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sábado, 26 de abril de 2008 |
Vayamos a las fuentes
La semana anterior intentamos profundizar algo en el sistema de navegación Galileo, y caíamos siempre en el GPS, cosa que no habíamos explicado bien de qué se trataba. Entonces vamos a ir a las fuentes, de los que se denomina Sistema Global de Navegación por Satélite, y que debería llevar la sigla SGNS. Pero como siempre, haciendo gala de un juego de palabras, el título tiene un doble sentido: las fuentes a las que recurrimos habitualmente están en Internet, y en este caso vamos a ir a la ya famosa Wikipedia, la enciclopedia libre que se va creando momento a momento con miles de aportes de todo el mundo.
Allí nos enteramos que la sigla original no es esa, sino que se trata
de GNSS, que debe significar lo mismo, pero en inglés: Global
Navegation Satellite System. Y se trata de una constelación de
satélites que transmite rangos de señales utilizados para el
posicionamiento y localización en cualquier parte del globo terrestre,
ya sea por tierra, mar o aire. Estos permiten determinar las
coordenadas geográficas de un punto dado como resultado de la
recepción de dichas señales para fines de navegación, transporte,
geodésicos, hidrográficos, agrícolas y otras actividades afines. Un
sistema de navegación basado en satélites artificiales puede
proporcionar a los usuarios información sobre la posición y la hora
(cuatro dimensiones) con una gran exactitud, en cualquier parte del
mundo, las 24 horas del día y en todas las condiciones climatológicas.
Y hoy en día eso se puede hacer con un artefacto similar a un teléfono
celular.
Vayamos a los antecedentes. Unos tempranos precursores de los sistemas
de navegación por satélite fueron los sistemas terrestres de LORAN y
de Omega, que utilizaron los radiotransmisores de baja frecuencia (100
kHz) terrestres en vez de los satélites. Todos sabemos que las señales
demoran en llegar a destino en función de la distancia. Cualquiera que
haya hecho una llamada telefónica a Europa, por ejemplo, sabe que hay
un ligero retardo desde que hablamos hasta que nos escuchan. Estos
sistemas difundían un pulso de radio desde una localización «maestra»
conocida, seguido por pulsos repetidos desde un número de estaciones
«esclavas». El retraso entre la recepción y el envío de la señal en
las estaciones auxiliares era controlado, permitiendo a los receptores
comparar el retraso entre la recepción y el retraso entre los envíos. A
través de este método se puede conocer la distancia a cada una de las
estaciones auxiliares. Obviamente, no era demasiado preciso, pero algo
es algo.
El primer sistema de navegación por satélites fue el Transit, un
sistema desplegado por el ejército de Estados Unidos en los años ‘60.
Transit se basaba en el efecto Doppler, y para que no piensen que hablamos en chino, daremos una explicación sencilla. ¿Vieron como varía el sonido de un auto o una moto cuando pasa a alta velocidad frente a nosotros? Ese cambio en la frecuencia se debe a que primero el vehículo se acerca y luego se aleja. Pero para el conductor del mismo no hay cambio en el sonido. Lo que nosotros percibimos se denomina efecto Doppler. Los satélites viajan en trayectorias conocidas y difunden sus señales en una frecuencia también conocida. La frecuencia recibida se diferencia levemente de la frecuencia difundida debido al movimiento del satélite con respecto al receptor, cual un auto que pasa. Lo único que en vez de sonido, percibimos señales electromagnéticas. Monitorizando este cambio de frecuencia a intervalos cortos, el receptor puede determinar su localización a un lado o al otro del satélite, la combinación de varias de estas medidas, unido a un conocimiento exacto de la órbita del satélite pueden fijar una posición concreta. Parece complejo, y lo es realmente!!! Sin embargo, nuestros oídos hacen eso constantemente, lo que nos permite ubicar una fuente de sonido, y saber si viene de la derecha, la izquierda o el frente. ¿Se entiende? Lo que pasa es que es un proceso que tenemos tan automatizado que ni cuenta nos damos, pero en realidad ocurre eso: cuando alguien nos habla desde la derecha, nuestro oído derecho lo oye antes que el izquierdo, y nuestro cerebro sabe perfectamente lo que sucede.
Veamos un poco la teoría y características fundamentales. La radionavegación por satélite se basa en el cálculo de una posición midiendo las distancias de un mínimo de tres satélites de posición conocida. La precisión de las mediciones de distancia determina la exactitud de la ubicación final. En la práctica, un receptor capta las señales de sincronización emitida por los satélites que contiene la posición del satélite y el tiempo exacto en que esta fue transmitida. La posición del satélite se transmite en un mensaje de datos que se superpone en un código que sirve como referencia de la sincronización. La precisión del dato del tiempo, viene dada por los relojes atómicos que hay en los satélites. Dicha precisión en la medición de la posición depende de la exactitud de la información de tiempo. Sólo los cronómetros atómicos proveen la precisión requerida, del orden de nanosegundos (una milmillonésima de segundo, es decir, un segundo dividido mil millones de veces). El satélite utiliza un reloj atómico para estar sincronizado con todos los satélites en la constelación. El receptor compara el tiempo de la difusión, que está codificada en la transmisión, con el tiempo de la recepción, medida por un reloj interno, de forma que se mide el «tiempo de vuelo», o sea lo que tarda llegar la señal desde el satélite.
Estos cronómetros constituyen un elemento tecnológico fundamental a bordo de los satélites que conforman las constelaciones GNSS y pueden contribuir a definir patrones de tiempo internacionales. La sincronización se mejorará con la inclusión de la señal emitida por un cuarto satélite. En el diseño de la constelación de satélites se presta atención especial a la selección del número de estos y a sus órbitas para que siempre estén visibles en cantidad suficiente desde cualquier lugar del mundo y así asegurar la disponibilidad de señal y la precisión.
En el caso de un receptor móvil que se desplaza rápidamente es un poco más complejo, ya que la posición de la señal se mueve mientras que las señales de varios satélites son recibidas. Además, las señales de radio se retardan levemente cuando pasan a través de la ionosfera. El cálculo básico procura encontrar la línea tangente más corta a cuatro cáscaras esféricas centradas en cuatro satélites. Los receptores de navegación por satélite reducen los errores usando combinaciones de señales de múltiples satélites y correlaciones múltiples, utilizando entonces técnicas como filtros de Kalman para combinar los datos parciales, afectados por ruido y en constante cambio, en una sola estimación de posición, tiempo, y velocidad.
Evidentemente, un aparato de estos no es algo que podamos construir en nuestro tallercito con los planos que aparezcan en una revista de electrónica. O tal vez sí, depende de nuestra habilidad, especialmente la de acceder a los materiales. Sin embargo no nos preocupemos, ya que como ocurre con todos los artículos electrónicos, los precios bajan abruptamente a medida que se popularizan, y no está lejano el día en que andaremos con uno de estos artefactos en el bolsillo. Si nos perdemos, le pedimos que nos guíe, y ya está!!
JOSÉ ALFREDO FERNÁNDEZ SANDE
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