¿Cómo funciona la red satelital de ubicación global?, por Tomás Unger
A través de los celulares, podemos acceder a nuestra posición exacta. Es algo tan común que ya no genera sorpresa. Tomás Unger nos invita a conocer más sobre esta tecnología
Por milenios la humanidad dependía de lugares conocidos, como montañas o islas, y de mapas del mundo y del firmamento, laboriosamente desarrollados a través de siglos, para guiarse al viajar por tierra y por mar. Era una mezcla de conocimientos y talento, pasados de generación en generación por exploradores, guías y navegantes mediante enseñanzas teóricas y prácticas que tomaban años aprender.
Hoy, los teléfonos celulares más simples pueden presentarnos mapas que muestran el planeta entero o hacen ‘zoom’ para ubicar el lugar exacto donde estamos, con una precisión de apenas un par de metros. El hecho de que esto sucede en la palma de la mano, con la electricidad de una batería compacta, es tan cotidiano que ya no parece maravillar a nadie. Su valor parece apreciarse solo cuando deja de funcionar. Sin embargo, la ciencia y el trabajo que se requirieron para llegar a tal punto de popularización de una tecnología de vanguardia son realmente extraordinarios.
—Triangulación satelital—
El principio de triangulación es simple: cuando tenemos al menos dos puntos fijos de posición y trazamos líneas hacia cada uno –notando la dirección en que los vemos o el ángulo con respecto al Norte, que es el ángulo cero en una brújula–, la intersección de esas líneas nos permite dibujar un triángulo donde una esquina da nuestra ubicación exacta. Si estamos en una azotea en algún lugar de Lima y sabemos las distancias y los ángulos o direcciones en las que podemos ver, por ejemplo, la cruz del cerro San Cristóbal y el Cristo del Morro Solar, podemos triangular y marcar nuestro lugar preciso en un mapa de la ciudad.
Este principio funciona igualmente para marcar ubicaciones en tres dimensiones –el plano de dos dimensiones, marcado por los ejes norte-sur y este-oeste, más la tercera dimensión de altitud o profundidad–, siempre que se tenga un tercer punto que nos permita comparar el ángulo de elevación o azimut con que los vemos. La figura ya no sería un triángulo plano, sino un prisma, y nuestra ubicación estaría en uno de sus cuatro puntos angulares.
“La idea de usar múltiples satélites en órbita para permitir la ubicación y navegación en tierra, mar y aire surgió al inicio de la era espacial”.
Si los tres puntos de referencia no son fijos, como satélites en movimiento, la triangulación es posible solo si conocemos su posición exacta en el momento en que los vemos. Ahí empezamos a apreciar la dificultad de una triangulación en cualquier parte del planeta, y en tiempo real, basada en puntos de referencia móviles; y es más asombroso por tratarse de satélites orbitando a gran velocidad a miles de kilómetros de altura.
El sistema de posicionamiento global (GPS, por sus siglas en inglés) usa una red de 24 satélites que transmiten constantemente su posición exacta –calculada con estaciones rastreadoras en tierra– que triangulan la ubicación y el momento exacto de la señal utilizando relojes atómicos superprecisos que cada satélite tiene a bordo. Esto convierte a los satélites en puntos fijos de referencia que el aparato de GPS recibe y procesa, para luego triangular su propia posición.
—Supercomputación de bolsillo—
El GPS es una microcomputadora que puede ir en el puente de un barco, la cabina de un avión o de un carro, o la mano de un adolescente. Su procesador contiene y actualiza constantemente los datos de un mapa global e interpreta señales recibidas simultáneamente de varios satélites. El programa del GPS determina su propia ubicación usando básicamente dos datos de las señales: la posición exacta de cada satélite y el momento en que registró esa posición.
Los relojes y la ubicación de los satélites son verificados diariamente desde tierra para asegurar su precisión. El receptor o GPS tiene que recibir señales de tres satélites simultáneamente para hacer la triangulación; la señal de un cuarto satélite se usa para comparar y ajustar la hora exacta del envío de las otras señales.
Este ajuste de tiempo se debe a que las señales, a pesar de viajar a la velocidad de la luz, toman diferente tiempo en llegar debido a la ubicación de cada satélite. El ajuste es, normalmente, de menos de una milésima de segundo, pero esa diferencia –a la distancia y velocidad con que se mueven los satélites– podría afectar la triangulación por varias decenas de metros o más.
En otras palabras, la lectura y ajuste de señales simultáneas de varios satélites, procesadas y comparadas para mostrarnos de manera inmediata nuestra posición exacta es una hazaña matemática y tecnológica.
“Los relojes y la ubicación de los satélites son verificados diariamente desde tierra para asegurar su precisión”.
—Redes espaciales—
La idea de usar múltiples satélites en órbita para permitir la ubicación y navegación en tierra, mar y aire surgió al inicio de la era espacial. A fines de los años 50, se descubrió que el seguimiento de las señales de radio de los primeros satélites desde varias estaciones terrestres permitía triangular su posición exacta en el espacio. En los años 60, la Marina estadounidense utilizó seis satélites para rastrear y guiar a sus submarinos nucleares.
El perfeccionamiento de sus sistemas de señales de satélites, su capacidad de computación y comunicación instantánea entre bases de rastreo, tomó décadas. En 1978, el Departamento de Defensa de EE.UU. lanzó la red satelital Navstar, que se completó en 1993. Esta red da acceso mundial gratuito a sus señales. Debido a que los satélites dan vueltas a la Tierra y sus señales solo se reciben cuando están dentro de nuestro horizonte, la red requiere 24 satélites en diferentes órbitas para tener siempre al menos cuatro puntos de referencia en cualquier parte del planeta.
Para no depender del Gobierno Estadounidense, otros países desarrollaron sus propias redes: Rusia completó su red Glonass a principios del milenio; la Unión Europea, el sistema Galileo en el 2016; y China, su red BeiDou en el 2018. Japón e India tienen sistemas de cobertura regional operativos desde el 2018: el Michibiki, con cuatro satélites, y el NavIC, con siete.
Algo importante que todas las redes están estudiando es el impacto de la actividad solar y de los cambios en la ionósfera del planeta. Pero eso es tema para otra página.
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