La historia del GPS demuestra cómo una investigación básica hizo posible en primer lugar el desarrollo de una tecnología de defensa vital y posteriormente una gran variedad de aplicaciones comerciales. Existen muchos otros avances tecnológicos que han contribuido al desarrollo del GPS, entre los que podemos mencionar las tecnologías de control y lanzamiento de satélites, los dispositivos de estado sólido, los microchips, los circuitos de correlación, la tecnología de diferencia de tiempo de llegada, la tecnología de microondas y la radionavegación. Este relato se centra en cómo la búsqueda del conocimiento de la naturaleza del mundo atómico, concretamente, en la creación de relojes atómicos para estudiar las teorías de Einstein y la relatividad, condujo a la creación de relojes de gran precisión, y cómo dichos relojes se pusieron en funcionamiento posteriormente junto con la tecnología de seguimiento de satélites para satisfacer el deseo humano básico de saber dónde estamos y adónde vamos.

Durante siglos, la única forma de orientarse era observar la posición del sol y las estrellas y realizar una estimación. Incluso después del desarrollo de los relojes modernos, que permitían averiguar la longitud, los instrumentos más precisos podían obtener una posición con una exactitud de varias millas solamente. Sin embargo, en el momento en que la Unión Soviética lanzó el Sputnik el 4 de octubre de 1957, se supo que era posible utilizar esta "estrella artificial" como una herramienta de navegación. La noche siguiente, los investigadores del laboratorio Lincoln del Instituto tecnológico de Massachusetts (MIT) pudieron determinar con precisión la órbita del satélite, al observar cómo la frecuencia aparente de la señal de radio aumentaba al acercarse y disminuía al alejarse, efecto que se conoce como efecto Doppler. Al probar que es posible determinar con precisión la órbita de un satélite desde la tierra, se dio el primer paso para establecer la posibilidad de determinar las posiciones en la tierra mediante la localización de señales emitidas por satélites.

Durante los años siguientes, la marina estadounidense realizó experimentos con una serie de sistemas de navegación por satélite, que comenzó en 1965 con el sistema Transit, desarrollado para satisfacer las necesidades de navegación de los submarinos que transportaban misiles nucleares Polaris. Estos submarinos debían permanecer ocultos y sumergidos durante varios meses, pero el sistema de navegación basada en giroscopio, conocido como navegación inercial, no podría mantener su precisión durante períodos tan largos. El sistema Transit estaba formado por media docena de satélites que girarían alrededor de la tierra continuamente en órbitas polares. Al analizar las señales de radio transmitidas por los satélites; es decir, al medir el efecto Doppler de las señales, un submarino podía determinar su ubicación con precisión en un período de 10 ó 15 minutos. En 1973, el Departamento de defensa intentaba descubrir un método infalible para la navegación por satélite. Durante una reunión para poner ideas en común realizada el fin de semana del día del Trabajo en el Pentágono, se desarrolló el concepto de GPS, basado en la experiencia del departamento con todos los satélites anteriores. Los componentes esenciales del GPS son los 24 satélites Navstar fabricados por Rockwell International. Cada uno de estos satélites tiene el tamaño de un vehículo de gran tamaño y pesa alrededor de 1.900 libras (900 kilogramos). Todos los satélites giran alrededor de la tierra cada 12 horas en una formación tal que cada punto del planeta siempre se encontrará en contacto por radio con 4 satélites como mínimo. El primer satélite GPS en funcionamiento se lanzó en 1978 y el sistema alcanzó su capacidad completa de 24 satélites en 1993.

Veinticuatro satélites Navstar, del tamaño de un automóvil y unas 1.900 libras (900 kilos) de peso, giran alrededor de la tierra en órbitas de 18.000 kilómetros de altura. El sistema de satélites, construido por Rockwell International y operado por la Fuerza Aérea estadounidense, se completó en 1993, 20 años después de ser concebido en el Pentágono. (Lockheed Martin Astro Space)

Si consideramos lo extremadamente sofisticada que es la tecnología, el principio de funcionamiento del GPS resulta extraordinariamente simple. Cada uno de los satélites transmite de forma continua una señal de radio digital que incluye su propia posición y la hora, con una precisión de un nanosegundos. Un receptor de GPS capta esta información, procedente de cuatro satélites, y la utiliza para calcular su posición en el planeta con una precisión de metros. El receptor compara su hora y la hora que ha enviado el satélite y utiliza la diferencia entre ambas horas para calcular su distancia con respecto al satélite. (La luz viaja a una velocidad de 300.000 kilómetros por segundo: si, por ejemplo, la hora del satélite es una centésima de segundo anterior a la hora del receptor GPS, los cálculos del receptor indicarán que se encuentra a 300 kilómetros del satélite.) Al contrastar su hora con la de tres satélites de posiciones conocidas, el receptor podrá ubicar con exactitud su longitud, latitud y altitud.

Para emplear el método descrito anteriormente es necesario que tanto los satélites como el receptor dispongan de relojes de gran precisión. Sin embargo, el hecho de que el receptor capte la señal de un cuarto satélite, le permite conseguirlo con un reloj de cuarzo relativamente simple, como el que se utiliza en la mayoría de los relojes de pulsera. Una vez que el receptor ha contactado con cuatro satélites, el sistema toma el control y computa su posición de forma casi instantánea.

Para que el sistema funcione, es necesario que el receptor sepa la posición exacta de los satélites y que éstos puedan mantener la hora con una precisión extraordinaria y fiable. Dicha precisión se consigue mediante la incorporación de cuatro relojes atómicos en cada satélite, estos relojes constituyen los dispositivos para medir el tiempo más precisos jamás construidos. La fiabilidad se consigue mediante las órbitas de 18.000 kilómetros de altura de los satélites, que los aleja de la atmósfera y los mantiene en movimiento a lo largo de trayectorias muy previsibles. El Departamento de defensa realiza un seguimiento de los satélites según sobrevuelan dos veces al día y realiza una medición precisa de su velocidad, posición y altitud. Esta información se vuelve a enviar a los satélites y éstos la transmiten junto con sus señales de tiempo.

The National Academies

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