Introduccion a Los Sistemas de Navegacion Por Satelite

Introducción a los sistemas de navegación por satélite

Introducción a los sistemas de navegación por satélite Joan Carles Olmedillas

Diseño de la colección: Editorial UOC

Primera edición en lengua castellana: noviembre de 2012 Primera edición en formato digital: abril de 2013 © Joan Carles Olmedillas, del texto. © Imagen de la portada:Istockphoto. © Editorial UOC, de esta edición Rambla del Poblenou 156, 08018 Barcelona www.editorialuoc.com Realización editorial: Carrera Escartín, SA ISBN: 978-84-9029-914-2

Ninguna parte de esta publicación, incluido el diseño general y la cubierta, puede ser copiada, reproducida, almacenada o transmitida de ninguna forma, ni por ningún medio, sea éste eléctrico, químico, mecánico, óptico, grabación, fotocopia, o cualquier otro, sin la previa autorización escrita de los titulares del copyright.

Autor Joan Carles Olmedillas Ingeniero de Telecomunicación por la Universitat Politècnica de Catalunya. Inició su andadura profesional en 1988 en el Servei Geològic de la Generalitat de Catalunya (posteriormente incorporado al Institut Cartogràfic de Catalunya y actualmente integrado en el Institut Geològic de Catalunya), dedicándose a la instrumentación aplicada a la geofísica (sismología y vulcanología). Desde 1999 hasta 2004 se dedica a las aplicaciones que integran las tecnologías móviles (terminales, posicionamiento y telecomunicaciones), al campo de la cartografía digital, de los sistemas de información geográfica y a los sistemas de navegación portátiles y personales, al desarrollo de proyectos de geomovilidad y a la identificación de nuevos nichos de negocios basados en la unión del posicionamiento, las telecomunicaciones y los sistemas personales. Desde marzo de 2005 hasta diciembre de 2006 colabora con Indra Espacio, desde Galileo Industries GmbH en Múnich, en la coordinación de la ingeniería del sistema de SAR/Galileo. Desde 2007 y hasta la actualidad desarrolla su labor profesional como consultor en el Departamento de Navegación por Satélite de Indra en Barcelona y es responsable de la Oficina de Proyectos.

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Índice

Índice

Dedicatoria

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Agradecimientos

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Nota previa a la lectura

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Capítulo I. Introducción a los sistemas GNSS ........................

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Capítulo II. Evolución de los sistemas de orientación

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la orientación por las estrellas ....................................................

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2.1. De la orientación por la naturaleza a 2.2 Orientación a través de ondas de radio 2.3 Orientación vía satélite

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Capítulo III. El sistema GPS

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3.1 Arquitectura del sistema GPS

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3.2 Órganos de gestión del sistema GPS .......................................

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3.3 Cómo funciona el sistema GPS

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3.4 Fuente de errores en la medida de la distancia

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3.5 Aumentar la precisión en el posicionamiento: el GPS diferencial

3.6 El sistema de coordenadas que utiliza el sistema GPS

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Capítulo IV. Otros sistemas de navegación por satélite

4.1 El sistema europeo GALILEO

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4.2 El sistema chino Beidou-II/Compass

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Intr. a los sistemas de navegación...

4.3 El sistema ruso GLONASS

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4.4 QZSS (Quasi-Zenith Satellite System) 4.5 Comparativa de los sistemas GNSS

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Capítulo V. Sistemas de aumentación de la señal .............................................................................................

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5.1. SBAS

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5.2. GBAS

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de navegación

Capítulo VI. Aplicaciones de los sistemas de posicionamiento GNSS

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6.1. Aplicaciones en el sector aeronaútico y espacial 6.2. Aplicaciones en el sector marítimo

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6.3. Aplicaciones en el sector terrestre ............................................ 125 6.4. Aplicaciones de carácter científico

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6.5. Aplicaciones de carácter gubernamental y militar 6.6. Aplicaciones creativas

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6.7. Terminales avanzados con sistemas GNSS

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Capítulo VII. El futuro de los sistemas GNSS

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Siglas y acrónimos

Efemérides relevantes de los sistemas ................................................

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de posicionamiento y navegación Referencias bibliográficas Referencias en internet

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A Leonor A Fidel A Fidel y Antonio A Eva A su viaje conjunto de amor, comprensión y dedicación A Julia, nuestro Futuro, que cumple un año. octubre, 2012

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La Tecnologías y las ideologías están haciendo temblar los cimientos del capitalismo del siglo XXI. La tecnología hace que la preparación y el conocimiento sean las únicas funtes de un beneficio estratégico sostenido Lester Thuow Una teoría pasa por cuatro etapas antes de ser acptada I. Esto es un sinsentido sin ningún valor II. Es interesante, pero perversa III. Esto es cierto, pero no tiene importancia IV. Yo siempre lo dije J.B.S: Holdance, 1963

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Agradecimientos

En primer lugar quiero reconocer el apoyo que recibo en todos los proyectos que me propongo de mi querida Eva. Su comprensión, paciencia, complicidad y aliento son imprescindibles en las, a veces, «solitarias travesías del desierto» por las que pasan en algún momento el desarrollo de dichos proyectos. A mis colegas y amigos Mercè y Toni por su amistad e incondicionalidad. A Roser y Emi, por su paciencia y comprensión conmigo y por ponerme las cosas tan fáciles en la editorial UOC.

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Este pequeño libro está dirigido a aquella persona interesada en una breve introducción a los sistemas de navegación por satélite y que quiera aproximarse a las ideas y conceptos básicos de esta temática tan actual. Está deliberadamente exento de tecnicismos y de expresiones matemáticas. La omisión de estos detalles técnicos tiene como objetivo llegar al máximo número de lectores, simplificando la explicación de las ideas y conceptos. Aquellos que quieran profundizar más en el tema disponen en el último apartado de enlaces a páginas web relacionadas y de una selección de bibliografía especializada donde esperamos que puedan escoger el tema de su interés. Antes de empezar con el texto nos gustaría esclarecer la definición de unos términos que se usan frecuentemente en el cálculo de la posición y que llevan a menudo a errores de interpretación. Estos términos son exactitud (accuracy en inglés) y precisión (precision en inglés). Consideramos que, en un abuso del lenguaje, es empleada inadecuadamente la palabra exactitud como el margen de error del posicionamiento, siendo la unidad de medida utilizada los metros, centímetros o cualquier otra unidad de medición lineal que indique el margen de error. El uso de este término con este significado es generalizado en las referencias que se pueden hallar por internet y, en general, en la bibliografía sobre esta materia. La acepción del término exactitud en esta obra es considerarla como un parámetro que indica cuál es la proximidad del resultado de una medición con respecto al valor real. La exactitud, se-

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gún su definición estricta, no es un valor cuantificable, sino una cualidad atribuible, ya que la exactitud no se puede medir: una cosa es exacta o no lo es. La precisión tiene que ver con el método o instrumento utilizado para realizar la medición y es un indicador de la repetibilidad de un resultado. La diferencia del término precisión con respecto al de exactitud es que la precisión no tiene en cuenta sólo una medición, sino el conjunto de todas las mediciones realizadas para obtener una medida.

Figura 1. Imagen en la que se comparan gráficamente el significado de los términos precisión y exactitud (del inglés accuracy). (Fuente: Trimble)

Así, aplicados estos términos al posicionamiento por satélite, se puede entender la exactitud como el margen de error en una medición y la precisión como el error mínimo que se puede producir (la mejor medición) según las características del sistema o instrumento de posicionamiento utilizado. Conocer la precisión y la exactitud de las medidas es importante para decidir si los datos de un sistema de posicionamiento son válidos o no.

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Introducción a los sistemas GNSS

Capítulo I


La sigla GNSS (del inglés Global Navigation Satellite System –sistema de navegación global por satélite) fue creada por una de las instituciones que forman parte de las Naciones Unidas, la ICAO (del inglés Internacional Civil Aviation Organization – Organización Internacional para la Aviación Civil), que lo definió de la siguiente forma: GNSS es un sistema de cobertura global para determinar la posición y el tiempo, que puede estar formado por una o más constelaciones de satélites, por receptores aeronáuticos, por un sistema de monitoreo de la integridad de la señal y complementado con los sistemas de aumentación necesarios para dar soporte a las diferentes operaciones y maniobras que habitualmente se realizan en la navegación aérea.

Figura 2. Sistema de posicionamiento de cobertura global (Fuente: EC-ESA)

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Actualmente hablar de GNSS es hablar de GPS (del inglés Global Positioning System –sistema de posicionamiento global), sigla que por otra parte ha sido adoptada de forma coloquial por la comunidad de usuarios para denominar a los equipos que ubicados en el salpicadero de nuestros vehículos o en las apps (abreviación del inglés applications, aplicaciones) de nuestros smartphones nos indican, paso a paso, la ruta que hay que seguir para llegar a un destino previamente programado. El sistema GPS, desarrollado y mantenido por el ejército de EE.UU. desde hace ya 34 años, 1978 fue el año de puesta en órbita del primer satélite, provee de señal de posicionamiento de alta precisión y de señal de tiempo a los efectivos militares americanos desplegados en cualquier parte del mundo. A partir del 1 de mayo de 2000 el Gobierno americano permitió el acceso a sus servicios de calidad estándar a cualquier poseedor de un equipo receptor GPS con cobertura global eliminando la disponibilidad selectiva (del inglés selective availability, S/A), más tarde, el 19 de septiembre de 2007, la Casa Blanca decidió eliminar de los futuros satélites GPS III la posibilidad de degradar la señal de navegación en beneficio de todos los usuarios civiles del sistema y de la industria GNSS, al asegurar la calidad y la disponibilidad del servicio de forma continua GPS III empezará a estar disponible en 2014. Si bien la aplicación del GPS como navegador para coche fue de las primeras en introducirse en el mercado de consumo, actualmente es cada vez más frecuente que los teléfonos inteligentes y las tabletas incluyan, integrado en su interior, un receptor GPS que permite disponer de posicionamiento instantáneo y de precisión sobre una cartografía digital que se puede descargar en tiempo real desde un proveedor de servicios de navegación, como por ejemplo Google Maps, a través de la conexión de telefonía móvil de alta capacidad (3G, HSDPA…) que también está integrada en dicho teléfono o tableta.

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Los lectores ya introducidos en temas de GNSS, sin duda, deben tener también incorporados en su terminología GNSS los términos GLONASS, Galileo o Beidou como sistemas de posicionamiento global ruso, europeo y chino respectivamente. Como veremos a lo largo de esta obra, el sistema ruso GLONASS (del inglés Global Navigation Satellite System) lleva también muchos años disponible y completó su constelación con los 24 satélites, para los que fue inicialmente diseñado, el 8 de diciembre de 2011; el sistema europeo Galileo está en fase de validación, en dicha fase denominada IOV (del inglés In Orbit Validation) se pondrán en órbita 4 satélites, dos el 21 de octubre de 2011 y dos más el 12 de octubre del 2012, que servirán para validar el sistema y pasar a la fase inicial de operación del sistema, prevista para 2018, previo lanzamiento de 14 satélites más; y por último, el sistema chino que está también en fase de desarrollo y que dispondrá al final de 2014 de un conjunto de 14 satélites que proporcionarán servicios de posicionamiento al territorio chino. Su objetivo final es el de disponer de una constelación de 35 satélites para el año 2020.

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Evolución de los sistemas de orientación

Capítulo II


2.1. De la orientación por la naturaleza a la orientación por las estrellas El ser humano, desde sus orígenes nómadas, ha tenido necesidad de recordar los lugares por donde pasaba, ya sea bien para volver a pasar por ese lugar o bien para explicar a otros la ruta que hay que seguir para alcanzar un determinado destino. Para ello el hombre ha ido utilizando a lo largo de la historia diferentes “métodos de referencia” que le sirviesen de apoyo en su movilidad. En un principio sus travesías a pie se limitaban a la tierra firme: bosques, desiertos o montañas, y los métodos que utilizó entonces fueron realizar marcas sobre el terreno con piedras o con cortes en las cortezas de los árboles o identificar elementos singulares del paisaje o del entorno para referenciar sus rutas de paso. Los puntos de salida y puesta del sol fueron con mucha probabilidad utilizados también como referencias en sus desplazamientos. Todos estos elementos constituyeron los primeros puntos de referencia utilizados para apoyarse durante sus desplazamientos y que, con el paso del tiempo, se fueron sofisticando a la vez que lo hacían los métodos disponibles para obtener referencias.

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Me imagino los primeros desplazamientos realizados a plena luz del día, caminando y exclusivamente por tierra. La noche era dominada entonces por los grandes carnívoros y el fuego todavía era difícil de generar, transportar y mantener. Posteriormente se utilizaron animales y vehículos de arrastre que acortaron las distancias e hicieron más cómodo el recorrido de largas distancias. Pero fue la incursión en mares y océanos la que obligó a los navegantes a desarrollar nuevos métodos de obtención de referencias para realizar de forma segura sus travesías marinas. En una primera época fue la navegación costera, es decir, la navegación que se realizaba sin perder de vista la línea de costa, pero pronto se desarrollaron nuevos métodos basados en la posición de los astros y de las estrellas visibles. El sol, la luna y sus ciclos diarios, estacionales y anuales fueron las primeras referencias que seguramente fueron utilizadas en los inicios de la navegación marítima. Rápidamente se incluyeron las posiciones de las estrellas más brillantes del firmamento, que desde el mar y en plena noche son visibles en la bóveda celeste. En el hemisferio norte se utilizaron la Osa Mayor con la estrella polar y la Osa Menor y en el hemisferio sur la Cruz del Sur. Estas estrellas constituyeron los elementos

Figura 3. Astrolabio planisférico andalusí atribuido a al-Sahli, año 1067 (Fuente: Museo Arqueológico Nacional) y sextante del siglo XIX. (Fuente: NOAA)

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de referencia cuya geometría relativa, que variaba en función del lugar de la tierra desde el que se estuvieran observando, proporcionaba a los navegantes información muy valiosa de la zona donde se encontraban y del lugar hacia el que se dirigían. Se desarrollaron instrumentos mecánicos y ópticos, como astrolabios, sextantes y octantes, cuya función era la de medir los ángulos relativos entre las estrellas, el horizonte y el punto de observación. Se publicaron almanaques con tablas que contenían dichas medidas realizadas en diferentes lugares del planeta y a partir de las cuales, aplicando laboriosos cálculos trigonométricos, permitían obtener la posición actual del observador, eso sí, con bastantes kilómetros de error. Eran medidas que no se podían realizar de día, al no poder verse las estrellas, y por la noche el cielo debía estar libre de nieblas y nubes y el mar en calma para poder realizar la medida de dichos ángulos. Si en aquellos tiempos se hubiera podido disponer de las distancias a las estrellas, el proceso de cálculo por triangulación geométrica hubiera sido mucho más sencillo.

CALCULADOR ASTRONÓMICO ANTIGUO El mecanismo de Anticitera Sin duda uno de los mecanismos de cálculo astronómico más antiguos y menos conocidos es el mecanismo de Anticitera. En 1901 fue encontrado por unos buscadores de esponjas en el fondo del mar, cerca de la isla griega de Anticitera, un asombroso mecanismo datado unos 200 años a. C. Es el mecanismo de cálculo más sofisticado encontrado hasta la fecha. Después de más de cincuenta años de investigaciones, sólo estudios realizados recientemente, llevados a cabo por el historiador Derek J. de Solla Price (1922-1983), han concluido que podría haber sido utilizado para medir fenómenos astronómicos al poder funcionar como un complejo mecanismo calculador que permite realizar el seguimiento del sol, la luna y de los planetas del sistema solar conocidos en la época (Venus, Mercurio, Marte, Júpiter y Saturno) y que permite, asimismo, predecir eclipses. Sorprende también el hecho de que a raíz de reconstrucciones realizadas del mecanismo, se ha encontrado que utilizaba engranajes diferenciales, de esta forma se convertiría en el primer dispositivo conocido en utilizarlos, ya que los primeros engranajes diferenciales conocidos hasta la fecha databan del siglo XVI. Al parecer, dispositivos como este no eran extraños en la antigüedad. Hay descritos instrumentos similares fabricados por Arquímedes, aunque lamentablemente ninguno de ellos ha sido encontrado. Existe un proyecto de investigación internacional, The Antikythera Mechanism Research Mecanismo de Project, patrocinado por empresas de alta Anticitera, 200 a. C. tecnología (como Hewlett Packard de EE.UU. y (Fuente: Museo X-Tek Systems del Reino Unido), cuyo objetivo es Nacional de determinar la función y el significado de este Arqueología, Atenas) mecanismo. Sin duda, el mecanismo de Anticitera es el mecanismo de cálculo astronómico de precisión más antiguo conocido y bien podría haber sido utilizado para la navegación náutica. Para ampliar la información: http://www.antikythera-mechanism.gr/project/overview http://es.wikipedia.org/wiki/Mecanismo_de_Anticitera http://www.relativitycalculator.com/philosophy_of_mathematics.shtml

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Con estos procedimientos se podía obtener la latitud con bastante precisión, pero la obtención de la longitud constituía un gran problema. Para calcularla se requería disponer a bordo del barco de un reloj-cronómetro capaz de mantener su funcionamiento en las duras condiciones de navegación y de ambiente marino. Los cronómetros marinos iniciales, de péndulo o de pesas, proporcionaban errores en el tiempo de decenas de segundos, que a su vez provocaban un error en la determinación de la longitud de varios minutos de arco y ello se traducía en decenas de millas náuticas de desviación respecto del rumbo previsto. Una de las aportaciones importantes a la navegación fue el desarrollo de una nueva generación de cronómetros que permitieron ya entrado el siglo XVIII disponer de un tiempo de referencia muy estable, capaz de soportar los bruscos vaivenes de las embarcaciones, los cambios bruscos de temperatura, humedad y de la salinidad existente en el ambiente marino, suministrando el tiempo con un error de pocas décimas de segundo, lo que se traducía en un cálculo de trayectorias de unos pocos kilómetros de error. El primer cronómetro de estas características fue el cronómetro náutico H-4, diseñado en 1761 por el carpintero británico John

Figura 4. Cronómetro náutico H-4 de John Harrison, 1761. (Fuente: NMM London, MoD Art Collection)

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Harrison. Con 13 cm de diámetro y un peso de 1.450 g, el H-4 utilizaba ruedas antifricción y disponía, entre otras innovaciones, de un sistema de compensación bimetálico de temperatura y de un nuevo sistema de cojinetes. Con este cronómetro Harrison ganó las 20.000 libras del premio que la Reina Ana estableció en el Decreto de la Longitud el 8 de julio de 1714 a quien proveyera de un método o técnica para determinar la longitud con un error de 0,5 grados de un círculo máximo, equivalente a 30 millas náuticas o 2 minutos de tiempo yendo de este a oeste o viceversa. De esta forma la armada británica pasó a dominar los mares del planeta, en detrimento de la armada española con embarcaciones más lentas y con peores instrumentos de posicionamiento. La introducción del cronómetro de precisión también fue un gran éxito para los fletes comerciales. La nueva tecnología disponible para medir el tiempo les hacían ganar días de navegación y llegar antes que la competencia a los puertos suministradores de materias primas y, en consecuencia, les permitía también disminuir los costes de la expedición y llegar también antes a los mercados con los nuevos productos.

2.2. Orientación a través de ondas de radio Los métodos de orientación que hemos visto, podríamos decir que generaron “eras” o “épocas” en la evolución de las tecnologías del posicionamiento. La primera que hemos descrito podríamos denominarla la Era de la naturaleza, cuando se utilizaban los elementos que la naturaleza proporcionaba como puntos de referencia, y la segunda la Era de las estrellas, en donde los puntos de referencia los constituían los cuerpos celestes. Pero fue la Era de la radio la que transformó profundamente la forma en la que el hombre empezó a medir las distancias con mayor precisión.

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A mediados del siglo XX, se desarrollaron técnicas que permitían medir distancias utilizando señales de radio u ondas electromagnéticas. El concepto era simple, como las señales de radio se propagan en la atmósfera a una velocidad fija (por cierto, la misma velocidad que la empleada por la luz, es decir, 300.000 km por segundo), si se es capaz de medir el tiempo que emplea una señal de radio en ir de una estación transmisora a una estación receptora, la distancia que las separa se podrá obtener con una simple multiplicación de la velocidad por el tiempo empleado. Es fácil deducir que los errores en la medida del tiempo se traducirán directamente en errores en la determinación de la distancia. Así un error de un segundo generaría un error de 300.000 km, y un error de un nanosegundo (0,000.000.001 s) un error de 30 cm. Por tanto, se desprende que en la Era de la radio es muy importante poder disponer de relojes de gran precisión y estabilidad ya que eso constituye la base para la obtención de una medida de distancia con precisión. Pero ¿cómo podemos utilizar este método en la vida real para la medida de distancias que nos ayuden a situarnos en la superficie de la tierra? Para poder situarnos sobre la superficie de la tierra hemos de disponer de un conjunto de estaciones transmisoras de señales distribuidas estratégicamente en las diferentes regiones de navegación del planeta. Si disponemos de una estación transmisora de señales de posicionamiento que denominaremos A y cuya ubicación está bien determinada, y medimos con un receptor especial la distancia a la que nos encontramos de ella, sabremos que nos encontramos, por ejemplo, a 7.531 m de distancia de ella. Este dato no nos sitúa todavía sobre el mapa, pero sí nos indica que nos podríamos encontrar en cualquier lugar que diste 7.531 m de la estación A y que describe un círculo a su alrededor cuyo radio es de 7.531 m.

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Si existiera otra estación B emisora de señales, también de posición conocida, el receptor obtendría la distancia a la que nos encontramos de ella y obtendríamos, por ejemplo, 8.642 m. De la misma forma, el conjunto de puntos que se encuentra a 8.642 m de la estación B forma un circulo a su alrededor que nos indica que estamos en algún lugar sobre ese círculo. Por tanto, estamos situados en algún lugar que nos hace estar a la vez sobre el círculo A y sobre el círculo B. Por geometría sabemos que dos círculos se intersecan en dos puntos, por lo tanto estamos situados en uno de esos dos puntos de intersección que nos hacen estar a la distancia medida de A (7.531 m) y de B (8.642 m). Para poder discriminar entre las dos posiciones cuál es la correcta en la que nos encontramos, nos haría falta disponer de la distancia a otra estación transmisora C, ya que de esta forma identificaría de forma única cuál de esos dos puntos es el correcto. En conclusión, si disponemos de un conjunto de estaciones transmisoras de señales de posicionamiento (A, B, C), a la que denominaremos red de estaciones, cuya ubicación es fija y bien determinada y si disponemos de un receptor especial que dispone en su memoria de las ubicaciones de dichas estaciones transmisoras, al poner en funcionamiento ese receptor calculará rápidamente las distancias a dichas estaciones y obtendrá la posición en la que se encuentra. Esta forma de funcionar es la base de los modernos sistemas de navegación por radio (del inglés RNS, Radio Navigation Systems) cuya mejor expresión lo constituye el sistema LORAN (del inglés Long Range Navigation, navegación de largo alcance). El sistema LORAN actual (versión LORAN-C) lo operan los guardacostas de Estados Unidos desde 1979 y es descendiente del sistema LORAN-A, creado en 1942 durante la Segunda Guerra Mundial. El sistema LORAN dispone de un conjunto de antenas de comunicaciones desplegadas por todo el mundo que transmiten señales en la frecuencia de 90 a 110 kHz con una potencia de

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entre 100 y 4.000 kW. Actualmente, hay operativas unas 70 estaciones de LORAN-C con un alcance medio de unos 2.000 km cada una. LORAN-C no cubre todo el mundo, pero la cobertura es suficientemente buena para dar servicio a EE.UU., a Europa y a la costa del Pacífico. El uso del LORAN-C no es exclusivo de la navegación marítima, pero su uso y su cobertura están orientados principalmente a este sector. En la actualidad el sistema LORAN-C está siendo objeto de estudio para evaluar la posibilidad de realizar mejoras en la señal transmitida y en los receptores. Estas mejoras llevarán al E-LORAN (del inglés enhanced LORAN, ‘LORAN mejorado’). Este nuevo sistema incluirá emisiones de señal adicionales que podrán transmitir datos que contengan correcciones diferenciales de señales GPS y así funcionarán como un sistema de mejora de la posición. Con el actual sistema LORAN-C, el error medio en el posicionamiento es de 450 m, mientras que, con el nuevo sistema E-LORAN, el error puede ser de sólo 8 metros. Los principales inconvenientes del sistema LORAN son que no constituye un sistema con cobertura global, sólo da cobertura al 5% de la superficie terrestre, incluyendo principalmente zonas costeras, y que proporciona posición de latitud y longitud y no de altura, motivo por el cual no puede usarse en navegación área. Existieron otros sistemas de posicionamiento por radio para la navegación marítima que merecen mencionarse: – El sistema OMEGA, constituyó el primer sistema de posicionamiento realmente global para aplicaciones aeronáuticas militares. El sistema estuvo operativo entre 1971 y 1997 y servía principalmente para guiar bombarderos nucleares a través del Polo Norte hasta Rusia y para el posicionamiento de submarinos. – El sistema DECCA, sistema que fue usado por los británicos en la Segunda Guerra Mundial y que también se utilizó para

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las explotaciones petrolíferas del mar del Norte hasta el año 2000. Actualmente ya no está operativo. – El sistema CHAYCA es la alternativa rusa al sistema LORANC y también está operativo actualmente.

2.3. Orientación vía satélite La forma de superar las limitaciones que imponían los sistemas de radionavegación terrestre fue el advenimiento de la era de los sistemas de navegación basados en satélites. Los mismos equipos que antes se instalaban en estaciones terrestres ahora se instalaban a bordo de satélites que eran colocados a gran altitud en órbitas alrededor de la tierra, para así abarcar la mayor superficie de territorio posible con sus transmisiones. El concepto que subyace para la determinación de la distancia es similar al que ya hemos visto para los sistemas basados en estaciones terrestres, con la diferencia de que ahora son los satélites los que actúan como estaciones de referencia y a diferencia de las estaciones de referencia terrestres, los satélites no están fijos en una posición sino que se mueven en sus órbitas. Para determinar la posición sobre la superficie de la tierra en tres dimensiones, latitud, longitud y altura sobre la superficie de la tierra, se deberán medir las distancias desde el receptor o usuario a tres satélites, y encontrar a continuación el lugar donde intersecan tres esferas cuyo centro se ubicará en el satélite y su radio la distancia medida por el receptor en tierra hasta cada uno de los satélites. Al contrario de lo que ocurría con las estaciones fijas terrestres, cuya posición era fija y bien conocida, para los sistemas basados en satélites, la posición del satélite en su órbita está variando continuamente conforme los satélites se desplazan por el espacio siguiendo su órbita. Por ello los satélites disponen de métodos para

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transmitir información de su posición en cualquier instante de tiempo. Es evidente que la precisión en el cálculo de la posición del satélite afectará a la precisión de la distancia que calcule el receptor en tierra y en consecuencia a la posición sobre la tierra que el receptor determine. En resumen, la precisión en calcular la posición del receptor depende de la precisión en el cálculo de la posición de los puntos de referencia que en este caso son los satélites que se desplazan en sus órbitas. Con la finalidad de determinar con la máxima precisión la posición de los satélites, sus parámetros orbitales son controlados desde tierra: tanto las órbitas que describen los satélites como su posición en ella en cada instante son monitorizados desde varios centros de observación distribuidos por todo el planeta. Con dichas observaciones se establecen predicciones acerca de la posición del satélite con 24 horas de validez, son las denominadas efemérides de los satélites. Dichas efemérides se transmiten a los satélites para que estos a su vez las diseminen a los receptores en tierra. Las efemérides forman parte de la estructura de la señal de radio emitida por los satélites hacia los receptores en tierra.

2.3.1. El sistema Transit Allá por el año 1958, tras el lanzamiento del primer satélite, el satélite ruso Sputnik I el 4 de octubre de 1957, experimentos llevados a cabo en el APL de la Universidad John Hopkins (del inglés Applied Physics Laboratory, Laboratorio de Física Aplicada) por los investigadores William Guier y George Weiffenbach demostraron que era posible determinar la órbita del satélite analizando un único paso del mismo sobre una posición determinada grabando y procesando el desplazamiento Doppler de las transmisiones

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de radio realizadas desde el satélite. Posteriormente se comprobó que si la posición de un satélite podía determinarse midiendo el desplazamiento Doppler desde una estación cuya ubicación fuera perfectamente conocida, entonces, de forma recíproca, debería ser posible determinar la posición de la estación si la posición de los satélites fuera conocida (observación realizada por Frank McClure director del APL). El funcionamiento debería ser simple, conocida la posición del satélite, un navegante podría conocer su posición en cualquier lugar del planeta después de recibir, grabar y procesar la señal recibida del satélite durante un período de tiempo variable entre 10 o 16 minutos. Este hecho llevó al desarrollo por parte de Dick Kershner, jefe del departamento de espacio del APL, del sistema de posicionamiento más conocido como Transit, que fue operado por la armada de EE.UU. El primer prototipo de satélite Transit fue puesto en órbita en 1961 y el sistema, denominado NNSS (del inglés Navy Navigation Satellite Systems, sistema de navegación por satélite de la armada), fue declarado operacional en 1964, tras la puesta en órbita de 6 satélites operativos. Los satélites Transit describían orbitas circulares a una altura de 1.100 km, dando una vuelta completa a la tierra en 107 minutos. Cada satélite emitía dos frecuencias portadoras, una en VHF, a 150 MHz, y otra en UHF, a 400 MHz. Sobreimpuesta en ambas frecuencias y en modulación de fase se incluyó un mensaje que contenía la información de las órbitas que era calculada previamente por el centro de control. El mensaje era transmitido de forma continua en bloques de 2 minutos, y cada bloque contenía 6.103 bits. De esta forma cada 2 minutos, cualquier receptor en tierra podía obtener los parámetros orbitales del satélite. Combinando la información de la órbita de los satélites recibida con la medida de la desviación Doppler de la señal, el receptor podía calcular de forma precisa las coordenadas donde se encontraba.

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De 1964 a 1967 el sistema fue de uso exclusivo para los militares. Su objetivo fue el de proveer información de posicionamiento a la flota de misiles balísticos a bordo de submarinos que en aquellos momentos estaba en desarrollo. Más tarde se desclasificó y fue disponible para aplicaciones civiles. Con los satélites Transit se podía obtener una precisión de hasta 200 metros pero sólo en dos dimensiones. Además si el receptor se encontraba en movimiento, un error en la determinación de su velocidad de un nudo (equivalente a 1,852 km/h) provocaba un error en la posición de 0,2 millas náuticas, o lo que es equivalente unos 370 metros. El sistema Transit estuvo operativo hasta el año 1996. Los rusos, a su vez, desarrollaron un sistema equivalente al americano denominado TSICADA.

2.3.2. La contribución de Transit al sistema GPS El desarrollo y puesta en operación del sistema Transit aportó dos tecnologías para el desarrollo del futuro sistema GPS, que con el tiempo llegaron a ser esenciales: – El sistema Transit desarrolló una técnica de análisis de frecuencias que resultaría esencial para el futuro sistema GPS: el uso de dos frecuencias para calibrar el retardo temporal de la señal de radio al atravesar la ionosfera y ser dispersada por los iones presentes en su trayectoria. Esta técnica se incorporó en el sistema GPS para obtener mayor precisión en el posicionamiento. – Transit también fue pionero en el desarrollo de diferentes sistemas de predicción precisa de las órbitas de los satélites de su constelación, otra tecnología que devendría esencial para el funcionamiento del sistema GPS.

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Como veremos, la determinación y predicción de las órbitas fue uno de los 5 retos tecnológicos al que los ingenieros del sistema GPS tuvieron que dar solución para hacerlo operativo. En la figura siguiente podemos ver de forma comparada la evolución en la precisión conseguida con los diferentes sistemas de posicionamiento por ondas de radio.

Figura 5. Precisión comparada de los diferentes sistemas de posicionamiento y navegación basados en ondas de radio. (Fuente: Wikipedia) Permission is granted to copy, distribute and/or modify this document under the terms of the GNU Free Documentation License, Version 1.2 or any later version published by the Free Software Foundation; with no Invariant Sections, no Front-Cover Texts, and no Back-Cover Texts. A copy of the license is included in the section entitled GNU Free Documentation License.

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Capítulo III

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El 14 de diciembre de 1973, el Departamento de Defensa americano (del inglés DoD, Department of Defence), y en concreto la Fuerza Aérea Americana (del inglés USAF, United States Air Force) aprobó el desarrollo del sistema GPS. El término GPS proviene de la abreviación de NAVSTAR GPS, que son las siglas en inglés de Navigation System with Timing and Ranging Global Positioning System, es decir, sistema de posi cionamiento global y sistema de navegación con sincronización de tiempo y medición de distancia. Desde sus inicios, y desmitificando la creencia popular, el sistema fue diseñado tanto para su uso principal militar como para su uso en aplicaciones civiles. En aquellos momentos iniciales del sistema, posiblemente se pensó que los topógrafos, cartógrafos y geodestas serían sus principales usuarios, sin siquiera llegar a imaginar la cantidad de aplicaciones y diversidad de usuarios que se podrían llegar a desarrollar en el futuro. Los requisitos de diseño que tenían sobre la mesa los ingenieros del sistema eran concisos: – La precisión en la medida debería tener un error de 5 a 20 metros, relativa y repetible. – La exactitud debería ser previsible con un error de 15 a 30 metros.

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– Debería proporcionar posicionamiento 3D y sincronización de tiempo y posicionamiento 3D y velocidad. – El tiempo para obtener la posición debería ser instantáneo, es decir, lo que denominamos tiempo real, para las precisiones requeridas. – El posicionamiento debería ser posible las 24 horas de los 365 días del año. – Y la cobertura del sistema debería ser global. El primer satélite GPS se puso en órbita el 22 de febrero de 1978. En 1994 se llegó a disponer de 24 satélites en la constelación de satélites GPS y el 27 de abril de 1995, después de 21 años y 4 meses del inicio del desarrollo del sistema, se declaró completamente operativo el sistema GPS.

3.1. Arquitectura del sistema GPS La arquitectura del sistema GPS consta de tres conjuntos de equipos o sistemas denominados segmentos, que están claramente diferenciados: – El segmento espacial: formado por los satélites que están en órbita y que difunden las señales de navegación. – El segmento terreno: formado por las infraestructuras en tierra que permiten controlar el funcionamiento de los propios satélites y preparar y suministrar los datos de navegación que serán transmitidos por los satélites. – El segmento usuario: está constituido por todos los equipos receptores en tierra, mar o aire que reciben la señal de los satélites y la utilizan para posicionarse o navegar, y dan lugar a las diferentes aplicaciones.

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En los siguientes apartados se describen los dos primeros segmentos. El segmento usuario se describirá en el apartado que tratará de las aplicaciones que se derivan del uso de los sistemas GNSS.

3.1.1. El segmento espacial: los satélites Actualmente hay en órbita unos 30 satélites, para ser más exactos y con fecha de junio de 2012 hay 31 satélites, entre los operativos y los de reserva, en la figura se muestra su disposición orbital. Cada satélite tiene una vida aproximada de diez años y se van sustituyendo continuamente los satélites obsoletos con unos nuevos y mejorados para mantener operativa la constelación.

Figura 6. Disposición de las órbitas de la constelación de satélites GPS.

Los satélites siguen una órbita no geoestacionaria y casi circular de un radio de 26.560 km, es decir, a una altura aproximada de la superficie de la Tierra de 20.200 km. La velocidad de los satélites es de unos 3.218 km/h, esta velocidad les permite dar dos veces la vuelta al planeta cada 24 horas. Cada satélite invierte 11

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horas y 58 minutos en dar una vuelta completa a la Tierra. Las órbitas de los satélites se distribuyen en seis planos orbitales, inclinados 55° respecto del ecuador terrestre, cada plano orbital contiene 4 satélites operativos más uno de reserva. El diseño de estas órbitas asegura que desde cualquier punto de la Tierra y en cualquier momento (cualquier día del año a cualquier hora) un receptor pueda recibir la señal de como mínimo cuatro satélites. GPS ofrece dos servicios mediante dos señales diferentes, un servicio de carácter civil y otro de carácter militar: – El servicio SPS (del inglés Standard Positioning Service, ‘servicio de posicionamiento estándar’) contiene la señal de uso civil. Se emite en abierto y cualquier receptor GPS puede utilizarlo. De hecho, es la señal que usan los receptores y navegadores GPS, que tan populares son hoy en día integrados en los teléfonos inteligentes o en los navegadores de los coches. – El servicio PPS (del inglés Precise Positioning Service, ‘servicio de posicionamiento preciso’) contiene la señal de uso militar. Está reservado al ejército y a la Administración de EE.UU. Cuando el sistema se puso en marcha en sus orígenes, se insertaban errores variables de tiempo a la señal civil (SPS) para crear imprecisión en los receptores de uso civil. La máxima precisión quedaba restringida de esta manera para ser obtenida por los receptores de uso militar. Cada satélite transmite dos señales de radio portadoras en la banda L moduladas con la técnica del espectro ensanchado (del inglés Spread Spectrum). Estas señales se conocen como L1 y L2: – L1 es una señal de frecuencia 1.575,42 MHz codificada con la clave C/A (del inglés course/acquisition). – L2 es una señal de frecuencia 1.227,6 MHz codificada con la clave P.

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El motivo por el cual se usan dos señales portadoras es para compensar los retrasos de propagación causados por el paso de las señales por la ionosfera. Dichos retrasos varían aproximadamente siguiendo el inverso de la frecuencia de la señal al cuadrado. Enviando dos señales con frecuencias diferentes, se consigue cuantificar el impacto de estos retrasos. Cabe decir también que ambas señales están codificadas con claves diferentes y, por lo tanto, se necesitan las dos claves para poder utilizar las dos señales. Por tanto, en los receptores de uso civil, como sólo se puede utilizar la señal L1, ya que es la portadora de la clave C/A, no se puedan corregir los errores provocados por la ionosfera al no poder utilizar la información contenida en la señal L2, teniendo por tanto la posición calculada menos precisión que los receptores de uso militar. Los receptores militares disponen de la clave P y pueden usar la señal L2 para minimizar la imprecisión provocada por la ionosfera. A la señal civil también le afecta la SA (del inglés selective availability, ‘disponibilidad selectiva’), que es una combinación de métodos para degradar la exactitud de la señal L1. Aunque esta degradación se desactivó en el mes de mayo del año 2000, el Gobierno americano todavía se reserva la opción de volver a activarla en periodos de tiempo en los que se vea amenazada la seguridad nacional de Estados Unidos. La exactitud de los servicios GPS es de 15 metros, a pesar de que con una disponibilidad de siete a nueve satélites se puede llegar a una precisión de 2,5 metros. Con el uso de la codificación P y la disponibilidad de la señal L2, que recordamos que sólo es de uso militar, se puede llegar a una precisión de 30 centímetros. Si la SA estuviera activada, la precisión sería variable y la escogería el Gobierno americano y podría ser, por ejemplo, de 100 metros en horizontal y 150 metros en vertical. Obviamente, con la poca precisión que se podía tener en los orígenes cuando la SA estaba activada no se hubieran podido desarrollar las aplicaciones actuales tan fiables basadas en las señales emitidas por los satélites GPS, ya que, con errores de más de 150 metros, el posicionamiento tiene muy poca precisión. Por poner un ejemplo de lo que podría significar esta baja precisión, un vehículo que circulara en un sentido de una autopista podría asociarse al otro carril de marcha o incluso a otra carretera cercana.

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3.1.2. El segmento terreno: las estaciones de control La red de estaciones de control del sistema GPS está compuesta por una red de estaciones distribuidas por la superficie del planeta. La estación principal MSC (del inglés Master Control Station) se encuentra en Colorado Springs, con una estación alternativa en Vandenberg (California), 12 antenas de control CCS (del inglés Command and Control Stations) y 16 estaciones de seguimiento RTS (del inglés Remote Tracking Station). El mapa de la siguiente figura muestra sus ubicaciones aproximadas. La posición de estas estaciones se ha calculado previamente con mucha precisión para utilizar este dato como referencia en el control de los satélites.

Figura 7. Segmento de control del sistema GPS. (Fuente: GPS.gov)

Las funciones principales de estas estaciones de control son: 1. Hacer un seguimiento continuo de la señal transmitida por los satélites para conocer su estado y predecir sus órbitas. El seguimiento se realiza con receptores GPS de doble frecuencia (L1 y L2) dotados de relojes atómicos de Cesio. Se adquieren datos meteorológicos locales para evaluar el retardo introducido en la señal cuando atraviesa la troposfera.

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2. Tres de las estaciones (Ascensión, Diego García y Kwajalein) disponen de sistemas de telemetría para transmitir datos a los satélites: nuevas efemérides, correcciones de reloj y controles de telemetría y otros datos útiles para el mantenimiento operativo del satélite. 3. La estación de Colorado Springs actúa como estación central. Recibe y procesa todos los datos de seguimiento del resto de las estaciones. Obtiene las efemérides y las correcciones de los relojes de los satélites. Cuando un satélite se aleja más de lo establecido de su órbita, la estación central se encarga de controlar las maniobras necesarias para la corrección de la órbita del satélite. Así mismo, es la encargada de controlar las maniobras necesarias para sustituir a los satélites que finalizan su tiempo de vida operativo por el nuevo satélite de recambio.

3.2. Órganos de gestión del sistema GPS En EE.UU. la Política Nacional del Espacio para los sistemas espaciales de posicionamiento, navegación y tiempo se gestiona a través de un conjunto de agencias y departamentos tal como se puede ver en la figura siguiente. En esta figura se muestran las relaciones jerárquicas existentes en dicha organización. El objetivo de la organización es mantener el liderazgo del sistema GPS como proveedor mundial de servicios GNSS. Para ello se promueven las siguientes líneas de acción: – Proveer de forma global a cualquier usuario civil de servicios GPS gratuitamente de forma continua. – Mantener la constelación de satélites y sus prestaciones, publicando sus prestaciones mínimas disponibles así como es-

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pecificaciones necesarias para utilizar las diferentes señales de navegación, posición y tiempo. – Utilizar servicios externos de PNT(Position, Navigation and Timing) para complementar los servicios GPS. – Fomentar la compatibilidad global y la interoperabilidad de otros sistemas GNSS con GPS. – Promocionar la transparencia en el suministro del servicio civil de GPS. – Posibilitar a la industria el acceso al mercado de aplicaciones GPS. – Apoyar las actividades internacionales para detectar y mitigar las interferencias perjudiciales del sistema GPS. – Mejoras en el servicio global para usos civiles, comerciales y científicos. – Proteger el espectro dedicado a las señales de navegación de cortes e interferencias.

Figura 8. Estructura del órgano de gestión de la política del sistema GPS en EE.UU. (Fuente: US Department of State, Space based PNT –Position Navigation and Timing)

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3.3. Cómo funciona el sistema GPS Como ya empezamos a ver en el apartado dedicado a la orientación vía satélite, si conseguimos medir la distancia a un conjunto de satélites, cuya posición es conocida, entonces podemos calcular la posición en la que nos encontramos. De esta forma podemos resumir los requisitos básicos para calcular la posición utilizando puntos de referencia, que en este caso serán los satélites de la constelación GPS: 1. Necesitamos disponer de un conjunto de satélites que constituyan nuestros puntos de referencia a los cuales mediremos la distancia desde nuestra posición. También será necesario que sepamos la posición exacta de cada satélite en cualquier instante de tiempo. 2. Necesitamos establecer un sistema de coordenadas con el cual establecer las posiciones de los satélites y la posición del receptor. 3. Necesitamos un sistema que nos permita medir las distancias del receptor a los satélites de la forma más precisa posible de tal forma que la posición que el receptor calcule sea lo más precisa posible. Para ello utilizaremos unas señales de radio de características muy especiales que transmitirán los satélites hacia la tierra.

3.3.1. Convertir tiempo en distancia De la misma forma que se explicó en el apartado “Orientación a través de ondas de radio”, en los sistemas basados en satélite se utiliza también el método de la triangularización para obtener la posición del receptor sobre la superficie de la Tierra. La diferencia es que la triangularización que antes hicimos en dos dimensiones,

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con círculos sobre la superficie de la Tierra, ahora la realizaremos en tres dimensiones y con esferas, considerando que el receptor se encuentra en la superficie de una esfera que es la Tierra y los satélites son el centro de las esferas cuyo radio, como veremos, es la distancia medida al satélite obtenida por el receptor GPS. “Teóricamente”, por trigonometría, sabemos que un punto en el espacio tridimensional se localiza con tres medidas (X, Y, Z), por tanto van a hacer falta tres satélites para determinar la latitud (Y), la longitud (X) y la altura (Z) del receptor sobre la superficie de la Tierra. Vamos a ver por qué decimos que es “teóricamente”. La distancia a la que estamos de una tormenta la estimamos contando los segundos que tarda en oírse el trueno después de verse el destello del relámpago. El número de segundos obtenido lo multiplicamos por 345 m/s, que es la velocidad del sonido en el aire, y así podemos estimar a qué distancia estamos de la tormenta. De la misma forma, para calcular la distancia del receptor GPS, situado en la superficie de la Tierra, hasta los satélites, en órbita alrededor de la Tierra, el receptor mide cuánto tiempo tarda una señal desde que se transmite desde el satélite hasta que llega al receptor. Una vez que determina el tiempo que ha empleado la señal en llegar al receptor sólo tiene que multiplicar el tiempo obtenido por la velocidad de la luz (que a efectos prácticos son 300.000 km/s) para conocer la distancia a la que se encuentra el receptor del satélite. Como ya hemos apuntado antes, se debe realizar este cálculo de distancia con tres satélites para poder situar el punto sobre la superficie de la Tierra. De la misma forma que en la tormenta el destello del relámpago era el origen de tiempos que utilizábamos para medir los segundos que empleaba la onda de sonido hasta llegar a nuestros oídos, en los sistemas de navegación por satélite nos hace falta una marca que nos indique el momento en el que la señal ha salido del satélite, si no tenemos dicha marca se genera una ambigüedad

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en la determinación del tiempo. Para solventar este problema, los ingenieros que diseñaron el sistema decidieron sincronizar los relojes de los satélites con los de los receptores generando en ese mismo instante una misma secuencia de códigos tanto en el satélite como en el receptor. De esta manera cuando el receptor reciba la señal proveniente del satélite, como vendrá retrasada debido a que ha tenido que recorrer una gran distancia (recordemos que los satélites se encuentran a unos 20.200 km de altura sobre la superficie de la Tierra) la secuencia de códigos llegará también retrasada en la misma cantidad de tiempo al receptor. El receptor, por tanto, tendrá que identificar con cuánto tiempo de retraso se inicia el código enviado por el satélite respecto del código generado en el mismo receptor. Esa diferencia de tiempo multiplicada por la velocidad de la luz nos permitirá conocer la distancia a la que el satélite se encuentra del receptor. Es importante indicar que la secuencia de códigos utilizada ha sido diseñada para que el receptor pueda identificar la secuencia de códigos en cualquier instante de tiempo y de forma inequívoca. A esa secuencia de código se la denomina código seudoaleatorio (del inglés Pseudo-random Code) y la misma secuencia se repite cada milisegundo. Un milisegundo puede parecer poco tiempo, pero en un milisegundo una señal de radio ha recorrido 300 km. El hecho de que “pequeños” errores en tiempo puedan generar un gran error en la medida de la distancia nos genera un problema adicional, como veremos en próximos apartados. ¿Qué implica a efectos prácticos para un receptor obtener una posición de precisión en tres dimensiones? Significa que el receptor debe realizar cuatro medidas de distancia para resolver la ambigüedad en la sincronización de los relojes del receptor y del satélite, es decir, debemos tener al menos cuatro satélites por encima del horizonte, y en consecuencia sobre nuestro receptor GPS para

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poder calcular la posición. Por su parte, el diseño electrónico del receptor ha de ser capaz de realizar el seguimiento simultáneo y constante de al menos cuatro satélites. En la actualidad, la tecnología utilizada en los receptores GPS permite el seguimiento (tracking en inglés) de más de 12 satélites. De esta forma, cuando uno de los satélites que está siendo seguido es ocultado por el horizonte, por una montaña o por una construcción, instantáneamente es reemplazado por otro que esté totalmente visible y en seguimiento. El tracking o seguimiento también consiste en recibir durante 30 segundos el mensaje de navegación que transmite periódicamente el satélite hacia tierra, y con cuyos datos se obtiene la posición del satélite en su órbita.

3.3.2. Cómo calcula el receptor GPS la distancia A efectos prácticos el receptor GPS recibe tres señales de radio la señal L1, a la frecuencia de radio de 1.575,42 MHz, con un mensaje adicional de navegación para usos civiles, comerciales y científicos, la señal L2, a la frecuencia de radio de 1.227,60 MHz. La señal L1 la transmiten todos los satélites y contiene el código C/A (del inglés coarse/adquisition) modulado a 1,023 MHz. Esta señal proporciona el servicio de posicionamiento y de tiempo SPS (del inglés Standard Positioning Service) disponible para usos civiles. Esta señal contiene también una señal modulada a 50 Hz que contiene la información de las efemérides y las correcciones por desviación de los relojes a bordo de los satélites. La señal L2 la transmiten también todos los satélites y contiene el código P (Precision Code) modulado a 10,23 MHz. Esta señal es de uso exclusivamente militar y proporciona el servicio de posicionamiento y tiempo PPS (del inglés Precise Positioning Service). Para poder utilizar esta señal hace falta disponer en el receptor de

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las claves criptográficas utilizadas en la codificación P que contiene la señal. El uso conjunto de las señales L1 y L2 en los receptores militares permite practicar correcciones sobre la señal recibida que permiten obtener medidas en las distancias de gran precisión. La figura siguiente muestra de forma simplificada el procesado de señal que ocurre en el interior de los receptores GPS para poder obtener como resultado la información contenida en las señales L1 y L2. Los círculos con el símbolo (X) significan que las señales entrantes se multiplican y los círculos con el símbolo (+), que las señales entrantes se suman.

Figura 9. Señales que procesa un receptor GPS para calcular la seudodistancia. (Fuente: Peter H. Dana, Departamento de Geografía de la Universidad de Texas)

3.4. Fuente de errores en la medida de la distancia Hasta ahora hemos ido describiendo las partes y métodos del sistema de posicionamiento GPS que hacen de su funcionamiento un mecanismo de relojería: – disponemos de cuatro relojes atómicos de gran precisión a bordo de cada uno de los satélites,

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– los satélites retransmiten cada minuto correcciones de sus posiciones orbitales – y se realiza una medida adicional a un cuarto satélite para compensar la falta de sincronización en el reloj del receptor GPS debido a que usamos relojes “baratos”. Aun con el uso de estos ingeniosos métodos y tecnologías para calcular la posición en la cual nos encontramos, existen diferentes fuentes de errores que se han de intentar mitigar para obtener una medida lo más precisa posible. La lista de fuentes de errores son las siguientes: – Errores en los relojes: - Errores en los relojes del satélite - Errores derivados de la teoría de la relatividad - Errores originados en el reloj del receptor GPS – Errores en las posiciones de los satélites en sus órbitas – Errores causados por la atmósfera - Errores añadidos cuando la señal traspasa la ionosfera - Errores añadidos cuando la señal traspasa la troposfera – Errores causados por el multitrayecto de las señales – Errores en el procesado de los datos en el mismo receptor – Errores por la distribución geométrica de los satélites en el cielo – Errores por la activación de la disponibilidad selectiva – Errores causados por la variación del centro de fase de la antena – Errores intencionados por señales interferentes Vamos a ver de qué forma se pueden mitigar o corregir estas fuentes de errores para que impacten menos en el error que se genera al calcular la posición en el receptor GPS.

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3.4.1. Errores en los relojes de los receptores Para construir los relojes se utilizan unos componentes denominados osciladores que generan una frecuencia muy estable a partir de la cual se obtiene la referencia de tiempo y las frecuencias de referencia utilizadas en las señales de radio generadas por el sistema. Comercialmente disponibles hay dos tipos de osciladores de precisión: los basados en las oscilaciones de un cristal de cuarzo, y los basados en osciladores atómicos. El oscilador que utiliza un cristal de cuarzo, basa su funcionamiento en la propiedad física de la piezoelectricidad. El origen de la oscilación reside en un disco de cuarzo que es estimulado por un campo eléctrico y provoca la generación de una oscilación eléctrica. El oscilador de cuarzo es el más común y barato de todos. Los osciladores atómicos se basan en el salto de un átomo entre diferentes niveles de energía. La transición entre los niveles de energía produce a su vez una señal de microondas a una frecuencia precisa y muy estable. Esta señal a través de un dispositivo electrónico de realimentación se utiliza para controlar un oscilador de cuarzo. Los osciladores atómicos habituales son los basados en la célula de vapor de rubidio, el tubo de haz de cesio y el máser de hidrógeno.

3.4.2. Errores en los relojes del satélite Los satélites GPS llevan a bordo cuatro relojes atómicos, dos de cesio y dos de rubidio. El error acumulado de estos relojes suele ser menor de 1 nanosegundo cada 3 horas. Un nanosegundo equivale a 0,000.000.001 segundos. Este error transmitido hasta los receptores GPS en Tierra daría lugar a un error en la medida de

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la distancia de 30 cm. Para evitar que esto ocurra, los cuatro relojes atómicos de los satélites son controlados desde la estación de control en Tierra y comparados con el reloj maestro de referencia, que es una combinación del tiempo proporcionado por un conjunto de diez relojes atómicos muy precisos. La estación de control selecciona continuamente uno de ellos como reloj maestro de cada satélite: el que provee una referencia de tiempo más estable. Por medio de una señal de telemetría enviada desde tierra se activa el reloj seleccionado como máster. El resultado de la comparación es la obtención de los errores y desfases de los relojes de cada satélite. Se mantienen sincronizados todos los relojes de todos los satélites dentro de un margen de 20 nanosegundos. Los datos de corrección se incluyen en el mensaje que el centro de control transmite a los satélites y que a su vez cada satélite retransmitirá hacia los receptores GPS. Los receptores GPS extraen la información del mensaje recibido y corrigen su propio reloj con los datos de los errores de la señal de tiempo que han recibido de cada satélite. El tiempo utilizado en el sistema GPS está sincronizado con el tiempo universal (del inglés UTC, Universal Time Coordinated, tiempo universal coordinado) dentro de un error menor de 100 nanosegundos.

3.4.3. Errores derivados de la teoría de la relatividad Es necesario comentar que los satélites GPS están afectados por dos efectos previstos por la teoría de la relatividad general y especial. Estos efectos son: – La suma de los efectos de la teoría general de la relatividad debidos a la diferencia media del campo gravitatorio entre el satélite y el receptor/usuario.

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– El efecto de la teoría especial de la relatividad debido a la velocidad relativa media entre el satélite y el receptor. Para compensar estos efectos relativísticos, la frecuencia de referencia de los relojes de los satélites en vez de ser 10.230.000 Hz es de 10.229.999,995.450 Hz

3.4.4. Errores originados en el reloj del receptor GPS Uno de los requisitos de diseño del sistema fue que el receptor GPS dispusiera de relojes estándares, ya que con relojes estándares se podía disminuir el coste del receptor, el tamaño, el peso y el consumo de energía, parámetros importantes para el diseño de equipos militares que debían ser transportados por soldados de infantería o integrados a bordo de misiles. Por tanto, los relojes de los receptores GPS disponen de osciladores de cristales muy simples y baratos para generar los sincronismos de tiempo. No obstante, este requisito ocasiona un coste extra de tiempo de cálculo en el receptor, como vamos a razonar a continuación. Los osciladores de cristal pueden generar un desfase temporal de algunos microsegundos (0,000001 s) cada segundo, lo que puede equivaler a más de 0,08 segundos al día, y no son ni mucho menos tan precisos como los relojes atómicos de rubidio y cesio que están a bordo de los satélites, que, dicho sea de paso, son los relojes más precisos fabricados por el hombre hasta la fecha. Este desfase en los osciladores se produce, entre algunas de sus causas, por la misma naturaleza del cristal, la temperatura, la presión y la humedad ambiente. Por ello es de vital importancia asegurarse de que los relojes del satélite y del receptor estén realmente sincronizados en el instante en el que se realice la comparación de la secuencia de códigos.

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La solución encontrada por los ingenieros del sistema GPS fue tan simple como utilizar la medida de un cuarto satélite para poder sincronizar el reloj del receptor. Con esta medida adicional se eliminaba el desfase o ambigüedad temporal, siempre y cuando este desfase fuera constante y sistemático en el tiempo. En general, la tecnología de fabricación de osciladores de cristal consigue que el error de los osciladores utilizados en los receptores GPS comerciales sea aproximadamente una función lineal del tiempo. Visto desde el punto de vista del álgebra, la resolución de la posición que constituyen cuatro incógnitas: latitud (Y), longitud (X), altura (Z) y tiempo (t), requiere establecer y resolver un sistema de cuatro ecuaciones. Con los datos que obtenemos midiendo la distancia a cada unos de los cuatro satélites establecemos las necesarias cuatro ecuaciones.

3.4.5. Errores en las posiciones de los satélites en sus órbitas Al igual que la Luna, los movimientos de los satélites están regidos por los conceptos establecidos por la mecánica celeste. Con el lanzamiento y puesta en órbita de cada satélite GPS, se sitúa a cada satélite en una órbita precisa y determinada, según los cálculos previamente realizados para la constelación GPS por el departamento encargado del control de la misión. Así, la órbita de cada uno de los satélites se puede predecir con anterioridad. La red de estaciones de control distribuidas estratégicamente por toda la Tierra realiza continuamente el seguimiento de las órbitas de cada satélite. Como cada satélite completa una vuelta completa en unas 12 horas, pasa dos veces cada día por encima de una estación de control, esto permite realizar una medida de la alti-

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tud, de la posición en la órbita y de la velocidad cada 12 horas. Comparando las medidas realizadas con el cálculo de la órbita prevista se obtienen las desviaciones u errores de efemérides. El motivo por el cual se originan estas desviaciones respecto de la trayectoria prevista hay que buscarlas en la influencia del campo gravitatorio de la Luna y el Sol, así como en la presión de la radiación solar sobre la superficie del satélite y de sus paneles solares desplegados. Una vez que la estación de control ha medido las desviaciones respecto de la órbita prevista y genera las correcciones en los datos de la órbita, transmite la información a cada satélite para que a su vez dicha información sea transmitida hacia los receptores GPS situados en la Tierra. Por tanto y resumiendo, los satélites GPS transmiten dos tipos de mensajes, el código seudoaleatorio a efectos de sincronización de los relojes, y el mensaje de navegación que contiene información de su posición además de información de su estado de funcionamiento a efectos de que el receptor pueda determinar la posición exacta del satélite en la órbita.

3.4.6. Errores causados por la atmósfera Como ya hemos visto, para calcular la distancia al satélite medimos el tiempo que ha empleado la señal transmitida por el satélite en llegar al receptor para después multiplicar dicho tiempo obtenido por la velocidad de la luz. El problema es que la velocidad de la luz varía en función de las condiciones de la atmósfera. A continuación vamos a ver las dos causas principales que alteran la velocidad de la luz en la atmósfera.

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3.4.6.1. Errores añadidos cuando la señal traspasa la ionosfera La parte más elevada de la atmósfera es la ionosfera. La ionosfera ocupa una capa de la atmósfera que la podemos situar entre los 50 y los 1.000 km de altura respecto de la superficie de la Tierra. La radiación ultravioleta procedente del Sol al alcanzar esta parte de la atmósfera ioniza una parte de las moléculas de gas presentes en dicha zona liberando electrones, que pasan a formar parte de una especie de nube electrónica que se extiende por toda la ionosfera. Las señales GPS, como cualquier onda electromagnética, al propagarse por un medio ionizado, se ven afectadas por la característica dispersión no lineal que provoca dicha concentración de electrones en la ionosfera enlenteciendo la velocidad de la luz. El efecto de la ionosfera sobre el error en la medida de la distancia puede variar en función de las condiciones presentes en la ionosfera: – desde 150 m, en los períodos de máxima insolación, en el mediodía o cuando los satélites están cerca del horizonte, momento en el cual la señal emitida atraviesa transversalmente la ionosfera – hasta 5 m, en períodos de baja insolación, a medianoche o cuando el satélite está en el cenit del receptor. El efecto de la ionosfera sobre las ondas electromagnéticas depende de la frecuencia de la señal, y lo hace de forma inversamente proporcional al cuadrado de la frecuencia. Por ello el uso en el sistema GPS de dos frecuencias, L1 y L2, permite comparar las medidas realizadas sobre las dos frecuencias para estimar el efecto causado en el mismo instante en las dos señales por la ionosfera.

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La corrección que se desprende del uso del método de las dos frecuencias elimina la mayor parte de los errores introducidos sobre las señales por la ionosfera en las medidas de código y de fase. No obstante estas medidas correctoras, persisten errores residuales en las medidas, que pueden afectar al uso del GPS en algunas aplicaciones de precisión, sobre todo cuando las mediciones se realizan durante las horas de máxima insolación posteriores al mediodía o durante un máximo de actividad solar. No todos los receptores GPS son de doble frecuencia, para aquellos que son monofrecuencia las correcciones las tienen que realizar utilizando modelos de comportamiento de la ionosfera cuyos parámetros son medidos por las estaciones de control y transmitidos por el sistema GPS. Dichos datos se integran dentro del mensaje de navegación.

3.4.6.2. Errores añadidos cuando la señal traspasa la troposfera La parte más baja de la atmósfera se denomina troposfera. La troposfera se extiende hasta 50 km de altura, aunque la zona que más afecta a la señal GPS llega hasta los 16 km de altura. A diferencia de la ionosfera, la troposfera no dispersa las señales cuyas frecuencias están por debajo de 30 G hercios. A efectos de las señales GPS la refracción en la troposfera es independiente de la frecuencia, por lo que el uso de dos frecuencias no permite eliminar la dispersión añadida por el paso de la señal a través de la troposfera. La única forma de eliminar los efectos de la troposfera es realizando medidas locales, en el lugar donde se ubique cada receptor de GPS, de la altura a la que nos encontramos, del ángulo de elevación con el que llega la señal al receptor, el contenido de vapor de agua del aire, la temperatura y la presión atmosférica para

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aplicar después con esos datos modelos matemáticos que permitan calcular el retardo introducido por la ionosfera. Con los modelos actuales se pueden reducir hasta en un 95% los efectos de la troposfera, que contribuyen al error de la medida de la distancia al satélite hasta unos 3,5 cm. Como veremos más adelante, para observaciones de precisión entre dos receptores GPS cercanos, denominado GPS diferencial, es muy importante conocer las condiciones de la troposfera en ambas ubicaciones para aplicar los modelos matemáticos correctores de forma adecuada.

4.4.7. Errores causados por el multitrayecto de las señales En la medida de la distancia del receptor GPS a cada satélite hemos considerado que la señal transmitida por el satélite llega directamente a la antena del receptor, pero esto no es completamente cierto. Junto a la señal directa que recibe el receptor hay que añadir la contribución de señales que llegan de forma indirecta a la antena del receptor GPS, ya sea reflejadas en el paisaje cercano o en los objetos próximos a la antena y que se suman a la señal directa bien para disminuirla (suma en contratase) o bien para incrementarla (suma en fase). La señal compuesta resultante crea incertidumbre en el momento de determinar el verdadero instante de tiempo en el que llega la señal del satélite al receptor. El fenómeno anterior se denomina multitrayecto y ocurre cuando una misma señal transmitida por el satélite llega al receptor siguiendo dos trayectos diferentes. El multitrayecto es muy difícil de evitar, sobre todo en equipos móviles, pero puede mitigarse en estaciones fijas con diseños de antenas realizados específicamente para cada aplicación y que

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tengan como características el que conformen el diagrama de recepción de la antena restringiéndolo al hemisferio superior, que utilicen diferentes tecnologías de construcción de antenas y que incluyan un plano de tierra con el adecuado tamaño y forma. Hay dos técnicas que ayudan a atenuar el efecto del multitrayecto, las técnicas de procesado de señal y los planos de tierra del tipo choke ring – Procesado de señal Si la señal reflejada ha recorrido a una distancia mayor de 10 metros respecto de la señal directa, el denominado “multitrayecto lejano”, utilizando técnicas de procesado de señal se puede discriminar entre la señal correcta y la interferente. En cambio, si la diferencia de recorrido de las señales es menor de varios metros, el denominado “multitrayecto cercano”, la eliminación de la señal proveniente del multitrayecto, con estas mismas técnicas de procesado de la señal, elimina parte de la señal directa empeorándose la relación entre señal y ruido de la señal directa recibida. – Plano de tierra choke ring Un plano de tierra del tipo choke ring consiste en una base metálica circular sobre la que se montan concéntricamente paredes cilíndricas, también metálicas, de grosor y altura específicamente determinados para que actúen como trampa de las señales que lleguen a la antena con un cierto ángulo de elevación. Los choke ring se diseñan para una o para dos frecuencias (L1 y/o L2). Las antenas choke ring son especialmente útiles para atenuar las señales reflejadas desde debajo de la antena, por ejemplo, antenas GPS que tienen debajo grandes superficies de terreno desértico o montañoso, o el mar. El tipo de multitrayecto que producen estas superficies es del tipo multitrayecto cercano.

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Para tener un orden de magnitud, el multitrayecto puede provocar un error de hasta varios metros en el código de fase y de hasta varios centímetros en la fase de la portadora.

3.4.8. Errores en el procesado de los datos en el mismo receptor Los propios receptores pueden introducir errores en la medida del código o de la fase de la portadora, aunque en receptores de gama alta estos errores pueden ser despreciables. Por ejemplo, menos de un milímetro en la medida de la fase y algunos centímetros en la medida del código son errores despreciables. Se dan también posibles errores en el redondeo de operaciones matemáticas o interferencias eléctricas que pueden causar resultados erróneos en el código seudoaleatorio obtenido. Estos errores habitualmente son o muy grandes o muy pequeños. Detectar los grandes errores suele ser más fácil, ya que son errores obvios, que detectar pequeñas desviaciones de cálculo. Así estos pequeños errores pueden generar una incertidumbre de algunos metros en cada medida que se realice. Son habituales errores en el receptor de hasta 10 cm para el código de la fase y de alrededor de 1 mm para la fase de la portadora.

3.4.9. Errores por la distribución geométrica de los satélites en el cielo Hemos visto que los errores en la medida de la distancia del receptor GPS al satélite son claves para la precisión del cálculo de la posición. ¿Pero en qué medida influye este error en la distancia en la precisión de la posición? O dicho de otra forma, un error

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de un metro en la determinación de la distancia al satélite ¿cuántos metros de error introduce en la posición calculada? La respuesta está en el número de satélites utilizados para calcular la posición y su distribución geométrica en la bóveda celeste. El término habitual para designar la precisión de la medida GPS es el UERE (del inglés User Equivalent Range Error) que representa el error resultante de combinar las incertidumbres en las efemérides, los errores de propagación de la señal, los errores en los relojes y en la sincronización y la figura de ruido del receptor. La forma en la que se distribuyen los satélites en la bóveda celeste durante el cálculo de la posición por el receptor GPS se denomina factor de dilución de la precisión DOP (del inglés Dilution of Precision), que es la relación entre la precisión del posicionamiento en una coordenada y la precisión en la medida de la distancia al satélite. El número resultante indica la calidad del conjunto de satélites escogido para calcular la posición y cuanto menor sea menor será el error cometido en su cálculo. Como sabemos, los satélites están en continuo movimiento en sus órbitas, y su distribución en la bóveda celeste es diferente en función del punto de la superficie de la tierra desde donde se observen, por este motivo el valor del DOP para un mismo emplazamiento varía continuamente y es un indicador de la “calidad” de los satélites disponibles para calcular la posición de dicho emplazamiento. La mejor distribución posible de cuatro satélites para calcular la posición sería disponer de un satélite en el cenit del receptor y los tres satélites restantes ligeramente por encima del horizonte y separados por una distancia angular de 120 grados. Esta distribución daría un valor de DOP muy bajo. En cambio, cuatro satélites, muy próximos entre sí y formando un enjambre, darían un valor de DOP muy elevado, por lo que se desaconsejan para calcular con ellos una posición con precisión.

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Hay diferentes tipos de DOP, en función de las coordenadas escogidas para evaluar la precisión en su cálculo. Aunque no vamos a entrar en más detalles, sólo debemos recordar que el concepto es el mismo que el explicado anteriormente y que el factor obtenido debe ser lo más pequeño posible si los satélites escogidos son los apropiados para el cálculo de la posición. De esta forma, las DOP más usuales que se consideran son: – VDOP, dilución de la precisión de la altura – HDOP, dilución de la precisión del posicionamiento 2D – PDOP, dilución de la precisión del posicionamiento 3D – TDOP, dilución de la precisión en el tiempo

Figura 10. Cuando en el año 2020 estén disponibles las 4 constelaciones globales de GNSS (GPS, GLONASS, GALILEO y COMPASS) totalmente compatibles (interoperables) se podrá mejorar la exactitud del posicionamiento debido a un mejor parámetro PDOP (position dilution of precision). (Fuente: CAE-NAE GNSS Workshop May 2011)

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– HTDOP, dilución del posicionamiento 2D y el tiempo – GDOP, dilución del posicionamiento 3D y el tiempo o dilución geométrica

3.4.10. Errores por la activación de la disponibilidad selectiva Uno de los requisitos en el diseño del sistema GPS fue el de que debía ser utilizado para defender los intereses del Gobierno de EE.UU. Por ese motivo en su concepción se tuvo presente el disponer de una combinación de métodos para degradar el grado de precisión con el que un usuario del servicio abierto de GPS (señal L1) podría posicionarse. De esta forma se diseño la disponibilidad selectiva (de sus siglas en inglés S/A, selective availability). La forma de llevar a cabo esta degradación es mediante la modificación del código seudoaleatorio utilizado para decodificar la señal civil L1, la manipulación de los relojes de los satélites y modificando los datos actualizados de la posición en su órbita de los satélites, las denominadas efemérides. Evidentemente los receptores GPS militares son inmunes a estas degradaciones ya que disponen de electrónica especial y de códigos reservados que compensan las degradaciones introducidas intencionadamente. Aunque esta degradación se desactivó el 1 de mayo del año 2000, el Gobierno americano todavía se reserva la opción de volver a activarla en periodos de tiempo en los que se vea amenazada la seguridad nacional de Estados Unidos. La exactitud de los servicios GPS es de 15 metros, a pesar de que con una disponibilidad de siete a nueve satélites se puede llegar a una exactitud de 2,5 metros. Con el uso de la codificación P y la disponibilidad de la señal L2, que recordamos que sólo es de uso militar, se puede llegar a una precisión de 30 centímetros.

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Si la S/A estuviera activada, la precisión sería variable y la escogería el Gobierno americano y podría ser, por ejemplo, de 100 metros en horizontal y 150 metros en vertical. El centro de control puede cambiar el código P utilizado en la señal militar L2 en cualquier momento para dotar de más seguridad al sistema. Obviamente, con la poca precisión que se podía tener en los orígenes del sistema GPS, cuando la S/A estaba activada, no se hubieran podido desarrollar las aplicaciones actuales tan fiables basadas en las señales emitidas por los satélites GPS, ya que, con errores de más de 150 metros, el posicionamiento tiene muy poca precisión. Por poner un ejemplo de lo que podría significar disponer de un posicionamiento con baja precisión, un vehículo que circulara en un sentido de una autopista podría asociarse al otro carril de marcha o incluso a otra carretera cercana.

3.4.11. Errores causados por la variación del centro de fase de la antena El “centro de fases” de una antena GPS es el “punto” donde se realiza el cálculo de la posición. Para determinar las coordenadas de dicho punto se desplaza eléctricamente el centro de fases de la antena para hacerlo coincidir con dicho “punto” de cálculo. Habitualmente el “centro físico” de la antena está situado exactamente por encima de dicho “punto” y se puede medir con precisión la distancia vertical que separa al punto de posición del centro físico. Esta diferencia vertical se tendrá en cuenta cuando se calculen las coordenadas definitivas de la posición. En las antenas diseñadas para aplicaciones de precisión se hace coincidir el centro de fases con el centro físico de la antena.

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Ocurre que el centro de fases de una antena puede desplazarse unos milímetros según se mueven los satélites en su órbita y esto causa un error equivalente al desajuste. Las antenas de precisión se diseñan para que su centro de fases sea estable y se desplace de forma determinística en función de la posición de los satélites en su órbita.

3.4.12. Errores intencionados causados por señales interferentes El funcionamiento de un receptor GPS puede ver alterado o incluso bloqueado su funcionamiento en presencia de señales próximas a las frecuencias L1 y L2. Las señales que afectan directamente a dichas señales se denominan interferencias dentro de la banda (del inglés in-band interferences) y las señales que afectan a bandas adyacentes se denominan interferencias fuera de la banda (del inglés out-band interferences). La mayoría de los receptores pueden filtrar las interferencias fuera de la banda pero sólo los más sofisticados pueden eliminar las interferencias dentro de la banda. Estas interferencias pueden ser casuales y temporales o pueden ser intencionadas para degradar local o regionalmente la precisión de los receptores GPS presentes en la zona para sabotear a los usuarios de los sevicios GNSS. En los últimos años se ha detectado la falsificación intencionada de las señales GNSS con fines militares, que se denomina «spoofing». La ocupación del espectro electromagnético se previó que sería un inconveniente para el desarrollo a nivel mundial del sistema GPS. Por una parte podía ser complicado obtener las autorizaciones para operar el sistema en muchos países y por otra parte las interferencias intencionadas para degradar las señales, deno-

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minadas jamming, preocupaban a los militares ya que esto podía afectar gravemente el cálculo de la posición de sus receptores. Por este motivo se recurrió al uso de las comunicaciones de espectro ensanchado (del inglés Spread Spectrum) para resolver ambos problemas. Dichas comunicaciones ya se empezaron a utilizar previamente en sistemas experimentales de posicionamiento y los resultados eran muy prometedores. La técnica del espectro ensanchado consiste en distribuir una señal de banda estrecha que contiene la información sobre un ancho de banda mucho mayor habiendo sido previamente modulada con ruido seudoaleatorio. De esta forma se puede compartir la misma región del espectro electromagnético con otros usuarios simultáneamente sin interferirse, combatir las interferencias, ser inmune al jamming, y asegurar la seguridad de las comunicaciones ya que la decodificación del mensaje sólo es posible si se dispone de la misma forma de onda con la cual se moduló en su origen la señal. Para aplicaciones de posicionamiento, las técnicas de espectro ensanchado también permiten unas medidas de distancia más precisas. El método de ensanchamiento de señal que utiliza el sistema GPS se denomina ensanchamiento directo de secuencia (del inglés direct sequence spreading) y utiliza código de ruido seudoaleatorio y modulaciones binarias bifásicas. Otra de las ventajas del uso de la técnica de espectro ensanchado con el código seudoaleatorio es que todos los satélites del sistema pueden utilizar las mismas frecuencias sin interferirse mutuamente utilizando cada uno de ellos un código seudoaleatorio diferente. Además, como todas las transmisiones son de baja potencia, no domina la transmisión de ningún satélite sobre los otros.

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3.5. Aumentar la precisión en el posicionamiento: el GPS diferencial Con la constelación actual de satélites GPS, aunque ya no está activa la disponibilidad selectiva, la precisión que se puede obtener en el posicionamiento es de 15 a 20 metros. Dicha precisión no es suficiente para muchas aplicaciones civiles. Desde los inicios del sistema GPS se han desarrollado métodos para conseguir disminuir los errores en las medidas de las distancias a los satélites y así aumentar la precisión en el cálculo de la posición. En este contexto es como se desarrolló la técnica denominada GPS diferencial (del inglés DGPS, Differential GPS) que se va a describir a continuación. Imaginemos que queremos realizar unas medidas de precisión en una zona acotada de un territorio determinado, una parcela de 10.000 m x 10.000 m, y disponemos de tres receptores GPS. Si en un punto determinado de dicho territorio, cuya posición se conoce con precisión, instalamos, durante el tiempo que realicemos las medidas, uno de dichos receptores GPS, los datos que adquiera de los satélites se pueden analizar para cuantificar los errores que estos datos contienen debido a errores en los relojes de los satélites, a los errores de posicionamiento de los satélites en su órbita, los retardos introducidos por la ionosfera y por la troposfera. Con todos esos errores cuantificados se puede confeccionar un conjunto de correcciones que los otros dos receptores GPS, que se han instalado también en la vecindad del receptor de referencia (pongamos por caso a menos de 300 m), pueden recibir vía un radioenlace de datos dichas correcciones e introducirlas en sus cálculos de la posición, compensando los errores y mejorando la precisión de su medida. Esto puede ser así ya que en distancias próximas al receptor GPS de referencia, los satélites son vistos por los receptores móviles

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con prácticamente los mismos parámetros de elevación y distancia al satélite y las señales recibidas de los satélites recorren aproximadamente las mismas distancias y atraviesan las mismas zonas de ionosfera y troposfera. Esta técnica de trabajo se denomina GPS diferencial. Al receptor GPS ubicado en la posición conocida se lo denomina “receptor de base o de referencia” y a los otros receptores GPS, “receptores móviles” y se van instalando de forma temporal en los diferentes puntos que se quieren medir y cuya posición se desconoce. A la distancia que separa a la estación base de los receptores móviles se la denomina “línea de base”. Cuando la línea de base es pequeña, es decir, los receptores están próximos, los errores en las medidas de los dos receptores son prácticamente idénticos. Según se incrementa la línea de base los errores también se incrementan. De tal forma que en el cálculo de la posición del receptor móvil aparecen unos errores residuales debidos al aumento de la línea de base. Debido a que los satélites cambian su posición y el desfase de su reloj constantemente y las condiciones de la atmósfera también varían con el tiempo, las correcciones obtenidas por la estación base también cambian rápidamente con el tiempo, dicho de otra forma, los datos obtenidos caducan, por este motivo, la estación base debe volver a recibir las señales de los satélites y recalcular las correcciones para volverlas a enviar de nuevo a los receptores móviles. A nivel de referencia si utilizamos receptores de doble frecuencia (L1 y L2), el error calculado en los receptores móviles se incrementa en 1 mm por cada kilómetro adicional en la línea de base. Para receptores monofrecuencia (L1) el error es el doble. El GPS diferencial compensa la mayoría de los errores a excepción del multitrayecto y de los errores propios del receptor.

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Originalmente se denominó DGPS al GPS diferencial obtenido con el código de la fase y al obtenido con la fase de la portadora CPD (del inglés Carrier Phase Differential, diferencial de la fase de la portadora). Cuando el CPD se realiza en tiempo real se lo denomina RTK (del inglés Real-Time Kinematic). El GPS diferencial realizado con el código de la fase (el DGPS) proporciona cálculos de la posición menos precisos aunque de forma instantánea. Por el contrario, el GPS diferencial RTK, al utilizar la fase de la portadora, requiere de unos minutos iniciales para realizar el seguimiento de los satélites visibles y mantener ese seguimiento mientras duran las medidas. En compensación las medidas son mucho más precisas que con el DGPS. La precisión con DGPS el del orden del metro, mientras que la precisión con RTK es del orden de milímetros.

3.6. El sistema de coordenadas que utiliza el sistema GPS El empleo de sistemas de posicionamiento globales basados en satélite, como es el GPS, requiere disponer de un sistema de coordenadas universal al que se permita referir las coordenadas obtenidas por los receptores GPS. Esto requiere lo que se denomina un datum universal, que cubra toda la superficie de la Tierra y evite el uso de los datums locales que cada país o región dispone para sus bases cartográficas. Por este motivo se creó el sistema WGS (del inglés World Geodetic System, sistema geodésico mundial) en su versión 84. Este sistema está bajo responsabilidad de la agencia norteamericana National Imagery Agency (NIMA). El marco de referencia del sistema WGS84 lo establecen el conjunto de estaciones del segmen-

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to de control del sistema GPS y de algunas estaciones de la misma agencia NIMA.

En España, desde el 27 de julio de 2007 se adoptó el sistema europeo ETRS89 (del inglés European Terrestrial Reference System 1989, sistema de referencia terrestre europeo) como el sistema de referencia geodésico oficial para la georreferenciación geográfica en el ámbito de la Península ibérica y de las islas Baleares. Este sistema es una realización del marco de referencia terrestre internacional (del inglés ITRF, International Terrestrial Reference Frame) y tiene asociado el elipsoide GRS80 (del inglés Geodetic Reference System 1980, sistema de referencia geodésico). Este sistema de referencia para la representación geográfica de la tierra, denominado datum, es el que utiliza la mayoría de los países europeos y su principal ventaja es que no es necesario realizar transformaciones desde los datos capturados por un GPS, ya que es prácticamente equivalente al datum internacional proporcionado por WGS84. WGS84 y ETRS89 son equivalentes para la gran mayoría de las aplicaciones topográficas o cartográficas. El primero está basado en el elipsoide del mismo nombre, WGS84, mientras que el segundo lo está sobre el GRS80 (Geodetic Reference System 1980), que adoptó la Asociación Internacional de Geodesia en 1979. Ambos elipsoides son idénticos excepto en la excentricidad, en la cual difieren ligeramente. ETRS89 es el sistema de referencia geocéntrico oficial en Europa, de precisión mucho más elevada que la última solución WGS84. (Fuente: Introducción a los sistemas de información geográfica y geotelemática, Ed. UOC)

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69 Otros sistemas de navegación por satélite

Capítulo IV

Otros sistemas de navegación por satélite

4.1. El sistema europeo GALILEO 4.1.1. El Plan de Radionavegación por satélite Europeo La Comisión Europea (CE) publicó en febrero de 1999 una comunicación [Ref. 1] en la cual se definía la estrategia europea para el desarrollo de la próxima generación de un sistema global de navegación por satélite (GNSS) europeo. En dicha comunicación el mensaje central fue que Europa debía plantearse el desarrollo de una constelación de satélites de órbita media (MEO), combinado con la necesaria infraestructura terrestre, para dar servicio de posicionamiento y navegación a usuarios civiles. El sistema llevaría el nombre de Galileo, debería tener cobertura global y ser independiente del sistema americano GPS (Global Positioning System, ver capítulo III) aunque completamente interoperable con él. La Comisión Europea asumiría la responsabilidad política y los requisitos de alto nivel del programa mientras que la ESA (Agencia Espacial Europea) se encargaría de la definición, desarrollo, validación y puesta en operación del segmento espacial y del segmento terreno.

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Galileo aprovecharía el “estado del arte” en todas las tecnologías aplicables y permitiría el desarrollo de nuevas aplicaciones, impracticables con el sistema GPS, gracias a que superaría las limitaciones del sistema GPS con respecto a – la baja disponibilidad en áreas urbanas, GPS cubre actualmente el 50%, – la baja disponibilidad del GPS en latitudes mas allá de 70º, – la discontinuidad del servicio GPS de forma temporal e imprevisible en cualquier lugar del planeta, – el hecho de que el control del sistema GPS depende de intereses militares. Por el contrario, Galileo ofrecería las características siguientes: – Cubrirá el 95% de las áreas urbanas. – La disponibilidad de la señal estaría garantizada, pudiendo utilizarse en aplicaciones y negocios donde esta característica es crítica. – Ofrecería una señal de integridad, con ella el usuario podrá saber si la señal que recibe es correcta. – Sería un sistema civil y controlado por un organismo civil. Más tarde y como resultado de la Comisión del Transporte que tuvo lugar en junio de 1999, se propuso a la Comisión Europea que pusiera a punto una organización capaz de gestionar la fase de definición del proyecto Galileo, así se creó la GJU (Galileo Joint Undertaking) actualmente denominada GSA (European GNSS Supervisory Authority). La primera versión del documento técnico en el cual se definía la misión del sistema Galileo (High Level mission Definition - HLD), así como los servicios asociados, se produjo a principios de 2001. Esto dio lugar a debates y discusiones entre los países miembros y entre los grupos de usuarios del sistema, que dio

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como resultado una segunda versión del HLD en abril del mismo año. La última versión, fruto de perfeccionamientos en los conceptos tecnológicos utilizados en el sistema, de foros especializados y de la decisión del Consejo, estuvo disponible en junio de 2002. En la Comisión del Transporte, el 26 de marzo de 2002, se definieron las directrices de la organización que gestionaría la siguiente fase de Galileo, la fase de desarrollo. Dicha organización estaría compuesta de las siguientes entidades: – La Joint Undertaking (JU), también conocida por Galileo Joint Undertaking (GJU), formada por la CE (Comisión Europea) y la Agencia Espacial Europea, que sería la entidad que gestionaría el programa al completo. – Una comisión de vigilancia, formada por representantes de todos los países miembros, que supervisaría a la GJU. – Y un comité que se haría cargo de los temas relacionados con la seguridad del sistema, el Galileo Security Board (GSB), y también de la aprobación de la normativa interna de seguridad de la GJU.

Figura 11. Estructura de gestión del proyecto Galileo. (Fuente: GSA)

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4.1.2. Alcance del proyecto El proyecto Galileo tiene una gran repercusión tanto en Europa como fuera de Europa. En el ámbito europeo el interés en el sistema Galileo es múltiple: – Desde el punto de vista político enfatiza la soberanía e independencia de Europa para tomar sus propias decisiones en el ámbito de la navegación por satélite. Asimismo establece y define una política industrial muy precisa y específica para este proyecto. – Desde el punto de vista económico, Galileo se aprovecha de la existencia de un mercado global de sistemas de navegación por satélite ávido de un sistema con las características de Galileo. La existencia de Galileo va a generar una gran cantidad de empleos directos e indirectos ya desde la fase de definición del sistema. Y por último los sistemas de navegación por satélite se van a constituir como la herramienta que mejorará los rendimientos de la industria del transporte de bienes, de pasajeros y de uso privado. – Desde un punto de vista tecnológico, Galileo significará el mantenimiento del liderazgo tecnológico de la industria europea, ya que hará frente a los desarrollos necesarios para construir Galileo con tecnología europea. Galileo también dinamizará la sinergia entre las diversas tecnologías empleadas en el desarrollo del sistema. – Por último y no menos importante, el impacto social de Galileo que, sin ser exhaustivos, podemos resumir en la aparición de nuevos y mejores servicios para el ciudadano, la mejora de los sistemas de seguridad empleados en el transporte y el impacto medioambiental. Esto supondrá mejorar la eficiencia de procesos, que en la actualidad precisan para

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su ejecución, bien del conocimiento de su posición, bien de ayudas para la navegación.

4.1.3. Cooperación internacional Galileo es un sistema de ámbito global que maximiza sus beneficios haciendo de la cooperación internacional una parte fundamental del desarrollo del proyecto. Esta cooperación puede ayudar a reforzar el know-how y a minimizar los riesgos tecnológicos y políticos que el proyecto lleva asociados. La cooperación incluye a los dos países que actualmente operan sistemas GNSS: la Federación Rusa y EE.UU. Desde el momento en que la CE tomó la decisión de lanzar el programa Galileo, muchos países han mostrado su interés por participar en el programa de una forma u otra. El objetivo de la CE es colaborar con todos aquellos países que compartan su visión de disponer de un sistema civil de navegación global por satélite con altas prestaciones, fiable y seguro. De esta forma se han firmado acuerdos de colaboración con China (30/10/2003), con Israel (13/07/2004), Ucrania, India, Marruecos, Corea del Sur (9/9/2006), Noruega (22/09/2010). Y están en vías de negociación acuerdos con Argentina, Suiza, Canadá, Brasil y Arabia Saudita. Asimismo, se han resuelto los problemas técnicos que van a garantizar la interoperabilidad y compatibilidad con el GPS, (acuerdo firmado con EE.UU. el 26/06/2004), de tal forma que con un solo receptor se puedan recibir y procesar los dos tipos de señales. También los sistemas indios IRNSS y GAGAN serán compatibles con Galileo y EGNOS. Están en negociación la forma en que van a ser compatibles con los sistemas europeos tanto el sistema ruso GLONASS como el japonés QZSS.

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Otros países y regiones han colaborado ya con el programa Galileo en los apartados de definición del sistema, investigación tecnológica y cooperación industrial, entre ellos, Latinoamérica y África.

4.1.4. Participación del sector privado Se espera que el proyecto Galileo genere un gran mercado de equipos y servicios en el sector privado. El modelo de negocio utilizado en Galileo permite ofrecer un valor añadido a los usuarios para que paguen por recibir un servicio de navegación y posicionamiento de mayor calidad y a la vez mantener a los usuarios del servicio abierto y gratuito para que prefieran disponer de un receptor GNSS con mejor cobertura y fiabilidad que disponga simultáneamente de las señales de GPS y de Galileo. En EE.UU. el mercado de tecnología GNSS y sus aplicaciones está en plena expansión. Simultáneamente, en otras regiones del planeta están ahora previendo un gran crecimiento para este sector. Galileo acelerará la aceptación e integración de los sistemas basados en GNSS como una herramienta más en muchos y diferentes sectores de actividad. Aplicaciones críticas y de seguridad se van a ver potenciadas con la mayor precisión y los mensajes de integridad previstos en Galileo. La mayor disponibilidad de las señales de navegación, ahora también en interiores de edificios y en cañones urbanos, va a hacer más atractiva la utilización de esta tecnología en multitud de innovadoras aplicaciones que aún ni siquiera se han imaginado, pero que sin duda van a ser generadas por grupos de emprendedores atraídos por desarrollar aplicaciones basadas en los sistemas GNSS.

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La implicación del sector privado en el programa Galileo ha sido clave para: – Dar una orientación comercial al proyecto, con el objetivo de generar beneficios. – Realizar una gestión eficiente del programa. – Obtener parte de la financiación necesaria para llevar a cabo el programa. Los actores que han puesto en marcha Galileo son: – La ESA (Agencia Espacial Europea) – Inicialmente la GJU (Galileo Joint Undertaking) actualmente denominada GSA (European GNSS Supervisory Authority) – La GOC (Galileo Operating Company) Vamos a describir la misión que tendrán cada uno de ellos. La ESA es el responsable técnico del desarrollo y puesta en operación del sistema. Además de encargarse de desarrollar tecnologías críticas que se utilizarán en el sistema, tales como antenas y relojes atómicos. Ha llevado a cabo la GSTB V1 y V2 (Galileo System Test Bed, test de base para el sistema Galileo), que servirán para validar el concepto del sistema. La GJU, creada en 2003 y que en enero de 2007 pasó a denominarse GSA, tiene como misión principal supervisar todas las actividades que se realicen en el marco de Galileo, además de supervisar la integración de EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay Service, Servicio europeo de aumentación para la navegación basado en satélites geoestacionarios) en Galileo y de adjudicar la concesión del sistema Galileo. La GSA será el propietario de los sistemas actuales EGNOS y Galileo y de los futuros sistemas GNSS europeos y también el interlocutor entre los concesionarios que operarán ambos sistemas. A su vez garantizará que se cumpla el

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contrato de concesión a Galileo durante sus veinte años de vigencia y establecerá las condiciones para su continuación. La GOC será la encargada de poner en órbita los 26 satélites restantes, de operarlos, mantenerlos y reemplazarlos cuando sea necesario, todo ello durante la duración del contrato de concesión, que son 20 años.

4.1.5. Los servicios que proveerá el sistema Galileo Con Galileo se dispondrá de los siguientes servicios de posicionamiento y navegación: – Servicios basados en la señal Galileo – Apoyo a servicios externos al sistema Galileo

4.1.5.1. Servicios basados en la señal Galileo En esta clasificación se incluyen aquellos servicios que el usuario obtiene de la señal Galileo emitida por cada uno de los satélites de la constelación y que son: – “Open service” (OS), señal abierta para todos los usuarios con prestaciones de tiempo y localización competitivas con respecto de otros sistemas GNSS. – “Safety of Life Service” (SoL), dirigido a usuarios cuya seguridad es crítica y con un requisito muy exigente de prestaciones de localización. Este servicio está garantizado por el sistema e incluye mensajes al usuario que le informan en todo momento de la calidad de la señal que va a ser emitida por los satélites. – “Commercial Service” (CS), este servicio permite desarrollar aplicaciones de valor añadido que incrementen las prestaciones de posicionamiento y navegación.

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– “Public Regulated Service” (PRS), este servicio está reservado a los organismos públicos, y ofrece máxima disponibilidad de la señal de navegación gracias al uso de tecnologías que mitigan las interferencias presentes en el entorno del receptor. La siguiente tabla resume las características de los servicios que ofrecerá el sistema Galileo.

Tabla comparativa de los servicios que ofrece Galileo. (Fuente: ESA) * Frecuencia dual: L1 y L2 ** Monofrecuencia: L1

4.1.5.2. Servicios externos a Galileo El sistema de satélites Galileo dará también apoyo a dos servicios externos al propio sistema: – Servicio al sistema COSPAS/SARSAT, con el apoyo del servicio de Search & Rescue (SAR). Cada uno de los satélites Galileo tiene la capacidad de retransmitir las señales recibidas, en la banda de 405 MHz, de balizas que se encuentren en situación de emergencia y que pertenezcan a la organización COSPAS/SARSAT, hacia estaciones del tipo MEO Local Users Terminals (MEOLUT, terminal local de usuario para satélites de órbita media).

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A su vez el sistema permite enviar mensajes de texto de respuesta a las balizas que estén equipadas con receptores especiales y cuyo emisor sea el Return Link Service Provider (RLSP, proveedor del servicio de respuesta) de COSPAS/SARSAT. – A los servicios de integridad de regiones externas a la región europea. El sistema Galileo permitirá la diseminación de información adicional de integridad utilizando unos satélites determinados para cada región. Esta información será generada por entidades externas a Galileo. La región europea estará controlada por el Centro de Control de Galileo, mientras que regiones como África, Asia, Sudamérica o América del Norte podrían estarlo por entidades locales que diseminarían su propia información de integridad a sus usuarios.

SAR es la sigla para búsqueda y rescate, es el servicio prestado por organizaciones multinacionales, como COSPAS/SARSAT, para el salvamento de vidas humanas en accidentes marítimos o aéreos. COSPAS/SARSAT es una organización internacional de SAR formada por Canadá, EE.UU., Francia y la Federación Rusa, que operan y mantienen una red de satélites de órbita baja, para dar cobertura global con el menor retraso posible a las señales de emergencia enviadas por balizas instaladas en barcos y aviones

4.1.6. Descripción del sistema Galileo La arquitectura del sistema Galileo se puede resumir en figura 12 de la página siguiente. Como observamos en la figura, el sistema Galileo está compuesto por tres segmentos: – Segmento espacial, constituido por la constelación de satélites.

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Figura 12. Arquitectura del sistema Galileo (Fuente: European Comission).

– Segmento terreno, constituido por estaciones de control y seguimiento – Segmento del usuario, constituido por los proveedores de servicios y las usuarios finles.

4.1.6.1. Segmento espacial El segmento espacial está compuesto por una constelación de 30 satélites en órbita MEO alrededor de la Tierra, 27 de ellos activos y 3 en reserva. Dispuestos en 3 planos orbitales de 56º de inclinación y sobrevolando la superficie de la Tierra a 23.222 km. Cada satélite emitirá 4 tipos de señales que contendrán señales para la sincronización de relojes, información sobre las efemérides de los satélites, señal de integridad y otros datos diversos complementarios al sistema Galileo. En la imagen, realizada con un simu-

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Figura 13. Visión simulada de cómo se verían 8 satélites Galileo en fase de puesta en órbita cuando aún se encuentran ensamblados en la cofia de un lanzador. (Fuente: ESA)

lador gráfico, se pueden apreciar la disposición de 8 satélites en la cofia de un lanzador en los instantes previos a ser puestos en órbita.

4.1.6.2. Segmento terreno El segmento terreno controlará la constelación Galileo y estará formado por dos centros de control (uno activo, en Oberpfaffenhofen, Alemania, y otro en reserva, en Fucino, Italia). Para ello recibirá de los satélites periódicamente (a través de una red de 40 estaciones sensoras de la señal Galileo distribuidas estratégicamente por todo el globo) una señal de telemetría y las señales de navegación. Esto permitirá controlar la calidad de la señal de navegación que el satélite está transmitiendo a los usuarios en tierra. Además, el segmento terreno dispondrá de una interfase con centros de servicios externos. Dichos centros proveerán a los usuarios de Galileo de servicios de valor añadido realizando previa-

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Figura 14. Centro de control principal de Galileo en la localidad alemana de Oberpfaffenhofen, en las cercanías de Múnich, dentro de las instalaciones de la Agencia Espacial Alemana (DLR). (Fuente: DLR)

mente la contratación de los mismos. Esto constituirá la forma de diseñar nuevas aplicaciones basadas en la suscripción de servicios por períodos de tiempo o por localización geográfica o por combinación de ambos.

4.1.6.3. Segmento usuario El segmento usuario está compuesto por aquellos usuarios que dispongan de un equipo con un receptor de señales Galileo. Este equipo será capaz de determinar su posición con un error de pocos metros cuando reciba la señal de los satélites Galileo visibles desde su ubicación. Se podrán diseñar receptores que utilicen de forma combinada las señales de navegación GNSS de Galileo, GPS, GLONASS conjuntamente con datos de navegación recibidos a través de telefonía móvil o de Loran-C, para disponer de sistemas de navegación híbridos de alto valor añadido.

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Figura 15. Señales de navegación que podrán recibir los usuarios del sistema Galileo: E5a, E5b, E6b, E6c, L1. (Fuente: ESA)

4.1.7. Desarrollo del proyecto Galileo En el momento de redacción de estas páginas, el proyecto Galileo se encuentra en la fase denominada fase IOV (del inglés In Orbit Validation). El objetivo de esta fase es la de verificar el correcto funcionamiento así como las prestaciones del sistema antes de pasar a la siguiente fase, la fase FOC (del inglés Full Operational Capability).

Figura 16. Calendario previsto para las fases IOV (Development) y FOC (Deployment + Exploitation). (Fuente: GSA)

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La fase IOV cubre los aspectos siguientes: – la definición detallada de todos los componentes del sistema; – la fabricación de dichos componentes: los satélites, los elementos del segmento tierra y los receptores; – el lanzamiento de satélites prototipos (GIOVE A y B), que han servido como demostradores de las diversas tecnologías que se utilizarán en los satélites finales y que también han consolidado las frecuencias asignadas a Galileo por la WRC (World Radiocommunications Conference) en 2003; – una batería de pruebas de la señal emitida por los satélites GIOVE, denominadas GSTB V1 y V2; – la validación del sistema, con 4 satélites y un subconjunto de elementos del segmento tierra. La fase IOV se estima que se extenderá hasta finales de 2012 o del primer trimestre de 2013, y dispondrá de 4 satélites operativos. A partir del 2013 se continuará con la fase inicial del FOC (full operational capability), que consiste en la puesta en órbita, cada seis meses, de dos nuevos satélites hasta completar la constelación de treinta satélites en 2020, incluyendo seis satélites de recambio disponibles en órbita. Así mismo se desplegará toda la infraestructura terrena necesaria para ofrecer un servicio inicial a partir de 2018, tal como se muestra en la figura 17 de la página siguiente. En la fase final del FOC se pondrán en órbita 12 satélites más hasta completar los 30 de que constará la constelación. En la misma figura 17 se muestra el calendario aproximado en el cual se desplegarán de forma gradual los diferentes servicios ofrecidos por Galileo. Una vez que la fase FOC se haya completado, hacia fines de 2022, el sistema entrará en la fase de operación rutinaria y ofrecerá el 100% de los servicios para los que fue diseñado, con un to-

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Figura 17. Calendario de puesta en marcha gradual de los servicios que provee el sistema Galileo. (Fuente: GSA)

tal de 30 satélites en órbita. En dicha fase el sistema deberá ser continuamente revisado y actualizado de acuerdo con las necesidades de sus usuarios y de la evolución del mercado de servicios GNSS. Con el sistema ya operativo, una empresa privada, la Galileo Operating Company (GOC), se encargará de la explotación comercial de Galileo. La figura legal escogida será la de concesión, que tendrá una duración de 20 años. La GOC se compromete a operar la constelación Galileo y garantizar las prestaciones de servicio validadas en la fase IOV, asimismo deberá mantener en estado de operación todos los elementos de los segmentos espacial y terreno y proceder con las misiones de sustitución y relleno de la constelación de satélites.

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Figura 18. Imagen del lanzamiento el 21 de octubre de 2011 de los dos primeros satélites de la fase IOV con el lanzador Soyuz. (Fuente: ESA)

Referencias para la sección 4.1 GALILEO Ref. 1 EC (febrero de 1999) Comunicación para definir la estrategia europea para el desarrollo de la próxima generación de Global Navigation Satellite Systems (GNSS).

Ref. 4 EC (19/10/2004) Information note on public regulated servi-

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ce dated 19/10/04 from the European Commission DIRECTORATE-GENERAL FOR ENERGY AND TRANSPORT

Ref. 5 EC (2629th Council held in 09 and 10 December 2004) conclusions on the deployment and operational phases of the European Global Navigation Satellite System programmes

Ref. 3 EC (Council regulation n.° 1321/2004 of 12 July 2004) on the establishment of structures for the management of the European Satellite radio-navigation programmes

Ref. 2 EC (noviembre de 2000) Communication to define GALILEO

4.2 El sistema chino Beidou II/Compass El desarrollo del programa de sistemas de navegación por satélite chino se está realizando en dos fases denominadas Beidou I y Compass o Beidou II.

4.2.1. BEIDOU I La primera fase, Beidou I, fue una fase experimental que el Gobierno chino inició a finales de la década de los noventa cuyo objetivo fue demostrar las posibilidades tecnológicas de la industria china para el desarrollo posterior de un sistema propio regional de posicionamiento y navegación por satélite para aplicaciones tanto civiles como militares.

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La siguiente figura muestra el calendario de actividades planificadas para el despliegue del programa GNSS del Gobierno chino.

Figura 19. Calendario de puesta en marcha del programa GNSS chino. (Fuente: RAN CHENGQI, China Satellite Navigation Office)

El programa GNSS chino se encuentra en la actualidad iniciando la segunda fase, el denominado sistema Compass o CNSS (del inglés Compass Navigation Satellite System) o también Beidou II. En 1994 el Gobierno chino autorizó el desarrollo de dos satélites que se situarían en órbita geoestacionaria con la finalidad de proporcionar señales de navegación en el área geográfica comprendida entre las longitudes 70º y 140º E y las latitudes comprendidas entre 5º y 55º N. Los satélites se situarían en la posición geoestacionaria 80º E y 140º E, con un tercer satélite de repuesto situado en la posición 110,5º E. Los dos primeros satélites se lanzaron en el año 2000, los denominados Beidou 1A y 1B, y el tercero, el Beidou 1C, se lanzó en el año 2003. El satélite Beidou 1C también se utilizó como banco de pruebas de la instrumentación que llevarían los futuros satélites de navegación del sistema Compass/Beidou II.

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Figura 20. Satélite Beidou 1A y el lanzador Larga Marcha 3A 3ª. (Fuente: Agencia Espacial China)

A finales del año 2001 el sistema ya proveía señales de posicionamiento de test, aunque fue en el año 2004 cuando las primeras señales de navegación empezaron a ser de libre acceso para usuarios civiles. China fue el cuarto país del mundo, después de EE.UU., Rusia y la UE, en disponer de una red de satélites para navegación y posicionamiento. La figura muestra la cobertura regional que se obtendrá cuando Beidou I esté operativo.

Figura 21. Área de cobertura del sistema regional Beidou I. (Fuente: Wikipedia)

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4.2.2. COMPASS/BEIDOU II Hay poca información disponible del sistema de navegación que está desarrollando el Gobierno chino y a veces es confusa o ambigua. El desarrollo del sistema de navegación completo fue aprobado por el Gobierno chino en el año 2004. La constelación de satélites de Compass la formarán satélites distribuidos en tres tipos de órbitas: – satélites en órbita geoestacionaria (GEO), circular de 36.500 km de radio, – satélites en órbita inclinada 55º y geosíncrona (IGSO) – y satélites en órbita media circular (MEO) de 21.500 a 24.100 km de radio. El despliegue de la red se realizará en dos fases, según muestra la tabla siguiente.

La constelación Compass proveerá dos tipos de servicios cuando esté operativa: – un servicio abierto y gratuito para aplicaciones civiles con precisión de posicionamiento 2D de 5 m (u 8 m en 3D), una precisión en velocidad de 0,2 m/s y una precisión temporal de 50 ns en modo simple o 2 ns en modo dual y servicio de mensajes de texto. En modo diferencial la precisión será de 1 metro; – un servicio de uso exclusivo militar de mayor precisión con servicio de mensajes de texto.

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El sistema Compass inició oficialmente su período de pruebas el 27 de diciembre de 2011 y se espera que pueda empezar a dar servicio de posicionamiento y navegación de precisión en la región AsiaPacífico a lo largo del año 2014, con 14 satélites. Se estima que podrá dar cobertura global hacia el año 2020 con 35 satélites. La tabla siguiente muestra algunas de las características de los satélites lanzados hasta el mes de junio de 2012, en donde se puede observar que se encuentran 11 satélites operativos. El vehículo lanzador utilizado fue el Larga Marcha (en chino Changzheng) en sus versiones 3A (carga un satélite), 3B (carga dos satélites) y 3C (carga un satélite).

Satélites puestos en órbita en el marco del sistema de posicionamiento chino. (Fuente: Agencia Espacial China. Actualizado el 19/9/2012)

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4.3. El sistema ruso GLONASS GLONASS (del ruso Global’naya Navigatsionnaya Sputnikovaya Sistema o Sistema global de navegación por satélite) es un sistema GNSS desplegado y operado por la Federación Rusia. Es la única alternativa operativa al sistema GPS. Actualmente la Federación Rusa tiene al 100% completa y operativa su constelación de satélites. GLONASS consta de 24 satélites (21 activos y 3 en reserva) orbitando sobre 3 planos inclinados 64,8º sobre el ecuador. Cada plano orbital consta de 8 satélites. El radio de las órbitas es de 25.510 km y el período de revolución de cada satélite es de 11 h y 15 minutos. Cada 8 días completan 17 vueltas al planeta. GLONASS no ha supuesto una competencia ni alternativa real para el sistema GPS debido a la falta de operatividad de sus satélites durante los años noventa. Los primeros satélites se pusieron en órbita en 1982 pero el sistema no empezó a ser operativo hasta finales de 1996. En el año 2002 había 8 satélites operativos, en el 2007, 21 satélites operativos y en el 8 de diciembre de 2011 alcanzó la plena operatividad con 24 satélites en órbita. GLONASS utiliza dos señales portadoras diferentes para cada uno de los satélites. Las señales que se emiten tienen diferente frecuencia según el identificador del satélite que la emita, y el valor exacto de la frecuencia sigue la siguiente expresión matemática: – Señal L1 = 1602 + 9k/16 GHz – Señal L2 = 1246 + 7k/16 GHz Donde k es el identificador del satélite, un número entre 0 y 23. GLONASS disponía, de la misma manera que el sistema GPS, de un dispositivo controlado por los militares para hacer menos

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preciso el posicionamiento de los usuarios civiles en caso de considerarlo necesario. Igual que el sistema americano, en el año 2007 se inhabilitó esta disponibilidad selectiva para fomentar el uso del sistema. En el mercado se encuentran disponibles equipos que permiten utilizar las señales GPS, o bien las señales GLONASS, o una combinación de las dos.

4.4 QZSS (Quasi-Zenith Satellite System) Quasi-Zenith Satellite System (QZSS, Sistema satelital cuasi cenital), es el nombre que Japón ha dado a un sistema regional de navegación que inicialmente, en el año 2002, se planteó desarrollar entre el gobierno y un consorcio industrial. El consorcio denominado Advanced Space Business Corp, (ASBC), estaba formado por más de 70 compañías del sector aeroespacial, del automóvil y de telecomunicación y pretendían poner en operación tres satélites para proveer en el este asiático servicios de aumentación de señales GPS, señales de sincronización temporal, telecomunicaciones y difusión de señales de radio y televisión. En el año 2007 ASBC se disolvió y se creó una Fundación de interés público, denominada Satellite Positioning Research an Application Center (SPAC), en la cual participaba el sector industrial y que fue promovida por los 4 ministerios japoneses que respaldaban el sistema QZSS: el Ministerio de Educación, cultura, deportes, Ciencia y tecnología (MEXT), el Ministerio de Economía, comercio e industria (METI), el Ministerio deL Interior y comunicaciones (MIC) y el Ministerio del territorio, infraestructuras y transporte (MLIT). El objetivo era impulsar la investigación, el desarrollo y la integración del primer satélite del sistema para validar en órbita la tecnología y los servicios que debiera ofrecer el futuro sistema QZSS.

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El sector terreno de QZSS está compuesto por: – una estación de control principal (MCS, Master Control Station) que se encargará de generar el mensaje de navegación que transmitirán los satélites, – una estación de Telemetria, Telecontrol y comunicaciones (TTC) situada en Okinawa, – una red de estaciones monitoras distribuidas en la región oriental de Asia y Oceania, – y un conjunto de estaciones de medida con láser La constelación QZSS estará formada por 3 satélites en la misma órbita HEO (High Elliptical Orbit, órbita altamente elíptica), con una altitud mínima de 32.000 km (perigeo) y máxima de 40.000 km (apogeo). De esta forma se consigue tener un satélite las 24 horas situada en el cenit de Japón, o en sus proximidades (de ahí su nombre: quasi-zenith) transmitiendo señales de navegación a una elevación mayor de 70º, mejorando el posicionamiento en los receptores. La figura 22 muestra gráficamente cómo mejora el sistema QZS la disponibilidad de señales de navegación, compensando a las señales que por su baja elevación se reflejan en edificios (cañones urbanos) o en la orografía y no pueden llegar a los recep-

Figura 22. Visión gráfica de la mejora que ofrece el sistema QZSS (Fuete SPAC)

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Figura 23. Proyección en tierra de las órbitas de los satélites QZSS (Fuente ESA Navipedia)

tores del usuario. La señal cenital de los satélites QZS, interoperable con la señal GPS, complementa dichas pérdidas y añade servicios de aumentación, además se mejora la disponibilidad en un 90% en ciudades y cañones urbanos o naturales. El primer satélite de la serie, “Michibiki I” fue puesto en órbita el 11 de septiembre de 2010 y fue financiado por el gobierno japonés. Tras la validación en órbita del sistema se prevé completar la constelación con 3 satélites más para que esté operativa para 2020. En un futuro se prevé disponer de una constelación final de 7 satélites.

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Seis son las señales que transmitirán los satélites QZSS: – 4 señales para su uso en combinación con otras señales GNSS que mejorarán la disponibilidad de los servicios de posicionamiento, navegación y tiempo. L1-C/A (1575.42 MHz) L1C (1575.42 MHz) L2C (1227.6 MHz): L5 (1176.45 MHz) – 1 señal para aumentar la exactitud del posicionamiento por debajo del metro e interoperable con GPS-SBAS L1-SAIF (1575.42 MHz) – 1 señal experimental de alta precisión (hasta 3 cm), compatible con la señal E6 de Galileo LEX (1278.75 MHz)

4.5. Comparativa de los sistemas GNSS Vamos a ver de una forma resumida los datos que caracterizan a los sistemas de navegación por satélite que hemos descrito en los apartados anteriores. La tabla de la página siguiente recoge las características principales de los cuatro sistemas GNSS. La siguiente figura muestra la distribución de frecuencias L1 y L2 para los sistemas GPS, Galileo y Compass.

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Tabla resumen de las características de los sistemas GNSS actuales y en desarrollo. (Datos de junio de 2012) (Fuente: GPS.gov, Information-analytical centre, Korolyov, Rusia, ESA, Agencia Espacial China) (*) k indica el número de satélite. (**) L5 para GPS, señal del servicio CS (commercial service) para Galileo y señal L3 para GLONASS. En todos los casos son planes de futuro.

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Sistemas de aumentación de la señal ...

Capítulo V

Sistemas de aumentación de la señal de navegación

Los sistemas de aumentación tienen su origen en la necesidad de disponer de mejores prestaciones de las señales de navegación GNSS (GPS en su origen) en una determinada área o región. Se trata de sistemas que corrigen las señales GNSS para mejorar tanto el posicionamiento 2D como 3D, ofreciendo además información de la integridad y de la calidad de la señal de navegación. Si bien en un principio se desarrollaron para su uso en la navegación aérea, su uso actual se ha generalizado a cualquier aplicación que necesite de un posicionamiento preciso y fiable. El funcionamiento de los sistemas de aumentación se basa en la corrección de las señales GNSS que se realiza en una red de estaciones terrestres de referencia, que conocen su posición con mucha exactitud y miden el error al obtener su posición con la señal GNSS que reciben de los satélites GNSS. Estos errores los provoca, en su mayor parte, el retardo que provoca la ionosfera a la señal GNSS al atravesarla, como hemos visto en el apartado 3.4. Las estaciones de referencia calculan dichos errores y los transmiten al resto de los receptores GNSS para que corrijan su posición teniendo en cuenta el error calculado.

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Hay tres tipos de sistemas de aumentación, en función de las infraestructuras en las que se basa para transmitir las correcciones de posicionamiento: – Sistema de aumentación basado en satélites, SBAS (del inglés Satellite Based Augmentation System): Son sistemas de aumentación que utilizan satélites geoestacionarios para mejorar la calidad del posicionamiento en un área o región muy extensa. – Sistema de aumentación terreno, GBAS (del inglés Ground Based Augmentation Systems): Son sistemas de aumentación que utilizan un conjunto de infraestructuras terrestres de telecomunicación en la banda UHF y VHF para transmitir los datos al receptor GNSS. Cubren un área muy pequeña, si bien proporcionan una mayor precisión que los sistemas SBAS. – Sistema de aumentación aerotransportado, ABAS (del inglés Aircraft Based Augmentation System): Este tipo de sistemas de aumentación utiliza la información adquirida por sensores instalados a bordo de aeronaves que sobrevuelan un área o región determinada transmitiendo las correcciones hacia los equipos en tierra. Estos sistemas no vamos a tratarlos en este libro.

5.1. SBAS En los sistemas SBAS, los errores calculados en tierra se transmiten a los receptores de los usuarios mediante satélites geoestacionarios. La figura siguiente muestra la arquitectura del sistema SBAS Europeo EGNOS, si bien sirve de ejemplo para mostrar los componentes de un sistema SBAS genérico.

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Figura 24. Arquitectura de un sistema SBAS (EGNOS). (Fuente ESA Navipedia)

Todos los sistemas SBAS están compuestos por 5 subsistemas: – Estaciones de medida de distancias y de monitoreo de la integridad de la señal GNSS (RIMS). – Centro de control y procesado de señal principal (MCC) con sus elementos de control (CCF) y de procesado de los datos (CPF). En el sistema EGNOS existe un centro redundante preparado para entrar en funcionamiento si el principal se avería. – Estaciones de transmisión de datos hacia el satélite geoestacionario (NLES). En el sistema EGNOS existen varias estaciones NLES para transmitir las señales a los satélites geoestacionarios y actuar también como estación redundante en caso de fallo de alguna de las otras. – Una red propia de transmisión de datos de área extendida (EWAN) – Uno o varios satélites geoestacionarios que diseminan las se-

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ñales hacia los receptores de los usuarios en tierra, mar o aire. También se ha de tener previsto uno o más satélites geoestacionarios disponibles para entrar en servicio, en el mínimo plazo de tiempo posible, si alguno de los satélites nominales sufriera una avería. Las estaciones terrestres de referencia (RIMS) reciben las señales GNSS y las transmiten al centro de control y procesado (MCC) donde se reciben los datos de todas las estaciones de la red. El centro de control comprueba, entre otras cosas, que la señal recibida no ha sufrido distorsiones o modificaciones y que los relojes de los satélites están funcionando correctamente. El MCC realiza el procesado conjunto de todas las señales GNSS recibidas por la red de referencia y obtiene los siguientes datos: – La posición verdadera de los satélites. – El error de los relojes a bordo de los satélites. – Una estimación del error vertical provocado por el retardo ionosférico dentro de la zona cubierta por las estaciones de referencia. Estos datos conforman las denominadas correcciones diferenciales para el área cubierta por las estaciones de control. Los datos se empaquetan y se transmiten a las estaciones de enlace con los satélites geoestacionarios (NLES). Los datos se utilizan para modular la señal de navegación que se transmite de forma continua a los satélites geoestacionarios. Los satélites geoestacionarios reciben la señal de las NLES y las retransmiten a los usuarios en la frecuencia L1. Para el receptor del usuario en tierra, la señal recibida de un satélite geoestacionario es indistinguible de la de un satélite GNSS. Este método cubre zonas muy amplias, pero en contrapartida, por las propias características de los sistemas de comunica-

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ción utilizados, la información puede tardar en llegar al receptor hasta 6 segundos, lo cual provoca que la información ya no sea fiable. La distancia entre el receptor final y la estación de referencia también puede provocar que las correcciones calculadas por la estación terrestre no sean válidas para el receptor, si este se encuentra muy alejado de la zona cubierta por las estaciones de referencia, ya que la ionosfera se comporta de forma diferente en cada lugar. Con sistemas SBAS se puede llegar a tener una precisión de hasta 4 metros en vertical y 2 metros en horizontal. Si bien son precisiones suficientes para el vuelo de aproximación al aeropuerto, son insuficientes para las operaciones de aterrizaje. Para ello se han desarrollado los sistemas GBAS, que veremos en el apartado 5.2. La figura siguiente muestra los sistemas SBAS disponibles, o en desarrollo, en la actualidad y su zona de cobertura.

Figura 25. Sistemas SBAS operativos o en desarrollo. (Fuente ESA Navipedia)

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Los sistemas SBAS operativos o en fase de despliegue son los siguientes – El sistema americano WAAS, cubre EEUU , Alaska, Canadá y parte de Mexico. – El sistema europeo EGNOS, cubre el continente europeo, norte de África. – El sistema japonés MSAS, cubre Japón. – El sistema ruso SDCM, cubre Rusia y parte de los países limítrofes. – El sistema indio GAGAN, cubre el subcontinente Indio. – El sistema chino Beidou I, no mostrado en la figura, pero que cubre China, India, Mongolia, Tailandia, Camboya, Myanmar, Laos y Vietnam entre otros (ver figura del apartado 4.2.1). Los sistemas SBAS en fase de diseño son: – El sistema sudamericano SACCSA, cubrirá parte de Centroamérica, Cuba y El Caribe, además de los países del cono sur. – El sistema africano AFI, cubrirá toda África y parte de los países árabes. – El sistema malayo, que en estos momentos está en fase de desarrollo, cubrirá Malasia. Vamos a ver algunos de ellos con un poco más de detalle.

5.1.1. El sistema americano WAAS WAAS (del inglés Wide Area Augmentation System o Sistema de aumentacióm de área amplia) está operado por la FAA (Federal

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Aviation Administration) para dedicarlo a usuarios de aviación civil. Cubre principalmente Norteamérica. El sistema consta de 24 estaciones de vigilancia, 2 estaciones maestras, 6 antenas de retransmisión de datos a los satélites y 3 satélites geoestacionarios. En la siguiente figura se puede ver un mapa de distribución geográfica de las infraestructuras del sistema WAAS.

Figura 26. Disposición de las infraestructuras dels sistema amricano WAAS.

El sistema WAAS es un componente crítico de la FAA en su objetivo de disponer de un sistema GNSS disponible continuamente y ofreciendo alta precisión para la gestión de la aviación civil americana. Desde el año 2003 la FAA autorizó el uso de WAAS como instrumento de vuelo. WAAS mejora la precisión y la fiabilidad del sistema GPS.

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5.1.2. El sistema europeo EGNOS EGNOS (del inglés European Geostationary Navigation Overlay Service o Servicio europeo de aumentación para la navegación basado en satélites geoestacionarios): Ha sido desarrollado por la ESA y la Comisión Europea y se empezó a desplegar en el año 2000. El 1 de octubre de 2009 el sistema entró en fase operativa. El sistema comprende 3 satélites geoestacionarios, 40 estaciones de referencia (denominadas RIMS), 3 antenas de retransmisión de datos a los satélites (denominadas NLES) y 4 centros de control (MCC). Para más información se puede visitar la URL: http://www.egnos-pro.esa.int/index.html. El sistema EGNOS se certificó para su utilización en aviación civil el 2 de marzo de 2011. En la siguiente figura se observa la distribución global de los elementos que componen el sistema EGNOS.

Figura 27. Disposición de las infraestructuras terrestres del sistema SBAS europeo EGNOS. (Fuente: ESA)

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EGNOS ha sido el primer sistema GNSS europeo en ponerse en marcha. EGNOS ofrece 3 servicios: – Open Service: servicio libre y gratuito para cualquiera que disponga de un receptor GNSS activado para recibir EGNOS. – Safety-of-life Service: servicio que provee al usuario de un mensaje de alerta de integridad cuando se prevé un corte en la señal de navegación GPS en los próximos 6 segundos. Esta funcionalidad es esencial cuando un sistema GNSS es utilizado para aplicaciones en las cuales se puede poner en riesgo vidas humanas. – El EGNOS Data Access Service (EDAS): provee información del sistema EGNOS en tiempo real a través de internet. Se prevé que sea plenamente operativo a lo largo de 2012.

5.1.3. El sistema japonés MSAS MSAS (del inglés Multi-functional Satellite Augmentation System): Es el sistema SBAS japonés. El sistema fue certificado para su uso en aviación civil el 27 de septiembre de 2007. El sis-

Figura 28. Arquitectura del sistema SBAS japonés MSAS. (Fuente: MSAS)

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tema utiliza los satélites MTSAT (Multi-functional Transport Satellites) propiedad del Ministerio del Territorio, Infraestructuras y Transporte japonés y por la Agencia Japonesa de Meteorología (del inglés Japan Meteorological Agency, JMA).

5.1.4. El sistema ruso SDCM (System for Differential Corrections and Monitoring) Con el lanzamiento el 11 de diciembre de 2011 del Luch 5A, la Federación Rusa empezó a desplegar su propio sistema SBAS. Luch-5A fue el primer satélite de 3 nuevos satélites geoestacionarios del sistema SBAS Ruso previstos por Roscosmos (la Agencia Espacial Rusa). Transporta a bordo un sistema para seguimiento y corrección diferencial (del inglés System for Differential Correction

Figura 29. Tareas de ingeniería sobre uno de los satélites Luch en donde se aprecian las antenas helicoidales de banda L que transmitirán las correcciones diferenciales hacia tierra (cilindros con bandas rojas). (Fuente: Roscosmos)

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Figura 30. Distribución de las estaciones de referencia del sistema SBAS Ruso SDCM (fuente ESA Navipedia)

and Monitoring, SDCM) y también un transpondedor de búsqueda y rescate (SAR) de COSPAS/SARSAT. El emisor SDCM es compatible con el sistema WAAS e interoperable con otros sistemas SBAS. Su aparcamiento definitivo en órbita geoestacionaria será en 16 grados de longitud oeste. El segundo satélite del sistema está previsto que sea puesto en órbita el 30 de agosto de 2012. Como característica diferenciadora del resto de los sistemas SBAS, las estaciones de referencia del sistema SDCM reciben las señales de navegación de GPS y de GLONASS y proveen correcciones para ambos sistemas. El resto de sistemas SBAS que se han diseñado sólo suministran correcciones diferenciales para el sistema GPS.

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5.1.5. El sistema indio GAGAN (GPS Aided Geo Augmented Navigation) El gobierno indio, siguiendo de algún modo el ejemplo de la Unión Europea, planea desarrollar en una primera fase un sistema SBAS , denominado GAGAN (los europeos diseñaron primero el sistema SBAS EGNOS y en segundo lugar diseñaron Galileo), con el cual adquirir los conocimientos y experiencia suficientes para abordar en una segunda fase el diseño de un sistema de navegación propio para la región india. Este sistema regional llevará por nombre IRNSS (Indian Regional Navigational Satellite System, Sistema Regional Indio de Navegación por satélite). La arquitectura del sistema GAGAN está compuesta, como todos los sistemas SBAS, por tres segmentos principales: – El segmento espacial, compuesto por tres satélites geoestacionarios, de los cuales ya hay uno en órbita. – El segmento terreno, compuesto por quince estaciones de referencia, denominadas INRES (Indian Reference Stations, Estaciones de Referencia Indias). Dos estaciones centrales principales denominadas INMCC (Indian Master Control Center), una será de redundacia. Tres estaciones de enlace con los satélites geoestacionarios denominadas INLUS( Indian Land Uplink Station, Estaciones de enlace Indias). (INLUS). – El segmento del usuario, compuesto por receptores GNSS interoperables con el sistema americano WAAS. De las tres fases de desarrollo de que consta GAGAN, en estos momentos se encuentra en la segunda. Fase 1, es la fase de demostración de la tecnología a utilizar en el despliegue del sistema y fue denominada TDS (Technology Demonstration System, Sistema de demostración de Tecnología). Esta fase finalizó en 2007.

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Figura 31. Elementos que componen la arquitectura del sistema GAGAN y una posible distribución de las estaciones de referencia. (Fuente ESA Navipedia).

La Fase 2, es la fase donde se inicia la experimentación con el sistema, denominada IEP (Initial Experimental Phase, Fase Experimental Incial). Es la fase en la que se encuentra el sistema en estos momentos (finales del tercer trimestre del 2012). La tercera Fase se alcanzará cuando el sistema esté operativo, por ello se denomina FOP (Final Operational phase, Fase Operacional Final).

5.1.5. El sistema chino BEIDOU I Este sistema fue descrito en la sección 4.2 como la primera fase de desarrollo del plan de radionavegación propio que el gobierno Chino está llevando a cabo.

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5.2. GBAS Los sistemas GBAS (del ingés Ground Baned Augmentation Systems) se utilizan para proporcionar ayudas a la navegación para realizar aproximaciones, aterrizajes y maniobras en los terminales aeroportuarios. Fueron denominados en sus orígenes con el término LAAS (del inglés Local Area Augmentation Systems), aunque en la actualidad es un término que está en desuso. Se instalan en las proximidades de aeropuertos y aeródromos y pueden ofrecer una precisión suficiente para realizar aterrizajes guiados en situaciones de visibilidad nula. En los sistemas GBAS la información del cálculo de los errores se envía directamente al receptor de la aeronave a través de enlaces VHF. Por ello se requiere que el receptor GNSS a bordo de la aeronave se encuentre muy cerca de la estación GBAS, además cuanto más cerca se encuentre mayor será también la exactitud de la posición que calcule el receptor GNSS. Los sistemas GBAS son de carácter local y su radio de cobertura suele ser de unos 30 a 50 km. Los sistemas GBAS permiten disponer de una aproximación de la aeronave del tipo CAT-I, CAT-II y CAT-III e incluso, en determinadas condiciones, podrían ser capaces de guiar de forma automática el aterrizaje de las aeronaves. Actualmente estos sistemas están siendo introducidos en la aviación civil para ser usados en aproximaciones de guiado vertical (APV-I y APV-II menos restrictivas que CAT-I). Una vez estos sistemas superen las certificaciones y homologaciones de aviación civil podrán utilizarse en operaciones de CAT-I y CATR II. Muchas empresas están trabajando en estos sistemas (Honeywell, Thales, Indra, etc.) desarrollando productos que demuestran que son capaces de suministrar información precisa para realizar aterrizajes de precisión.

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Aplicaciones de los sistemas ...

Capítulo VI

Aplicaciones de los sistemas de posicionamiento GNSS

Los satélites que componen las diferentes constelaciones GNSS emiten constantemente señales de posicionamiento hacia la superficie de la Tierra. La información que se obtiene de esas señales GNSS se puede utilizar de diferentes formas. Cada una de las formas o maneras en que se utiliza dicha información constituye una aplicación. Por ejemplo, algunas aplicaciones directas y sencillas de la información obtenida pueden ser: dar respuestas a preguntas tales como ¿dónde estoy? o ¿qué hora y fecha es en este instante?, ¿a qué velocidad me estoy moviendo? o ¿en qué dirección me estoy desplazando? Aplicaciones un poco más complejas tratarían de obtener la forma más rápida, corta o cómoda de ir de la posición actual a otra. Y aún podemos mejorar la aplicación si incorporamos un equipo de comunicaciones. De esta forma podríamos añadir a nuestro sistema o equipo la posición de otros elementos móviles remotos y permitir así la posibilidad de calcular las distancias que nos separan de ellos o generar rutas para ir de nuestra posición a otra que por algún motivo nos interese. Existen en este momento muchísimas aplicaciones de localización y el número de ellas crece cada día. Este capítulo, junto con

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sus secciones, describe un pequeño y variado número de aplicaciones de localización, consciente de la imposibilidad de cubrir todas las que se pueden dar. El sistema GNSS-GPS, como se ha visto, pertenece a la Fuerza Aérea Americana, ya que fueron las aplicaciones de posicionamiento para la fuerza aérea y, en general, para los militares el objetivo principal para el que se diseñó y se puso en operación el sistema y, por tanto, las primeras aplicaciones en desarrollarse fueron las del ámbito aeronáutico. Por deferencia a los orígenes del primer sistema GNSS vamos pues a tratar en primer lugar las aplicaciones en el sector aeronáutico. Primero veremos los estrictos requisitos que son necesarios cumplir para poder utilizar los sistemas GNSS en el sector aeronáutico. A continuación veremos las aplicaciones en aviación civil comercial y acabaremos con una reseña de algunas de las aplicaciones realizadas en el sector espacial.

6.1. Aplicaciones en el sector aeronáutico y espacial El desarrollo de los sistemas GNSS ha permitido su introducción en diferentes áreas del campo aeronáutico, aunque debido a los insuficientes niveles de disponibilidad, precisión e integridad su uso no se ha extendido tan ampliamente como el sector requiere. Vamos a conocer las razones por las cuales hasta ahora no se han utilizado de forma más extendida en aeronáutica, y más en concreto en aviación civil, los sistemas GNSS. A pesar de las ventajas que proporciona el uso de GNSS en aplicaciones para los sectores terrestre y marítimo, los sistemas GNSS actuales están lejos de cumplir los estrictos requisitos de disponibilidad, precisión e integridad que son necesarios en las fa-

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ses críticas del vuelo de una aeronave como son la aproximación y el aterrizaje. – Al porcentaje de tiempo que los sistemas GNSS suministran la posición con la precisión necesaria lo denominamos disponibilidad. Los sistemas GNSS actuales, GPS y GLONASS, garantizan una disponibilidad del 98% del tiempo, pero en las maniobras convencionales de aproximación de las aeronaves a un aeropuerto se exige el 99,75% de disponibilidad y porcentajes superiores en aterrizajes de precisión. – El sistema GPS proporciona una precisión estándar de unos 15 m. Esta precisión es suficiente para las fases de vuelo y de aproximación convencional al aeropuerto pero no basta para aterrizajes de precisión de categoría CAT-I, puesto que requieren precisiones de 6 a 7 m en vertical, tampoco de CAT-II ya que requiere precisiones de 2 a 3 m en vertical, ni tampoco de CAT-III que es la categoría más exigente y requiere precisiones menores de 1 m en vertical. En aviación civil se definen las categorías CAT-I, CAT-II y CAT-III como los tres modos de precisión en los que se puede clasificar el instrumento de a bordo utilizado como sistema de aterrizaje en las aeronaves. – Por último, tampoco existe la posibilidad de proteger al usuario frente a la ocurrencia de fallos en la señal de navegación que emiten los satélites GNSS. A esta capacidad la denominamos integridad y consiste en el envío de mensajes de alerta previos a la ocurrencia del fallo. El futuro sistema europeo Galileo dispondrá del servicio Safety of Life (SoL). Este servicio se encargará de avisar al usuario con 6 segundos de antelación, con un mensaje de alerta cuando esté previsto que la señal de navegación se degrade por debajo de unos determinados umbrales de precisión horizontal y vertical.

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Para superar estas limitaciones se utilizan sistemas de aumentación de dos tipos SBAS (WAAS, EGNOS Y MSAS), y GBAS-LAAS (del inglés Local Area Augmentation System). Con estas medidas de apoyo se consigue tener una precisión entorno a los 4 metros y cumplir los niveles de disponibilidad e integridad requeridos en aviación civil, con lo cual, utilizando los sistemas de aumentación “sí” es posible utilizar los sistemas GNSS en todas las fases del vuelo, incluido el aterrizaje de precisión de CAT-I, que como ya hemos visto requiere 7 metros de precisión. La próxima puesta en funcionamiento del sistema Galileo, prevista para los años 2014-2018, permitirá conseguir los estrictos requisitos de disponibilidad, precisión e integridad que las aplicaciones aeronáuticas requieren. Las principales áreas de aplicación de los sistemas GNSS en el sector aeronáutico son: – El transporte aéreo comercial en sus diferentes fases de vuelo. – El control y guiado en tierra de aeronaves. – Servicios aéreos de rescate. – La aviación deportiva, ultraligeros y globos aerostáticos. En la actualidad la Unión Europea ha iniciado un programa de investigación muy ambicioso para mejorar el sector aeronáutico y en concreto los sistemas de ATM (del inglés Air Trafic Management, gestión del tráfico aéreo). El programa se denomina SESAR (del inglés Single European Sky ATM Research, investigación en ATM y espacio aéreo único europeo) y está coordinado por Eurocontrol, la organización europea para la seguridad de la navegación aérea, y formado por un consorcio de aerolíneas, aeropuertos, gestores de navegación aérea y empresas de la industria aeronáutica. Los estándares y conclusiones a los que lleve el programa SESAR están pensados para que se empiecen a aplicar hacia el año 2020. El motivo del programa SESAR es que la aviación en Europa no ha cesado de crecer en los últimos años (entre un 3% y un 4% anual de media), los sistemas actuales están al borde de la saturación y los sistemas de control del tráfico aéreo tienen más de 20 años de antigüedad. Así, surgió la necesidad de mejorar los sistemas de comunicaciones, navegación y

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vigilancia para poder aumentar la capacidad del espacio aéreo europeo y su eficiencia sin poner en riesgo la seguridad. El programa SESAR incorpora el concepto de Single European Sky (SES, cielo único europeo), que consiste en integrar los sistemas y los espacios aéreos de los diferentes Estados implicados, y sincroniza los esfuerzos de cada uno de ellos para marcar una estrategia conjunta en la que se definirán unos nuevos estándares para los sistemas ATM. Los objetivos del programa SESAR son: – Optimizar el espacio aéreo aumentándolo un 73% más respecto de 2005 – Reducir los costes operativos a la mitad de los actuales – Mejorar los niveles de seguridad 10 veces más que los actuales – Minimizar el impacto medioambiental de la aviación en lo relativo a tiempo en vuelo, consumo de combustible, emisiones de CO2 y contaminación acústica. Cuantificado significa: ahorrar en media y por vuelo de 8 a 14 minutos, de 300 a 500 kg de combustible y de 945 a 1.575 kg de CO2.

6.1.1 Transporte aéreo comercial en las fases críticas del vuelo El transporte aéreo comercial está sufriendo en los últimos años un crecimiento a nivel mundial del 4% anual. Si este ritmo de crecimiento continúa igual se doblará el número de vuelos en 20 años. En consecuencia se generarán en diferentes áreas de la red aérea congestiones y cuellos de botella que ralentizarán el tráfico aéreo. Una de las formas para mitigar este problema es aumentar la capacidad de los pasillos aéreos y eso pasa por disponer de sistemas GNSS más fiables y precisos así como de sistemas de vigilancia aérea adecuados a las nuevas necesidades. Cuando mejoren los niveles de precisión y de integridad, se podrá reducir la distancia en vuelo entre las aeronaves ayudando de esta manera a reducir la congestión del espacio aéreo. Para conseguir este objetivo es

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necesario disponer de más constelaciones GNSS en funcionamiento. Los operadores de navegación aérea tienen como prioridad la gestión de las aeronaves durante las fases críticas del vuelo, es decir, durante el vuelo, el aterrizaje y el despegue de las aeronaves, y con cualquier condición climatológica. Por este motivo la puesta en funcionamiento de sistemas de aumentación local en los aeropuertos (del tipo GBAS) conjuntamente con el instrumental GNSS adecuado a bordo de la aeronave conseguirá a medio plazo cumplir con los estándares aeronáuticos necesarios para aproximaciones de precisión y poder extender estos sistemas de despegue y aterrizaje a todos los aeropuertos y todas las aeronaves de uso civil. Este es uno de los objetivos que tiene programado conseguir el recién estrenado proyecto europeo SESAR para la década de 2020. En el ámbito militar se ha desarrollado un sistema que permite aterrizar en cualquier condición meteorológica además de estar blindado contra interferencias radioeléctricas maliciosas. El sistema se denomina JPALS (del inglés Joint Precision Approach and Landing System, Sistema conjunto de precisión para la aproximación y el aterrizaje) y si bien no se conoce la precisión exacta que es capaz de suministrar, se cree que permitiría cumplir de sobra el estándar CAT-III de la aviación civil.

6.1.2. Control y guiado en tierra de aeronaves Una vez que la aeronave está en tierra todavía no ha acabado la misión del operador aéreo, ya que hay que conducir de forma fiable y segura al avión al finger, al hangar o a la zona de aparcamiento sin estorbar al resto de las operaciones de tierra que se llevan a cabo en el aeropuerto. Si las aeronaves dispusieran de una

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aplicación GNSS a bordo y su posición se transmitiera hacia el controlador aéreo de turno, se podrían guiar las aeronaves con toda seguridad hasta su zona de parking. En la actualidad, estas operaciones se realizan únicamente con apoyo visual, señalético y de radio.

6.1.3. Servicios aéreos de rescate Los servicios aéreos de rescate están basados casi exclusivamente en helicópteros. El uso de aplicaciones GNSS a bordo de helicópteros facilitaría las tareas de búsqueda y rescate cuando las condiciones meteorológicas no fueran propicias, por ejemplo cuando hubiera baja visibilidad o niebla, acelerándose así la llegada de la atención médica a los accidentados.

6.1.4. Actividades aéreas de recreo La aviación deportiva, los planeadores, los ultraligeros y los globos aerostáticos son también actividades beneficiadas por la introducción de aplicaciones y equipos GNSS a bordo de dichas aeronaves. La gestión de dichas aeronaves y del espacio aéreo en su conjunto se vería facilitada si se pudiera disponer de un centro de control en donde se mostrara la posición de todas las aeronaves de recreo en vuelo en tiempo real. Dos aspectos nos separan de este escenario idílico. Por un lado, la falta de legislación al respecto y, por otro, el gasto económico que supondría a los practicantes de estas actividades dotar a sus aeronaves de un equipo GNSS homologado por aviación civil para dichas actividades. En la actualidad los sistemas GNSS se utilizan a bordo de las aeronaves únicamente como elementos de orientación y guiado

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y a título personal, ya que no son instrumentos obligatorios de llevar a bordo. Desde hace unos años se puede encontrar en el mercado un equipo que, diseñado originalmente para planeadores, avisa al piloto de un planeador si su trayectoria puede cruzarse con la trayectoria de otro planeador vecino que también lleve instalado el mismo instrumento. El equipo que se denomina FLARM (http://www.flarm.com) transmite vía radio mensajes con su posición y su vector de velocidad y, al mismo tiempo, recibe otros mensajes emitidos por equipos similares.

Figura 32. Ultraligeros con equipos FLARM y equipo FLARM. (Fuente: FLARM)

El equipo, con un algoritmo de predicción de movimiento contenido en su microprocesador, calcula si puede haber cruce de trayectorias entre los planeadores y avisa al piloto acústica y visualmente si el resultado es positivo. En la actualidad se utiliza en helicópteros y en avionetas

6.1.5. Aplicaciones espaciales La primera utilización del sistema GPS en un vehículo espacial fue en el programa Landsat de la NASA en los años ochenta.

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Cabe destacar que gracias a las imágenes obtenidas en esas misiones, una expedición de la National Geographic Society descubrió en la península del Yucatán las ruinas de ciudades mayas desconocidas hasta la fecha. El uso de receptores GNSS a bordo de vehículos espaciales, cuyas órbitas estén por debajo de la de la constelación GPS, simplifica y facilita la determinación continua de su órbita, tarea normalmente realizada con problemas de visibilidad desde radares de seguimiento instalados en tierra. Dichos radares pueden realizar su misión siempre y cuando tengan al vehículo en ángulo de visión, en cambio, los receptores GPS funcionan todo el tiempo sin problemas de visibilidad. Posteriormente a las misiones Landsat, los transbordadores americanos Shuttle y la Estación Espacial Internacional fueron equipadas con receptores GPS para realizar un seguimiento y control continuo y de precisión el 100% del tiempo. Las actuales constelaciones de satélites GNSS fueron diseñadas para proveer de señales de posicionamiento y de navegación a receptores situados en la superficie de la Tierra, y por tanto, sus antenas están apuntando a la superficie de la Tierra. Las futuras constelaciones GNSS van a tener en cuenta en su diseño el disponer de señal de posicionamiento también para vehículos espaciales que se encuentren por encima de la órbita GNSS, embarcando antenas que apunten hacia el espacio exterior. En el momento en que esto ocurra vamos a poder disponer de un sistema de posicionamiento apto para posicionar de forma continua a todos los vehículos espaciales en órbita alrededor de la Tierra. Será entonces cuando podremos decir que tenemos verdadera cobertura GNSS en todo el planeta.

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6.2. Aplicaciones en el sector marítimo Es un hecho irrebatible que los medios de transporte de mercancías más utilizados en el mundo son los océanos y los canales navegables. Por este motivo, resulta de gran importancia gestionar el tráfico de navíos a través de dichas vías navegables de tal manera que se garantice la seguridad y la eficiencia del transporte durante su tránsito por ellas. Aparte de los grandes barcos cargueros, una gran variedad de embarcaciones navegan cada día por todos los rincones de las costas de los 5 continentes: embarcaciones de recreo, ferris que transportan pasajeros entre dos orillas próximas, petroleros, buques cisterna, etc. Por todo ello, es indudable que el uso en todo tipo de actividades marítimas de sistemas y equipos de localización basados en GNSS sólo puede aportar una gran ayuda y beneficio para la gran variedad de usuarios de las vías marítimas así como para las empresas o instituciones que tienen como misión gestionarlos o administrarlos. Vamos a describir a continuación algunas de las aplicaciones GNSS que se han desarrollado en el sector marítimo.

6.2.1. Seguimiento del tráfico y de la navegación marítima La Organización Marítima Internacional (OMI) es el organismo internacional que regula el tráfico marítimo por todos los mares y océanos del planeta. Desde diciembre de 2004 la OMI impuso de forma obligatoria el uso de sistemas de identificación automática (AIS en inglés) en todos los buques a partir de 299 GT (del inglés Gross Tonnage, 299 GT equivalen aproximadamente a 1.187 m3 de capacidad). El objetivo perseguido al utilizar AIS es po-

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der dispone de un sistema de gestión de tráfico a nivel mundial que incremente la seguridad en la navegación marítima regulando el paso de embarcaciones por las vías marítimas de alta densidad de tráfico y localizando la posición de los barcos de forma periódica en un centro de control, para prever y evitar colisiones entre ellos. El terminal AIS es un equipo basado en GNSS adaptado al sector marítimo. Cada terminal AIS instalado en un barco transmite su posición, velocidad y rumbo conjuntamente con información que identifica al barco, sus dimensiones y detalles del transporte que realiza en esos momentos. Un terminal AIS está compuesto por un receptor GPS, un transmisor de radio que utiliza los canales 87 y 88 de VHF y una CPU. Periódicamente, el terminal emite sus datos con un alcance de unos 30 km, para que otros barcos en las proximidades y el centro de control marítimo los reciban y los procesen adecuadamente. Se puede ver el aspecto de un sistema de seguimiento de barcos como el que acabamos de describir en la siguiente dirección URL: http://marinetraffic.com/ais/.

6.2.2. Maniobras en el puerto De manera similar a la descrita en el apartado anterior para los proveedores de servicios aeronáuticos, los proveedores de servicios marítimos tienen como fases críticas de la navegación la aproximación al puerto de los buques y las maniobras dentro del área del puerto, particularmente en condiciones meteorológicas desfavorables. En estas tareas tan delicadas, los sistemas de aumentación terrestres son de obligada utilización ya que las maniobras requieren posicionamiento de alta precisión para evitar dañar el casco

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de los buques durante, por ejemplo, el amarre o la navegación del buque en el interior del puerto. Tareas como el drenaje de diques y canales también se ven beneficiadas con la utilización de sistemas GNSS que permiten disponer de BBDD y de SIG con mapas actualizados con los trabajos realizados en cada zona del puerto.

6.2.3. Seguimiento de flotas de barcos y de contenedores Gestionar la capacidad de carga y transporte de una flota de buques cisternas de petróleo, de una flota de cargueros de contenedores son aplicaciones de gran valor añadido para los armadores. En el transporte de contenedores, una importante causa de pérdidas económicas, no sólo para el cliente, sino para el transportista y para la empresa aseguradora, es el extravío de contenedores en el tránsito de un puerto a otro. Desde contenedores que caen al mar durante el transcurso de una tormenta en alta mar, hasta contenedores que se pierden durante meses en los enormes muelles de carga donde se apilan centenares y hasta miles de contenedores. Para mitigar estas pérdidas se han desarrollado equipos basados en GNSS que adheridos en el exterior de los contenedores transmiten por radio de corto alcance sus datos de posición y estado a una unidad central a bordo del propio barco. A su vez esta unidad transmitirá los datos a unas oficinas centrales utilizando comunicaciones por satélite.

6.2.4. Navegación de precisión en canales y ríos Los sistemas GNSS combinados con sistemas de aumentación

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terrestre proveen señales de navegación suficientemente precisas para automatizar el transporte de mercancías en los estrechos canales navegables centroeuropeos.

6.2.5. Oceanografía y topografía hidrográfica El uso de GNSS ha revolucionado la topografía hidrográfica, permitiendo georreferenciar con precisión los datos del fondo marino adquiridos por sondas, sonares y radares con los que levantar mapas precisos del fondo marino.

6.2.6. Aplicaciones pesqueras El sector pesquero también se ha beneficiado con la adopción de aplicaciones GNSS que permiten localizar y seguir bancos de peces así como recoger las redes y trampas dejadas en el mar a la deriva pero convenientemente señalizadas con equipos GNSS específicos para la pesca. La georreferenciación de la posición de las redes o incluso el conocimiento en tiempo real a bordo del barco pesquero de la posición de aparejos y trampas son los métodos habituales de los armadores de hoy en día.

2.7. Búsqueda y rescate en alta mar Actualmente está en operación un sistema de emergencias marinas basado en balizas que transmiten en UHF (del inglés Ultra High Frequency, frecuencia ultraalta) un mensaje de alerta hacia la constelación de satélites COSPAS-SARSAT. Estos satélites reenvían el mensaje hacia una estación terrestre que se encarga de cal-

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cular la posición de la baliza analizando la señal recibida de la baliza en los satélites de dicha constelación. La precisión que se obtiene es de varios kilómetros y la alerta no se activa en tiempo real ya que se requiere tiempo para recibir todos los mensajes de los satélites y para procesar la información. Con la nueva generación de satélites GNSS (Galileo y GPS) se ha previsto incorporar el servicio de búsqueda y rescate (del inglés SAR, Search and Rescue, búsqueda y rescate). Por este motivo, se diseñarán unas nuevas balizas de salvamento que emitirán un mensaje de alerta en caso de emergencia. Dicho mensaje de alerta será recibido y retransmitido en tiempo real por los propios satélites GNSS hacia los centros de rescate y ayuda. En dicho centro se localizará con precisión GNSS el lugar donde se ha producido la emergencia y, a su vez, en respuesta, se emitirá un mensaje corto dirigido a la baliza en estado de emergencia, con un texto que indique que el mensaje de alerta se ha recibido y que se ha iniciado la operación de rescate o ayuda. Tanto la próxima generación de satélites GPS como el nuevo sistema europeo Galileo tienen previsto incorporar a bordo de sus satélites esta nueva funcionalidad. Los sistemas que se instalarán se denominan para el implementado en la constelación GPS: DASS (del inglés Distress Alerting Satellite System, Sistema de alerta de socorro por satélite) y para el implementado en los satélites del sistema europeo SAR-Galileo. Podríamos seguir describiendo decenas de aplicaciones marítimas más, pero vamos a terminar enumerando otras aplicaciones que también destacan en el sector marítimo por su ingeniosidad o especialización: – Instalación y mantenimiento de cables de comunicaciones submarinos – Estudio de mareas y corrientes marinas – Seguimiento de bloques de hielo desprendidos de los polos

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– Seguimiento y mitigación de vertidos de petróleo y productos químicos – Seguimiento de tormentas tropicales, tifones y huracanes – Seguimiento del transporte de materiales peligrosos

6.3. Aplicaciones en el sector terrestre Vamos a diferenciar dentro del ámbito de las aplicaciones GNSS terrestres un conjunto de áreas o sectores que han desarrollado soluciones muy especializadas dentro del sector en donde se enmarcan. – Agricultura – Sector de la construcción y obra pública – Automoción – Sistemas inteligentes de transporte (del inglés ITS, Intelligent Transportation Systems) Telepeaje Gestión del tráfico Localización y gestión de flotas vehículos – Navegadores personales – Entretenimiento y ocio Juegos: geo-catching, golf Senderismo Montañismo Carreras de orientación – Servicios de emergencia Localización de emergencias Localización de equipos de rescate – Servicios basados en la localización ( del inglés LBS, Location Based Services)

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Del grupo anterior de aplicaciones, nos vamos a centrar en describir con más detalle las aplicaciones que se llevan a cabo en las áreas de: – Sistemas inteligentes de transporte, ITS – Servicios basados en la localización, LBS El motivo de centrarnos únicamente en estas dos clases de aplicaciones es la gran variedad de soluciones operativas que existen en la actualidad en estas dos áreas y cuyo conocimiento nos va a servir para comprender mejor todas las diferentes clases de aplicaciones GNSS terrestres que pueden darse.

6.3.1. Sistemas inteligentes de transporte (SIT) Llamamos sistemas inteligentes de transporte al conjunto de aplicaciones GNSS orientadas a mejorar las condiciones de conducción de todo tipo de vehículos ya sea por carretera o por vía férrea. Los sistemas ITS (del inglés Intelligent Transportation Systems) transmiten al conductor de un vehículo una serie de ayudas en tiempo real consistentes en informaciones de diferentes parámetros de la vía, como por ejemplo el estado de los semáforos, el grado de congestión de la vía, si hay cortes por obras, etc. El objetivo que se persigue difundiendo esta información es prevenir al conductor con suficiente antelación del estado de la vía por la cual circula, de forma que se aumenta la seguridad en las vías de comunicación, se disminuyen los accidentes de tráfico, se ahorra tiempo y combustible en los desplazamientos realizados y en consecuencia disminuye la cantidad de CO2 emitido a la atmósfera. En conclusión, las aplicaciones ITS consisten en sistemas capaces de adquirir, almacenar, procesar y transmitir información en tiempo real de las condiciones de tráfico en una vía o en una

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red viaria a los usuarios de las mismas. A su vez, el usuario ha de disponer en su vehículo de un sistema capaz de recibir dicha información y de mostrarla al conductor del vehículo de forma segura, rápida y eficiente, utilizando para ello medios acústicos, luminosos o gráficos o una combinación de los tres. Al ser los sistemas ITS una aplicación GNSS, los componentes de un sistema ITS típico son: – Los sistemas de adquisición de datos de las vías – Un centro de control y de proceso de la información – Las infraestructuras de comunicación que permiten que se establezcan los siguientes canales de comunicación: De la vía al centro de control Del centro de control a la vía De la vía al usuario Del usuario a la vía – Un terminal GNSS a bordo del vehículo En la actualidad, los sistemas ITS están en proceso de diseño, experimentación y pruebas piloto por parte de administraciones públicas de diferentes países. Algunas de las aplicaciones que se desprenden de estos sistemas son bien conocidas por todos, como por ejemplo, los centros de control de tráfico, los sistemas de ayudas a la explotación (SAE) o los centros de gestión de emergencias. Estas aplicaciones tienen en común que todas ellas adquieren datos de las vías, los procesan y toman decisiones sin informar al usuario de la vía de los resultados y decisiones tomadas. No hay un único motivo por el cual todavía no se ha definido un terminal de usuario estándar que permita recibir en el vehículo todas las informaciones generadas en los centros de control, aunque el principal ha sido hasta el momento las insuficientes inversiones en este sector por parte de las administraciones públicas de todos los países.

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Paralelamente, se están dedicando en estos momentos esfuerzos en experimentar en aplicaciones muy innovadoras, como por ejemplo: – sistemas de conducción sin conductor mediante cámaras de vídeo y marcas en el firme de la carretera como elementos guía, – sistemas de señalización instalados a bordo del vehículo, que reciben información de las infraestructuras disponibles situadas al lado de la carretera (semáforos, señales verticales, etc.), – otras han pasado a la fase de pruebas, por ejemplo, sistemas de telepeaje GNSS de autopistas, – y otras están en plena fase de explotación, como por ejemplo, los navegadores personales para vehículos que tan habitualmente vemos en los salpicaderos de todo tipo de vehículos. Vamos a describir algunas de las aplicaciones que son objeto de pruebas piloto por parte del Interstate Highway System, de EE.UU. Estas aplicaciones se apoyan en comunicaciones de corto alcance (DSRC) que permiten la comunicación entre el vehículo y el lateral de la carretera, un terminal en el interior del vehículo con una pantalla y un sistema de generación de voz conectado al sistema de audio del vehículo. De esta forma el conductor recibe avisos verbales en conjunción con alertas visuales. Las aplicaciones que están siendo ensayadas son las siguientes: – IVS (del inglés In-Vehicle Signing, señalización en el interior del vehículo) Este sistema pretende demostrar la utilidad de conocer en tiempo real, y a bordo del vehículo, las condiciones en que se encuentra la vía, alertando al conductor de su proximidad a zonas de obras o a señales de stop.

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Asimismo han desarrollado el concepto de “cruce inteligente”. Consiste en enviar el estado en cada momento de los semáforos en el cruce al cual se aproxima el vehículo junto con información de los vehículos que se están aproximando a él por el resto de las vías. El equipo GNSS a bordo del vehículo calcula la velocidad y el tiempo que ha de emplear el vehículo para evitar la colisión. – SPE (del inglés Signal Pre-Emption, aviso de ocupación de la vía) El objetivo de este sistema es franquear el paso por las vías a vehículos en situación de emergencia (bomberos, policías y ambulancias) cuando se aproximan a cruces y semáforos, actuando directamente sobre las señales de tráfico. – SVW (del inglés Signal Violation Warning, advertencia de incumplimiento de la señalización) El conductor recibe un aviso audiovisual si la velocidad y la dirección actual del vehículo pueden generar una situación de riesgo para el tráfico, en función de la información recibida de la distancia y del estado del próximo semáforo o señalización vertical. El telepeaje es otra de las aplicaciones ITS que es objeto en la actualidad de pruebas piloto que validen su utilidad. Este es el caso del sistema iToll, de la firma española IKusi, cuyo objetivo es el diseño e implementación de un sistema de peaje en free flow basado en GNSS. El free flow es un sistema utilizado para el cobro a los automóviles que transitan por autopistas de peaje sin que tengan que detenerse en ninguna barrera de peaje. De esta manera se consigue eliminar barreras de peaje y sus costes asociados de construcción, equipos, mantenimiento y personal. Y lo más importante, se consiguen eliminar los atascos que provocan los usuarios que en hora

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punta forman largas colas en las cabinas de cobro, obteniendo como resultado un flujo constante de vehículos que transitan por las autopistas. IToll propone estudiar, diseñar e implementar nuevos sistemas de peaje para el transporte por carretera cuyo cobro sea electrónico, sin necesidad de que los vehículos tengan que pararse en una cabina o tengan que moderar su velocidad de tránsito como ocurre con el actual sistema Via-T. Para conseguir sus funcionalidades iToll utiliza sistemas de comunicaciones de corto alcance (DSRC, del inglés Dedicated Short Range Communication) y visión por cámaras a las que se aplica algoritmos de visión artificial para identificar las matrículas de los coches que no dispongan de terminal iToll con lo que se consigue realizar el cobro del peaje de todos los vehículos a la velocidad de circulación legal de la autopista.

6.3.2. Servicios basados en la localización, LBS Los servicios basados en la localización son aplicaciones basadas principalmente en sistemas GNSS para uso personal que ofrecen un servicio de valor añadido a sus clientes, habitualmente por suscripción o prepago. Estos servicios se caracterizan por: – ocurrir en tiempo real, – utilizar la posición del usuario como dato de entrada, – disponer de un SIG y una BBDD espacial y especializada como base de los servicios que ofrecen – y ofrecer una información veraz y actualizada y un servicio inmediato y eficaz realmente útil para sus clientes. El origen de estos servicios se sitúa en EE.UU. y Japón, coincidiendo con el auge de internet en esos países. Los primeros sis-

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temas LBS, basados en internet y en PC de sobremesa, utilizaban la dirección postal que introducía manualmente el usuario. El servicio consistía en suministrar informaciones de puntos de interés (PoI) como farmacias, hoteles, gasolineras o servicios médicos próximos a la posición introducida. Varios son los motores básicos que han de permitir en la actualidad el desarrollo de los sistemas LBS. – En primer lugar, la disponibilidad en el mercado de nuevos terminales portátiles para uso personal con pantallas gráficas de tamaño y resolución considerable, memoria para gran cantidad de datos y sistemas de comunicaciones inalámbricos integrados. – En segundo lugar, la disponibilidad de diferentes métodos de posicionamiento que, como ya hemos visto, permiten tener una precisión en el posicionamiento suficientemente útil para muchos tipos de aplicaciones geotelemáticas y por extensión del tipo LBS. – En tercer lugar, el despliegue de redes de comunicaciones inalámbricas de gran capacidad (GPRS, 3G, HSDPA) que permiten disponer de anchos de banda suficientes para la transmisión de grandes cantidades de datos. – Y por último, un entorno legal que promueve las aplicaciones de seguridad y de ayuda en caso de emergencia (E-112 en Europa y E-911 en EE.UU.). Los servicios y aplicaciones LBS pueden cubrir potencialmente cualquier actividad relacionada con la movilidad de una persona, ya sea para su uso particular como para uso profesional. Algunas de las innumerables aplicaciones de los LBS pueden ser ayudas para la navegación, servicios de seguridad/emergencias/salud, servicios de ocio y de ayuda en viaje, servicios para mejorar la productividad de una empresa, ayudas a la gestión de equipos de tra-

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bajos móviles, incluso aplicaciones automatizadas entre máquinas (detección de averías en ascensores, detección de accidentes en coches, etc.). Así mismo, el tipo de usuario de un servicio LBS abarca cualquier perfil social y de género: padres, adolescentes, solteros, ancianos, estudiantes, directivos, trabajadores autónomos, funcionarios, etc. En una aplicación LBS interviene un gran número de intermediarios: operadores de telecomunicación, empresas proveedoras de servicios, proveedores de contenido, proveedores de middleware y proveedores de medios de pago. Este gran número de “intermediarios” en la cadena del LBS genera el mayor obstáculo que queda por resolver para el desarrollo de las aplicaciones LBS, que es el no disponer de suficientes mecanismos que garanticen la privacidad y la protección de los datos de sus usuarios. Hay otros impedimentos para la universalización de las aplicaciones LBS. Destacaremos dos impedimentos más. El primero se refiere al tema de los cobros de los servicios que se suministran y que requiere la intervención de un intermediario adicional: las empresas financieras. Un segundo impedimento es de fondo y se refiere a la falta estándares que faciliten la interoperabilidad entre proveedores de servicios y contenidos cuando el usuario está en roaming. A modo de ejemplo vamos a describir a continuación algunos ejemplos de servicios LBS existentes en la actualidad y que incluso se pueden contratar en territorio español. – ViaMichelin Web Services (Francia): Se trata de un proveedor de contenidos turísticos que ofrece al usuario entre otros los siguientes servicios, como siempre en función de su posición actual: localizar diferentes tipos de establecimientos, seleccionar zonas comerciales próximas, visualizar sobre cartografía información de los alrededores. – Nokia Sports Tracker (Finlandia): Es una utilidad basada en seguimiento GPS para dispositivos de Nokia. Se trata de

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realizar un seguimiento de la actividad física del usuario, trazando la ruta recorrida y proporcionando información relativa a la velocidad, la distancia y el tiempo empleado para realizar la actividad. Permite en cualquier momento analizar y compartir todos los datos, tanto de la actividad deportiva como de las rutas asociadas con una red de usuarios predefinidos. – TomTom Mobile (Holanda): Es un servicio que proporciona al usuario información de navegación, mostrando en la pantalla del smartphone un mapa con las instrucciones que debe seguir para llegar al destino indicado. Adicionalmente el servicio calcula el tiempo que se invertirá en realizar la ruta y los puntos de interés cercanos a la ruta que el usuario haya escogido: gasolineras, restaurantes, hoteles, etc. – NTT DoCoMo i-area (Japón): Este servicio se basa en detectar automáticamente la zona en donde se encuentra el móvil del usuario mediante las estaciones base de telefonía, para ofrecer mapas con información personalizada previamente relativa a su posición, como locales de ocio cercanos, estado del tráfico, ubicación de cajeros y alojamientos en la zona, información turística, ubicación y cartelera de los cines próximos, etc. También permite establecer redes sociales y localizar en un mapa a amigos y familiares del cliente, suscritos también al servicio, y que se encuentren próximos a su localización actual.

6.3.2.1. Futuro de las aplicaciones LBS A pesar del momento económico financiero en el que nos encontramos a mediados de 2012, es un buen momento en lo que respecta a los servicios basados en la localización. Existe la infraestructura necesaria, el mercado potencial de usuarios está iden-

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tificado y maduro y los impedimentos para su implantación se conocen y son superables. Una de las claves para la proliferación de dichos servicios podría ser el diseño de aplicaciones específicas para un perfil de cliente previamente identificado y acotado que desarrollará a su alrededor una solución tecnológica y de negocio completa y con un alto valor añadido en el servicio ofrecido. Las innumerables apps (aplicaciones) de servicios de localización aparecidas para los sistemas operativos Android (Google) e iOS (Apple) gratuitas o de un coste muy bajo (menos de 20 euros) ha dinamizado el sector de las aplicaciones LBS, si bien sigue siendo uno de los principales hándicaps que hay que superar el relacionado con garantizar la privacidad y la seguridad de los datos de los usuarios de dichos servicios LBS. Ganar la confianza del futuro cliente es uno de los principales objetivos que tiene el sector de las TIC para que este tipo de servicios eclosionen.

6.4. Aplicaciones de carácter científico La comunidad científica europea está mostrando desde hace unos años un gran interés por organizar la “explotación científica” del sistema europeo de navegación Galileo. Se están organizando periódicamente unos encuentros científicos bienales que constituyen el foro de discusión y de exposición de ideas y proyectos de investigación. Las principales materias de interés han sido clasificadas en los siguientes grupos: – Aspectos relacionados con la navegación de satélites: sistemas geodésicos de coordenadas de referencia, transferencia de patrones de tiempo y frecuencia, marco relativista, relojes a bordo y en tierra, órbitas, entorno de radiación alrededor de la órbita, enlaces entre satélites y parámetros de propagación de señales, incluidas correcciones troposféricas e ionosféricas.

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– Aplicaciones científicas: meteorología, geodesia, geofísica, física del espacio, oceanografía, estudio de la superficie de la Tierra y de ecosistemas, medidas diferenciales, medidas de fase, medidas por ocultación de señales de radio (utilizando receptores situados en tierra, en aviones o en satélites) (Galileo science colloquium en la URL: http://www.congrex.nl/ 09c10/start.asp). – Física fundamental: astronomía, comunicaciones cuánticas y relatividad general utilizando observaciones GNSS. Vamos a ver a continuación unos ejemplos de aplicaciones GNSS de carácter científico, en la línea expuesta en el párrafo anterior, y que como no podía ser de otra forma tienen a la Tierra, y a sus parámetros geométricos y físicos, como centro de dichas aplicaciones.

6.4.1. Captura de datos cartográficos Sin mapas ni cartas de navegación los sistemas GNSS son de muy poca utilidad. Es por ello por lo que el primer uso de los sistemas GNSS es la obtención de mapas digitales de precisión de las vías de comunicación: carreteras, caminos, canales fluviales, vías férreas, etc. Estos mapas serán la base sobre las que se asienten las diferentes aplicaciones y equipos GNSS.

6.4.2. Geodesia y topografía La medida de la Tierra es otra de las iniciales aplicaciones científicas de los sistemas GNSS. La disciplina de la geodesia lideró en

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los inicios de la puesta en operación del sistema GPS, así como la fabricación de receptores GPS de elevada precisión aptos para trabajos geodésicos tanto en posproceso como en tiempo real. La elaboración de catastros, mediante la medición precisa de fincas e incluso la medición de fronteras, han sido algunas de las aplicaciones más habituales de estas áreas.

6.4.3. Sincronización de relojes La posibilidad de disponer de una base de tiempos común global, con una precisión mejor de 50 nanosegundos, ha hecho de los sistemas GNSS el medio idóneo para sincronizar sistemas ubicados en cualquier parte del globo, como por ejemplo: redes de suministro eléctrico, redes de ordenadores o entidades bancarias.

6.4.4. Sismología La aplicación de algoritmos muy especializados y en tiempo real sobre la señal adquirida por un receptor GPS ha permitido estudiar el movimiento de la corteza terrestres antes, después y durante un seísmo, así que ese movimiento puede ser un indicio premonitorio, en algunos casos, de la posible sucesión de un terremoto. Los sismólogos están estudiando la relación que hay entre esos acontecimientos.

6.4.5. Estudio de la ionosfera y de la troposfera Como ya sabemos, las señales de los sistemas GNSS se transmiten desde más de 20.000 km de altura hasta la superficie de la

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Tierra. En su viaje, las señales electromagnéticas atraviesan las diferentes capas de la atmósfer; entre ellas se encuentran la ionosfera y la troposfera. El análisis de las señales recibidas en tierra permite deducir algunos parámetros físicos de dichas capas, pudiéndose obtener datos de, por ejemplo, la densidad de electrones contenida en la ionosfera o de la cantidad de vapor de agua contenida en la troposfera. El conocimiento de estos datos no es baladí, ya que esta información es de gran importancia para los sistemas de posicionamiento de elevada precisión. Si los receptores GNSS introducen en los algoritmos de cálculo de la posición las correcciones ionosféricas y troposféricas correspondientes a su zona, se puede no solo mejorar dicho cálculo sino también evitar posibles pérdidas de datos causadas por las fuertes distorsiones a las que las señales electromagnéticas son sometidas al atravesar esas capas atmosféricas. Existen instituciones y organizaciones internacionales que disponen de redes de estaciones GNSS distribuidas en todo el mundo para la adquisición y distribución de señales GNSS y su posterior procesamiento para obtener modelos de comportamiento de la atmósfera.

6.5. Aplicaciones de carácter gubernamental y militar Finalizaremos la sección de aplicaciones con una breve descripción de algunas aplicaciones militares, que, como sabemos, son la razón de ser original del sistema GNSS americano GPS. Vamos a describir algunas de las aplicaciones militares para las que la utilización del sistema GPS constituye el elemento clave del sistema.

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6,5.1. Gestión de cuerpos de seguridad Los cuarteles generales de los cuerpos de seguridad disponen de salas de control en donde se reciben en tiempo real la posición de recursos humanos y materiales. La gestión de los recursos cuando se dispone de esa información se realiza de una forma más eficiente y organizada, lo cual ahorra costes y tiempo. Estos cuarteles generales pueden ser móviles o fijos y sus prestaciones son mucho más exigentes si son utilizados en una zona de conflicto. Los equipos GNSS utilizados en estas aplicaciones se mueven en circuitos restringidos al círculo militar y alejados de los mercados de consumo.

6.5.2. Gestión de equipos de trabajo en caso de emergencias Esta es la aplicación de uso civil más habitual de los equipos e infraestructuras diseñadas para uso militar. Las situaciones extremas a las que puede someterse una población civil tras una catástrofe, ya sea de carácter natural o antropogénica, son similares a las situaciones bélicas para las cuales los sistemas militares han sido diseñados. Por este motivo, cada año estos sistemas GNSS ayudan a salvar un gran número de vidas humanas a pesar de que, por otra parte y en otros escenarios, esos mismos sistemas ayudan también a destruirlas.

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6.5.3. Descubrimiento de carreteras cubiertas por completo por la nieve La combinación de equipos GNSS y de SIG permite utilizarlos conjuntamente y en tiempo real para encontrar carreteras cubiertas por la nieve. Su utilidad es evidente: evitar la inmovilización de una columna de vehículos cuyo retraso en llegar al objetivo es decisivo en operaciones tácticas militares.

6.5.4. Guiado de misiles y de armamento en general Esta es la más mortífera de las aplicaciones militares. Por extensión, también lo son el guiado automático de cualquier arma con capacidad destructiva. Sistemas de posicionamiento y navegación miniaturizados se disponen en el interior de proyectiles o vehículos no tripulados de todo tipo, pudiendo reducir su error de apuntamiento a valores centimétricos.

6.5.5. Guiados de UAV Los UAV (del inglés Unmanned Aerial Vehicles o vehículos aéreos no tripulados) son pequeños aviones teledirigidos cuya misión suele ser la de observación y captura de datos de territorios que por su difícil acceso por tierra tienen la vía aérea como único recurso para su vigilancia. Un UAV incorpora una unidad de posicionamiento y de navegación que le permite ser autosuficiente para realizar una misión de observación o bien ser telecontrolado en tiempo real desde

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cualquier lugar, gracias a los avanzados sistemas de telecomunicaciones que llevan a bordo. Estos aviones, cuya envergadura puede oscilar entre pocos centímetros y decenas de metros, van equipados con una gran variedad de sensores (infrarrojos para visión nocturna, meteorológicos, etc.), cámaras fotográficas y de vídeo, radares, etc., y gracias a los sistemas de telecomunicación integrados (vía satélite o vía radio terrestre) pueden transmitir en tiempo real los datos adquiridos a un centro de mando y control desde donde se tomaran las decisiones convenientes.

6.5.6. Gestión de recursos humanos en el campo de batalla Como ya hemos mencionado, el teatro de operaciones conforma el escenario más exigente en lo que a las aplicaciones miliares se refiere. Los equipos GNSS que se diseñan para estos propósitos han de soportar unas condiciones de funcionamiento extremas tanto físicas como químicas: grandes aceleraciones y vibraciones, golpes bruscos, sumergimiento en líquidos, el paso de altas a bajas temperaturas o viceversa en un lapso de breve de tiempo, atmósferas corrosivas, etc.

6.6. Aplicaciones creativas Vamos a abordar a continuación un conjunto de aplicaciones que por su variedad y carácter innovador permiten agruparlas en un grupo al que denominamos aplicaciones creativas.

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6.6.1. Aplicaciones para combatir el cambio climático Quizás una de las aplicaciones que mejor puede ayudar a combatir el cambio climático desde su origen, es decir, evitando la generación de gases de efecto invernadero (CO2) es el uso de navegadores personales en los vehículos tanto profesionales como domésticos. Estudios recientes realizados en Alemania y en EE.UU. han demostrado que dichos sistemas ahorran tiempo en la realización de los trayectos, acortan la distancia recorrida y por consiguiente ahorran gasolina. En consecuencia y como beneficio social al uso de dichos navegadores se puede obtener un ahorro económico para las empresas y para los particulares que los utilicen y, como contrapartida medioambiental, una menor generación de gases de efecto invernadero.

6,6.2. Seguimiento de animales Este tipo de aplicaciones tiene un precedente a las soluciones GNSS constituido por equipos basados en el sistema ARGOS. En la actualidad, la miniaturización de los equipos permite instalar equipos a una gran variedad de animales y permitir conocer a los biólogos-etólogos en tiempo real la situación de los animales marcados, esto permite realizar estudios cada vez más precisos de los movimientos estacionales, los hábitos de alimentación, etc. que realizan los diferentes grupos de animales controlados. La ganadería bovina más avanzada permite utilizar equipos GNSS adheridos por ejemplo a vacas, para controlar todos sus parámetros vitales e industriales: kilómetros recorridos cada día, litros de leche producidos, variación de peso diaria, ingestión de agua

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diaria, horas en reposo y en movimiento, etc. Similares aplicaciones pueden realizarse para ganadería ovina, porcina o caprina.

6,6.3. Seguimiento de icebergs La navegación marítima se ve frecuentemente amenazada por el desprendimiento de bloques de hielo de los casquetes polares que las corrientes marinas desplazan hacia zonas de tránsito de buques de carga o de pasajeros. Instalando un sistema GNSS en los bloques de hielo y utilizando comunicaciones vía satélite se puede llegar a alertar a los barcos del acercamiento de dichos bloques de hielo a las rutas y desviar los buques adecuadamente.

6.6.4. Guiado de personas ciegas Disponer de sistemas personales portátiles que permitan moverse con precisión a una persona visualmente impedida en un entorno urbano o rural es una de las aplicaciones más perseguidas por el colectivo de invidentes. Si bien no existe en el mercado ningún equipo de estas características se han realizado diferentes investigaciones y desarrollos al respecto. Entre ellos, el sistema TORMES desarrollado por la empresa española GMV constituye un buen ejemplo (Tormes en la URL: www.gmv.es/sanidad/sistemas_ayuda_discapacitados.htm). El gran problema que hay que resolver es garantizar que la precisión de la señal de posicionamiento recibida permanezca dentro de los márgenes de trabajo necesarios durante el tránsito de una persona por las calles de una gran ciudad. Las considera-

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bles alturas de los edificios ocasionan que las ocultaciones de los satélites GNSS sean constantes y por consiguiente la solución de posicionamiento obtenida tenga un gran error. En estos casos el usuario no puede estar seguro de si está caminando por el medio de la acera o por el medio de la calzada. La puesta en marcha de las nuevas constelaciones GNSS permitirá mitigar la falta de señales en los cañones urbanos y disponer de muchas más señales de navegación para calcular una posición de gran precisión.

6.6.5. Seguimiento de niños en un parque de atracciones Si bien esta aplicación no requiere estrictamente de sistemas GNSS, es un buen ejemplo de aplicaciones que utilizan sistemas de posicionamiento basados en elementos RFID o DSRC de bajo consumo y de tamaño muy reducido. Una simple pulsera puede contener un elemento electrónico pasivo, denominado tag, identificado con los datos del niño. El paso de la pulsera por los elementos de detección distribuidos en el parque temático indican al centro de control la posición del niño, con lo que se pueden prevenir en algunos casos acciones peligrosos para ellos, como podría ser el acceso a atracciones prohibidas para su edad, el acceso o la intención de acceso a las salidas del recinto, etc.

6.6.6. Seguimiento de pacientes con Alzheimer La miniaturización conseguida en los receptores GNSS ha permitido generar equipos de muy bajo consumo y tamaño. Estos equipos pueden ser utilizados para localizar a pacientes con la enfer-

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medad de Alzheimer que pierden el sentido de la orientación y que, a menudo, aparecen sin vida días o semanas después de su desaparición en lugares insospechados como garajes, trasteros o lugares públicos de poco tránsito. Estos sistemas GNSS miniaturizados pueden ayudar a localizar a estas personas antes de que sea demasiado tarde.

6.6.7. Protección de mujeres víctimas de la violencia doméstica El grupo social formado por las mujeres víctimas de la violencia doméstica también ha sido motivo de aplicación de soluciones geotelemáticas. Las mujeres afectadas utilizan teléfonos móviles con GPS integrado para ser localizadas en cualquier momento desde un centro de control. A su vez el agresor dispone de un equipo similar. En el centro de control se conocen las dos posiciones y se vigila que dichas posiciones no estén por debajo del límite de alejamiento establecido por los tribunales. En caso de emergencia, los teléfonos disponen de un botón que al ser presionado envía un SMS de alerta al centro de control y establece una llamada de voz con el centro. Desde el centro se puede realizar un seguimiento auditivo de lo que le está sucediendo a la víctima en ese momento y el sonido recibido queda registrado para su posterior revisión.

6.7. Terminales avanzados con sistemas GNSS Están disponibles en el mercado un conjunto de terminales electrónicos que bajo diferentes denominaciones: smartphones (teléfonos inteligentes), tablets (agendas personales), teléfonos avan-

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zados, etc., integran receptores GNSS y son objeto de atención de empresas desarrolladoras de servicios y aplicaciones para usuarios finales. Estos terminales integran entre sus prestaciones WiFi, Bluetooth, cámara de hasta 7M píxeles, sensor de luz, acelerómetro, giróscopos, GPS y conectividad a la red 3G en alguna o varias de sus posibilidades, por ejemplo, HSDPA categoría 8, HSUPA categoría 5 o UMTS 2100/1900/850 MHz.

Figura 33. Terminales basados en la plataforma Android: Motorota CLIQ (izquierda), LG-GW620 (centro) y Hacer Liquid (derecha).

Entre este tipo de terminales es de destacar la iniciativa de Google de promoción y creación de una plataforma, o sistema operativo, denominada Android diseñada especialmente para desarrollar sobre ella aplicaciones de movilidad de todo tipo. Hay en el mercado una gran variedad de equipos basados en dicha plataforma de los fabricantes Motorota, LG y Hacer, Samsung, etc. En la misma línea que mantiene Google de creación de nuevas aplicaciones basadas en GNSS, Apple lanzará en el próximo mes de julio de 2012 la aplicación Maps en la cual participa Tom Tom. Maps es una nueva aplicación de navegación basada en mapas

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Figura 34. Algunas de las cientos de apps de localización GNSS disponibles para Android: mapFactor, GPS Essentials y Marine Debrise Tracker.

3D que Apple ha desarrollado desde cero, con nuevas funcionalidades, entre ellas Find my Friends, para localizar amigos y familiares, Find my iPhone, para localizar el iPad o el iPhone extraviado, Traffic, con información en tiempo real del tráfico para calcular rutas entre puntos y guiado por voz en la navegación.

Figura 35. New iPad I iPhone con una de las aplicaciones basadas en Maps. (Fuente: Apple)

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Los juegos y aplicaciones para Apple basados en GNSS son muy numerosos.

Figura 36. Foursquare (izquierda) es un servicio social de geolocalización móvil. Run keeper (derecha), aplicación para registrar todos los datos del entreno de corredores urbanos.

Figura 37. La aplicación iGPSGIS II de Corvallis Microtechnology para iPhone es una aplicación de adquisición de datos con características de sistema de información geográfico (SIG), con una gran variedad de aplicaciones, tales como gestión de recursos, agricultura, datos forestales, arqueología y utilidades.

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El fabricante americano Trimble lanzó al mercado a principios de 2009 el terminal denominado YUMA. Se trata de un or-

Figura 38. Terminal Trimble Yuma. (Foto cortesía de Trimble)

denador robusto, del tipo tablet, con GPS integrado y diseñado especialmente para trabajo SIG en campo, servicios públicos o para aplicaciones geográficas militares. Diseñado según normas militares de diseño, sus características son excepcionales. Soporta caídas, vibraciones y humedad del 100%; su rango de temperatura va de -30 a 60o C y es impermeable al polvo y al agua. Dispone también de Wi-Fi, Bluetooth, ranura para tarjetas SD, 2 cámaras y un disco duro de estado sólido de 32 Gbytes. Su pantalla táctil de 7 pulgadas permite disponer de buena visibilidad aun con incidencia directa de luz solar. Durante el año 2012 diversos fabricantes han lanzado o lanzarán al mercado nuevos terminales de mano especialmente preparados para trabajar en condiciones ambientales muy duras. A continuación se muestran algunos de ellos. Durante el tercer trimestre el fabricante Juniper Systems lanzará al mercado el modelo Rampage 6 (izquierda en la foto de la página siguiente) con sistema operativo Android (AOSP) 2.3. El fabricante chino CHC entra también en el mercado de los SIG en abril de 2012 con la serie de terminales LT30 GPS/GIS con una muy

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buena relación entre calidad, precio y prestaciones (derecha en la foto), siendo compatible con ESRI’s ArcGIS™ para móvil y ArcPad™, dos estándares del mercado en sistemas SIG.

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El futuro de los sistemas GNSS

Capítulo VI


Nos encontramos en estos años en una situación histórica en el desarrollo de los sistemas de navegación por satélite: nunca, hasta el momento, ha habido tantos satélites de navegación como ahora y aún está previsto que aumente su número en los próximos años. Están operativos 2 sistemas de cobertura global (GPS y GLONASS), diversos sistemas de aumentación regional (WAAS, MSAS, EGNOS, SBAS –ruso–, Beidou I y II, QZSS) y nuevos sistemas regionales que se desplegarán próximamente, 2 nuevos sistemas globales estarán operativos en menos de 5 años (GALILEO y COMPASS). Sin hablar de los innumerables sistemas locales (GBAS, LAAS) que hay instalados y que se instalarán próximamente en las cercanías de aeropuertos, puertos, zonas urbanas e infraestructuras de transporte de interés. En menos de 10 años, el número de señales de navegación que habrá disponibles libre y gratuitamente en cualquier lugar de la superficie de la Tierra alcanzará la centena. Probablemente, conjuntamente con las señales de televisión por satélite y de las señales de las redes de telefonía móvil por satélite, las señales de navegación serán las señales con mayor cobertura del planeta. Podremos disponer entonces de una capacidad de posicionamiento, de navegación y de sincronización de relojes impensable hace

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unos pocos años atrás. La hibridación de tecnologías (nanotecnología, grafenos…) permitirá que la miniaturización de dispositivos para recibir estas señales alcance cotas sorprendentes, además de permitir su integración con sistemas de posicionamiento complementarios (p. ej. inerciales). Aparecerán aplicaciones de localización y posicionamiento que todavía nadie hoy ha podido imaginar para su uso tanto en espacios abiertos como en el interior de edificios o infraestructuras cubiertas. Quizás cualquier objeto o persona disponga de un sistema integrado de localización en miniatura que le permita ser localizado en cualquier lugar y en cualquier momento. Se acabarán entonces las dudas de dónde hemos dejado las llaves o la tarjeta de crédito (aunque quizás para entonces tampoco hagan falta ninguna de las dos cosas). Quizás en las próximas décadas, igual que se unificarán o estandarizarán globalmente otros aspectos de las actividades humanas (p. ej. el tráfico aéreo o el marítimo, la unidad monetaria mundial, etc.), presenciaremos también la unificación de los sis-

Figura 39. El futuro nos depara receptores GNSS multiconstelación. (Fuente: CAE-NAE GNSS Workshop May 2011)

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temas de navegación por satélite y se darán las circunstancias para que se forme la UGO (del inglés United GNSS Organization), la organización mundial de los sistemas GNSS, debido al hecho de que el posicionamiento constituya una necesidad imprescindible para las actividades humanas, como lo son el agua, la energía y la telecomunicación, y por tanto se tengan que garantizar el funcionamiento de las infraestructuras espaciales y terrenas que hacen posible dichos servicios en todo el mundo. Será interesante poder vivir de cerca estos acontecimientos, ya sea como usuario, como profesional o como curioso espectador, que deparan para el amplio sector de las aplicaciones de localización y de posicionamiento un próspero futuro.

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154 Intr. a los sistemas de navegación... El futuro154 de los sistemasElGNSS futuro de los sistemas GNSS

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Siglas y acrónimos

Siglas y acrónimos

A-GNSS

Assisted GNSS

GNSS asistido

AIS

Automatic Identification System

Sistema Automático de identificación

AOA

Angle of arrival

Ángulo de llegada

ARGOS

Advanced Research and Global Observation Satellite

Satélite para la observación y la investigación de la Tierra

ATM

Air Trafic Management

Gestión del tráfico aéreo

BBDD

Database

Bases de datos

CC

Control Centre

Centro de control

CCF

Central Control Facility

Centro de Control Central

CID o CELL ID

Cell Identification

Identificación de celda

COO

Cell of origin

Celda de origen

COSPAS/SARSAT Cosmitscheskaja Sistema Organización SAR Poiska Awarinitsch Sudow internacional (ver SAR) (Russian: space system for search of vessels in distress)/ Search And Rescue Satellite Aided Tracking CPF

Central Processing Facility

Centro de Proceso de datos

CPU

Central Processing Unit

Unidad central de proceso

CS

Commercial Service

Servicio Comercial de Galileo

DAB

Digital Audio Broadcast

Difusión de audio digital o también denominada radio digital

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DASS

Distress Alerting Satellite System

Sistema de alerta de socorro por satélite

DSRC

Dedicated Short Range Communication

Comunicación de corto alcance

EC

European Commission

Comisión Europea

EGA

European GNSS Agency

Agencia Europea de los sistemas GNS

EGNOS

European Geostationary Navigation Overlay Service

Servicio europeo de aumentación para la navegación basado en satélites geoestacionarios

E-OTD

Enhanced Observed Time Difference

Observación de la diferencia de tiempo mejorada

ESA

European Space Agency

Agencia Espacial Europea

EU

European Union

EE.UU.

Unión Europea Estados Unidos de América

EWAN

EGNOS Wide Area Network

Red ed área extendida para EGNOS

FM

Modulated Frequency

Frecuencia modulada

FTP

File Transfer Protocol

Protocolo de transferencia de archivos

GAGAN

GPS and GEO Augmented Navigation

Navegación GPS con aumentación basada en satélites geoestacionarios

GBAS

Ground Based Augmentation System

Sistema de aumentación basado en tierra

GEO

Geosynchronous Earth Orbit

Órbita terrestre geoestacionaria

GIOVE

Galileo In Orbit Validation Element

Elemento de validación en órbita para Galileo

GLONASS

Global’naya Navigatsionnaya Sputnikovaya sistema o Global Navigation Satellite System

Sistema Sistema de navegación global por satélite

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Siglas y acrónimos

GNSS

Global Navigation Satellite System

Sistema global de navegación por satélite

GPRS

General Packet Radio Services

Servicios generales de radio por paquetes

GPS

Global Positioning System

Sistema de posicionamiento global

GSA

European GNSS Supervisory Authority

Autoridad Europea supervisora de los sistemas GNSS europeos

GSM

Global System for Mobile communications

Sistema global de comunicaciones móviles

GSTB V1

Galileo System Test Bed V1

Test de base para el sistema Galileo Versión 1

GT

Gross Tonnage

1 GT equivale aproximadamente a 1.187 m3 de capacidad

HSPA

High Speed Packet Access

Acceso de paquetes de alta velocidad

HTTP

Hypertext Transfer Protocol

Protocolo de transferencia de hipertexto

HTTPS

Hypertext Transfer Protocol Secure

Protocolo “seguro” de transferencia de hipertexto

I/O

Input/Output of dates

Entrada/Salida de datos

ILS

Instrument Landing System

Sistema instrumental de aterrizaje

INS

Inertial Navigation Systems

Sistemas de navegación inercial

ISS

International Space Station

Estación espacial internacional

ITS

Intelligent Transportation Systems

Sistemas inteligentes de transporte

IVS

In-Vehicle Signing

Señalización en el interior del vehículo

IP

Índice de protección

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JPALS

Joint Precision Approach and Landing System

Sistema conjunto de precisión para la aproximación y el aterrizaje

LBS

Location Based Services

Servicios basados en la localización

LAAS

Local Area Augmentation System Sistema local de aumentación GNSS

LED

Light Emitting Diode

Diodo emisor de luz

LEO

Low Earth Orbit

Órbita terrestre de altura baja

Loran C

Long Range Radio Aid to Navigation C

Radio Ayuda de largo alcance para navegación Versión C

M2M

Machine to Machine

Protocolo de comunicaciones de máquina a máquina

MCC

Master Control Center

Centro de control principal

MEO

Medium Earth Orbit

Órbita terrestre de altura media

MSAS

Multi-functional Satellite Augmentation System

Sistema de aumentación por satélite multifuncional

NASA

National Aeronautics and Space Administration

Administración nacional de la aeronáutica y del espacio

NAVSTAR GPS

Navigation System with Timing and Ranging Global Positioning System

Sistema de posicionamiento global y sistema de navegación con sincronización y medida de distancia

NLES

Navigation Land Earth Station

Estación terrena para navegación terrestre

OMEGA

Optimized Method for Estimated Método optimizado Guidance Accuracy VLF para guiado Navigation System aproximado basado en un sistema de navegación VLF

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Siglas y acrónimos

OP

Open Service

Servicio abierto o libre de Galileo

PC

Personal Computer

Ordenador personal

PMR

Private or Professional Mobile Radio

Radio móvil privada o profesional

PoI

Point of Interest

Punto de interés

PPP

Public Private Partnership

Sociedad participada por el sector público y el privado

PPS

Precise Positioning Service GPS

Servicio de posicionamiento preciso GPS

PRS

Public Regulated Service

Servicio público regulado de Galileo

RAID

Redundant Array of Inexpensive Disks

Conjunto redundante de discos baratos, o también conjunto redundante de discos independientes

RFID

Radio Frequency Identification

Identificación por radiofrecuencia

RIMS

Ranging and Integrity Monitoring Station or Remote Integrity Monitoring Station

Estación de medida de distancias y de monitoreo de la integridad o estación remota para el monitoreo de la integridad

SA

Selective Availability

Disponibilidad selectiva

SAE

Geographic Information System (GIS)

Sistemas de ayuda a la explotación

SAR

Search and Rescue

Servicio de búsqueda y rescate (también servicio ofrecido por Galileo)

SBAS

Satellite Based Augmentation System

Sistema de aumentación basado en satélites

SDCM

System for Differential Corrections and Monitoring

Sistema para monitoreo y generador de Correcciones diferenciales

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SESAR

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Single European Sky ATM Research

SIG

Investigación en ATM y espacio aéreo único europeo Sistema de información geográfico

SIT

Intelligent Transportations Systems (ITS)

Sistemas Inteligentes de Transporte

SMTP

Simple Mail Transfer Protocol (internet email)

Protocolo simple para transferencia de correo electrónico por internet

SoL

Safety of Life

Servicio de integridad de Galileo

SPE

Signal Pre-Emption

Aviso de ocupación de la vía

SPS

Standard Positioning Service GPS Servicio de posicionamiento estándar GPS

SS

Space Segment

Segmento espacial

SSH

Secure Shell

Conjunto de comandos para realizar comunicaciones seguras en Unix

SVW

Signal Violation Warning

Advertencia de incumplimiento de la señalización

TCP-IP

Transmission-ControlProtocol-Internet Protocol

Protocolo de control de transmisión Protocolo de internet)

TDOA

Time Difference of Arrival

Diferencia en el tiempo de llegada

TETRA

Trans European Trunked Radio

Sistema de comunicaciones vía Radio Trunking de alcance transeuropeo

TG

Geotelematic Terminal

Terminal geotelemático (TTGG en plural)

UHF

Ultra High Frequency

Frecuencia ultraalta

UMI

Inertial Measurement Unit

Unidad de medida inercial

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UMTS

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Universal Mobile Telecommunications System

URSS

Siglas y acrónimos

Sistema universal de telecomunicaciones móviles Unión de Repúblicas Socialistas Soviéticas

UWB

Ultra Wide Band

Banda ultraancha

VHF

Very High Frequency

Frecuencia muy alta

VLF

Very Low Frequency

Frecuencia muy baja

VOR/DME

Very High Frequency, Omnidirectional Ranging/ Distance Measuring Equipment

Equipo de alcance omnidireccional de frecuencia muy alta y medida de distancia

VPN

Virtual Private Network

Red privada virtual

WAAS

Wide Area Augmentation System Sistema de aumentación de gran alcance

Wi-Fi

Wireless Fidelity

Ver WLAN

WIMAX

Worldwide Interoperability for Microwave Access

Grupo de trabajo para interoperabilidad para acceso a las comunicaciones de microondas de banda ancha

WLAN

Wireless Local Area Network

Red inalámbrica de área local

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Efemérides relevantes...

Efemérides relevantes de los sistemas de posicionamiento y navegación

Fecha 1761

País GB

1940

EEUU

04/10/1957

URSS

Efemérides El carpintero británico John Harrison construye la cuarta versión de su cronometro marino, el H-4, solucionando definitivamente la difícil tarea de conocer la longitud en las travesías oceánicas con un error menor de o, 5 grados. El cronómetro pesaba 1450 g y tenía 13 cm de diámetro. El MIT (Massachusetts Institute of Technology) desarrolla el sistema LORAN (Lon Range Navigation), primer sistema que utiliza señales de radio para calcular la posición. Se utilizó durante la segunda guerra mundial. Actualmente el sistema se denomina LORAN-C, evolución de la versión anterior LORAN –A) y próximamente se desplegará el ELORAN, mejora del LORAN-C. La Unión soviética lanza el Sputnik I, el primer satélite artificial de la historia.

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1960’

EEUU

1971

EEUU

14/12/1973

EEUU

22/02/1978

EEUU

1970-1980

URSS


Se pone en marcha el sistema de posicionamiento por satélite TRANSIT. El sistema se basaba en la medida del efecto doppler de la señal transmitida, por 5 satélites en órbita polar, por receptores situados en tierra. Sus principales usuarios fueron submarinos y barcos militares en altamar. El sistema fue desarrollado por el Laboratorio de Física Aplicada de la Universidad Johns Hopkins. El sistema dejó de funcionar en 1996. Entra en funcionamiento el primer sistema de posicionamiento realmente global. Denominado OMEGA, se dedicó a aplicaciones aeronáuticas militares hasta 1997, fecha en que se desactivó. El Departamento de Defensa de EEUU aprueba iniciar su programa de GNSS al que denominaron GPS (Global Positioning System). Se pone en órbita el primer satélite de la constelación GPS. En 1994 se disponían ya en órbita de 24 satélites, que es el número mínimo de satélites necesario para disponer de servicio de posicionamiento en toda la superficie de la tierra. La Unión Soviética desarrolla el sistema TSIKADA, equivalente al americano TRANSIT. Empiezan a desarrollar también su programa de GNSS que dará lugar años después al sistema GLONASS.

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1982

URSS

1990’

EEUU

01/09/1993

Rusia

1994

China

1999

UE

2000

China

01/05/2000

EEUU

2003

EEUU


Lanzamiento del primer satélite GLONASS. La FAA americana (Administración Federal de Aviación) pone en marcha el sistema de aumentación WAAS. Boris Yeltsin anuncia que el sistema GLONASS está completamente operativo y disponible gratuitamente para todo el mundo. El gobierno chino autoriza el desarrollo del sistema de navegación por satélite Beidou. El Parlamento Europeo decide llevar adelante el programa GNSS para Europa. El primer resultado del programa será el sistema de aumentación EGNOS y posteriormente el inicio del desarrollo del sistema Galileo. Se lanzan los dos primeros satélites del sistema GNSS Chino Beidou. El presidente Bill Clinton de acuerdo con el Departamento de Defensa americano elimina la degradación del sistema GPS denominada Disponibilidad Selectiva (S/A). Este hecho marca un hito en la disponibilidad y accesibilidad a la señal de navegación del sistema GPS para todos los usuarios, abriendo la puerta a nuevas aplicaciones impensables con la S/A activa. La FAA autoriza el uso del sistema WAAS como instrumento de vuelo a bordo de las aeronaves comerciales y civiles.

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28/12/2005

UE

2006

UE

19/09/2007

EEUU

27/09/2007

Japón

27/04/2008

UE


Se lanza el primer satélite experimental del Programa Europeo Galileo, el GIOVE A. Fue desde Baikonur y con un cohete Soyuz. El satélite GIOVE A (Galileo In-Orbit Validation Element) tienen como misión principal empezar a transmitir las frecuencias de navegación que utilizará el sistema Galileo, con la nueva señal modulada BOC(Binary Offset Carrier) diseñada para disponer de posicionamiento con altas prestaciones. El Galileo Joint Undertaking (GJU) pone a disposición del público el ICD (Interface Control Document) de la señal abierta del sistema Galileo, permitiendo así que fabricantes de equipos empiecen a diseñar los futuros receptores del sistema Galileo. La Casa Blanca decide eliminar de la futura generación de satélites GPS, los GPS-III, la posibilidad de degradar la señal de navegación. El sistema SBAS japonés, el MSAS, queda certificado para su uso en aviación civil. Se lanza con un cohete Soyuz desde Baikonur el segundo satélite experimental del Programa Europea Galileo, el GIOVE B. Su misión era poner a prueba los relojes atómicos que han de llevar los futuros satélites de Galileo. Entre ellos el primer reloj atómico basado en un oscilador máser de hidrógeno del tipo pasivo.

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01/10/2009

UE

11/09/2010

Japón

02/03/2011

UE

21/10/2011

UE

08/12/2011

Rusia

11/12/2011

Rusia


El sistema EGNOS entra en fase operativa. Se pone en órbita el primer satélite japonés del sistema QZSS, denominado Michibiki I. El sistema EGNOS queda certificado para su uso en aviación civil. Lanzamiento desde Kourou (Guyana francesa) de los dos primeros satélites que formaran la constelación Galileo. Se utilizó para ello un cohete Soyuz, que también fue la primera vez que se lanzaba fuera de territorio ruso. Los satélites fueron puestos en órbita a 23.600 km de altitud. Después de 15 años la constelación GLONASS cuenta desde esta fecha con 24 satélites en órbita y es completamente operacional en todo el planeta. En 1996 GLONASS completó por primera vez la constelación con 24 satélites pero debido a las dificultades económicas del gobierno Ruso unidas al tiempo de vida limitado de los satélites Glonass, la constelación se fue, poco a poco, degradándose. En 2002 el gobierno Ruso se comprometió a poner operativo de nuevo el sistema y que fuera comparable en prestaciones al sistema GPS. Se lanza el satélite LUCH 5A, primer satélite del sistema SBAS Ruso denominado SDCM.

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12/10/2012

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UE


Lanzamiento desde Kourou (Guyana francesa) del tercer y cuarto satélite que formaran la constelación Galileo. Se utilizó un cohete Soyuz ST-B. Los satélites fueron puestos en órbita a 23.600 km de altitud. Los primeros 4 satélites Galileo fueron construidos por la división ASTRIUM de EADS y se utilizaran para completar la fase IOV n(in-Orbit validation) del sistema Galileo.

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Referencias bibliográficas

Referencias bibliográficas

El-Rabbany, Ahmed (2006). Introduction to GPS: The Global Positioning System (2a ed.), Ed. Artech House (230 págs.). Graves, Paul D. (2008). Principles of GNSS, Initial and multisensor integrated navigation systems (1ªed.) Artech House Pubishers (528 págs.). Grewal, Mohinder S.; Weil, Lawrence R.; Andrews, Angus P. (2007) Global Positioning Systems, Inertial navigation and Integration (1ª ed.). ED. Jonh Wiley & Son (525 págs.). Hofmann-Wellenhof, Bernhard; Herbert Lichtenegger; Elmar Wasle (2007). GNSS: GPS, Glonass, Galileo and more. Ed. Springer Wien, (516 págs.). Jacobson, L. (2007). GNSS Markets and Applications (GNSS Technology and Applications). Norwood (EUA)/Londres (RU) Artech House Publishers. Kaplan, Elliott D.; Christopher J. Hegarty (2005). Understanding GPS: Principles and Application, (2 a ed.). Boston (EE.UU.), Ed. Artech House (703 págs.). Kolodziej, Krzysztof W.; Hjelm, Johan, (2006). Local Positioning Systems. LBS aplications and Services (1ª ed.) Ed. CRC Press (63 págs.). Longley, Paul A.; Goodchild, Michael F.; Macguire, David J.; Rhind, David W. (2005). Geographic Information systems and Science, Ed. Wiley.

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Referencias en internet


Enlaces a páginas web relacionadas con la temática GNSS

NAVIPEDIA Esta web puesta en la red por la ESA en abril de 2012, está escrita y revisada por expertos del sector GNSS. Contiene información contrastada útil tanto para profesionales del sector como para educadores, estudiantes o interesados en la temática GNSS. http://www.navipedia.net/index.php/Main-Page Información de GALILEO http://ec.europa.eu/transport/galileo/ http://www.esa.int/esaNA/index.html http://www.gsa.europa.eu/ Información de GPS http://gps.faa.gov http://www.wowinfo.com/gps http://www.colorado.edu/geography/gcraft/notes/gps/gps.html

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Información de GLONASS http://www.glonass-ianc.rsa.ru

Información de COMPASS http://www.sinodefence.com/space//spacecraft/beidou1.asp http://www.sinodefence.com/space//spacecraft/beidou2.asp http://www.dragoninspace.com/navigation/beidou.aspx

Información de QZSS http://www.jaxa.jp/projects/sat/qzss/index_e.html

Información de sistemas de aumentación EGNOS http://www.esa.int/esaNA/egnos.html http://www.egnos-pro.esa.int/index.html http://www.essp-sas.eu http://www.essp.be/ http://ec.europa.eu/transport/egnos http://www.gsa.europa.eu/go/egnos WAAS http://www.nstb.tc.faa.gov http://www.nstb.tc.faa.gov/RT_VerticalProtectionLevel.htm. FAA website. MSAS http://www.kasc.go.jp/MSAS/index_e.html OMNISTAR http://www.omnistar.com

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Asociaciones profesionales RTCM Radio Technical Commission on Maritime Services http://www.rtcm.org RTCA Radio Technical Commission on Aviation http://www.rtca.org NMEA National Marine Electronics Association http://nmea.org IGS International GPS Service http://igscb.jpl.nasa.gov IAIN International Association of Institutes of Navigation http://www.iainav.org/ IAG International Association of Geodesy http://www.iag-aig.org/ ION Institute of Navigation http://www.ion.org DGON German Institute of Navigation http://dgon.de AGU American Geophysical Union http://www.agu.org

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Organismos públicos U.S. DoT- Department of Transportation http://www.dot.gov CAASD - Center for Advanced Aviation System Development http://www.caasd.org NASA’s GPS applications Exchange http://gpshome.ssc.nasa.gov

Universidades y centros de investigación UNIV OF ARKANSAS Centre for Advanced Spatial Technologies GPS Program http://castweb.cast.uark.edu/home/research/geomatics/ global-positioning-system-gps.html UNIVERSIDAD DE CALGARY Department of Geomatics Engineering http://www.geomatics.ucalgary.ca/ University of New Brunswick (UNB) Geodetic Research Laboratory http://www.unb.ca/ Department of Geodesy and Geomatics Engineering http://gge.unb.ca/HomePage.php UNAVCO University NAVSTAR Consortium http://www.unavco.org/aboutus/aboutus.html

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Fabricantes de chipsets GPS SIRF http://www.sirf.com/ U-BLOX http://www.u-blox.ch FASTRAX http://www.fastraxgps.com EVERMORE http://www.emt.com.tw/webPage/ MICRO MODULAR TECHNOLOGIES http://www.micro-modular.com

Fabricantes de receptores GNSS NOVATEL http://www.novatel.ca GARMIN http://www.garmin.com/garmin/cms/site/us TRIMBLE http://www.trimble.com/index.aspx LEICA http://www.leica-geosystems.com/en/index.htm MAGELLAN http://www.promagellangps.com/en/ SEPTENTRIO http://www.septentrio.com JAVAD http://www.javad.com/jgnss/ TOPCON http://www.topconsolutions.com

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Fabricantes de equipos con aplicaciones GNSS SUUNTO http://www.suunto.com SPOT http://www.findmeSPOT.com COMPEGS (faricante español) http://www.CompeGPS.com

Actividades periódicas relacionadas con GNSS European Satellite Navigation Competition: Competición anual que premia a las mejores ideas que utilizan los sistemas GNSS, priorizando a EGNOS y al futuro Galileo. Próxima edición durante el primer semestre del 2013. http://www.galileo-masters.eu NAVITEC: Workshop sobre tecnologías de navegación por satélite que organiza anualmente ESTEC (European Space Research and Technology Centre) centro perteneciente a la ESA, desde hace 6 años. El del año 2012 estará dedicado a señales GNSS y al procesado de señal de dichas señales, del 5 al 7 de Diciembre de 2012. http://congrexprojects.com/12c13/introduction Munich Navigation Satellite Summit: Conferencia internacional que tiene lugar en Munich anualmente con impacto global en el sector, al cual asisten ponentes de primera línea del sector industrial, científico y político. Próxima edición del 26 al 28 de Febrero del 2013. http//www.munich-satellite-navigation-summit.org

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China Satellite Navigation Conference: Conferencia y feria de productos internacional que tendrá lugar en China en Mayo de 2013 cuyo tema principal serán las aplicaciones para el nuevo sistema GNSS Chino, el BEIDOU. http://www.beidou.org/english/paper/index.asp ION: El Instituto de Navegación americano organiza anualmente tres reuniones técnicas en EEUU, donde se encuentran los profesionales de todas las áreas relacionadas con el posicionamiento y la navegación por satélite. http://www.ion.org/meetings/ Trimble DIMENSIONS: Conferencia Internacional de usuarios Trimble. El fabricante norteamericano de productos de posicionamiento Trimble, organiza periódicamente encuentros donde realiza sesiones técnicas donde exhibe sus último productos y aplicaciones y realiza demostraciones conjuntamente con sus empresas asociadas: Accubid, Applanix, Meridian Systems, OmniStar, Pacific Crest, PeopleNet, Plancal, QuickPen y Tekla. http://www.trimbledimensions.com/ ICG (International Committee on GNSS): El comité Internacional de GNSS es una asociación respaldada por las Naciones Unidas que tiene como objetivos promocionar actividades entre sus países miembros, conseguir la interoperabilidad entre todos los sistemas GNSS, generar sinergias entre proveedores de GNSS y la ICAO(International Civil Aviation Organization), ITU(International Telecommunication Union) y IMO(International Maritime Organization) y ayudar a los países en desarrollo a integrar en sus infraestructuras los servicios GNSS (posicionamiento, navegación y tiempo). Sus conferencias tienen lugar cada año en un país diferente. http://www.icg2012.cn/index.php?p=General%20Information

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CERGAL (Simposium Internacional de certificación de sistemas y servicios GNSS): CERGAL es uno de los múltiples congresos organizados por el Instituto Alemán de Navegación (DGON), cuyo objetivo es el de generar foros de diálogo técnico entre desarrolladores de sistemas, de aplicaciones, operadores, agencias de certificación y usuarios de sistemas y servicios GNSS. http://www.dgon.de/index.php?id=69&L=1 GLOBALGEO: GLOBALGEO es un salón internacional de la Geoinformación que tiene lugar en Barcelona de forma bianual. Se presentan empresas de los sectores de la cartografía, los SIG, fotogrametría, teledetección, Geodesia, Topografía, GNSS, ITS. Simultáneamente con el salón tiene lugar la Semana Geomática Internacional, que convoca en sesiones técnicas a expertos y especialistas en las distintas disciplinas geomáticas. La próxima edición está prevista para finales del primer trimestre del 2013. http://www.globalgeobcn.com/ INTERGEO: INTERGEO es un congreso organizado anualmente en Alemania centrado en geodesia, cartografía, geoinformación y gestión del territorio. Cada año hay un tema principal de discusión. 2012 será el año de las infraestructuras de geodatos para la toma de decisiones políticas en la Unión Europea. http://www.intergeo.de/en/Kongress_1244.html Conferencia Europea de Aricultura de Precisión: Esta conferencia de carácter bianual tiene lugar en una sede diferente cada año. Entre los temas que se desarrollan se encuentra la aplicación de tecnología GNSS para el guiado de maquinaria agrícola. El año 2013 tendrá lugar en la Universitat de Lleida, Lérida, Cataluña, del 7 al 11 de Julio. http://www.ecpa2013.udl.cat/

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Formacion en áreas GNSS Carl-Cranz-Gesellschaft e.V. Instituto Alemán de ciencia y tecnología para la formación continua de técnicos, ingenieros y científicos que imparte cursos especializados en diferentes áreas tecnológicas entre las que se incluye el área de los GNSS. http://www.ccg-ev.de/en/startseite.html Escuela de verano sobre GNSS de la ESA. La Agencia Espacial Europea organiza desde el 2009 una escuela de verano para jóvenes ingenieros cuyo objetivo es ofrecerles una visión general de cual es el diseño y como se desarrollan los sistemas GNSS, así como de las posibles aplicaciones que de ellos se derivan. http://www.esa.int/SPECIALS/Education/index.html GRACE (GNSS Research Application Centre of Excellence). El GRACE es centro de formación en GNSS que forma parte del reconocido Instituto Geoespacial de Nottingham (NGI). El NGI ofrece diferentes cursos en temáticas relacionadas con GNSS http://www.nottingham.ac.uk/grace/facilities/training.aspx Universidad de New Brunswick (UNB). La UNB de Canadá ofrece desde hace 50 años estudios de Ingeniería en Geodesia y Geomática, siendo una de los centros más innovadores en investigación y educación en el área de la geodesia y de los sistemas GNSS. http://gge.unb.ca/HomePage.php

Introduccion a Los Sistemas de Navegacion Por Satelite

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