Fue desarrollado por el Departamento de Defensa de los EEUU, bajo el
nombre NAVTAR GPS (NAVigation Satellite Time And Ranging – Global
Positioning System), a partir de 1973. Está compuesto por una constelación
de 24 satélites situado sobre órbitas inclinadas de 55°
respecto al ecuador terrestre, cada órbita contiene 4 satélites (3 operativos y
1 en reserva). El periodo de rotación de dichas plataformas espaciales es de 12
horas. La constelación satelital está pensada de manera que desde cualquier
punto del planeta pueda recibirse la señal concurrente de al menos seis de
ellos; sin embargo las especificaciones generales del sistema suponen una
cobertura de 4 a 8 satélites con elevación superior a 15°; límite sobre el
horizonte visible que se considera apto para una buena recepción de la señal.
Cada satélite está equipado con un ordenador, un sistema de comunicación de muy
alta frecuencia, y 4 relojes atómicos (dos de Cesio y dos de Rubidio), con un
retardo de sincronización del orden de la milmillonésima de segundo. El
control desde tierra se efectúa mediante un sistema llamado OCS (Operational
Control Station), compuesto por una emisora principal MCS (Master
Control Station) y una serie de estaciones de control dispuesta a lo
largo del ecuador. La MCS coordina la sincronización de los relojes, del
diagnostico y control de las órbitas; mediante el monitoreo constante de las
efemérides (información sobre las órbitas exactas), almanaque (subconjunto de
efemérides y parámetros de reloj), etc.
Los satélites trasmiten la información mediante modulación de
espectro difuso (Spread Spectrum Modulation), lo que dificultad al
extremo la intersección e interferencia de la señal, ya que la información se
confunde con el ruido electromagnético de fondo.
El sistema original consideraba dos sistemas de posicionamiento
superpuesto, un Servicio de Precisión Standard (SPS) para uso
civil, y un Servicio de Posición Precisa (PPS) para uso militar u oficial. Esta
intrincada seguridad se implementó a partir de la generación en cada satélite
de una frecuencia fundamental de 10,23 MHz, de la cual se derivan dos
portadoras básicas L1 (1575,42 MHz; frecuencia base por 154) y L2 (1227,60 MHz;
frecuencia base por 120). Para el cálculo de la ubicación cada satélite
envía un par de códigos PRN (Pseudo-Random Noise) con una
frecuencia de reloj de 1023 MHZ, que se repite cada milésima de segundo. El
primero esta modulado sobre L1 y se denomina C/A-Code
(Coarse/Acquisition-Code), el segundo modulado simultáneamente sobre L1 y
L2, denominado P-Code (Precision-Code). El C/A-Code se
aplica al SPS, y el P-Code al PPS.
Los receptores GPS de uso comercial están diseñados para trabajar con la
frecuencia L1, portadora de la SPS diluida en precisión por la aplicación del C/A-Code.
Actualmente dicho código no se aplicada sobre el SPS, lo que permite resolver
posiciones dentro de un círculo de tres metros de diámetros. Para el cálculo de
la posición sobre la superficie terrestre, básicamente se utiliza el tiempo que
demora una señal desde el emisor al receptor, conocida la posición que ocupa el
satélite en el espacio respecto al centro de masa de la tierra, unas
trasformaciones trigonométricas en el receptor permiten calcular la ubicación.
Repitiendo este procedimiento para varios satélites (mínimo tres) se obtiene la
posición del receptor con unos pocos metros de incertezas. El intervalo
de tiempo entre la emisión y la recepción se mide comparando el código C/A
enviado por el satélite con una copia del mismo realizada por el receptor,
sincronizado con el satélite. Se obtiene la distancia de separación entre
el emisor y receptor, luego de una serie de correcciones, entre ellas: la
dispersión y difracción estratosférica, el efecto Dopler-Fizeau debido al
desplazamiento relativo, y las sugeridas por Einstein respecto a los efectos
relativistas y gravitatorios. Junto con el PRN el satélite envía un
mensaje de 1500 bits trasmitido a 50 Bps, donde se incluyen las efemérides,
almanaques, y demás parámetros de corrección (unos 30 segundos que justifican
la demora operativa del GPS luego del encendido).
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