GPS, GLONASS, GALILEO Y BEIDU: Sistemas de posicionamiento global vía satelite
Publicado: Mié Nov 28, 2018 5:11 pm
Hola a todos,
A raíz de un hilo preguntando sobre GPS he pensado que podría estar bien hacer a modo de un pequeño turorial explicando que son, como funcionan y que opciones con sus pros y sus contras hay disponibles hoy en dia o esta previsto que esten disponibles en un futuro muy próximo.
Voy a intentar ser lo menos técnico posible para que cualquiera pueda entender que son y como funcionan y cual es su historia, que, curiosamente, se inicia en la literatura de ciencia ficción.
La idea de órbita geoestacionaria se popularizó por el escritor de ciencia ficción Arthur C. Clarke en 1945 como una órbita útil para satélites de comunicaciones, previamente la idea de un satélite geosíncrono para comunicaciones se publicó por primera vez en 1928 por Herman Potočnik.
El primer satélite geoestacionario fue el Syncom 3 lanzado en Cabo Kennedy el 19 de agosto de 1964, fue un satélite experimental de comunicaciones ubicado sobre el ecuador a 180 grados de longitud en el Oceano Pacífico. Este satélite cubrió televisión en vivo sobre los juegos olímpicos de 1964 en Tokyo, Japón, y se usó para varias pruebas de comunicaciones.
Para entender de que se trata, a grosso modo, es que se establece un satélite en una orbita tal que, para mantenerse en ella, ha de desplazarse a tal velocidad que el punto sobre el que esta en la superficie de la tierra siempre esta bajo el.
Esto que quizás sea difícil de entender se ve claro si tomamos una cuerda y la fijemos con una lazada abierta a un poste. Ahora dos personas toman la cuerda, una por la mitad y la otra por el extremo libre, tensándola, y se ponen a dar vueltas con ella tensa en torno al poste:
El que la tenga por la mitad (que a los efectos representa a la superficie del planeta), tendra que ir mas despacio que el que la tenga por el extremo (que a los efectos representa al satélite geoestacionario) para que la cuerda se mantenga recta. Si se acerca al poste tendrá que ir mas despacio y si se aleja del poste más rapido. Si en lugar de una cuerda, que se puede doblar, es una barra rígida, todos los que esten agarrados a ella, unos mas cerca del poste y otros mas lejos, tendrán que ir a la velocidad adecuada al sitio en el que están agarrados.
¿Que utilidad tienen las orbitas geoestacionarias?
La primera evidente es su uso en telecomunicaciones.
Si lo llevamos a un plano mas terrenal se entiende mas fácil el porque y como son útiles:
Imaginemos una casa, en la parte de atrás hay un amigo que debe conectar algo al mismo tiempo que lo hacemos nosotros en la parte de delante de la casa. No nos podemos ver y apenas nos podemos oír así que avisarnos a gritos no es muy seguro.
Si alejado de la casa y a un lado ponemos un espejo grande que los dos alcancemos a ver, bien orientado, nosotros le vemos a él en el espejo y él a nosotros y podemos actuar a la vez.
Ese espejo sería el satélite geoestacionario y ese es el papel que hacen en las telecomunicaciones.
Para entender como son útiles para darnos a conocer donde estamos vayamos a dentro de la casa.
Vamos a poner un gancho en el techo (que siempre estará en el mismo sitio como si fuese un satélite geoestacionario) y vamos a atar a el una cuerda que sea mas larga que la distancia entre el suelo y el techo.
Manteniendo la cuerda tensa es evidente que podremos movernos en un circulo, así que si tenemos una conexión con un satélite geoestacionario podemos saber que estamos en un punto de ese circulo, pero no en cual.
Hagamos un inciso.
¿Como podemos saber que estamos en un punto de ese circulo?
Bueno, en el satélite hay un reloj muy exacto y en nuestro receptor de satélite hay otro reloj bastante exacto. El satélite manda una señal horaria, nuestro receptor la recibe y resta la hora a la que fue enviada con la que es cuando la recibe.
Así sabe que tardo la señal en viajar del satélite a nuestro receptor y, como sabemos a la velocidad a la que la señal viaja por el aire, sabiendo cuanto tardó en llegar, se calcula que distancia recorrió.
Es igual que si viajamos en un auto a 100km por hora y tardamos en llegar a nuestro destino una hora y media: nuestro destino esta a 100+50 km. Simple.
Como sabemos sobre que lugar esta fijo el satélite y a que altura esta (lo sabe nuestro receptor de satélite) hacer el calculo es sencillo.
Otro inciso:
Lo que condiciona mucho el precio de los equipos, prestigios de marcas y políticas comerciales aparte, es que tan precisos son sus relojes.
Bueno, aclarado esto, volvamos a nuestro gancho en el techo con su cuerda colgada....
No sirve para que sepamos donde estamos. Solo que estamos en un punto a lo largo de un circulo como ya hemos dicho.
¿Como se puede mejorar eso?
Es evidente que necesitamos más información, así que pongamos un segundo satélite, otro gancho en el techo. No importa donde. Colgemos otra cuerda larga de el. Ahora si tomamos ambas cuerdas en la mano y las sujetamos tensas habrá dos medidas que nos digan donde estamos...
...pero habrá dos sitios en los que podamos estar manteniendo las dos cuerdas tensas e igual de largas.
Con dos satélites hemos pasado de solo poder saber que estamos en un circulo a tener la certeza de que estamos en uno de dos puntos bien exactos (no es totalmente así: la precisión de los relojes de nuestros receptores no garantiza una exactitud absoluta, pero para entenderlo sirve)
Si ponemos un tercer gancho en el techo, un tercer satélite, esa incertidumbre sobre en que punto estamos, desaparece:
Ahora para mantener las tres cuerdas tensas, solo hay un punto en el que podremos estar.
Estamos geolocalizados.
Hablemos ahora de la precisión.
Los relojes que hay en los satélites son relojes atómicos. Son superprecisos, el estándar actual de los relojes atómicos en activo permite el atraso de un segundo cada 3700 millones de años.
Eso es una desviación de menos de 10 elevado a -9 segundos por día, la 10.000.000.000 (diez mil millonésima) parte de un segundo.
Obviamente los relojes de nuestros dispositivos de recepción de satelite para posicionamiento, los que llamamos GPSs, no son así de exactos: sus relojes no se basan en la emisión radioactiva de una partícula si no en las oscilaciones de un trozo de cuarzo, mucho menos exacto, la precisión de los mejores relojes de cuarzo es de un segundo por mes, la de los "normales" de unos 30 segundos por mes.
Quizás parezca que tanta precisión es una tontería pero si pensamos que la señal de radio que reciben nuestros dispositivos, en el vacío del espacio viaja a la velocidad de la luz y cuando pasa a través del aire, ya que este es lo suficientemente delgado y permeable, viaja muy cerca de la velocidad de la luz (300.000 km por segundo), la señal que emite un satélite geoestacionario situado justo sobre nuestra cabeza, a unos 35.000 km de la tierra, tarda 8,5714285714 milésimas de segundo (si no he calculado mal) en llegar.
Es decir, trabaja con cantidades de tiempo muy muy pequeñas para poder medir velocidades muy altas.. y el mínimo error, a nivel de nuestra posición, son cientos de metros... si no cientos de kilómetros.
En el siguiente mensaje hablaremos mas de la de la precisión y veremos lo que ofrecen los diferentes sistemas que hay activos o que estarán activos en breve
A raíz de un hilo preguntando sobre GPS he pensado que podría estar bien hacer a modo de un pequeño turorial explicando que son, como funcionan y que opciones con sus pros y sus contras hay disponibles hoy en dia o esta previsto que esten disponibles en un futuro muy próximo.
Voy a intentar ser lo menos técnico posible para que cualquiera pueda entender que son y como funcionan y cual es su historia, que, curiosamente, se inicia en la literatura de ciencia ficción.
La idea de órbita geoestacionaria se popularizó por el escritor de ciencia ficción Arthur C. Clarke en 1945 como una órbita útil para satélites de comunicaciones, previamente la idea de un satélite geosíncrono para comunicaciones se publicó por primera vez en 1928 por Herman Potočnik.
El primer satélite geoestacionario fue el Syncom 3 lanzado en Cabo Kennedy el 19 de agosto de 1964, fue un satélite experimental de comunicaciones ubicado sobre el ecuador a 180 grados de longitud en el Oceano Pacífico. Este satélite cubrió televisión en vivo sobre los juegos olímpicos de 1964 en Tokyo, Japón, y se usó para varias pruebas de comunicaciones.
Para entender de que se trata, a grosso modo, es que se establece un satélite en una orbita tal que, para mantenerse en ella, ha de desplazarse a tal velocidad que el punto sobre el que esta en la superficie de la tierra siempre esta bajo el.
Esto que quizás sea difícil de entender se ve claro si tomamos una cuerda y la fijemos con una lazada abierta a un poste. Ahora dos personas toman la cuerda, una por la mitad y la otra por el extremo libre, tensándola, y se ponen a dar vueltas con ella tensa en torno al poste:
El que la tenga por la mitad (que a los efectos representa a la superficie del planeta), tendra que ir mas despacio que el que la tenga por el extremo (que a los efectos representa al satélite geoestacionario) para que la cuerda se mantenga recta. Si se acerca al poste tendrá que ir mas despacio y si se aleja del poste más rapido. Si en lugar de una cuerda, que se puede doblar, es una barra rígida, todos los que esten agarrados a ella, unos mas cerca del poste y otros mas lejos, tendrán que ir a la velocidad adecuada al sitio en el que están agarrados.
¿Que utilidad tienen las orbitas geoestacionarias?
La primera evidente es su uso en telecomunicaciones.
Si lo llevamos a un plano mas terrenal se entiende mas fácil el porque y como son útiles:
Imaginemos una casa, en la parte de atrás hay un amigo que debe conectar algo al mismo tiempo que lo hacemos nosotros en la parte de delante de la casa. No nos podemos ver y apenas nos podemos oír así que avisarnos a gritos no es muy seguro.
Si alejado de la casa y a un lado ponemos un espejo grande que los dos alcancemos a ver, bien orientado, nosotros le vemos a él en el espejo y él a nosotros y podemos actuar a la vez.
Ese espejo sería el satélite geoestacionario y ese es el papel que hacen en las telecomunicaciones.
Para entender como son útiles para darnos a conocer donde estamos vayamos a dentro de la casa.
Vamos a poner un gancho en el techo (que siempre estará en el mismo sitio como si fuese un satélite geoestacionario) y vamos a atar a el una cuerda que sea mas larga que la distancia entre el suelo y el techo.
Manteniendo la cuerda tensa es evidente que podremos movernos en un circulo, así que si tenemos una conexión con un satélite geoestacionario podemos saber que estamos en un punto de ese circulo, pero no en cual.
Hagamos un inciso.
¿Como podemos saber que estamos en un punto de ese circulo?
Bueno, en el satélite hay un reloj muy exacto y en nuestro receptor de satélite hay otro reloj bastante exacto. El satélite manda una señal horaria, nuestro receptor la recibe y resta la hora a la que fue enviada con la que es cuando la recibe.
Así sabe que tardo la señal en viajar del satélite a nuestro receptor y, como sabemos a la velocidad a la que la señal viaja por el aire, sabiendo cuanto tardó en llegar, se calcula que distancia recorrió.
Es igual que si viajamos en un auto a 100km por hora y tardamos en llegar a nuestro destino una hora y media: nuestro destino esta a 100+50 km. Simple.
Como sabemos sobre que lugar esta fijo el satélite y a que altura esta (lo sabe nuestro receptor de satélite) hacer el calculo es sencillo.
Otro inciso:
Lo que condiciona mucho el precio de los equipos, prestigios de marcas y políticas comerciales aparte, es que tan precisos son sus relojes.
Bueno, aclarado esto, volvamos a nuestro gancho en el techo con su cuerda colgada....
No sirve para que sepamos donde estamos. Solo que estamos en un punto a lo largo de un circulo como ya hemos dicho.
¿Como se puede mejorar eso?
Es evidente que necesitamos más información, así que pongamos un segundo satélite, otro gancho en el techo. No importa donde. Colgemos otra cuerda larga de el. Ahora si tomamos ambas cuerdas en la mano y las sujetamos tensas habrá dos medidas que nos digan donde estamos...
...pero habrá dos sitios en los que podamos estar manteniendo las dos cuerdas tensas e igual de largas.
Con dos satélites hemos pasado de solo poder saber que estamos en un circulo a tener la certeza de que estamos en uno de dos puntos bien exactos (no es totalmente así: la precisión de los relojes de nuestros receptores no garantiza una exactitud absoluta, pero para entenderlo sirve)
Si ponemos un tercer gancho en el techo, un tercer satélite, esa incertidumbre sobre en que punto estamos, desaparece:
Ahora para mantener las tres cuerdas tensas, solo hay un punto en el que podremos estar.
Estamos geolocalizados.
Hablemos ahora de la precisión.
Los relojes que hay en los satélites son relojes atómicos. Son superprecisos, el estándar actual de los relojes atómicos en activo permite el atraso de un segundo cada 3700 millones de años.
Eso es una desviación de menos de 10 elevado a -9 segundos por día, la 10.000.000.000 (diez mil millonésima) parte de un segundo.
Obviamente los relojes de nuestros dispositivos de recepción de satelite para posicionamiento, los que llamamos GPSs, no son así de exactos: sus relojes no se basan en la emisión radioactiva de una partícula si no en las oscilaciones de un trozo de cuarzo, mucho menos exacto, la precisión de los mejores relojes de cuarzo es de un segundo por mes, la de los "normales" de unos 30 segundos por mes.
Quizás parezca que tanta precisión es una tontería pero si pensamos que la señal de radio que reciben nuestros dispositivos, en el vacío del espacio viaja a la velocidad de la luz y cuando pasa a través del aire, ya que este es lo suficientemente delgado y permeable, viaja muy cerca de la velocidad de la luz (300.000 km por segundo), la señal que emite un satélite geoestacionario situado justo sobre nuestra cabeza, a unos 35.000 km de la tierra, tarda 8,5714285714 milésimas de segundo (si no he calculado mal) en llegar.
Es decir, trabaja con cantidades de tiempo muy muy pequeñas para poder medir velocidades muy altas.. y el mínimo error, a nivel de nuestra posición, son cientos de metros... si no cientos de kilómetros.
En el siguiente mensaje hablaremos mas de la de la precisión y veremos lo que ofrecen los diferentes sistemas que hay activos o que estarán activos en breve