GPS y drones

Durante muchos años los GPS habían sido magia negra para mi, hasta hoy que recién pude entender cómo y por qué funcionan, Y resulta que la magia negra es un asunto increíblemente sencillo.

¿Cómo puede funcionar?
Como buen electrónico, yo no me explicaba cómo era posible que un teléfono celular o incluso esos minúsculos GPS para el auto que vende Aliexpress pueden funcionar con satélite ¿como tiene potencia un teléfono para transmitir una señal que llegue hasta un satélite?

Yo pensaba que los GPS funcionaban así: envío una señal de radio desde mi aparato a tres satélites y estos hacen una triangulación para saber donde me encuentro. Estaba completamente equivocado, no funciona así la cosa.

Resulta que no mandamos ninguna señal de radio al satélite sino que recibimos una señal que el satélite nos manda. Todo electrónico sabe que para mandar una señal se necesita muchísima más energía que para recibirla, por eso los transmisores de FM y televisión tienen plantas transmisoras de gran potencia.

En cambio podemos recibir esa señal en una radio a baterías, porque bast recibir señales infinitesimalmente débiles para que en nuestro receptor la amplifiquemos y podamos captarla. Por eso recibimos la FM con aparatos muy pequeños, pero las platas transmisoras deben tener gran potencia.

Eso es lo primero, nosotros no mandamos señal al satélite sino que la recibimos y podemos hacerlo con un receptor de mínima energía como un celular, un reloj de pulsera o cualquier cosa por el estilo.

En principio es ridículamente simple
¿Y qué es la señal que envía el satélite? Es muy simple, básicamente transmite dos datos que son su nombre o identificación y la hora exacta en que se está enviando la señal, los GPS son simplemente relojes muy exactos que transmiten constantemente qué hora es.

¿Para qué necesitamos saber la hora? Porque desde la altura a que están los satélites la señal de radio -que viaja a la velocidad de la luz- demora un tiempo infinitesimal en llegarnos. Como distancia es tiempo multiplicado por velocidad el satélite puede determinar la distancia exacta en que nos encontramos.

Como el satélite tiene una ubicación conocida en el espacio y podemos saber la distancia midiendo el tiempo que se demora en llegar la señal, esto nos permite calcular nuestra posición en algún punto dentro de una esfera.

Si recibimos una segunda señal ya podemos saber que nuestra posición está en un área donde una esfera y un círculo se intersectan y si agregamos una tercera señal este círculo se convierte en un punto único que es exactamente donde estamos ubicados. 

Así es como si conocemos nuestra distancia respecto de tres satélites  (midiendo muy precisamente lo que demora la señal en llegarnos) podemos calcular nuestra latitud, longitud y altura (azimut creo que se llama) sobre la esfera terrestre.

Pero el diablo está en los detalles
Así  es como funciona a grandes rasgos. Ahora hay una serie de complicaciones que dificultan el cálculo preciso, una de ellas es la exactitud extrema que se necesita en los relojes, porque diminutas inexactitudes dan cientos de kilómetros de error.

Los satélites llevan relojes atómicos extremadamente exactos, pero nuestro GPS o celular tiene osciladores de cuarzo baratos. Por eso se usa la señal de un cuarto satélite que permite calcular el error de nuestro reloj en tiempo real: 4 ecuaciones, 4 incógnitas.

Además tenemos los efectos relativistas. Los satélites se mueven a 14.000 km/h y por la relatividad especial sabemos que la velocidad hace que el reloj del satélite corra más lento, Además tenemos  el campo gravitatorio de la tierra que mientras más alto estamos es más débil, lo que hace -según la relatividad general- que el reloj del satélite corra más rápido respecto del nuestro.

Estos dos efectos producen un error acumulado de más de 11 kiñçometros. Para evitar estos errores se ajusta la velocidad del reloj atómico del satélite antes de lanzarlo al espacio para que corra ligeramente más lento que lo normal.

Las capas atmosféricas, el rebote de las señales en edificios, los espacios cerrados que no dejan pasar las señales de muy alta frecuencia, la buena distribución de los satélites (por eso hay tantos) son cosas que afectan la precisión pero todas se resuelven colocando más satélites, mientras más, mejor.

Igual que la tele o una emisora FM
Lo importante es entender que los satélites solo transmiten y nuestros GPS solo reciben, los satélites no tienen idea de nosotros porque todo el cálculo se hace dentro del GPS. 

Es igual que escuchar una radio de FM que irradia su señal a todas partes con un potente equipo, y cada uno la puede recibir con pequeños receptores, es igualito. Por eso podemos tener un GPS diminuto que apenas necesita potencia de baterías.

¿Y por qué se dice entonces que un celular con el GPS encendido consume más la batería que con el mismo apagado? No es porque esté transmitiendo, sino porque está haciendo millones de cálculos en milisegundos de posición y distancias, eso es lo que gasta la batería, no hay ninguna transmisión.

El uso en la guerra
Ya sabemos que el GPS está en todas partes: autos, barcos, aviones, celulares y mil aplicaciones más. Pero hay unas aplicaciones muy importantes que son las que se usan en la guerra. Es fundamental que los vehículos que se mueven en zonas de combate puedan ser posicionados con exactitud, lo mismo los soldados.

Pero existen unas armas que dependen mucho más de los GPS que son los drones de todo tipo. Para controlar un dron podemos hacerlo con una señal de radio o -mucho mejor- podemos darle las coordenadas del objetivo para el GPS. Eso los convierte en armas imparables, mucho más peligrosos que cualquier misil hipersónico o lo que sea.

Lo estamos viendo en la guerra de Ucrania: los drones se guían principalmente de distintas maneras: están los que son piloteados remotamente como un avión (first person view FPV) que pueden guiarse por radio o con un gran carrete de fibra óptica muy fina que les da 30 o más kilómetros de alcance.

Las señales de radio se pueden interferir y los drones de fibra óptica tienen muy corto alcance, pero son muy mortíferos. Gracias a esos hoy en día ya desaparecieron los grandes avances terrestres, son imposibles cuando las fuerzas están cerca, por eso la infantería y las columnas blindadas pasaron de moda. 

¿Y qué tienen que ver con esto los GPS?
Esta es la clave, para ataques a larga distancia -digamos a miles de kilómetros- se usan drones guiados por GPS. Si el dron conoce su posición en cada segundo no necesita ser piloteado, se les marca el destino y como mucho se hacen unas pocas correcciones en el vuelo. Esos son los que están ganando la guerra a Rusia ahora.

¿Por qué Ucrania si y Rusia no? La clave de el éxito masivo de ataques con drones grandes. miles de kilómetros al interior de Rusia es al uso del GPS y Rusia no puede usar ahora la constelación de satélites de Starlink desde que reforzaron la encripción de sus canales.

Rusia tiene 24 satélites de su red GLONASS, equivalente al GPS occidental, pero esos no sirven para guiar los drones porque son de órbita alta y están muy limitados en el volumen de datos que pueden transmitir simultáneamente.

GLONASS es perfectamente útil para los grandes misiles Iskander y cosas por el estilo, pero no sirve para drones ni para manejar el enorme volúmen de datos que se requieren para guiar la artillería, las bombas merodeadoras y las operaciones terrestres de guerra. 

Una ventaja enorme
Esa es una ventaja abismante de Ucrania en este momento, algo que nadie esperaba porque ellos desarrollaron y afinaron sus drones para maximizar el uso eficaz de las señales de Starlink, que son cientos de satélites de órbita baja (una ventaja fundamental).

El sistema de GPS y la transmisión de datos en aplicaciones de guerra no tiene que ver con las empresas dueñas de los satélites, los satélites emiten señales que cualquiera puede captar... pero el detalle es que para usos militares Starlink en este caso codifica sus señales y con la criptografía moderna eso es prácticamente imposible de romper.

Además si la constelación es de 24 satélites las señales de GPS pueden interferirse dentro de cierta área, pero si son varios cientos eso se hace mucho más difícil: es mucho más fácil esquivar una bala que una nube de perdigones.

En esto cantidad es calidad
Muchos países tienen constelaciones para GPS con entre 20 y 30 satélites que cubren todo el mundo, pero eso no es suficiente en la era de los drones en que estamos entrando. En ese sentido Ucrania y sus ingenieros cambiaron la guerra toralmente al encontrar manera de sacar la máxima ventaja de Starlink.

Y ojo, que en una hipotética guerra futura donde los drones sean el arma fundamental, la constelación de Starlink, propiedad de un privado bastante lunático, será una herramienta fundamental que -al menos por un buen tiempo- no va a tener competencia. 

El oso quedó ciego, sordo y mudo porque las señales que antes recibía de la constelación de cientos de satélites de Starlink ya no pueden piratearla como lo hicieron por mucho tiempo. Rusia tiene apenas una pequeña 

Volviendo al Siglo XVI
Todos los países están conscientes de el peligro que es depender de una constelación privada para las nuevas armas estratégicas que son los drones y están trabajando a full para encontrar algún sistema que permita la navegación sin tener que usar GPS y sus satélites.

Por eso se están desarrollando a toda máquina sistemas de navegación inercial, que es la forma en que se guiaban las carabelas en el Siglo XVI, es decir navegar por inercia en base a giroscopio y acelerómetro. Un navegador inercial no necesita recibir ni transmitir ninguna señal, le basta un buen mapa y mediciones precisas de posición y aceleración.

Un sistema en teoría perfecto, pero tienen el enorme problema de la deriva (errores acumulativos), que al parecer todavía no se soluciona satisfactoriamente. Así y todo los submarinos, misiles balísticos y otras armas la usan, pero está lejos de la precisión conseguida hoy con el GPS.