GPS: cómo sabe tu móvil dónde estás con una precisión de metros

Miles de millones de personas usan la localización por satélite a diario y muy pocas saben cómo funciona. Y hay un detalle que suele sorprender más que ningún otro: los satélites no saben que existes. No hay comunicación de tu teléfono hacia arriba. Los satélites emiten y el receptor escucha, sin más.

La idea básica: medir tiempos

Cada satélite emite continuamente una señal que contiene dos cosas: quién es y en qué instante exacto ha emitido. Nada más.

El receptor —el chip de tu móvil— recibe esa señal un poco más tarde, porque la señal ha tenido que recorrer una distancia. Como la señal viaja a la velocidad de la luz, que es una constante conocida, la diferencia entre el momento de emisión y el de recepción permite calcular la distancia a la que está ese satélite.

Con la distancia a un satélite, sabes que estás en algún punto de una esfera centrada en él. Con dos, en la circunferencia donde se cortan dos esferas. Con tres, en uno de dos puntos posibles, y uno de ellos suele estar absurdamente lejos de la superficie terrestre, así que se descarta. Ese procedimiento se llama trilateración.

Por qué hacen falta cuatro y no tres

Aquí está la parte elegante del sistema. Todo el cálculo depende de medir tiempos con una precisión extraordinaria: un error de una millonésima de segundo se traduce en cientos de metros de error de posición.

Los satélites llevan relojes atómicos, que son precisísimos. El receptor de tu móvil, en cambio, lleva un reloj de cuarzo corriente, que no lo es. Si el reloj del receptor está desajustado, todas las distancias calculadas están mal en la misma proporción.

La solución es matemática: si se recibe la señal de un cuarto satélite, el sistema tiene cuatro ecuaciones y cuatro incógnitas —latitud, longitud, altitud y el error del propio reloj— y puede resolverlas todas a la vez. El resultado es que tu teléfono no solo averigua dónde está: pone su reloj en hora con precisión atómica, gratis, en cada cálculo.

Ese subproducto es tan valioso que muchas infraestructuras críticas —redes eléctricas, sistemas financieros, telecomunicaciones— usan el GPS principalmente como fuente de tiempo, no de posición.

Los errores: de dónde vienen

1. La atmósfera. La señal atraviesa la ionosfera y la troposfera, que la retrasan de forma variable. Es la principal fuente de error y los sistemas modernos la corrigen con modelos y con emisión en varias frecuencias.
2. El rebote (multitrayecto). En una ciudad, la señal llega también reflejada en fachadas de cristal, y el receptor puede confundir el eco con la señal directa. Es la causa de que en un centro urbano con edificios altos el punto azul salte de calle.
3. La geometría. Si los satélites visibles están agrupados en una porción del cielo, la precisión empeora. Con satélites bien repartidos, mejora.
4. La obstrucción. Túneles, aparcamientos subterráneos, valles muy encajados y bosque denso reducen el número de satélites visibles.
5. La altitud. Es la coordenada que peor se calcula, con un error típicamente mayor que el horizontal, por la propia geometría del sistema.

No solo GPS: los cuatro sistemas

«GPS» se usa como nombre genérico, y en realidad es el nombre de uno de los sistemas de navegación por satélite existentes. Hay cuatro globales:

• GPS, estadounidense, el primero en estar plenamente operativo y el que dio nombre popular a toda la categoría.
• GLONASS, ruso, con cobertura global y especialmente útil en latitudes altas por la configuración de sus órbitas.
• Galileo, europeo, de gestión civil, diseñado con prestaciones de precisión elevadas.
• BeiDou, chino, el más reciente en completar cobertura global.

La consecuencia práctica es muy buena para el usuario: los receptores modernos son multiconstelación, es decir, usan satélites de varios sistemas a la vez. Más satélites visibles significa mejor geometría, más resistencia a las obstrucciones y mejor precisión, especialmente en ciudad. Si un teléfono moderno localiza mejor que uno de hace diez años, esa es una de las razones principales.

Por qué tu móvil localiza tan rápido

Un receptor que arranca desde cero necesita un rato para localizar satélites, descargar sus datos de órbita y calcular la posición. Los móviles lo hacen en segundos, y no es magia: usan ayudas.

La principal se conoce como GPS asistido: el teléfono descarga por internet los datos de órbita de los satélites, en lugar de esperar a recibirlos por radio, que es lento. Además, combina la señal satelital con otras dos fuentes: las antenas de telefonía visibles y las redes wifi del entorno, cuya posición está catalogada en bases de datos.

Por eso un móvil da una posición aproximada casi inmediata dentro de un edificio, donde ningún satélite es visible. No es GPS: es la combinación de varias técnicas bajo el mismo icono.

Cuando hacen falta centímetros

La precisión de un receptor doméstico se mide en metros, y para orientarse en una carretera sobra. Hay usos —topografía, agricultura de precisión, maquinaria automatizada, construcción— donde eso no basta, y para ellos existen técnicas de corrección.

La idea común a todas es sencilla: si hay un receptor fijo en un punto de coordenadas conocidas, ese receptor puede calcular en tiempo real cuánto se está equivocando y transmitir la corrección a los receptores móviles de la zona. Como el error atmosférico es muy parecido para receptores próximos, la corrección funciona muy bien.

Con esas técnicas, el error baja del orden de los metros al de los centímetros. Es la tecnología que permite que un tractor siga surcos con precisión milimétrica o que una excavadora trabaje con la cota exacta sin estacas.

Cinco consejos prácticos

1. Si la localización falla, sal a cielo abierto unos segundos: el receptor recupera satélites y recalcula.
2. En montaña, descarga los mapas antes. El GPS funciona sin cobertura de datos, pero los mapas no se descargan sin ella.
3. No confíes en la altitud que da el móvil: es la coordenada menos precisa. Los relojes deportivos añaden barómetro justamente por eso.
4. El consumo de batería viene sobre todo de la pantalla y de los datos, no del receptor, que es muy eficiente.
5. En ciudad, desconfía del punto azul junto a fachadas acristaladas: el rebote es el error más difícil de corregir.

Una infraestructura invisible

Lo más notable del sistema es su carácter de bien público global: unas constelaciones de satélites emiten sin parar, cualquiera puede escuchar gratis y el número de usuarios no degrada el servicio, porque nadie transmite hacia arriba. Es exactamente lo contrario de una red de telefonía, donde cada usuario consume capacidad.

Y también su fragilidad: la señal que llega del espacio es extraordinariamente débil, lo que la hace vulnerable a interferencias, y una parte importante de la economía moderna —desde la logística hasta la sincronización de las redes eléctricas— depende de ella. De ahí que exista un esfuerzo continuo por tener varios sistemas independientes y por desarrollar alternativas de respaldo.

La próxima vez que un mapa marque la posición con un círculo de precisión, merece la pena recordar lo que hay detrás: varios relojes atómicos en órbita, un receptor de un par de euros y un sistema de cuatro ecuaciones resuelto varias veces por segundo.

Un detalle que parece de ciencia ficción: la relatividad

Hay un aspecto del funcionamiento del GPS que suele citarse como el ejemplo cotidiano más claro de física teórica aplicada. Los relojes de los satélites y los de la superficie no marchan exactamente igual, y no por defecto de fabricación.

Dos efectos actúan a la vez y en sentidos opuestos. Por un lado, los satélites se mueven a gran velocidad respecto a la superficie, y eso hace que su reloj vaya algo más despacio. Por otro, están mucho más lejos del centro de la Tierra, donde la gravedad es menor, y eso hace que su reloj vaya algo más rápido. El segundo efecto es mayor que el primero, de modo que el resultado neto es una diferencia diaria pequeñísima.

Pequeñísima en tiempo, enorme en distancia: sin corregirla, el error de posición acumulado sería inaceptable en un solo día de funcionamiento. Los sistemas de navegación por satélite incorporan esa corrección por diseño, y de ahí viene la afirmación —bastante literal— de que cada vez que se usa un mapa en el móvil se está comprobando la teoría de la relatividad.

Interferencias y suplantación

La señal que llega desde la órbita es extremadamente débil, y eso tiene una consecuencia incómoda: es relativamente fácil de perturbar. Se distinguen dos fenómenos que conviene no confundir.

• La interferencia consiste en emitir ruido en la misma frecuencia para que el receptor no pueda oír a los satélites. El efecto es la pérdida de señal.
• La suplantación consiste en emitir una señal falsa que imita la de los satélites, de modo que el receptor calcula una posición equivocada sin darse cuenta.

Ambos fenómenos se han documentado en distintas regiones y afectan sobre todo a la aviación y a la navegación marítima, que dependen de estos sistemas. La respuesta técnica va en tres direcciones: usar varias constelaciones a la vez, combinar el dato satelital con sensores inerciales que no dependen de ninguna señal externa, y mantener sistemas de respaldo independientes.

Para el usuario doméstico no es un asunto práctico, y explica por qué los vehículos, los barcos y los aviones no confían la navegación a una sola fuente.

Qué hace tu móvil cuando no hay satélites

Merece un apartado porque es la parte que más gente atribuye erróneamente al GPS. Dentro de un edificio, en un aparcamiento o en un túnel, el receptor no ve satélites, y sin embargo el mapa sigue mostrando una posición razonable. La razón es que el teléfono combina otras fuentes:

1. Las antenas de telefonía visibles, cuya ubicación aproximada permite acotar la zona.
2. Las redes wifi del entorno, catalogadas en bases de datos con su posición.
3. El acelerómetro y el giroscopio, que permiten estimar el movimiento desde la última posición conocida.
4. El barómetro, en los modelos que lo llevan, para estimar cambios de altura y de planta.

Esa combinación es la que hace posible que la navegación no se pierda al entrar en un túnel largo: el sistema deja de recibir satélites y continúa estimando la posición por el movimiento y por la geometría de la carretera hasta recuperar la señal.

Y es también la razón por la que la localización de un móvil apagando el wifi funciona peor de lo esperado: no se está desactivando una conexión, se está retirando una de las fuentes con las que el teléfono se orienta.