Sistemas de navegación por satélite

¿Qué son los sistemas de navegación por satélite?

Sistemas de navegación por satélite

Un sistema global de navegación por satélite (su acrónimo en inglés GNSS Global Navigation Satellite System) se refiere al conjunto de tecnologías de sistemas de navegación basado en satélites emisores de radiofrecuencias, que permiten conocer el posicionamiento y la localización en cualquier parte del globo terrestre, independientemente de las condiciones atmosféricas, de manera continua y para cualquier número de usuarios.

Los sistemas satelitales actuales se basan en determinar la posición a través de la triangulación de tres satélites, y con la ayuda de un cuarto, se puede determinar también la altitud. Estos sistemas proporcionan a los usuarios información sobre la posición y la hora con gran exactitud, en cualquier parte del mundo, las 24 horas del día y en cualquier condición climatológica.

En términos más funcionales, no es ni más ni menos que una forma de geoposición que se vale de satélites para triangular y determinar la posición de “algo” en cualquier rincón del planeta.

¿Cuáles son los principales sistemas de este tipo?

En la actualidad, solo existen dos sistemas de navegación por satélite acabados, aunque existen otros cuantos en desarrollo. Nosotros nos vamos a centrar en los que ya están en uso, que son: el Sistema de Posicionamiento Global (GPS) de los EEUU y el Sistema Orbital Mundial de Navegación por Satélite (GLONASS) de la Federación Rusa. Estos son los únicos que por ahora forman parte del concepto GNSS (Sistema Global de Navegación por Satélite).

GPS

GPS

El NAVSTAR-GPS (NAVigation System and Ranging – Global Position System), conocido tradicionalmente como GPS, es un sistema de radionavegación basado en satélites que utiliza mediciones de distancia precisas de satélites GPS para determinar la posición de un objeto (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 fue desarrollado, instalado y es empleado por el Departamento de Defensa de los Estados Unidos, y además es el único sistema de navegación por satélite completamente operativo a fecha actual.

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 encuentran en funcionamiento en ese momento.

El GPS funciona mediante trayectorias sincronizadas para cubrir toda la superficie de la Tierra. Cuando se desea determinar la posición, el receptor que se utiliza para ello localiza automáticamente como mínimo cuatro satélites de la red, de los que recibe unas señales indicando la identificación y la hora del reloj de cada uno de ellos. Con base en estas señales, el aparato sincroniza el reloj del GPS y calcula el tiempo que tardan en llegar las señales al equipo, y de tal modo mide la distancia al satélite mediante el método de trilateración inversa, la cual se basa en determinar la distancia de cada satélite respecto al punto de medición. Conocidas las distancias, se determina fácilmente la propia posición relativa respecto a los satélites. Conociendo además las coordenadas o posición de cada uno de ellos por la señal que emiten, se obtiene la posición absoluta o coordenadas reales del punto de medición. También se consigue una exactitud extrema en el reloj del GPS, similar a la de los relojes atómicos que llevan a bordo cada uno de los satélites.

GLONASS

GLONASS

El Sistema Global de Navegación por Satélites (GLONASS), desarrollado por la Unión Soviética, siendo actualmente administrado por la Federación Rusa y que constituye el homologo del GPS, 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.

El sistema GLONASS cuenta con 31 satélites (24 en activo, 3 satélites de repuesto, 2 en mantenimiento, uno en servicio y otro en pruebas), situados en tres planos orbitales con 8 satélites cada uno y siguiendo una órbita inclinada de 64,8o con un radio de 25.510 km. Éste se mueve en una órbita alrededor de la Tierra con una altitud de unos 19.000 km. Se comenzaron a poner en órbita en el año 1982, pero no fue hasta el año 1996 cuando empezaron a funcionar, pero dada la mala situación económica de Rusia no fue hasta 2007 cuando hubo suficientes satélites operativos como para dar servicio a todo el país.

Actualmente, al contar con 24 satélites operativos (de los 31 mencionados antes hay algunos que no lo están), el sistema GLONASS no solo se centra en Rusia sino que puede ofrecer su servicio a todo el mundo sin problema.

Además, Rusia está trabajando en mejorar esta tecnología poco a poco y está previsto que se vayan actualizando los satélites utilizados por un nuevo modelo, el GLONASS-K.

GALILEO

Galileo es un sistema global de navegación por satélite (GNSS) desarrollado por la Unión Europea (UE), con el objeto de evitar la dependencia del sistema GPS y del sistema GLONASS.  Al contrario de los dos anteriores, será de uso civil. El sistema se esperaba poner en marcha en 2014 después de sufrir una serie de reveses técnicos y políticos para la puesta en marcha. La disponibilidad de Galileo estaba fijada para 2008, aunque el proyecto acumula 12 años de retraso y no podrá comercializar sus primeros servicios hasta 2020, entre otros motivos, por disensiones entre los países participantes.

Las fases establecidas para la implementación del sistema fueron:

  • Definición (2000-2003)
  • Desarrollo y validación en órbita (2004-2008)
  • Despliegue (2008-2010)
  • Explotación comercial (a partir de 2010-2015)

Este Sistema Global de Navegación por Satélite (GNSS), además de prestar servicios de autonomía en radionavegación y ubicación en el espacio, será interoperable con los sistemas GPS y GLONASS. El usuario podrá calcular su posición con un receptor que utilizará satélites de distintas constelaciones. Al ofrecer dos frecuencias en su versión estándar, Galileo brindará ubicación en el espacio en tiempo real con una precisión del orden de metros, algo sin precedentes en los sistemas públicos.

A diferencia de los que forman la malla GPS,  los satélites Galileo, estarán en órbitas ligeramente más inclinadas hacia los polos. De este modo los datos serán más exactos en las regiones cercanas a los polos, donde los satélites estadounidenses pierden notablemente su precisión.

Asimismo, garantizará la disponibilidad continua del servicio, excepto en circunstancias extremas, y, con el apoyo de EGNOS, informará a los usuarios en segundos en caso del fallo de un satélite. Esto lo hace conveniente para aplicaciones donde la seguridad es crucial, tal como las aplicaciones ferroviarias, la conducción de automóviles o el control del tráfico aéreo. El uso de EGNOS para aviación civil mediante el procedimiento LPV es el recomendado por la ICAO (Organización Internacional de Aviación Civil), en detrimiento del actual ILS. El uso combinado de Galileo y otros sistemas GNSS ofrecerá un gran nivel de prestaciones para todas las comunidades de usuarios del mundo entero.

Una preocupación importante de los actuales usuarios de la radionavegación por satélite es la fiabilidad y vulnerabilidad de la señal. En los últimos años, se han producido varios casos de interrupción del servicio por causas tales como interferencia accidental, fallos de los satélites, denegación o degradación de la señal. En este contexto, Galileo realizará una importante contribución a la reducción de estos problemas al proveer de forma independiente la transmisión de señales suplementarias de radionavegación en diferentes bandas de frecuencia. En total, utilizará 10 radiofrecuencias, de la siguiente manera:

  • 4 frecuencias en el rango de 1164-1215 MHz (E5A-E5B)
  • 3 frecuencias en el rango de 1260-1300 MHz (E6),
  • 3 frecuencias en el rango de 1559-1591 MHz (L1).

¿Cómo funcionan?

El funcionamiento de un Sistema de Navegación por Satélite involucra distintos segmentos, que se relacionan entre sí:

  • Segmento espacial: envía la señal que se recibe en los segmentos de control y usuario.
  • Segmento de control: recibe la señal del segmento espacial, monitoriza y actualiza información enviando correcciones a los satélites si es preciso.
  • Segmento de usuario: recibe información procedente del segmento espacial y calcula su posición.

El cálculo de la posición depende básicamente de dos parámetros, que son la posición del satélite y el reloj del mismo. El proceso de cálculo es el siguiente:

  1. La situación de los satélites es conocida por el receptor, parámetro que es transmitido por los propios satélites.
  1. El receptor GNSS mide su distancia a los satélites, y usa esa información para calcular su posición. Esta distancia se mide calculando el tiempo que la señal tarda en llegar al receptor. Conocido ese tiempo y basándose en el hecho de que la señal viaja a la velocidad de la luz (salvo algunas correcciones que se aplican), se puede calcular la distancia entre el receptor y el satélite.
  1. Cada satélite indica que el receptor se encuentra en un punto en la superficie de la esfera con centro en el propio satélite y de radio la distancia total hasta el receptor.
  1. Generalmente se emplean cuatro satélites para obtener la posición, con tres satélites somos capaces de calcular la posición en tres dimensiones, mientras que el cuarto nos permite eliminar los errores de sincronismo.

¿Cuáles son sus principales campos de aplicación?

El nacimiento de la tecnología GNSS tiene su origen en aplicaciones militares, empezando a funcionar para aplicaciones civiles a finales de los 80. Vamos a analizar cada una de ellas:

Aplicaciones militares

La navegación por satélite permite alcanzar en los objetivos de las armas una precisión que no se había conseguido hasta el momento, aumentando la efectividad y reduciendo daños no deseados. También permite que las tropas sean dirigidas y se localicen fácilmente. Los servicios militares se pueden clasificar como:

  • Servicios para el Ejército del Aire: reconocimiento y localización de objetivos, repostaje en vuelo, cálculo de rutas, aproximación al aterrizaje, precisión de los bombardeos, etc.
  • Servicios para Infantería: supervivencia, emplazamiento de la artillería, reconocimiento y localización de objetivos, recuperación de equipos, puntos de encuentro, evacuaciones, etc.
  • Servicios para la Marina: navegación, operaciones anfibias, patrulla costera, emplazamiento de minas, posicionamiento de submarinos, etc.

Aplicaciones civiles

Cabe destacar distintos tipos de aplicaciones:

  • Automoción: los sistemas de navegación de automóviles basados en GPS son la aplicación más conocida de esta tecnología en la actualidad.
  • Ferrocarriles: la navegación por satélite se utiliza ya en algunas aplicaciones ferroviarias, tales como el apoyo al control del tráfico, la gestión de recursos ferroviarios o la asistencia al cliente. Se espera que se utilice en futuros sistemas de control de trenes y señalización de la Unión Europea, a través del proyecto Galileo.
  • Aviación: los sistemas GPS integrados en las actuales cabinas sirven para el guiado del piloto automático a través de la planificación de rutas.
  • Navegación marítima: el GPS es utilizado en la actualidad por multitud de barcos para navegar por mares, océanos e incluso lagos. Estos sistemas tienen un software que permite el rescate marítimo de personas en el mar de manera mucho más sencilla, ya que establece la posición exacta en la que se produce el accidente.
  • Agricultura: la tecnología GNSS ha supuesto también una revolución en el mundo agrícola, facilitando multitud de procesos, tales como la gestión de activos, el trazado de lindes, la gestión forestal, el seguimiento de vehículos, etc.
  • Inspección y mapeo de territorios (geodesia y geofísica): el GNSS se emplea en la medición de datos para actualizar mapas cartográficos.
  • Sincronización de equipos: el GPS es utilizado en la actualidad para la sincronización de distintos tipos de equipos, por ser una fuente de tiempo muy precisa. Se usa, por ejemplo, en el protocolo NTP de Internet para la sincronización de equipos informáticos de una red, estableciendo el reloj del GPS como el maestro a partir del cual se sincroniza el resto.
  • Telefonía móvil: algunos teléfonos móviles pueden vincularse a un receptor GPS diseñado para ello, proporcionando datos de posicionamiento.
  • Servicios de localización y emergencia: son servicios basados en el GPS integrado en un dispositivo móvil, que envía la información de la posición de éste a través de una red. Pueden tener distintas aplicaciones, como servicios de emergencia (localización de personas), o publicidad (localización de lugares). El uso del GPS para el ocio y tiempo libre es un segmento que tiene un mercado cada vez mayor: senderismo, ciclismo, escalada, montañismo, etc.
  • Elaboración de mapas de la ionosfera: la información que envían los satélites GPS es sensible a las perturbaciones de la ionosfera, que causan error en la señal que se propaga. A través de dicho error podemos medir las perturbaciones en la ionosfera, y por tanto, hacer un mapa de la misma, a través del cual se podrán medir seísmos en cualquier parte del planeta en tiempo real.

Estas aplicaciones tienen un profundo impacto en diversos sectores, mejorándolos positivamente, como por ejemplo, optimizando la distribución de energía en una red eléctrica, mejorando las redes de comunicaciones, gestionando de manera más efectiva el transporte, etc. Todas estas aplicaciones tienen un impacto económico positivo a través del abaratamiento de costes por el uso más eficiente de recursos, y el desarrollo de un nuevo mercado con múltiples oportunidades de negocio. Los GNSS mejorarán la calidad de vida en los países que inviertan en el desarrollo de proyectos basados en esta tecnología.

Webgrafía

http://lagc.uca.es/web_lagc/docs/curso_rap/Presentacion_II.pdf

https://es.wikipedia.org/wiki/Sistema_global_de_navegaci%C3%B3n_por_sat%C3%A9lite

http://www.hispaviacion.es/sistema-global-de-navegacion-por-satelite/

https://es.wikipedia.org/wiki/Sistema_global_de_navegaci%C3%B3n_por_sat%C3%A9lite

https://es.wikipedia.org/wiki/Sistema_de_posicionamiento_global

http://www.elandroidelibre.com/2015/04/que-es-el-glonass-y-para-que-se-utiliza.html

https://es.wikipedia.org/wiki/GLONASS

https://www.wayerless.com/2012/05/glonass-que-es-y-por-que-se-usa-en-los-moviles-de-ahora/

https://es.wikipedia.org/wiki/Sistema_de_navegaci%C3%B3n_Galileo

http://arantxa.ii.uam.es/~jms/pfcsteleco/lecturas/20080125DavidGarcia.pdf

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