¿Por qué algunas veces el GPS del coche se equivoca colocándote en el desvío equivocado, pensando que estás conduciendo por un río o atravesando mágicamente un edificio? Pocas personas saben que los efectos de la ionosfera –una capa invisible de la atmósfera– sobre las señales de los satélites pueden ser los causantes de este problema. Afectan a la precisión de los navegadores entre unos pocos metros y decenas de ellos, según la intensidad de su campo. Por suerte, recientemente unos científicos de Google han ideado un curioso montaje con el que se pueden paliar estos efectos gracias a los teléfonos Android.
El funcionamiento del GPS
Para determinar la posición de un coche con el Sistema de Posicionamiento Global (GPS) o alguno de sus equivalentes –Galileo, Glonass– se necesitan al menos cuatro señales de satélites diferentes. ¿Por qué cuatro? Tres de ellas calculan la ubicación exacta en un plano tridimensional del vehículo, esto es: latitud, longitud y altitud sobre el nivel del mar. La cuarta señal sincroniza el reloj interno del receptor con el de los satélites.
¿Para qué se necesita el reloj? Esta sincronización es crucial, porque los GPS funcionan midiendo el tiempo que tarda la señal radioeléctrica en llegar desde el satélite hasta el receptor, a unos 300.000 km/s… Incluso unos pocos milisegundos suponen metros y metros de error. Por desgracia esa velocidad de las señales puede variar un poco según las capas de la atmósfera que atraviesen, como cuando un rayo de luz atraviesa el agua.
Para entender mejor la importancia de estas mediciones basta saber que los GPS van equipados con relojes atómicos de altísima precisión, pero ni aun así es suficiente. Se ha de tener en cuenta la teoría de la relatividad de Einstein para hacer unos ajustes. (Además de eso, sabemos que nuestro planeta no es exactamente esférico, sino que está ligeramente achatado por los polos –el radio en el ecuador son 6.378,137 km y en los polos 6.356,752 km– y esto también ha de tenerse en cuenta.)
Los satélites del GPS se mueven a 14.000 km/h respecto a la superficie, así que según la relatividad especial de Einstein debido a la contracción temporal por la velocidad marcan un tiempo aproximadamente 7 microsegundos más lento. Además de eso, orbitan a unos 20.000 km de distancia a la Tierra, donde la gravedad es mucho más débil. Según la relatividad general, el tiempo avanza más rápido allá arriba que en la superficie; el caso es que marcan el tiempo 45 microsegundos más rápido por día. El efecto combinado es que los relojes en los satélites terminan marcando el tiempo 38 microsegundos más rápido por día que los relojes en la superficie terrestre y deben ajustarse constantemente para que al multiplicarlo por la velocidad de la señal se obtenga el lugar exacto con el mínimo error.
La ionosfera terrestre
La ionosfera es una capa de la atmósfera situada entre los 50 y 400 km de altitud, aunque sus efectos se notan sobre todo alrededor de los 80 km. Está compuesta por partículas con carga eléctrica (iones). Aunque es muy útil como protección y para otras cosas, por desgracia actúa como obstáculo para las señales de satélites, ralentizándolas y distorsionándolas cuando la atraviesan. Esas interferencias varían según diversos factores, tan peregrinos como la hora del día, la estación del año o la actividad solar. Por eso, los científicos intentan crear mapas de la ionosfera y mantenerlos actualizados en todo momento.
Tradicionalmente se han utilizado estaciones de monitorización para el mapeado de la ionosfera. Allí hay antenas de alta precisión, receptores de las señales de los satélites y relojes atómicos con los cuales se pueden obtener medidas sumamente precisas. El problema es que estas estaciones son pocas y caras; a diferencia de las meteorológicas hay menos de 10.000 en todo el mundo; en algunas regiones como África, la India y el sudeste asiático apenas hay unas decenas o cientos para grandes áreas.
Android al rescate
En el trabajo publicado por Google en la revista Nature (‘Mapping the ionosphere with millions of phones‘) se explica el ingenioso método que han desarrollado como solución alternativa: utilizar las señales que reciben los teléfonos Android, menos precisas pero mucho más numerosas. En este sentido, los terminales Android se comportan como una red de sensores distribuidos. En el trabajo explican cómo la suma de todas estas mediciones ofrece un nivel de detalle comparable o superior al de las estaciones de monitorización tradicionales.
En las pruebas se utilizaron 100.000 teléfonos Android, frente a las 9.000 estaciones convencionales, con buenos resultados, captando fenómenos de actividad electromagnética que resultaron invisibles para la red tradicional, por ejemplo, en la zona de la India, donde hay pocas estaciones.
Cuando se comparan las gráficas de las mediciones del sistema de Google y el tradicional de las estaciones de monitorización se ve cómo son similares, pero el de Google y los Android es más preciso y presenta menor varianza. Las mediciones con los teléfonos móviles se hacen a cada minuto mientras que las estaciones lo hacen cada 30 segundos, pero ni aun así. Algo interesante es que como se conoce el número de la «red de sensores» que conforman la red de móviles se puede estimar en todo momento cuál es su precisión y tasa de error, adjuntándolo a los datos.
La información definitiva se incorpora en una base de datos donde se indican los posibles desplazamientos de la señal, de modo que los sistemas GPS de los coches, en forma normalmente de mapas de navegación, pueden consultarlos con antelación para hacer un «ajuste fino» de la posición. Si sabes que un día concreto la señal que llega a una ciudad está desplazada 4 metros al noroeste, ¿por qué no aprovecharlo para mejorar la posición en el mapa? Consultar esa base de datos es gratis, además.
Lo más interesante de esta cuestión es que la ionosfera, y su efecto de distorsión de las señales GPS, pronto no será un obstáculo tan problemático como hasta ahora. Millones de móviles Android podrían ayudar a mapear esta capa de la atmósfera con mucha más precisión, mejorando nuestra navegación diaria y contribuyendo al conocimiento científico. Cada vez que consultes tu GPS y funcione bien, sabrás que detrás de esa precisión hay un poco de ciencia, un toque de tecnología y, quién sabe, tal vez tu propio móvil trabajando en equipo.
