Estrategia Europea en Navegación por Satélite: EGNOS y Galileo
A mediados de los años noventa, Europa decidió posicionarse estratégicamente en la navegación por satélite mediante el desarro-llo de un programa propio dividido en dos fases, EGNOS2y Galileo:
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EGNOS ha sido el primer sistema de na-vegación europeo. Se trata de un sistema re-gional dependiente de GPS que mejora sus prestaciones en el territorio europeo y ga-rantiza un nivel de integridad y continuidad del ser vicio. Está orientado a su uso en la aviación civil, aunque también se utiliza en entornos terrestres y marítimos. Actualmen-te se encuentra en fase de operaciones ini-ciales y cer tificándose para su uso en avia-ción civil.•
Galileo será el sistema global europeo, completamente autónomo, orientado al uso civil e interoperable con otros GNSS. Actual-mente se encuentra en desarrollo y se espe-ra que esté opeespe-racional hacia 2012. En paespe-ra- para-lelo, la Comisión Europea financia actividades de I+D+i orientadas al desarrollo deaplica-ciones GNSS y su difusión en todos los sec-tores de la industria, con el fin de recuperar la inversión y obtener el mayor beneficio so-cial.
EGNOS y los Sistemas de Aumentación
EGNOS se puede considerar el SBAS3 eu-ropeo, existiendo otros sistemas de aumen-tación similares en otras regiones, como el WAAS4americano, ya certificado para cier-tas operaciones, o el MSAS japonés, todos interoperables entre sí. El objetivo principal de EGNOS es mejorar la precisión de GPS en Europa y proporcionar una garantía de servicio principalmente para usuarios aero-náuticos. No obstante, la importancia de EG-NOS reside también en que ha sido el pri-mer proyecto de navegación global europeo y el banco de pruebas de Galileo, tanto des-de el punto des-de vista tecnológico como pro-gramático y político. Por ello es de gran im-por tancia que desde hace unos años ya se encuentra en fase de operaciones, y las pres-taciones obtenidas cumplen con los requisitos
Navegación por Satélite II:
Más allá de los GNSS
En el artículo anterior, publicado en Anales Sept-Oct 2007, se presentaron los prin-cipios teóricos de la navegación por satélite y los GNSS1actuales y futuros, con es-pecial hincapié en GPS y Galileo. El objetivo de este artículo es completar la visión global de esta tecnología presentando los sistemas de apoyo, en particular EGNOS, y las aplicaciones presentes y futuras, y destacando la estrategia europea en materia de navegación y el papel de España en el sector.
Manuel Toledo López
Ingeniero Aeronáutico por la UPM y Licenciado en Física Fundamental por la UNED. Su actividad en GMV se cen-tra desde 1992 en el estudio y des-arrollo de aplicaciones basadas en GNSS. Actualmente es Jefe de la Divi-sión de Tecnologías de Aplicaciones GNSS.
Comentarios a: comentarios@icai.es
(1)Global Navigation Satellite System
(2) European Geostationary Navigation Overlay Service (3)Satellite Based Augmentation System
(4)Wide Area Augmentation System
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).
esperados. En los próximos años EGNOS se someterá al proceso de certificación que ga-rantizará que finalmente podrá usarse para aplicaciones llamadas “safety-critical”, es decir, de las cuales pueden depender vidas huma-nas. De esta forma podrá ser utilizado como medio único de navegación aérea, mejoran-do y abaratanmejoran-do la infraestructura de con-trol.
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Arquitectura de EGNOS: El sistema se di-vide principalmente en el Segmento de Tie-rra y el Segmento de Espacio. El primero se compone de varias estaciones de referencia (RIMS5) situadas la mayoría en territorio eu-ropeo, que reciben la señal GPS y envían ca-da segundo las medica-das a los centros de control de misión o MCCs6, los cuales, ba-sándose en el conocimiento previo de la po-sición de las estaciones, estiman las correc-ciones a las órbitas y los relojes de los satélites y el retardo ionosférico, así como una cota del error de las correcciones. Esta información es formateada en un mensaje de navegación similar al de GPS, y enviada cada segundo a las estaciones de subida o NLES7, que lo reenvían al Segmento de Espa-cio. Éste se compone de tres satélites geoes-tacionarios, que reciben el mensaje EGNOS y lo emiten en todo el territorio europeo. Un receptor SBAS recibe las señales GPS y las corrige y completa con la señal EGNOS, mejorando la precisión y obteniendo un ser-vicio íntegro. Actualmente, la mayor parte de los receptores del mercado son capaces de usar la señal EGNOS, no obstante para be-neficiarse de la misma es necesario reconfi-gurarlos ya que la señal transmitida por el momento no es operacional.•
Prestaciones de EGNOS: Las prestaciones del sistema vienen determinadas por los re-quisitos de la OACI8, y se miden mediante los siguientes cuatro conceptos:– Precisión: Mide el error máximo que puede tener un usuario en el área de ser-vicio, una vez aplicadas las correcciones. La precisión requerida es de 4 m al menos el 95% de las veces.
– Integridad: Este concepto, explicado más en detalle posteriormente, mide la probabi-lidad de que el error de posición sobrepa-se un cierto nivel de protección, calculado a partir de las cotas de los errores. Dicha probabilidad debe ser menor que 10-7.
– Disponibilidad: Mide la probabilidad de que el sistema esté disponible, es decir, que sus correcciones e integridad sean re-cibidas, y que el nivel de protección sea suficientemente pequeño para que el sis-tema pueda sea usado con garantías. La disponibilidad requerida es 99%, para un nivel de protección máximo de 10 m. – Continuidad: Mide la probabilidad de que el sistema deje de estar disponible sin pre-vio aviso habiendo comenzado una ma-niobra aeronáutica. La probabilidad máxi-ma de fallo de continuidad ha de ser 10-5
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El concepto de integridad: la integridad, en el ámbito de navegación por satélite, es la garantía de que el error máximo en laposi-(5)Ranging and Integrity Monitoring Station (6)Mission Control Centre
(7)Navigation Land Earth Station
(8)Organización de Aviación Civil Internacional
EGNOS: segmento espacial y segmento de tierra (NLES,Torrejón de Ardoz).
ción de un usuario no excede una cierta co-ta sin que se notifique al usuario en un cierto tiempo. Esta cota se conoce como nivel de protección (PL9), y el tiempo máximo que tie-ne el sistema para detectar el fallo se conoce como tiempo de alarma (TTA10). En el caso de EGNOS, esto implica que el usuario se encuentra con una muy alta probabilidad (99,99999%) dentro de una esfera cuyo ra-dio es dicho PL, y que en caso de fallo, éste es detectado y el usuario es informado en un TTA no superior a 6 segundos. Dado que el sistema no puede determinar a priori el error de posición de todos los potenciales usuarios en el área de servicio, el PL se de-termina a partir de las cotas de error en las correcciones de los satélites y del retardo io-nosférico junto con ciertas estimaciones es-tadísticas.
Aunque el concepto de integridad provie-ne de la Aviación Civil, su aplicación puede ser determinante en los futuros sistemas y aplicaciones. De hecho, la provisión de inte-gridad global es uno de los grandes diferen-ciadores de Galileo con respecto a GPS. Este concepto será usado como garantía en apli-caciones GNSS que impliquen responsabili-dades contractuales o legales como, por ejemplo, el pago por circular por una deter-minada autopista o la reconstrucción de ac-cidentes de automóvil.
Otros Sistemas de Mejora de Prestaciones GNSS
Los SBAS se engloban dentro de los siste-mas para mejorar las prestaciones de los GNSS. A continuación se presenta una visión general de los demás:
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D-GNSS (GNSS Diferencial): Estos siste-mas se basan en el uso de una estación de re-ferencia que recibe las señales de los satéli-tes, computa los errores en la medida de código de los satélites a partir de su posición conocida de antemano, y los reenvía al usua-rio mediante un canal de comunicación (FM, Internet, GSM11-GPRS12, etc.) Su precisión es del orden de 1 a 3 metrosaproximadamen-te, y su principal limitación se basa en que a partir de una distancia determinada, el error debido al retardo atmosférico y la órbita del satélite deja de ser el mismo para la estación de referencia y el receptor, ocasionando una pérdida de prestaciones, lo que reduce el uso de estos sistemas a un área de decenas de kilómetros. Los LAAS13usados en aero-puertos son un ejemplo de estos sistemas, y los SBAS como EGNOS son una extensión de los mismos usando varias estaciones para cubrir un área mayor, aunque basados en principios similares. Existen métodos avanza-dos que incluyen no sólo el procesamiento de código GPS sino también el de la medida de portadora de fase (ver artículo anterior), que se conocen como RTK14y que permiten reducir el error de posición hasta unos po-cos centímetros.
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A-GNSS (GNSS Asistido): Estos sistemas, más modernos que los D-GNSS, se basan en el uso de un servidor GNSS que envía princi-palmente la información de navegación de los satélites a través de GSM, GPRS o UMTS15, consiguiendo reducir a escasos se-gundos el tiempo de convergencia del usua-rio (TTFF16), lo que es par ticularmente útil en entornos complicados.•
Hibridación con sensores autónomos:Estos sistemas se basan en la hibridación de información GNSS con datos provenientes de sensores inerciales, principalmente girós-copos y acelerómetros, aunque también ba-roaltímetros o brújulas. Dichos sistemas ya se encuentran en algunos vehículos y se espera su implantación inminente en teléfonos mó-viles y PDAs.
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Otras combinaciones: Además de las an-teriormente descritas, existen otras ayudas a los GNSS como las técnicas de Map Mat-ching, en las que la información GNSS se combina con información cartográfica, como es el caso de cier tos navegadores de uso masivo (Tomtom, Garmin, etc.), o la combi-nación de GNSS con posicionamiento basa-do en UMTS, Wifi (IEEE 802.11a/b/g/n) o los futuros UWB17y WiMax (IEEE 802.16), con un alcance de hasta unos 50 km.(9) Protection Level (10)Time To Alarm
(11)Global System for Mobile communications (12) General Packet Radio Service
(13)Local Area Augmentation Systems (14)Real Time Kinematics
(15) Universal Mobile Telecommunications System (16)Time To First Fix
Aplicaciones GNSS
Los avances en otras áreas tales como las comunicaciones, la cartografía o la informática, el abaratamiento de costes y el progreso en las técnicas de procesamiento de GPS, han hecho posible que a día de hoy exista un enorme abanico de posibilidades de uso de la navegación por satélite, y cuyo influjo a su vez se percibe en otras tecnologías. Por ejemplo, ciertas compañías de seguros de automóvil ya han introducido el modelo de ajuste de pri-mas basándose en información GPS transmiti-da por GPRS, de la que se puede deducir el uso del vehículo y los hábitos del conductor. El mercado de productos y servicios basados en GNSS crece un 25% anualmente, y se es-pera que hacia 2020 haya en servicio tres mil millones de receptores. Aparte de las aplica-ciones de uso masivo como navegadores GPS en automóviles o ser vicios de localización (LBS18) en teléfonos celulares, la navegación por satélite también permite su uso en aplica-ciones más exóticas, como por ejemplo la de-tección de tsunamis, la gestión de situaciones de emergencia o la sincronización de redes eléctricas. Muchas de estas aplicaciones trae-rán consigo nuevas cadenas de valor y mode-los de negocio que proporcionarán productos y servicios hasta ahora desconocidos.
A continuación se presentan los campos de aplicación más relevantes:
a. Ser vicios Basados en Localización (LBS): Llamadas de emergencia, aplicaciones para telefonía móvil como información de servicios próximos, ayuda a discapa-citados, etc.
b. Transporte: navegación por carretera y guiado en ruta, peaje electrónico, recons-trucción de accidentes, información y ges-tión de tráfico, gesges-tión de flotas, gesges-tión del tráfico aéreo, control y señalización de trenes, transporte público bajo demanda, etc.
c. Agricultura, ganadería y pesca: agricultura de precisión, mapeo, riego y fertilización automática de cosechas, delimitación precisa de parcelas, control de ganado, gestión de aguas internacionales, moni-torización de barcos de pesca, operacio-nes en puerto, etc.
d. Banca, finanzas y seguros: pay-per-use pa-ra compañías de seguros de automóvil, sincronización de operaciones banca-rias, seguimiento y control de mercancí-as valiosmercancí-as, etc.
e. Energía: sincronización de redes eléctri-cas para generación y distribución de energía, posicionamiento para transpor-te de gas, construcción civil, mejora de la exploración y explotación de plata-formas petrolíferas, etc.
f. Protección civil, ciencia y medio ambiente: gestión de emergencias, monitorización de la Tierra, antirrobos, protección de personas, etc.
La penetración en el mercado de las aplica-ciones GNSS dependerá no sólo del aporte de soluciones técnicamente satisfactorias y de bajo coste, sino también de que se establezca el marco regulatorio y legal que respalde su uso, y garantice la privacidad de la información así como la puesta en marcha de un proceso de certificación apropiado. Para ello, la UE ya está introduciendo ciertas directivas para im-pulsar el uso de GNSS en diversos sectores, y varias entidades públicas en varios países co-mo Inglaterra, Holanda o Alemania se cuentran trabajando con la industria para en-contrar soluciones GNSS en ámbitos de gran impacto social como la gestión del tráfico ur-bano o interurur-bano.
El papel de España en materia de GNSS
Desde el inicio del programa de desarrollo GNSS europeo, España ha participado acti-vamente en GNSS a través de las empresas aeroespaciales españolas (C ASA-EADS,
Gráfico 1. Evolución esperada de los mercados GNSS en los próximos años
(18)Location Based Services
500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0 2000 2005 2010 2015 2020
Total GNSS product+ service revenues (€bn ) by markets
Others Commercial vehicles Mass market vehicles Personal mobility 2025
GMV, INDRA, SENER…) y el CDTI19, dele-gación española en la ESA20. Aunque la parti-cipación española en materia aeroespacial se encuentra aún por detrás de otros países europeos, en el ámbito particular de la nave-gación por satélite nos encontramos a un ni-vel comparable al de Francia, Alemania o Ita-lia. AENA ha sido uno de los grandes motores europeos del programa EGNOS y opera, entre otros elementos, uno de sus cuatro centros de control en Torrejón de Ar-doz. Además, tanto en EGNOS como en Galileo, empresas españolas desarrollan los elementos clave del segmento de misión. Por otra parte, también participamos en innume-rables proyectos de I+D+i financiados por el 6º y 7º Programas Marco de la Comisión Eu-ropea. Aparte del marco institucional, nume-rosas empresas españolas de transporte ur-bano han implantado sistemas de gestión de
flotas basados en GNSS en muchas de las principales ciudades españolas.
Conclusión
El abaratamiento de costes en los últimos años está permitiendo que la navegación por satélite penetre cada vez más en nuestra so-ciedad, a través de la incorporación de re-ceptores GPS en vehículos y dispositivos personales.
La implantación de los sistemas basados en GNSS será cada vez mayor en los próxi-mos años, permitiendo innumerables aplica-ciones beneficiosas tanto para los usuarios fi-nales como para el conjunto de la sociedad. No obstante, antes será necesario establecer el marco regulatorio apropiado, en particular con respecto a la privacidad de los usuarios y al valor legal de la información GNSS.
Por otra par te, los avances tecnológicos en GNSS ser virán de catalizador en la im-plantación de esta tecnología. Dichos avan-ces consisten en el desarrollo de nuevos sistemas como Galileo y su uso conjunto con GPS, el uso de ayudas a la navegación (SBAS, D-GNSS, A-GNSS…), y la fusión con otras tecnologías (sensores inerciales, comunicaciones inalámbricas, cartografía…)
Aparte de una alta precisión, muchas apli-caciones deberán ofrecer una garantía de servicio, o integridad. Dicho concepto ha si-do introducisi-do por el sistema EGNOS, es clave en el desarrollo de Galileo, y será usa-do no sólo en aplicaciones críticas de seguri-dad sino también en las que tengan implica-ciones legales o contractuales.
Este artículo ha tratado de dar una visión global de los sistemas de ayuda a la navega-ción, así como el innumerable mundo de aplicaciones GNSS actuales o que están por llegar
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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)
- http://www.esa.int
- http://ec.europa.eu/dgs/energy_transport/galileo/ Referencias
(19)Centro para el Desarrollo Tecnológio e Industrial (20)European Space Agency
