Sistemas hiperbólicos navegación terrestre

(1)

SISTEMAS DE RADIODETERMINACIÓN

G GG

Gradoradoradorado en Ingeniería de Tecnologías de Telecomunicaciónen Ingeniería de Tecnologías de Telecomunicaciónen Ingeniería de Tecnologías de Telecomunicaciónen Ingeniería de Tecnologías de Telecomunicación

SISTEMAS DE RADIONAVEGACIÓN

■

Sistemas hiperbólicos navegación terrestre

– Sistemas Decca, Loran y Omega

■

Sistemas de navegación por satélite

(2)

SISTEMAS DE RADIODETERMINACIÓN

G GG

SISTEMAS DE NAVEGACIÓN HIPERBÓLICOS

■

Diferencia de distancias a dos puntos fijos midiendo

diferencias de tiempo de propagación.

■

Receptor situado en una hipérbola que es el lugar

geométrico (líneas de posición, LOP) de los puntos cuya

diferencia de distancias a dos focos fijos es constante: son

las líneas que contienen la

posición exacta del móvil.

El valor de esa constante es

la distancia entre los vértices

(3)

SISTEMAS DE RADIODETERMINACIÓN

G GG

■

Midiendo la diferencia de distancias a otros dos puntos

fijos (uno de los cuales puede ser común con los

primeros) se tiene una segunda hipérbola de localización

(tercera estación y segundo par de medidas).

■

La intersección de dos hipérbolas, de dos LOPs, permite

determinar la posición del móvil (3 puntos de referencia y

dos pares de medidas)

(4)

SISTEMAS DE RADIODETERMINACIÓN

G GG

■

Triángulo de posición probable: Intersección de 3 LOPs

Familia AB

Familia BC

C

A

B

Medida AB

Medida BC

C

A

B

Medida AC

(5)

SISTEMAS DE RADIODETERMINACIÓN

G GG

■

Transmisión sincronizada

– Si dos estaciones, Maestra (M) y esclava (E), cuya posición es

conocida, emiten dos señales sincronizadas, un receptor que las

sintonice y compare puede determinar la línea de posición en la que

está situado.

– Utilizando tres o más estaciones transmisoras, la intersección de dos

o más hipérbolas permite obtener la posición del receptor.

Inicialmente, se hacía gráficamente sobre mapas de hipérbola,

actualmente un microprocesador resuelve la geometría y entrega la

latitud y la longitud.

■

Dependiendo del parámetro medido:

– Basados en la medida del retardo temporal con que se reciben los

pulsos de las dos estaciones:

– Basados en la diferencia de fase con que se reciben las dos

portadoras:

1 2 1 2 1 2 t t

R

D

t

R

cD

c

=

−

=

−

⇒

−

=

(6)

SISTEMAS DE RADIODETERMINACIÓN

G GG

■

Medida y comparación de tiempos:

– Sistema Loran

■

Comparación de fases de las señales recibidas de la

misma frecuencia: posibles soluciones para distinguirlas:

– Multiplexar en el tiempo la transmisión de las señales por cada

una de las estaciones

sistema OMEGA

– Multiplexado en frecuencia transmitiendo diferentes tonos

múltiplos de una fundamental

sistema DECCA. La frecuencia

para comparar la fase es un múltiplo común de las frecuencias

recibidas

■

Ventajas de este tipo de sistemas:

– No requieren transmisión por parte del usuario: no es posible

localizar al usuario por sus radiaciones electromagnéticas

– El control de precisión del sistema está en las estaciones terrenas.

El equipo embarcado puede elegirse de distintas calidades y

precios en base a las necesidades del usuario

– No requiere propagación de ida y vuelta: potencia de emisión es

mucho más pequeña para el mismo alcance

⇒

(7)

SISTEMAS DE RADIODETERMINACIÓN

G GG

Sistema LORAN =

Sistema LORAN = LOng

LOng

LOng RAnge

LOng

RAnge

RAnge Navigation

RAnge

Navigation

■

Desarrollado por el Instituto Tecnológico de Massachusetts

y utilizado por primera vez por EEUU durante la II Guerra

Mundial

■

Principio de funcionamiento:

– Estaciones base transmitiendo señales pulsadas a baja frecuencia.

– Cadenas de pulsos a velocidad de repetición constante:

Frecuencia de repetición de pulsos: 25 pulsos/s

Ancho de pulso: 40 µs

■

Las versiones sucesivas de Loran han recibido el nombre de

(8)

SISTEMAS DE RADIODETERMINACIÓN

G GG

■

Loran A (en desuso):

– Tres estaciones ⇒ Una maestra y dos auxiliares

(aproximadamente a 300 Km de la maestra)

– Potencia de transmisión de unos 100 Kw

– Frecuencia de trabajo de 2 MHz

– Alcance > 1000 Km.

■

Cadena Loran A:

– Se distinguen por:

Frecuencia de portadora: 1850 KHz, 1900 KHz ó 1950 KHz

Frecuencia de repetición de pulsos elegible en tres bandas: 20,

25 ó 30 Hz

(9)

SISTEMAS DE RADIODETERMINACIÓN

G GG

■

Loran C (versión mejorada del anterior):

– Desarrollado por el Departamento de Transporte de EEUU

– Frecuencia de trabajo = 100 KHz ⇒ λ ~ 3 Km

Grandes antenas de unos 400m de altura

– Pt ~ 3000 Kw

Separación entre antenas ~ 1500 Km

– Alcance > 3000 Km

■

Cadena Loran C:

– Estación maestra (M).

– 4 estaciones auxiliares:

W (Whisky)

X (X-Ray)

Y (Yankee)

Z (Zulu)

(10)

SISTEMAS DE RADIODETERMINACIÓN

G GG

SISTEMA

SISTEMA DECCA

DECCA

■

Características:

– Frecuencia de trabajo: 100 KHz. Potencia transmitida: 2 Kw.

Altura de las antenas: 100 m

■

Distinción entre antenas ⇒ Diferentes frecuencias

transmitidas

■

Cadena Decca:

– Maestra (6f) (*)

– 3 auxiliares (slaves)

Roja (8f)

Verde (9f)

Púrpura (5f)

(*) En un ciclo de la frecuencia f, la estación maestra emite 6 ciclos, la estación roja emite 8

ciclos, la estación verde emite 9 ciclos y la estación púrpura emite 5 ciclos.

(11)

SISTEMAS DE RADIODETERMINACIÓN

G GG

■

Base de comparación ⇒ Maestra – 1 auxiliar

– Separación: 15 – 20 Km ⇒ Alcance 400 Km

– Utilización marítima

(12)

SISTEMAS DE RADIODETERMINACIÓN

G GG

■

Recepción ⇒ Cálculo del m.c.m de cada base para comparar

fases

– La base roja está constituida en el receptor por las señales

de frecuencia 6f y 8f. El receptor genera una frecuencia

común a las dos transmisiones mediante un proceso de

multiplicación de frecuencias. La frecuencia fundamental en

la cadena británica es de 14.0466 KHz.

(13)

SISTEMAS DE RADIODETERMINACIÓN

G GG

Sistema

Sistema OMEGA

OMEGA

■

Principio de funcionamiento:

– Sistema de navegación hiperbólico a muy baja frecuencia.

Banda VLF: 10-14 KHz

Ventajas ⇒ Largo alcance y estabilidad

Inconvenientes ⇒ Antenas enormes (más de 300 m de

altura).

– Propagación por efecto guía de onda ⇒ Diferente

propagación entre día y noche. Las ondas pueden penetrar

hasta 15 m en el agua

– Cobertura global con 8 estaciones transmisoras (solo

transmite una cada vez)

Las señales están sincronizadas en fase en todas las

estaciones transmisoras: relojes atómicos de cesio

(14)

SISTEMAS DE RADIODETERMINACIÓN

G GG

■

Características de los transmisores OMEGA (I)

Localización Localización Localización

Localización Tipo de antenaTipo de antenaTipo de antenaTipo de antena Frecuencia (kHz)Frecuencia (kHz)Frecuencia (kHz)Frecuencia (kHz)

Noruega Cables suspendidos 12.1

Paynesville, Liberia Torre 12.0

Kaneoke, Hawai Cables suspendidos 11.8

Le Moure, North Dakota Monopolo 13.1

Isla Reunion, (Indico) Torre 12.3

Golfo Nuevo, Argentina Monopolo 12.9

Woodside, Australia Torre 13.0

(15)

SISTEMAS DE RADIODETERMINACIÓN

G GG

Transmisor Tsushuima: Antena a 389

metros sobre un mástil tubular de

acero aislado del suelo. Construido en

1973, desmantelado en 1998

(16)

SISTEMAS DE RADIODETERMINACIÓN

G GG

Transmisor Kaneohe: Usaba como

antena un cable que se extendía

sobre el valle Haiku

■

Características de los transmisores OMEGA (III)

Transmisor Chabrier: Ubicado en la

Isla Reunión con un mástil de 428

metros de altura

(17)

SISTEMAS DE RADIODETERMINACIÓN

G GG

SISTEMAS

SISTEMAS DE

DE

DE NAVEGACIÓN

NAVEGACIÓN

NAVEGACIÓN POR

POR

POR SATÉLITE

POR

SATÉLITE

■

Clasificación de los sistemas de navegación por satélite:

– Servicios de Radionavegación:

Sólo se transmiten datos en una dirección ⇒ El receptor

determina su posición a partir de las señales que recibe

TRANSIT, GPS-NAVSTAR, GLONASS (Rusia), Galileo

– Servicios de Radiodeterminación:

Requieren una comunicación bidireccional

Se “interroga” a los usuarios que transmiten señales a modo de

respuesta

Con las respuestas, las estaciones analizan la posición del

receptor y la transmiten

INMARSAT-Standard-C (EEUU y Reino Unido)

Sistema Argos (Francia)

(18)

SISTEMAS DE RADIODETERMINACIÓN

G GG

■

Ventajas:

– Navegación posible cualquiera que sean las condiciones

climatológicas

– Cobertura mundial y continua

– Movimiento rápido de los satélites ⇒ Determinación de la

posición con rapidez

■

Inconvenientes:

– Equipos de abordo complejos y costosos

– Reemplazamiento de satélites cuando se averían

– Necesidad de estaciones terrenas para el seguimiento de los

satélites

(19)

SISTEMAS DE RADIODETERMINACIÓN

G GG

■

Partes de un sistema de navegación por satélite:

– Segmento espacial: formado por los satélites, encargados de

generar y transmitir las señales de navegación. Las órbitas

deben ajustarse para que, en cualquier punto, se vea un

número mínimo de satélites (son necesarios 4 satélites, en

cada punto son visibles al menos 6)

(20)

SISTEMAS DE RADIODETERMINACIÓN

G GG

– Segmento de control: seguimiento, mantenimiento y control

de los satélites (estaciones terrenas). Es el responsable de la

monitorización de la salud de los satélites, del envío de

órdenes y del control de la constelación de satélites

manteniendo su configuración orbital. Además corrige las

derivas de los relojes de los satélites así como otros

parámetros necesarios para determinar la posición y la

velocidad del usuario.

(21)

SISTEMAS DE RADIODETERMINACIÓN

G GG

– Segmento de usuarios (receptores fijos o móviles). El equipo

receptor del usuario lleva a cabo las funciones de navegación

y las asociadas a estas. Características importantes que varían

de un receptor a otro:

Resistencia a los golpes, extremos de temperatura y humedad, …

Receptores militares o civiles

Resistencia al multicamino

Amplificación de la se˜nal

(22)

SISTEMAS DE RADIODETERMINACIÓN

G GG

■

Obtención de la posición (medida de retardos temporales)

– Mínimo 4 satélites:

τ

es la deriva del reloj del receptor

(23)

SISTEMAS DE RADIODETERMINACIÓN

G GG

(24)

SISTEMAS DE RADIODETERMINACIÓN

G GG

■

Dilución de precisión

– Es la consistencia geométrica del conjunto de satélites que se

encuentran dentro del campo de observación del receptor. Cuando

los satélites se encuentran muy cerca unos de otros se dice que la

geometría es débil y la DOP alta y si se encuentran muy distantes

angularmente la geometría es fuerte y la DOP baja.

(25)

SISTEMAS DE RADIODETERMINACIÓN

G GG

■

Errores en la medida:

– Errores y/o imprecisiones en los datos obtenidos relativos a la

órbita en la que se encuentran los satélites.

– Número de satélites visible. Una mayor visibilidad de estos

dispositivos garantizan mediciones más exactas.

– Disposición o geometría de los satélites.

– Excesivo retraso de la señal en alguna de las capas terrestres (por

ejemplo en la troposfera o en la ionosfera).

– Errores originados de manera local en el propio reloj del GPS.

– Dispersión de la señal debido a grandes barreras arquitectónicas,

tales como montañas o edificios de gran tamaño.

(26)

SISTEMAS DE RADIODETERMINACIÓN

G GG

■

Evolución histórica de GPS:

– Objetivo inicial:

Uso militar. 24 satélites en órbitas a 20.000 Km y

periodo de revolución de 12 horas

– Excesivo coste (1979) ⇒ Reducción del 30% del presupuesto

⇒

18 satélites + 3 de reserva

– Accidente del transbordador Challenger (1986) ⇒ 24 meses

de retraso

– El Departamento de Defensa autoriza el proyecto inicial de

24 satélites (1988)

– 1990-91 Crisis del Golfo Pérsico ⇒ Provoca la aceleración

del desarrollo final del proyecto

(27)

SISTEMAS DE RADIODETERMINACIÓN

G GG

SISTEMA

SISTEMA NAVSTAR

NAVSTAR

NAVSTAR----GPS

NAVSTAR

GPS

■

Se transmiten dos portadoras en la banda UHF:

– f

₁

= 1575.42 MHz

– f

₂

= 1227.60 MHz

■

Se utilizan dos tipos de códigos:

– Código de adquisición común C/A (Coarse Acquisition)

Se utiliza para captación de señales y navegación de baja

precisión

Modo básico civil,

SPS (Standard Positioning Service)

– Código P de precisión o protegido (Precision code)

Se utiliza para navegación de precisión

PPS

(Precise

Positioning

Services):

Disponibilidad

selectiva, código encriptado

Uso militar

(28)

SISTEMAS DE RADIODETERMINACIÓN

G GG

■

Configuración del sistema ⇒ Segmento espacial:

– 24 satélites (se reciben señales de 6 cerca del 100% del tiempo)

– 6 órbitas separadas 60 grados

– Órbitas circulares:

20180 Km de altitud

Inclinación de 55 grados

– Periodo de 12 horas

– Equipados con relojes

muy precisos que marcan

el tiempo con una precisión

de 3 ns

(29)

SISTEMAS DE RADIODETERMINACIÓN

G GG

■

Desarrollo e implementación del programa GPS

– Bloque I. Validación del concepto inicial. Prototipos que

permitieron validar el concepto del GPS. 11 satélites fueron

construidos por Rockwell International y lanzados desde

California entre 1978 y 1995. Diseñados originalmente para tener

una vida de 4 años y medio, aunque muchos de ellos operaron

durante más tiempo. Tenían un peso de 845 kg y estaban

alimentados por paneles solares de 400 W. Todos ellos estuvieron

abiertos para uso civil.

– Bloque II. Satélites de producción inicial. Introducen mejoras

debido a la experiencia acumulada con el bloque I. 9 satélites de

1500 kg de peso y alimentados por paneles solares de 750 W.

Diseñados para tener una vida media de 6 años.

– Bloque IIA. Satélites de producción actualizados. 19 satélites de los

cuales 15 todavía están operativos.

(30)

SISTEMAS DE RADIODETERMINACIÓN

G GG

■

Configuración del sistema ⇒ Segmento de control:

– Estación Maestra en Colorado Springs

– 5 Estaciones Monitoras: Diego García, Isla Ascensión,

Kwajalein, Colorado Springs y Hawaii: están espaciadas

uniformemente en longitud, conocen su propia posición con

exactitud, calculan con gran precisión las órbitas de los

(31)

SISTEMAS DE RADIODETERMINACIÓN

G GG

■

Configuración del sistema ⇒ Segmento de usuarios:

– Sintoniza la señal emitida por los satélites

– Decodifica el mensaje de navegación

– Estima los retardos y realiza los cálculos precisos para

extraer los datos requeridos

– Antena, más o menos isotrópica, con cobertura semiesférica

y un preamplificador de bajo ruido para permitir un cable

largo de conexión al receptor sin degradar la sensibilidad

del sistema

(32)

SISTEMAS DE RADIODETERMINACIÓN

G GG

■

Precisión

– Sistema basado en la medida del tiempo transcurrido entre la

emisión de la se˜nal por el satélite y su llegada al receptor. Es un

sistema basado en la medida del TOA (time of arrival).

– La precisión del NAVSTAR GPS, en las especificaciones de los

informes del Departamento de Defensa del a˜no 2001 para el modo

civil, es de 13 m en la dirección horizontal y de 22 m en la dirección

vertical, con un caso peor de valores de 36 m y 77 m,

respectivamente.

– El valor de exactitud del servicio GPS militar según las

especificaciones dadas en el “Technical Characteristics of the

NAVSTAR GPS” de la OTAN en el a˜no 1991 era de 21 m para la

posición horizontal y 27 para la vertical.

(33)

SISTEMAS DE RADIODETERMINACIÓN

G GG

SISTEMA

SISTEMA GALILEO

GALILEO

– Sistema europeo que trata de competir con GPS.

– Durante la conferencia europea de GNSS del año 2000,

cuando se anunció la voluntad de Europa de lanzar su

programa, se anunció simultáneamente que el GPS

proporcionaría una exactitud de 15 m en vez de 100 m.

– Un problema adicional de GALILEO es la voluntad de que

muchos de sus servicios vayan a ser de pago.

(34)

SISTEMAS DE RADIODETERMINACIÓN

G GG

– Lista de satélites Galileo:

GIOVE-A (28/12/2005, retirado).

GIOVE-B (26/04/2008, retirado).

Galileo 1 y 2 (21/10/2011).

Galileo 3 y 4 (12/10/2012).

Galileo 5 y 6 (22/08/2014, inicialmente fuera de órbita).

Galileo 7 y 8 (27/03/2015).

Galileo 9 y 10 (11/09/2015).

Galileo 11 y 12 (17/12/2015).

Galileo 13 y 14 (24/05/2016).

Galileo 15, 16, 17 y 18 (17/11/2016).

(35)

SISTEMAS DE RADIODETERMINACIÓN

G GG

(36)

SISTEMAS DE RADIODETERMINACIÓN

G GG

SISTEMA

SISTEMA GLONASS

GLONASS

■

Global Orbiting Navigation Satellite System

■

Desarrollado por la antigua Unión Soviética ⇒ Controlado

por la Federación Rusa

■

Misma filosofía que el NAVSTAR-GPS: medida de

distancias a 4 satélites

■

Características de funcionamiento:

– 24 satélites en 3 órbitas separadas 120 grados

– Órbitas casi circulares:

19100 Km de altitud

Inclinación de 64.8 grados

– Periodo de 11h 15m

– Tiempos de vida muy bajos (2 años)

– Inestabilidad política y económica: reducción del número de

satélites y de la cobertura (completa en Chechenia, al 66%

en otras zonas de Rusia y al 53% en el resto del mundo)

(37)

SISTEMAS DE RADIODETERMINACIÓN

G GG

COMPARACIÓN