Principios físicos del GPS: Relatividad, relojes atómicos y triangulación

GPS son siglas de Sistema de Posicionamiento Global, un sistema de navegación basado en satélites que permite a cualquiera con un receptor GPS determinar su posición tridimensional en o sobre la superficie terrestre. El GPS consta de una constelación de 24 satélites, seis estaciones terrestres en todo el mundo y receptores GPS, que pueden ser portátiles o montados en vehículos, embarcaciones o aeronaves.

Principio básico

Los principios físicos del GPS incluyen la teoría cuántica, que llevó a la invención del reloj atómico, y la teoría general de la relatividad de Einstein. Sin embargo, el principio básico detrás del GPS es la medición de la distancia, o alcance, entre los satélites y el receptor. La señal de cada satélite, moviéndose a la velocidad de la luz, tarda un tiempo finito en llegar a la superficie terrestre. Un receptor GPS calcula la distancia a un satélite multiplicando la diferencia entre la hora de recepción de la señal y la hora de emisión por la velocidad de la luz.

Triangulación

Un receptor GPS calcula su latitud, longitud y altitud precisas midiendo la distancia a cuatro satélites GPS separados. Si mide la distancia a un solo satélite, determina que está en una esfera imaginaria con radio igual a esa distancia. Si mide a dos satélites, determina que está en la línea donde se intersectan las dos esferas. Midiendo la distancia a un tercer y cuarto satélite, calcula su posición geográfica precisa.

Medición del tiempo

Las señales de los satélites GPS viajan a la velocidad de la luz, por lo que la medición precisa del tiempo es fundamental para el funcionamiento del GPS. Los satélites GPS llevan los relojes más precisos disponibles, los relojes atómicos, exactos a una milmillonésima de segundo por día. Estos relojes permiten que los satélites emitan señales sincronizadas con las de otros satélites.

Corrección del tiempo

La teoría general de la relatividad de Einstein predice y explica correctamente que la gravedad parece ralentizar, o dilatar, el flujo del tiempo. Es decir, la diferencia entre la intensidad del campo gravitatorio en la superficie terrestre y a 19.000 km o más de altitud significa que el reloj en un receptor GPS corre una fracción de segundo más lento que el reloj en un satélite GPS. Los relojes basados en satélites se fabrican deliberadamente para correr ligeramente más lentos en la Tierra, de modo que mantengan la hora correcta una vez en el espacio.