How GPS Works 🛰️ What is GPS

VirtualBrain [ENG]

19 Apr 202309:23

Summary

TLDREl sistema GPS es una tecnología de navegación satelital que utiliza señales para calcular la ubicación en la Tierra con una precisión de 4.9 metros. Funciona mediante trilateración, requiriendo al menos cuatro satélites para determinar con exactitud una posición en tres dimensiones. Además de los 24 satélites necesarios para cubrir el planeta, hay más para robustez y redundancia. Los retos incluyen la sincronización de relojes, la desviación de señales por la atmósfera y la precisión de los instrumentos, resueltos con tecnología de relojes atómicos y modelos matemáticos.

Takeaways

🌐 GPS es un sistema de navegación por satélite que permite a dispositivos como teléfonos móviles calcular su ubicación con una precisión de hasta 4.9 metros.
📡 Los satélites GPS se mueven a velocidades de 14,000 kilómetros por hora y las señales enviadas viajan a aproximadamente la velocidad de la luz, lo que requiere un alto grado de sincronización para evitar errores en la ubicación.
📱 La tecnología GPS fue desarrollada por el Departamento de Defensa de EE. UU. y forma parte de un conjunto más amplio conocido como Sistemas de Navegación por Satélite Global (GNSS), que incluye sistemas similares de Rusia, la Unión Europea, India y China.
🔢 El funcionamiento básico del GPS se basa en la trilateración, un método matemático que utiliza la geometría para determinar las posiciones relativas de objetos.
📍 Para calcular la ubicación precisa de un dispositivo, se requiere la señal de al menos cuatro satélites GPS, lo que permite determinar la ubicación tridimensional del receptor.
🌍 El sistema de coordenadas utilizado por el GPS es el Sistema Geodésico Mundial de 1984 (WGS 84), que se centra en la masa central de la Tierra y se alinea con el Polo Norte y el Meridiano de Greenwich.
🛰 Hoy en día, hay 31 satélites operativos para garantizar que los receptores en la Tierra tengan siempre una visibilidad de al menos cuatro satélites, independientemente de su ubicación.
⏲ La precisión del tiempo es crucial para calcular la distancia entre el satélite y el receptor, ya que incluso una diferencia de un microsegundo puede generar un error de hasta 300 metros en la ubicación.
⚙️ Los relojes atómicos de alta resolución son utilizados en los satélites para minimizar los errores de tiempo, y se ajustan constantemente para compensar los efectos de la relatividad y otros factores.
🌁 Los efectos de la atmósfera, como la refracción de las señales, también afectan la precisión del GPS y se corrigen mediante modelos matemáticos que predecen estas perturbaciones.
🤖 Los teléfonos móviles no tienen relojes atómicos, pero el GPS utiliza técnicas matemáticas para estimar el error en el tiempo de llegada de las señales y calcular la ubicación del dispositivo.

Q & A

¿Qué es el GPS y cómo funciona?
-El GPS, o Sistema de Posicionamiento Global, es una técnica de navegación por radio basada en satélites que envían datos a la Tierra. Un dispositivo, como un teléfono móvil, puede recibir esta información y, utilizando geometría, calcular su ubicación con una precisión de 4.9 metros.
¿Por qué se menciona que el GPS es solo una parte de un sistema más amplio llamado GNSS?
-El término GPS se refiere específicamente al conjunto de satélites gestionados por el Departamento de Defensa de EE. UU. Sin embargo, el nombre genérico para esta tecnología es GNSS (Global Navigation Satellite System), que incluye otros sistemas similares como GLONASS de Rusia, Galileo de la Unión Europea, NAVIC de India y BeiDou de China.
¿Qué es la trilateración y cómo se relaciona con el funcionamiento del GPS?
-La trilateración es un método matemático para determinar las posiciones relativas de objetos usando geometría. Con el GPS, si conocemos la posición de un satélite y la distancia a un teléfono móvil, podemos usar esta información para calcular la ubicación del teléfono en un plano.
¿Por qué se necesitan al menos cuatro satélites para determinar la ubicación exacta de un receptor con GPS?
-Con un satélite, hay múltiples posibles ubicaciones para el receptor. Con dos satélites, las posibles ubicaciones se reducen a los puntos de intersección de dos circunferencias. Con tres satélites, hay dos puntos posibles en el espacio. Añadiendo un cuarto satélite, se elimina la incertidumbre y se determina la ubicación exacta.
¿Qué es el Sistema Geodésico Mundial de 1984 (WGS 84) y cómo se relaciona con el GPS?
-El WGS 84 es el sistema de coordenadas utilizado por el GPS. Define el origen del sistema de coordenadas en el centro de masa de la Tierra y establece las direcciones de los ejes X, Y y Z para determinar la ubicación de cualquier punto en el planeta.
¿Cuál es la razón principal de tener 31 satélites operativos si solo se necesitan cuatro para determinar una ubicación?
-Hay dos razones principales: asegurar que el sistema funcione globalmente y mejorar la robustez de la información. Al tener al menos 24 satélites en órbita, se garantiza que cada receptor tenga al menos cuatro satélites visibles en cualquier lugar y momento, y un número mayor de satélites permite tener información adicional en caso de errores.
¿Cómo se calcula la distancia entre un satélite y un receptor si el信号 viaja a la velocidad de la luz?
-Se mide el tiempo de viaje del signal y se multiplica por la velocidad de la luz (aproximadamente 300,000 kilómetros por segundo). Esto permite calcular la distancia con una precisión que depende de la resolución del reloj que mide el tiempo.
¿Qué es la desincronización de relojes y cómo afecta la precisión del GPS?
-La desincronización de relojes se refiere a las diferencias en el tiempo medido por dos relojes debido a la relatividad de la gravedad y la velocidad. Esto puede causar errores en la medición de la distancia entre el satélite y el receptor. Sin embargo, estos errores se pueden predecir y corregir usando la teoría de la relatividad de Einstein.
¿Cómo se maneja el efecto de las capas atmosféricas en los signales GPS?
-Los signales GPS atraviesan varias capas de la atmósfera, lo que puede causar desviaciones y cambios en la velocidad de propagación. Para solucionar esto, se usan modelos matemáticos que predecen estas desviaciones y aplican correcciones necesarias en los cálculos de la ubicación.
Si los teléfonos móviles no tienen un reloj de átomo, ¿cómo pueden calcular el tiempo de viaje de los signales GPS?
-Los teléfonos móviles asumen que hay un error en el tiempo de llegada de los signales debido a su precisión limitada. Utilizan técnicas matemáticas, como el método de mínimos cuadrados, para estimar este error y determinar los valores de las coordenadas espaciales y el error temporal.

Outlines

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📡 Funcionamiento del GPS y su importancia estratégica

El GPS es un sistema de navegación por satélite que permite a dispositivos como teléfonos móviles calcular su ubicación con una precisión de 4.9 metros. Aunque parece sencillo, implica factores complejos como la alta velocidad de los satélites (14,000 km/h) y la sincronización de señales a la velocidad de la luz. Un error de un microsegundo podría causar un desplazamiento de 300 metros en la ubicación. Además, se explica que GPS es una tecnología desarrollada por el Departamento de Defensa de EE. UU., pero el término genérico es GNSS, que incluye otros sistemas como GLONASS, Galileo, NAVIC y BeiDou. La clave del funcionamiento del GPS es la trilateración, un método matemático que determina las posiciones relativas de objetos usando geometría. Se requiere de al menos cuatro satélites para determinar la ubicación de un receptor en tres dimensiones, y el sistema GPS se basa en el Sistema Geodésico Mundial de 1984 (WGS 84).

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🕰️ Desafíos técnicos del GPS: sincronización y refracción

Para calcular la distancia entre un satélite y un receptor, se mide el tiempo de viaje de una señal electromagnética a la velocidad de la luz. Sin embargo, esto requiere de un alto nivel de precisión en los instrumentos, ya que una diferencia de un microsegundo implicaría un error de 300 metros. Los relojes atómicos de alta resolución son utilizados para minimizar estos errores. Otro desafío es la desincronización de los relojes debido a la relatividad del tiempo, que puede causar diferencias significativas en la medición del tiempo tras un día. Afortunadamente, estos efectos pueden ser predichos y corregidos. La atmósfera también afecta la señal, causando refracción y cambios en la velocidad de propagación que alteran el tiempo de viaje. Para solucionar esto, se utilizan modelos matemáticos que predice estas retrasos. Finalmente, se menciona que los teléfonos no tienen relojes atómicos y, por lo tanto, deben estimar el error en el tiempo de llegada de las señales, lo que se resuelve usando técnicas matemáticas de mínimos cuadrados para determinar cuatro incógnitas: las tres coordenadas espaciales y el error temporal.

Mindmap

Keywords

💡GPS

GPS es un sistema de navegación por satélite que permite determinar la ubicación de un objeto en la Tierra con una alta precisión. En el vídeo, se explica que GPS fue desarrollado por el Departamento de Defensa de los Estados Unidos y que hoy en día forma parte de un conjunto más amplio de sistemas conocido como GNSS (Global Navigation Satellite System). El GPS es fundamental para entender cómo funciona el tema central del vídeo: la determinación de la ubicación geográfica mediante señales satelitales.

💡Satélite

Un satélite es un objeto artificial que orbita alrededor de una masa más grande, como la Tierra. En el contexto del vídeo, los satélites son esenciales para el funcionamiento del GPS, ya que envían señales que permiten a los dispositivos terrenales calcular su posición. Se menciona que los satélites del GPS viajan a velocidades de 14,000 kilómetros por hora.

💡Trilateración

La trilateración es un método matemático utilizado para determinar la ubicación de un objeto en el espacio a partir de la distancia conocida a tres puntos de referencia. En el vídeo, la trilateración se describe como el concepto clave detrás del funcionamiento del GPS, permitiendo a los dispositivos calcular su posición a partir de la señal de múltiples satélites.

💡Precisión

La precisión hace referencia a la exactitud con la que se puede medir o determinar algo. En el vídeo, se destaca que el GPS puede calcular la ubicación con una precisión de 4.9 metros, pero también se discute cómo pequeños errores en la sincronización de las señales pueden generar desviaciones significativas en la ubicación calculada.

💡Velocidad de la luz

La velocidad de la luz es la velocidad a la que viajan las ondas electromagnéticas en el vacío, aproximadamente 300,000 kilómetros por segundo. En el vídeo, se menciona que la velocidad de la luz es crucial para calcular la distancia entre el satélite y el receptor, ya que el tiempo de viaje de la señal es medido en microsegundos, y cualquier error en esta medición puede afectar la precisión de la ubicación.

💡Receptor

Un receptor es un dispositivo que capta señales, como las ondas de radio. En el vídeo, el receptor se refiere a los dispositivos terrenales, como teléfonos móviles, que capturan las señales del GPS para calcular su ubicación. Se destaca la importancia de que estos receptores tengan una visibilidad de al menos cuatro satélites para funcionar correctamente.

💡Sistema de coordenadas

Un sistema de coordenadas es una forma de describir la ubicación de un punto en el espacio. En el vídeo, se menciona el Sistema Geodésico Mundial de 1984 (WGS 84), que es el sistema de coordenadas utilizado por el GPS para determinar la ubicación de cualquier punto en la Tierra.

💡Atmosférica

La atmósfera es la capa de gases que rodea la Tierra y que puede afectar la propagación de las señales. En el vídeo, se discute cómo la atmósfera puede causar la refracción de las señales satelitales, lo que afecta el tiempo de viaje de las señales y, por tanto, la precisión de la ubicación calculada.

💡Relatividad del tiempo

La relatividad del tiempo es un concepto de la física que sugiere que el tiempo puede fluir a velocidades diferentes dependiendo de la velocidad y la gravedad. En el vídeo, se menciona cómo la relatividad del tiempo puede causar diferencias en la sincronización de los relojes entre el satélite y el receptor, lo que requiere ajustes electrónicos para mantener la precisión del GPS.

💡Cuórbita

La cuórbita es la trayectoria que sigue un objeto en el espacio a medida que orbita alrededor de otro objeto más masivo. En el vídeo, se menciona que los satélites del GPS están en cuórbitas que les permiten cubrir la Tierra entera, asegurando que haya suficientes satélites visibles desde cualquier punto de la superficie terrestre.

💡Antena

Una antena es un dispositivo que se utiliza para transmitir o recibir ondas electromagnéticas. Aunque no se menciona directamente en el vídeo, el concepto de antena es implícito en la discusión sobre cómo los receptores capturan las señales del GPS. Las antenas juegan un papel crucial en la recepción de señales satelitales y, por lo tanto, en el funcionamiento del GPS.

Highlights

GPS es un sistema de navegación por satélite que utiliza señales para calcular la ubicación de un dispositivo en la Tierra con una precisión de 4.9 metros.

Los satélites de GPS se mueven a velocidades de 14,000 kilómetros por hora, y una sincronización incorrecta de un microsegundo podría generar un error de hasta 300 metros.

El GPS fue desarrollado por el Departamento de Defensa de los Estados Unidos y solo se refiere al conjunto de satélites que ellos manejan.

El nombre genérico para esta tecnología es GNSS (Global Navigation Satellite System), y existen sistemas similares como GLONASS, Galileo, NAVIC y BeiDou.

El principio clave detrás del funcionamiento del GPS es la trilateración, un método matemático para determinar las posiciones relativas de objetos usando geometría.

Con un solo satélite, hay infinitas posibles ubicaciones para un teléfono móvil, todas ellas en una circunferencia.

Con dos satélites, las posibles ubicaciones del teléfono se reducen a los puntos donde las circunferencias se intersectan, dando dos posibles ubicaciones.

Para estar seguros de la ubicación del teléfono, se añade un tercer satélite, y la ubicación se determina en el punto donde las tres circunferencias se encuentran.

La WGS 84 (World Geodetic System 1984) es el sistema de coordenadas utilizado por GPS, con el origen en el centro de masa de la Tierra y ejes definidos por el polo y el meridiano de Greenwich.

Hay 31 satélites operativos para garantizar que cada receptor tenga al menos cuatro satélites visibles en todo momento, independientemente de su ubicación.

El número de satélites también aumenta la robustez del sistema, proporcionando más información que sea necesaria en caso de pérdida de satélite o errores en las señales.

El cálculo de la distancia entre el satélite y el receptor se realiza mediante la medición del tiempo de viaje de una señal electromagnética a la velocidad de la luz.

Los relojes atómicos con resolución de nanosegundos se utilizan para minimizar los errores en la medición del tiempo de señal.

La desincronización de los relojes debido a la teoría de la relatividad de Einstein se corrige mediante ajustes electrónicos basados en la predicción de la desincronización.

El efecto de las capas atmosféricas en la señal se corrige mediante modelos matemáticos que predice los retrasos y consideran las correcciones necesarias.

Los teléfonos móviles no tienen relojes atómicos, por lo que se utiliza matemática para estimar el error en el tiempo de llegada de las señales de todos los satélites.

La técnica de mínimos cuadrados se utiliza para encontrar los valores de los cuatro incógnitas: las tres coordenadas espaciales y el error temporal.