El sistema GPS1fue desarrollado a princi-pios de los años 70 con fines militares y un simple propósito: permitir a un usuario de-terminar su posición en cualquier par te del mundo. Desde entonces su uso se ha ido ex-tendiendo progresivamente, pero solamente desde hace unos pocos años su utilización se ha popularizado masivamente entre la socie-dad. Esto ha ocurrido gracias al avance de otras tecnologías, que han posibilitado que un equipo pequeño y ligero pueda albergar un receptor que antes hubiera pesado varios kilogramos, integrar su información con otros ser vicios, y mostrar dicha información en tiempo real de forma clara e intuitiva.
Cada vez somos más los usuarios de re-ceptores GPS, tanto para transporte
terres-tre como para uso personal, y gracias a las si-nergias con otras tecnologías, innumerables aplicaciones y servicios basados en posicio-namiento por satélite empiezan a ser ofreci-dos a las empresas y al usuario final, creando nuevas cadenas de valor.
Tanto el GPS americano como GLONASS2, el sistema ruso, están siendo modernizados rápidamente. Mientras tanto, China trata de colaborar con Europa, aunque siempre con la idea de desarrollar su propio GPS a medio plazo (Compass).Todo ello prueba el interés estratégico de los gobiernos mundiales en es-ta tecnología. Por otra parte, Europa ya opera el sistema EGNOS3(sistema de aumentación europeo utilizando la señal GPS) y se encuen-tra en pleno desarrollo de Galileo, su propio
Navegación por Satélite
El mundo de la ciencia y la tecnología ofrece cada ciertos años un nuevo avance que irrumpe en la sociedad prestando nuevos servicios y modificando nuestros hábitos: los ordenadores personales, Internet, la telefonía móvil... Esta vez le ha tocado el turno a la Navegación por Satélite.Joaquín Reyes González
Ingeniero Industrial del ICAI, promo-ción 2006. Actualmente trabaja en los sistemas EGNOS y Galileo en la em-presa GMV Aerospace and Defence, S.A. Presidente de la Asociación “GNU/Linux Entre Comillas”.
Ignacio Fernández Hernández
Ingeniero Industrial del ICAI, promo-ción 2001 (Esp. Electrónica). Jefe de Proyectos de Aplicaciones GNSS en GMV Aerospace and Defence, S.A. Ha trabajado como EGNOS System Test Manager en Alcatel Space (Francia).
(1)Global Positioning System
(2)GLObal'naya NAvigatsionnaya Sputnikovaya Sistema (3)European Geostationary Navigation Overlay Service
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sistema independiente, además de símbolo de colaboración política e industrial en Europa, y donde la industria aeroespacial española par-ticipa en el desarrollo de elementos clave, co-mo son los responsables de integridad, seguri-dad y cálculo de órbitas y relojes de los satélites. Mientras, la Comisión Europea a tra-vés de la GSA4establece el marco económico y jurídico apropiado y financia actividades re-levantes de I+D+i mediante el 6º y el 7º Pro-grama Marco, previendo el impacto masivo de la navegación por satélite en todos los grupos sociales y la economía mundial. Se ha estima-do que el valor del mercaestima-do de productos y servicios de este ámbito alcanzará para 2025 los 400.000 millones de euros.
Todo apunta a que estamos asistiendo a una “revolución tecnológica” gracias a la cual, en un futuro no muy lejano, posiblemente usemos la información de posicionamiento como quien echa un vistazo a su reloj de pulsera. Este artículo presenta una introduc-ción a los principios teóricos de la navega-ción por satélite y los sistemas actuales así como los futuros.
Principios teóricos
El principio teórico básico es el mismo pa-ra GPS, Galileo o cualquier otro sistema glo-bal (GNSS5): Un usuario es capaz de deter-minar su posición en cualquier par te del mundo mediante la recepción y proceso de las señales emitidas por los satélites que se encuentran orbitando alrededor de la Tierra, y que forman la constelación del sistema.
El proceso de posicionamiento de un re-ceptor se basa en los siguientes pasos:
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Distancia a un satélite: Cada satélite emitecontinuamente una señal electromagnética con información sobre su posición y un código pro-pio, llamado PRN6, a lo largo de su trayectoria. Al recibir la señal con dicho código y conocien-do en qué momento fue enviada, el usuario puede determinar el tiempo que ha tardado la señal en llegar y, por lo tanto, la distancia a la que se encuentra del satélite, de posición cono-cida, mediante la ecuación “Espacio = Velocidad * Tiempo”, donde la velocidad es la de propa-gación de la luz. Para ello, el receptor genera in-ternamente de forma periódica un código idén-tico al enviado por cada satélite, y lo desplaza en el tiempo hasta conseguir la máxima
corre-lación con la señal recibida. De esta forma se calcula el retardo de la señal y, por lo tanto, la distancia aparente al satélite. Este observable se conoce como pseudodistancia o pseudorrango, ya que está sujeto a diversos fenómenos que han de ser estimados para determinar la distan-cia verdadera. Además del pseudorrango, algu-nos receptores usan la medida de la fase de la portadora, mucho más precisa aunque ambi-gua, ya que proporciona la parte diferencial en una longitud de onda pero no el número de ci-clos entre el satélite y el receptor, por lo que requiere un procesado adicional.
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Determinación de la posición mediante tres satélites: La distancia a un único satélite deposición conocida nos situaría en una esfera en el espacio, de radio dicha distancia. Usan-do Usan-dos satélites, el lugar geométrico obteni-do sería una circunferencia dada por la inter-sección de dos esferas y, usando tres satélites, obtendríamos dos puntos, de los cuales uno se descarta fácilmente al estar normalmente lejos de la superficie terrestre y mediante la algoritmia de navegación.
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Error de sincronización del reloj de usuario:Sin embargo, siguiendo el razonamiento an-terior, para determinar la distancia a un saté-lite sería necesario una referencia de tiempo perfecta tanto en el satélite como en el re-ceptor, ya que, por ejemplo, un error de sin-cronización de un microsegundo se traduci-ría en 300 metros de error de medida. Los relojes embarcados en los satélites son ex-tremadamente precisos, pero el reloj del re-ceptor, por razones de tamaño y coste, no puede alcanzar las prestaciones requeridas. Por ello es necesario un cuarto satélite para determinar nuestras cuatro incógnitas: la po-sición en el espacio (x,y,z) y el retraso o ade-lanto del reloj del receptor (e). De esta for-ma, el usuario no sólo obtiene la posición en un instante determinado, sino además una referencia de tiempo precisa.
Las ecuaciones a plantear con cuatro saté-lites son: R1 = (X X1) + (Y Y1) + (Z Z1) e R2 = (X X2) + (Y Y2) + (Z Z2) e R3 = (X X3) + (Y Y3) + (Z Z3) e R4 = (X X4) + (Y Y4) + (Z Z4) e − − − − − − − − − − − − − − − − 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2
(4)European GNSS Supervisory Authority (5)Global Navigation Satellite System (6)Pseudo-Random Noise
En la práctica, los receptores convenciona-les suelen mejorar las prestaciones obtenidas usando la información de más de cuatro sa-télites, obteniendo un sistema sobredetermi-nado, linealizando y estimando la posición mediante el método de Mínimos Cuadrados o un Filtro de Kalman.
Errores de navegación
La aplicación práctica de estos principios sería automática si los satélites estuvieran perfectamente posicionados y sincronizados en el envío de la señal, dicha señal viajara en el vacío, y fuera recibida sin interferencias por el usuario. Sin embargo, la realidad es bien distinta, ya que existen diversos fenó-menos que afectan a la medida de la distan-cia a cada satélite y que se traducen en erro-res de posición de usuario de hasta centenares de metros. Las principales fuen-tes de error son:
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Órbitas y relojes de los satélites: las órbitasde los satélites son predichas y enviadas al usuario con bastante precisión. No obstante, existen cier tas indeterminaciones que pue-den provocar un error de varios metros en el cálculo de la posición instantánea del saté-lite. Asimismo, y a pesar de sus buenas pres-taciones, existen fluctuaciones de los relojes de los satélites que también han de ser esti-madas.
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Perturbaciones de la señal en el espacio: Ensu travesía desde el satélite hasta el receptor, la señal electromagnética sufre retardos y perturbaciones en las distintas capas de la at-mósfera, particularmente en la ionosfera (ca-pa ionizada de la atmósfera, a centenares de
kilómetros de la superficie) y en la troposfe-ra (capa que va desde la superficie terrestre hasta unos 18 km de altitud, donde se dan los fenómenos climáticos).
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Multicamino: Dependiendo de la visibilidadlocal, el usuario puede recibir la señal del sa-télite reflejada en obstáculos locales, tales co-mo edificios, árboles o accidentes geográfi-cos. El efecto es similar al que observamos en la señal de televisión: imagen doble, visión borrosa, etc. En navegación por satélite, este efecto se traduce en un error de decenas (o incluso centenas) de metros si nos encontra-mos en entornos poco propicios. Dada la necesidad de recibir la señal directa, los prin-cipios de Navegación por Satélite no son aplicables en entornos sin visibilidad, como túneles o sótanos de edificios, sin una in-fraestructura de apoyo.
Aparte de las ya citadas, existen otras fuen-tes de error menos problemáticas ya que, o bien el error inducido es pequeño, o bien pueden ser eliminadas más fácilmente, como el efecto relativista o los retardos instrumen-tales.
La estimación y corrección de todos estos errores es lo que principalmente determina las prestaciones del sistema y del usuario, de ahí su importancia. Un sistema de GNSS de-be enviar la mayor cantidad de información disponible para modelar y corregir dichas fuentes de error, aunque como ya hemos visto, existen fuentes de error locales que sólo el usuario tiene la capacidad de corregir. GPS, GLONASS y Galileo
El primer sistema de navegación por satéli-te fue el sissatéli-tema militar TRANSIT, en servicio desde 1967. El sistema NAVSTAR GPS7se empezó a desarrollar en 1973 por el gobier-no de los Estados Unidos de América, como mejora de TRANSIT y con un uso militar en principio, pero pasó a ser un sistema de uso civil, con ciertas restricciones, desde 1983. La configuración final del sistema fue alcanzada en 1994, con 24 satélites utilizables en 6 or-bitas con 55º de inclinación a unos 26.000km, una excentricidad de 0'02 y un periodo de 11 horas y 58 minutos, aproximadamente.
Además del Segmento Espacial formado por los satélites, el sistema GPS posee esta-ciones de Tierra que monitorizan y controlan los satélites, que forman lo que se denomina el Segmento de Tierra y son capaces de en-viar a los satélites la información de navega-(7)NAVigation System with Time And Ranging Global Positioning System
ción, que se reenvía posteriormente para que el usuario conozca la posición de los mismos.
La señal GPS se encuentra modulada en dos frecuencias en banda L, denominadas L1 y L2, de 1.575'42 MHz y 1.227'60 MHz, res-pectivamente.
El segundo sistema de navegación que existe en la actualidad es el sistema GLO-NASS, que surgió como sustitución de uno que poseía la Unión Soviética y que estaba basado en el posicionamiento mediante el efecto Doppler, llamado TSIKADA. Este siste-ma está administrado por las Fuerzas Espa-ciales Rusas, consta nominalmente de 24 sa-télites en 3 órbitas de 64'8º de inclinación a 19.100 Km. de altitud y transmite con dos frecuencias utilizando el Acceso de Frecuen-cia de División Múltiple L1=1.602MHz + n*0'5625MHz donde "n" es entero y distinto para cada satélite.
Aunque GPS y GLONASS son sistemas diferentes, permiten la posibilidad de su uso combinado para obtener un mayor número de satélites al alcance del receptor. Sin em-bargo, surgen como problemas el hecho de que ambos sistemas no tiene porqué estar sincronizados y que no poseen el mismo sis-tema de referencia, por lo que se deben te-ner en cuenta a la hora de calcular la posi-ción del receptor. Por otra par te, el hecho de que GLONASS use una frecuencia distin-ta para cada satélite (tecnología FDMA8) en lugar de una misma frecuencia para todos los satélites con distinta codificación (tecno-logía W-CDMA9, usada en GPS), aumenta la complejidad del receptor, lo que ha impedi-do la penetración masiva en el mercaimpedi-do de los receptores GLONASS. No obstante, la agencia espacial Rusa prevé lanzar nuevos sa-télites con la tecnología W-CDMA.
Mirando hacia el futuro, aparece el sistema Galileo, aún en desarrollo y todavía no ope-rativo. Galileo es un sistema de localización por satélite financiado por la Unión Europea con la supervisión de la Agencia Espacial Eu-ropea (ESA10). Los satélites que compondrán la constelación del sistema Galileo serán ca-paces de entregar la señal hacia la Tierra con más potencia que la señal del sistema GPS, lo cual permitirá que la señal de Galileo sea menos interferible. Estos vehículos espaciales
(27 operativos y 3 de reserva) se situarán gi-rando alrededor de la Tierra en tres planos orbitales (de altitud 23.222km y una inclina-ción de 56º). El Segmento de Tierra estará formado por dos centros de control y una red de comunicación específica mundial. Además, habrá estaciones repartidas por to-da la Tierra que controlarán la calito-dad de la señal, asegurado así la disponibilidad del ser-vicio.
Galileo podrá utilizarse de forma conjunta con GPS (y GLONASS), mejorando consi-derablemente la disponibilidad de las señales de navegación por satélite en cualquier lugar del mundo. En comparación con GPS, las se-ñales de Galileo ofrecerán una precisión de hasta 1 metro, con servicios de valor añadi-do de hasta 10 cm de error. Los ser vicios disponibles en las señales Galileo serán los si-guientes:
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Servicio Abierto (OS11): es el ser vicio a más bajo nivel y gratuito (sin ningún coste para el usuario). La señal se emite utilizando las frecuencias L1 (en el caso de la emisión simple) ó E5a y E5b para emisiones de doble frecuencia.•
Servicio Crítico (SoL12): Ser vicio para aplicaciones críticas y seguras. Proporciona integridad de la información que suministra y el servicio estará garantizado para un deter-minado periodo.Constelación GPS con seis planos orbitales.
(8) Frequency Division Multiple Access (9) Wideband-Code Division Multiple Access (10) European Space Agency
(11) Open Service (12) Safety of Life
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Servicio Comercial (CS13): Ser vicio con acceso restringido enfocado a un uso co-mercial y profesional, válido para aplicaciones que requieran unas prestaciones superiores. Este servicio también estará garantizado du-rante un periodo de tiempo.•
Servicio Público Regulado (PRS14): Servi-cio restringido para aplicaServi-ciones guberna-mentales.•
Búsqueda y Rescate (SAR15): Los satélites de la constelación de Galileo serán capaces de recibir señales de auxilio en formato COSPAS-SARSAT, dentro de la banda de 406 a 406'1MHz, y devolverán una señal de confirmación de la recepción de la llamada de auxilio.Todas las constelaciones GNSS están dise-ñadas para que en cualquier punto del globo existan al menos cuatro satélites en vista con una elevación superior a 15º, permitiendo a un usuario calcular su posición en todo mo-mento. Actualmente sólo GPS cumple este requisito, ya que Galileo sólo ha puesto un satélite en órbita (GIOVE-A) y espera lanzar el segundo (GIOVE-B) a principios de 2008. GLONASS tiene unos 14, de los cuales no todos se encuentran en estado operacional.
También el sistema GPS se encuentra en proceso de evolución: la próxima generación de satélites, GPS-II, está siendo desarrollada desde 2005 y será puesta en órbita en 2012, y la siguiente, GPS-III, será puesta en marcha en 2017. Dicho plan de modernización
per-mitirá mejorar las prestaciones mediante, por ejemplo, el uso de frecuencias adiciona-les o el aumento de la potencia de la señal, y añadirá nuevos servicios, como el SoL, enfo-cados al uso civil.
El error de precisión actual de GPS es in-ferior a 15 metros en el 95% de las veces, mientras la precisión esperada del ser vicio abierto de Galileo es cercana a 1 metro. No obstante, GPS alcanzará una precisión similar tras el plan de modernización. La precisión obtenida actualmente con GLONASS ron-daría los 30 metros, aunque se encuentra degradada intencionadamente excepto para servicios militares. Dicha restricción, similar a la llamada Selective Availability de la que GPS prescinde desde el año 2000, se espera que sea eliminada próximamente dentro del plan de modernización de GLONASS. No obs-tante, la precisión de los usuarios finales en el futuro no dependerá tanto de las prestacio-nes de los sistemas GNSS como la visibilidad local, de las técnicas de procesado de datos, la interoperabilidad con otros sistemas GNSS y la hibridación con otros sensores.
Conclusión
Podemos concluir diciendo que el mundo de la Navegación por Satélite no ha hecho más que comenzar. Resulta sorprendente có-mo mediante un gran esfuerzo técnico y de coordinación, el ser humano ha sido y esta siendo capaz de desarrollar y mantener siste-mas globales (GPS, GLONASS y Galileo) ca-paces de proporcionar posición y referencia temporal a cualquier usuario del planeta de forma precisa. Es también destacable el interés estratégico y el empeño de cada región del planeta en conseguir su propio sistema global pero independiente de los demás, y de dar los servicios necesarios para generar y sostener un mercado basado en esta tecnología.
Green Paper on Satellite Navigation Applications - European Commission (2006).
Galileo Mission Requirements Document (5.3) - GJU (2003). EGNOS,A cornerstone of Galileo - ESA Publications (2006). GPS: Theory and Application Vol I, II. Parkinson & Spilker
(1996).
Understanding GPS: Principles and Applications. D. Kaplan (1996).
Referencias
(13) Commercial Service (14) Public Regulated Service (15) Search And Rescue
