Sistema de Posicionamiento Global

Cuando la Unión Soviética lanzó su primer satélite artificial ( Sputnik 1 ) en 1957, dos físicos estadounidenses, William Guier y George Weiffenbach, del Laboratorio de Física Aplicada (APL) de la Universidad Johns Hopkins , monitorearon sus transmisiones de radio. ^{[ 23 ]} En cuestión de horas, se dieron cuenta de que, debido al efecto Doppler , podían determinar la posición del satélite en su órbita. El director del APL les dio acceso a su computadora UNIVAC I para realizar los complejos cálculos necesarios.

A principios del año siguiente, Frank McClure, subdirector del APL, pidió a Guier y Weiffenbach que investigaran el problema inverso: determinar la ubicación del usuario a partir de la del satélite. (En ese momento, la Armada estaba desarrollando el misil Polaris lanzado desde submarinos , lo que requería conocer la ubicación del submarino). Esto los llevó, junto con el APL, a desarrollar el sistema TRANSIT . ^{[ 24 ]} En 1959, ARPA (renombrada DARPA en 1972) también desempeñó un papel en TRANSIT. ^{[ 25 ] [ 26 ] [ 27 ]}

TRANSIT se probó con éxito por primera vez en 1960. ^{[ 28 ]} Utilizaba una constelación de cinco satélites y podía proporcionar una posición de navegación aproximadamente una vez por hora. En 1967, la Armada de los Estados Unidos desarrolló el satélite Timation , que demostró la viabilidad de colocar relojes precisos en el espacio, una tecnología necesaria para el GPS. ^{[ 29 ]}

En la década de 1970, el sistema de navegación terrestre OMEGA , basado en la comparación de fase de la transmisión de señales de pares de estaciones, ^{[ 30 ]} se convirtió en el primer sistema de radionavegación a nivel mundial. Las limitaciones de estos sistemas impulsaron la necesidad de una solución de navegación más universal y precisa.

Aunque existían amplias necesidades de navegación precisa en los sectores militar y civil, casi ninguna de ellas se consideró una justificación para los miles de millones de dólares que costaría la investigación, el desarrollo, el despliegue y la operación de una constelación de satélites de navegación. Durante la carrera armamentística de la Guerra Fría , la amenaza nuclear a la existencia de los Estados Unidos fue la única necesidad que, a juicio del Congreso de los Estados Unidos, sí justificó este costo. Este efecto disuasorio es la razón por la que se financió el GPS. ^{[ 31 ] [ 32 ] [ 33 ]} También es la razón del ultrasecreto de aquel entonces. La tríada nuclear consistía en los misiles balísticos lanzados desde submarinos (SLBM) de la Armada de los Estados Unidos junto con los bombarderos estratégicos y los misiles balísticos intercontinentales (ICBM) de la Fuerza Aérea de los Estados Unidos (USAF) . Considerada vital para la postura de disuasión nuclear , la determinación precisa de la posición de lanzamiento del SLBM era un multiplicador de fuerza .

La navegación precisa permitiría a los submarinos de misiles balísticos de Estados Unidos obtener una posición exacta antes de lanzar sus SLBM. ^{[ 34 ]} La USAF, con dos tercios de la tríada nuclear, también requería un sistema de navegación más preciso y fiable. La Armada y la Fuerza Aérea de Estados Unidos desarrollaban sus propias tecnologías en paralelo para resolver lo que era esencialmente el mismo problema. Para aumentar la capacidad de supervivencia de los ICBM, se propuso utilizar plataformas de lanzamiento móviles (comparables a las soviéticas SS-24 y SS-25 ), por lo que la necesidad de determinar la posición de lanzamiento era similar a la situación de los SLBM.

En 1960, la Fuerza Aérea propuso un sistema de radionavegación llamado MOSAIC (Sistema Móvil para el Control Preciso de Misiles Balísticos Intercontinentales), que era esencialmente un sistema LORAN tridimensional. En 1963 se realizó un estudio posterior, el Proyecto 57, y fue en este estudio donde nació el concepto de GPS. Ese mismo año, el concepto se desarrolló como el Proyecto 621B, que poseía muchas de las características que ahora se observan en el GPS ^{[ 35 ]} y prometía una mayor precisión para los bombarderos de la Fuerza Aérea de los Estados Unidos, así como para los misiles balísticos intercontinentales.

Las actualizaciones del sistema TRANSIT de la Armada eran demasiado lentas para las altas velocidades de las operaciones de la Fuerza Aérea. El Laboratorio de Investigación Naval (NRL) continuó realizando avances con sus satélites Timation (Navegación Temporal), el primero lanzado en 1967, el segundo en 1969, el tercero en 1974 llevando el primer reloj atómico a órbita y el cuarto lanzado en 1977. ^{[ 36 ]}

Otro importante precursor del GPS provino de una rama diferente del ejército de los Estados Unidos. En 1964, el Ejército de los Estados Unidos puso en órbita su primer satélite SECOR (Sequential Collation of Range), utilizado para levantamientos geodésicos. ^{[ 37 ]} El sistema SECOR incluía tres transmisores terrestres en ubicaciones conocidas que enviaban señales al transpondedor del satélite en órbita. Una cuarta estación terrestre, en una posición indeterminada, podía utilizar esas señales para determinar su ubicación con precisión. El último satélite SECOR se lanzó en 1969. ^{[ 38 ]}

Con estos desarrollos paralelos en la década de 1960, se pudo desarrollar un sistema superior mediante la síntesis de las mejores tecnologías de 621B, Transit, Timation y SECOR en un programa multiservicio. Era necesario resolver los errores de posición orbital de los satélites, inducidos por variaciones en el campo gravitatorio y la refracción del radar , entre otros factores. Un equipo liderado por Harold L. Jury de la División Aeroespacial de Pan Am en Florida, entre 1970 y 1973, utilizó la asimilación de datos en tiempo real y la estimación recursiva para lograrlo, reduciendo los errores sistemáticos y residuales a un nivel manejable que permitiera una navegación precisa. ^{[ 39 ]}

Durante el fin de semana del Día del Trabajo de 1973, una reunión de aproximadamente doce oficiales militares en el Pentágono discutió la creación de un Sistema de Navegación por Satélite de Defensa (DNSS) . Fue en esta reunión donde se creó la síntesis real que se convertiría en el GPS. Más tarde ese año, el programa DNSS fue denominado Navstar. ^{[ 40 ]} El nombre Navstar no era un acrónimo, sino que se eligió simplemente como una palabra que sonaba bien. ^{[ 41 ]} Dado que los satélites individuales estaban asociados con el nombre Navstar (al igual que sus predecesores Transit y Timation), se utilizó un nombre más completo para identificar la constelación de satélites Navstar, Navstar-GPS . ^{[ 42 ]} Se lanzaron diez satélites prototipo " Bloque I " entre 1978 y 1985 (una unidad adicional fue destruida en un fallo de lanzamiento). ^{[ 43 ]}

El efecto de la ionosfera en la transmisión de radio se investigó en un laboratorio de geofísica del Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea de Cambridge , renombrado como Laboratorio de Investigación Geofísica de la Fuerza Aérea (AFGRL) en 1974. El AFGRL desarrolló el modelo de Klobuchar para calcular correcciones ionosféricas a la ubicación GPS. ^{[ 44 ]} Cabe destacar el trabajo realizado por la científica espacial australiana Elizabeth Essex-Cohen en el AFGRL en 1974. Su investigación se centró en la curvatura de las trayectorias de las ondas de radio ( refracción atmosférica ) que atraviesan la ionosfera desde los satélites Navstar. ^{[ 45 ]}

Tras un trágico incidente en 1983 en el que el vuelo 007 de Korean Air Lines , un Boeing 747 con 269 personas a bordo, fue derribado por un avión interceptor soviético tras desviarse al espacio aéreo prohibido debido a errores de navegación, ^{[ 46 ]} en las proximidades de las islas Sajalín y Moneron , el presidente Ronald Reagan emitió una directiva que ponía el GPS a disposición del público, una vez suficientemente desarrollado, como un bien común. ^{[ 47 ]} El primer satélite Block II se lanzó el 14 de febrero de 1989, ^{[ 48 ]} y el vigésimo cuarto  satélite se lanzó en 1994. El coste del programa GPS en ese momento, sin incluir el coste del equipo de usuario pero incluyendo los costes de los lanzamientos de satélites, se ha estimado en 5.000 millones de dólares estadounidenses  (equivalente a 11.000 millones de dólares en 2025 ). ^{[ 49 ]}

Inicialmente, la señal de mayor calidad se reservaba para uso militar, y la señal disponible para uso civil se degradaba intencionalmente, en una política conocida como Disponibilidad Selectiva . Esto cambió el 1 de mayo de 2000, cuando el presidente de los Estados Unidos, Bill Clinton, firmó una directiva política para desactivar la Disponibilidad Selectiva y brindar a los civiles la misma precisión que se les brindaba a los militares. La directiva fue propuesta por el Secretario de Defensa de los Estados Unidos, William Perry , en vista del crecimiento generalizado de los servicios GPS diferenciales por parte de la industria privada para mejorar la precisión civil. Además, el ejército estadounidense estaba desarrollando tecnologías para negar el servicio GPS a posibles adversarios a nivel regional. ^{[ 50 ]} La Disponibilidad Selectiva se eliminó de la arquitectura GPS a partir del GPS-III.

Desde su despliegue, EE. UU. ha implementado varias mejoras al servicio GPS, incluyendo nuevas señales para uso civil y mayor precisión e integridad para todos los usuarios, manteniendo la compatibilidad con el equipo GPS existente. La modernización del sistema satelital ha sido una iniciativa continua del Departamento de Defensa de EE. UU. a través de una serie de adquisiciones de satélites para satisfacer las crecientes necesidades de las fuerzas armadas, los civiles y el mercado comercial. A principios de 2015, los receptores GPS del Servicio de Posicionamiento Estándar (SPS) de alta calidad proporcionaban una precisión horizontal mejor que 3,5 metros (11 pies) ^{[ 9 ]} , aunque muchos factores como la calidad del receptor y la antena y los problemas atmosféricos pueden afectar esta precisión. 

El GPS es propiedad del gobierno de los Estados Unidos y está operado por este como un recurso nacional. El Departamento de Defensa es el responsable del GPS. La Junta Ejecutiva Interinstitucional del GPS (IGEB) supervisó los asuntos de política del GPS desde 1996 hasta 2004. Posteriormente, en 2004, se estableció el Comité Ejecutivo Nacional de Posicionamiento, Navegación y Sincronización Basados ​​en el Espacio (NASC) mediante directiva presidencial para asesorar y coordinar a los departamentos y agencias federales en asuntos relacionados con el GPS y sistemas afines. ^{[ 51 ]} El comité ejecutivo está presidido conjuntamente por los Subsecretarios de Defensa y Transporte. Entre sus miembros se incluyen funcionarios de nivel equivalente de los Departamentos de Estado, Comercio y Seguridad Nacional, el Estado Mayor Conjunto y la NASA . Componentes de la oficina ejecutiva del presidente participan como observadores del comité ejecutivo, y el presidente de la FCC participa como enlace.

El Departamento de Defensa de los Estados Unidos está obligado por ley a "mantener un Servicio de Posicionamiento Estándar (tal como se define en el plan federal de radionavegación y en la especificación de la señal del servicio de posicionamiento estándar) que esté disponible de forma continua y mundial" y a "desarrollar medidas para prevenir el uso hostil del GPS y sus sistemas de aumento sin perturbar ni degradar indebidamente los usos civiles".

• En 1972, el Centro de Pruebas de Guía Inercial Central de la Fuerza Aérea de los EE. UU. (Base de la Fuerza Aérea Holloman) realizó pruebas de vuelo de desarrollo de cuatro receptores GPS prototipo en una configuración en Y sobre el Campo de Pruebas de Misiles de White Sands , utilizando pseudosatélites terrestres. ^{[ 56 ]}
• En 1978, se lanzó el primer satélite experimental GPS Bloque I. ^{[ 43 ]}
• En 1983, después de que un avión interceptor de la Unión Soviética derribara el avión civil KAL 007 que se desvió hacia el espacio aéreo prohibido debido a errores de navegación, matando a las 269  personas a bordo, el presidente estadounidense Ronald Reagan anunció que el GPS estaría disponible para usos civiles una vez que se completara, ^{[ 8 ] [ 57 ] [ 58 ]} aunque ya se sabía públicamente desde 1979 que el código CA (código de adquisición/aproximación) estaría disponible para usuarios civiles. ^{[ 59 ] [ 60 ]}
• Para 1985, se habían lanzado diez satélites experimentales más del Bloque I para validar el concepto.
• A partir de 1988, el mando y control de estos satélites se trasladó de la Base de la Fuerza Aérea Onizuka , California, al 2.º Escuadrón de Control de Satélites (2SCS), ubicado en la Base de la Fuerza Espacial Schriever en Colorado Springs, Colorado . ^{[ 61 ] [ 62 ]}
• El 14 de febrero de 1989 se lanzó el primer satélite moderno de la serie Block-II.
• La Guerra del Golfo de 1990 a 1991 fue el primer conflicto en el que los militares utilizaron ampliamente el GPS. ^{[ 63 ]}
• En 1991, el proyecto de DARPA para crear un receptor GPS en miniatura concluyó con éxito, reemplazando los receptores militares anteriores de 16 kg (35 lb) con un receptor GPS portátil totalmente digital de 1,25 kg (2,8 lb) . ^{[ 26 ]}    
• En 1991 se fundó TomTom , un fabricante holandés de sistemas de navegación por satélite.
• En 1992, la 2.ª Ala Espacial , que originalmente gestionaba el sistema, fue desactivada y reemplazada por la 50.ª Ala Espacial .
• En diciembre de 1993, el GPS alcanzó la capacidad operativa inicial (IOC), con una constelación completa (24 satélites) disponible y que proporcionaba el Servicio de Posicionamiento Estándar (SPS). ^{[ 64 ]}
• La Capacidad Operativa Plena (FOC, por sus siglas en inglés) fue declarada por el Comando Espacial de la Fuerza Aérea (AFSPC, por sus siglas en inglés) en abril de 1995, lo que significa la disponibilidad total del Servicio de Posicionamiento Preciso (PPS, por sus siglas en inglés) seguro de las fuerzas armadas. ^{[ 64 ]}
• En 1996, reconociendo la importancia del GPS para los usuarios civiles y militares, el presidente estadounidense Bill Clinton emitió una directiva política ^{[ 65 ]} que declaraba al GPS un sistema de doble uso y establecía una Junta Ejecutiva Interinstitucional del GPS para gestionarlo como un activo nacional.
• En 1998, el vicepresidente de Estados Unidos, Al Gore, anunció planes para actualizar el GPS con dos nuevas señales civiles para mejorar la precisión y la fiabilidad para el usuario, en particular con respecto a la seguridad aérea, y en 2000 el Congreso de Estados Unidos autorizó la iniciativa, denominándola GPS III .
• El 2 de mayo de 2000, la "Disponibilidad Selectiva" se suspendió como resultado de la orden ejecutiva de 1996, lo que permitió a los usuarios civiles recibir una señal sin degradación a nivel mundial.
• En 2004, el gobierno de Estados Unidos firmó un acuerdo con la Comunidad Europea para establecer la cooperación relacionada con el GPS y el sistema europeo Galileo .
• En 2004, el presidente de los Estados Unidos, George W. Bush, actualizó la política nacional y reemplazó la junta ejecutiva por el Comité Ejecutivo Nacional para el Posicionamiento, la Navegación y la Sincronización Basados ​​en el Espacio. ^{[ 66 ]}
• En noviembre de 2004, Qualcomm anunció pruebas exitosas de GPS asistido para teléfonos móviles . ^{[ 67 ]}
• En 2005, se lanzó el primer satélite GPS modernizado y comenzó a transmitir una segunda señal civil (L2C) para mejorar el rendimiento del usuario. ^{[ 68 ]}
• El 14 de septiembre de 2007, el antiguo sistema de control del segmento terrestre basado en mainframe se transfirió al nuevo Plan de Evolución de la Arquitectura. ^{[ 69 ]}
• El 19 de mayo de 2009, la Oficina de Responsabilidad Gubernamental de los Estados Unidos emitió un informe advirtiendo que algunos satélites GPS podrían fallar tan pronto como en 2010. ^{[ 70 ]}
• El 21 de mayo de 2009, el Comando Espacial de la Fuerza Aérea disipó los temores de fallas del GPS, diciendo: "Solo hay un pequeño riesgo de que no continuemos superando nuestro estándar de rendimiento". ^{[ 71 ]}
• El 11 de enero de 2010, una actualización de los sistemas de control terrestre provocó una incompatibilidad de software con entre 8.000 y 10.000 receptores militares fabricados por una división de Trimble Navigation Limited de Sunnyvale, California. ^{[ 72 ]}
• El 25 de febrero de 2010, ^{[ 73 ]} la Fuerza Aérea de los Estados Unidos adjudicó el contrato a Raytheon Company para desarrollar el Sistema de Control Operacional de Próxima Generación (OCX) del GPS para mejorar la precisión y la disponibilidad de las señales de navegación GPS y servir como una parte fundamental de la modernización del GPS.
• El 24 de julio de 2020, la operación de la constelación GPS se transfirió a la recién creada Fuerza Espacial de los Estados Unidos como parte de su establecimiento. ^{[ 74 ]}

  

• El 13 de octubre de 2023, la Fuerza Espacial activó el PNT Delta (Provisional) para gestionar los activos de guerra de navegación de EE . UU. Las operaciones 2SOPS y GPS se realinearon bajo este nuevo Delta . ^{[ 74 ]}

El 10 de febrero de 1993, la Asociación Nacional de Aeronáutica (NASA) seleccionó al Equipo GPS como ganador del Trofeo Robert J. Collier de 1992 , el premio de aviación más prestigioso de Estados Unidos. Este equipo está integrado por investigadores del Laboratorio de Investigación Naval, la Fuerza Aérea de Estados Unidos, la Corporación Aeroespacial , Rockwell International Corporation e IBM Federal Systems Company. La mención honorífica los reconoce "por el desarrollo más significativo para la navegación y vigilancia seguras y eficientes de aeronaves y naves espaciales desde la introducción de la radionavegación  hace 50 años".

Dos desarrolladores de GPS recibieron el Premio Charles Stark Draper de la Academia Nacional de Ingeniería en 2003:

• Ivan Getting , presidente emérito de The Aerospace Corporation e ingeniero del Instituto Tecnológico de Massachusetts , sentó las bases del GPS, mejorando el sistema de radio terrestre de la Segunda Guerra Mundial llamado LORAN (Long-Range Radio Aid to Navigation).
• Bradford Parkinson , profesor de aeronáutica y astronáutica en la Universidad de Stanford , concibió el actual sistema satelital a principios de la década de 1960 y lo desarrolló en colaboración con la Fuerza Aérea de los Estados Unidos. Parkinson sirvió veintiún años en la Fuerza Aérea, de 1957 a 1978, y se retiró con el rango de coronel.

El desarrollador del GPS, Roger L. Easton, recibió la Medalla Nacional de Tecnología el 13 de febrero de 2006. ^{[ 75 ]} Francis X. Kane (Coronel de la USAF, retirado) fue incorporado al Salón de la Fama de los Pioneros Espaciales y de Misiles de la Fuerza Aérea de los Estados Unidos en la Base de la Fuerza Aérea Lackland, San Antonio, Texas, el 2 de marzo de 2010, por su papel en el desarrollo de la tecnología espacial y el concepto de diseño de ingeniería del GPS realizado como parte del Proyecto 621B. En 1998, la tecnología GPS fue incorporada al Salón de la Fama de la Tecnología Espacial de la Fundación Espacial . ^{[ 76 ]}

El 4 de octubre de 2011, la Federación Internacional de Astronáutica (IAF) otorgó al Sistema de Posicionamiento Global (GPS) su Premio del 60.º Aniversario, nominado por el Instituto Americano de Aeronáutica y Astronáutica (AIAA), miembro de la IAF. El Comité de Honores y Premios de la IAF reconoció la singularidad del programa GPS y el papel ejemplar que ha desempeñado en la construcción de la colaboración internacional en beneficio de la humanidad. ^{[ 77 ]} El 6 de diciembre de 2018, Gladys West fue incorporada al Salón de la Fama de los Pioneros Espaciales y de Misiles de la Fuerza Aérea en reconocimiento a su trabajo en un modelo geodésico de la Tierra extremadamente preciso, que finalmente se utilizó para determinar la órbita de la constelación GPS. ^{[ 78 ] [ 79 ]} El 12 de febrero de 2019, cuatro miembros fundadores del proyecto recibieron el Premio Reina Isabel de Ingeniería, y el presidente del jurado declaró: «La ingeniería es la base de la civilización; ...Han reescrito, de manera significativa, la infraestructura de nuestro mundo». ^{[ 80 ]}

Cada satélite GPS transmite continuamente una señal ( onda portadora con modulación ) que incluye:

• Un código pseudoaleatorio (secuencia de unos y ceros) conocido por el receptor. Al alinear temporalmente una versión del código generada por el receptor con la versión medida por este, se puede determinar el tiempo de llegada (TOA) de un punto definido en la secuencia del código, denominado época, en la escala de tiempo del reloj del receptor.
• Un mensaje que incluye el tiempo de transmisión (TOT) de la época del código (en la escala de tiempo GPS) y la posición del satélite en ese momento.

Conceptualmente, el receptor mide los TOA (según su propio reloj) de cuatro señales satelitales. A partir de los TOA y los TOT, el receptor genera cuatro valores de tiempo de vuelo (TOF), que son (dada la velocidad de la luz) aproximadamente equivalentes a las distancias entre el receptor y los satélites más la diferencia de tiempo entre el receptor y los satélites GPS multiplicada por la velocidad de la luz, denominados pseudodistancias. A continuación, el receptor calcula su posición tridimensional y la desviación del reloj a partir de los cuatro TOF. ^{[ 85 ]}

En la práctica, la posición del receptor (en coordenadas cartesianas tridimensionales con origen en el centro de la Tierra) y el desfase del reloj del receptor con respecto a la hora GPS se calculan simultáneamente, utilizando las ecuaciones de navegación para procesar los TOF.

La ubicación de la solución geocéntrica del receptor se suele convertir a latitud , longitud y altura con respecto a un modelo terrestre elipsoidal. La altura puede convertirse posteriormente a altura con respecto al geoide , que es esencialmente el nivel medio del mar. Estas coordenadas pueden visualizarse, por ejemplo, en un mapa interactivo , o bien registrarse o utilizarse por algún otro sistema, como un sistema de guiado de vehículos. ^{[ 85 ]}

A partir de 2025, estos principios fundamentales se ven reforzados por la continua modernización de la constelación GPS con la introducción de los satélites GPS III y GPS IIIF. Estos satélites de última generación incorporan relojes atómicos más avanzados para una mayor precisión en la medición del tiempo y emiten señales más potentes, seguras e interoperables (como L1C, L2C y L5). ^{[ 86 ]} Esto mejora la precisión de las mediciones de tiempo de vuelo (TOF) y proporciona una mayor resistencia a las interferencias de señal, lo que aumenta la fiabilidad del cálculo de la posición para todos los usuarios. ^{[ 87 ]}

Aunque generalmente no se forman explícitamente en el procesamiento del receptor, las diferencias de tiempo de llegada (TDOA) conceptuales definen la geometría de la medición. Cada TDOA corresponde a un hiperboloide de revolución (véase Multilateración ). La línea que conecta los dos satélites involucrados (y sus extensiones) forma el eje del hiperboloide. El receptor se ubica en el punto donde se intersecan tres hiperboloides. ^{[ 88 ] [ 89 ]}

A veces se afirma erróneamente que la ubicación del usuario se encuentra en la intersección de tres esferas. Si bien es más fácil de visualizar, esto solo se cumple si el receptor tiene un reloj sincronizado con los relojes de los satélites (es decir, si el receptor mide las distancias reales a los satélites en lugar de las diferencias de distancia). El usuario que lleva un reloj sincronizado con los satélites obtiene ventajas de rendimiento significativas. La principal es que solo se necesitan tres satélites para calcular la posición. Si fuera esencial para el concepto GPS que todos los usuarios llevaran un reloj sincronizado, se podría desplegar un menor número de satélites, pero el costo y la complejidad del equipo del usuario aumentarían.

La descripción anterior representa una situación de arranque del receptor. La mayoría de los receptores cuentan con un algoritmo de seguimiento , a veces llamado rastreador , que combina conjuntos de mediciones satelitales recopiladas en diferentes momentos, aprovechando que las posiciones sucesivas del receptor suelen estar cerca unas de otras. Tras procesar un conjunto de mediciones, el rastreador predice la ubicación del receptor correspondiente al siguiente conjunto de mediciones satelitales. Al recopilar las nuevas mediciones, el receptor utiliza un esquema de ponderación para combinarlas con la predicción del rastreador. En general, un rastreador puede (a) mejorar la precisión de la posición y el tiempo del receptor, (b) descartar mediciones erróneas y (c) estimar la velocidad y la dirección del receptor.

La desventaja de un rastreador es que los cambios de velocidad o dirección solo se pueden calcular con un retardo, y que la dirección derivada se vuelve imprecisa cuando la distancia recorrida entre dos mediciones de posición cae por debajo o cerca del error aleatorio de la medición de posición. Las unidades GPS pueden usar mediciones del desplazamiento Doppler de las señales recibidas para calcular la velocidad con precisión. ^{[ 90 ]} Los sistemas de navegación más avanzados usan sensores adicionales como una brújula o un sistema de navegación inercial para complementar el GPS.

El GPS requiere que cuatro o más satélites sean visibles para una navegación precisa. ^{[ 91 ]} La solución de las ecuaciones de navegación proporciona la posición del receptor junto con la diferencia entre la hora registrada por el reloj interno del receptor y la hora real del día, eliminando así la necesidad de un reloj externo más preciso y posiblemente poco práctico. Las aplicaciones del GPS, como la transferencia de tiempo , la sincronización de semáforos y la sincronización de estaciones base de telefonía móvil , utilizan esta sincronización económica y de alta precisión. Algunas aplicaciones del GPS utilizan esta hora para la visualización o, salvo para los cálculos básicos de posición, no la utilizan en absoluto.

Aunque se requieren cuatro satélites para el funcionamiento normal, en casos especiales se necesitan menos. Si ya se conoce una variable, un receptor puede determinar su posición utilizando solo tres satélites. Por ejemplo, un barco en alta mar suele tener una elevación conocida cercana a 0  m , y la elevación de una aeronave puede ser conocida. ^{[ a ]} ​​Algunos receptores GPS pueden utilizar pistas o suposiciones adicionales, como reutilizar la última altitud conocida, la navegación a estima , la navegación inercial o incluir información del ordenador del vehículo, para proporcionar una posición (posiblemente degradada) cuando hay menos de cuatro satélites visibles. ^{[ 92 ] [ 93 ] [ 94 ]}

El segmento espacial (SS) está compuesto por entre 24 y 32 satélites, o vehículos espaciales (SV), en órbita terrestre media , e incluye también los adaptadores de carga útil a los propulsores necesarios para lanzarlos a órbita. ^{[ 98 ]} El diseño original del GPS contemplaba 24 SV, ocho en cada una de las tres órbitas  aproximadamente circulares , ^{[ 99 ]} pero esto se modificó a seis planos orbitales con cuatro satélites cada uno. ^{[ 100 ]} Los seis planos orbitales tienen una inclinación aproximada de 55° (inclinación relativa al ecuador terrestre ) y están separados por 60° de ascensión recta del nodo ascendente (ángulo a lo largo del ecuador desde un punto de referencia hasta la intersección de la órbita). ^{[ 101 ]} El período orbital es la mitad de un día sideral , aproximadamente 11 horas y 58 minutos, de modo que los satélites pasan por las mismas ubicaciones ^{[ 102 ]} o casi las mismas ubicaciones ^{[ 103 ]} todos los días. Las órbitas están dispuestas de manera que al menos seis satélites siempre estén dentro del alcance visual desde cualquier punto de la superficie terrestre (véase la animación a la derecha). ^{[ 104 ]} El resultado de este objetivo es que los cuatro satélites no están espaciados uniformemente (90°) dentro de cada órbita. En términos generales, la diferencia angular entre los satélites en cada órbita es de 30°, 105°, 120° y 105°, lo que suma 360°. ^{[ 105 ]}

Orbitando a una altitud de aproximadamente 20 200 km (12 600 mi) ; radio orbital de aproximadamente 26 600 km (16 500 mi) , ^{[ 106 ]} cada SV realiza dos órbitas completas cada día sideral , repitiendo la misma trayectoria terrestre cada día. ^{[ 107 ]} Esto fue muy útil durante el desarrollo porque incluso con solo cuatro satélites, la alineación correcta significa que los cuatro son visibles desde un mismo punto durante unas horas cada día. Para operaciones militares, la repetición de la trayectoria terrestre puede utilizarse para garantizar una buena cobertura en zonas de combate.    

A fecha de febrero de 2019 [ ^{108 ]} Hay 31 satélites en la constelación GPS, 27 de los cuales están en ^uso en un momento dado y el resto asignados como reserva. Un 32.º fue lanzado en 2018, pero a julio de 2019 todavía está en evaluación. Más satélites fuera de servicio están en órbita y disponibles como repuestos. Los satélites adicionales mejoran la precisión de los cálculos del receptor GPS al proporcionar mediciones redundantes. Con el aumento del número de satélites, la constelación se cambió a una disposición no uniforme. Se demostró que dicha disposición mejora la precisión, pero también mejora la confiabilidad y la disponibilidad del sistema, en relación con un sistema uniforme, cuando fallan varios satélites. ^{[ 109 ]} Con la constelación ampliada, nueve satélites son generalmente visibles en cualquier momento desde cualquier punto de la Tierra con un horizonte despejado, lo que garantiza una redundancia considerable sobre el mínimo de cuatro satélites necesarios para una posición.

El segmento de control (SC) está compuesto por:

1. una estación de control maestro (MCS),
2. una estación de control maestro alternativa,
3. cuatro antenas terrestres dedicadas y
4. seis estaciones de monitoreo dedicadas.

El MCS también puede acceder a las antenas terrestres de la Red de Control de Satélites (SCN) (para capacidad adicional de mando y control) y a las estaciones de monitoreo de la NGA ( Agencia Nacional de Inteligencia Geoespacial ). Las trayectorias de vuelo de los satélites son rastreadas por estaciones de monitoreo dedicadas de la Fuerza Espacial de EE. UU. en Hawái, el atolón de Kwajalein , la isla Ascensión , Diego García , Colorado Springs, Colorado y Cabo Cañaveral , Florida, junto con estaciones de monitoreo compartidas de la NGA operadas en Inglaterra, Argentina, Ecuador, Baréin, Australia y Washington, D.C. ^{[ 110 ]} La información de seguimiento se envía al MCS en la Base de la Fuerza Espacial Schriever a 25 km (16 mi) al ESE de Colorado Springs, que es operada por el 2.º Escuadrón de Operaciones Espaciales (2 SOPS) de la Fuerza Espacial de EE. UU. Luego, 2 SOPS contactan regularmente a cada satélite GPS con una actualización de navegación mediante antenas terrestres dedicadas o compartidas (AFSCN) (las antenas terrestres dedicadas al GPS se encuentran en Kwajalein , Isla Ascensión , Diego García y Cabo Cañaveral ). Estas actualizaciones sincronizan los relojes atómicos a bordo de los satélites con una precisión de nanosegundos y ajustan las efemérides del modelo orbital interno de cada satélite. Las actualizaciones se generan mediante un filtro de Kalman que utiliza datos de las estaciones de monitoreo terrestre, información meteorológica espacial y otros datos. ^{[ 111 ]}    

Cuando se ajusta la órbita de un satélite, este se marca como no operativo , por lo que los receptores no lo utilizan. Tras la maniobra, los ingenieros rastrean la nueva órbita desde tierra, cargan las nuevas efemérides y vuelven a marcar el satélite como operativo. El segmento de control de operaciones (OCS) actualmente funciona como el segmento de control oficial. Proporciona la capacidad operativa que da soporte a los usuarios de GPS y mantiene el sistema operativo y funcionando según las especificaciones.

En septiembre de 2007, el sistema OCS reemplazó la computadora central de la década de 1970 en la Base de la Fuerza Aérea Schriever. Tras su instalación, el sistema facilitó las actualizaciones y sentó las bases para una nueva arquitectura de seguridad que brindaba apoyo a las fuerzas armadas estadounidenses.

El OCS continuará siendo el sistema de control terrestre oficial hasta que el nuevo segmento, el Sistema de Control Operacional GPS de Próxima Generación ^{[ 11 ]} (OCX), esté completamente desarrollado y en funcionamiento. El Departamento de Defensa de EE. UU. ha afirmado que las nuevas capacidades que ofrece OCX serán la piedra angular para mejorar las capacidades de misión del GPS, lo que permitirá a la Fuerza Espacial de EE. UU. mejorar los servicios operacionales del GPS para las fuerzas de combate estadounidenses, los socios civiles y los usuarios nacionales e internacionales. ^{[ 112 ] [ 113 ]} El programa GPS OCX también reducirá los costos, el cronograma y el riesgo técnico. Está diseñado para proporcionar un ahorro del 50 % ^{[ 114 ]} en los costos de mantenimiento a través de una arquitectura de software eficiente y una logística basada en el rendimiento. Además, se espera que GPS OCX cueste millones de dólares menos que el costo de actualizar el OCS, al tiempo que proporciona cuatro veces la capacidad.

El programa GPS OCX representa una parte fundamental de la modernización del GPS y proporciona mejoras en la seguridad de la información con respecto al programa GPS OCS actual.

• OCX tendrá la capacidad de controlar y gestionar tanto los satélites GPS antiguos como la próxima generación de satélites GPS III, al tiempo que permitirá el uso de toda la gama de señales militares.
• Construido sobre una arquitectura flexible que puede adaptarse rápidamente a las necesidades cambiantes de los usuarios de GPS, permitiendo el acceso inmediato a los datos GPS y al estado de la constelación a través de información segura, precisa y fiable.
• Proporciona al combatiente información más segura, práctica y predictiva para mejorar el conocimiento de la situación.
• Permite el uso de nuevas señales modernizadas (L1C, L2C y L5) y cuenta con capacidad para códigos M, algo que el sistema anterior no puede hacer.
• Proporciona mejoras significativas en la seguridad de la información con respecto al programa actual, incluyendo la detección y prevención de ciberataques, así como el aislamiento, la contención y la operación durante dichos ataques.
• Admite capacidades y funcionalidades de mando y control de alto volumen y en tiempo casi real.

El 14 de septiembre de 2011, ^{[ 115 ]} la Fuerza Aérea de los Estados Unidos anunció la finalización de la Revisión Preliminar del Diseño del GPS OCX y confirmó que el programa OCX estaba listo para la siguiente fase de desarrollo. El programa GPS OCX no alcanzó hitos importantes y pospuso su lanzamiento hasta 2021, 5 años después de la fecha límite original. Según la Oficina de Contabilidad del Gobierno en 2019, la fecha límite de 2021 parecía incierta. ^{[ 116 ]}

El proyecto siguió retrasado en 2023 y (a junio de 2023) superaba en un 73 % su presupuesto estimado original. ^{[ 117 ] [ 118 ]} A finales de 2023, Frank Calvelli, subsecretario de la Fuerza Aérea para adquisiciones e integración espacial, declaró que se estimaba que el proyecto entraría en funcionamiento en algún momento del verano de 2024. ^{[ 119 ]}

La Fuerza Espacial de EE. UU. recibió los bloques I y II del sistema OCX del contratista RTX el 1 de julio de 2025, con más de ocho años de retraso y un sobrecoste aproximado de 4.000 millones de dólares debido a su desarrollo monolítico y a la constante incorporación de nuevas funcionalidades durante su desarrollo. Si se cumplen las estimaciones actuales de la Oficina de Responsabilidad Gubernamental, el nuevo sistema entrará en servicio en diciembre de 2025.

El OCX Block 3F se encuentra actualmente en desarrollo para permitir el comando y control de los satélites GPS IIIF, cuyo lanzamiento está previsto para comenzar en 2027. ^{[ 120 ]}

El segmento de usuarios (EE. UU.) está compuesto por cientos de miles de usuarios militares estadounidenses y aliados del Servicio de Posicionamiento Preciso GPS seguro, y decenas de millones de usuarios civiles, comerciales y científicos del Servicio de Posicionamiento Estándar. En general, los receptores GPS constan de una antena sintonizada a las frecuencias transmitidas por los satélites, procesadores receptores y un reloj de alta estabilidad (a menudo un oscilador de cristal ). También pueden incluir una pantalla para mostrar la ubicación y la velocidad al usuario.

Los receptores GPS pueden incluir una entrada para correcciones diferenciales, utilizando el formato RTCM SC-104. Normalmente, esta entrada se proporciona mediante un puerto RS-232 a una velocidad de 4800  bit/s. En realidad, los datos se envían a una velocidad mucho menor, lo que limita la precisión de la señal enviada mediante RTCM. ^{[ 121 ] [ 122 ]} Los receptores con receptores DGPS internos pueden superar en rendimiento a aquellos que utilizan datos RTCM externos. A partir de 2006Incluso las unidades de bajo costo suelen incluir receptores del Sistema de Aumentación de Área Amplia (WAAS).

Muchos receptores GPS pueden transmitir datos de posición a una PC u otro dispositivo mediante el protocolo NMEA 0183. Aunque este protocolo está definido oficialmente por la Asociación Nacional de Electrónica Marina (NMEA), ^{[ 123 ]} se han recopilado referencias a este protocolo a partir de registros públicos, lo que permite que herramientas de código abierto como gpsd lo lean sin infringir las leyes de propiedad intelectual. También existen otros protocolos propietarios, como los protocolos SiRF y MTK . Los receptores pueden interactuar con otros dispositivos mediante métodos como una conexión serial, USB o Bluetooth .

Muchas aplicaciones civiles utilizan uno o más de los tres componentes básicos del GPS: ubicación absoluta, movimiento relativo y transferencia de tiempo.

• Radioaficionados : la sincronización del reloj es necesaria para varios modos digitales como FT8 , FT4 y JS8; también se utiliza con APRS para informar sobre la posición; suele ser fundamental durante el apoyo a las comunicaciones en situaciones de emergencia y desastre.
• Atmósfera : estudio de los retrasos en la troposfera (recuperación del contenido de vapor de agua) y los retrasos en la ionosfera (recuperación del número de electrones libres). ^{[ 125 ]} Recuperación de los desplazamientos de la superficie terrestre debidos a la carga de presión atmosférica. ^{[ 126 ]}
• Astronomía : tanto los datos de posición como los de sincronización horaria se utilizan en astrometría y mecánica celeste y en la determinación precisa de órbitas. ^{[ 127 ]} El GPS también se utiliza tanto en la astronomía amateur con telescopios pequeños como por observatorios profesionales para encontrar planetas extrasolares .
• Vehículo automatizado : la aplicación de una ubicación precisa del vehículo, junto con mapas muy detallados , proporciona el contexto necesario para que los automóviles y camiones funcionen sin un conductor humano. ^{[ 128 ]}
• Cartografía : tanto los cartógrafos civiles como los militares utilizan el GPS de forma extensiva.
• Telefonía celular : la sincronización del reloj permite la transferencia de tiempo, fundamental para sincronizar sus códigos de propagación con otras estaciones base, facilitando así la transferencia entre celdas y brindando soporte para la detección híbrida de posición GPS/celular en llamadas de emergencia móviles y otras aplicaciones. Los primeros teléfonos con GPS integrado se lanzaron a finales de la década de 1990. La Comisión Federal de Comunicaciones de EE. UU . (FCC) exigió esta función en el teléfono o en las torres (para su uso en triangulación) en 2002, de modo que los servicios de emergencia pudieran localizar  a quienes llamaban al 911. Posteriormente, desarrolladores de software externos obtuvieron acceso a las API de GPS de Nextel tras su lanzamiento, seguidos por Sprint en 2006 y Verizon poco después.
• Sincronización de reloj : la precisión de las señales de tiempo GPS (±10  ns) ^{[ 129 ]} es solo superada por los relojes atómicos en los que se basan, y se utiliza en aplicaciones como osciladores disciplinados por GPS .
• Servicios de socorro en casos de desastre / servicios de emergencia : muchos servicios de emergencia dependen del GPS para la localización y la sincronización.
• Las radiosondas y radiosondas equipadas con GPS miden y calculan la presión atmosférica, la velocidad y la dirección del viento hasta a 27 km (89 000 pies) de la superficie terrestre.  
• Ocultación radioeléctrica para aplicaciones en meteorología y ciencias atmosféricas. ^{[ 130 ]}
• Seguimiento de flotas : se utiliza para identificar, localizar y mantener informes de contacto con uno o más vehículos de la flota en tiempo real.
• Geodesia : determinación de parámetros de orientación de la Tierra, incluyendo el movimiento polar diario y subdiario, ^{[ 131 ]} y las variabilidades de la duración del día, ^{[ 132 ]} el movimiento del centro de masas de la Tierra – geocentro, ^{[ 133 ]} y parámetros del campo gravitatorio de bajo grado. ^{[ 134 ]}
• Geovallado : los sistemas de seguimiento de vehículos , personas y mascotas utilizan GPS para localizar dispositivos que están sujetos o transportados por una persona, vehículo o mascota. La aplicación puede proporcionar seguimiento continuo y enviar notificaciones si el objetivo abandona un área designada (o "cercada"). ^{[ 135 ]}
• Geoetiquetado : aplica coordenadas de ubicación a objetos digitales como fotografías (en datos Exif ) y otros documentos con fines tales como crear superposiciones de mapas con dispositivos como Nikon GP-1 .
• Seguimiento de aeronaves por GPS
• GPS para minería: el uso de GPS RTK ha mejorado significativamente varias operaciones mineras, como perforación, excavación, seguimiento de vehículos y topografía. El GPS RTK proporciona una precisión de posicionamiento a nivel centimétrico. ^{[ 136 ] [ 137 ]}
• Minería de datos GPS: Es posible agregar datos GPS de múltiples usuarios para comprender patrones de movimiento, trayectorias comunes y ubicaciones de interés. ^{[ 138 ]} Los datos GPS se utilizan actualmente en el transporte y la ingeniería de desastres para pronosticar la movilidad en situaciones normales y de evacuación (por ejemplo, huracanes, incendios forestales, terremotos). ^{[ 139 ] [ 140 ] [ 141 ] [ 142 ]}
• Rutas GPS : la ubicación determina qué contenido se muestra; por ejemplo, información sobre un punto de interés próximo.
• Salud mental : seguimiento del funcionamiento de la salud mental y la sociabilidad. ^{[ 143 ]}
• Navegación : los navegantes valoran las mediciones digitales precisas de velocidad y orientación, así como las posiciones precisas en tiempo real con el apoyo de correcciones de órbita y reloj. ^{[ 144 ]}
• Determinación de la órbita de satélites de órbita baja con receptor GPS instalado a bordo, como GOCE , ^{[ 145 ]} GRACE , Jason-1 , Jason-2 , TerraSAR-X , TanDEM-X , CHAMP , Sentinel-3 , ^{[ 146 ]} y algunos cubesats, por ejemplo, CubETH .
• Mediciones fasoriales : El GPS permite un registro de tiempo muy preciso de las mediciones del sistema eléctrico, lo que posibilita el cálculo de fasores .
• Recreación : por ejemplo, geocaching , geodashing , dibujo GPS , marcadores de ruta y otros tipos de juegos móviles basados ​​en la ubicación, como Pokémon Go .
• Marcos de referencia : realización y densificación de los marcos de referencia terrestres ^{[ 147 ]} en el marco del Sistema Global de Observación Geodésica. Colocación espacial entre la medición láser por satélite ^{[ 148 ]} y las observaciones de microondas ^{[ 149 ]} para la derivación de parámetros geodésicos globales. ^{[ 150 ] [ 151 ]}
• Robótica : robots autónomos que navegan por sí mismos y utilizan sensores GPS, ^{[ 152 ]} que calculan la latitud, la longitud, el tiempo, la velocidad y el rumbo.
• Deporte: utilizado en fútbol y rugby para el control y análisis de la carga de entrenamiento. ^{[ 153 ]}
• Topografía : los topógrafos utilizan coordenadas absolutas para elaborar mapas y determinar los límites de las propiedades.
• Tectónica : El GPS permite la medición directa del movimiento de fallas en terremotos . Entre terremotos, el GPS se puede utilizar para medir el movimiento y la deformación de la corteza ^{[ 154 ]} para estimar la acumulación de tensión sísmica para crear mapas de peligro sísmico .
• Telemática : Tecnología GPS integrada con ordenadores y tecnología de comunicaciones móviles en sistemas de navegación para automóviles .

A partir de 2009, las aplicaciones militares del GPS incluyen:

• Navegación: Los soldados utilizan el GPS para localizar objetivos, incluso en la oscuridad o en territorio desconocido, y para coordinar el movimiento de tropas y suministros. En las fuerzas armadas de Estados Unidos, los comandantes utilizan el Asistente Digital del Comandante y los rangos inferiores utilizan el Asistente Digital del Soldado . ^{[ 156 ]}
• Coordinación de relojes de radio por salto de frecuencia: Los sistemas de radio militares que utilizan modos de salto de frecuencia , como SINCGARS y HAVEQUICK , requieren que todas las radios dentro de una red tengan la misma hora de entrada en sus relojes internos (+/-4 segundos en el caso de SINCGARS) para estar en la frecuencia correcta en un momento dado. Los receptores GPS militares, como el Receptor GPS Ligero de Precisión (PLGR) y el Receptor GPS Avanzado de Defensa (DAGR), son utilizados por los operadores de radio dentro de una red de radio para introducir correctamente la hora precisa en el reloj interno de dichas radios. Las radios militares más modernas tienen receptores GPS internos que sincronizan el reloj interno automáticamente.
• Seguimiento de objetivos: Diversos sistemas de armas militares utilizan GPS para rastrear posibles objetivos terrestres y aéreos antes de identificarlos como hostiles. ^{[ 157 ] [ 158 ]} Estos sistemas de armas transmiten las coordenadas de los objetivos a las municiones guiadas de precisión para que puedan atacarlos con exactitud. Las aeronaves militares, especialmente en misiones aire-tierra , utilizan GPS para localizar objetivos.
• Guía de misiles y proyectiles: El GPS permite apuntar con precisión diversas armas militares, incluidos misiles balísticos intercontinentales (ICBM) , misiles de crucero , municiones guiadas de precisión y proyectiles de artillería . Se han desarrollado receptores GPS integrados capaces de soportar aceleraciones de 12 000 g ^{[ 159 ]} o aproximadamente 118 km/s² ⁽ 260 000 mph/s) para su uso en proyectiles de obús de 155 milímetros (6,1 pulgadas) . ^{[ 160 ]}   
• Búsqueda y rescate.
• Reconocimiento: El movimiento de patrulla se puede gestionar con mayor precisión.
• Los satélites GPS llevan un conjunto de detectores de detonación nuclear que consisten en un sensor óptico llamado bhangmeter , un sensor de rayos X, un dosímetro y un sensor de pulso electromagnético (EMP) (sensor W), que forman una parte importante del Sistema de Detección de Detonación Nuclear de los Estados Unidos . ^{[ 161 ] [ 162 ]} El general William Shelton ha declarado que los futuros satélites podrían prescindir de esta función para ahorrar dinero. ^{[ 163 ]}

La navegación GPS se utilizó por primera vez en la guerra durante la Guerra del Golfo Pérsico de 1991 , antes de que el GPS se desarrollara por completo en 1995, para ayudar a las Fuerzas de la Coalición a navegar y realizar maniobras en el conflicto. La guerra también demostró la vulnerabilidad del GPS a las interferencias , cuando las fuerzas iraquíes instalaron dispositivos de interferencia en objetivos potenciales que emitían ruido de radio, interrumpiendo la recepción de la débil señal GPS. ^{[ 164 ]}

La vulnerabilidad del GPS a las interferencias es una amenaza que sigue creciendo a medida que aumenta el equipo y la experiencia en interferencias. ^{[ 165 ] [ 166 ]} Se ha informado que las señales GPS han sido interferidas muchas veces a lo largo de los años con fines militares. Rusia parece tener varios objetivos para este enfoque, como intimidar a los vecinos mientras socava la confianza en su dependencia de los sistemas estadounidenses, promover su alternativa GLONASS, interrumpir los ejercicios militares occidentales y proteger los activos de los drones. ^{[ 167 ]} China utiliza interferencias para desalentar a los aviones de vigilancia estadounidenses cerca de las disputadas Islas Spratly . ^{[ 168 ]} Corea del Norte ha llevado a cabo varias operaciones importantes de interferencia cerca de su frontera con Corea del Sur y en alta mar, interrumpiendo vuelos, transporte marítimo y operaciones pesqueras. ^{[ 169 ]} Las Fuerzas Armadas iraníes interrumpieron el GPS del avión de pasajeros civil Vuelo PS752 cuando derribaron la aeronave. ^{[ 170 ] [ 171 ]}

En la guerra ruso-ucraniana , las municiones guiadas por GPS suministradas a Ucrania por los países de la OTAN sufrieron importantes índices de fallo como consecuencia de la guerra electrónica rusa. La eficacia de los proyectiles de artillería Excalibur al alcanzar sus objetivos se redujo del 70 % al 6 % a medida que Rusia adaptaba sus actividades de guerra electrónica. ^{[ 172 ]}

Cada satélite GPS transmite continuamente un mensaje de navegación en las frecuencias L1 (C/A y P/Y) y L2 (P/Y) a una velocidad de 50 bits por segundo (ver tasa de bits). Cada mensaje completo tarda 750 segundos (12 + 1/2 minutos ) en completarse . La estructura del mensaje tiene un formato básico de una trama de 1500 bits compuesta por cinco subtramas, cada una de 300 bits (6 segundos) de duración. Las subtramas 4 y 5 se subconmutan 25 veces cada una, de modo que un mensaje de datos completo requiere la transmisión de 25 tramas completas. Cada subtrama consta de diez palabras, cada una de 30 bits de longitud. Por lo tanto, con 300 bits en una subtrama por 5 subtramas en una trama por 25 tramas en un mensaje, cada mensaje tiene una longitud de 37 500 bits. A una velocidad de transmisión de 50 bits/s, esto da 750 segundos para transmitir un mensaje de almanaque completo (GPS) . Cada fotograma de 30 segundos comienza precisamente en el minuto o medio minuto, según lo indique el reloj atómico de cada satélite. ^{[ 180 ]}

El primer subcuadro de cada trama codifica el número de semana y la hora dentro de la semana, ^{[ 181 ]} así como los datos sobre el estado del satélite. El segundo y el tercer subcuadro contienen las efemérides : los parámetros orbitales precisos del satélite. El cuarto y el quinto subcuadro contienen el almanaque , que incluye información aproximada sobre la órbita y el estado de hasta 32 satélites de la constelación, así como datos relacionados con la corrección de errores. Por lo tanto, para obtener una ubicación precisa del satélite a partir de este mensaje transmitido, el receptor debe demodular el mensaje de cada satélite incluido en su solución durante 18 a 30 segundos. Para recopilar todos los almanaques transmitidos, el receptor debe demodular el mensaje durante 732 a 750 segundos o ¹² + 1/2 minutos . [ ^{182 ]}

Todos los satélites transmiten en las mismas frecuencias, codificando las señales mediante acceso múltiple por división de código (CDMA) único, de modo que los receptores pueden distinguir los satélites individuales entre sí. El sistema utiliza dos tipos distintos de codificación CDMA: el código de adquisición gruesa (C/A), accesible al público en general, y el código preciso (P(Y)), que está cifrado de forma que solo el ejército estadounidense y otros países de la OTAN que hayan recibido acceso al código de cifrado puedan acceder a él. ^{[ 183 ]}

La efeméride se actualiza cada 2 horas y es suficientemente estable durante 4 horas, con la posibilidad de actualizaciones cada 6  horas o más en condiciones no nominales. El almanaque se actualiza normalmente cada 24  horas. Además, se cargan datos de las semanas siguientes en caso de que las actualizaciones de transmisión retrasen la carga de datos. ^{[ 184 ] [ 185 ]}

Todos los satélites transmiten en las mismas dos frecuencias, 1,57542  GHz (señal L1) y 1,2276  GHz (señal L2  ). La red satelital utiliza una técnica de espectro ensanchado CDMA ^{[ 186 ] : 607} donde los datos del mensaje de baja tasa de bits se codifican con una secuencia pseudoaleatoria (PRN) de alta tasa que es diferente para cada satélite. El receptor debe conocer los códigos PRN de cada satélite para reconstruir los datos reales del mensaje. El  código C/A, para uso civil, transmite datos a 1,023  millones de chips por segundo, mientras que el  código P, para uso militar estadounidense, transmite a 10,23  millones de chips por segundo. La referencia interna real de los satélites es 10,22999999543  MHz para compensar los efectos relativistas ^{[ 187 ] [ 188 ]} que hacen que los observadores en la Tierra perciban una referencia de tiempo diferente con respecto a los transmisores en órbita. La  portadora L1 se modula mediante los  códigos C/A y P, mientras que la  portadora L2 solo se modula mediante el  código P. ^{[ 105 ]} El  código P puede cifrarse como un  código P(Y), disponible únicamente para equipos militares con la clave de descifrado adecuada. Tanto el código C/A como el P(Y)  proporcionan al usuario la hora exacta del día.

La señal L3, con una frecuencia de 1,38105  GHz, se utiliza para transmitir datos desde los satélites a las estaciones terrestres. Estos datos son utilizados por el Sistema de Detección de Detonaciones Nucleares (NUDET) de Estados Unidos (USNDS) para detectar, localizar e informar sobre detonaciones nucleares (NUDET) en la atmósfera terrestre y en el espacio cercano. ^{[ 189 ]} Uno de sus usos es la aplicación de los tratados de prohibición de ensayos nucleares.

 Se está estudiando la banda L4 a 1,379913 GHz para una corrección ionosférica adicional. ^{[ 186 ] : 607}

La banda de frecuencia L5 a 1,17645  GHz se añadió durante el proceso de modernización del GPS. Esta frecuencia se encuentra dentro de un rango protegido internacionalmente para la navegación aeronáutica, lo que garantiza poca o ninguna interferencia en cualquier circunstancia. El primer satélite Block IIF que proporciona esta señal se lanzó en mayo de 2010. ^{[ 190 ]} El 5 de febrero de 2016 se lanzó el duodécimo y último satélite Block IIF. ^{[ 191 ]} La señal L5 consta de dos componentes portadoras que están en cuadratura de fase entre sí. Cada componente portadora se modula mediante modulación por desplazamiento de fase bifásica (BPSK) con un tren de bits independiente. «L5, la tercera señal GPS civil, eventualmente dará soporte a aplicaciones de seguridad vital para la aviación y proporcionará mayor disponibilidad y precisión». ^{[ 192 ]}

En 2011, LightSquared recibió una exención condicional para operar un servicio de banda ancha terrestre cerca de la banda L1. Si bien LightSquared había solicitado una licencia para operar en la banda de 1525 a 1559 MHz ya en 2003 y la había sometido a consulta pública, la FCC solicitó a LightSquared que formara un grupo de estudio con la comunidad GPS para probar receptores GPS e identificar posibles problemas derivados de la mayor potencia de la señal de la red terrestre de LightSquared. La comunidad GPS no se había opuesto a las solicitudes de LightSquared (anteriormente MSV y SkyTerra) hasta noviembre de 2010, cuando LightSquared solicitó una modificación a su autorización de Componente Terrestre Auxiliar (ATC). Esta solicitud (SAT-MOD-20101118-00239) equivalía a una petición para operar con varias órdenes de magnitud más de potencia en la misma banda de frecuencia para estaciones base terrestres, esencialmente reutilizando lo que se suponía que era un "vecindario silencioso" para señales del espacio como el equivalente a una red celular. Las pruebas realizadas en la primera mitad de 2011 demostraron que los efectos de los 10  MHz inferiores del espectro son mínimos para los dispositivos GPS (menos del 1% del total de dispositivos GPS se ven afectados). Los 10  MHz superiores destinados al uso de LightSquared pueden tener algún efecto en los dispositivos GPS. Existe cierta preocupación de que esto pueda degradar seriamente la señal GPS para muchos usos de consumo. ^{[ 193 ] [ 194 ]} La revista Aviation Week informa que las últimas pruebas (junio de 2011) confirman una "interferencia significativa" del GPS por parte del sistema de LightSquared. ^{[ 195 ]}

Debido a que todas las señales satelitales se modulan en la misma frecuencia portadora L1, es necesario separarlas después de la demodulación. Esto se logra asignando a cada satélite una secuencia binaria única conocida como código Gold . Las señales se decodifican después de la demodulación mediante la suma de los códigos Gold correspondientes a los satélites monitoreados por el receptor. ^{[ 196 ] [ 197 ]}

Si la información del almanaque se ha adquirido previamente, el receptor selecciona los satélites que debe escuchar mediante sus PRN, números únicos del  1 al 32. Si la información del almanaque no está en la memoria, el receptor entra en modo de búsqueda hasta que se obtiene una señal fija en uno de los satélites. Para obtener una señal fija, es necesario que haya una línea de visión directa y sin obstáculos entre el receptor y el satélite. El receptor puede entonces adquirir el almanaque y determinar los satélites que debe escuchar. A medida que detecta la señal de cada satélite, lo identifica por su  patrón de código C/A distintivo. Puede haber un retraso de hasta 30  segundos antes de la primera estimación de posición debido a la necesidad de leer los datos de las efemérides.

El procesamiento del mensaje de navegación permite determinar la hora de transmisión y la posición del satélite en ese momento. Para obtener más información, consulte Demodulación y decodificación avanzada .

El receptor utiliza los mensajes recibidos de los satélites para determinar las posiciones de los satélites y la hora de envío. Las componentes x, y, z de la posición del satélite y la hora de envío ( s ) se designan como [ x _i , y _i , z _i , s _i ], donde el subíndice i denota el satélite y tiene el valor 1, 2, ..., n , donde n  ≥  4. Cuando la hora de recepción del mensaje indicada por el reloj del receptor a bordo es${\displaystyle {\tilde {t}}_{i}}$, el tiempo de recepción real es${\displaystyle t_{i}={\tilde {t}}_{i}-b}$donde b es el sesgo del reloj del receptor con respecto a los relojes GPS mucho más precisos empleados por los satélites. El sesgo del reloj del receptor es el mismo para todas las señales satelitales recibidas (suponiendo que los relojes de los satélites estén perfectamente sincronizados). El tiempo de tránsito del mensaje es${\displaystyle {\tilde {t}}_{i}-b-s_{i}}$donde s _i es el tiempo del satélite. Suponiendo que el mensaje viajó a la velocidad de la luz , c , la distancia recorrida es${\displaystyle \left({\tilde {t}}_{i}-b-s_{i}\right)c}$.

Para n satélites, las ecuaciones que deben satisfacerse son:

${\displaystyle d_{i}=\left({\tilde {t}}_{i}-b-s_{i}\right)c,\;i=1,2,\dots ,n}$

donde d _i es la distancia geométrica o rango entre el receptor y el satélite i (los valores sin subíndices son las componentes x, y y z de la posición del receptor):

${\displaystyle d_{i}={\sqrt {(x-x_{i})^{2}+(y-y_{i})^{2}+(z-z_{i})^{2}}}}$

Definir pseudorangos como${\displaystyle p_{i}=\left({\tilde {t}}_{i}-s_{i}\right)c}$Vemos que son versiones sesgadas del rango real:

${\displaystyle p_{i}=d_{i}+bc,\;i=1,2,...,n}$. ^{[ 198 ] [ 199 ]}

Dado que las ecuaciones tienen cuatro incógnitas [ x, y, z, b ] —las tres componentes de la posición del receptor GPS y el sesgo del reloj—, se necesitan señales de al menos cuatro satélites para intentar resolverlas. Se pueden resolver mediante métodos algebraicos o numéricos. Abell y Chaffee analizan la existencia y unicidad de las soluciones GPS. ^{[ 88 ]} Cuando n es mayor que cuatro, este sistema está sobredeterminado y debe utilizarse un método de ajuste .

La magnitud del error en los resultados varía según la ubicación de los satélites recibidos en el cielo, ya que ciertas configuraciones (cuando los satélites recibidos están muy cerca unos de otros en el cielo) provocan errores mayores. Los receptores suelen calcular una estimación continua del error en la posición calculada. Esto se logra multiplicando la resolución básica del receptor por cantidades denominadas factores de dilución geométrica de la posición (GDOP), calculados a partir de las direcciones relativas en el cielo de los satélites utilizados. ^{[ 200 ]} La ubicación del receptor se expresa en un sistema de coordenadas específico, como latitud y longitud utilizando el datum geodésico WGS 84 o un sistema específico del país. ^{[ 201 ]}

Las ecuaciones del GPS pueden resolverse mediante métodos numéricos y analíticos. Las interpretaciones geométricas pueden mejorar la comprensión de estos métodos de solución.

Esferas

Las distancias medidas, denominadas pseudodistancias, contienen errores de reloj. En una idealización simplificada en la que las distancias están sincronizadas, estas distancias reales representan los radios de esferas, cada una centrada en uno de los satélites transmisores. La solución para la posición del receptor se encuentra entonces en la intersección de las superficies de estas esferas; véase trilateración (o, más generalmente, multilateración de distancia real). Se requieren señales de al menos tres satélites, y sus tres esferas normalmente se intersectarían en dos puntos. ^{[ 202 ]} Uno de los puntos es la ubicación del receptor, y el otro se mueve rápidamente en mediciones sucesivas y normalmente no estaría en la superficie de la Tierra.

In practice, there are many sources of inaccuracy besides clock bias, including random errors as well as the potential for precision loss from subtracting numbers close to each other if the centers of the spheres are relatively close together. This means that the position calculated from three satellites alone is unlikely to be accurate enough. Data from more satellites can help because of the tendency for random errors to cancel out and also by giving a larger spread between the sphere centers. But at the same time, more spheres will not generally intersect at one point. Therefore, a near intersection gets computed, typically via least squares. The more signals available, the better the approximation is likely to be.

Hyperboloids

If the pseudorange between the receiver and satellite i and the pseudorange between the receiver and satellite j are subtracted, p_i − p_j, the common receiver clock bias (b) cancels out, resulting in a difference of distances d_i − d_j. The locus of points having a constant difference in distance to two points (here, two satellites) is a hyperbola on a plane and a hyperboloid of revolution (more specifically, a two-sheeted hyperboloid) in 3D space (see Multilateration). Thus, from four pseudorange measurements, the receiver can be placed at the intersection of the surfaces of three hyperboloids each with foci at a pair of satellites. With additional satellites, the multiple intersections are not necessarily unique, and a best-fitting solution is sought instead.^{[88][89][203][204][205][206]}

Inscribed sphere

La posición del receptor puede interpretarse como el centro de una esfera inscrita (inesfera) de radio bc , dada por el sesgo del reloj del receptor b (escalado por la velocidad de la luz c ). La ubicación de la inesfera es tal que toca otras esferas. Las esferas circunscritas están centradas en los satélites GPS, cuyos radios son iguales a las pseudodistancias medidas p _i . Esta configuración es distinta de la descrita anteriormente, en la que los radios de las esferas eran las distancias no sesgadas o geométricas d _i . ^{[ 205 ] : 36–37 [ 207 ]}

El análisis de errores del GPS examina las fuentes de error en los resultados del GPS y la magnitud esperada de dichos errores. El GPS realiza correcciones para los errores del reloj del receptor y otros efectos, pero algunos errores residuales permanecen sin corregir. Las fuentes de error incluyen mediciones del tiempo de llegada de la señal, cálculos numéricos, efectos atmosféricos (retrasos ionosféricos/troposféricos), efemérides y datos del reloj, señales multitrayecto e interferencias naturales y artificiales. La magnitud de los errores residuales de estas fuentes depende de la dilución geométrica de la precisión. Los errores artificiales pueden resultar de dispositivos de interferencia y amenazar a barcos y aeronaves ^{[ 215 ]} o de la degradación intencional de la señal mediante disponibilidad selectiva, que limitaba la precisión a ≈ 6–12 m (20–40 ft) , pero que se ha desactivado desde el 1 de mayo de 2000. ^{[ 216 ] [ 217 ]}