Historia del Sistema de Posicionamiento Global (GPS)

El proyecto GPS se lanzó en los Estados Unidos en 1973 para superar las limitaciones de los sistemas de navegación anteriores, combinando ideas de varios predecesores, incluidos estudios de diseño de ingeniería clasificados de la década de 1960. El Departamento de Defensa de los EE. UU. desarrolló el sistema, que originalmente usaba 24 satélites, para uso del ejército de los EE. UU., y entró en pleno funcionamiento en 1995. El uso civil se permitió a partir de la década de 1980. A Roger L. Easton del Laboratorio de Investigación Naval, Ivan A. Getting de The Aerospace Corporation y Bradford Parkinson del Laboratorio de Física Aplicada se les atribuye su invención. El trabajo de Gladys West se acredita como fundamental en el desarrollo de técnicas computacionales para detectar posiciones de satélites con la precisión necesaria para GPS.

El diseño del GPS se basa en parte en sistemas de radionavegación terrestres similares, como LORAN y Decca Navigator, desarrollados a principios de la década de 1940.

En 1955, Friedwardt Winterberg propuso una prueba de relatividad general: detectar la desaceleración del tiempo en un fuerte campo gravitacional utilizando relojes atómicos precisos colocados en órbita dentro de satélites artificiales. La relatividad especial y general predicen que los observadores de la Tierra verían que los relojes de los satélites GPS funcionan 38 microsegundos más rápido por día que los relojes de la Tierra. El diseño del GPS corrige esta diferencia; sin hacerlo, las posiciones calculadas por GPS acumularían hasta 10 kilómetros por día (6 mi/d) de error.

Antecesores

En 1955, el oficial naval holandés Wijnand Langeraar presentó una solicitud de patente para un sistema de navegación de largo alcance basado en radio, ante la oficina de patentes de EE. UU. el 16 de febrero de 1955, y se le concedió la patente US2980907A el 18 de abril de 1961.

Cuando la Unión Soviética lanzó el 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 decidieron monitorear sus transmisiones de radio. En cuestión de horas se dieron cuenta de que, debido al efecto Doppler, podían señalar dónde estaba el satélite a lo largo de su órbita. El Director de la APL les dio acceso a su UNIVAC para hacer los cálculos pesados ​​requeridos.

A principios del año siguiente, Frank McClure, subdirector de la APL, pidió a Guier y Weiffenbach que investigaran el problema inverso: identificar la ubicación del usuario dada la del satélite. (En ese momento, la Armada estaba desarrollando el misil Polaris lanzado desde un submarino, lo que requería que supieran la ubicación del submarino). Esto los llevó a ellos ya APL a desarrollar el sistema TRANSIT. En 1959, ARPA (rebautizada como DARPA en 1972) también desempeñó un papel en TRANSIT.

TRANSIT se probó con éxito por primera vez en 1960. Utilizaba una constelación de cinco satélites y podía proporcionar una posición de navegación aproximadamente una vez por hora.

En 1967, la Marina de los EE. UU. desarrolló el satélite Timation, que demostró la viabilidad de colocar relojes precisos en el espacio, una tecnología necesaria para el GPS.

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, se convirtió en el primer sistema de navegación por radio del mundo. Las limitaciones de estos sistemas impulsaron la necesidad de una solución de navegación más universal con mayor precisión.

Aunque existían amplias necesidades de navegación precisa en los sectores militar y civil, casi ninguna de ellas se consideró una justificación de los miles de millones de dólares que costaría en investigación, desarrollo, despliegue y operación de una constelación de satélites de navegación. Durante la carrera armamentista de la Guerra Fría, la amenaza nuclear a la existencia de los Estados Unidos fue la única necesidad que justificó este costo en opinión del Congreso de los Estados Unidos. Este efecto disuasorio es la razón por la que se financió el GPS. También es la razón del ultrasecreto en ese momento. La tríada nuclear consistió en los misiles balísticos lanzados desde submarinos (SLBM) de la Marina de los Estados Unidos junto con los bombarderos estratégicos y los misiles balísticos intercontinentales (ICBM) de la Fuerza Aérea de los Estados Unidos (USAF). Considerado vital para la postura de disuasión nuclear,

La navegación precisa permitiría a los submarinos de misiles balísticos de los Estados Unidos obtener una posición precisa de sus posiciones antes de lanzar sus SLBM. La USAF, con dos tercios de la tríada nuclear, también tenía requisitos para un sistema de navegación más preciso y confiable. La Marina de los EE. UU. y la Fuerza Aérea de los EE. UU. estaban desarrollando sus propias tecnologías en paralelo para resolver lo que era esencialmente el mismo problema.

Para aumentar la capacidad de supervivencia de los misiles balísticos intercontinentales, se propuso utilizar plataformas de lanzamiento móviles (comparables a los SS-24 y SS-25 soviéticos), por lo que la necesidad de fijar la posición de lanzamiento era similar a la situación de los SLBM.

En 1960, la Fuerza Aérea propuso un sistema de radionavegación llamado MOSAIC (Mobile System for Accurate ICBM Control) que era esencialmente un LORAN 3-D. En 1963 se realizó un estudio de seguimiento, el Proyecto 57, y fue "en este estudio donde nació el concepto de GPS". Ese mismo año, se persiguió el concepto como Proyecto 621B, que tenía "muchos de los atributos que ahora se ven en el GPS" y prometía una mayor precisión para los bombarderos de la Fuerza Aérea y los misiles balísticos intercontinentales.

Las actualizaciones del sistema TRANSIT de la Marina eran demasiado lentas para las altas velocidades de operación de la Fuerza Aérea. El Laboratorio de Investigación Naval (NRL) continuó avanzando con sus satélites Timation (Navegación en el tiempo), lanzados por primera vez en 1967, lanzados en segundo lugar en 1969, con el tercero en 1974 llevando el primer reloj atómico en órbita y el cuarto lanzado en 1977.

Otro predecesor importante 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 Sequential Collation of Range (SECOR) utilizado para estudios geodésicos. El sistema SECOR incluía tres transmisores terrestres en ubicaciones conocidas que enviarían señales al transpondedor satelital en órbita. Una cuarta estación terrestre, en una posición indeterminada, podría usar esas señales para fijar su ubicación con precisión. El último satélite SECOR se lanzó en 1969.

Desarrollo

Con estos desarrollos paralelos en la década de 1960, se dio cuenta de que se podía desarrollar un sistema superior sintetizando las mejores tecnologías de 621B, Transit, Timation y SECOR en un programa de servicios múltiples. Había que resolver los errores de posición orbital de los satélites, inducidos por variaciones en el campo de gravedad y la refracción del radar, entre otros. Un equipo dirigido por Harold L Jury de la División Aeroespacial de Pan Am en Florida de 1970 a 1973 utilizó la asimilación de datos en tiempo real y la estimación recursiva para hacerlo, reduciendo los errores sistemáticos y residuales a un nivel manejable para permitir una navegación precisa.

Durante el fin de semana del Día del Trabajo en 1973, una reunión de unos doce oficiales militares en el Pentágono discutió la creación de un Sistema de Satélites de Navegación de Defensa (DNSS). Fue en esta reunión que se creó la síntesis real que se convirtió en GPS. Más tarde ese año, el programa DNSS se llamó Navstar. Navstar a menudo se considera erróneamente un acrónimo de "NAVigation System Using Timing and Ranging", pero la Oficina del Programa Conjunto de GPS nunca lo consideró como tal (es posible que TRW haya abogado alguna vez por un sistema de navegación diferente que usara ese acrónimo). Con los satélites individuales asociados con el nombre Navstar (como con los predecesores Transit y Timation), se utilizó un nombre más completo para identificar la constelación de satélites Navstar,Navstar-GPS. Se lanzaron diez satélites prototipo del "Bloque I" entre 1978 y 1985 (una unidad adicional fue destruida en un lanzamiento fallido).

El efecto de la ionosfera en la transmisión de radio se investigó en un laboratorio de geofísica del Laboratorio de Investigación de Cambridge de la Fuerza Aérea, renombrado como Laboratorio de Investigación Geofísica de la Fuerza Aérea (AFGRL) en 1974. AFGRL desarrolló el modelo Klobuchar para calcular las correcciones ionosféricas para la ubicación del GPS. Cabe destacar el trabajo realizado por la científica espacial australiana Elizabeth Essex-Cohen en AFGRL en 1974. Estaba preocupada por la curvatura de los caminos de las ondas de radio (refracción atmosférica) que atraviesan la ionosfera desde los satélites NavSTAR.

Después de que el vuelo 007 de Korean Air Lines, un Boeing 747 que transportaba a 269 personas, fuera derribado en 1983 después de adentrarse en el espacio aéreo prohibido de la URSS, en las cercanías de las islas Sakhalin y Moneron, el presidente Ronald Reagan emitió una directiva que hace que el GPS esté disponible gratuitamente para uso civil. una vez suficientemente desarrollado, como bien común. El primer satélite del Bloque II se lanzó el 14 de febrero de 1989 y el satélite número 24 se lanzó en 1994. El costo del programa GPS en este momento, sin incluir el costo del equipo del usuario pero incluidos los costos de los lanzamientos de satélites, se ha estimado. en US $ 5 mil millones (equivalente a $ 9 mil millones en 2021).

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 con la firma del presidente Bill Clinton el 1 de mayo de 2000, una directiva de política para desactivar la disponibilidad selectiva para brindar a los civiles la misma precisión que se le brindaba a los militares. La directiva fue propuesta por el Secretario de Defensa de los EE. UU., 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 de EE. UU. estaba desarrollando activamente tecnologías para denegar el servicio de GPS a posibles adversarios a nivel regional.

Desde su implementación, EE. UU. ha implementado varias mejoras en el servicio GPS, incluidas nuevas señales para uso civil y una mayor precisión e integridad para todos los usuarios, al mismo tiempo que mantiene la compatibilidad con los equipos GPS existentes. 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 del mercado militar, civil y comercial.

A principios de 2015, los receptores GPS del Servicio de Posicionamiento Estándar (SPS) de grado FAA de alta calidad brindaban una precisión horizontal superior a 3,5 metros (11 pies), aunque muchos factores, como la calidad del receptor y la antena y los problemas atmosféricos, pueden afectar esta precisión.

El GPS es propiedad y está operado por el gobierno de los Estados Unidos como un recurso nacional. El Departamento de Defensa es el administrador del GPS. La Junta Ejecutiva Interinstitucional de GPS (IGEB, por sus siglas en inglés) supervisó los asuntos de política de GPS de 1996 a 2004. Después de eso, el Comité Ejecutivo Nacional de Cronometraje, Navegación y Posicionamiento Basados ​​en el Espacio fue establecido por directiva presidencial en 2004 para asesorar y coordinar los departamentos y agencias federales en asuntos relacionados con el GPS y los sistemas relacionados.El comité ejecutivo está presidido conjuntamente por los subsecretarios de Defensa y Transporte. Su membresía incluye funcionarios de nivel equivalente de los Departamentos de Estado, Comercio y Seguridad Nacional, el Estado Mayor Conjunto y la NASA. Los componentes de la oficina ejecutiva del presidente participan como observadores en el comité ejecutivo, y el presidente de la FCC participa como enlace.

El Departamento de Defensa de EE. UU. está obligado por ley a "mantener un Servicio de Posicionamiento Estándar (como se define en el plan federal de radionavegación y la especificación de la señal del servicio de posicionamiento estándar) que estará disponible de manera continua en todo el mundo" y "desarrollar medidas para prevenir el uso hostil del GPS y sus mejoras sin interrumpir o degradar indebidamente los usos civiles".

Cronología y modernización

Cuadra	Período de lanzamiento	Lanzamientos de satélites	Actualmenteen órbitay saludable.
Éxito_	Fallo_	Enpreparación	Planeado_
yo	1978-1985	10	1	0	0	0
II	1989-1990	9	0	0	0	0
IIA	1990-1997	19	0	0	0	0
IIR	1997-2004	12	1	0	0	7
IIR-M	2005-2009	8	0	0	0	7
IIF	2010-2016	12	0	0	0	12
IIIA	2018–	5	0	5	0	5
IIIF	—	0	0	0	22	0
Total	75	2	5	22	31
(Última actualización: 8 de julio de 2021)USA-203 del Bloque IIR-M no está en buen estadoPara obtener una lista más completa, consulte la Lista de satélites GPS

• En 1972, la Instalación Central de Pruebas de Orientación Inercial de la USAF (Holloman AFB) llevó a cabo pruebas de vuelo de desarrollo de cuatro prototipos de receptores GPS en una configuración Y sobre White Sands Missile Range, utilizando pseudosatélites terrestres.
• En 1978, se lanzó el primer satélite GPS Block-I experimental.
• En 1983, después de que un avión interceptor soviético 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 de EE. UU., Ronald Reagan, anunció que el GPS estaría disponible para uso civil una vez que estuviera terminado. aunque ya había sido publicado previamente en la revista Navigation, y que el código CA (Coarse/Acquisition code) estaría disponible para usuarios civiles.
• Para 1985, se habían lanzado diez satélites Block-I experimentales más para validar el concepto.
• A partir de 1988, el mando y control de estos satélites se trasladó de Onizuka AFS, California, al 2º Escuadrón de Control de Satélites (2SCS) ubicado en la Estación de la Fuerza Aérea Falcon en Colorado Springs, Colorado.
• El 14 de febrero de 1989 se lanzó el primer satélite Block-II moderno.
• La Guerra del Golfo de 1990 a 1991 fue el primer conflicto en el que los militares utilizaron ampliamente el GPS.
• En 1991, finalizó con éxito un proyecto para crear un receptor GPS en miniatura, reemplazando los receptores militares anteriores de 16 kg (35 lb) por un receptor de mano de 1,25 kg (2,8 lb).
• En 1992, el 2nd Space Wing, que originalmente administraba el sistema, fue desactivado y reemplazado por el 50th Space Wing.
• En diciembre de 1993, el GPS alcanzó la capacidad operativa inicial (IOC), con una constelación completa (24 satélites) disponible y proporcionando el Servicio de Posicionamiento Estándar (SPS).
• La Capacidad Operativa Total (FOC) fue declarada por el Comando Espacial de la Fuerza Aérea (AFSPC) en abril de 1995, lo que significa la disponibilidad total del Servicio de Posicionamiento Preciso (PPS) seguro de las fuerzas armadas.
• En 1996, reconociendo la importancia del GPS para los usuarios civiles y militares, el presidente de los EE. UU., Bill Clinton, emitió una directiva política que declaraba al GPS un sistema de doble uso y establecía una Junta Ejecutiva Interinstitucional de GPS para administrarlo como un activo nacional.
• En 1998, el vicepresidente de los Estados Unidos, Al Gore, anunció planes para actualizar el GPS con dos nuevas señales civiles para mejorar la precisión y confiabilidad del usuario, particularmente con respecto a la seguridad de la aviación, y en 2000 el Congreso de los Estados Unidos autorizó el esfuerzo, refiriéndose a él como 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 no degradada en todo el mundo.
• En 2004, el gobierno de los Estados Unidos firmó un acuerdo con la Comunidad Europea que establece 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 con el Comité Ejecutivo Nacional de Posicionamiento, Navegación y Cronometraje Basados ​​en el Espacio.
• Noviembre de 2004, Qualcomm anunció pruebas exitosas de GPS asistido para teléfonos móviles.
• En 2005, se lanzó el primer satélite GPS modernizado y comenzó a transmitir una segunda señal civil (L2C) para mejorar el rendimiento del usuario.
• 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.
• El 19 de mayo de 2009, la Oficina de Responsabilidad del Gobierno de los Estados Unidos emitió un informe advirtiendo que algunos satélites GPS podrían fallar en 2010.
• El 21 de mayo de 2009, el Comando Espacial de la Fuerza Aérea disipó los temores de falla del GPS y dijo: "Solo existe un pequeño riesgo de que no sigamos superando nuestro estándar de rendimiento".
• El 11 de enero de 2010, una actualización de los sistemas de control terrestre provocó una incompatibilidad de software con entre 8000 y 10 000 receptores militares fabricados por una división de Trimble Navigation Limited de Sunnyvale, California.
• El 25 de febrero de 2010, la Fuerza Aérea de los EE. UU. adjudicó el contrato para desarrollar el sistema de control operativo (OCX) de próxima generación GPS para mejorar la precisión y disponibilidad de las señales de navegación GPS y servir como una parte fundamental de la modernización del GPS.

Premios

El 10 de febrero de 1993, la Asociación Aeronáutica Nacional seleccionó al equipo GPS como ganadores del Trofeo Robert J. Collier de 1992, el premio de aviación más prestigioso de los EE. UU. Este equipo combina investigadores del Laboratorio de Investigación Naval, la USAF, la Corporación Aeroespacial, la Corporación Internacional Rockwell y la Compañía de Sistemas Federales de IBM. La mención los honra "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 MIT, sentó las bases para el GPS, mejorando el sistema de radio terrestre de la Segunda Guerra Mundial llamado LORAN (Long -range R adio A id to N avegation).
• Bradford Parkinson, profesor de aeronáutica y astronáutica en la Universidad de Stanford, concibió el actual sistema basado en satélites a principios de la década de 1960 y lo desarrolló junto con la Fuerza Aérea de EE. UU. Parkinson sirvió veintiún años en la Fuerza Aérea, de 1957 a 1978, y se retiró con el rango de coronel.

El desarrollador de GPS Roger L. Easton recibió la Medalla Nacional de Tecnología el 13 de febrero de 2006.

Francis X. Kane (Coronel USAF, jubilado) fue incluido en el Salón de la Fama de Pioneros de Misiles y Espacio de la Fuerza Aérea de EE. UU. en Lackland AFB, San Antonio, Texas, el 2 de marzo de 2010, por su papel en el desarrollo de tecnología espacial y la ingeniería. concepto de diseño de GPS realizado como parte del Proyecto 621B.

En 1998, la tecnología GPS se incluyó en el Salón de la Fama de la Tecnología Espacial de la Fundación Espacial.

El 4 de octubre de 2011, la Federación Astronáutica Internacional (IAF) otorgó al Sistema de Posicionamiento Global (GPS) su Premio del 60 Aniversario, nominado por el miembro de la IAF, el Instituto Estadounidense de Aeronáutica y Astronáutica (AIAA). 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.

El 6 de diciembre de 2018, Gladys West fue incluida en el Salón de la Fama de Pioneros de Misiles y Espacio 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.

El 12 de febrero de 2019, cuatro miembros fundadores del proyecto recibieron el Premio Reina Isabel de Ingeniería y el presidente de la junta de adjudicación declaró: "La ingeniería es la base de la civilización; no hay otra base; hace que las cosas sucedan. Y eso es exactamente lo que han hecho los laureados de hoy: han hecho que las cosas sucedan. Han reescrito, en gran medida, la infraestructura de nuestro mundo".