Los Sistemas de Posicionamiento (Clase 70)

Viene de: Código Morse, Código Q y Llamadas de seguridad (Capitulo 69)

Tanto aquellos primitivos sistemas de posicionamiento, al igual que los modernos dispositivos satelitales (GPS), utilizan para su funcionamiento el principio matemático de la triangulación. Dicho principio establece que, conociendo la distancia que separa a una embarcación de tres puntos de situación conocida, se puede determinar con precisión la posición de dicha embarcación. Para ello, solo bastará con trazar tres circunferencias, con centro en cada uno de los puntos y cuyos radios se correspondan con las respectivas distancias. Cada circunferencia representará a todos aquellos observadores que se encuentran a la misma distancia de cada uno de los puntos. De la intersección de las tres circunferencias resultará la posición del barco en cuestión. Para ejemplificarlo, supongamos encontrarnos situados en una posición desconocida a una distancia de 8 millas náuticas del punto “A”, 10 millas náuticas del punto “B” y a 14 millas náuticas del punto “C”, los tres de situación conocida. Trazando las respectivas circunferencias a cada uno de los puntos, con radio igual a cada una de las distancias, el resultado será como el que se aprecia en la figura 188.

Si contamos con un dispositivo capaz de calcular por sí mismo la distancia que nos separa de “A“, “B“ y “C“, entonces sí sería posible ubicar nuestra posición. Es en ese principio en el que se basa, precisamente, el funcionamiento de los receptores GPS.

Global Positioning System

El Sistema de Posicionamiento Global, por todos conocido como GPS (Global Positioning System) que, como dijimos anteriormente, basa su funcionamiento en el principio de la triangulación, consta de tres partes bien definidas: los satélites, el equipo receptor y el control terrestre.

El sistema se compone de 24 satélites que recorren su órbita a razón de dos vueltas cada 24 horas. distribuidos en seis órbitas polares diferentes, situadas a poco más de 20.000 kilómetros de la Tierra.

Cada uno de dichos satélites mide aproximadamente 5 metros de largo y tiene un peso cercano a los 900 kilogramos. Los satélites se alimentan de dos paneles solares que generan la energía necesaria para su funcionamiento, y se encuentran equipados con un potente transmisor de señales codificadas de alta frecuencia, un moderno sistema de computación y un reloj atómico indispensable para su funcionamiento.

La posición que ocupan los satélites en cada una de sus órbitas hace que cada receptor pueda recibir en forma permanente al menos 6 de ellos, sea cual fuere la posición en la que se encuentre. La precisión en la localización será mayor cuanto mayor sea la cantidad de señales que recepcione.

A su vez, cada receptor detecta y decodifica las señales emitidas por los satélites para determinar las coordenadas geográficas en las que se encuentra.

Como dijimos anteriormente, una parte importante del sistema es el control terrestre. El mismo se ocupa del monitoreo y control de los satélites que conforman el sistema y se lleva a cabo desde diferentes estaciones terrestres situadas alrededor del mundo, que rastrean cada trayectoria orbital e introducen las correcciones necesarias a las señales de radio que transmiten hacia la Tierra. Dichas correcciones mejoran la exactitud del funcionamiento y la precisión del sistema.

Principio de funcionamiento

El principio básico de funcionamiento de cualquier receptor de GPS, se basa en la determinación de la distancia a la que el equipo se encuentra de cada uno de los satélites. De esta manera, el receptor está en condiciones de trazar una circunferencia en la Tierra, que contiene a todos los observadores que se encontrarán a la misma distancia del satélite en cuestión (línea de posición). (Fig. 189)

A partir de lo visto anteriormente y por el principio de la triangulación (Fig. 190), una vez detectados tres satélites, el receptor generará 3 circunferencias que se intersectarán en un punto, determinando así la posición del observador.

Para la determinación de la distancia entre el receptor y el satélite, el sistema emplea un método muy simple. Las ondas de radio emitidas por el satélite en cuestión viajan a la velocidad de la luz (300 mil kilómetros por segundo). De este modo, es posible calcular la distancia existente entre un transmisor y un receptor si se conoce el tiempo que demora la señal en viajar desde un punto hasta el otro, aplicando la conocida fórmula:

D =V x T

La misma expresa que la distancia entre dos puntos (el satélite y el receptor) es igual al producto entre la velocidad de la onda (300.000 km/s) por el tiempo que tarde en llegar del satélite al equipo GPS. Para calcular el momento a partir del cual el satélite emite la señal y el receptor GPS la capta, es preciso que ambos relojes (el del satélite y el del receptor) se encuentren perfectamente sincronizados. El satélite utiliza un reloj atómico de cesio de altísima precisión, pero el receptor cuenta con uno normal debido al altísimo costo que implicaría dotar a un GPS de un reloj atómico (algo totalmente imposible en la práctica). Para sincronizar ambos relojes, el satélite emite una señal digital junto con la señal de radiofrecuencia a intervalos regulares. Esa señal de control llega siempre al GPS algo más retrasada que la señal de radiofrecuencia. El retraso entre ambas señales es igual al tiempo que demora la señal de radiofrecuencia en viajar del satélite al receptor. La distancia que existe entre cada satélite y cada receptor la calcula el propio dispositivo GPS, realizando múltiples operaciones matemáticas. Para determinar la distancia existente entre el satélite y el receptor, este último multiplica el tiempo de retraso de la señal de control por el valor de la velocidad de la luz. Si la señal ha viajado en línea recta, sin que la haya afectado ninguna interferencia por el camino, el resultado matemático será la distancia exacta que media entre el satélite y el dispositivo GPS. Para determinar la posición exacta de un observador cualquiera situado sobre la esfera terrestre, el receptor GPS tiene que localizar por lo menos 3 satélites que le sirvan de puntos de referencia, a fin de cumplir con el principio de la triangulación visto con anterioridad. En realidad eso no presenta mayores inconvenientes, ya que normalmente siempre hay 8 satélites dentro del “campo visual” de cualquier receptor GPS.

De este modo, generará tres círculos o “esferas virtuales” que le permitirán determinar el punto exacto donde éstas se intersectan, es decir la posición geográfica del observador.

Para determinar el lugar exacto de la órbita donde deberían encontrarse cada uno de los satélites, el receptor viene provisto de un almanaque electrónico en su memoria que contiene dichos datos. Los resultados de los cálculos los complementa después con la información adicional que recibe también del satélite, lo que permite mostrar la posición con mayor exactitud.

Inicialmente, los dispositivos GPS solo contaban con la posibilidad de brindar al usuario los datos de las coordenadas geográficas en las que este se hallaba. Posteriormente, y a medida que los equipos se fueron perfeccionando, ya fue posible cargarles los datos de las coordenadas de un punto al que se quisiese navegar, y el sistema informaba al navegante la dirección (rumbo) a seguir y distancia a recorrer para arribar al mismo. Más tarde ya, fue posible almacenar las coordenadas de varios puntos en la memoria del equipo, junto con un nombre identificativo de cada lugar al que se pretendiese navegar. Cada punto, con su nombre y sus coordenadas, recibe el nombre de “waypoint”. Los modernos equipos ya permiten guardar más de 1000 waypoints junto con otros datos adicionales, tales como símbolos, descripciones, etc. En caso de que se pretenda navegar uniendo varios waypoints sucesivamente, y a los efectos de facilitar la tarea del navegante, los dispositivos actuales permiten además almacenar una seguidilla de dichos waypoints, en el orden que se prefiera, creando así lo que se conoce como “ruta” (route). Al navegar por una ruta determinada, el equipo indicará la dirección a seguir desde la posición inicial hasta el waypoint siguiente. Una vez arribado al mismo, el GPS lo detectará y automáticamente navegará hasta el próximo waypoint.

En la actualidad, la mayoría de los receptores GPS brindan la posibilidad de almacenar en memoria la información digitalizada de cartas náuticas (vectoriales), así como también mapas terrestres, planos de calles de ciudades, red de carreteras y otras prestaciones que puede mostrar gráficamente en su pantalla con un altísimo nivel de detalle.

El Antiguo Radiogoniómetro

El radiogoniómetro, el radiofaro direccional, las radio balizas y otros sistemas de posicionamiento, basados en la transmisión o recepción de ondas de radio, fueron desarrollados fuertemente durante la Segunda Guerra Mundial.

El radiogoniómetro fue el primero que se utilizó de forma generalizada como ayuda a la navegación y, al igual que los demás sistemas de posicionamiento, se basa en el principio de la triangulación.

La radiogoniometría, a diferencia del sistema de posicionamiento satelital (GPS) que basa su funcionamiento calculando “Distancias”, lo hace tomando “Demoras” (en Argentina “Marcaciones”) a radiofaros situados en determinadas posiciones geográficas conocidas.

Su funcionamiento básico consiste en un receptor convencional de ondas de radio, provisto con una antena orientable, que permite no sólo recibir las señales de radio emitidas desde tierra desde algún radiofaro, sino también determinar la dirección del lugar de donde provienen. La antena se halla instalada en un eje vertical y colocada a determinada altura en el exterior. La colocación de la antena en dicho eje permite rotarla hacia un lado o hacia el otro, para poder captar las señales provenientes de las estaciones terrestres del mejor modo posible.

Las antenas utilizadas por los Radiogoniómetros son del tipo circular o tipo cuadro (Fig. 191). Debido a esta forma particular, las antenas reciben con mayor intensidad desde dos direcciones opuestas, cuando la misma se halla en línea con la fuente emisora, y con mínima cuando el plano de la antena se encuentra en posición perpendicular al emisor (Fig. 192). Si bien no son fáciles de determinar los puntos de máxima intensidad, los de mínima sí lo son.

La forma práctica de determinar la dirección desde donde proviene la señal es muy simple: Supongamos que con nuestra radio hogareña queremos escuchar determinada emisora. Para ello será preciso conocer la frecuencia en la que opera esa emisora. Acto seguido moveremos el dial hasta encontrarla. Una vez sintonizada la emisora en cuestión, si giramos nuestro equipo de radio sobre los 360o de su base, notaremos que hay dos puntos en los que se logrará máxima recepción y dos puntos en los que obtendremos la mínima recepción. Pues bien, del mismo modo funciona el radiogoniómetro. Conociendo la frecuencia en la que opera un radiofaro, una radiobaliza o cualquier otra radioayuda a la navegación, se gira el dial del equipo hasta sintonizar la frecuencia de emisión del mismo. Cabe aclarar que existen publicaciones conteniendo las localizaciones geográficas y las frecuencias de los radiofaros, radiobalizas y otras ayudas a la navegación. Acto seguido, hacemos girar la antena hasta que la señal se reciba lo más fuertemente posible. En ese momento la antena se encontrará alineada a la dirección de donde procede la señal. Para conocer dónde se encuentra ubicada la estación transmisora, se hace girar nuevamente la antena hasta que la señal sea imperceptible. En esta última posición la antena receptora estará posicionada de manera perpendicular al lugar de procedencia de la señal. Si la base donde se encuentra montada la antena tiene (por ejemplo) una flecha o línea de fe dibujada en sentido perpendicular a la antena, y está situado sobre una rosa de los vientos, en el momento que la antena esté orientada hacia el radiofaro (intensidad de recepción nula) sabremos el rumbo o demora hacia dónde está apuntando la antena, siempre y cuando la mencionada rosa de los viento se encuentre perfectamente orientada con los puntos cardinales. Una vez determinado en el receptor el ángulo formado entre la dirección de la antena y el Norte, se traslada a la Carta Náutica, al igual que una demora convencional (ver Capítulo VII – La Navegación Costera). Para determinar la posición de la embarcación, se deberá contar con al menos dos estaciones costeras.

Continúa en: El Radar (Clase 71)
Darío G. Fernández
Director del ISNDF

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