Detectar señales GPS
- Solo existen alrededor de 30 satélites GPS para dar servicio a toda la Tierra. Es un diseño similar a cómo el DNS mundial parte de 13 servidores raíz.
- Las señales GPS siempre están presentes a nuestro alrededor, sin importar la altitud o el clima. Si entiendes el lenguaje de las ondas electromagnéticas que atraviesan nuestro cuerpo, puedes conocer tu ubicación precisa en cualquier momento y lugar.
- El GPS es uno de los proyectos de geoingeniería más audaces que la humanidad ha intentado hasta ahora. Con una antena y determinación, puedes percibir sus huellas.
Señales GPS débiles
- La potencia de la señal emitida por los satélites GPS es del nivel de un foco doméstico, pero cuando llega a la superficie terrestre se vuelve extremadamente débil.
- Es como ver la luz de un foco a 20 mil km de distancia parpadeando un millón de veces por segundo. Pero incluso ese débil parpadeo puede detectarse, decodificarse, entenderse y usarse de forma útil.
- Como la señal GPS es muy débil, es difícil cobrar por el servicio GPS. Desde la perspectiva del satélite, simplemente envía la señal.
Escuchar señales GPS
- El GPS se transmite por ondas electromagnéticas, es decir, algo similar a la radio. La frecuencia es un factor importante.
- Para recibir señales GPS se necesita una radio definida por software (SDR) ajustada a la frecuencia GPS.
- Si configuras la SDR y ajustas el bias tee, AGC, la corrección IQ y otros parámetros, puedes explorar el espectro.
Captar una señal débil
- La señal GPS que llega a la superficie es 100 mil veces más débil que el ruido circundante. Es decir, está a más de 50 dB por debajo del ruido térmico.
- Aun así, el GPS puede identificar y decodificar la señal dentro del ruido mediante técnicas de procesamiento de señales.
- El GPS usa un código C/A que conocen tanto el satélite como el receptor. El satélite lo retransmite 1000 veces por segundo.
- El receptor sigue acumulando la señal recibida y la compara con la señal C/A esperada. El ruido converge a un promedio de 0 y la señal C/A se vuelve cada vez más grande.
- A esto se le llama espectro ensanchado por secuencia directa, y para aplicarlo a múltiples satélites se usa la técnica de acceso múltiple por división de código.
- Sobre el código C/A se transportan los datos reales. El C/A se transmite a 1 millón de bits por segundo y los datos a 50 bits por segundo.
Generación del código C/A
- Cada satélite GPS tiene su propio código C/A único. Está definido en la especificación civil de GPS.
- Hay muchos métodos en línea para generar el código C/A, pero poco código real, así que comparte el código que generó directamente.
Detección de señales de satélites GPS
- El receptor crea copias de los códigos C/A de 32 satélites y las correlaciona con los datos recibidos por la antena.
- La señal recibida presenta distorsiones como corrimiento Doppler y diferencias de fase.
- El receptor debe considerar el código C/A de cada satélite, el rango esperado de corrimiento Doppler, las diferencias de fase y más.
- La etapa de detección tiene una gran carga computacional. Se ha investigado mucho sobre optimización.
- La correlación se realiza en el dominio de la frecuencia para manejar de una vez la diferencia de fase y el corrimiento Doppler.
- Se busca por búsqueda binaria el corrimiento Doppler que muestra la correlación más fuerte.
Opinión de GN⁺
- El GPS es una tecnología impresionante, pero es una combinación refinada de tecnologías existentes. No es una tecnología nueva revolucionaria.
- También es posible recibir GPS con hardware dedicado, pero que ahora pueda hacerse por software es un gran avance. Parece probable que siga acelerándose la tendencia a reemplazar funciones de hardware por software.
- Que la señal GPS sea débil puede ayudar a la seguridad. Hace más difícil la interferencia intencional o el spoofing.
- El GPS surgió como tecnología militar, pero al abrirse al uso civil las áreas de aplicación crecieron de forma explosiva. Hacer pública y compartir una tecnología acelera la innovación.
- Los primeros receptores GPS eran grandes y caros, pero ahora están dentro de los smartphones. Muestra el proceso en que la tecnología avanza, se masifica, baja de precio y se miniaturiza.
1 comentarios
Comentarios de Hacker News
Los receptores modernos de muestreo directo de RF funcionan a velocidades suficientes para procesar señales GPS, y ya existen productos como Xilinx RFSoC o FlexRIO de NI. Aun así, siguen siendo bastante caros.
El GPS se lanzó en 1978 y hoy más de la mitad de la población vive sin conocer una época sin GPS. Hasta el año 2000 estuvo activa la función Selective Availability, que reducía deliberadamente la precisión, así que no fue de mucha ayuda en la vida diaria.
La velocidad con la que gypsum determina la ubicación desde un cold start en menos de 1 minuto es superior a la de los receptores comerciales actuales. Los primeros receptores comerciales del pasado tardaban entre 15 y 20 minutos en fijar la posición.
Antes, los receptores GPS capaces de navegar mientras se movían a más de 600 m/h estaban clasificados por ITAR como material militar. Hoy las regulaciones se han vuelto más complejas, así que no está claro si todavía aplica.
Si tomas fotos en pleno vuelo con un iPhone, después de aterrizar las fotos quedan registradas con información de ubicación, lo que permite buscar más tarde algún terreno que te haya dado curiosidad.
El GPS funciona incluso en modo avión, y también sin red móvil ni wifi. Como lo opera Estados Unidos y puede cortar el servicio en regiones específicas si lo necesita, varios países están desarrollando sus propios sistemas de navegación por satélite.
Los satélites GPS no transmiten ubicación, sino solo información de tiempo. Es interesante que la navegación astronómica también dependa de un tiempo preciso.
En YouTube se pueden ver el libro "GPS Declassified", que describe de forma interesante el proceso de desarrollo del GPS, y el documental "The Lonely Halls Meeting", que entrevista a sus desarrolladores.