La disponibilidad y operatividad del Sistema Global de Posicionamiento GPS depende de la existencia de una escala de tiempo exacta que sirva de base para sincronizar la constelación de satélites GPS, sus comunicaciones con las estaciones de seguimiento y los centros de control de la Tierra. Dado que la rotación de nuestro Planeta no es uniforme, el reloj Terrestre resulta inexacto y no puede utilizarse como referencia para construir la base de tiempo del Sistema Global de Posicionamiento GPS. Por tanto, es necesario construir un reloj alternativo, absolutamente exacto, y diseñar un protocolo para sincronizarlo con el reloj Terrestre. Aproximarnos de manera útil, y sin excesivos tecnicismos, al problema de la medida del tiempo es el viaje que te propongo, estimado lector.
Y creo que la mejor forma de iniciarlo es introducir progresivamente los conceptos y definiciones que nos permitan entender las diferentes escalas de medida del tiempo.
Tiempo Atómico Internacional (TAI): Es una escala de tiempo continuo y constante. Su unidad es el segundo atómico definido como la unidad vigente del Sistema Internacional, y su valor es el correspondiente a 9192631770 períodos de la radiación correspondiente a la transición entre dos niveles hiperfinos en el átomo de cesio 133.
Como ya hemos comentado, la rotación de la Tierra no es uniforme. Se ha comprobado que nuestro Planeta gira cada vez más lentamente de forma que el día actual es aproximadamente 16 milisegundos más largo que hace 1000 años. Además, la nutación de los polos y las fluctuaciones en la inclinación de la Tierra introducen perturbaciones de algunos milisegundos al año. Todos estos efectos contribuyen a que la Tierra sea un reloj irregular e inexacto, y ha dado lugar al desarrollo de 4 escalas de tiempo que se denominan de forma genérica Tiempo Universal. Estas escalas de tiempo son:
Tiempo Universal 0 (UT0): Es la escala de tiempo generada por el día solar medio.
Tiempo Universal 1 (UT1): Es la escala de tiempo UT0 corregida por la componente rotacional inducida por el efecto de nutación de los polos.
Tiempo Universal 2 (UT2): Es la escala de tiempo UT1 corregida por las variaciones periódicas y estacionales en la velocidad de rotación de la Tierra.
Tiempo Universal Coordinado (UTC), también conocido como tiempo civil: Es la zona horaria de referencia respecto a la cual se calculan todas las otras zonas del mundo. Es el sucesor del GMT (Greenwich Mean Time) aunque todavía algunas veces, y de forma incorrecta, se le llame así. La denominación de Tiempo Universal Coordinado UTC fue acuñada para eliminar la inclusión de una localización específica en un estándar internacional, así como para basar la medida del tiempo en los estándares atómicos, y no en los celestes.
A diferencia del GMT, el Tiempo Universal Coordinado UTC no se define a partir de la posición celeste, sino que se define a partir de relojes atómicos. Y, como la rotación de la Tierra no es uniforme y se retrasa con respecto al Tiempo Atómico, la escala de Tiempo Universal Coordinado UTC debe sincronizarse con la escala de Tiempo Universal 2 UT2 añadiendo o quitando segundos de salto (leap seconds) tanto a finales de junio como de diciembre, cuando resulta necesario. La puesta en circulación de los segundos de salto se determina por el Servicio Internacional de Rotación de la Tierra IERS (Internacional Earth Rotation and Referente Systems Service).
El Tiempo Universal Coordinado UTC sólo se determina tras reconciliar las diferencias observadas entre un conjunto de relojes atómicos mantenidos por un determinado número de oficinas del tiempo nacionales. Esto se hace bajo los auspicios de la Oficina Internacional de Pesas y Medidas (Bureau International des Poids et Mesures, BIPM).
En España, la sección de Hora del Real Instituto y Observatorio de la Armada en San Fernando tiene como misión principal el mantenimiento de la unidad básica de tiempo, declarado a efectos legales como Patrón Nacional de dicha unidad, así como el mantenimiento y difusión oficial de la escala Tiempo Universal Coordinado UTC(ROA), considerada a todos los efectos como la base de la hora legal en todo el territorio nacional (R. D. 23 octubre 1992, núm. 1308/1992). La hora española peninsular de invierno se fija en UTC+1 y la de verano en UTC+2.
Tiempo GPS: Dado que el movimiento de un satélite no depende de la rotación de la Tierra, en técnicas de satélites es lógico utilizar una escala de tiempo uniforme e independiente del giro terrestre. Por esta razón, el US Naval Observatory estableció una escala de tiempo atómico, llamada Tiempo GPS, cuya unidad de medida es el segundo atómico internacional. El tiempo de satélite es mantenido, en cada satélite, por dos o por cuatro relojes atómicos. Los relojes de los satélites son monitorizados por las estaciones de seguimiento y los centros de control de la Tierra que en ocasiones los reajustan para mantener cada reloj dentro del Tiempo GPS
La escala de Tiempo GPS se fijó como coincidente con la escala de Tiempo Universal Coordinado UTC a las 00:00:00 del 6 de enero de 1980. Como en ese instante la diferencia entre el Tiempo Universal Coordinado UTC y el Tiempo Atómico Internacional TAI era de 19 segundos, el Tiempo GPS es equivalente al Tiempo Atómico Internacional TAI menos 19 segundos; y así ha de mantenerse dado que ambas escalas son atómicas y uniformes y, por tanto, paralelas.
La diferencia entre el Tiempo GPS y el Tiempo Universal Coordinado UTC, de cero segundos el 6 de enero de 1980 se va modificando por los segundos de salto (leap second), siendo el 1 de enero de 2006 de 14 segundos.
Un receptor GPS utiliza al menos cuatro satélites para determinar el tiempo y la posición en tres dimensiones. La posición se calcula en el receptor tomando como origen el sistema de coordenadas ECEF XYZ (Earth-Centered Earth-Fixed XYZ) con origen en el centro de la Tierra. La hora en la escala de Tiempo Universal Coordinado UTC se calcula en el receptor a partir del Tiempo GPS usando las correcciones UTC, que son enviadas por los satélites como parte de los datos del mensaje de navegación, con una precisión de hasta 100 ns (nanosegundos).
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