sábado, 7 de febrero de 2015

Sistemas de posicionamiento basados en satélites (GNSS)

El nombre genérico de la navegación global por satélite es GNSS en inglés. Se trata de una constelación de satélites que transmite rangos de señales utilizados para el posicionamiento y localización en cualquier parte del globo terrestre. Estos permiten determinar las coordenadas geográficas y la altitud de un punto dado como resultado de la recepción de señales provenientes de constelaciones de satélites artificiales de la Tierra para fines de navegación. El GNSS proporciona a los usuarios información sobre la posición y la hora (cuatro dimensiones) con una gran exactitud, en cualquier parte del mundo, las 24 horas del día y en todas las condiciones climatológicas.

Satélite Transit-1ª

Un temprano precursor de los sistemas de navegación por satélite fueron los sistemas terrestres LORAN y Omega, que utilizaron los radiotransmisores de baja frecuencia (100 kHz) terrestres en vez de los satélites. Estos sistemas difundían un pulso de radio desde una localización "maestra" conocida, seguido por pulsos repetidos desde un número de estaciones "esclavas". El retraso entre la recepción y el envío de la señal en las estaciones auxiliares era controlado, permitiendo a los receptores comparar el retraso entre la recepción y el retraso entre enviados. A través de este método se puede conocer la distancia a cada una de las estaciones auxiliares.

El primer sistema de navegación por satélites fue el Transit, un sistema desplegado por el ejército de Estados Unidos en los años 1960. Transit se basaba en el efecto Doppler. Los satélites viajan en trayectorias conocidas y difunden sus señales en una frecuencia conocida. La frecuencia recibida se diferencia levemente de la frecuencia difundida debido al movimiento del satélite con respecto al receptor. Monitorizando este cambio de frecuencia a intervalos cortos, el receptor puede determinar su localización a un lado o al otro del satélite; la combinación de varias de estas medidas, unida a un conocimiento exacto de la órbita del satélite pueden fijar una posición concreta.




Teoría y características fundamentales


La radionavegación por satélite se basa en el cálculo de una posición sobre la superficie terrestre midiendo las distancias de un mínimo de tres satélites de posición conocida. Un cuarto satélite aportará, además, la altitud.







La precisión de las mediciones de distancia determina la exactitud de la ubicación final. En la práctica, un receptor capta las señales de sincronización emitida por los satélites que contiene la posición del satélite y el tiempo exacto en que ésta fue transmitida. La posición del satélite se transmite en un mensaje de datos que se superpone en un código que sirve como referencia de la sincronización.

La precisión de la posición depende de la exactitud de la información de tiempo. Sólo los cronómetros atómicos proveen la precisión requerida, del orden de nanosegundos. Para ello el satélite utiliza un reloj atómico para estar sincronizado con todos los satélites en la constelación. El receptor compara el tiempo de la difusión, que está codificada en la transmisión, con el tiempo de la recepción, medida por un reloj interno, de forma que se mide el "tiempo de vuelo" de la señal desde el satélite.

Estos cronómetros constituyen un elemento tecnológico fundamental a bordo de los satélites que conforman las constelaciones GNSS y pueden contribuir a definir patrones de tiempo internacionales. La sincronización se mejorará con la inclusión de la señal emitida por un cuarto satélite. En el diseño de la constelación de satélites se presta atención especial a la selección del número de estos y a sus órbitas, para que siempre estén visibles en cantidad suficiente desde cualquier lugar del mundo y así asegurar la disponibilidad de señal y la precisión.

Cada medida de la distancia coloca al receptor en una cáscara esférica de radio la distancia medida. Tomando varias medidas y después buscando el punto donde se cortan, se obtiene la posición. Sin embargo, en el caso de un receptor móvil que se desplaza rápidamente, la posición de la señal se mueve mientras que las señales de varios satélites son recibidas. Además, las señales de radio se retardan levemente cuando pasan a través de la ionosfera. El cálculo básico procura encontrar la línea tangente más corta a cuatro cáscaras esféricas centradas en cuatro satélites. Los receptores de navegación por satélite reducen los errores usando combinaciones de señales de múltiples satélites y correlaciones múltiples, utilizando entonces técnicas como filtros de Kalman para combinar los datos parciales, afectados por ruido y en constante cambio, en una sola estimación de posición, tiempo, y velocidad.



Navegación aérea


La navegación aérea utiliza, dentro del concepto de Sistemas Globales de Navegación por Satélites (GNEIS) puesto en práctica por la Organización de Aviación Civil Internacional (OACI), los sistemas de posicionamiento, reconociéndose como un elemento clave en los sistemas de Comunicaciones, Navegación y Vigilancia que apoyan el control del tráfico aéreo (CES/ATA), así como un fundamento sobre el cual los estados pueden suministrar servicios de navegación aeronáutica mejorados. Los estados que autorizan operaciones GNEIS son los responsables de determinar si el mismo satisface los requisitos de actuación requeridos para esta actividad (de acuerdo a lo especificado por la OCIA) en el espacio aéreo de su competencia y de notificar a los usuarios cuando dicha actuación no cumple con estos.

Por concepto, el GNEIS es un sistema mundial de determinación de la posición y la hora, que incluye constelaciones principales de satélites, receptores de aeronave, supervisor de integridad del sistema, y sistemas de aumento que mejoran la actuación de las constelaciones centrales.

En síntesis, el GNEIS es un término general que comprende a todos los sistemas de navegación por satélites, los que ya han sido implementados (GAS, GLOTONEAS) y los que están en desarrollo (Galileo), proponiendo la utilización de satélites como soporte a la navegación, ofreciendo localización precisa de las aeronaves y cobertura en todo el globo terrestre. Se está implantando el GNEIS de una manera evolutiva a medida que esté preparado para acoger el gran volumen del tráfico aéreo civil existente en la actualidad, y pueda responder a las necesidades de seguridad que requiere el sector, uno de los más exigentes del mundo.

Cuando el sistema GNEIS esté completamente desarrollado, se prevé que pueda ser utilizado sin requerir ayuda de cualquier otro sistema de navegación convencional, desde el despegue hasta completar un aterrizaje de precisión Categoría, IR O IS; es decir, en todas las fases de vuelo.

Sistemas de Posicionamiento por Satélites actuales


Actualmente, el Sistema de Posicionamiento Global (GPS) de los Estados Unidos de América y el Sistema Orbital Mundial de Navegación por Satélite (GLONASS) de la Federación Rusa son los únicos que forman parte del concepto GNSS. El Panel de Sistemas de Navegación (NPS), el ente de la Organización Internacional de Aviación Civil encargado de actualizar los estándares y prácticas recomendadas del GNSS, tiene en su programa de trabajo corriente el estudio de la adición del sistema de navegación por satélite Galileo desarrollado por la Unión Europea.

Otros sistemas de navegación satelital que podrían ser o no adoptados internacionalmente para la aviación civil como parte del GNSS y que están en proceso de desarrollo son el Beidou, Compass o BNTS (BeiDou/Compass Navigation Test System) de la República Popular China, el QZSS (Quasi-Zenith Satellite System)de Japón y el IRNSS (Indian Regional Navigation Satellite System) de India.

NAVSTAR-GPS


El NAVSTAR-GPS (NAVigation System and Ranging - Global Position System), conocido simplemente como GPS, es un sistema de radionavegación basado en satélites que utiliza mediciones de distancia precisas de satélites GPS para determinar la posición (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 es operado para el Gobierno de los Estados Unidos por su Departamento de Defensa y 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 retiran cuando ha transcurrido su vida útil.




GLONASS


El Sistema Mundial de Navegación por Satélites (GLONASS) 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.

Tras la desmembración de la Unión Soviética y debido a la falta de recursos, el sistema perdió operatividad al no reemplazarse los satélites. En la actualidad la constelación GLONASS vuelva a estar operativa.

Sistemas de Posicionamiento por Satélites en proyecto


Actualmente varios países intentan desarrollar sistemas propios; tal es el caso de China, Japón, India o los países pertenecientes a la Unión Europea y a la Agencia Espacial Europea.

Galileo


Galileo es la iniciativa de la Unión Europea y la Agencia Espacial Europea, que acordaron desarrollar un sistema de radionavegación por satélite de última generación y de alcance mundial propio, que brindara un servicio de ubicación en el espacio preciso y garantizado, bajo control civil.

Galileo comprende una constelación de 30 satélites divididos en tres órbitas circulares, a una altitud de aproximadamente 24.000 Km, que cubren toda la superficie del planeta. Éstos estarán apoyados por una red mundial de estaciones terrestres. El primer satélite experimental fue lanzado el 28 de diciembre de 2005 y el 21 de abril de 2011 se lanzaron los dos primeros satélites del programa.[1] Se espera que el sistema esté completamente operativo a partir de 2019 (nueve años más tarde de lo inicialmente previsto). Galileo será compatible con la próxima generación de NAVSTAR-GPS que estará operativa antes del 2012. Los receptores podrán combinar las señales de 30 satélites de Galileo y 28 del GPS, aumentando la precisión de las medidas.

Beidou



Beidou es el nombre del GNSS desarrollado por China para su propio sistema de navegación. Actualmente está en fase de proyecto.

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