1. Sistema de satélites. Está formado por 24 unidades con trayectorias sincronizadas para cubrir toda la superficie del globo terráqueo. Más concretamente, repartidos en 6 planos orbitales de 4 satélites cada uno. La energía eléctrica que requieren para su funcionamiento la adquieren a partir de dos paneles compuestos de celdas solares adosados a sus costados.
2. Estaciones terrestres. Envían información de control a los satélites para controlar las órbitas y realizar el mantenimiento de toda la constelación.
3. Terminales receptores. Indican la posición en la que están; conocidas también como Unidades GPS, son las que podemos adquirir en las tiendas especializadas.

• Establecer la órbita de cada satélite, así como determinar el estado de      sus osciladores.
• Hallados los parámetros anteriores, emitirlos a los satélites para que éstos puedan difundirlos a los usuarios.

Nombre de la Estación	Monitora	Maestra	Enlace datos
Colorado Spring	SI	SI	NO
Ascensión (Atlántico Sur)	SI	NO	SI
Hawaii (Pacífico oriental)	SI	NO	NO
Kwalalein (Pacífico Occidental)	SI	NO	SI
Diego García (Índico)	SI	NO	SI

• Monitorización y control de todos los satélites
• Mantenimiento y solución de problemas en los distintos satélites
• Monitorización y control del cumplimiento del estándar de posicionamiento GPS.
• Actualización de los mensajes de navegación necesarios para mantener los requisitos de precisión en el servicio estándar de posicionamiento.

• Sintonizar la señal emitida por los satélites
• Decodificar el mensaje de navegación
• Medir los tiempos de retardo
• Realizar los cálculos precisos para extraer los datos requeridos
• Interpretación de datos

1. Triangulación. La base del GPS es la “triangulación” desde los satélites
2. Distancias. Para “triangular”, el receptor de GPS mide distancias utilizando el tiempo de viaje de señales de radio.
3. Tiempo. Para medir el tiempo de viaje de estas señales, el GPS necesita un control muy estricto del tiempo y lo logra con ciertos trucos.
4. Posición. Además de la distancia, el GPS necesita conocer exactamente donde se encuentran los satélites en el espacio. Orbitas de mucha altura y cuidadoso monitoreo, le permiten hacerlo.
5. Corrección. Finalmente el GPS debe corregir cualquier demora en el tiempo de viaje de la señal que esta pueda sufrir mientras atraviesa la atmósfera.

Midiendo las distancias a los satélites

            Sabiendo que la posición de un punto se calcula a partir de la medición de la distancia del mismo hasta por lo menos tres satélites ¿cómo se puede medir la distancia hacia algo que está flotando en algún lugar en el espacio? Se hace midiendo el tiempo que tarda una señal emitida por el satélite en llegar hasta el receptor de GPS.

La gran idea, Matemáticamente, es:

Suponiendo que si un auto viaja a 60 kilómetros por hora durante dos horas, ¿qué distancia recorrió?:


             En el caso del GPS se mide una señal de radio, que se  sabe, viaja a la velocidad de la luz, alrededor de 300.000 km por segundo. Por lo tanto, queda el problema de medir el tiempo de viaje de la señal.

Sincronización de relojes

            El problema de la medición de ese tiempo es complicado. Los tiempos son extremadamente cortos. Si el satélite estuviera justo sobre el punto que deseamos conocer, a unos 20.000 km de altura, el tiempo total de viaje de la señal hacia este punto sería de algo más de 0.06 segundos, para lo cual se requiere un reloj muy preciso. Pero, aun admitiendo que existen relojes con la suficiente precisión, ¿cómo se mide el tiempo de viaje de la señal?

            Suponiendo que el GPS y el satélite generan una señal auditiva en el mismo instante exacto y que estando al lado del receptor de GPS se pudiera oír ambas señales, se escucharían 2 versiones de señal, una de ellas inmediatamente, la generada por el receptor GPS y la otra con cierto atraso, la proveniente del satélite, porque tuvo que recorrer alrededor de 20.000 km para llegar hasta el punto deseado, concluyendo que ambas señales no están sincronizadas.

            Para poder saber cuál es la magnitud de la demora de la señal proveniente del satélite, se retarda la emisión de la señal del GPS hasta lograr la perfecta sincronización con la señal que viene del satélite. El tiempo de retardo necesario para sincronizar ambas señales es igual al tiempo de viaje de la señal proveniente del satélite. Suponiendo  que sea de 0.06 segundos. Conociendo este tiempo, se multiplica por la velocidad de la luz y se obtiene la distancia hasta el satélite.

Así es, básicamente, como funciona el GPS.

            La señal emitida por el GPS y por el satélite es algo llamado "Código Pseudo Aleatorio" (Pseudo Random Code). La palabra "Aleatorio" significa algo generado por el azar.  Este Código Pseudo Aleatorio es una parte fundamental del GPS. Físicamente solo se trata de una secuencia o código digital muy complicado. O sea una señal que contiene una sucesión muy complicada de pulsos "on" y "off".

            La señal es tan complicada que casi parece un ruido eléctrico generado por el azar. De allí su denominación de "Pseudo-Aleatorio". Hay varias y muy buenas razones para tal complejidad. La complejidad del código ayuda a asegurarnos que el receptor de GPS no se sintonice accidentalmente con alguna otra señal. Siendo el modelo tan complejo es altamente improbable que una señal cualquiera pueda tener exactamente la misma secuencia.
Dado que cada uno de los satélites tiene su propio y único Código Pseudo Aleatorio, esta complejidad también garantiza que el receptor no se confunda accidentalmente de satélite. De esa manera, también es posible que todos los satélites trasmitan en la misma frecuencia sin interferirse mutuamente. Esto también complica a cualquiera que intente interferir el sistema desde el exterior al mismo. El Código Pseudo Aleatorio le da la posibilidad al Departamento de Defensa de EEUU de controlar el acceso al sistema GPS.

            Pero hay otra razón para la complejidad del Código Pseudo Aleatorio, una razón que es crucial para conseguir un sistema GPS económico. El código permite el uso de la "teoría de la información" para amplificar las señales de GPS. Por esa razón las débiles señales emitidas por los satélites pueden ser captadas por los receptores de GPS sin el uso de grandes antenas.  Si la medición del tiempo de viaje de una señal de radio es clave para el GPS, los relojes empleados deben ser exactísimos, dado que si miden con un desvío de un milésimo de segundo, a la velocidad de la luz, ello se traduce en un error de 300 km. Por el lado de los satélites, el timing es casi perfecto porque llevan a bordo relojes atómicos de increíble precisión.

¿Pero qué pasa con los receptores GPS, aquí en la tierra?

            El satélite y el receptor GPS, deben ser capaces de sincronizar sus Códigos Pseudo Aleatorios para que el sistema funcione. Si los receptores GPS tuvieran que alojar relojes atómicos (Cuyo costo está por encima de los 50 a 100.000 U$S) la tecnología resultaría demasiado costosa y nadie podría acceder a ellos.

            Por suerte los diseñadores del sistema GPS encontraron una brillante solución que permite resolver el problema con relojes mucho menos precisos en los GPS. Esta solución es uno de los elementos clave del sistema GPS y, como beneficio adicional, significa que cada receptor de GPS es en esencia un reloj atómico por su precisión. El secreto para obtener un timing tan perfecto es efectuar una medición satelital adicional.

            Resulta que si tres mediciones perfectas pueden posicionar un punto en un espacio tridimensional, cuatro mediciones imperfectas pueden lograr lo mismo. Esta idea es fundamental para el funcionamiento del sistema GPS, pero su explicación detallada excede los alcances de la presente exposición. De todos modos, aquí va un resumen somero:

Una medición adicional remedia el desfasaje del timing.

            Si todo fuera perfecto (es decir que los relojes de los receptores GPS lo fueran), entonces todos los rangos (distancias) a los satélites se intersectarían en un único punto (que indica nuestra posición). Pero con reloj imperfecto, una cuarta medición, efectuado como control cruzado, NO intersectará con los tres primeros. De esa manera la computadora del GPS detectará la discrepancia y atribuirá la diferencia a una sincronización imperfecta con la hora universal.

            Dado que cualquier discrepancia con la hora universal afectará a las cuatro mediciones, el receptor buscará un factor de corrección único que siendo aplicado a sus mediciones de tiempo hará que los rangos coincidan en un solo punto. Dicha corrección permitirá al reloj del receptor ajustarse nuevamente a la hora universal y de esa manera tenemos un reloj atómico en la palma de nuestra mano.  Una vez que el receptor de GPS aplica dicha corrección al resto de sus mediciones, se obtiene un posicionamiento preciso.

            Una consecuencia de este principio es que cualquier GPS decente debe ser capaz de sintonizar al menos cuatro satélites de manera simultánea. En la práctica, casi todos los GPS en venta actualmente, acceden a más de 6, y hasta a 12, satélites simultáneamente.

            Ahora bien, con el Código Pseudo Aleatorio como un pulso confiable para asegurar la medición correcta del tiempo de la señal y la medición adicional como elemento de sincronización con la hora universal, se tiene todo lo necesario para medir la distancia a un satélite en el espacio. Pero, para que la triangulación funcione, se requiere conocer no sólo la distancia sino también dónde están los satélites con toda exactitud.

Conocer dónde están los satélites en el espacio

            Todos los satélites están flotando a unos 20.000 km de altura en el espacio. Un satélite a gran altura se mantiene estable. La altura de 20.000 km es en realidad un gran beneficio para este caso, porque algo que está a esa altura está bien despejado de la atmósfera. Eso significa que orbitará de manera regular y predecible mediante ecuaciones matemáticas sencillas. La Fuerza Aérea de los EEUU colocó cada satélite de GPS en una órbita muy precisa, de acuerdo al Plan Maestro de GPS.

            En tierra, todos los receptores de GPS tienen un almanaque programado en sus computadoras que les informan donde está cada satélite en el espacio, en cada momento.

 El Control Constante agrega precisión. 

             Las órbitas básicas son muy exactas pero con el fin de mantenerlas así, los satélites de GPS son monitoreados de manera constante por el Departamento de Defensa.  
            Ellos utilizan radares muy precisos para controlar constantemente la exacta altura, posición y velocidad de cada satélite. Los errores que ellos controlan son los llamados errores de efemérides, o sea evolución orbital de los satélites. Estos errores se generan por influencias gravitacionales del sol y de la luna y por la presión de la radiación solar sobre los satélites. Estos errores son generalmente muy sutiles pero si se quiere una gran exactitud es necesario considerarlos. 

Corrigiendo el mensaje

            Una vez que el Departamento de Defensa ha medido la posición exacta de un satélite, vuelven a enviar dicha información al propio satélite. De esa manera el satélite incluye su nueva posición corregida en la información que transmite a través de sus señales a los GPS.             
            Esto significa que la señal que recibe un receptor de GPS no es solamente un Código Pseudo Aleatorio con fines de timing. También contiene un mensaje de navegación con información sobre la órbita exacta del satélite.

            Con un timing perfecto y la posición exacta del satélite se podría pensar que se pueden efectuar cálculos perfectos de posicionamiento, sin embargo, aún quedan por resolver otros problemas.

Corrigiendo Errores

            Hasta ahora, se han tratado todos los cálculos del sistema GPS de manera muy abstracta, como si todo el proceso ocurriera en el vacío. Pero en el mundo real hay muchas cosas que le pueden suceder a una señal de GPS para transformarla en algo menos que matemáticamente perfecta.

            Para aprovechar al máximo las ventajas del sistema un buen receptor de GPS debe tener en cuenta una amplia variedad de errores posibles. A continuación lo que el sistema debe atravesar.

            En primer lugar, una de las presunciones básicas que se han usado a lo largo de esta explicación no es exactamente cierta. Se ha afirmado que se puede calcular la distancia a un satélite multiplicando el tiempo de viaje de su señal por la velocidad de la luz, pero la velocidad de la luz sólo es constante en el vacío.

Una señal de GPS pasa a través de partículas cargadas en su paso por la ionosfera y luego al pasar a través de vapor de agua en la troposfera pierde algo de velocidad, creando el mismo efecto que un error de precisión en los relojes.           
             Hay un par de maneras de minimizar este tipo de error. Por un lado, se puede predecir cuál sería el error tipo de un día promedio. A esto se lo llama modelación y puede ayudar pero, por supuesto, las condiciones atmosféricas raramente se ajustan exactamente el promedio previsto.

            Otra manera de manejar los errores inducidos por la atmósfera es comparar la velocidad relativa de dos señales diferentes. Esta medición de doble frecuencia es muy sofisticada y solo es posible en receptores GPS muy avanzados.

            Los problemas para la señal de GPS no terminan cuando llega a la tierra. La señal puede rebotar varias veces debido a obstrucciones locales antes de ser captada por el receptor GPS.  
             Este error es similar al de las señales fantasma que se pueden ver en la recepción de televisión. Los buenos receptores GPS utilizan sofisticados sistemas de rechazo para minimizar este problema.  Aún siendo los satélites muy sofisticados no tienen en cuenta minúsculos errores en el sistema. Los relojes atómicos que utilizan son muy, pero muy, precisos, pero no son perfectos. Pueden ocurrir minúsculas discrepancias que se transforman en errores de medición del tiempo de viaje de las señales.

            Y aunque la posición de los satélites es controlada permanentemente, tampoco pueden ser controlados a cada segundo. De esa manera pequeñas variaciones de posición o de efemérides pueden ocurrir entre los tiempos de monitoreo.

            La geometría básica por si misma puede magnificar estos errores mediante un principio denominado "Dilación Geométrica de la Precisión", o DGDP

            En la realidad suele haber más satélites disponibles que los que el receptor GPS necesita para fijar una posición, de manera que el receptor toma algunos e ignora al resto.

            Si el receptor toma satélites que están muy juntos en el cielo, las circunferencias de intersección que definen la posición se cruzarán a ángulos con muy escasa diferencia entre sí. Esto incrementa el área gris o margen de error acerca de una posición.  
           Si el receptor toma satélites que están ampliamente separados, las circunferencias intersectan a ángulos prácticamente rectos y ello minimiza el margen de error.  
             Los buenos receptores son capaces de determinar cuáles son los satélites que dan el menor error por Dilución Geométrica de la Precisión.

Errores Intencionales

            Aunque resulte difícil de creer, el mismo Gobierno que pudo gastar 12.000 Millones de dólares para desarrollar el sistema de navegación más exacto del mundo, está degradando intencionalmente su exactitud. Dicha política se denomina "Disponibilidad Selectiva" y pretende asegurar que ninguna fuerza hostil o grupo terrorista pueda utilizar el GPS para fabricar armas certeras.

            Básicamente, el Departamento de Defensa introduce cierto "ruido" en los datos del reloj satelital, lo que a su vez se traduce en errores en los cálculos de posición. El Departamento de Defensa también puede enviar datos orbitales ligeramente erróneos a los satélites que estos reenvían a los receptores GPS como parte de la señal que emiten.

            Estos errores en su conjunto son la mayor fuente unitaria de error del sistema GPS. Los receptores de uso militar utilizan una clave encriptada para eliminar la Disponibilidad Selectiva y son, por ello, mucho más exactos.

 ¿Qué tipo de información se puede obtener de un receptor GPS?

            En principio, la información más básica que se puede obtener, es un par de coordenadas, la Latitud y la Longitud, pero, ¿de qué sirven?, bueno, primero se explicará que significan estas dos palabras.

            Las líneas de Latitud o Paralelos están formadas por círculos de diferentes tamaños que parten de la línea del Ecuador y se expanden en dirección a los polos. La línea del Ecuador constituye el círculo de latitud de mayor diámetro de la Tierra y la divide en dos mitades: hemisferio Norte (arriba) y hemisferio Sur (abajo). La línea del Ecuador se identifica en las cartas náuticas y los mapas como latitud “0” grado (0º) y el nombre lo recibe porque atraviesa la ciudad de Quito, capital de la República del Ecuador, situada en el continente sudamericano.

            A partir del Ecuador se extienden, hacia el norte y el sur, las denominadas líneas de latitud. El diámetro de los círculos que forman esas líneas se van empequeñeciendo a medida que se acercan a los polos hasta llegar a convertirse solamente en un punto en ambos polos, donde adquiere un valor de 90 grados (90º). El Ecuador, como cualquier otro círculo, se puede dividir (y de hecho se divide) en 360 grados (360º), por lo cual pueden atravesarlo 360 líneas de longitud o meridianos.

            Hasta hace un tiempo, en navegación siempre se tomaba como referencia para todas las operaciones la hora GMT (Greenwich Mean Time) u hora del meridiano de Greenwich. Este meridiano divide la Tierra en otras dos mitades a partir de los polos, tomando como referencia su eje de rotación: hemisferio occidental hacia el oeste y hemisferio oriental hacia el este. De hecho las longitudes se miden en las dos direcciones correspondientes a cada hemisferio partiendo del meridiano 0º de Greenwich.

            La hora GMT se define por la posición del Sol y las estrellas, pero con la aparición de los relojes atómicos, como los que emplean los satélites GPS, se ha establecido la hora UTC o Tiempo Universal Coordinado en sustitución de la hora GMT. Este cambio se debe a que la rotación de la Tierra sufre variaciones retrasándose la hora con respecto al tiempo atómico. En contraposición, la hora UTC es de una alta precisión, tal como la requieren los navegadores GPS para poder localizar con exactitud un punto cualquiera de la Tierra.

            En dirección oeste partiendo de Greenwich, el hemisferio occidental comprende parte de Europa y de África, América y algunas islas hasta llegar a la línea de longitud o meridiano 180º situada en el Océano Pacífico. En sentido contrario, en dirección al este, el hemisferio oriental comprende la mayor parte de Europa y África, Asia, y la mayoría de las islas del Pacífico hasta llegar de nuevo a la misma línea de longitud o meridiano 180º. Si sumamos 180º hacia el oeste más 180º hacia el este obtendremos como resultado los 360º grados correspondientes a la circunferencia del Ecuador. El meridiano 180º se conoce también por el nombre de “línea internacional de cambio de la fecha”, pues hacia el oeste corresponde a un nuevo día y hacia el este corresponde al día anterior.

            Tanto las líneas longitud como las de latitud, además de dividirse en grados, se subdividen también en minutos y segundos. Por tanto podemos localizar un punto situado exactamente en las coordenadas 40º de latitud norte y 3º de longitud este y si nos desplazamos unos kilómetros, el punto de localización podría ser 38º 40´ 20´´ (38 grados, 40 minutos, 20 segundos) de latitud norte y 3º 30´ 59´´ (3 grados, 30 minutos, 59 segundos) de longitud este. Si la medida anterior se repitiera en el hemisferio opuesto, por ejemplo en los 40º de latitud sur y 3º de longitud oeste, ésta sería una ubicación completamente distinta y muy alejada de la primera.

            En la siguiente foto, se muestra cómo está dividida la Tierra, y se puede determinar que México se ubica en la latitud Norte (N) y la longitud Oeste (W):
               Al  encender el receptor GPS, se tendrá un par de coordenadas, que es nuestra posición en la Tierra, pero para saber dónde nos localizamos, se requiere de un mapa, ya sea que el receptor tenga incluidos los mapas o en un mapa aparte, ya sea en papel o en una computadora.

            Ahora, eso es lo más básico, ¿qué pasa ahora si nos movemos?, los receptores modernos emiten nuestra posición aproximadamente cada segundo por lo que no importa si nos movemos, las pulsaciones nos “seguirán”, al mismo tiempo, el receptor, conociendo nuestras coordenadas de posición, hará cálculos matemáticos para saber nuestra velocidad, la altura en la que estamos ubicados así como también, medir el tiempo que estamos en movimiento, el tiempo que estamos parados, en el mismo receptor, si tiene una pantalla  y un mapa podemos ver en qué dirección nos hemos movido y que ruta tomamos, nunca nos perderíamos porque se puede ver dónde estamos, de dónde venimos y hacia donde vamos.

            En un receptor común y corriente se almacenan todos esos datos y se pueden bajar a una computadora y procesarlos con programas especiales (por lo general traen el software incluido), estos programas tienen un mapa y diversas aplicaciones para ver lo que hicimos durante todo ese tiempo que tuvimos encendido el GPS.

Diversas aplicaciones del GPS
            Las aplicaciones de GPS son muy diversas, éstas se pueden clasificar en cinco categorías: localización, navegación, rastreo, cartografía y tiempo exacto.

             En aplicaciones de localización – determinar una posición– las más empleadas son para la localización de vehículos. Dado el alto índice de robos de vehículos, algunas compañías fabricantes de automóviles y compañías aseguradoras han empezado a instalar este tipo de aparatos en lugares ocultos

dentro de los automóviles. También muchos de los taxis y camiones de carga utilizan GPS en sus vehículos para que estos sean localizados desde sus oficinas.

            La navegación – obtener una posición a partir de la anterior – es una aplicación que requiere de mucha precisión, razón por la cual las compañías de aviación utilizan GPS para guiar a las aeronaves en climas inhóspitos así como para despegar y aterrizar este tipo de vehículos.

            El rastreo también es otra aplicación muy importante, por ejemplo algunas compañías de flotillas de vehículos utilizan un programa de computadora provisto con un mapa de una ciudad o de una región, para rastrear todos sus vehículos. Algunas universidades y centros de investigación les ponen unos diminutos receptores GPS a animales en peligro de extinción o aves para conocer y estudiar sus trayectorias.

            La cartografía es otra aplicación de mucha importancia dentro de las aplicaciones de GPS, al determinar con precisión la posición de ríos, bosques, montañas, carreteras y otros puntos es posible la elaboración de mapas muy
precisos; con la ayuda de otras técnicas como la fotogrametría, topografía y planimetría es posible la elaboración de sistemas de información geográfica.

            El tiempo exacto que nos brinda el sistema GPS, es utilizado por las cadenas nacionales de televisión para sincronizar las transmisiones a nivel nacional y para sincronizar los comerciales y programas. La puesta en órbita de satélites es otra aplicación que requiere de una finísima precisión debido a que se necesita poner un satélite en una posición exacta en un tiempo exacto, y evitar así posibles colisiones.

            Las aplicaciones de tipo militar también son muy bastas, fue el principal motivo por lo que GPS se concibió. En la pasada guerra del golfo pérsico conocida como la tormenta del desierto, fue una prueba de fuego para el Departamento de Defensa de Estados Unidos para probar sus sistemas de localización.

            El sistema GPS se utiliza en la milicia para determinar la distribución adecuada de tropas en tierra, aviones, barcos, submarinos, tanques, etc., también para guiar misiles para la destrucción de objetivos. Los misiles Patriot que usaron las tropas estadounidenses para la destrucción de los misiles de Irak, es un claro ejemplo de la utilización al máximo de GPS.

            Existen muchas aplicaciones más benéficas de la utilización de este sistema de localización; con GPS es posible guiar ambulancias, bomberos, policía o grupos de rescate para que estos lleguen en cuestión de minutos al sitio donde está la emergencia. Con GPS es posible que personas invidentes puedan guiase dentro de una ciudad, apoyándose en una detallada base de datos dentro del receptor. Otras áreas de aplicación de la tecnología GPS son la agricultura, minería, arqueología, construcción, exploración, cinematografía, pesca deportiva, entre otras.