Sistemas satelitales de posicionamiento global

 

 

Introducción a los sistemas GNSS

 

Un sistema global de navegación por satélite GNSS, cuyas siglas en inglés significa Global Navigation Satellite Systems, es una constelación de satélites artificiales que transmiten señales a diferentes receptores localizados en cualquier parte del mundo. Estos sistemas permiten determinar las coordenadas geodésicas y la altitud de un sitio dado (punto central de la antena receptora de la señal) como resultado de la recepción simultánea de señales provenientes de varios satélites, para fines de navegación, transporte, hidrográficos, agrícolas, investigación científica y muchas otras actividades. Dicha información puede ser obtenida en cualquier parte del globo terrestre, las veinticuatro horas del día y bajo cualquier condición climática.

 

Figura 1: Intersección de las cuatro esferas.

 

El principio de funcionamiento consiste en que el receptor GNSS recibe una señal del satélite y mide su distancia al mismo empleando el tiempo que la onda tarda en llegar. Cada satélite indica que el receptor se encuentra en un punto en la superficie de una esfera con centro en el propio satélite y de radio igual a la distancia total hasta el receptor. Son necesarios al menos cuatro satélites para calcular la intersección de las esferas y obtener la posición puntual; solo harían falta tres satélites para la ubicación pero con el cuarto se eliminan los errores de sincronismo de los relojes, (Figura 1 ).

GNSS abarca varias técnicas de posicionamiento satelital, la más conocida y difundida de ellas es la estadounidense Global Positioning System (GPS); pero actualmente existen tanto de forma combinada como aislada otras técnicas disponibles tales como GLObal NAvigation Satellite System (GLONASS) de Rusia y terminando la etapa de prueba, el nuevo sistema europeo GALILEO.

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

 

Global Positioning System (GPS)

El sistema NAVSTAR GPS (NAVigation Satellite Timing And Ranging Global Positioning System comenzó en 1973, cuando el Departamento de Defensa de los EEUU implementó un sistema espacial de alta precisión para la determinación de posiciones de puntos sobre la superficie terrestre, sus velocidades y el tiempo. En principio fue usado exclusivamente para uso militar.

En la década del 90, el gobierno de los EEUU comienza a analizar la conveniencia de aplicar esta tecnología para el uso civil. Posteriormente lo permite, pero manipulando las señales provenientes de los orbitadores e incluyendo errores aleatorios que degradaban la precisión desde algunos metros a cien metros. Solo los militares disponían del sistema funcionando a pleno. A partir del año 2000 esta disponibilidad selectiva fue eliminada.

Actualmente el número de usuarios no militares es enorme, ya que el método es aplicable a muchos usos cotidianos y científicos.

En la actualidad, el usuario puede captar un elevado número de satélites (7, 8 ó 9 satélites). Si estos satélites tienen una geometría adecuada (separados en el cielo y no muy bajos sobre el horizonte), se pueden obtener precisiones inferiores a 2,5 m. Y si además, se activa el sistema de satélites llamado SBAS (Space Based Augmentation Systems) que comprende el WAAS (Wide Area Augmentation System), EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay Service) y MSAS (Multi-Functional Satellite Augmentation System), la precisión mejora siendo inferior a un metro. Estos sistemas SBAS no se aplican en Sudamérica, ya que esa zona no cuenta con este tipo de satélites geoestacionarios.

Dado que el movimiento de un satélite no depende de la rotación de la Tierra, es lógico utilizar una escala de tiempo independiente del giro terrestre. Por esta razón el USNO (United States Naval Observatory) estableció una escala de tiempo atómico, denominada “Tiempo GPS”, cuya unidad de medida es el segundo atómico del sistema internacional de medidas. El tiempo es mantenido en cada satélite mediante un arreglo de cuatro relojes atómicos abordo, cuyas marchas son monitoreadas por las estaciones terrestres de seguimiento, las cuales en ocasiones les realizan los ajustes necesarios.

La escala de tiempo GPS se fijó coincidente con la escala de UTC a las 0 horas del 6 de Enero de 1980. Como en ese instante la diferencia entre UTC y TAI era de 19 s, el tiempo GPS es equivalente al TAI - 19 s, y así ha de mantenerse dado que ambas escalas son atómicas y uniformes, por lo tanto paralelas. La diferencia entre tiempo GPS y UTC de cero segundos el 6 de Enero de 1980, se va modificando a medida que la escala UTC va agregando los saltos intercalados de un segundo, habiendo alcanzado en la actualidad una diferencia de 16 s.

 

El sistema GPS está compuesto por tres segmentos:

(a) Segmento Espacial: es el conjunto de 24 orbitadores con trayectorias sincronizadas para cubrir toda la superficie del globo terráqueo, repartidos en 6 planos orbitales de 4 satélites cada uno. La energía eléctrica que requieren para su funcionamiento la adquieren a partir de dos paneles compuestos de celdas solares adosados a sus costados.

(b) Segmento Terrestre: Constituido por 5 estaciones de rastreo y control terrestres. Éstas realizan el seguimiento y control de los satélites y les inyectan las efemérides orbitales para las transmisiones.

(c) Segmento Usuario: Son las unidades receptoras que portan los usuarios. Pueden ser navegadores de mano (de uso cotidiano), topográficos (de uso en agrimensura) y geodésicos (para investigaciones científicas).

 

El sistema de referencia terrestre adoptado para el posicionamiento se denomina World Geodetic System 1984 (WGS84), que es prácticamente coincidente con el elipsoide GRS80.  Sus características son: semieje mayor a = 6378137 m y aplanamiento  1/f = 298,257223563.

 

Descripción de la técnica:

La constelación nominal de GPS consiste en 24 satélites eventualmente distribuidos en 6 planos orbitales, (Figura 2). Cada plano orbital posee una inclinación de 55°, un semieje mayor de aproximadamente 26600 km  y un período de día medio sidéreo (11 horas 58 minutos). Cada satélite tiene una vida útil menor a 10 años. Con esta configuración queda garantizado que por lo menos 4 satélites son visibles desde cualquier ubicación sobre la Tierra y para cualquier instante de tiempo.

Existen también varias unidades de reserva orbitando en las mismas trayectorias. El receptor GPS utiliza la información enviada por los satélites (hora de emisión de las señales y localización de los mismos) para sincronizar su reloj interno con los relojes atómicos que poseen los satélites. La sincronización es un proceso de prueba y error que en un receptor portátil ocurre una vez cada segundo. Una vez sincronizado el reloj el receptor puede determinar su distancia hasta los satélites y usar esa información para calcular su posición en la tierra (latitud, longitud y altura sobre el elipsoide WGS84).

 

 

Figuras 2: Gráficos de NAVSTAR. A la izquierda se muestra la configuración de la constelación de satélites GPS y a la derecha uno de sus orbitadores alimentados por paneles solares.

 

Para todas las señales GPS se usa una frecuencia fundamental de 10.23 Mega Hertz (MHz), que es conducida por el reloj del satélite. De esta frecuencia se deducen los siguientes 2 canales:

 

L1 = 154 * 10.23 MHz  = 1575.42 MHz (correspondiente a una l = 19 cm.)

L2 = 120 * 10.23 MHz  = 1227.60 MHz (correspondiente a una l = 24 cm.)

 

Ambas frecuencias están moduladas con códigos, también derivados de la frecuencia fundamental. El código C/A (de Adquisición Rápida) es emitido con una frecuencia de 1.023 MHz y posee una longitud aproximada de chip de 300 m. Este es modulado solo sobre L1. El código P (Precisión) es modulado en ambos canales; tiene una frecuencia de 10.23 MHz y una longitud aproximada de chip de 30 m. Con lo cual, la precisión que puede lograrse en el caso del código P es 10 veces más alta que en el caso del código C/A.

Para transmitir información acerca del satélite (efemérides, situación del reloj del satélite, estado de salud del satélite, etc.) se modula también lo que se conoce como “mensaje de navegación” sobre ambos canales.

 

Estación Permanente GPS

Una estación permanente es un receptor que opera en forma continua con un intervalo de registro estándar de por ejemplo 30 s. En general posee un receptor de la más alta y actualizada tecnología ubicado en un punto fijo, cuya antena está sólidamente vinculada al suelo. El receptor funciona las 24 horas del día adquiriendo las coordenadas geodésicas del centro de la antena.

La estación funciona en forma automática en la descarga de los datos, en la conversión al formato RINEX (Receiver INdependent Exchange) y en la puesta en un servidor que puede ser descargado por cualquier interesado.

 

Equipo perteneciente al OAFA

Desde Febrero de 2012, el Observatorio Astronómico “Félix Aguilar” (OAFA) de la Universidad Nacional de San Juan, tiene funcionando en su predio central una estación permanente GPS.

 


De acuerdo al convenio de cooperación que posee la UNSJ, un equipo GPS fue proporcionado por el Observatorio Nacional de China (NAOC) para ser destinado al OAFA para que funcione junto al telescopio láser satelital SLR. La unidad corresponde a la conocida marca ASHTECH - Micro Z-CGRS , (Foto 3).

 

El sistema antena-receptor ha sido pensado para alcanzar los requisitos más estrictos de operación continua destinado a la recolección de datos GPS de doble frecuencia y con la más alta calidad

El receptor procesa la señal proveniente de la constelación GPS y calcula en tiempo real la posición, la velocidad y las medidas de tiempo. Posee doce canales de tracking continuo que trabajan con C/A, con código de fase y con medidas en las bandas L1, L1 y L2 y con código preciso P.

La antena adquiere la señal satelital en la banda L y es amplificada por el receptor Micro Z mediante un amplificador de muy bajo ruido. Todos los registros se almacenan en la memoria interna mediante una tarjeta de 32MB. El equipo cuenta con conexión a una notebook desde la cual se puede controlar, monitorear y descargar los datos a la Web.

 

Foto 3: Equipo receptor GPS geodésico Ashtech Micro Z del OAFA.

Todos los aparatos GPS contienen relojes internos. Estos relojes no son generalmente lo suficientemente precisos para sincronizarse con el sistema de tiempo GPS (o tiempo GPS verdadero), pero al recibir la señal de cuatro o más satélites, el receptor puede determinar su error propio interno que continuamente se autocorrige, manteniéndolo dentro de la precisión requerida.

El equipo fue adquirido con una antena de alta precisión L1/L2, de acuerdo con el diseño aceptado por la red de seguimiento IGS (International GPS Service). Tiene una cobertura cónica de protección contra los agentes climáticos.

 

La antena ha sido montada sobre un pilar de hormigón armado de cinco metros de altura, a una distancia de diez metros y al mismo nivel que el domo del SLR, (Foto 4) . Fue construido sólidamente fundado en el suelo, tal cual lo exigen las normas del IGS para el establecimiento de una estación permanente.

El lugar central de recepción de la antena GPS (ubicado en su interior) es el punto al cual se refieren las determinaciones geodésicas, es decir, sus coordenadas rectangulares.

 

 

 

Foto 4: Pilar de hormigón con la antena GPS instalada

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