Sistema de posicionamiento satelital: GPS

El GPS es hasta la fecha, el único sistema de posicionamiento global completamente operativo.

En los años 60 agencias de EE.UU. se interesan por desarrollar un sistema:

Global. 3-D. De gran precisión. Con operación continua. Útil en plataformas de dinámica rápida.

En los años 70 nace el sistema GPS (Global Positioning System) que satisface los criterios demandados y permite infinitos usuarios.

El sistema en su concepción es de naturaleza militar.

1978: Se lanza el primer satélite.

Años 80: el sistema es operacional.

Años 90: modernización del sistema. El uso civil superaampliamente al militar.

Otros sistemas: Glonass (Rusia), Beidou y Compass(China),Galileo (UE).

El GPS se compone de tres segmentos:• Segmento espacial• Segmento de control• Segmento de usuario

Segmento espacial: conjunto de satélites, que han sido lanzados en sucesivas generaciones  Constelación de 24 satélites distribuidos en 6 planos orbitales, con 4 satélites por plano.

Orbitas circulares.

La constelación se ubica en órbita media, con una altitud aproximada de 20200 kilómetros sobre la Tierra.

Satélites fabricados por Rockwell International. Pesan 860 kg.

Cada satélite lleva a bordo un reloj atómico sincronizado con el tiempo GPS.

Cada satélite emite continuamente un mensaje en dos frecuencias: L1(1575.42 Mhz) L2(1227.6MHz).

Contienen una secuencia que permite estimar el tiempo de recepción e información sobre la localización del satélites

Segmento de control: formado por una estación maestra y un conjunto de estaciones de monitorización que proporcionan información a ésta y de antenas de tierra que forman un enlace bidireccional con los satélites.

Segmento de control: red que monitoriza el estado de los satélites.

Actualiza con observaciones la posición real de los satélites.

Sincroniza los relojes atómicos.

Controlado por el ejército.

Segmento de usuario: conjunto de receptores GPS que hacen uso del sistema.La alta precisión en las medidas del GPS es lograda principalmente utilizando estaciones de referencia las cuales recopilan información de posición GPS, geográfica y condiciones atmosféricas del lugar para ser luego procesadas en las estaciones maestras.

SBAS (Sistema de Aumentación Basado en Satélites)

Es un sistema de corrección de señales que los Sistemas Globales de Navegación por Satélite que transmite al receptor GPS del usuario. Los SBAS emplean satélites geoestacionarios que operarán a la misma frecuencia que la señal del GPS (1575.42 MHz).

Los sistemas SBAS mejoran el posicionamiento en la horizontal y en la vertical del receptor y dan información sobre la calidad de las señales.

SBAS es un término que comprende todos los sistemas de aumentación basadas en satélites que están en desarrollo actualmente, más cualquier otro que sea desarrollado en el futuro.

Actualmente están desarrollados o en fase de implementación los siguientes sistemas SBAS:

WAAS (Wide Area Augmentation System), gestionado por el Departamento de Defensa de los Estados Unidos.

EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay Service), administrado por la Agencia Espacial Europea.

MSAS (Multi-Functional Satellite Augmentation System), operado por Japón. QZSS (Quasi-Zenith Satellite System), propuesto por Japón. GAGAN (GPS and GEO Augmented Navigation), planeado por la India.

Los objetivos de los sistemas SBAS son:

Incrementar la integridad del sistema para cumplir con los requisitos de un sistema de navegación único.

Incrementar la exactitud del sistema GPS para cumplir con los requisitos de un medio único de navegación para aproximaciones de precisión.

Incrementar la disponibilidad del sistema para cumplir con requisitos de un medio de navegación único.

La arquitectura básica de todos los sistemas SBAS esta conformado por una red de estaciones terrestres de referencia distribuidas por una amplia zona geográfica que supervisan a las constelaciones de satélites. Estas estaciones retransmiten los datos a una instalación de procesamiento central que evalúa la validez de las señales y calcula correcciones de cada satélite a la vista.

Esas correcciones son transmitidas al avión por medio de satélites geoestacionarios. Luego el receptor de a bordo ajusta la información recibida directamente de los satélites GPS con las correcciones recibidas de los satélites geoestacionarios, para así navegar con más precisión.

Entre las ventajas del SBAS se encuentran:

Provee una guía tridimensional para aproximaciones de precisión a las aeronaves dentro del área de servicio.

Provee gran precisión (hasta 5 m vertical y hasta 2 m horizontal)

Reduce las posibilidades de accidentes contra tierra durante vuelos controlados y aproximaciones.

Elimina los costes asociados en el mantenimiento de los instrumentos de navegación más antiguos con base terrestre tales como los NDB, VOR, DME y los ILS para la Categoría I.

WASS (WIDE AREA AUGMENTATION SYSTEM)

Sistema de Aumentación de Área Amplia

INTRODUCCIÓNEl Sistema de aumento de área amplia es una ayuda a la navegación aérea desarrollado por la Administración Federal de Aviación para aumentar el Sistema de Posicionamiento Global, con el objetivo de mejorar su precisión, integridad y disponibilidad. Esencialmente, está destinado a que los aviones confíen en el GPS para todas las fases del vuelo, incluida una aproximación de precisión a cualquier aeropuerto dentro de su área de cobertura.

WAAS utiliza una red de estaciones de referencia en tierra, en América del Norte y Hawai, para medir las pequeñas variaciones en las señales de los satélites GPS en el hemisferio occidental.

Las mediciones de las estaciones de referencia se dirigen a las estaciones maestras, que la lista de correcciones de desviación recibidos envían los mensajes de corrección a los satélites geoestacionarios WAAS.

Estos satélites transmiten los mensajes de corrección a la Tierra, donde WAAS habilitado para receptores GPS utilizan las correcciones al calcular sus posiciones para mejorar la precisión.

OBJETIVOS DE WAASLos objetivos de WAAS son proveer una mejora de:

1. Integridad

2. Exactitud

3. Disponibilidad

4. Continuidad del servicio SPS del GPS

El ultimo objetivo es proveer un sistema de navegación para todas las fases del vuelo hasta aproximaciones de precisión.

INTEGRIDAD

La integridad del WAAS está especificada por tres parámetros: probabilidad de información peligrosamente engañosa (PHMI), tiempo hasta alarma y el limite de alarma.

Para las fases de vuelo en ruta hasta aproximaciones de no prescisión, los valores de performance son:

Para fase del vuelo con aproximación de precisión, los valores del performnace son:

PHMI 10^-7 por hora

Tiempo hasta alarma 8 segundos

Limite de alarma Limites de protección especificados para cada fase del vuelo

PHMI 10^-7 por aproximación

Tiempo hasta alarma 5.2 segundos

Limite de alarma Como sea requerido para operaciones de Categoría I

EXACTITUDLa especificación WAAS requiere que este provea una exactitud de posición de 7.6 metros o mejor (para mediciones laterales y verticales), al menos el 95% del tiempo. Actualmente las mediciones de desempeño del sistema han mostrado que este provee exactitudes mejores que 1 metro en lateral y 1.5 metros en vertical.

Con estos resultados WAAS es capaz de conseguir la exactitud requerida por las aproximaciones de precisión Categoría I de: 16 metros en lateral y 4 metros en vertical.

DISPONIBILIDADLa disponibilidad es la probabilidad de que un sistema de navegación cumpla con los requerimientos de exactitud e integridad.

Sin la mejora de WAAS, GPS podría no estar disponible hasta por un total de 4 días por año.

La especificación WAAS exige una disponibilidad de 99.999% a través del área de servicio.

CONTINUIDADEs la probabilidad de que la performance especificada del sistema estuvo disponible al principio de esa fase de operación.

OPERACIÓNEsta compuesto de tres segmentos principales:

1. El segmento terrestre

2. El segmento del espacio

3. El segmento del usuario

SEGMENTO TERRESTRE

Esta compuesto de múltiples Estaciones de Referencia de Área Amplia (WRS) que son sitios dispersos ampliamente. Estas estaciones monitorean y colectan información sobre las señales de los satélites GPS. Estos datos son enviados a sitios de procesamiento, referidos como Estaciones Maestras de Área Amplia (WMS), las cuales procesan los datos para determinar la integridad, correcciones diferenciales, errores residuales, e información ionosférica para cada satélite monitoreado y generar parámetros de navegación.

WRS en Barrow, Alaska GUS en Napa, California

Esta información es enviada a estaciones terrestres de enlace de subida (GUS) y transmitida junto con el mensaje de navegación hacia los satélites.

SEGMENTO ESPACIALConsiste de múltiples satélites de comunicación los cuales difunden el mensaje generado por las WMS para que sea recibido por el segmento de usuario. El segmento espacial consiste en 2 satélites operacionales llamados: Galaxy XV y Anik F1R que fueron lanzados a finales de 2005 y estarán en operación hasta finales del 2016.

El satélite Galaxy XV es un PanAmSat y el Anik F1R es un Telesat.

SEGMENTO DE USUARIOEl segmento de usuario es el GPS y WAAS receptor, que utiliza la emisión de información de cada satélite GPS para determinar su ubicación y la hora actual, y recibe las correcciones WAAS del segmento espacial. Los dos tipos de mensajes de corrección recibidos se utilizan de diferentes maneras.

Ejemplo de un cirrus SR20 que cuenta con WAAS en el cual se puede además de ver su posición, las actualizaciones del tráfico.

EGNOS

• El sistema EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay Service) es un Sistema de Aumentación Basado en Satélites desarrollado por la Agencia Espacial Europea (ESA), la Comisión Europea (institución de la Unión Europea) y Eurocontrol. Está ideado como un complemento para las redes GPS y GLONASS para proporcionar una mayor precisión y seguridad en las señales, permitiendo una precisión inferior a dos metros.

Consiste en una red de tres satélites geoestacionarios y en una red de estaciones terrestres encargadas de monitorizar los errores en las señales de GPS y actualizar los mensajes de corrección enviados por EGNOS.

• El sistema EGNOS es completamente compatible con el sistema de Estados Unidos llamado WAAS, operativo desde el año 2003. También existe otro igual en Japón llamado MSAS, que debería empezar a operar en el año 2007, y la Agencia India del Espacio (ISRO) está actualmente desarrollando el sistema GAGAN.

ELEMENTOS DEL SISTEMA EGNOS

• El sistema EGNOS está compuesto por 34 Estaciones de Referencia y de Supervisión de Integridad (RIMS) desplegadas para supervisar los satélites de las constelaciones GNSS. Cada satélite tiene que ser supervisado por múltiples RIMS antes de que se generen las correcciones y los mensajes de integridad.

• Existen cuatro Centros de Control de Misión (MCC), que procesan los datos de las RIMS para generar las correcciones WAD (Wide Aérea Differential) y mensajes de integridad para cada satélite. Solo uno de estos MCCs está activo y operacional, los otros MCCs permanecen como "reserva caliente" que pueden activarse si ocurre algún problema.

• Las Estaciones Terrestres de Navegación (Navigation Land Earth Stations, NLES) transmiten los mensajes de corrección e integridad desde el MCC a los satélites geoestacionarios, encargados de radiar finalmente la señal SBAS a los usuarios finales. El sistema desplegará dos NLES (una principal y una de reserva), y una tercera NLES con fines de pruebas y validación.

• El sector espacial de EGNOS está compuesto por tres satélites geoestacionarios con cobertura global terrestre: dos satélites Inmarsat-3 (AOR-E e IOR), así como el satélite ESA Artemis. Los usuarios EGNOS pueden rastrear dos satélites geoestacionarios por lo menos.

NAVEGACIÓN DE ÁREA 

RNAV

RNAVEl sistema convencional de navegación aérea esta basado en tecnologías

desarrolladas en el siglo XX, utilizando el espectro electromagnético como lo son las radioayudas ( VOR/DME/NDB) para obtener posición y dirección; , por tanto, es fijo e inflexible desde un punto de vista geográfico.

El continuo crecimiento del tránsito aéreo y las previsiones de aumento de la demanda muestran que estas redes son claramente ineficaces para gestionar la capacidad disponible de espacio aéreo.

RNAV

  Sistema de navegación de área el cual permite la operación de una aeronave sobre cualquier trayectoria de vuelo deseada, dentro de la cobertura de las ayudas para la navegación basadas en tierra o en el espacio o dentro de los limites de capacidad de las ayudas autónomas o de una combinación de ambas.

 

FUNCIONAMIENTO

En cuanto a su funcionamiento, un sistema RNAV toma las señales recibidas por los sensores de navegación (principalmente VOR/DME, pero también otros como IRS o GPS), extrapolándolas para calcular la posición virtual de un punto ficticio

Los equipos RNAV de a bordo determinan automáticamente la posición de la aeronave procesando los datos recibidos desde uno o más sensores y guían la aeronave de acuerdo a las instrucciones apropiadas de seguimiento de la ruta establecida por los puntos de recorrido fijados.

• Para la determinación de la posición de la aeronave por los equipos RNAV de a bordo, los datos de entrada pueden ser obtenidos de los siguientes sistemas de navegación:

    *  DME/DME    *  VOR/DME    *  INS    *  LORAN C (con limitaciones de uso)    *  GPS (con limitaciones de uso)

La calidad de la información de posición RNAV depende de dos elementos críticos:

    * La precisión de las fuentes de entrada al sistema RNAV.    * La base de datos de navegación usada por el equipo RNAV.

RNAV 2D: sistema capaz de realizar navegación de área en el plano horizontal:

El error máximo debe de ser de 5 millas náuticas.  El error debe ser así tanto en los sistemas de a bordo como en las radioayudas de tierra y del espacio. Deben cumplirse por tanto estas condiciones:• VOR: dentro de un rango de 62 millas náuticas.• GPS: Solo cuando la cobertura existe por un número adecuado

de satélites o de sistemas de aumento de la exactitud.

Los sistemas RNAV se clasifican en cuanto a su potencialidad en:

P-RNAV• La navegación RNAV de precisión (P-RNAV) es el siguiente paso tras el B-

RNAV. Es bastante más estricto que el B-RNAV pues requiere RNP-1, es decir 1 milla náutica de error. Se interpreta como la aplicación de RNAV al  área terminal (TMA).

• El P-RNAV es un método tan preciso que se puede utilizar en todas las fases de vuelo.

• Gracias al P-RNAV, se consiguen adaptar las rutas dentro de la TMA para satisfacer las necesidades del aeropuerto, del ATC y de la tripulación de vuelo. Así aparecen rutas más simples, cortas y directas o rutas que se ajustan mejor a las restricciones ambientales de la zona. A pesar de todo esto, el P-RNAV es también un sistema RNAV-2D

RNAV 3D: Sistema que respecto al anterior se le ha agregado la capacidad de guía en el plano vertical.

RNAV 4D: Sistema que respecto al anterior se le ha agregado la función tiempo.

¿POR QUÉ EL USO DEL RNAV?

• El sistema RNAV busca la optimización del uso de la red de ATS (Air Traffic Service)para que el espacio aéreo tenga una mayor capacidad y sea más eficiente en las operaciones. Esto se logra debido a la separación lateral entre las trayectorias de las aeronaves, además de la utilización de nuevas rutas que no están atadas al sobrevuelo de determinadas radioayudas.  Los beneficios que se obtienen de este sistema son muy importantes:

BENEFICIOS DE LA RNAV• Flexibilidad en el diseño de la estructura de rutas.

• Reposicionamiento de las intersecciones de las aerovías.

• Rutas más directas >> mayor flujo de tránsito aéreo.

• Optimización de maniobras de espera.

• Mejora de los perfiles de descenso.

• Reducción de las distancias de vuelo >> ahorro de combustible.

• Optimización de la infraestructura de navegación basada en tierra.

• Beneficios medioambientales: menores emisiones gaseosas de las aeronaves, debido a la optimización de las trayectorias, y menor impacto acústico gracias a la modificación de las rutas de salida y llegada.

CONCLUSION

• Es evidente que la navegación aérea, desde que se implementó la navegación R-NAV, se ha visto enormemente beneficiada. Tras estar en un momento de saturación máximo, el R-NAV mejora el tráfico aéreo, puede incluso reducir el trabajo de los ATC y además de ser más segura, distribuye mejor el tráfico y permite la incorporación de más tráfico.

• Aunque todavía falta mucho por implementar, ya que poco a poco se va mejorando la situación de la navegación aérea, aprovechando las nuevas tecnologías que aparecen (GPS, Galileo).