¿Cómo funcionan los sistemas GPS?

La mayoría de las respuestas aquí, aunque correcta en principio, implican una suposición muy defectuosa; que un receptor GPS puede saber con precisión cuánto tiempo tardó en llegar una señal. Los relojes a bordo de los satélites son relojes atómicos muy precisos, gigantescos y multimillonarios. Su dispositivo de mano no lo es. Incluso un cristal de cuarzo puede perder unos 40 milisegundos por día; la luz viaja 40 millones de pies en ese tiempo. Fuente: Calidad del reloj. En otras palabras, si confió en el reloj interno de su dispositivo y lo sincronizó perfectamente una vez al día, en aproximadamente 30 minutos su dispositivo pensará que está en Chicago en lugar de Nueva York. Para las 2 de la madrugada, puede que estés en Londres. Te dan la imagen.

En cambio, el GPS supone que todos los relojes a bordo tienen relojes perfectamente sincronizados, y su dispositivo tiene un sesgo, pero el sesgo no cambiará en el transcurso de que reciba 4 señales (esto es mucho más razonable). Entonces, ahora tiene 4 incógnitas (x, y, z y polarización de reloj) y, por lo tanto, necesita 4 ecuaciones (4 señales de diferentes satélites). Wikipedia tiene más detalles sobre esto.

Como efecto secundario, una vez que haya resuelto el sesgo, también conocerá la hora con mucha precisión, hasta que su reloj se haya acelerado lo suficiente una vez más. Las compañías comerciales de alta frecuencia usan relojes disciplinados con GPS para medir el tiempo correctamente en unos pocos nanosegundos.

Nota al margen: Cada cierto tiempo, el Servicio Internacional de Rotación y Referencia de la Tierra (un grupo de físicos serios y aburridos) agrega un “segundo de salto” a nuestros relojes. El GPS no agrega estos segundos de salto, por lo que depende de un dispositivo individual agregar ese tiempo de regreso. Durante aproximadamente 4 años, el sistema operativo Android no estaba retrocediendo el tiempo, por lo que los teléfonos Android tenían aproximadamente 15 segundos de inactividad. https://code.google.com/p/android/issues/detail?id=5485

Nota del sitio n. ° 2: aunque los satélites tienen relojes atómicos, también pueden desincronizarse. Para corregir esto, el gobierno de los EE. UU. Opera 16 estaciones terrestres desde posiciones fijas. Estos rastrean los satélites, transmiten datos a un centro de control en una base de la Fuerza Aérea en Colorado, que luego recopila y “limpia” los datos, y calcula las correcciones de corrección para cada satélite. Esto luego se transmite de regreso a las estaciones terrestres, que luego transmiten las compensaciones a los satélites.

Nota al margen # 3: lo más probable es que su teléfono realmente use algo llamado A-GPS para determinar su ubicación. Básicamente, además de los satélites, el teléfono recibe asistencia de la torre celular para “bloquear” una señal más rápido. Además, si se encuentra en un cañón urbano (como Nueva York), es probable que el dispositivo no esté utilizando GPS en absoluto, lo más probable es que esté utilizando la ubicación Wifi (triangulando su posición en función de puntos de acceso público conocidos).

El GPS es solo el sistema de navegación de EE. UU., Lo que en general malinterpretamos como el único, pero el hecho es que esos dispositivos son GNSS-Global Navigation Satellite System.
El dispositivo que tiene es el segmento de usuario de un GNSS (es una combinación de GPS, GLONASS, GALILEO o el sistema de navegación de cualquier país). El segmento espacial contiene todos los satélites. A partir de hoy, EE. UU. Es líder en la industria de la navegación, mientras que otros países como Rusia, India, Japón y toda Europa están creando sus propios sistemas de navegación.
El satélite transmitirá su posición en la órbita a su dispositivo

(Esto probablemente ocurre cada media hora, pero no directamente a su dispositivo, sino a la estación terrestre que le proporciona estos datos cuando solicita la ubicación, esto se llama efemérides y almanaque, es decir, envía su ubicación y la ubicación aproximada de sus vecinos).

Requerimos un mínimo de cuatro satélites para darle una ubicación muy precisa porque hay cuatro variables involucradas: latitud, longitud, altitud y error de tiempo (los relojes atómicos son bastante costosos e incluso en caso de mal funcionamiento podemos obtener una ubicación precisa al usar esto variable).
Después de todo, es matemática fundamental, necesitas cuatro ecuaciones para resolver cuatro variables y, por lo tanto, un mínimo de cuatro satélites. Cada sistema de navegación tiene su propio tipo de datos, por lo que no todos los receptores GNSS pueden recibir e interpretar los datos del otro sistema. Algunos receptores GNSS son compatibles con GPS y GLONASS, por lo que obtenemos una ubicación más precisa.
El satélite también enviará el tiempo de envío de la señal, que luego se compara con la hora actual en su receptor y se puede calcular la distancia desde el satélite a través de la fórmula física básica:
distancia = velocidad x tiempo . Se supone que la velocidad es la velocidad de la luz en el espacio libre.
Entonces, cuando recibimos estos datos de cuatro satélites, sabemos el ángulo de la señal, así como la distancia recorrida desde los cuatro, por el principio de “trilateración” , puede obtener su distancia.
Los cálculos no son tan simples como parecen porque tiene muchos errores, como error de reloj, error multitrayecto (debido a la reflexión de varios objetos), la velocidad de la señal no es la misma que la atmósfera no es espacio libre, la troposfera contiene moléculas gaseosas. Pero estos errores aumentan el alcance a 300 m, lo cual está bien para uso civil, pero en aplicaciones militares recurrimos a GPS avanzados como DGPS y WAAS que tienen técnicas para eliminar este error.

Nota: Gracias Chris por la sugerencia.

El Sistema de Posicionamiento Global es una red de unos 30 satélites que orbitan la Tierra a una altitud de 20,000 km. El sistema fue desarrollado originalmente por el gobierno de los EE. UU. Para la navegación militar, pero ahora cualquier persona con un dispositivo GPS puede recibir las señales de radio que transmiten los satélites. Donde quiera que esté en el planeta, al menos cuatro satélites GPS son visibles en cualquier momento. Cada uno transmite información sobre su posición y la hora actual a intervalos regulares. Estas señales, que viajan a la velocidad de la luz, son interceptadas por su receptor GPS, que calcula qué tan lejos está cada satélite en función del tiempo que tardaron en llegar los mensajes.

Una vez que tiene información sobre qué tan lejos están al menos tres satélites, su receptor GPS puede determinar su ubicación mediante un proceso llamado trilateración.

GPS y relatividad

Los satélites GPS tienen relojes atómicos a bordo para mantener la hora exacta. Sin embargo, la relatividad general y especial predice que aparecerán diferencias entre estos relojes y un reloj idéntico en la Tierra. La Relatividad General predice que el tiempo parecerá correr más lento bajo una fuerza gravitacional más fuerte, los relojes a bordo de los satélites parecerán correr más rápido que un reloj en la Tierra. Además, la Relatividad Especial predice que debido a que los relojes de los satélites se mueven en relación con un reloj en la Tierra, parecerán funcionar más lentamente. Toda la red de GPS debe tener en cuenta estos efectos, prueba de que la Relatividad tiene un impacto real. rastreador de GPS

¿Cómo funciona GNSS o GPS ?

Hay cuatro elementos involucrados en un sistema GPS:

1. Satélites en el espacio,
2. Estaciones terrestres como segmento de control,
3. satélites geoestacionarios con señales de corrección y
4. El dispositivo GPS del usuario.

Cada satélite transmite señales a intervalos de tiempo específicos con su posición y la hora exacta. A partir de las señales de al menos cuatro satélites, un receptor GPS puede calcular su ubicación. Cuantas más señales de satélite se reciben, más exactamente se determina la posición del usuario. El dispositivo GPS del usuario evalúa las señales de los satélites y tiene en cuenta las señales de corrección de, por ejemplo, EGNOS. Para esto, un dispositivo requiere una antena, un reloj de cuarzo, algo de memoria y un procesador para la aritmética.

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Leer relojes GPS:

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Hoy en día, los receptores GPS están instalados en casi todos los teléfonos inteligentes. Estos receptores estándar proporcionan precisiones de ubicación de aproximadamente 5 – 15 m, que son típicas para muchas aplicaciones comunes, por ejemplo, la navegación es suficiente. Sin embargo, muchos requisitos profesionales requieren datos confiables en el rango del medidor, submedidor o incluso cm. Además, la detección exacta de altitud es a menudo un requisito importante. Aquí se complica, porque la precisión es una cantidad muy sensible que está influenciada por una variedad de factores.

CÓMO FUNCIONA REALMENTE

El sistema de posicionamiento global (GPS) es en realidad una constelación de 27 satélites alimentados por energía solar que orbitan la tierra (24 operativos y 3 adicionales en caso de que uno falle). El ejército de los Estados Unidos desarrolló e implementó esta red satelital como un sistema de navegación militar y pronto la abrió y la puso a disposición del público en general.

Cada uno de estos círculos con energía solar gira alrededor del mundo a aproximadamente 19,000 km / h (12,000 millas / h) haciendo dos revoluciones completas todos los días. Las órbitas están estratégicamente diseñadas para que en cualquier momento en particular, haya cuatro satélites en comunicación directa con cualquier punto en el suelo.

Un receptor GPS (como el de su teléfono, computadora portátil y automóvil) localiza cuatro o más de estos satélites y utiliza el principio matemático de trilateración para determinar su ubicación y, a partir de eso, use un algoritmo especial para calcular otra información como:

• Velocidad
• Cojinete
• Pista
• Distancia de viaje
• Distancia del destino
• Hora de amanecer y atardecer
• Etc …
• GPS Y RELATIVIDAD

El Sistema de Posicionamiento Global (GPS) utiliza relojes atómicos precisos y estables en los satélites y en el suelo para proporcionar la posición mundial y la determinación del tiempo. Estos relojes tienen cambios de frecuencia gravitacionales y de movimiento que son tan grandes que, sin tener en cuenta cuidadosamente los numerosos efectos relativistas, el sistema no funcionaría.

Estos efectos incluyen cambios de frecuencia Doppler de primer y segundo orden de los relojes debido a su movimiento relativo, cambios de frecuencia gravitacionales y el efecto Sagnac debido a la rotación de la tierra. Si dichos efectos no se tienen en cuenta adecuadamente, se producirán errores inaceptablemente grandes en la navegación GPS y la transferencia de tiempo.

En un mundo relativista, las cosas no son simples. Los relojes satelitales se mueven a 14,000 km / h en órbitas que rodean la Tierra dos veces al día, mucho más rápido que los relojes en la superficie de la Tierra, y la teoría de la relatividad especial de Einstein dice que los relojes que se mueven rápidamente avanzan más lentamente, aproximadamente siete microsegundos (millonésimas de segundo) por día.

Además, los relojes en órbita están a 20,000 km sobre la Tierra, y experimentan una gravedad cuatro veces más débil que la del suelo. La teoría general de la relatividad de Einstein dice que la gravedad curva el espacio y el tiempo, lo que provoca una tendencia a que los relojes orbitales se muevan un poco más rápido, en aproximadamente 45 microsegundos por día. El resultado neto es que el tiempo en un reloj satelital GPS avanza más rápido que un reloj en tierra en aproximadamente 38 microsegundos por día.

Para determinar su ubicación, el receptor GPS utiliza el tiempo en el que se emitió cada señal de un satélite, según lo determinado por el reloj atómico a bordo y codificado en la señal, junto con la velocidad de la luz, para calcular la distancia entre sí mismo y los satélites con los que se comunicaba. La órbita de cada satélite se conoce con precisión. Dados suficientes satélites, es un problema simple en la geometría euclidiana para calcular la ubicación precisa del receptor, tanto en el espacio como en el tiempo. Para lograr una precisión de navegación de 15 metros, el tiempo en todo el sistema GPS debe conocerse con una precisión de 50 nanosegundos, que simplemente corresponde al tiempo requerido para que la luz viaje 15 metros.

¡Pero a 38 microsegundos por día, el desplazamiento relativista en las tasas de los relojes satelitales es tan grande que, si no se compensa, causaría errores de navegación que se acumularían más rápido que 10 km por día! El GPS tiene en cuenta la relatividad ajustando electrónicamente las velocidades de los relojes satelitales y construyendo correcciones matemáticas en los chips de la computadora que resuelven la ubicación del usuario. Sin la aplicación adecuada de la relatividad, el GPS fallaría en sus funciones de navegación en aproximadamente 2 minutos.

Entonces, la próxima vez que su avión se acerque a un aeropuerto con mal tiempo y se pregunte “¿de qué sirve la física básica?”, Piense en Einstein y el rastreador GPS en la cabina, ayudando a los pilotos a guiarlo hacia un aterrizaje seguro.

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¿Cómo funciona un receptor GPS?

Como la pregunta se ha planteado de manera muy general, también mantendré mi respuesta en general.

El GPS es uno de los cuatro sistemas mundiales de navegación por satélite (es el más utilizado en Occidente). Son ecosistemas increíblemente complejos con una amplia gama de tecnologías sorprendentes. Pero, en esencia, los receptores recogen señales de un satélite y calculan una ubicación.

El receptor tiene una antena para recibir las transmisiones débiles de los satélites que orbitan arriba. [1] Estos son el equivalente de una bombilla brillante (50–500W) que brilla en aproximadamente el 40% de la superficie de la tierra desde más de 20,000 km de distancia. Muy débil!

Sintoniza entre 4 y 8 de estos y escucha los datos que se transmiten. Cada satélite envía información sobre su posición exacta en el espacio. Algunos dispositivos pueden descargar estos datos (Efemérides) desde un servidor para que no tengan que esperar la transmisión (es lenta y débil). Lamentablemente, aunque las órbitas se tambalean mucho, los datos de Efemérides tienen una corta vida útil de unos pocos días si desea resultados precisos.

Si el receptor ha elegido las señales más fuertes y sabe de dónde provienen, puede compararlas. Esto usa algunos cálculos realmente hambrientos de poder para comparar los patrones en las señales y resolver con asombrosa precisión las diferencias en el tiempo que ha tomado para que esas señales lleguen desde los satélites al receptor. Si sabes el tiempo que tomó y la velocidad de la luz (c), entonces sabes exactamente qué tan justo eres de cada uno de los satélites.

Una vez que el receptor tiene su distancia de al menos 4 satélites, puede hacer los cálculos para averiguar dónde está. (Si tiene 3 y sabe que no está en el espacio, podría obtener una solución, pero en realidad no es lo suficientemente precisa).

Después de obtener una solución inicial para su ubicación, el receptor sigue monitoreando las señales y actualizando las posiciones del satélite (se mueven muy rápido) para que a su vez pueda actualizar su propia ubicación.

Los receptores de antena única pequeños pueden obtener una precisión de +/- 10 m con un cielo despejado y señales fuertes de 4 o más satélites. Luego pueden mejorar eso utilizando datos de otros sensores y algún conocimiento del sistema en el que se encuentran. Por ejemplo, un reloj en funcionamiento necesitará compensar la gran cantidad de movimiento del brazo, pero puede asumir que no viaja mucho más rápido que Usain Bolt. Un GPS en el automóvil puede usar la correspondencia de mapas y asumir que no está conduciendo a través de edificios a gran velocidad.

(Correcciones y notas apreciadas)

Notas al pie

[1] Sistema de posicionamiento global – Wikipedia