El GPS funciona midiendo diminutas diferencias en los tiempos de llegada de señales de radio desde múltiples satélites y triangulando la posición del receptor. Las ondas de radio viajan a la velocidad de la luz (unos 300.000 km/s), por lo que un error de temporización de 1 nanosegundo se traduce directamente en unos 30 cm de error de posición. Un GPS civil preciso a unos pocos metros implica sincronización temporal a nivel de unas pocas decenas de nanosegundos.
El posicionamiento requiere señales de al menos cuatro satélites. Tres fijan la posición tridimensional (latitud, longitud, altitud); el cuarto corrige el error del reloj del receptor. Los receptores contienen osciladores de cuarzo económicos que se desvían microsegundos respecto a los relojes atómicos satelitales, pero la cuarta señal permite al sistema resolver ese desfase. Sin este truco, cada receptor GPS necesitaría un costoso reloj atómico incorporado.
Los satélites GPS modernos (Block IIF y posteriores) llevan tres relojes atómicos de rubidio y uno de cesio cada uno. Los relojes de rubidio son más pequeños, ligeros, consumen menos energía y tienen excelente estabilidad a corto plazo. Los relojes de cesio tienen una estabilidad superior a largo plazo pero son más grandes y consumen más energía, por lo que la unidad de cesio sirve como respaldo.
Las estaciones de control terrestre corrigen regularmente el reloj de cada satélite. Estaciones de monitoreo en todo el mundo miden con precisión el error del reloj satelital, y las correcciones se suben a los satélites y se transmiten en el mensaje de navegación. Los receptores aplican estas correcciones durante el cálculo de posición, por lo que el sistema tolera pequeñas derivas por satélite sin comprometer la precisión del usuario.
El GPS es uno de los pocos sistemas que debe tener en cuenta explícitamente tanto la relatividad general como la especial en sus operaciones. La relatividad general predice que los relojes marchan más rápido donde la gravedad es más débil. A la altitud del satélite GPS de unos 20.000 km, el potencial gravitatorio es mayor que en la superficie, haciendo que los relojes satelitales avancen unos 45,8 microsegundos por día más rápido que los relojes terrestres.
La relatividad especial, a su vez, predice que los relojes en movimiento rápido marcan más lento. Los satélites GPS orbitan a unos 3,87 km/s, lo que retrasa sus relojes unos 7,2 microsegundos por día. Los dos efectos combinados hacen que los relojes satelitales adelanten un neto de 38,6 microsegundos por día respecto a los relojes terrestres. Sin esta corrección, los errores de posición GPS se acumularían a unos 11,6 km por día, volviendo el sistema inutilizable en horas. El hecho de que el GPS funcione es una confirmación diaria y práctica de las predicciones de Einstein.
El tiempo GPS (GPST) comienza a las 00:00:00 UTC del 6 de enero de 1980 y avanza de forma continua sin segundos intercalares. A medida que se han insertado segundos intercalares en UTC a lo largo de las décadas, GPST ha acumulado un adelanto respecto a UTC. A 2026, GPST adelanta a UTC en 18 segundos. (En la época GPS de 1980, TAI adelantaba a UTC en 19 segundos, y GPST se definió como TAI menos 19 segundos.)
Los receptores GPS usan la información de desfase UTC del mensaje de navegación para convertir GPST a UTC. Este desfase se actualiza cada vez que se inserta un segundo intercalar. Tras la abolición de 2035, el desfase GPST-UTC se volverá permanente, y la conversión se reduce a una resta de constante fija, simplificando el firmware del receptor y el mantenimiento operativo.
El mensaje de navegación GPS representa las fechas como un número de semana más los segundos dentro de esa semana. El GPS original asignó 10 bits al número de semana, desbordando tras 1024 semanas (unos 19,7 años). El primer desbordamiento ocurrió el 21 de agosto de 1999, y algunos receptores antiguos reportaron fechas de 1980 debido a errores de firmware. El segundo desbordamiento ocurrió el 6 de abril de 2019.
Las señales GPS modernas (L2C, L5) extienden el número de semana a 13 bits, soportando 8192 semanas (unos 157 años). Sin embargo, los receptores antiguos y sistemas embebidos pueden seguir usando firmware que trata el número de semana como 10 bits. El próximo desbordamiento de 10 bits es en noviembre de 2038, coincidiendo de cerca con el problema Unix de 2038 y probablemente requiriendo remediación coordinada en muchos sistemas embebidos.
¿Te resultó útil este artículo?
Desde los relojes de fuente de cesio hasta los relojes de red óptica, la medición atómica del tiempo define el segundo y sustenta el GPS, las operaciones financieras y los experimentos de física. Este artículo explica los principios, los niveles de precisión alcanzados y por qué los relojes ultraestables son fundamentales para la infraestructura invisible.
Si el tiempo fluye o si el futuro es tan real como el pasado ha dividido a los filósofos durante milenios. Este artículo repasa la teoría A y la teoría B, el universo bloque, la flecha del tiempo, la relación entre el tiempo físico y la experiencia consciente, y lo que la filosofía del tiempo puede enseñarnos sobre la vida cotidiana.
Las teorías de la relatividad de Einstein demuestran que el tiempo no es absoluto. Este artículo explica la dilatación temporal debida a la velocidad y la gravedad mediante ejemplos concretos: las correcciones del GPS, la paradoja de los gemelos, el experimento del Tokyo Skytree y la extrema desaceleración cerca de los agujeros negros.