GPS de doble frecuencia: ¿cómo funciona y en que sirve en un reloj deportivo?

GPS de doble frecuencia: ¿Cómo funciona y en que sirve en un reloj deportivo?

Fecha 31/07/2024

El GPS de doble frecuencia, anteriormente reservado a aplicaciones militares y al ámbito de la aviación, está apareciendo ahora entre el público en general, en particular en los teléfonos inteligentes, los dispositivos GPS para caminatas y los relojes cardio-GPS. ¿Cómo funciona y cuál es su beneficio? ¿Es útil en un pulsómetro o en un contador GPS?

 

¿qué es el GPS de doble frecuencia y cuál es su beneficio?

El principio del GPS (Sistema de Posicionamiento Global) se basa en la triangulación. El receptor GPS capta la señal de varios satélites, determina la distancia entre ellos y deduce, a partir de la posición de los satélites, la posición GPS del lugar de recepción.

Para mejorar la fiabilidad de las mediciones, los satélites transmiten sus señales en varias bandas de frecuencia. Esta redundancia de información permite corregir diversos errores relacionados con el medio ambiente (clima, nubes, impactos de la ionosfera, etc.).

Hasta hace poco, los dispositivos GPS del público general, utilizados por ejemplo en teléfonos inteligentes, relojes cardio-GPS o incluso dispositivos GPS de senderismo, utilizaban chips GPS monofrecuencia o monofrecuencia , es decir capaces de recibir y decodificar una única señal vía satélite. Ofrecen una precisión de +/- 5 m cuando las condiciones de recepción son ideales.

 

Gracias a la introducción progresiva desde 2017 de una segunda banda de frecuencia abierta al público en general, los fabricantes ofrecen ahora GPS de doble frecuencia o multibanda . Ofrecen una mayor fiabilidad gracias a una corrección de errores mucho más eficaz , en particular errores debidos a reflexiones de la señal del satélite (edificio, árbol, montaña, mar, etc.). Vea la ilustración más adelante en nuestro artículo.

Xiaomi fue el primero en introducir la tecnología en un Smartphone en 2017. Garmin la ofrece desde 2020 en sus antenas GPS para embarcaciones de recreo con una precisión anunciada de 1 metro. En 2021, Coros es el primero en ofrecer GPS de doble banda en un reloj de frecuencia cardíaca. Se encuentra en el COROS VERTIX2 , un reloj cardio-GPS de alta gama para exteriores. En 2022, el GPS de doble frecuencia se desarrollará en muchos otros relojes deportivos de Garmin, Coros y Polar. 

 

¿Qué es el GPS?

El GPS (Sistema de Posicionamiento Global), o Sistema de Posicionamiento por Satélite, es una herramienta para determinar, mediante satélites, las coordenadas GPS de una ubicación. El geoposicionamiento por satélite nació de un proyecto de investigación militar lanzado a finales de los años 1960 a petición del presidente estadounidense Richard Nixon. El primer satélite se puso en órbita en 1978. El GPS entró en funcionamiento en 1995, tras el despliegue de los 24 satélites que componen la red. Originalmente destinado a uso militar, fue abierto para fines civiles desde el año de lanzamiento pero con una precisión limitada a 100 metros hasta el año 2000.

 

El GPS se hizo popular a mediados de la década de 2000. Está presente en el GPS de nuestro coche y en nuestros Smartphones. En el ámbito deportivo, equipa relojes cardio-GPS, dispositivos GPS para senderismo e incluso ordenadores GPS para bicicletas. Ofrece una precisión que sigue mejorando: +/- 5 m para el GPS público en general (del orden de un metro para el sistema europeo Galileo) cuando las condiciones de recepción son ideales.

Hoy en día conviven 6 sistemas satelitales o GNSS (Sistema Global de Navegación por Satélite o Geolocalización y Navegación por un Sistema de Satélite):

• GPS (GNSS americano)
• GLONASS (GNSS ruso)
• Galileo (GNSS europeo)
• Brújula o Beidu (GNSS chino)
• QZSS (GNSS japonés)
• IRNSS o NavIC (GNSS indio)

 

¿Cómo funciona el GPS?

El cálculo de la posición GPS se realiza mediante triangulación . Se necesitan 4 satélites para determinar las coordenadas de un punto (intersección de 4 esferas): 3 satélites para determinar el punto en un espacio plano y un cuarto para determinar la altitud. Calculando la distancia que separa el receptor de los 4 satélites y conociendo la posición de los satélites, podemos deducir la posición del receptor. En la práctica, cada satélite transmite una señal que comunica su posición y el momento preciso de transmisión de la señal (h1). El receptor GPS recibe la señal, comprueba la hora de llegada (h2) y deduce la distancia que lo separa del satélite mediante la fórmula "Velocidad de la luz = Distancia / (h2 – h1)".

El cuarto satélite también es necesario para la sincronización horaria . Calcular la distancia al satélite requiere un reloj muy preciso. ¡Un error de tan solo una millonésima de segundo (1 microsegundo) provoca una desviación de 300 m en la evaluación de la posición! (300.000.000 m/s x 1/1.000.000). Para lograr tal precisión, los satélites llevan un reloj atómico y todos los relojes están sincronizados para mostrar la misma hora. El reloj del receptor, que sirve para medir el tiempo recorrido por la señal, evidentemente no puede ofrecer tal precisión. Por tanto, hay que corregirlo. La corrección se realiza cotejando los datos horarios transmitidos por los 4 satélites.

 

¿Qué es el GPS de doble frecuencia?

Pero ahora, estos cálculos se ven empañados por errores por varias razones: inexactitud de los relojes atómicos (los últimos satélites llevan relojes más precisos), desviación de la señal del satélite por las capas atmosféricas, modificación de la transmisión de la señal por la presión y la temperatura, reflexión de la señal por el entorno (nubes, edificios, árboles, rocas), etc. Esto da como resultado una acumulación de errores que distorsionan la posición calculada. Por lo tanto, para una ruta realizada varias veces seguidas, el mismo GPS no mostrará necesariamente el mismo track. Peor aún, si los satélites utilizados están en un cono de pequeña apertura angular, la imprecisión aumentará aún más.

Los denominados GPS de monofrecuencia son capaces de corregir un determinado número de errores gracias a la redundancia de las señales recibidas. De hecho, la señal del satélite se transmite en todas direcciones. Debido a las reflexiones relacionadas con el entorno, el receptor GPS recibirá la misma señal varias veces y podrá así afinar la precisión de los cálculos.

Para mejorar aún más la fiabilidad de las mediciones, los satélites transmiten sus señales en varias bandas de frecuencia . Al multiplicar la información, el receptor puede corregir aún más errores y así proporcionar una mayor confiabilidad de la posición . Las diferentes frecuencias también ofrecen más posibilidades de que la señal penetre en entornos delicados. Conseguimos así una precisión del orden de un centímetro en aplicaciones militares y en determinadas aplicaciones industriales (agricultura, aviación, vehículos sin conductor). ¡En determinadas aplicaciones específicas, podemos incluso alcanzar una precisión del orden de unos pocos milímetros!

Los GPS diseñados para el público en general son GPS de frecuencia única. Operan en una banda de frecuencia de aproximadamente 1,6 GHz. Es la banda L1 para GPS o QZSS, la banda E1 para el sistema Galileo, B1 para Beidu, G1 para Glonass. Pero desde 2017, los sistemas GPS, QZSS y Galileo han ido introduciendo progresivamente una segunda banda para uso civil en los nuevos satélites: la banda L5 para GPS y QZSS y la E5a para Galileo. Su frecuencia de transmisión es un poco menor (alrededor de 1,2 GHz). Los GPS de doble frecuencia (o doble banda) son capaces de recibir ambas señales y así corregir errores, particularmente aquellos relacionados con el reflejo de señales en edificios, rocas, árboles.

La foto de abajo ilustra el principio. Cada satélite transmite simultáneamente 2 señales, una en la banda clásica L1 o E1 (la que utilizan todos los GPS civiles monofrecuencia), la otra en la nueva banda L5 o E5a. En la ilustración, una de las 2 señales transmitidas es reflejada por una superficie (árbol o montaña) en lugar de llegar directamente al receptor GPS del usuario. Por tanto, su recorrido es más largo, lo que distorsiona el cálculo de la posición, ya que el GPS no puede adivinar que la señal se refleja. Gracias a las 2 señales recibidas, el GPS obtiene 2 posiciones diferentes que le permitirán estimar mejor la posición real buscada. El mismo principio se puede aplicar con un GPS de frecuencia única (la señal se transmite en todas las direcciones, el receptor GPS recibe señales tanto reflejadas como directas), pero la corrección de errores es menos efectiva.

La tecnología de doble frecuencia utilizada en los GPS de consumo permite alcanzar una precisión de 3 metros en lugar de 5 metros. ¡Garmin incluso anuncia 1 metro para sus antenas GPS de doble frecuencia!

 

¿Cuál es la ventaja de utilizar un GPS de doble frecuencia en un reloj, un ciclocomputador o un GPS para caminatas?

El GPS de doble frecuencia tiene varias ventajas:

• Ofrece una mayor precisión, especialmente en entornos delicados (bosque, montaña, ciudad).
• Detecta y elimina señales reflejadas con mayor facilidad que un GPS monofrecuencia
• Ofrece una mejor corrección de los errores relacionados con los impactos de la atmósfera (ionosfera, etc.)

Pero, ¿es realmente útil en un reloj cardiovascular o en un GPS de senderismo cuando sabemos que los sistemas GPS monofrecuencia actuales ya ofrecen una precisión excelente? Aunque el track registrado no siempre está perfectamente alineado con el recorrido (podemos ver diferencias de varios metros según la ubicación), generalmente obtenemos un trazado utilizable del recorrido y una distancia y una velocidad media aproximadamente correctas. Entonces, ¿por qué buscar algo mejor?

El GPS de doble frecuencia marca la diferencia en entornos delicados (cañones, bosque, ciudad, montaña)

El GPS de doble banda proporciona mayor confiabilidad en entornos delicados. De hecho, podemos observar grandes errores de posicionamiento debido al reflejo de la señal en árboles, rocas o incluso edificios. Es posible que ya hayas observado un sendero caótico durante tus salidas deportivas en la ciudad o en la montaña, durante la escalada, el barranquismo o las salidas al bosque. Esto puede deberse a pérdidas de señal, pero a veces simplemente está relacionado con reflejos de la señal en una pared, un árbol o un edificio. El GPS de doble frecuencia ayuda a limitar estos efectos y puede marcar una gran diferencia en este tipo de entorno.

Facilita el seguimiento de rutas

En los dispositivos que ofrecen seguimiento de rutas, es importante que el geoposicionamiento sea preciso, de lo contrario será difícil seguir la ruta programada, especialmente en caminatas fuera de los caminos habituales. Es fácil girar demasiado pronto o demasiado tarde, perderse un cruce, etc.

Esto es particularmente importante para dispositivos que no ofrecen guía paso a paso. Incluso si haces zoom en la ruta, si el posicionamiento es impreciso, fácilmente podrías cometer un error y perder tiempo.

El mismo problema surgirá al regresar al punto de partida siguiendo el track registrado en el viaje de ida. Las imprecisiones del track se sumarán a la imprecisión del GPS durante el regreso. ¡Aumentamos un poco más las posibilidades de perdernos!

Por lo tanto, el GPS de doble frecuencia es de particular interés para la navegación GPS.

Un GPS multifrecuencia también es útil para salidas largas

El GPS de doble banda también es interesante para salidas largas por la acumulación de errores. Si los errores de posicionamiento pueden ser insignificantes en un recorrido de 10 km, no ocurre lo mismo en una maratón que en un ultratrail. Si consideramos un error del 2% (calcule de media entre el 1 y el 3% para un reloj GPS), esto representa sólo 200 m en un recorrido de 10 km, ¡pero más de 800 m en una maratón! En la TOR des Géants, esta carrera de 450 km, ¡el error llega a los 9 km! Esto puede dar lugar a sorpresas (creemos que estamos llegando a la meta y todavía estamos lejos de ella o, por el contrario, ¡llegamos antes de lo previsto!) pero también distorsiona las prestaciones medidas (velocidad media y otros cálculos que surgen de la distancia). Todo esto puede resultar frustrante para un competidor o un atleta que entrena y necesita una gran precisión.

Al reducir los errores de cálculo, el GPS multibanda o de doble frecuencia ofrece una mayor precisión de los datos, lo que limita este inconveniente.

 

Unas palabras sobre GPS multi-GNSS

Para mejorar la calidad de recepción y la fiabilidad del receptor, los fabricantes de chips ofrecen GPS multi-GNSS, es decir capaz de recibir simultáneamente señales de diferentes GNSS (GPS + GLONASS por ejemplo o incluso GPS + Galileo). La idea es aumentar el número de satélites disponibles para reducir el tiempo de conexión pero también reducir los tiempos de desconexión en lugares donde la señal pasa mal (si perdemos un satélite, tenemos más posibilidades de encontrar otro). Algunos GNSS también tienen la ventaja de pasar mejor que otros en determinados lugares (ciudad, bosque). La multiplicación de satélites también da más posibilidades de encontrar 4 satélites bien posicionados, es decir en un cono de gran apertura angular que de pequeña apertura.

La mayoría de receptores GPS son compatibles con varios GNSS pero no todos permiten conectarse a varios al mismo tiempo. Cuando lo hacen, normalmente es sólo con 2 GNSS como máximo. Pero desde 2020, Garmin ofrece antenas GPS multi-GNSS capaces de conectarse a 5 GNSS al mismo tiempo. Coros también ofrece GPS multi-GNSS en su Coros Vertix 2.

El GPS multiGNSS debería desarrollarse gradualmente. Su desventaja es que consume más batería porque el receptor tiene que escanear múltiples sistemas. Ciertamente, esto no es un problema para la mayoría de las aplicaciones, pero puede serlo en un reloj GPS donde la duración de la batería es un parámetro crítico.