Los orígenes del Sistema de Posicionamiento Global (GPS)

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Por Vicente Ortega y M.Ángeles Moya

La NASA tiene más de una docena de satélites en órbita para estudiar los océanos, la superficie terrestre y la atmósfera. (Foto: NASA)

Introducción

El Sistema de Posicionamiento Global, más conocido como GPS (acrónimo de Global Positioning System), está constituido por una constelación de 24 satélites operacionales en órbitas de tipo medio (MEO) que envían señales de radio a la superficie de la Tierra, señales que son recibidas en los aparatos electrónicos denominados receptores GPS lo que nos permite saber dónde nos encontramos en tres dimensiones (longitud, latitud y altura) y hacia dónde queremos desplazarnos con precisiones del orden de centímetros.

Actualmente, hay miles de millones de usuarios, la mayoría civiles, en la aviación comercial, en la navegación marítima, en topografía y agrimensura, en la construcción y, sobre todo, en los automóviles y en los teléfonos móviles. Así, en el año 2009, el número de receptores GPS para teléfonos móviles y automóviles era de 300 millones, y el número de receptores para aplicaciones militares y profesionales era alrededor de 3 millones [1].

Aunque ya desde el inicio de los tiempos el hombre tuvo la inquietud de saber dónde se encontraba y cómo llegar a un determinado destino, las investigaciones, los desarrollos y las primeras aplicaciones tuvieron su origen en necesidades de tipo militar, durante la Segunda Guerra Mundial.

Antecedentes remotos

El Faro de Alejandría fue construido en el siglo III a.c. para servir como punto de referencia a la navegación (Foto: Wikipedia Commons).
La navegación marítima es una actividad antigua que es conocida e historiada sobre todo a partir de la civilización griega. Tanto en la ‘Ilíada’ como en la ‘Odisea’ se describen flotas para le guerra de Troya y la exploración del viaje de Ulises. ¿Cómo se orientaban los griegos, los romanos y los árabes? Principalmente, observando la costa y la posición de algunos astros dominantes (el Sol durante el día y la Estrella Polar durante la noche) ya que la navegación era en pequeños mares. También se ayudaban con los faros, tal como muestran las descripciones del famoso Faro de Alejandría. Parece, sin embargo, que ya se ayudaban de algunos instrumentos tal como el Astrolabio, invención griega que llegaría a España a través de los árabes hacia el siglo XII. Es posible que también utilizaran una forma rudimentaria de Brújula (Aguja de Marear), invención atribuida a los chinos [2] que sería posteriormente perfeccionada por los europeos y usada para determinar el Polo Norte de la Tierra.
A mediados del siglo XVIII se inventó en Inglaterra el Sextante, instrumento mecánico-óptico que permitía medir con mayor precisión la latitud del observador conociendo la elevación del Sol sobre el horizonte y la hora del día. (Foto: Wikimedia Commons).

Las grandes expediciones marítimas de portugueses y españoles en los siglos XV y XVI intensificaron la necesidad de disponer de instrumentos mejores y, hacia finales del siglo XVI, se utilizaban instrumentos antes citados y otros nuevos como el Cuadrante y la Ballestilla [3]. Con estos instrumentos, los astros y cartas de navegación se podían determinar el rumbo y la latitud, aunque de forma imprecisa. La creciente importancia de la navegación marítima, tanto la de guerra como la comercial, llevaron al perfeccionamiento de los instrumentos y a mediados del siglo XVIII se inventó en Inglaterra el Sextante, instrumento mecánico-óptico que permitía medir con mayor precisión la latitud del observador conociendo la elevación del Sol sobre el horizonte y la hora del día. Sin embargo, la determinación de la hora y por tanto de la longitud era muy poco precisa y fue necesario esperar a la construcción de precisos Cronómetros, lo cual tuvo lugar en Inglaterra y Francia a finales del siglo XVIII [4].

Con todos estos instrumentos, sus combinaciones y el ‘software’ de la trigonometría y las cartas de navegación, primero en la navegación marítima y posteriormente en la aérea, pudieron los pilotos determinar su posición y su rumbo hasta mediados del siglo XX.

Antecedentes próximos

Con el desarrollo de la Radiotelegrafía en el primer cuarto del siglo XX los barcos podían comunicarse entre ellos y con la costa, y ayudarse en la determinación de las rutas, pero era un medio de comunicación a distancia y no de localización. Habría que esperar a la Segunda Guerra Mundial para que surgiera la apremiante necesidad militar. Ésta no era otra que los aviones bombarderos británicos pudieran orientarse y alcanzar sus objetivos durante vuelos nocturnos o de día en presencia de nubes. Así comenzó en junio de 1940 el estudio de un sistema bajo la dirección y supervisión de la Royal Air Force (RAF) británica en el proyecto que se denominó GEE [5].

Se conocían ya los principios y funcionamiento de los radares que permitían la localización y distancia de los aviones en vuelo. Se estableció un sistema de triangulación con tres estaciones radar situadas a la mayor distancia posible entre ellas. Los ecos de los pulsos reflejados por el avión permitían situar al mismo en una rejilla hiperbólica por la interacción de las señales reflejadas. El procedimiento resultó seguro y las primeras operaciones importantes, como el bombardeo de la ciudad alemana de Essen, se llevaron a cabo en marzo de 1942. La operación resultó tan exitosa que en agosto de ese mismo año todos los cazabombarderos británicos ya estaban equipados con este sistema.

Interior de una estación LORAN (Foto: US Coast Guard).
También la marina de guerra jugó un papel muy importante en la Segunda Guerra Mundial y durante la misma o inmediatamente después surgieron en Gran Bretaña y Estados Unidos proyectos para la navegación basados en las ondas radioeléctricas. En esos momentos en los que había que hacer grandes esfuerzos bélicos, los países implicados en la guerra dedicaban grandes esfuerzos para hallar herramientas, sistemas y equipos que les proporcionaran superioridad bélica sobre el enemigo. Por eso, tal y como dice Bornschlegtel: “A principios de 1945 había más científicos e ingenieros en EEUU, Reino Unido, Alemania y Japón trabajando en cómo aplicar la tecnología radio a la navegación y a la localización que todos los científicos e ingenieros que dedicaron su tiempo a estos menesteres en toda la historia desde 1935” [6].

Así, se desarrollaron e implementaron varios sistemas tales como LORAN, OMEGA y DECCA. El desarrollo del LORAN (Acrónimo de Long Range Radio Aids to Navigation) comenzó en 1940 como un proyecto del Comité de Microondas del Comité de Investigación de la Defensa Nacional, perteneciente a su vez al Departamento de Defensa de EEUU. Este sistema, que copió conceptos y se basó en principios del GEE británico, fue desarrollado en el Laboratorio de Radiación del MIT (Massachusetts Institute of Technology) y se convirtió en el primer sistema de posicionamiento que podía funcionar en cualquier condición meteorológica. Sin embargo, sólo podía determinar la posición en dos dimensiones: longitud y latitud. A diferencia del GEE, que trabajaba en frecuencias de UHF (Ultra High Frequency), el sistema LORAN utilizaba frecuencias de LF (Low Frequency), cuyo alcance era mucho mayor (del orden de los casi 2.000 Km.). Era también un sistema hiperbólico y los primeros resultados permitían fijar la posición de un navío con un error menor de 160 metros.

La administración de este programa fue transferida a la Armada estadounidense a principios de 1943 siendo la Guardia Costera del Ejército la encargada de establecer el servicio de modo que proporcionase cobertura a todo el teatro de operaciones en el Pacífico. La rapidez en la construcción y disponibilidad operativa de las estaciones fue un factor decisivo para proporcionar asistencia a los barcos y aviones que combatieron en el Pacífico y que lograron la victoria sobre Japón [7].

El sistema LORAN, con sus sucesivas versiones y mejoras era operado a nivel gubernamental por los EEUU pero fue extendiéndose por todo el mundo mediante acuerdos con los gobiernos de otros países y a partir de la década de los sesenta fue utilizado extensivamente en la navegación civil. Con la llegada de los sistemas de navegación basados en satélites empezó a decrecer su uso hasta que hacia el año 2010 el gobierno de EEUU decidió dejar de operarlo.

La radionavegación espacial: satélites artificiales

En octubre del año 1957 la Unión Soviética puso en órbita el primer satélite artificial: el Sputnik. (Foto: Wikimedia Commons).

En octubre del año 1957 la Unión Soviética puso en órbita el primer satélite artificial: el Sputnik I. En plena guerra fría y con la carrera espacial comenzada, este hecho fue un duro golpe para el prestigio de los EEUU y motivó, entre otras acciones, la creación de la NASA (National Aeronautic and Space Administration) y de DARPA (Defence Advanced Research Proyect Agency) tratando de recuperar el liderazgo en tecnologías del espacio y de la defensa.

Las señales emitidas por el Sputnik podían utilizarse para fijar la posición del satélite y su órbita. Alguien pensó en la utilización recíproca, es decir, determinar la posición del receptor en la Tierra a partir de las señales del satélite iniciando así los estudios y proyectos para la navegación y localización basada en estos “astros” artificiales. Por esta época se estaban desarrollando también los misiles nucleares intercontinentales y conocer su trayectoria anticipadamente era muy importante para poder destruirlos. Por todo ello, tanto la Marina como la Fuerza Aérea de EEUU comenzaron a desarrollar sistemas de navegación basados en satélites.

El sistema TRANSIT comenzó su estudio y desarrollo en 1959 financiado por la Marina. (Foto: Wikimedia Commons).

El sistema TRANSIT comenzó su estudio y desarrollo en 1959 financiado por la Marina, y su desarrollo se realizó principalmente en la John Hopkins University. Fue el primer sistema de navegación satelital pero funcionaba sólo con cuatro o seis satélites de baja órbita por lo cual sus capacidades eran muy limitadas. Sus primeras medidas, para la localización de submarinos con misiles Polaris, tuvo lugar en 1964. Posteriormente, en 1967, fue autorizado para fines civiles y utilizado por flotas pesqueras, buques oceanográficos y compañías de exploración de petróleo hasta el año 1996 en que fue abandonado [8].

Las limitaciones del sistema TRANSIT (solo determinaba posición en el plano y no la altura y distancia) llevaron a otras desarrollos, tal como TIMATION desarrollado en U.S. Naval Research Laboratory (NRL) a partir de 1964 y operativo en 1967. La constelación de satélites, que llevaban relojes atómicos a bordo, permitía determinarla posición en tres coordenadas y la distancia.
Lanzamiento de satélites para la constelación NAVSTAR-GPS mediante un cohete Delta. (Foto: Wikimedia Commons).

Al mismo tiempo, la Fuerza Aérea de EEUU estaba desarrollando otro sistema denominado 621B que permitiría determinar la posición de un avión con una precisión de una centena de milla, y el Ejército también estaba estudiando su propio sistema. Para evitar este despilfarro de esfuerzos y presupuestos, el Departamento de Defensa (DoD) de EEUU decide en 1968 unificar estas iniciativas y crea un comité llamado NAVSEG (Navigation Satellite Executive Committee) cuyo objetivo era desarrollar el concepto de navegación via satélite tomando como base las investigaciones llevadas a cabo por la Marina y la Fuerza aérea. El resultado es la definición de un nuevo concepto del sistema denominado NAVSTAR-GPS (Navigation System Timing and Ranging-Global Positioning System) que incorporaba las mejores tecnologías de los proyectos existentes y fijaba una configuración que consistía en 24 satélites en órbitas inclinadas de 12 horas de periodo. En diciembre de 1973 se aprueba el plan y los presupuestos para las primeras fases del desarrollo. En junio de 1974 la empresa Rockwell International (un grupo de empresas con gran experiencia en sistemas de armas para el DoD) es elegida para la primera fase del programa. El 14 de julio de 1974 el primer satélite de la serie GPS es puesto en órbita.

Tan solo unos años después, en la década de los 80, la Unión Soviética inicia la implementación de su propio sistema de navegación satelital: el Glogal Navigation Satellite System (GLONASS). Era la respuesta rusa al GPS estadounidense. Actualmente, el GLONASS, también integrado por una constelación de 24 satélites, está administrado por las Fuerzas especiales rusas y, aunque es un sistema diferente al GPS, ambos tienen la posibilidad de un uso combinado [9].

Hacia la plena operatividad. Traspaso al mundo civil

Durante los años siguientes siguieron los desarrollos y las pruebas con los satélites que se iban lanzando y con los equipos embarcados. Entre de 1978 y 1985 fueron puestos en órbita 11 satélites incluyendo la posibilidad de detectar detonaciones nucleares.

En 1983, como consecuencia del derribo de un avión 007 de las líneas aéreas de Corea del Sur por la Unión Soviética, el presidente Ronald Reagan sugirió la posibilidad de hacer extensivo a la aviación civil el sistema GPS cuando éste estuviera completamente operacional, lo cual indicaba la senda para el paso de una tecnología militar al mundo civil. Algunas empresas privadas ya habían empezado a ofrecer el servicio a clientes civiles pero con determinadas diferencias entre los receptores para uso militar y para uso civil.

El sistema GPS fue usado por primera vez en condiciones de combate durante la Guerra del Golfo (1990-91) para frenar la invasión iraquí de Kuwait (en la renombrada operación “Tormenta del Desierto”) obteniéndose un éxito grande que probó la eficacia del GPS para el uso táctico de unidades militares basándose en la tecnología satelital.

Demostrada la eficacia del sistema, los Estados Unidos comenzaron las conversaciones con la OACI (Organización de la Aviación Civil Internacional) para implantar el GPS como sistema de navegación estándar mundial. En 1993, el secretario de Defensa de Estados Unidos declaró formalmente la capacidad operativa inicial del GPS que contaba con 24 satélites operacionales más 6 de reserva y dos años después (cuando se declaró la capacidad operativa plena) el presidente Bill Clinton reafirmo el compromiso de proveer señales GPS a la comunidad internacional quedando universalizada esta tecnología hacia el año 2000.

Algunas conclusiones

Constelación GPS (Foto: GPS.gov)

Como sucede con tantos artefactos electrónicos que forman parte del denominado mercado de consumo, como los receptores de radio y de televisión y los teléfonos móviles, cuando los utilizamos no somos conscientes del prolongado esfuerzo y los cuantiosos presupuestos que se han dedicado a su investigación, desarrollo y operación. Sin contar los desarrollos iniciales de otros sistemas preliminares, se estima que el DoD se ha gastado 14 billones de dólares, y si se tienen en cuenta los costes de los lanzamientos de los satélites la suma se eleva a más de 20.000 billones de dólares.

Una vez más estamos ante un caso de una necesidad percibida por los ejércitos de un país que planifica a largo plazo unos sistemas para su uso para mantener una superioridad estratégica y táctica sobre los ejércitos enemigos que suponen una amenaza para el país. Recordemos que hasta 1990 no concluyó la Guerra Fría. Luego, estas invenciones pasan al mundo civil donde toda la sociedad puede disfrutar de estos sistemas y artefactos. Otro aspecto que no debe caer en saco roto es que las universidades, centros de investigación y empresas que son agentes del proceso de innovación obtienen un beneficio grande, cada una en su actividad y así el país va consolidando su liderazgo científico, tecnológico y comercial. Buena prueba de ello es que a principios de la década de los 2000 Europa decidió crear su propio sistema de navegación, el GALILEO, que está en fase de desarrollo y, esperemos, que pronto en operación.

Sitios web, lecturas y enlaces relacionados

Referencias

  1. VAN DIGGELEN, Frank. (2009), "A-GPS: Assisted GPS, GNSS, and SBAS". Artech House. Boston/London.
  2. En su obra "Science and Civilisation in China", (Cambridge Univ. Press. Cambridge, England, 1962. Vol 4 part. 1.) el bioquímico londinense Joseph Needham afirma, y argumenta con todo lujo de detalles, que “hay motivos para suponer que la propiedad directiva de la piedra imán había sido ya descubierta, en efecto, por magos y letrados chinos a principios de nuestra era”.
  3. SILVA SUÁREZ, Manuel (coord.). (2007), "Técnica e ingeniería en España". Vol. 1. El Renacimiento (pág. 489 y sig.). Real Academia de Ingeniería. España.
  4. SELLÉS, Manuel A. (1992), "Historia de la Ciencia y de la Técnica. Astronomía y navegación en el siglo XVIII". Ediciones Akal. Madrid.
  5. CAMPBELL, W.P. "GEE and LORAN. Radar navigation systems. World War II".
  6. BORNSCHLEGTEL, Thomas. (2009), "The history of the Global Positioning System GPS".
  7. LIFFRIG, Joseph. "To Europe and far East. A brief history of Coast Guard action in Asia and the western Pacific". United States Coast Guard.
  8. BORNSCHLEGTEL, Thomas. (2009), "The history of the Global Positioning System GPS".
  9. PACE, Scott; FROST, Gerald; LACHOW, Irving y otros (1995), "The Global Positioning System". RAND,s Critical Technologies Institute.