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¿Cómo funciona la navegación por satélite?

¿Cómo funciona la navegación por satélite?

En el mundo moderno de hoy, ningún lugar puede ser llamado realmente desconocido. Incluso mientras viaja en otro país, puede caminar con confianza. Esta confianza es obviamente alimentada por los teléfonos inteligentes que tenemos en nuestros bolsillos. Este no era el caso antes de principios de la década de 2000, cuando los sistemas de navegación por satélite seguían estando controlados y eran propiedad exclusiva de los gobiernos y ejércitos. La pregunta es, ¿cómo es que una tecnología tan codiciada se convirtió en una bendición útil para las masas? Antes de llegar a esa respuesta, echemos un vistazo al funcionamiento interno de la navegación por satélite.

La función del sistema de navegación por satélite

El sistema de navegación por satélite se compone de una red mundial de satélites que transmiten y reciben señales de radio. El número exacto de satélites que componen esta red mundial es de 32. Hay dos divisiones principales en el esquema internacional de satélites. Uno de ellos es el GPS, que fue desarrollado y actualmente funciona en los Estados Unidos. Los rusos también desarrollaron algo similar al GPS conocido como el GLONASS. Ambos han ofrecido el libre uso de sus sistemas a la comunidad internacional.

Los sistemas GPS actuales ofrecen a los usuarios una precisión de 7,8 metros a partir de una ubicación objetivo cercana al 95% del tiempo. Esta precisión está garantizada para todos los lugares en y cerca de la tierra. Para llevar a cabo esta ardua tarea, los 32 satélites emiten señales a los receptores (que pueden ser su smartphone o su tableta de navegación GPS) para determinar su ubicación. La diferencia entre el tiempo que tarda el satélite en emitir la señal y el tiempo que tarda en recibir una señal del receptor se calcula con precisión y se utiliza para determinar exactamente dónde se encuentra el receptor.

Los satélites GPS tienen a bordo relojes atómicos que son increíblemente precisos. La información horaria se coloca en los códigos emitidos por el satélite, lo que permite a los receptores determinar continuamente la hora de transmisión de la señal. Esta señal también se conoce como señal de marca de tiempo. La señal de fecha y hora es una señal que un receptor utiliza para calcular la ubicación de los satélites. Esto también se utiliza para hacer correcciones en los cálculos, que pueden ocurrir debido al cambio constante en la posición del satélite. Además, utilizando la señal de fecha y hora para calcular el receptor se puede calcular el alcance de los satélites. Por el contrario, al poder estimar estos parámetros, el receptor puede calcular su propia posición tridimensional. Esta es la base del funcionamiento de un sistema de navegación por satélite.

Tratamiento de errores

Ahora bien, sabemos que cualquier sistema que realice un trabajo es propenso a cometer algún tipo de error. Hay muchos factores que pueden contribuir a este nivel de error, pero veremos algunos de los errores que se intensifican con bastante rapidez. El primer error que se produce en la navegación por satélite se debe a la ionosfera. La ionosfera se extiende desde 60 km hasta 2000 km sobre el nivel del mar. La razón por la que esta región desempeña un papel importante en el error potencial es que tiene un número apreciable de electrones libres. Estos electrones libres tienen un efecto notable sobre las ondas electromagnéticas que pasan entre el satélite y los receptores. El error debido a la ionosfera es mucho menor cuando los satélites están directamente sobre la superficie que cuando están cerca del horizonte. Esto se debe a que, cerca del horizonte, el número de capas de la ionosfera aumenta entre el satélite y el receptor.

Los siguientes errores que generalmente ocurren son errores en el tiempo. Incluso errores muy pequeños en el tiempo pueden causar complicaciones mayores. Un lapso de tiempo de 1 nanosegundo de los relojes atómicos a bordo del satélite causará una diferencia de 1 pie o 30 cm en el receptor. Para un sistema global que constituye la base de gran parte de nuestra tecnología actual, tales errores no son aceptables.

La siguiente manera en que el tiempo tiene un efecto, aunque no de manera tan intuitiva, es a través de las infames teorías de Einstein. La teoría especial de la relatividad argumenta que los relojes atómicos son más lentos que los relojes que permanecen inmóviles en el suelo. Esto se debe a que el tiempo se vuelve más lento a medida que uno se mueve más rápido (a medida que la velocidad tiende hacia la velocidad de la luz). Aunque los relojes atómicos a bordo del satélite no se acercan en absoluto a la velocidad de la luz, su velocidad relativa con respecto a los relojes estacionarios de la Tierra les hace experimentar la hora un poco más lenta que la hora experimentada por los relojes de la Tierra. Aquí es donde se pone en marcha la teoría general de la relatividad, afirmando que el reloj que está más cerca de un objeto masivo se moverá más rápido que un reloj que está lejos. El tiempo de retardo es significativamente mayor en unos 21,9 microsegundos por día.

Combinando ambos, se estima que hay un retardo aproximado de 38 microsegundos. Si este error no se contabilizara, se produciría un error de pseudo-rango de 10 km diarios que inutilizaría todo el sistema desde el principio. La corrección para esto es una solución bastante simple. Es "fijo" bajando la frecuencia del reloj atómico a bordo del satélite de 10,23 MHz a 10,229999999543 MHz exactamente, lo que anula los efectos de la relatividad.

Por lo tanto, ¡la próxima vez que utilice su GPS o dispositivo dependiente de GPS, usted puede apreciar la cantidad de matemáticas e ingeniería que se ha invertido en ello para hacer la vida más simple y reducir sus posibilidades de perderse cada vez que sale de su casa!

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Creado por SuperredTV el 10/5/2018.