SISTEMA DE RADIONAVEGACION SATELITAL

1. ANTECEDENTES

El primer sistema de navegación por satélite nació de una necesidad de la Marina de Estados Unidos y de la aparición de un avance tecnológico importante: La capacidad de situar satélites artificiales en órbita alrededor de la Tierra. Ya los investigadores habían comprobado la posibilidad de determinar con gran precisión la órbita del Sputnik 1, a partir del efecto Doppler, sufrido por la señal que emitía y del conocimiento preciso de la posición del receptor que la sintonizaba. La posibilidad de invertir dicho problema, es decir: si se conociese la posición de un satélite de forma precisa, sería posible determinar la deun receptor situado en un submarino de posición desconocida, midiendo el efecto Doppler sufrido por una señal emitida desde el satélite. Había nacido TRANSIT, el primer sistema de radionavegación satelital.

TRANSIT, un sistema desplegado por el ejército de Estados Unidos en los años 1960. se basaba en el efecto Doppler. Los satélites viajan en trayectorias conocidas y difunden sus señales en una frecuencia conocida. La frecuencia recibida se diferencia levemente de la frecuencia difundida debido al movimiento del satélite con respecto al receptor. Monitorizando este cambio de frecuencia a intervalos cortos, el receptor puede determinar su localización a un lado o al otro del satélite; la combinación de varias de estas medidas, unida a un conocimiento exacto de la órbita del satélite puede fijar una posición concreta.

A pesar de su sencillez y sus limitaciones (no se podía utilizar en navegación aérea), el sistema TRANSIT estableció todos los conceptos básicos de los Sistemas de navegación Satelital: estructuras del sistema, fuentes de error, técnicas de navegación y geodésicas, etc.

2. OBJETIVOS

Realizar una investigación acerca de los Sistemas de Radionavegación Satelital.

Segmentos de un Sistemas de Radionavegación Satelital

Características Principales

Funcionamiento.

Aplicaciones.

3. MARCO TEORICO

Sistema de radionavegación satelital

Un sistema de radionavegación satelital conocida también como sistema global de navegación por satélite (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.

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.

Sistema de navegación por satélite con carta naútica electrónica de un buque petrolero.

Estación LORAN Malone en Florida.

CARACTERÍSTICAS FUNDAMENTALES

La radionavegación por satélite se basa en el cálculo de una posición sobre la superficie terrestre midiendo las distancias de un mínimo de tres satélites de posición conocida. Un cuarto satélite aportará, además, la altitud. La precisión de las mediciones de distancia determina la exactitud de la ubicación final. En la práctica, un receptor capta las señales de sincronización emitida por los satélites que contiene la posición del satélite y el tiempo exacto en que ésta fue transmitida. La posición del satélite se transmite en un mensaje de datos que se superpone en un código que sirve como referencia de la sincronización.

La precisión de la posición depende de la exactitud de la información de tiempo. Sólo los cronómetros atómicos proveen la precisión requerida, del orden de nanosegundos

. Para ello el satélite utiliza un reloj atómico para estar sincronizado con todos los satélites en la constelación. El receptor compara el tiempo de la difusión, que está codificada en la transmisión, con el tiempo de la recepción, medida por un reloj interno, de forma que se mide el "tiempo de vuelo" de la señal desde el satélite.

Estos cronómetros constituyen un elemento tecnológico fundamental a bordo de los satélites que conforman las constelaciones GNSS y pueden contribuir a definir patrones de tiempo internacionales. La sincronización se mejorará con la inclusión de la señal emitida por un cuarto satélite. En el diseño de la constelación de satélites se presta atención especial a la selección del número de estos y a sus órbitas, para que siempre estén visibles en cantidad suficiente desde cualquier lugar del mundo y así asegurar la disponibilidad de señal y la precisión.

Cada medida de la distancia coloca al receptor en una cáscara esférica de radio la distancia medida. Tomando varias medidas y después buscando el punto donde se cortan, se obtiene la posición. Sin embargo, en el caso de un receptor móvil que se desplaza rápidamente, la posición de la señal se mueve mientras que las señales de varios satélites son recibidas. Además, las señales de radio se retardan levemente cuando pasan a través de la ionosfera. El cálculo básico procura encontrar la línea tangente más corta a cuatro cáscaras esféricas centradas en cuatro satélites. Los receptores de navegación por satélite reducen los errores usando combinaciones de señales de múltiples satélites y correlaciones múltiples, utilizando entonces técnicas como filtros de Kalman para combinar los datos parciales, afectados por ruido y en constante cambio, en una sola estimación de posición, tiempo, y velocidad.

ELEMENTOS DE UN SISTEMA DE RADIONAVEGACION SATELITAL

La implementación práctica de estas ideas tan simples es muy compleja. De hecho, un GNSS está constituido por tres segmentos importantes:

Segmento Espacial. Son los satélites encargados de generar y transmitir las “señales de navegación”. Se usan satélites no geoestacionarios que sobrevuelan todos los puntos de la superficie terrestre y cuyas orbitas deben ajustarse para que, en cualquier punto, se vea un mínimo de satélites con una periodicidad adecuada para permitir la recepción, el cálculo de la posición con una determinada precisión.

Segmento de Control Está constituido por las estaciones terrenas de seguimiento. Dado que su emplazamiento es conocido, determinan los parámetros orbitales con mucha precisión a partir de las señales transmitidas por los satélites. Los datos se envían junto con señales de tiempo para sincronizar el sistema de los satélites mediante un enlace de radio banda S, para posteriormente, retransmitirlos a los usuarios. En los sistemas actualmente en funcionamiento, dichos datos se envían modulando en fase las portadoras utilizadas para las medidas de distancia y desplazamiento Doppler.

Segmento de Usuarios EN los GNSS, los equipos de a bordo consisten básicamente en un receptor y un calculador. El receptor permite obtener los desplazamientos Doppler y los retardos temporales así como los datos orbitales y las señales de sincronismo. El calculador, con estos datos y otros que se introducen directamente desde la nave

calcula la posición y corrige los errores introducidos por diversas causas como la propagación de la ionosfera y troposfera, movimiento de la nave, fenómenos relativistas, etc. Según la aplicación, los equipos incluyen capacidades adicionales (presentación de mapas, almacén de datos, etc.).

Sistemas de Posicionamiento por Satélites actuales

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.

Otros sistemas de navegación satelital 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.

NAVSTAR-GPS (NAVigation System and Ranging - Global Position System),

Conocido simplemente como GPS, es un sistema de radionavegación basado en satélites que utiliza mediciones de distancia precisas de satélites GPS para determinar la posición (el GPS posee un error nominal en el cálculo de la posición de aproximadamente 15 m) y

la hora en cualquier parte del mundo. El sistema es operado para el Gobierno de los Estados Unidos por su Departamento de Defensa y es el único sistema de navegación por satélite completamente operativo a fecha actual.

Principio de Funcionamiento

El sistema está formado por una constelación de 24 a 27 satélites que se mueven en órbita a 20.000 km aproximadamente, alrededor de seis planos con una inclinación de 55 grados. El número exacto de satélites varía en función de los satélites que se retiran cuando ha transcurrido su vida útil.

El fundamento básico de la técnica de navegación empleada en el GPS es la medida simultanea de las distancias a varios satélites cuya posición es estimada a partir de las efemérides que ellos mismo envían modulando las señales utilizadas para la determinación de distancias. Ello permite establecer varias ecuaciones, al menos cuatro, cuya solución permite obtener la latitud, longitud, altitud del receptor, asi como corregir su reloj.

Las determinaciones de las distancias se hace a partir de la medida del retardo que sufre la señal al recorrer la trayectoria satélite-observador, lo que se realiza correlando las señales recibidas de los satélites (una portadora común modulada por códigos seudo aleatorios) con replicas desplazadas de las mismas qe genera el receptor.

Se usan dos tipos de códigos, los denominados C/A (Coarse/Adquisition), utilizados por usuarios civiles que emplean una velocidad de código de 1.023 MHz y los denominados códigos P o de precisión solo permitidos para uso militar, que trabajan a 10.23 MHz la precisión instrumental (sin considerar otras fuentes de error) depende de la velocidad de código.

PRECISION

Son varias las fuentes de error que degradan la precisión en la medidad de las distancias a los satélites, pero todas ellas están acotadas y en gran medida pueden ser coregidas. Las errores más importantes son:

Errores en los relojes de los satélites. Las derivas de los relojes atómicos pueden producir errores significativos, sin embargo el sistema transmite a los usuarios datos que permiten su corrección hasta reducirlos a uno o dos metros.

Errores en la estimación de la posición de los satélites. Con modelos empleados en la medida y predicción de las orbitas, este error se traduce en pocos metros en la estimación de las distancias.

Errores por propagación en la troposfera e ionosfera. Especialmente el efecto de la ionosfera produce errores en torno a la decena de metros que pueden ser reducidos en un orden de magnitud si se hacen las medidas de distintas con dos frecuencias simultáneamente, utilizado hoy en día solo por militares.

Errores instrumentales. Inicialmente previstos como una de las principales fuentes de error, el desarrollo de las técnicas de tratamiento de las señales CDMA ha reducido su valor a alrededor un metro.

Resumiendo el error cometido en la medida de las distancias a los satélites, para usuarios civiles está entre 15 a 20 m. y es inferior a los 5 m. para militares.

GPS DIFERENCIAL

Los errores más importantes tiene la particularidad de estar correlados espacial y temporalmente en amplias zonas.Esto significa que son los mismos para los receptores situados en dichas áreas (círculos de más de 100 Km de radio) lo que abre la posibilidad de reducirlos considerablemente utilizando técnicas diferenciales.

Un sistema diferencial está constituido por tres elementos:

Una estación monitora, cuya posición es conocida con precisión, que incluye un receptor GPS y un ordenador que calcula los errores cometidos en la determinación de las distancias a los satélites y configura la estructura del mensaje difundido a los usuarios.

Un canal de datos, normalmente unidireccional, compuesto por un transmisor junto a la estación monitora y los receptores de los usuarios. La integridad del enla ce es uno de los aspectos críticos del sistema. Se han empleado varios sistemas de radiocomunicaciones para establecer el enlace: los radiofaros costeros, sistemas de comunicaciones satelitales, emisoras comerciales de radio y TV y comunicaciones móviles terrestres.

Equipos de usuarios, con receptor adecuado al canal de datos y un receptor GPS con capacidad de realizar las correcciones diferenciales. Existe un protocolo de comunicación estandarizado por la RTCM (Radio Technical Comission Marine) disponible en los receptores comerciales.

GLONASS

El Sistema Mundial de Navegación por Satélites (GLONASS) proporciona determinaciones tridimensionales de posición y velocidad basadas en las mediciones del tiempo de tránsito y de desviación Doppler de las señales de radio frecuencia (RF) transmitidas por los satélites GLONASS. El sistema es operado por el Ministerio de Defensa de la Federación Rusa y ha sido utilizado como reserva por algunos receptores comerciales de GPS.

Tras la desmembración de la Unión Soviética y debido a la falta de recursos, el sistema perdió operatividad al no reemplazarse los satélites. En la actualidad la constelación GLONASS vuelva a estar operativa.

SISTEMAS GPS EXTENDIDOS

El GPS extendido nace de la necesidad en ciertas fases de la navegación aérea de alcanzar requisitos de precisión, fiabilidad e integridad que no es capaz de suministrar el GPS. Ello implica la necesidad de incorporar sensores en las aeronaves, estaciones monitoras del sistema, etc.

GPS EXTENDIDO REGIONAL

Estos sistemas se utilizan en todas las fases del vuelo incluido el aterrizaje de precisión en categoría. Está compuesto por los siguientes elementos:

Estaciones de referencia. En número de varias decenas, están distribuidas a loa largo de la zona de control, observan todos los satélites GPS visibles y determinan la seudo distancia y las correcciones ionosféricas.

Estaciones Maestras. Utilizan los datos que les envían las estaciones de referencia y generan un mensaje que contiene las correcciones para cada satélite GPS, el mensaje incluye las efemérides del satélite, su reloj y la corrección atmosférica.

Satelites Geoestacionarios. Reciben el mensaje de las estaciones maestras y la retransmiten a los usuarios utilizando portadoras en la banda de las señales GPS. Esta señal puede ser utilizada para establecer una seudo distancia adicional incrementando la precisión, disponibilidad e integridad del sistema.

GPS EXTENDIDO LOCAL

Estos sistemas permite el uso de la navegación aérea por satélite en todas las fases de vuelo. Todavía es un sistema en fase experimental, se utilizará tanto en maniobras de aproximación, aterrizaje y despegue como para operaciones de superficie en el aeropuerto. Contiene los siguientes elementos:

Estaciones de Referencia de Área Local. Típicamente se usan cuatro y están instaladas en posiciones precisas alrededor del aeropuerto. Su función recibir las señales GPS, calcular las seudo distancias y enviarlas a la estación central del proceso.

Estación Central del Proceso. Es la encargada de calcular los errores del sistema GPS y de enviarlas a los transmisores de VHF.

Transmisores de Datos en VHF con el formato por el RTCM.

Seudolitos. Se emplean si se requieren para alcanzar la categoría. Son satélites GPS situados sobre el suelo.

Sensores Adicionales Embarcados o radioalimetros.

Sistemas de Posicionamiento por Satélites en proyecto

Actualmente varios países intentan desarrollar sistemas propios; tal es el caso de China, Japón, India o los países pertenecientes a la Unión Europea y a la Agencia Espacial Europea.

EL SISTEMA GALILEO

Galileo es la iniciativa de la Unión Europea y la Agencia Espacial Europea, que acordaron desarrollar un sistema de radionavegación por satélite de última generación y de alcance mundial propio, que brindara un servicio de ubicación en el espacio preciso y garantizado, bajo control civil.

Galileo comprende una constelación de 30 satélites divididos en tres órbitas circulares, a una altitud de aproximadamente 24.000 Km, que cubren toda la superficie del planeta. Éstos estarán apoyados por una red mundial de estaciones terrestres. El primer satélite experimental fue lanzado el 28 de diciembre de 2005 y el 21 de abril de 2011 se lanzaron los dos primeros satélites del programa.1 Se espera que el sistema esté completamente operativo a partir de 2019 (nueve años más tarde de lo inicialmente previsto). Galileo será compatible con la próxima generación de NAVSTAR-GPS que estará operativa antes del 2012. Los receptores podrán combinar las señales de 30 satélites de Galileo y 28 del GPS, aumentando la precisión de las medidas.

Beidou

Beidou es el nombre del GNSS desarrollado por China para su propio sistema de navegación. Actualmente está en fase de proyecto.

VULNERABILIDADES DE LOS SISTEMAS DE POSICIONAMIENTO POR SATÉLITES

La vulnerabilidad más notable de los GNSS es la posibilidad de ser interferida la señal (la interferencia existe en todas las bandas de radionavegación). Existen varias fuentes de posible interferencia a los GNSS, tanto dentro de la banda como fuera de ésta, particularmente por enlaces de microondas terrestres punto a punto permitidos por varios estados (1559 – 1610 MHz). Estos enlaces se irán eliminando gradualmente entre los años 2005 y 2015.

Las señales de los sistemas GNSS son vulnerables debido a la potencia relativamente baja de la señal recibida, pues provienen de satélites y cada señal cubre una fracción significativamente grande de la superficie terrestre.

En aviación, las normas y métodos recomendados (SARPS) de la OACI para los GNSS exigen un nivel de rendimiento específico en presencia de niveles de interferencia definidos por la máscara de interferencia del receptor. Estos niveles de interferencia son generalmente acordes al reglamento de la Unión Internacional de Telecomunicaciones (UIT). La interferencia de niveles superiores a la máscara puede causar pérdida de servicio pero no se permite que tal interferencia resulte en información peligrosa o que induzca a error.

Tipos de interferencia

Las interferencias pueden ser voluntarias o involuntarias.

Interferencia involuntaria

La probabilidad y consecuencias operacionales de esta interferencia varían con el medio. No se considera una amenaza importante siempre que los estados ejerzan el control y protección adecuados del espectro electromagnético, tanto para las atribuciones de frecuencias existentes como nuevas. Además, la introducción de nuevas señales GNSS en nuevas frecuencias asegurará que la interferencia no intencional no provoque la pérdida completa del servicio (salida), aunque experimente cierto deterioro en su rendimiento.

Se ha determinado que la mayor parte de los casos de interferencia de GNSS notificados proviene de los sistemas de a bordo y la experiencia con la instalación del GNSS ha permitido identificar varias fuentes de interferencia involuntaria.2 Los dispositivos electrónicos portátiles también pueden causar interferencia al GNSS y a otros sistemas de navegación.

Las fuentes terrestres de interferencia incluyen actualmente las comunicaciones VHF móviles y fijas,3 enlaces de radio punto a punto en la banda de frecuencias GNSS, armónicas de estaciones de televisión, ciertos sistemas de radar, sistemas de comunicaciones móviles por satélite y sistemas militares. Las ciudades grandes con fuentes considerables de interferencia de radiofrecuencias (RF), los sitios industriales, etc., son más propensos a la interferencia involuntaria que las regiones remotas, donde esta interferencia es muy poco factible. La probabilidad de esa interferencia depende de la reglamentación estatal del espectro, de la administración de frecuencias y de su cumplimiento en cada estado o región.

Interferencia intencional

Debido a su poca potencia, las señales de los GNSS pueden bloquearse con transmisores de baja potencia. Aunque no se han registrado casos de bloqueo intencional dirigido a aeronaves civiles, por ejemplo, la posibilidad de obstrucción intencional de la señal debe considerarse y evaluarse como una amenaza. Si el impacto es mínimo, la amenaza potencial es baja pues no hay motivación para interferir. La magnitud del impacto potencial puede aumentar conforme el GNSS tenga más aplicaciones y se dependa más de este sistema.

La interferencia por simulación de señales (spoofing) es la corrupción intencional de señales de navegación para que la aeronave se desvíe y siga una trayectoria de vuelo falsa. La simulación de señales de GNSS por satélite es tecnológicamente mucho más compleja que la simulación de radioayudas a la navegación convencionales basadas en tierra. La simulación de radiodifusión de datos GBAS es tan difícil como la simulación de radioayudas de aterrizaje convencionales.

Aunque la interferencia por simulación de señales teóricamente puede inducir a una aeronave determinada a errores de navegación, es muy probable que se detecte con procedimientos normales.4 Los sistemas de advertencia de proximidad del terreno (GPWS) y anticolisión de a bordo (ACAS) dan protección adicional contra colisiones con el terreno y con otras aeronaves. En vista de la dificultad de interferir por simulación con los GNSS, no se consideran necesarias medidas operacionales singulares para mitigarla.

Efectos ionosféricos y otros efectos atmosféricos

Las precipitaciones fuertes sólo atenúan las señales de satélite GNSS una pequeña fracción de dB y no afecta las operaciones.

Los efectos troposféricos se tratan mediante el diseño del sistema y no representan un aspecto de vulnerabilidad. Pero hay dos fenómenos ionosféricos que sí deben considerarse:

Cambios ionosféricos rápidos y grandes. Cerca del ecuador geomagnético se observan frecuentemente cambios rápidos y grandes en la ionosfera, pero su efecto no es lo suficientemente grande como para afectar las operaciones en ruta ni las de aproximaciones que no son de precisión. Los cambios ionosféricos causan errores de telemetría que deben tenerse en cuenta en el diseño del sistema dado se pueden mitigar con el uso de sistemas de aumentación GNSS (SBAS, ABAS, GBAS), aunque pueden limitar los servicios GBAS y SBAS que se proporcionen en la región ecuatorial y utilicen una frecuencia GNSS única.

El centelleo ionosférico. Este es insignificante en las latitudes medias pero en las regiones ecuatoriales, y en menor grado en las altas latitudes, este puede causar la pérdida temporal de las señales de uno o más satélites. La experiencia operacional en las regiones ecuatoriales ha demostrado que la probabilidad de pérdida del servicio GNSS actual es poca debido al número relativamente grande de satélites a la vista. El centelleo puede interrumpir la recepción de las radiodifusiones de los satélites de órbita geoestacionaria (GEO) del SBAS, pero es poco probable que provoque la pérdida completa del servicio GNSS y puede mitigarse con el agregado de nuevas señales y satélites GNSS.

Otras vulnerabilidades

También es necesario considerar las vulnerabilidades de los segmentos terrestre y espacial del GNSS. Existe el riesgo de número insuficiente de satélites en una constelación dada debido a la falta de recursos para mantenerla, fallos en los lanzamientos o de satélite. Una fallo del segmento de control de la constelación o un error humano pueden llegar a causar la falla de múltiples satélites de una constelación.

Otro riesgo es la interrupción del servicio o su degradación durante una situación de estado de emergencia nacional. Los países que proveen señales para la navegación por satélite pueden negar su disponibilidad, es lo que se denomina disponibilidad selectiva. El propietario de un sistema de navegación por satélite tiene la capacidad de degradar o eliminar servicios basados en los satélites de la navegación sobre cualquier territorio que desee. Así, si la navegación por satélite se convierte en un servicio esencial, los países sin sus propios sistemas de navegación por satélite se convertirán en clientes de los estados que provean estos servicios.

En el caso del tráfico aéreo si la denegación de señal es regional, se bloquearían todas las señales civiles de GNSS y el espacio aéreo afectado estaría cerrado al tránsito aéreo civil.

Los países proveedores de servicios GNSS pueden modificar o denegar estos ante situaciones de emergencia. En la imagen, el presidente estadounidense George W. Bush reunido con el Consejo de Seguridad Nacional tras los atentados del 11 de septiembre de 2001.

Otra situación menos probable sería la degradación o denegación de las señales de los satélites principales o de los satélites de aumento en toda el área de cobertura.

En la evaluación de los riesgos operacionales relacionados con las vulnerabilidades del GNSS hay que considerar dos aspectos principales:

La probabilidad de interrupción del GNSS. El efecto de la interrupción.

Al considerar estos aspectos en función del espacio aéreo, los proveedores de servicios de navegación aérea pueden determinar si se necesita mitigarlos y, de ser así, a qué nivel. Se requiere mitigación para las interrupciones que tengan efectos importantes y probabilidades de ocurrir de moderadas a altas.

Las nuevas señales y constelaciones principales de satélites reducirán considerablemente la vulnerabilidad del GNSS. La utilización de señales más fuertes y las frecuencias diversas planeadas para el GPS, el GLONASS y Galileo eliminarán efectivamente el riesgo de interferencia involuntaria, pues es muy poco probable que una fuente de tal interferencia afecte simultáneamente a más de una frecuencia.

Más satélites (incluso constelaciones múltiples) eliminarán el riesgo de interrupciones completas del GNSS debidas al centelleo y la multiplicidad de frecuencias mitigará el efecto de los cambios ionosféricos. Los futuros satélites geoestacionarios mitigarán el efecto de la ionosfera en el SBAS usando satélites cuyas líneas visuales estén separadas cuando menos a 45º.

Las señales más robustas y las nuevas frecuencias del GNSS hacen más difícil interferir intencionalmente con todos los servicios GNSS. Más constelaciones principales de satélites reducen el riesgo de falla del sistema, de errores operacionales o de interrupciones de servicio. También pueden seguir proporcionando servicio mundial en el caso poco probable de que el proveedor de un elemento de GNSS modifique o deniegue el servicio debido a situaciones de regímenes de excepción de un estado.

La administración y una fuerte financiación del sistema son esenciales para la operación continua de los servicios GNSS y para mitigar las vulnerabilidades del sistema mencionadas, excepto la posible interrupción global del servicio debida a una emergencia nacional. Un medio efectivo de mitigar la vulnerabilidad de interrupción global es que los proveedores de servicios adopten una política de denegación regional en caso de emergencia nacional.

Sistemas de Aumentación GNSS

Avión espía no tripulado DarkStar Tier III del ejército de los EE.UU. Su aterrizaje se lleva a cabo automáticamente mediante GPS Diferencial.

Las constelaciones de GPS y GLONASS no se elaboraron para satisfacer los requisitos estrictos (precisión, integridad, disponibilidad y continuidad) de la navegación por instrumentos (IFR). Una explicación breve del significado de los requisitos operacionales es la siguiente:

Exactitud. Diferencia entre la posición estimada y la real (medición de errores).

Integridad. Confianza sobre la información total proporcionada (alertas de no utilización).

Continuidad. Funcionamiento sin interrupciones no programadas.

Disponibilidad. Es la parte del tiempo durante la cual el sistema presenta simultáneamente la exactitud, integridad y continuidad requeridas.

Para garantizar que los GNSS actuales cumplan con estos requisitos en todas las fases del vuelo (desde el despegue, en ruta, hasta un aterrizaje de precisión), para el GPS y GLONASS se requiere de diversos grados de aumentación.

Tres sistemas de aumentación, el sistema basado en la aeronave (Aircraft Based Augmentation System – ABAS), el basado en tierra (Ground Based Augmentation System - GBAS), y el basado en satélites (Satellite Based Augmentation System – SBAS), se han diseñado y normalizado para superar las limitaciones inherentes a los GPS.

Para aplicaciones en tiempo real, las correcciones de los parámetros de cada satélite de las constelaciones GNSS existentes (GPS y GLONASS) deberán ser transmitidas a los usuarios a través de equipos de radio VHF (GBAS) o si se requiere una amplia cobertura a través de satélites geoestacionarios que emitan pseudocódigos con información de corrección (SBAS).

Aumentación basada en la aeronave (ABAS)

Entre los sistemas que otorgan esta aumentación a los receptores GPS están los sistemas de Receptor con Supervisión Autónoma de la Integridad (RAIM) y la función de Detección de Fallos y Exclusión (FDE). Los ABAS proporcionan la integridad requerida para utilizar el GPS como medio único suplementario y principal de navegación durante la salida, en ruta, la llegada y para aproximaciones de precisión y no-precisión.

Aumentación basada en Tierra (GBAS)

GBAS es un término que comprende todos los sistemas de aumentación basadas en estaciones terrestres. Se diferencian de los SBAS en que no dependen de satélites geoestacionarios, debido a que el GBAS no está diseñado para dar servicio sobre amplias regiones geográficas.

Sistema de aumentación regional basada en Tierra (GRAS)

El GRAS (Ground based Regional Augmentation System) tiene como base al GBAS y consiste en una serie de estaciones GBAS desplegadas en un área extensa (incluso continental) interconectadas entre sí por sistemas de telecomunicaciones, permitiendo

contar con una aumentación SBAS de carácter regional. Australia es el país más avanzado en estos momentos en el desarrollo e implementación de este tipo de sistemas.

Aumentación basada en Satélites (SBAS)

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. Las principales entidades que han desarrollado actualmente sistemas SBAS son los EE. UU. (el WAAS), Europa (el EGNOS) y Japón (el MSAS). Se encuentran en proceso de desarrollo la India (GAGAN), y en proyecto de China (SNAS) y Latinoamérica (SACCSA).

4. MARCO PRÁCTICO

Como se menciono en la parte teorica un sistema de radinavegacion satelital consta de tres segmentos:

Segmeto de Espacio: Conformado por una constelación de satélites.

Segmento de Control: Red de tierra de monitorización y control.

Segmento de Equipo de Usuario: Equipo para el usuario.

SEGMENTO DE ESPACIO

Conformado por Orbitas y posicionamiento de los satélites en las orbitas.

SEGMENTO DE CONTROL

Conformado por un sistema de control operacional.

SOFTWARE DEL SEGMENTO DE CONTROL

EL MCS data processing software esta instalado en un ordenador central bajo el sistema operativo Multiple Virtual Storage (MVS)

Las estaciones monitoras y las antenas de tierra son de funcionamiento automatico y se operan de manera remota desde el MCS via TCP/IP. Funcionan sobre software basado en UNIX en estaciones de trabajo SUN.

CARACTERISTICAS DEL APARATO RECEPTOR GPS

Los GPS están en muchos instrumentos de la vida diaria como los teléfonos móviles. Su

estructura interna es la siguiente:

Dentro de la navegación satelital surge tres problemas fundamentales:

La dirección o rumbo que llevamos o llevaremos.

La distancia recorrida o largo a esa direccionde rumbo

La posición o situación sobre la superficie terrestre, es decir la determinación de Latitud, longitud y altitud geográficas en que nos encontramos.

Para la solución de estos tres problemas utilizamos mapas náuticos o cartográficos, dependiendo de la aplicación. Escalas apropiadas impresas en los márgenes del mapa permiten medir la latitud y la longitud de cualquier punto.

Mapa cartográfico

PRINCIPIO DE TRIANGULACION APLICADO AL SISTEMA GPS

El principio matemático de la triangulación permite establecer el punto en la tierra sobre el cual se encuentra el receptor. Para ello será necesario conocer la distancia que nos separa de tres puntos de referencia conocidos como A, B, C, trazar tres círculos cuyos radios serán r1, r2, r3.

Descripcion Logica del Metodo

Paso 1

Cuando el receptor detacta el primer satélite se genera una esfera visrtual cuyo centro es el propio satélite y supone que el punto se encuentra dentro de esa esfera. El radio de la esfera será la misma distancia que separa al satélite receptor.

Paso 2

Al calcular la distancia hasta un segundo satélite, se genera otra esfera virtual. La esfera anterior creada se superpone a esta otra y se crea un anillo imaginario que pasa por dos puntos donde se interceptan ambas esferas.

Paso 3

El receptor calcula la distancia a un ercer satélite y se genera una tercera esfera virtual. Esa esfera se corta en un extremo del anillo anteriormente creado en un punto y espacio y

con el otro extremo en la superficie de la Tierra. El receptor discrimina como ubicación el punto situado en el espacio, utilizando sus recursos matematicos de posicionamiento y toma como posición correcta el punto situado en la tierra.

Paso 4

El receptor calcula la distancia a un cuarto satélite y se genera una cuarta fase virtual Si el cálculo es correcto la esfera del cuarto satélite intrcepta en el mismo punto que las anteriores, dando los valores correspondientes a la latitud y longitud.

DETERMINACION DE LAS DISTANCIAS

Para conocer la distancia se mide el tiempo que tarda una señal emitida por el satélite en llegar hasta nuestro receptor GPS usando una de las reglas del movimiento rectilíneo uniforme que corresponde a la siguiente expresión:

DIAGRAMA DE POSICIONAMIENTO Y TIEMPO DE UN GPS

DIAGRAMA SIMPLIFICADO DE UN RECEPTOR GPS

DATA BIT DE DEMODULACION Y C/A DEL CODIGO DE CONTROL

APLICACIONES

Navegación aérea

La navegación aérea utiliza, dentro del concepto de Sistemas Globales de Navegación por Satélites (GNSS) implementado por la Organización de Aviación Civil Internacional (OACI), los sistemas de posicionamiento, reconociéndose como un elemento clave en los sistemas de Comunicaciones, Navegación y Vigilancia que apoyan el control del tráfico aéreo (CNS/ATM), así como un fundamento sobre el cual los estados pueden suministrar servicios de navegación aeronáutica mejorados. Los estados que autorizan operaciones GNSS son los responsables de determinar si el mismo satisface los requisitos de actuación requeridos para esta actividad (de acuerdo a lo especificado por la OACI) en el

espacio aéreo de su competencia y de notificar a los usuarios cuando dicha actuación no cumple con estos.

Por concepto, el GNSS es un sistema mundial de determinación de la posición y la hora, que incluye constelaciones principales de satélites, receptores de aeronave, supervisión de integridad del sistema, y sistemas de aumento que mejoran la actuación de las constelaciones centrales.

En síntesis, el GNSS es un término general que comprende a todos los sistemas de navegación por satélites, los que ya han sido implementados (GPS, GLONASS) y los que están en desarrollo (Galileo), proponiendo la utilización de satélites como soporte a la navegación, ofreciendo localización precisa de las aeronaves y cobertura en todo el globo terrestre. Se está implantando el GNSS de una manera evolutiva a medida que esté preparado para acoger el gran volumen del tráfico aéreo civil existente en la actualidad, y pueda responder a las necesidades de seguridad que requiere el sector, uno de los más exigentes del mundo.

Cuando el sistema GNSS esté completamente desarrollado, se prevé que pueda ser utilizado sin requerir ayuda de cualquier otro sistema de navegación convencional, desde el despegue hasta completar un aterrizaje de precisión Categoría I, II ó III; es decir, en todas las fases de vuelo.

Ciencias Geográficas

Geodesia: Observación de redes de cualquier órden de redes de control, con capacidad para determinar el geoide utilizándolo conjuntamente con otras técnicas.

Geodinámica: Determinación de deformación de la corteza terrestre (estudio de rotación terrestre, movimiento de las placas tectónicas, predicción de terremotos, etc.)

Topografía y Fotogrametría: Densificación de redes geodésicas y batimétricas y apoyo fotogramétrico en escalas medias altas.

Obra civil: Realización de obras de alto recorrido, carreteras, redes eléctricas y telefónicas, conducción de agua, oleoductos, etc.

Uso militar

El origen de la navegación por satélite fue militar. La navegación por satélite permite alcanzar una precisión que no se había conseguido hasta este momento, en los objetivos de las armas, aumentando su efectividad, y reduciendo daños no deseados mediante armamento que se vale de la señal de los GNSS que sí producían las armas convencionales. La navegación por satélite también permite que las tropas sean dirigidas y se localicen fácilmente.

En suma, se puede considerar un factor multiplicador de la fuerza. Particularmente, la capacidad de reducir muertes involuntarias tiene ventajas particulares en las guerras mantenidas por las democracias, donde la opinión pública tiene una gran influencia en la

guerra. Por esta razón, un sistema de navegación por satélite es un factor esencial para cualquier potencia militar.

El guiado de precisión hasta el objetivo de misiles y bombas inteligentes es uno de los usos militares de los GNSS.

Otros usos civiles

Navegador de una automóvil

Algunas de las aplicaciones civiles donde se utilizan las señales GNSS son las siguientes:

Ayudas a la navegación y orientación en dispositivos de mano para senderismo, dispositivos integrados en los automóviles, camiones, barcos, etc.

Sincronización. Sistemas de localización para emergencias. Geomática. Seguimiento de los dispositivos usados en la fauna. Etc.

5. CONCLUSIONES

En el presente proyecto se han estudiado los sistemas de radionavegación por satélite. A lo largo del mismo se ha presentado la historia de estos sistemas, porqué surgieron, como evolucionó el campo de posibles aplicaciones de los mismos. Posteriormente se han analizado y comparado la composición de cada sistema en sus distintos segmentos y los aspectos técnicos de funcionamiento. EN el presente trabajo se estudio la primera generación de GNSS formada por GPS y GLONASS, y el primer GNSS-2, Galileo, el sistema europeo, que encabeza la segunda generación de estos sistemas. Esto es así porque el estudio de los GNSS-1 permite tener una visión global de los sistemas de navegación en la actualidad, mientras que el estudio de un GNSS-2 permite entender hacia dónde evoluciona esta tecnología, mediante la prestación de nuevos servicios a través de nuevas señales de navegación. Los sistemas de navegación ofrecen, por tanto, un futuro lleno de posibilidades para los ingenieros de telecomunicación, ya que es un sector multidisciplinar en el que existen multitud de posibles trabajos en organismos de regulación, empresas dedicadas a la fabricación de hardware, prestación de servicios y aplicaciones, o agencias internacionales como la ESA. Estos años son el momento clave de desarrollo de una tecnología que revolucionará nuestra vida al igual que lo hicieron Internet o la telefonía móvil, tecnologías junto con las que se integrarán los GNSS para ofrecer distintos servicios.

6. BIBLIOGRAFIA

F. Pérez Martínez. SISTEMAS DE NAVEGACIÓN POR SATÉLITE. Dpto.

Publicaciones. E.T.S.I. Telecomunicación. Madrid.

Materiales del Grupo de Tareas GNSS del Subgrupo CNS/ATM del GREPECAs

(OACI)(2005-2006)

http://dspace.ups.edu.ec/bitstream/123456789/1166/2/CAPITULO%20I.pdf

Radionavigation Systems, Börje Forsell. Prentice Hall, 1991.

Federal Radionavigation Systems Report, Department of Defense and Department

of Transportation.

Materiales del Grupo Coordinador del Proyecto OACI RLA/03/902 “Sistema de

Aumentación GNSS para el Caribe, Centro y Sur América (SACCSA)”