Navegación por Satélite

Transcripción

1 Navegación por Satélite Ignacio Fernández Hernández Ingeniero Industrial del ICAI, promoción 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). Joaquín Reyes González Ingeniero Industrial del ICAI, promoción 2006.Actualmente trabaja en los sistemas EGNOS y Galileo en la empresa GMV Aerospace and Defence, S.A. Presidente de la Asociación GNU/Linux Entre Comillas. Comentarios a: comentarios@icai.es 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. (1) Global Positioning System (2) GLObal'naya NAvigatsionnaya Sputnikovaya Sistema (3) European Geostationary Navigation Overlay Service El sistema GPS 1 fue desarrollado a principios de los años 70 con fines militares y un simple propósito: permitir a un usuario determinar su posición en cualquier parte del mundo. Desde entonces su uso se ha ido extendiendo progresivamente, pero solamente desde hace unos pocos años su utilización se ha popularizado masivamente entre la sociedad. 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 servicios, y mostrar dicha información en tiempo real de forma clara e intuitiva. Cada vez somos más los usuarios de receptores GPS, tanto para transporte terrestre como para uso personal, y gracias a las sinergias con otras tecnologías, innumerables aplicaciones y servicios basados en posicionamiento por satélite empiezan a ser ofrecidos a las empresas y al usuario final, creando nuevas cadenas de valor. Tanto el GPS americano como GLONASS 2, 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 esta tecnología. Por otra parte, Europa ya opera el sistema EGNOS 3 (sistema de aumentación europeo utilizando la señal GPS) y se encuentra en pleno desarrollo de Galileo, su propio 10 anales de mecánica y electricidad / septiembre-octubre 2007

2 sistema independiente, además de símbolo de colaboración política e industrial en Europa, y donde la industria aeroespacial española participa en el desarrollo de elementos clave, como son los responsables de integridad, seguridad y cálculo de órbitas y relojes de los satélites. Mientras, la Comisión Europea a través de la GSA 4 establece el marco económico y jurídico apropiado y financia actividades relevantes de I+D+i mediante el 6º y el 7º Programa Marco, previendo el impacto masivo de la navegación por satélite en todos los grupos sociales y la economía mundial. Se ha estimado que el valor del mercado de productos y servicios de este ámbito alcanzará para 2025 los 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 introducción a los principios teóricos de la navegación por satélite y los sistemas actuales así como los futuros. Principios teóricos El principio teórico básico es el mismo para GPS, Galileo o cualquier otro sistema global (GNSS 5 ): Un usuario es capaz de determinar su posición en cualquier parte 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 receptor se basa en los siguientes pasos: Distancia a un satélite: Cada satélite emite continuamente una señal electromagnética con información sobre su posición y un código propio, llamado PRN 6, a lo largo de su trayectoria. Al recibir la señal con dicho código y conociendo 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 conocida, mediante la ecuación Espacio = Velocidad * Tiempo, donde la velocidad es la de propagación de la luz. Para ello, el receptor genera internamente de forma periódica un código idéntico al enviado por cada satélite, y lo desplaza en el tiempo hasta conseguir la máxima correlación 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 distancia verdadera. Además del pseudorrango, algunos receptores usan la medida de la fase de la portadora, mucho más precisa aunque ambigua, ya que proporciona la parte diferencial en una longitud de onda pero no el número de ciclos entre el satélite y el receptor, por lo que requiere un procesado adicional. Determinación de la posición mediante tres satélites: La distancia a un único satélite de posición conocida nos situaría en una esfera en el espacio, de radio dicha distancia. Usando dos satélites, el lugar geométrico obtenido sería una circunferencia dada por la intersección 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. Error de sincronización del reloj de usuario: Sin embargo, siguiendo el razonamiento anterior, para determinar la distancia a un satélite sería necesario una referencia de tiempo perfecta tanto en el satélite como en el receptor, ya que, por ejemplo, un error de sincronización de un microsegundo se traduciría en 300 metros de error de medida. Los relojes embarcados en los satélites son extremadamente precisos, pero el reloj del receptor, 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 posición en el espacio (x,y,z) y el retraso o adelanto del reloj del receptor (e). De esta forma, el usuario no sólo obtiene la posición en un instante determinado, sino además una referencia de tiempo precisa. Las ecuaciones a plantear con cuatro satélites 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 (4) European GNSS Supervisory Authority (5) Global Navigation Satellite System (6) Pseudo-Random Noise Navegación por Satélite 11

3 Posicionamiento global mediante cuatro satélites. En la práctica, los receptores convencionales suelen mejorar las prestaciones obtenidas usando la información de más de cuatro satélites, obteniendo un sistema sobredeterminado, 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 fenómenos que afectan a la medida de la distancia a cada satélite y que se traducen en errores de posición de usuario de hasta centenares de metros. Las principales fuentes de error son: Órbitas y relojes de los satélites: las órbitas de los satélites son predichas y enviadas al usuario con bastante precisión. No obstante, existen ciertas indeterminaciones que pueden provocar un error de varios metros en el cálculo de la posición instantánea del satélite. Asimismo, y a pesar de sus buenas prestaciones, existen fluctuaciones de los relojes de los satélites que también han de ser estimadas. Perturbaciones de la señal en el espacio: En su travesía desde el satélite hasta el receptor, la señal electromagnética sufre retardos y perturbaciones en las distintas capas de la atmósfera, particularmente en la ionosfera (capa ionizada de la atmósfera, a centenares de kilómetros de la superficie) y en la troposfera (capa que va desde la superficie terrestre hasta unos 18 km de altitud, donde se dan los fenómenos climáticos). Multicamino: Dependiendo de la visibilidad local, el usuario puede recibir la señal del satélite reflejada en obstáculos locales, tales como edificios, árboles o accidentes geográficos. 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 encontramos en entornos poco propicios. Dada la necesidad de recibir la señal directa, los principios de Navegación por Satélite no son aplicables en entornos sin visibilidad, como túneles o sótanos de edificios, sin una infraestructura de apoyo. Aparte de las ya citadas, existen otras fuentes 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 instrumentales. 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 debe 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 satélite fue el sistema militar TRANSIT, en servicio desde El sistema NAVSTAR GPS 7 se empezó a desarrollar en 1973 por el gobierno 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 La configuración final del sistema fue alcanzada en 1994, con 24 satélites utilizables en 6 orbitas con 55º de inclinación a unos km, 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 estaciones de Tierra que monitorizan y controlan los satélites, que forman lo que se denomina el Segmento de Tierra y son capaces de enviar a los satélites la información de navega- (7) NAVigation System with Time And Ranging Global Positioning System 12 anales de mecánica y electricidad / septiembre-octubre 2007

4 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, respectivamente. 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 sistema está administrado por las Fuerzas Espaciales Rusas, consta nominalmente de 24 satélites en 3 órbitas de 64'8º de inclinación a Km. de altitud y transmite con dos frecuencias utilizando el Acceso de Frecuencia 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 embargo, surgen como problemas el hecho de que ambos sistemas no tiene porqué estar sincronizados y que no poseen el mismo sistema de referencia, por lo que se deben tener en cuenta a la hora de calcular la posición del receptor. Por otra parte, el hecho de que GLONASS use una frecuencia distinta para cada satélite (tecnología FDMA 8 ) en lugar de una misma frecuencia para todos los satélites con distinta codificación (tecnología W-CDMA 9, usada en GPS), aumenta la complejidad del receptor, lo que ha impedido la penetración masiva en el mercado de los receptores GLONASS. No obstante, la agencia espacial Rusa prevé lanzar nuevos satélites con la tecnología W-CDMA. Mirando hacia el futuro, aparece el sistema Galileo, aún en desarrollo y todavía no operativo. Galileo es un sistema de localización por satélite financiado por la Unión Europea con la supervisión de la Agencia Espacial Europea (ESA 10 ). Los satélites que compondrán la constelación del sistema Galileo serán capaces 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 Constelación GPS con seis planos orbitales. (27 operativos y 3 de reserva) se situarán girando alrededor de la Tierra en tres planos orbitales (de altitud km y una inclinación 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 toda la Tierra que controlarán la calidad de la señal, asegurado así la disponibilidad del servicio. Galileo podrá utilizarse de forma conjunta con GPS (y GLONASS), mejorando considerablemente la disponibilidad de las señales de navegación por satélite en cualquier lugar del mundo. En comparación con GPS, las señales de Galileo ofrecerán una precisión de hasta 1 metro, con servicios de valor añadido de hasta 10 cm de error. Los servicios disponibles en las señales Galileo serán los siguientes: Servicio Abierto (OS 11 ): es el servicio 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 (SoL 12 ): Servicio para aplicaciones críticas y seguras. Proporciona integridad de la información que suministra y el servicio estará garantizado para un determinado periodo. (8) Frequency Division Multiple Access (9) Wideband-Code Division Multiple Access (10) European Space Agency (11) Open Service (12) Safety of Life Navegación por Satélite 13

5 Constelación Galileo con tres planos orbitales. Servicio Comercial (CS 13 ): Servicio con acceso restringido enfocado a un uso comercial y profesional, válido para aplicaciones que requieran unas prestaciones superiores. Este servicio también estará garantizado durante un periodo de tiempo. Servicio Público Regulado (PRS 14 ): Servicio restringido para aplicaciones gubernamentales. Búsqueda y Rescate (SAR 15 ): 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 diseñadas 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 momento. 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 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 Dicho plan de modernización permitirá mejorar las prestaciones mediante, por ejemplo, el uso de frecuencias adicionales o el aumento de la potencia de la señal, y añadirá nuevos servicios, como el SoL, enfocados al uso civil. El error de precisión actual de GPS es inferior a 15 metros en el 95% de las veces, mientras la precisión esperada del servicio 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 rondaría 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 obstante, la precisión de los usuarios finales en el futuro no dependerá tanto de las prestaciones 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 cómo mediante un gran esfuerzo técnico y de coordinación, el ser humano ha sido y esta siendo capaz de desarrollar y mantener sistemas globales (GPS, GLONASS y Galileo) capaces 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. Referencias 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). (13) Commercial Service (14) Public Regulated Service (15) Search And Rescue 14 anales de mecánica y electricidad / septiembre-octubre 2007