Un dispositivo de Navegación GPS

La tendencia actual, en relación a prácticamente todos los dispositivos móviles, es la de utilizar sistemas GPS, sin embargo, poco se ha dado a conocer al respecto. A fin de profundizar en este tema, responda las siguientes preguntas:  

a. ¿Cuándo y quién creó el sistema GPS? (1,5 puntos)

        El GPS fue desarrollado originalmente para ser utilizado por el ejército de los EE.UU., (Ejercito de los Estados Unidos), pero en la década de 1980 según investigación realizada fue permitió el uso para fines civiles. Aunque los datos satelitales del GPS son gratuitos y funcionan en cualquier parte del mundo, el dispositivo GPS y el software asociado se deben comprar o alquilar dependiendo el uso que quiera disponerse.

        Roger Lee Easton, Sr. (desde abril 30,1921 hasta mayo 08,2014) fue un americano científico/físico que fue el principal inventor y diseñador del sistema de posicionamiento global, narrando sucintamente parte de la historia de Roger Lee Easton:

En 1955, Easton coescribió la propuesta del Proyecto Vanguard del Laboratorio de Investigación Naval para un programa satelital de EE.UU. En competencia con otras dos propuestas, incluida una propuesta del Ejército de los EE.UU. Preparada por Wernher Von Braun. La Administración de Eisenhower seleccionó el Proyecto Vanguard.

En 1957, Easton inventó el sistema de rastreo Minitrack para determinar la órbita del satélite Vanguard. Cuando se lanzó el Sputnik I, Easton extendió el sistema para seguir activamente satélites en órbita desconocidos.

En 1959, diseñó el sistema de Vigilancia Espacial Naval (NAVSPASUR). El Sistema de Vigilancia Espacial Naval se convirtió en el primer sistema en detectar y rastrear todos los tipos de objetos que orbitan la Tierra. Atraviesa el paralelo 33, que es efectivamente de costa a costa de los Estados Unidos.

Más adelante en su carrera en NRL, Easton concibió, patentó y dirigió el desarrollo de tecnologías habilitantes esenciales para el Sistema de Posicionamiento Global (GPS) de los Estados Unidos.

Durante los años sesenta y principios de los setenta, desarrolló un sistema de navegación basado en el tiempo con rango pasivo, órbitas circulares y relojes de alta precisión en el espacio espacial colocados en satélites.

La idea se probó con cuatro satélites experimentales: TIMATION I y II (en 1967 y 1969) y los satélites de tecnología de navegación (NTS) 1 y 2 (en 1974 y 1977). NTS-2 fue el primer satélite en transmitir señales de GPS. (Mr. Roger L Easton, Sr" (PDF). Comando Espacial de la Fuerza Aérea . 28 de octubre de 2013. Archivado desde el original (PDF) el 29 de octubre de 2013- https://en.wikipedia.org/wiki/Roger_L._Easton)

Resumiendo, Roger Lee Easton, patentó y dirigió el desarrollo de tecnologías habilitantes esenciales para el Sistema de Posicionamiento Global (GPS) de los Estados Unidos, lo que a la fecha es utilizado a nivel mundial.

b. ¿Cuál es el principio de funcionamiento? Referencie algún autor para complementar su explicación (1,5 puntos).

El funcionamiento del sistema GPS se basa en el principio matemático de la triangulación. Por tanto, para calcular la posición de un punto será necesario que el receptor GPS determine con exactitud la distancia que lo separa de los satélites, con la aplicación de este principio podemos conocer el punto o lugar donde nos encontramos situados, e incluso rastrear y ubicar el origen de una transmisión por ondas de radio. El sistema GPS utiliza el mismo principio, pero en lugar de emplear círculos o líneas rectas crea esferas virtuales o imaginarias para lograr el mismo objetivo.

Desde el momento que el dispositivo receptor (GPS) detecta una señal de radiofrecuencia transmitida por un satélite desde su órbita, se genera una esfera virtual o imaginaria que envuelve al satélite. El propio satélite actuará como centro de la esfera cuya superficie se extenderá hasta el punto o lugar donde se encuentre situada la antena del receptor; por tanto, el radio de la esfera será igual a la distancia que separa al satélite del receptor. A partir de ese instante el receptor GPS medirá las distancias que lo separan como mínimo de dos satélites más. Para ello tendrá que calcular el tiempo que demora cada señal en viajar desde los satélites hasta el punto donde éste se encuentra situado y realizar los correspondientes cálculos matemáticos por ejemplo cuando tiramos una piedra al agua se generan una serie de ondas concéntricas, que se amplían a partir del punto donde ésta cae, de forma similar a como lo hacen las ondas de radiofrecuencia.

Por otra parte Luis Isidro Ramírez García (1995) explica el principio de funcionamiento del Sistema de posicionamiento Global GPS:

La disposición en el espacio de los 24 satélites garantiza que, en cualquier parte del mundo de seis a once satélites sean simultáneamente visibles, es decir, que sus señales se puedan captar por el mismo receptor durante un tiempo máximo de hasta cuatro horas y cuarto.

El proceso por el cual un receptor GPS obtiene su posición consta de unos pasos o etapas y es iterativo, es decir, que realiza de forma cíclica unos de terminados pasos, y ello, hasta que obtiene una posición que difiere poco o nada de la hallada en la anterior ejecución de esos mismos pasos. El principio de funcionamiento se basa en el hecho constatado experimentalmente, de que el receptor de GPS es capaz de obtener su posición hallando el punto de intersección de tres superficies esféricas imaginarias centradas en tres satélites, y cuyos radios son las distancias que el propio receptor calcula entre e l mismo y aquellos, además de conocer las posiciones de los satélites en el espacio. Todo esto proporciona dos posibles posiciones válidas. una de las cuales se desecha por absurda al encontrarse fuera de la superficie terrestre. Los relojes de los receptores GPS son de cesio, mientras que los de los satélites son atómicos y mucho más exactos. Este hecho produce un a diferencia en las medidas de los tiempos de unos y otros, y teniendo en cuenta que el GPS es fundamental una referencia horaria, para esta se toma la del reloj de un cuarto satélite. El cálculo de las distancias antes mencionadas se basa en el siguiente procedimiento El receptor calcula la distancia a cuatro satélites de los que «ve», El cálculo de un a cualquiera de estas distancias lo hace comparando el instante en el que recibe una señal emitida por el satélite con e l momento en el que esa señal se ha emitido de el mismo satélite. El receptor sabe ese momento porque conoce los horarios fijos de transmisión de cada satélite. El receptor, tras disponer de ese «retardo» que ha sufrido la señal emitida por el satélite desde el propio satélite a la del receptor, y utilizando la simple formula de espacio es igual a velocidad por tiempo, obtiene la distancia de marras. Realmente no obtiene la distancia exacta y ello es debido a que la velocidad real de propagación media de la se-al emitida por el satélite no es la velocidad de la luz en el vacío, tal y como supone el receptor al aplicar la formula mencionada, y por esta razón se llaman pseudodistancias. Tras el cálculo de las cuatro pseudodistancias, se ejecutan en el receptor los pasos iterativos se-alados más arriba y así obtiene su altitud, su longitud y su latitud con el mínimo error, es decir su posiciono La velocidad instantánea se obtiene mediante dos medidas de su posición en instantes consecutivos. (p.21)

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