Sistema Global de Navegación por Satélite (GNSS) y su funcionamiento

SISTEMA GLOBAL DE NAVEGACIÓN POR SATELITE (GNSS)

Introducción al GNSS

A .- Introducción

1 .- Un sistema global de navegación por satélite (Global Navigation Satellite System, GNSS) es una constelación de satélites que transmite rangos de señales utilizados para el posicionamiento y localización en cualquier parte del globo terrestre, ya sea en tierra, mar o aire. Estos permiten determinar las coordenadas geográficas y la altitud de un punto dado como resultado de la recepción de señales provenientes de constelaciones de satélites artificiales de la Tierra para fines de navegación, transporte, geodésicos, hidrográficos, agrícolas, y otras actividades afines.

2 .- Un sistema de navegación basado en satélites artificiales puede proporcionar a los usuarios información sobre la posición y la hora (cuatro dimensiones) con una gran exactitud, en cualquier parte del mundo, las 24 horas del día y en todas las condiciones climatológicas.

3 .- Actualmente, el Sistema de Posicionamiento Global (GPS) de los Estados Unidos de América y el Sistema Orbital Mundial de Navegación por Satélite (GLONASS) de la Federación Rusa son los únicos que forman parte del concepto GNSS. El Panel de Sistemas de Navegación (NPS), el ente de la Organización Internacional de Aviación Civil encargado de actualizar los estándares y prácticas recomendadas del GNSS, tiene en su programa de trabajo corriente el estudio de la adición del sistema de navegación por satélite Galileo desarrollado por la Unión Europea.

4 .- Otros sistemas de navegación por satélite que podrían ser o no adoptados internacionalmente para la aviación civil como parte del GNSS y que están en proceso de desarrollo son el Beidou, Compass o BNTS (BeiDou/Compass Navigation Test System) de la República Popular China, el QZSS (Quasi-Zenith Satellite System)de Japón y el IRNSS (Indian Regional Navigation Satellite System) de India.

5 .- En estos apuntes se analizará principalmente el sistema de posicionamiento Global (GPS)

Historia del GPS

B .- Historia del GPS https://www.gps.gov/

El sistema TRANSIT fue el primer sistema de navegación basado en satélites y que entro en servicio en el año 1965.

Al principio de los 60 los departamentos de defensa, transporte y la agencia espacial norteamericanas (NASA) tomaron interés en desarrollar un sistema para determinar la posición basado en satélites.

El sistema debía cumplir los siguientes requisitos

• Globalidad, abarcando toda la superficie del globo
• Continuidad, funcionamiento continuo sin afectarle las condiciones atmosféricas
• Altamente dinámicas, para posibilitar su uso en aviación y precisión.

Esto llevó a producir diferentes experimentos como el Timation1.

El sistema TRANSIT estaba constituido por una constelación de seis satélites en órbita polar baja a una altura de 1074 Km. Tal configuración conseguía una cobertura mundial pero no constante. La posibilidad de posicionarse era intermitente, pudiéndose acceder a los satélites cada 1.5 h. El cálculo de la posición requería estar siguiendo al satélite durante quince minutos continuamente. Ver figura Nº 1.

Seis planos Seis satélites Altura 1.074 Km Velocidad = 2.400 Km/h Fig .: Nº 1 Constelación TRANSIT

1 Los satélites Timation (se lanzaron el 1964, 1967, 1969) fueron concebidos, desarrollados y lanzados por el Laboratorio de Investigación Naval en Washington, DC. El concepto de Timation era para transmitir una referencia de tiempo precisa para su uso como una señal de que van a receptores en tierra. Los resultados de este programa y la Fuerza Aérea Proyecto 621B forman la base para el Sistema de Posicionamiento Global (GPS). La contribución de la Armada para el programa GPS siguió centrada en los relojes cada vez más precisos.TRANSIT trabajaba con dos señales en dos frecuencias, para evitar los errores debidos a la perturbación ionosférica. El cálculo de la posición se basaba en la medida continua de la desviación de frecuencia Doppler de la señal recibida y su posterior comparación con tablas y gráficos.

El error de TRANSIT estaba en torno a los 250 m. Su gran aplicación fue la navegación de submarinos y de barcos.

TRANSIT tenía muchos problemas. La entonces URSS tenía un sistema igual que el TRANSIT, de nombre TSICADA. Había que dar un gran salto. La guerra fría fomentaba invertir millones de dólares en un revolucionario sistema de navegación, que dejara a la URSS definitivamente atrás.

Debido a las limitaciones del TRANSIT, se concibió un sistema formado por 24 satélites en órbita media, que diera cobertura global y continua, que sería el GPS.

El primer satélite se lanzó en 1978, y se planificó tener la constelación completa ocho años después. Unido a varios retrasos, el desastre del transbordador Challenger paró el proyecto durante tres años.

Por fin, en diciembre de 1983 se declaró la fase operativa inicial del sistema GPS.

El objetivo del sistema era ofrecer a las fuerzas de los EE.UU. la posibilidad de posicionarse (disponer de la posición geográfica) de forma autónoma o individual, de vehículos o de armamento, con un costo relativamente bajo, con disponibilidad global y sin restricciones temporales. La iniciativa, financiamiento y explotación corrieron a cargo del Departamento de Defensa de los EE.UU., el GPS se concibió como un sistema militar estratégico.

En 1984 un vuelo civil de Korean Airlines fue derribado por la Unión Soviética al invadir por error su espacio aéreo. Ello llevó a la administración Reagan a ofrecer a los usuarios civiles cierto nivel de uso de GPS, llegando finalmente a ceder el uso global y sin restricciones temporales, de esta forma se conseguía un retorno a la economía de los EE.UU. inimaginables unos años atrás. Además suponía un gran liderazgo tecnológico originando un vertiginoso mercado de aplicaciones.

Desde 1984, con muy pocos satélites en orbita, aparecieron timidamente fabricantes de receptores GPS destinados al mundo civil.

El proyecto se desarrolló en distintas fases:

• Fase 1 (1973-1977): estudio de conceptos, diseño y viabilidad del proyecto.
• Fase 2 (1979-1988): producción del primer bloque de satélites que servirá para validar el sistema.
• Fase 3 (1989-1995): conseguir un segmento espacial plenamente operativo con el lanzamiento del segundo bloque de satélites. Se declara la Capacidad Inicial Operativa en 1993, y se declara la Plena Capacidad Operativa en 1995.
• Fase 4 (1996-2001): lanzamiento y desarrollo del tercer bloque de satélites, y operación y mantenimiento del GPS.
• Fase 5 (2002-2013): desarrollo de los nuevos satélites con mejores prestaciones que sustituirán a los antiguos, y lograr una constelación más robusta.

A partir de la caída de la Unión Soviética el Gobierno de los EEUU decide poner a disposición civil esta tecnología, aunque con ciertas limitaciones que no pongan en peligro a los EEUU como se ha explicado anteriormente.

El sistema pasó a estar completamente operativo en 1994, cuando se alcanzaron los 24 satélites que componían el segmento espacial, y con un gran número de estaciones de control operativas en todo el mundo.

En cuanto al futuro del GPS, Lockheed Martin está desarrollando actualmente una nueva serie de GPS III para mejorar la potencia de la señal, precisión y fiabilidad, lo que ayudará aún más con la navegación. La Boeing también está desarrollando una nueva tecnología GPS con 12 satélites pertenecientes a la serie IIF, los cuales tendrán una mayor precisión y mayor esperanza de vida.

Descripción del sistema GPS

C .- Descripción del sistema

El Sistema de Posicionamiento Global (GPS), originalmente llamado NAVSTAR (NAVigation System Timing And Ranging ), fue el primer sistema de radio - posicionamiento basado en el espacio, que provee a los usuarios convenientemente equipados, una gran exactitud en la posición y tiempo. Consiste en tres segmentos: espacial, de control y del usuario. Ver Figura Nº 2.

Segmento espacial Centro de Procesamiento Estación Segmento de usuarios monitora Estación de carga Estación monitora Segmento de control Estación monitora Fig .: Nº 2 "Segmentos del GPS"

Segmento espacial del GPS

1 .- Segmento espacial

Este segmento consiste en 24 satélites operacionales (tres satélites de repuesto) activos en órbita.

Los satélites orbitan a una altura de 20.200 km, en seis planos orbitales separados, cada plano inclinado 55° respecto al ecuador. Los satélites completan una órbita en aproximadamente 12 horas.

Fig .: Nº 3 "Constelación de 24 satélites"

Los satélites están espaciados de modo que habitualmente cuatro de ellos están, teóricamente, a la vista de cualquier usuario en cualquier parte del mundo.

Cada satélite transmite señales en dos radiofrecuencias superpuestas, en las cuales hay:

• Datos de la predicción de las efemérides del satélite.
• Datos de corrección por propagación atmosférica.
• Información sobre error del reloj del satélite
• Datos sobre el estado del satélite.
• Superpuesto en los códigos va el mensaje de navegación.

Los satélites GPS transmiten códigos pseudoaleatorios.

Realmente, tanto los satélites como los receptores generan conjuntos de códigos digitales complejos. Estos códigos se han hecho complicados a propósito, de forma que se les pueda comparar fácilmente sin ambigüedad.

Otro beneficio del esquema del código pseudoaleatorio, es que todos los satélites del sistema pueden compartir la misma frecuencia, sin interferirse unos con otros. Cada satélite tiene su propio código pseudoaleatorio distintivo, así que diferenciar entre ellos es solamente cuestión de utilizar el código correcto durante el proceso de comparación en el receptor.

Segmento de control del GPS

2 .- Segmento de control

Consiste en una Estación Maestra de Control, un cierto número de estaciones monitorizadoras y de antenas terrestres ubicadas a través del mundo.

La Estación Maestra de Control, ubicada en Colorado Springs, tiene el equipamiento y los servicios necesarios para el monitoreo de los satélites, telemetría, traqueo, comando, control, generación de los mensajes de navegación y envío de estos mensajes a los satélites.