Navegación por satélite

Una navegación por satélite, satnav o sistema global de navegación por satélite es un sistema que utiliza satélites para proporcionar posicionamiento geoespacial autónomo. Permite que pequeños receptores electrónicos determinen su ubicación (longitud, latitud y altitud/elevación) con alta precisión (dentro de unos pocos centímetros a metros) utilizando señales de tiempo transmitidas a lo largo de una línea de visión por radio desde satélites. El sistema se puede utilizar para proporcionar la posición, la navegación o el seguimiento de la posición de algo equipado con un receptor (seguimiento por satélite). Las señales también permiten que el receptor electrónico calcule la hora local actual con alta precisión, lo que permite la sincronización horaria. Estos usos se conocen colectivamente como Posicionamiento, Navegación y Cronometraje (PNT). Los sistemas de navegación por satélite funcionan independientemente de cualquier recepción telefónica o de Internet,

Un sistema de navegación por satélite con cobertura global puede denominarse sistema global de navegación por satélite (GNSS). A partir de septiembre de 2020, el Sistema de Posicionamiento Global (GPS) de los Estados Unidos, el Sistema Global de Navegación por Satélite (GLONASS) de Rusia, el Sistema de Navegación por Satélite BeiDou de China y el Galileo de la Unión Europea son GNSS en pleno funcionamiento. El sistema de satélite Quasi-Zenith de Japón (QZSS) es un sistema de aumento basado en satélite GPS (EE. UU.) para mejorar la precisión del GPS, con navegación por satélite independiente del GPS programada para 2023. una versión global a largo plazo.

La cobertura global para cada sistema generalmente se logra mediante una constelación de satélites de 18 a 30 satélites de órbita terrestre media (MEO) repartidos entre varios planos orbitales. Los sistemas reales varían, pero todos utilizan inclinaciones orbitales de >50° y períodos orbitales de aproximadamente doce horas (a una altitud de unos 20 000 kilómetros o 12 000 millas).

Clasificación

Los sistemas GNSS que brindan mayor precisión y control de la integridad utilizables para la navegación civil se clasifican de la siguiente manera:

• GNSS-1 es el sistema de primera generación y es la combinación de los sistemas de navegación por satélite existentes (GPS y GLONASS), con sistemas de aumento basados ​​en satélites (SBAS) o sistemas de aumento basados ​​en tierra (GBAS). En los Estados Unidos, el componente basado en satélites es el Sistema de aumento de área amplia (WAAS), en Europa es el Servicio de superposición de navegación geoestacionaria europea (EGNOS) y en Japón es el Sistema de aumento de satélite multifuncional (MSAS). El aumento basado en tierra es proporcionado por sistemas como el Sistema de aumento de área local (LAAS).
• GNSS-2 es la segunda generación de sistemas que proporciona de forma independiente un sistema completo de navegación por satélite civil, ejemplificado por el sistema de posicionamiento europeo Galileo. Estos sistemas proporcionarán el control de precisión e integridad necesarios para la navegación civil; incluyendo aviones. Inicialmente, este sistema constaba únicamente de conjuntos de frecuencias de la banda L superior (L1 para GPS, E1 para Galileo, G1 para GLONASS). En los últimos años, los sistemas GNSS han comenzado a activar conjuntos de frecuencias de banda L inferior (L2 y L5 para GPS, E5a y E5b para Galileo, G3 para GLONASS) para uso civil; presentan una mayor precisión agregada y menos problemas con la reflexión de la señal. A fines de 2018, se venden algunos dispositivos GNSS de grado de consumo que aprovechan ambos y, por lo general, se denominan dispositivos "GNSS de doble banda" o "GPS de doble banda".

Por sus funciones en el sistema de navegación, los sistemas se pueden clasificar en:

• Sistemas básicos de navegación por satélite, actualmente GPS (Estados Unidos), GLONASS (Federación de Rusia), Beidou (China) y Galileo (Unión Europea).
• Sistemas globales de aumento basados ​​en satélites (SBAS) como OmniSTAR y StarFire.
• SBAS regional que incluye WAAS (EE. UU.), EGNOS (UE), MSAS (Japón), GAGAN (India), SDCM (Rusia).
• Sistemas regionales de navegación por satélite como NAVIC de India y QZSS de Japón.
• Sistemas de aumento basados ​​en tierra (GBAS) a escala continental, por ejemplo, el GRAS australiano y el servicio conjunto de la Guardia Costera de los EE. UU., la Guardia Costera de Canadá, el Cuerpo de Ingenieros del Ejército de los EE. UU. y el servicio de GPS Diferencial Nacional (DGPS) del Departamento de Transporte de los EE. UU.
• GBAS a escala regional como las redes CORS.
• GBAS local tipificado por una sola estación de referencia GPS que opera correcciones cinemáticas en tiempo real (RTK).

Como muchos de los sistemas GNSS globales (y sistemas de aumento) utilizan frecuencias y señales similares alrededor de L1, se han producido muchos receptores "Multi-GNSS" capaces de utilizar múltiples sistemas. Mientras que algunos sistemas se esfuerzan por interoperar con el GPS lo mejor posible proporcionando el mismo reloj, otros no lo hacen.

Historia y teoría

La radionavegación terrestre tiene décadas de antigüedad. Los sistemas DECCA, LORAN, GEE y Omega utilizaron transmisores de radio terrestres de onda larga que transmitían un pulso de radio desde una ubicación "maestra" conocida, seguido de un pulso repetido desde varias estaciones "esclavas". El retraso entre la recepción de la señal maestra y las señales esclavas permitió al receptor deducir la distancia a cada uno de los esclavos, proporcionando una solución.

El primer sistema de navegación por satélite fue Transit, un sistema implementado por el ejército estadounidense en la década de 1960. El funcionamiento de Transit se basaba en el efecto Doppler: los satélites viajaban por caminos conocidos y emitían sus señales en una frecuencia de radio conocida. La frecuencia recibida diferirá ligeramente de la frecuencia de transmisión debido al movimiento del satélite con respecto al receptor. Al monitorear este cambio de frecuencia durante un breve intervalo de tiempo, el receptor puede determinar su ubicación a un lado o al otro del satélite, y varias de estas mediciones combinadas con un conocimiento preciso de la órbita del satélite pueden fijar una posición particular. Los errores de posición orbital de los satélites son causados ​​por la refracción de ondas de radio, cambios en el campo de gravedad (ya que el campo gravitatorio de la Tierra no es uniforme) y otros fenómenos. Un equipo, dirigido por Harold L Jury de Pan Am Aerospace Division en Florida de 1970 a 1973, encontró soluciones y/o correcciones para muchas fuentes de error. Utilizando datos en tiempo real y estimación recursiva, los errores sistemáticos y residuales se redujeron a una precisión suficiente para la navegación.

Parte de la transmisión de un satélite en órbita incluye sus datos orbitales precisos. Originalmente, el Observatorio Naval de los EE. UU. (USNO) observaba continuamente las órbitas precisas de estos satélites. Cuando la órbita de un satélite se desviaba, la USNO enviaba la información actualizada al satélite. Las transmisiones posteriores de un satélite actualizado contendrían sus efemérides más recientes.

Los sistemas modernos son más directos. El satélite transmite una señal que contiene datos orbitales (a partir de los cuales se puede calcular la posición del satélite) y la hora exacta en que se transmitió la señal. Los datos orbitales incluyen un almanaque aproximado de todos los satélites para ayudar a encontrarlos y una efemérides precisa para este satélite. Las efemérides orbitales se transmiten en un mensaje de datos que se superpone a un código que sirve de referencia temporal. El satélite utiliza un reloj atómico para mantener la sincronización de todos los satélites de la constelación. El receptor compara el tiempo de emisión codificado en la transmisión de tres (a nivel del mar) o cuatro (lo que también permite un cálculo de altitud) satélites diferentes, midiendo el tiempo de vuelo de cada satélite. Varias de estas medidas se pueden hacer al mismo tiempo a diferentes satélites,

Cada medición de distancia, independientemente del sistema que se utilice, coloca el receptor en una capa esférica a la distancia medida de la emisora. Al tomar varias medidas de este tipo y luego buscar un punto donde se encuentran, se genera una solución. Sin embargo, en el caso de receptores de movimiento rápido, la posición de la señal se mueve a medida que se reciben señales de varios satélites. Además, las señales de radio se ralentizan ligeramente a medida que atraviesan la ionosfera, y esta ralentización varía con el ángulo del receptor respecto al satélite, porque eso cambia la distancia a través de la ionosfera. Por lo tanto, el cálculo básico intenta encontrar la línea dirigida más corta tangente a cuatro capas esféricas achatadas centradas en cuatro satélites.

La teoría de la relatividad general de Einstein se aplica a la corrección de tiempo GPS, el resultado neto es que el tiempo en un reloj satelital GPS avanza más rápido que un reloj en la tierra en alrededor de 38 microsegundos por día.

Aplicaciones

La motivación original para la navegación por satélite fue para aplicaciones militares. La navegación por satélite permite la precisión en la entrega de armas a los objetivos, lo que aumenta en gran medida su letalidad y reduce las bajas involuntarias de armas mal dirigidas. (Ver bomba guiada). La navegación por satélite también permite que las fuerzas se orienten y se ubiquen más fácilmente, reduciendo la niebla de guerra.

Ahora se utiliza un sistema global de navegación por satélite, como Galileo, para determinar la ubicación de los usuarios y la ubicación de otras personas u objetos en un momento dado. La gama de aplicaciones de la navegación por satélite en el futuro es enorme, e incluye tanto al sector público como al privado en numerosos segmentos del mercado, como la ciencia, el transporte, la agricultura, etc.

La capacidad de suministrar señales de navegación por satélite es también la capacidad de negar su disponibilidad. El operador de un sistema de navegación por satélite tiene potencialmente la capacidad de degradar o eliminar los servicios de navegación por satélite en cualquier territorio que desee.

Sistemas mundiales de navegación por satélite

En orden del primer año de lanzamiento:

GPS

Primer año de lanzamiento: 1978

El Sistema de Posicionamiento Global (GPS) de los Estados Unidos consta de hasta 32 satélites de órbita terrestre media en seis planos orbitales diferentes. La cantidad exacta de satélites varía a medida que se retiran y reemplazan los satélites más antiguos. En funcionamiento desde 1978 y disponible a nivel mundial desde 1994, el GPS es el sistema de navegación por satélite más utilizado en el mundo.

GLONASS

Primer año de lanzamiento: 1982

El anteriormente soviético, y ahora ruso, Glo bal'naya Na vigatsionnaya S putnikovaya S istema, (GLObal NAvegation Satellite System o GLONASS), es un sistema de navegación por satélite basado en el espacio que proporciona un servicio civil de radionavegación por satélite y también es utilizado por el Fuerzas de Defensa Aeroespacial Rusas. GLONASS tiene cobertura global completa desde 1995 y con 24 satélites.

BeiDou

Primer año de lanzamiento: 2000

BeiDou comenzó como Beidou-1, ahora fuera de servicio, una red local de Asia-Pacífico en las órbitas geoestacionarias. La segunda generación del sistema BeiDou-2 entró en funcionamiento en China en diciembre de 2011. Se propone que el sistema BeiDou-3 consista en 30 satélites MEO y cinco satélites geoestacionarios (IGSO). Una versión regional de 16 satélites (que cubre el área de Asia y el Pacífico) se completó en diciembre de 2012. El servicio global se completó en diciembre de 2018. El 23 de junio de 2020, el despliegue de la constelación BDS-3 se completó por completo después de que el último satélite se lanzó con éxito en el Centro de Lanzamiento de Satélites de Xichang.

Galileo

Primer año de lanzamiento: 2011

La Unión Europea y la Agencia Espacial Europea acordaron en marzo de 2002 introducir su propia alternativa al GPS, denominada sistema de posicionamiento Galileo. Galileo entró en funcionamiento el 15 de diciembre de 2016 (capacidad operativa temprana global, EOC). Con un coste estimado de 10.000 millones de euros, el sistema de 30 satélites MEO estaba originalmente programado para estar operativo en 2010. El año original para estar operativo fue 2014. El primer satélite experimental se lanzó el 28 de diciembre de 2005. Se espera que Galileo sea compatible con el sistema GPS modernizado. Los receptores podrán combinar las señales de los satélites Galileo y GPS para aumentar considerablemente la precisión. La constelación completa de Galileo consta de 24 satélites activos, el último de los cuales se lanzó en diciembre de 2021.La principal modulación utilizada en la señal de servicio abierto de Galileo es la modulación Composite Binary Offset Carrier (CBOC).

Sistemas regionales de navegación por satélite

NavIC

NavIC o NAVigation with Indian Constellation es un sistema de navegación por satélite regional autónomo desarrollado por la Organización de Investigación Espacial de la India (ISRO). El gobierno aprobó el proyecto en mayo de 2006 y consiste en una constelación de 7 satélites de navegación. 3 de los satélites se colocan en la órbita geoestacionaria (GEO) y los 4 restantes en la órbita geosincrónica (GSO) para tener una huella de señal más grande y una menor cantidad de satélites para mapear la región. Su objetivo es proporcionar una precisión de posición absoluta en todo clima superior a 7,6 metros (25 pies) en toda la India y dentro de una región que se extiende aproximadamente 1500 km (930 mi) a su alrededor.Un área de servicio extendida se encuentra entre el área de servicio principal y un área rectangular encerrada por el paralelo 30 sur hasta el paralelo 50 norte y el meridiano 30 este hasta el meridiano 130 este, entre 1500 y 6000 km más allá de las fronteras. Se ha declarado un objetivo de control indio completo, con el segmento espacial, el segmento terrestre y los receptores de usuario construidos en India.

La constelación estuvo en órbita a partir de 2018 y el sistema estuvo disponible para uso público a principios de 2018. NavIC brinda dos niveles de servicio, el "servicio de posicionamiento estándar", que estará abierto para uso civil, y un "servicio restringido" (uno encriptado) para usuarios autorizados (incluyendo militares). Hay planes para expandir el sistema NavIC aumentando el tamaño de la constelación de 7 a 11.

QZSS

El Quasi-Zenith Satellite System (QZSS) es un sistema de transferencia de tiempo regional de cuatro satélites y una mejora para GPS que cubre Japón y las regiones de Asia y Oceanía. Los servicios QZSS estuvieron disponibles a modo de prueba a partir del 12 de enero de 2018 y se iniciaron en noviembre de 2018. El primer satélite se lanzó en septiembre de 2010. Está previsto un sistema de navegación por satélite independiente (de GPS) con 7 satélites para 2023.

Comparación de sistemas

Fuentes:

El uso de múltiples sistemas GNSS para el posicionamiento del usuario aumenta la cantidad de satélites visibles, mejora el posicionamiento de puntos precisos (PPP) y acorta el tiempo promedio de convergencia. El error de alcance de la señal en el espacio (SISRE) en noviembre de 2019 fue de 1,6 cm para Galileo, 2,3 cm para GPS, 5,2 cm para GLONASS y 5,5 cm para BeiDou cuando se utilizan correcciones en tiempo real para relojes y órbitas de satélite.

Aumento

El aumento GNSS es un método para mejorar los atributos de un sistema de navegación, como la precisión, la confiabilidad y la disponibilidad, a través de la integración de información externa en el proceso de cálculo, por ejemplo, el Sistema de aumento de área amplia, el Servicio de superposición de navegación geoestacionaria europea, el Multi -Sistema funcional de aumento de satélites, GPS diferencial, navegación aumentada GEO asistida por GPS (GAGAN) y sistemas de navegación inercial.

Técnicas relacionadas

DORIS

Doppler Orbitography and Radio-positioning Integrated by Satellite (DORIS) es un sistema francés de navegación de precisión. A diferencia de otros sistemas GNSS, se basa en estaciones emisoras estáticas en todo el mundo, estando los receptores en satélites, para determinar con precisión su posición orbital. El sistema también se puede utilizar para receptores móviles en tierra con uso y cobertura más limitados. Utilizado con los sistemas GNSS tradicionales, lleva la precisión de las posiciones a la precisión centimétrica (y a la precisión milimétrica para aplicaciones altimétricas y también permite monitorear cambios estacionales muy pequeños de rotación y deformaciones de la Tierra), para construir un sistema de referencia geodésico mucho más preciso.

Satélites LEO

Las dos redes telefónicas satelitales de órbita terrestre baja (LEO) operativas actuales pueden rastrear unidades transceptoras con una precisión de unos pocos kilómetros utilizando cálculos de desplazamiento Doppler del satélite. Las coordenadas se envían de vuelta a la unidad transceptora, donde se pueden leer mediante comandos AT o una interfaz gráfica de usuario. Esto también puede ser utilizado por la puerta de enlace para hacer cumplir las restricciones en los planes de llamadas vinculados geográficamente.