Sobre la seguridad de la señal del GPS en la aviación comercial

Personalmente no me cabe la menor duda de que el sistema de posicionamiento por satélite es el más preciso que existe en la actualidad. Una vez hecha esta afirmación hay que matizar ciertas cuestiones. En primer lugar no debemos de olvidar que el sistema GPS, a diferencia del Europeo EGNOS fue desarrollado por y para el DoD (Departamento de Defensa) Norteamericano.

Esto quiere decir que estamos usando un sistema que es (y siempre será), no lo olvidemos, exclusivamente militar. El que podamos usar las señales para propósitos civiles no quita que el sistema pueda ser modificado, cancelado, desviado, etc. a voluntad del Departamento de Defensa Norteamericano.

El GPS es el heredero del sistema TRANSIT desarrollado a comienzos de los años 60 por y para la marina de los EEUU con participación de la USAF. El sistema TRANSIT dio lugar a un nuevo concepto llamado PROYECTO 621 B desarrollado enteramente por la Fuerza Aérea Norteamericana a finales de los 60 para poner en órbita un sistema de navegación tridimensional basado en satélites artificiales.

Por aquel entonces otro proyecto esta vez de la US NAVY llamado TIMATION vino a jugar un papel importante en el cálculo de la transmisión de señales radioeléctricas en el espacio. Los dos proyectos se unieron por obra y gracia del DOD (Department of Defense) Norteamericano en el año 1973 y esto es lo que hoy día se conoce como GPS. Este es el proyecto espacial más caro de la historia (unos 10.000 millones de dólares.). El objetivo principal era dar cobertura global de tiempo y posición a todas las tropas de los Estados Unidos, 24h/365 en cualquier tiempo meteorológico. El primero de los 24 satélites que componen el sistema fue lanzado en 1978.

El departamento de Defensa decidió en su día que el sistema fuera abierto al público mundial en su versión restringida (Frecuencia L1 y C/A solamente), como se ha comentado en un post anterior sobre este sistema. En teoría los servicios (gratuitos) prestados son:

• Determinación de la posición tridimensional
• Determinación tridimensional de la velocidad
• Determinación del tiempo exacto con un error de un microsegundo.
• Cobertura global las 24 horas del día.
• Alta fiabilidad.
• Gran precisión en todo tipo de condiciones atmosféricas.
• Versátil y válido para todo tipo de usuarios

Lo que mucha gente no sabe es que este tipo de satélites tienen ademas de lo anterior, algunas curiosidades adicionales, como por ejemplo la capacidad de detectar el pulso electromagnético causado por una detonación nuclear. De esta forma los Estados Unidos podrían saber con precisión que país está haciendo pruebas nucleares, que posición exacta de la explosión, cual es la carga en megatones, etc. etc. 

En teoría, con estos satélites se podría conocer la posición con un error de 3 cm. En la practica y debido a diversos errores (ionosféricos, relativistas, etc.) se consigue una precisión con un error de 3 metros. Se crean 2 tipos de servicio:

• SPS (Standard Positioning Service) : para usuarios civiles.
• PPS (Precise Positioning Service) : con fines militares.

SPS introduce un error intencionado para conseguir 10 veces menor precisión que PPS (Disponibilidad Selectiva)

El autor de este Blog ha tenido la ocasión de participar en las misiones de Paz para la antigua Yugoslavia con el Ejercito del Aire Español y ha comprobado en persona que las señales del satélite se  pueden corromper o incluso se puede dejar una zona sin cobertura. Todo ello provocado por el DOD Norteamericano en un área de conflicto.

Mucha gente está convencida de que esto no volverá a ocurrir en el futuro, ya que desde el año 2000 existe un decreto del Congreso de los EEUU que garantiza la estabilidad de la señal y que cancela la manipulación intencionada de la señal GPS o el apagón sobre algún área del globo terráqueo. Lo que muchas de estas personas ignoran sin duda es que en los EEUU existe una verdadera separación de poderes políticos y el Presidente de los EEUU puede ejercer su derecho de veto e invalidar los decretos del Congreso cuando la situación así lo aconseje. Si bien es cierto que en la actualidad existen restricciones del sistema en diferentes áreas conflictivas para los intereses de los EEUU, también es cierto que no es probable que encontremos mucha aviación comercial en esas áreas.

La estrategia de la OACI /ICAO.

Debido a la importancia del sistema de posicionamiento basado en satélites la OACI ha desarrollado una política de lo que se ha llamado estrategia GNSS. Desde 1991 la OACI distingue dos fases bien diferenciadas. GNSS-1 (1998 a 2015) y GNSS-2 de 2015 en adelante. Para el desarrollo de estas dos fases la OACI ha creado el GNSS panel con dos grupos de trabajo. WG-1 encargado de los aspectos operacionales y WG-2 centrado en los aspectos técnicos. Ambos grupos elaboran las SARPS de la OACI para poder dotar a los países miembros de un marco legal de trabajo. Las SARPS de la OACI tienen en cuenta los aspectos más importantes del sistema, estos son:

• la precisión
• la integridad
• la disponibilidad y
• la continuidad. 

También se han tenido en cuenta otros aspectos relativos a la seguridad y vulnerabilidad del sistema, tales como interferencias voluntarias o intencionales, Spoofing, efectos atmosféricos, número suficiente de satélites, etc.

GNSS-1 es la primera generación o primera fase consistente en la utilización de los sistemas existentes GPS y GLONASS junto con algún sistema de mejora (AUGMENTATION) de la señal. Estas mejoras de la señal pueden ser de tres tipos:

• GBAS
• ABAS
• SBAS

GBAS (Ground Based Augmentation System)

Consiste en un tipo de mejora introducida en la señal GPS\GLONASS por medio de una estación terrestre. La constelación de satélites envía información al avión y a una estación en tierra de la que se conocen perfectamente sus coordenadas. En caso de que la estación terrestre detecte un error de posición este error es transmitido por VHF al aviso para poder corregirlo. Esto es lo que se considera D/GPS. Ver ilustración. El inconveniente de este método de corrección de errores es que solo es válido en las cercanías de la estación terrestre que envía los datos.

ABAS (Aircraft Based Augmentation System)

Es un tipo de mejora de la señal basado en elementos internos del propio avión., estos pueden ser RAIM, AAIM (AIME), BARO AIDING, EUROFIX, etc. El RAIM es el conocido Receiver Autonomous Integrity Monitoring, que consiste en la utilización de grupos de satélites para poder discernir si alguno de ellos se encuentra en situación de fallo.

El RAIM, normalmente está implementado en el propio receptor del avión y utiliza un complejo algoritmo matemático para poder calcular los fallos de integridad del sistema. Para poder utilizar el RAIM es necesario contar con al menos 6 satélites a la vista.

Cinco satélites (uno más de los que se necesitan para el cálculo de posición) más otro para poder descubrir el fallo de uno de los cinco. El sistema se basa en que de los distintos grupos de cuatro satélites que se pueden formar con los cinco satélites habrá grupos de soluciones muy parecidas entre sí en aquellos grupos donde exista un error. Así mismo se encontrarán grupos con soluciones muy parecidas donde no exista error. El sexto satélite será entonces el encargado de discernir qué grupo contiene  el satélite defectuoso.

Otro de los sistemas ABAS más conocidos en la hibridación GPS/IRS esto es lo que se conoce como AAIM Aircraft Autonomous  Integrity  Monitoring. En este sistema se puede actualizar el IRS cuando el GPS es suficientemente preciso, de la misma manera el IRS puede avisarnos si el GPS calcula una posición excesivamente errónea.

En los aviones comerciales modernos existe una función basada en el cálculo de la RNP (Requiere Navigation Perfornance) y la EPU (Estimated Position Uncertainty). Cuando la posición estimada cae fuera de los límites establecidos se genera un mensaje de aviso diciendo que el sistema se ha degradado, en ese momento el sistema entra en el modo DR Dead Reckoning hasta obtener de nuevo buena geometría con suficiente número de satélites.

Uno de los AAIM más conocidos es el famoso AIME (Autonomous Integrity Monitoring Extrapolation), que se monta desde hace años en la familia 300 de AIRBUS. Este sistema está fabricado por la casa Litton.

Otro de los sistemas ABAS es el conocido BARO IDING que utiliza el centro de la tierra como cuarto satélite, este sistema también equipa a la mayoría de los aviones comerciales modernos.

El último de los ABS es el conocido EUROFIX, que utiliza una combinación de D/GPS + LORAN C, este sistema está en desuso debido a la implantación progresiva de los sistemas SBAS.

Los sistemas SBAS Satélite based augmentation systems que encontramos en la actualidad son fruto de la iniciativa nacional de uno o varios países que no quieren ver supeditada su seguridad y/o tecnología a otros países potencialmente rivales en algún campo. De esta forma USA y CANADA por un lado, EUROPA por otro, JAPON, CHINA y la INDIA han desarrollado sistemas SBAS independientes.

Todos ellos han dado con diferentes soluciones para un mismo problema, que consiste en dotar a la constelación GPS/GLONASS con mayores niveles de precisión, seguridad, Integridad y continuidad, por medio de satélites.  Siendo programas independientes se ha tenido en cuenta las recomendaciones de la OACI para el desarrollo de estos sistemas por medio de las SARPS que la organización publica para el desarrollo del sistema GNSS. Gracias a que los países involucrados siguen todos las SARPS se ha logrado que todos los sistemas regionales puedan ser compatibles entre sí, esto es lo que se llama ineroperatibilidad. Los sistemas SBAS más conocidos son el EGNOS, europeo, el WAAS norteamericano y canadiense, el MSAS japonés y el GAGAN Indio.

El sistema EGNOS European Geostationary Navigation Overlay System consiste en, tal como se puede ver en la ilustración, en una corrección de la señal por medio de satélites geoestacionarios del tipo INMARSAT (2) y ARTEMIS (1) de la ESA y también el uso de estaciones terrestres de monitorización y control. Las señales corregidas por los satélites geoestacionarios son enviadas al avión por medio de frecuencias en la banda de UHF con polarización circular para facilitar la penetración Ionosférica y minimizar sus efectos adversos. El sistema norteamericano WAAS también se basa en los satélites INMARSAT para crear un área continental de mejora de la señal.

La segunda generación de GNSS es la que se llevara a cabo a partir del año 2015, donde en Europa se tratara de substituir los GPS/Glonass por un nuevo tipo de satélite llamado GALILEO.