🛰️ Susurros desde el espacio
Sobre cómo funciona el GPS, y su aplicación para seguir rutas de senderismo, gestión de flotas y coches conectados
Bienvenidos y bienvenidas al quinto boletín del Gran Círculo, el lugar donde se encuentra la geografía con la geometría. En entregas anteriores vimos cómo las herramientas de geocodificación permitían traducir direcciones postales a un par de coordenadas en un mapa. Esto es perfecto para conocer la localización de un lugar donde queremos ir. Sin embargo, ¿cómo sabe nuestro dispositivo móvil dónde nos encontramos? Como todo el mundo sabe, esto se consigue gracias a los Sistemas Globales de Localización Satélite (GNSS por sus siglas en inglés), y de estos el más famoso es sin duda el GPS.
En esta newsletter conoceremos el funcionamiento del sistema GPS, y cómo gracias a unos débiles susurros desde el espacio, podemos adivinar nuestra posición en el planeta y cómo empresas como Wikiloc o Inspide han podido desarrollar su modelo de negocio gracias a esta tecnología en el mundo del senderismo y el automóvil respectivamente.
Relojes atómicos, esferas imaginarias y códigos desplazados
El origen y la historia del GPS (Sistema de Posicionamiento Global en inglés), como muchos de los avances en cartografía y tecnología geoespacial, están íntimamente relacionados con la industria militar. Aunque podríamos remontarnos al lanzamiento de Sputnik, el primer satélite puesto en órbita de la Historia por la URSS, como germen del proyecto, es en una reunión durante el Día del Trabajo de 1973 donde se definió la arquitectura del GPS, con Brad Parkinson como principal impulsor1.
La iniciativa tuvo muchos problemas que superar. Los más importantes fueron la competencia con otros sistemas de navegación existentes, la falta de financiación y las peleas internas dentro del Departamento de Defensa norteamericano. Finalmente, tras el éxito que provocó su uso en la Guerra del Golfo de 1991 y la eliminación de la Disponibilidad Selectiva (o SA por sus siglas en inglés)2, el GPS tal y como lo conocemos hoy en día empezó a ser utilizado por cualquier persona en prácticamente cualquier lugar de la Tierra.
El GPS consiste en tres segmentos o partes. El primero es el espacial, compuesto por una constelación de 31 satélites operativos. Dentro de cada uno de ellos se encuentra un reloj atómico de altísima precisión. Estos satélites, de acuerdo a la información que se puede encontrar en GPS.gov, se encuentran orbitando la Tierra a unos 20.183 Km de altitud en la denominada órbita circular intermedia (MEO por sus siglas en inglés), dando una vuelta a la Tierra cada 12 horas. Su número y distribución permiten que siempre haya al menos cuatro satélites a la vista desde cualquier punto de la superficie terrestre. Todos los satélites GPS transmiten en las mismas dos frecuencias (de 1575.42 MHz y 1227.6 MHz) y en un ancho de banda muy amplio. Pero esto último provoca que la señal sea débil, impidiendo que los GPS funcionen en interiores, bajo el dosel bosque frondoso o en una calle rodeada por edificios altos, el denominado efecto de "cañón urbano". La transmisión contiene una secuencia pseudoaleatoria (PRN por sus siglas en inglés) que identifica al satélite, datos sobre la posición y el tiempo gracias a los relojes atómicos a bordo, y por último información sobre la órbita del satélite.
Los dispositivos GPS consiguen calcular la localización gracias a la denominada trilateración. Éste método, en lugar de utilizar los ángulos como la triangulación, la trilateración se vale de la distancia de cada uno de los satélites al receptor. Para ello construye "esferas imaginarias". En principio sólo con la conexión de tres satélites sería suficiente, sin embargo, la señal del cuarto satélite permite ajustar y resolver los problemas derivados de la poca precisión de los relojes usados por los teléfonos móviles y otros dispositivos GPS.
La distancia es obtenida a través de un ingenioso circuito electrónico llamado "shift register" o registro de desplazamiento3. El GPS tiene el código o secuencia pseudoaleatoria binaria (de ceros y unos) única para cada satélite. Cuando una señal llega al receptor, el GPS compara su código interno y el del satélite. Esta comparación se realiza calculando todos los posibles shifts o desplazamientos que se hayan podido producir hasta conseguir la combinación perfecta. La cantidad de shifts revela el tiempo o delay de la señal hasta llegar al recibidor. Si los relojes de ambos instrumentos estuvieran perfectamente sincronizados sólo se necesitan tres satélites, pero como este no es el caso, como hemos citado más arriba, es necesario un cuarto satélite para eliminar esta pequeña diferencia.
Si no te ha quedado claro este mecanismo, un símil que funciona muy bien es el de cambiar señales por canciones. Cada satélite tiene su propia canción. El GPS que sabe de antemano qué canción corresponde a cada satélite, descarta todas excepto una. Entonces comprueba en qué punto de la canción le ha llegado la señal, y el tiempo transcurrido entre el inicio y este punto equivaldrá a la distancia entre el satélite y el receptor.
Pero esta no es toda la historia. Los GPS de nuestros smartphones y tablets son ayudados por las antenas de telefonía móvil gracias a dos piezas de información fundamentales: la hora y qué satélites se encuentran más cercanos. El primer dato permite el funcionamiento del propio teléfono y de la mayoría de sus aplicaciones. Y el segundo, consigue reducir el tiempo de geolocalización. Sin embargo, en muchas ocasiones nuestros dispositivos no tienen la opción de GPS activada, nos encontramos en lugares como un bosque o interiores con escasa o nula cobertura de GPS, o simplemente estamos usando un ordenador o portátil sin esta funcionalidad. En estos casos la localización se realiza por triangulación Wi-Fi, mientras que el GPS computa la posición geográfica usando como referencia la distancia a cada uno de los satélites, este proceso utiliza la intensidad de la señal Wi-Fi de los routers más cercanos4.
Rutas, flotas y coches conectados
Como muchos de los entrevistados y entrevistadas han apuntado en este boletín en varias ocasiones, la liberación de ciertas tecnologías geoespaciales (como el GPS) o bases de datos geográficas (como OpenStreetMap) han facilitado la emergencia de nuevas industrias y la mejora de otras más convencionales, llevándolas a un nivel de optimización nunca visto.
Uno de los sectores que más se han visto beneficiados es el de las actividades al aire libre. He tenido la suerte de entrevistar a Jose Molina, Lead Engineer en Wikiloc. La aplicación de rutas por excelencia en nuestro país, nació de la necesidad de su fundador, Jordi Ramot, por "compartir con los demás las rutas que realizaba en bicicleta de montaña, poder ver sobre un mapa por dónde pasaban y poder guardar un recuerdo". El lector o lectora seguro que ha seguido alguna ruta o incluso subido algún recorrido. En mi caso, subí muchas de mis excursiones por la Sierra de Guara durante la época que viví en Huesca. Recuerdo que el trazado de waypoints lo capturaba con Oruxmaps y luego lo subía a la plataforma de Wikiloc. Aunque, como me comentaba Jose, cuando Wikiloc empezó a andar, "la tecnología era muy diferente. Por aquel entonces solo existían unidades GPS de mano y debías extraer el track manualmente con un ordenador y un cable conectado a un puerto serie. ¡No era para nada una tarea sencilla!". Desde entonces Wikiloc ha crecido superando los nueve millones de usuarios y más de 32 millones rutas subidas por sus usuarios y usuarias.
Jose Molina me explicó cómo han cambiado las actividades outdoor y el turismo gracias al GPS, "solo debemos fijarnos en cómo ha cambiado la forma de planificar un viaje o movernos por una ciudad desconocida. Desde buscar una dirección, encontrar un comercio o visitar un lugar, a pie, en bici o en coche… Ya ni nos acordamos del mapa en papel o del hecho de preguntar a un desconocido". Me cuesta imaginar un mundo sin GPS. Jose opina parecido. "Seguramente podríamos vivir sin él, sin móvil, y sin TV… Pero como con todos los grandes avances, nos acostumbramos a ellos y a sus ventajas, por lo que el hecho de tener que volver atrás implicaría muchos cambios en nuestras rutinas y en los negocios que han crecido alrededor de su uso."
Le pregunté a Jose si recibían quejas de usuarios sobre rutas o mapas mal hechos, como yo había recibido en su día trabajando para el soporte de CARTO (aunque muchos de los problemas venían de los llamados territorios disputados). Me respondió que "en Wikiloc se puede contactar con el autor de una ruta, dejar un comentario en ella y poner valoraciones". Nosotros solíamos decir lo mismo, pero claro, no es lo mismo un mapa viral con información geopolítica falsa, que un track que te dice que acaba en un acantilado. Wikiloc consigue jerarquizar y ordenar las rutas gracias a la tecnología y a los propios usuarios y usuarias. "También disponemos de un algoritmo, al que llamamos TrailRank, que ayuda a ponderar las rutas. En general, gracias a la comunidad y al TrailRank, se van destacando los mejores contenidos".
Hace justo dos años, muchos de nosotros nos encerramos en casa para contener la COVID. Jose Molina me contó cómo impactaron los confinamientos de 2020 a la plataforma de Wikiloc. "Nos afectó mucho. Pero, así como la bajada fue de golpe, la subida también lo fue. Con la desescalada, todos necesitábamos ese aire, ese reencuentro con la naturaleza. ¡El crecimiento fue sorprendente!". Los satélites del sistema GPS nos estaban esperando.
Nuestro segundo entrevistado, José Gómez Castaño, CSO en Inspide, una compañía española que se apoya en su tecnología Portall para dotar de geointeligencia a su plataforma de productos y servicios, nos contó la necesidad de aplicar ciertos algoritmos propios para enriquecer y mejorar la geolocalización dada por los GPS en su solución para gestión de flotas. En palabras de José Gómez Castaño, "esta mejora y corrección es fundamental para garantizar un dato fiable a los conductores, además de la base para dar servicio a otras empresas".
José me contó que en su día la gestión de flotas consistía en poco más que planificación de rutas y "un seguimiento rudimentario". Sin embargo, en Inspide "utilizamos la localización de los vehículos, en tiempo real, para llevar a cabo análisis más intensos, como la detección de rebases de velocidad y la medición de dónde se producen, cuánto se alargan en el tiempo, las previsiones de tiempos de llegada, las incidencias que un autobús puede encontrar en su recorrido o el estudio de rutas peligrosas o de alto consumo. Sin duda, la analítica de recorridos ha revolucionado la gestión de flotas tradicional". Los autobuses de Alsa se benefician desde hace años de la gestión de flotas desarrollada por Inspide, con los datos de sus 3.500 vehículos en tiempo real pueden hacer predicciones de tiempos de llegada y detectar anormalidades de los servicios.
Otro de los clientes más importantes de Inspide es la DGT (Dirección General de Tráfico) en España. En estos últimos años la compañía ha ido desarrollando plataformas de seguridad vial hasta llegar a DGT 3.0. Ésta última empezará a funcionar en 2025 gracias a la llegada del coche conectado. Los fabricantes de coches han ido introduciendo sensores, entre ellos el GPS, que les ha permitido mejorar el funcionamiento y conducción de los vehículos. Sin embargo, éstas eran mejoras de puertas para dentro. "El vehículo se conectaba con el exterior, pero estaba aislado de otros vehículos. Con el coche conectado, existe una comunicación entre los propios vehículos, entre vehículos y elementos de la infraestructura viaria e incluso con plataformas de software. El vehículo deja de ser un elemento aislado y pasa a estar conectado con todo su entorno". El tráfico en las carreteras se trasladará al tráfico en la nube gracias a la plataforma DGT 3.0. Pero no sólo el tráfico, sino todo "un contexto alrededor de los vehículos que les facilite la toma de decisiones. Un reto tecnológico, normativo y de innovación", según José.
Hemos visto cómo el GPS nos permite localizarnos sobre la superficie terrestre, ya sea haciendo actividades al aire libre o conduciendo. Estos susurros espaciales nos ayudan a conocer nuestra posición en el mundo a una escala relativamente grande. En el siguiente boletín, intentaré explicar cómo los seres vivos, y los humanos en particular, conseguimos entender el espacio a nuestro alrededor y así poder movernos a través de él.
Milner, G. 2017. Pinpoint: How GPS is changing technology, culture, and our minds. W. W. Norton & Company. 322 pp. Tanto Milner como Ceruzzi han sido una fuente de muchos de los datos y citas en la primera parte de esta newsletter.
La Disponibilidad Selectiva (o SA por sus siglas en inglés) es un error aleatorio que daba una precisión de unos 100 m para aplicaciones civiles frente a los 3-5 m de los militares, anunciado por Al Gore en mayo del 2000.
Ceruzzi, P. E. 2018. GPS. The MIT Press. 218 pp.
Shekhar, S. and Vold, P. 2019. Spatial Computing. The MIT Press. 231 pp.