata en los polos). 3.3.6. ¿Y la longitud?

La que une un punto respecto al meridiano de Greenwich (referencia arbitraria utilizada desde 1884). Puede ser este u oeste, en función de si el punto se encuentra a izquierda o derecha del meridiano cero. También se mide en grados (subdivididos en minutos y segundos), pero, en este caso, va de los 0º a los 180º. 3.3.7. ¿Curvas de nivel?

Indican los cambios de nivel en el terreno. Sólo aparecen en los mapas topográficos muy detallados, y sirven para entender tos cambios de perfil del territorio: subidas, bajadas, vaguadas, valles, cumbres, etc. Esta información no aparece en las pantallas de los GPS (de momento). Resulta útil para saber qué tipo de accidentes geográficos existen entre dos puntos de la ruta. 3.3.8. ¿Proyecciones Cartográficas?

Al proyectar una esfera imperfecta sobre un plano se consiguen aproximaciones más o menos exactas, pero no perfectas. Esto explica los procesos necesarios para lograr que los mapas se adecuen a la realidad y no den error con el GPS.

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3.3.9. Waypoint

Es un punto de coordenadas conocidas, que determina la situación de un lugar en un mapa. Un Waypoint puede ser una posición memorizada durante una excursión. Es también cada uno de los puntos de los que se divide una RUTA.

Durante una excursión es conveniente marcar un Waypoint al principio de ésta o junto al coche, en caso de hacerla a pie, con el fin de poder llegar al punto de destino lo mas fácilmente posible.

Crear un Waypoint en el receptor GPS es una tarea muy sencilla y simple, ya que solo se tendrá que memorizarlo y asignarle un nombre y un icono. El GPS le asigna un nombre de manera automática al waypoint, normalmente un contador de tres dígitos que puede estar acompañado de las letras WPT dependiendo del modelo. Es conveniente ponerle un nombre que recuerde el lugar y un icono que lo caracterice. Todos los receptores tienen una tecla asignada a esta función (MARK, ENTER, GOTO...) y mediante una pulsación prolongada o repetida sobre la pantalla de navegación se accederá a una pantalla donde poner el nombre y confirmar mediante una opción de OK. El Waypoint queda memorizado en el receptor GPS.

Para crear un Waypoint tan solo se debe pulsar la tecla apropiada en el receptor GPS y aparecerá la pantalla donde definir el nombre e icono del Waypoint. (GPS V)

Para modificar el nombre que por defecto asigna el GPS al nuevo Waypoint, se ubicará el cursor hasta situarlo encima, y para posteriormente pulsar ENTER. Ahora tan solo nos falta introducir el nuevo

nombre del Waypoint.

También se puede crear un waypoint tomando las coordenadas de un mapa. Para hacer esto se seguirá exactamente los mismos pasos que para crearlo, tecleando las coordenada manualmente en la pantalla de confirmación.

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El número de waypoints que puede llegar a almacenar un receptor varia dependiendo del modelo, estando la media entre 500 y 1.000. 3.3.10. Ruta o “Route”

Una RUTA es una sucesión encadenada de tramos que enlazan Waypoints almacenados en la memoria del receptor. Inicialmente las rutas se concibieron para la navegación en aguas libres, donde escasean las indicaciones visuales y es fácil seguir una línea recta. En terreno montañoso resulta poco útil, pues el recorrido debe acomodarse al terreno y rara vez se podrá seguir una línea recta. Sería necesario trazar una ruta con gran número de puntos o waypoints, algo realmente complicado.

Ruta creada partiendo de 4 waypoints.

En la pantalla de Autopista se da una información más visual del recorrido de la ruta.

Para ayudar durante el seguimiento de una ruta, se dispone de la pantalla de compás, donde se indica la dirección a seguir, el tiempo y la distancia hasta el siguiente punto.

3.3.11. Track Log

El track o huella es el recorrido almacenado en la memoria del receptor GPS. Está formado por una serie de puntos separados por una determinada distancia y contiene información como las coordenadas, la altitud, la velocidad, etc.

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Algunos receptores permiten configurar el modo con que se registrará el track, permitiendo elegir el sistema de almacenamiento de los puntos que lo componen, pudiendo ser, dependiendo del modelo, por tiempo, por distancia o automático.

La opción mas recomendable es automático, donde el GPS economiza puntos grabando solo cuando se produce un cambio de dirección.

Los puntos que puede almacenar un track log suelen estar comprendidos entre 2.000 y 3.000, dependiendo del modelo de GPS, aunque cada vez es mas normal ver receptores que alcancen los 10.000. 3.3.12. Track

El receptor GPS es capaz de grabar automáticamente el itinerario entre los diferentes waypoints. La traducción sería algo así como huella. Cada modelo tiene una capacidad distinta de puntos track, por lo que conviene adecuar la frecuencia de grabación a la duración total del recorrido. Los hay de 10.000 puntos, pero la mayoría tiene unos 3.000. Los tracks se pueden grabar y recuperar. Algunos permiten crear el trackback (camino de vuelta), que hace que se pueda volver al punto de partida por el mismo camino. Antes de comprarlo, conviene saber el número de puntos que puede grabar tu GPS y si te deja configurar el modo de grabación de los datos (hay tres opciones: automático, por distancia o por tiempo). Un GPS que graba el track con 'puntitos' (no confundir con los waypoints) cada cinco metros se llenará en 50 km de ruta si posee una memoria de 10.000.

La diferencia entre un “Track Log” y un “Track” es que el segundo se almacena en la memoria del receptor en formato comprimido, reduciendo considerablemente el número de puntos que lo forman, así como la información guardada para cada punto.

Los receptores portátiles pueden almacenar un número limitado de Tracks, pero sólo un Track Log.

En cualquier momento podemos decirle a nuestro receptor GPS que guarde los datos de un Track Log a un track. El software del receptor reducirá el número de puntos registrados en el Track Log (hasta 3.000 en la mayor parte del los receptores) a un número considerablemente inferior, (entre 250 o 500) reduciendo la calidad del track guardado. El track resultante eliminará curvas y tramos innecesarios, aunque mantendrá la forma general del recorrido.

Sobre un track guardado en la memoria del receptor GPS, se puede realizar la función TrackBack.

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En esta dos dos pantallas podemos ver como un TRACK LOG se grava en la memoria del GPS como TRACK. En la segunda pantalla está reduciento el número de puntos del TRACK LOG original.

(Reducing number of points)

3.3.13. Función TrackBack

La función Trackback “es una RUTA” de retorno guiada por el propio receptor GPS a partir de un track previamente guardado. Algunos receptores dan la posibilidad de hacer Trackback en cualquiera de los dos sentidos de la marcha.

Lo que hace el receptor es guiarnos, punto a punto, con instrucciones de giro a giro e información de la trayectoria a seguir así como del tiempo y de la distancia que nos resta para llegar al próximo punto.

Lo que hace el receptor GPS cuando al solicitar un Trackback sobre un track determinado es crear una ruta a partir de dicho track que se compone de tantos Waypoints virtuales como pueda o deba crear. Dichos waypoints los crea en los puntos donde el track tiene un importante cambio de dirección y con la limitación que el modelo de receptor tenga.

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Así es como se hace un TRACKBACK partiendo del TACK LOG del receptor. Lo primero que el receptor hace es reducir el número de puntos de la huella para sí crear una ruta compuesta de varios

Waypoints virtuales.

3.3.14. Goto

Un goto es una línea recta desde nuestra posición actual hasta un punto

determinado o Waypoint. Como en el monte nos resultará imposible seguir dicha

linea recta para llegar al destino, la información que nos muestra la pantalla del

compás cambiará en función de las circunstancias del momento. Esta pantalla es

una orientación sobre el camino a seguir. La línea recta NUNCA será el camino más

corto al destino, ya que será totalmente imposible seguirla.

Para hacer un GOTO primero se debe seleccionar o crear un Waypoint de destino. Una forma de hacerlo es buscando en la pantalla del mapa. Otra podría ser accediendo a la

pantalla de búsqueda de nuestro receptor.

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La línea recta que termina en el waypoint seleccionada como punto de destino nos indica la trayectoria desde nuestra posición actual.

La pantalla del compás nos indica la dirección que debemos tomar así como las distancias y el tiempo hasta el destino. La de AUTOPISTA simula una carretera hacia el

destino.

3.3.15. ¿Ruta o Track?

Definitivamente el TRACK. Un Track es mucho más fácil de seguir en el monte, tiene mucha resolución de puntos y siempre se puede recurrir a la función TRACKBACK para regresar al punto de partida con ayudas guiadas por el propio GPS, aunque es preferible usar el propio TRACK LOG, ya que lo que se hace con esto es seguir "nuestros propios pasos" marcados en el receptor.

Para regresar al punto de partida siguiendo un TRACK LOG, se debe configurar el receptor para que, en la pantalla de mapa, muestre el TRACK mirando siempre al frente. Esto se denomina TRACK ARRIBA o TRACK UP, lo contrario es NORTE ARRIBA o NORTH UP.