¿Cómo mide las distancias y las posiciones un GPS?

A los precios que están y con lo útiles que son, todo el mundo sabe para que valen y como se manejan, pero… ¿cómo es posible que nos puedan decir en donde estamos y con una precisión tan increíble de solo unas decenas de metros de error?

Para entenderlo, debemos saber que cada satélite tiene una posición perfectamente definida y que su orbita es predecible. El GPS funciona por triangulación. Conociendo la distancia desde el barco receptor a 3 satélites distintos se puede calcular resolviendo unas ecuaciones de trigonometría sobre superficies esféricas, la posición exacta en la que nos encontramos.

Los 36 satélites de la red GPS orbitan a 10.900 millas de la superficie terrestre lanzando continuamente mensajes. En cada mensaje se dice qué satélite es, en donde está exactamente y la hora en la que emite cada mensaje. Es muy importante destacar que la hora es terriblemente exacta gracias a un reloj atómico instalado en cada satélite. La precisión del reloj es por tanto fundamental y del orden de una cien millonésima de segundo. Es decir que el reloj se puede atrasar o adelantar no más de un segundo en 30 años!

En el receptor es también fundamental que el reloj sea muy exacto y sobre todo que esté perfectamente sincronizado con el reloj de los satélites. Como no se puede instalar un reloj atómico en cada receptor de GPS pues son muy caros y ocupan mucho, los mismos satélites se encargan de enviar una señal a los receptores GPS para que estos se sincronicen exactamente. En definitiva en nuestro GPS tenemos la hora con una exactitud de millonésimas de segundo, y totalmente sincronizada con la hora universal de los satélites.

La distancia hasta un satélite se calcula sabiendo el tiempo que tarda en llegar la señal de radio al receptor GPS. Como la velocidad de la luz (y de las ondas de radio) es constante e igual a 300.000 kilómetros por segundo, cuando el mensaje del satélite llega al receptor, no hay más que comparar la hora actual del receptor con la hora que marca el mensaje recibido.
Con este primer mensaje recibido, el receptor GPS sabe que nos encontramos sobre una esfera cuyo radio es la distancia calculada al satélite, el cual también nos enviaba en el mensaje su posición exacta justo en el momento de la emisión. Esta misma operación repetida con un segundo satélite nos permite saber que estamos en el círculo intersección de la primera y segunda esfera. Con un tercer satélite sacamos una tercera esfera que corta al círculo anterior en un único punto (en realidad corta en dos puntos, pero uno de ellos situado en el espacio exterior a la tierra, el cual es lógicamente descartado).

¿Cómo se sincroniza y corrige la hora en el receptor GPS?
En el receptor GPS no hay más que un sencillo reloj de cuarzo como los baratos y bastante exactos que encontramos en cualquier relojería. Aunque son muy precisos, no se aproximan ni de lejos a la exactitud de un reloj atómico, el cual no se puede instalar en el receptor GPS entre otras cosas porque cuestan más de 100.000 Euros. Es importantísimo que el reloj del receptor esté sincronizado a la perfección con el reloj atómico de los satélites.

El truco es hábil y eficaz. Si con tres satélites sabemos exactamente el punto en el que estamos, una cuarta esfera trazada mediante un cuarto satélite nos debería corroborar el cálculo del punto en el que nos encontramos. Si el reloj del GPS está perfectamente sincronizado, el punto coincide y no nada que hacer. Si el punto tiene una ligera variación se debe a que el reloj del receptor GPS está ligeramente fuera de sincronía y la desviación entre las dos posiciones permite calcular las millonésimas de segundo que hay que adelantar o atrasar la hora del receptor GPS.

Transductores de Profundidad
Pros y Contras
Los transductores de profundidad trabajan emitiendo señales sonoras y escuchándolas seguidamente como hacen los delfines o los murciélagos para orientarse. Los datos escuchados por el ‘micrófono’ son enviados a un software para su interpretación de forma gráfica.

Los transductores emiten ‘sonidos’ a 200.000 ciclos por segundo es decir mucho más alta frecuencia que el sonido más agudo que somos capaces los humanos de escuchar. Para ello utilizan un cristal (de cerámica policristalina) capaz de vibrar a esta alta frecuencia. Las ondas de presión (sonidos) rebotan en los objetos y en los fondos y son seguidamente escuchadas por el transductor. Como el sonido se desplaza en el agua a una velocidad constante (salvo diferencias debidas a los cambios de temperatura y que también son tenidas en cuenta por el software de calculo), conociendo el tiempo que tarda en regresar la señal, podremos conocer la profundidad del fondo o la distancia a los objetos reflejados.

En aguas profundas: Medir profundidades mayores a algunos pocos cientos de metros es tarea de una sonda que esté diseñada para ello. Si navegamos en fondos de solo algunos metros las prestaciones de alta profundidad de una sonda no son importantes, pero haciendo navegación de altura eso es precisamente lo que nos hace falta. Para conseguir medir fondos a mucha profundidad debemos utilizar transductores de mayor diámetro, capaces de imitar sonidos de frecuencia más baja (de unos 50 Kilohercios), y con un haz de emisión más estrecho. En aguas saladas la capacidad de medición de una sonda disminuye entre un 25% y un 50% respecto al agua dulce de un lago, pues la sal disuelta atenúa la señal recibida.
La frecuencia y el Haz emitido: Las frecuencias más bajas producen ecos más potentes y con mayor capacidad de penetración, pero la capacidad de resolución de la imagen procesada en la pantalla disminuye. Pero con los sonidos de bajas frecuencias, el haz de sonido emitido tiende a dispersar la energía más que con frecuencias mayores. Por esta razón se trabaja con dos frecuencias de (50kHz y 200kHz) que pueden mostrar imágenes en pantalla partida en dos zonas gráficas. La correspondiente a los 200 kHz muestra un nivel de detalle superior.
El haz emitido queda determinado por el angulo con que este se dispersa, y cuanto más estrecho sea, menos información recogerá de los fondos, pero con más energía reflejada y por tanto más detalle. La norma por tanto es que, para aguas profundas es preferible un transductor de haz estrecho y para aguas someras es preferible un transductor de haz ancho que ofrezca más información del entorno submarino.

El tipo de transductor: Normalmente los de baja frecuencia tienden a ser mayores (al igual que pasa con los altavoces de graves y agudos), y para una misma frecuencia, cuanto más ancho sea el transductor, más estrecho será el haz obtenido y con mejores capacidades de resolución y penetración en aguas profundas. Los transductores de unas 2 pulgadas son considerados como de haz estrecho, mientras de los de 1 pulgada son aconsejables para aguas poco profundas.
Para su instalación existen varios tipos de montajes siendo el más conocido el que necesita realizar un agujero en el casco para situar en él un pasacascos en el cual se aloja la sonda. Son los más efectivos y con mejor rendimiento al no atenuarse la señal emitida por el propio casco.
Pero si su barco es de fibra (en los de madera o metal no es posible la instalación) podrá adquirir un transductor que se pega con epoxi directamente en el interior del casco evitando problemas de estanqueidad, y los peligros derivados de una perforación en el casco. Además debe pegarlo en la parte del casco más delgada y sobre todo que no tenga capas de foam, burbujas de aire, o madera de balsa laminada que absorbería toda la energía haciendo inútil el funcionamiento.
Aún con una buena instalación su funcionamiento es muy inferior a los de casco pasante pues siempre se pierde mucha energía al atravesar el sonido el grosor de fibra en el casco. Por esta razón se inventaron otro tercer tipo conocido como transductores ‘Transom’ que se montan en el exterior del casco y en la popa, asomando solo un par de centímetros de la superficie del casco. El cable que transmite la señal atraviesa el interior del casco por la cubierta o en una zona por encima de la línea de flotación. Son los más económicos y muy adecuados para cascos planeadores de menos de 8 metros de eslora equipados con motores fueraborda y que no se desplacen a velocidades muy altas o con aguas ‘movidas’ cerca del transductor (como haría un motor de eje).

La carcasa de la sonda suele ser de plástico y este tipo es el más adecuado para los cascos de fibra y cascos metálicos. Las de bronce también son válidas para los de fibra y también para los cascos de madera ya que la expansión de esta podría deteriorar a los de plástico. En cascos metálicos los transductores de bronce necesitan obligatoriamente aislamiento galvánico para evitar las corrientes generadas entre metales de distinta electronegatividad. Por último existen transductores cuya carcasa es de acero inox. muy adecuadas para cascos de aluminio o también de acero.
ALEJANDRO GABRIEL JAJICH
TÉCNICO EN CONSTRUCCIONES NAVALES.