Reinicio de la semana GPS y otro tipo de “día cero”

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Apuesto a que has oído hablar de GPS, abreviatura de Global Positioning System.

Es propiedad y está gestionado por el gobierno de EEUU, pero está disponible de forma gratuita para cualquier persona en el mundo.

El GPS es una fantástica proeza de la ciencia y la ingeniería que no es nada simple en su implementación, pero se explica de manera bastante fácil.

Varios satélites en órbita (31 están activos en este momento) emiten continuamente tanto su posición en el espacio como la hora actual.

Los receptores de radio en la Tierra escuchan estas transmisiones, y mientras puedan “escuchar” las señales de tres satélites diferentes al mismo tiempo, y tengan su propia forma fiable de medir el tiempo, pueden resolver un sistema de ecuaciones matemáticas para calcular su propia posición.

Los cálculos se basan en el hecho de que el tiempo que tarda la señal en viajar desde el satélite al receptor determina su distancia, y con tres distancias se puede hallar su posición en tres dimensiones.

El tiempo desde el satélite hasta el receptor, determina la distancia de manera fiable porque las ondas de radio viajan a una velocidad constante, y la distancia = velocidad x tiempo.

Las ondas de radio viajan a, lo que comúnmente se denomina, velocidad de la luz, porque la luz es un tipo especial de onda de radio, que se encuentra en el rango de frecuencia adecuado para activar los detectores en la retina humana. Esta velocidad se denota por c, como en la famosa ecuación E = mc2, y se define en el estándar de GPS como 299.792.458 metros por segundo.

Curiosamente, los cálculos posicionales del GPS deben tener en cuenta las teorías de la relatividad de Einstein.

Los satélites se están moviendo muy rápido en relación con el receptor en la tierra, lo que hace que sus relojes parezcan funcionar más lentos para nosotros.

Por eso vemos que los satélites se retrasan 7 millonésimas de segundo cada día.

Por otro lado, el hecho de que estemos mucho más cerca del centro del campo gravitatorio de la Tierra que los satélites GPS, significa que nuestros relojes les parecen lentos.

Por eso, los satélites nos ven retroceder 45 millonésimas de segundo al día.

Esto significa que efectivamente nos están ganando 45 microsegundos debido a nuestra gravedad, mientras que también nos están perdiendo 7 microsegundos debido a su velocidad.

Esos 38 microsegundos diarios de la deriva del tiempo relativo (45-7) deben tenerse en cuenta en los cálculos del GPS.

Cuatro cabezas son mejor que tres

Los receptores GPS en realidad se conectan a cuatro (o más) satélites simultáneamente, en lugar de tres, para que puedan resolver ecuaciones que calculan tanto su posición como la hora actual, con una precisión asombrosa.

Esta cuarta señal de satélite significa que los receptores de GPS no necesitan sus propios relojes atómicos, por lo que se pueden hacer muy pequeños, y dado que solo necesitan escuchar, nunca transmitir, no consumen gran cantidad de energía.

De hecho, los receptores de GPS modernos son tan pequeños y eficientes, en cuanto al consumo de energía, que se pueden empaquetar en un solo chip de tan solo 5 mm x 5 mm, de forma que la mayoría de los teléfonos modernos pueden hacer de GPS, al igual que las bicicletas, los relojes inteligentes, los drones y muchos otros dispositivos.

Dado su precio, los receptores GPS son fantásticos relojes de referencia, incluso si el receptor está fijo en un edificio y no importa localizar su posición.

Tiempo absoluto versus tiempo relativo

Si todo lo que se necesita saber es cuántos segundos han pasado desde la medianoche del domingo, por ejemplo, porque se necesita hacer un seguimiento de la fecha, nunca debemos preocuparnos por los números mayores a 604.800, que es la cantidad de segundos de una semana (60 × 60 × 24 × 7).

Pero eso significaría que cada receptor GPS necesitaría al menos un reloj básico propio, aunque con una precisión de solo media semana, que seguiría funcionando incluso si el propio receptor estuviera apagado.

La señal de GPS solo tendría información suficiente para decodificar la hora relativa a la semana actual.

Por lo tanto, el GPS incluye un campo de Número de Semana (WN) que proporciona una referencia de tiempo absoluta, que representa el número de semanas desde la hora de la medianoche que comenzó el día domingo 06 de enero de 1980 (1980-01-06T00: 00: 00Z).

Gracias a la WN, en teoría, se puede indicar el tiempo de forma absoluta: WN = -5 comenzaría el segundo día de diciembre de 1979, por ejemplo, mientras que WN = +4 es la primera semana de febrero de 1980.

Por lo tanto, su receptor GPS puede ser autónomo, requiriendo solo los satélites GPS como su fuente de datos externa y no requiriendo memoria de computadora grabable (RAM) que sea capaz de retener la fecha cuando la alimentación está apagada.

La tiranía de la distancia

El GPS se basa en dispositivos electrónicos precisos, incluidos los relojes atómicos, que se envían y funcionan en el espacio exterior.

Por norma, el espacio exterior comienza a solo 100 km por encima de la superficie de nuestro planeta; los satélites GPS están a unos 20.000 km, casi el doble del diámetro de la Tierra.

El espacio es un entorno hostil para los ordenadores, por lo que su rendimiento se mide más en términos de durabilidad que de velocidad. No tiene sentido tener una CPU de varios gigahercios y un enlace de red de múltiples megabits, si terminan utilizando a velocidades de cero.

Además, el GPS se inventó y construyó durante los años 70 y 80, cuando incluso los módems terrestres estaban fabricados para enviar datos a 1200 bits por segundo.

Los enlaces descendentes de GPS, por lo tanto, envían datos a los miles de millones de receptores GPS en todo el mundo a tan solo 50 bits por segundo.

Así que cada bit cuenta, y nada se puede desperdiciar.

Nada de “rellenar esta variable hasta el límite de 64 bits” o “almacenar este único carácter en un DWORD de 32 bits” en el protocolo GPS.

Como resultado, el estándar de GPS tuvo que hacer algunos recortes por razones de almacenamiento, uno de los cuales fue que al campo WN solo se le asignaron 10 bits, por lo que puede representar números del 0 al 1023, después de lo cual vuelve a 0 y se reinicia la cuenta.

1024 semanas son poco menos de 20 años, y dado que la época del GPS, como se llama en los círculos tecnológicos, comenzó en 1980, el GPS tuvo su propio momento tipo año dos mil en 1999.

En términos más simples, el “tiempo de conexión a tierra” del GPS que sigue inmediatamente a 1999-08-21T23: 59: 59Z no es, como es de esperar, 1999-08-22T00: 00: 00Z.

Día cero revisado

En la prórroga, el tiempo avanzó con naturalidad, de un minuto a las 00:00 horas y de la medianoche a la misma medianoche, pero la fecha se remonta al “día cero”, el 6 de enero de 1980, cuando comenzó la época del GPS.

Por supuesto, se puede programar sobre esto, hasta cierto punto, como lo hicieron algunas personas para el año dos mil, por ejemplo, suponiendo que los años 00 a 49 denotan AD2000 a AD2049, mientras que los años 50 y posteriores cubrieron AD1950 a AD1999.

Pero para que ese tipo de arreglo funcione, se debe estar seguro de que nunca se necesitará representar AD1949, ya que no se puede.

Sea como sea que se resuelva el día cero del año dos mil, todavía se está atrapado en una época que no puede durar más de 100 años.

Del mismo modo, estamos atrapados en un máximo de 1024 semanas en el GPS. (La versión más reciente del GPS lo extenderá a 13 bits, que cubre 213 = 8192 semanas, que es más de 150 años, pero todavía hay un límite estricto en la duración).

Un truco que se puede utilizar en los receptores GPS que no pueden recibir datos de ningún otro sitio que no sean los satélites, y que no tengan ninguna RAM no volátil (memoria que pueda sobrevivir a un apagón) es tratar la fecha de lanzamiento del producto como un desplazamiento en la época, por lo que obtiene 19.7 años de rango WN desde su propio punto de partida.

Dado que no puede ejecutar su código de firmware antes de compilarlo, puede grabar de manera confiable la fecha de compilación en su imagen de firmware y utilizarlo como un conveniente extensor de época.

Siempre y cuando obtenga una actualización de firmware para todos sus usuarios en algún momento de los próximos 19 años, puede restablecer y volver a ejecutar su propia época ajustada una y otra vez, y nunca cometerá un error al convertir datos GPS sin procesar en las marcas de tiempo terrenales absolutas.

Déjà vu de nuevo

¿Adivina qué?

Si se avanza otras 1024 semanas, o 19,7 años, a partir del momento de reinversión del GPS en 1999, terminará en la medianoche que divide el 6 del 7 de abril de 2019.

Es entonces cuando el sábado 06 de abril de 2019 se convierte en domingo 07 de abril de 2019.

¿Qué hacer?

Las preguntas curiosas que se planteaban previamente a este día eran:

¿Deberíamos preocuparnos?

¿Se volverá loco el ordenador (bicicleta, vehículo, vehículo, teléfono móvil, avión no tripulado, etc.)?

La respuesta, ahora que ya hemos comprobado que no ha sucedido nada de lo planteado es simple, aunque desde un primer momento ya se sabía que era poco probable.

A menos que se trate de un dispositivo GPS que sea muy antiguo y no pueda obtener actualizaciones de firmware, o que tenga un dispositivo más reciente pero que nunca lo haya actualizado, no debería haber sucedido nada.

El tiempo no puede retroceder, por lo que cualquier dispositivo GPS programado correctamente que ejecute el firmware compilado después de 1999 ya sabe que la fecha no puede retroceder repentinamente a 1999, y puede detectar y ajustar el reinicio automáticamente.

Los ordenadores en red que sincronizan sus relojes de fuentes externas tampoco tienen probabilidades de fallar.

En primer lugar, la mayoría de los ordenadores modernos (con la notable excepción de los Raspberry Pi, que siempre se reinician en 1970) tienen relojes de respaldo que son lo suficientemente precisos para detectar fuentes de tiempo externas que no son fiables, y las ignoran.

En segundo lugar, la mayoría de los ordenadores modernos mantienen precisos sus relojes utilizando un protocolo llamado NTP (abreviatura de Network Time Protocol) que no depende de una sola fuente de tiempo.

Por lo tanto, es poco probable que hubiesen despertado encontrasen a Limp Bizkit en la radio, a las Spice Girls en la televisión y a las acciones de Apple a 1,50 $.

Aun así, también puedes buscar actualizaciones de satnav u otros dispositivos con GPS y tener contigo el condensador de fluzo.

 

 

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