GLONASS El Sistema de posicionamiento Ruso

¿Qué es GLONASS?

GLONASS es un sistema de posicionamiento global de origen Ruso que nos permite determinar la posición de un objeto en cualquier parte del globo terráqueo.

Este sistema es un competidor directo del GPS ya que posee una gran cuota de mercado de los receptores que existen para determinar la posición de un objeto, incluso algunos modelos de celulares ya trabajan con este sistema.

Orígenes y un poco de historia

Al principio de los años 70s nace el sistema GLONASS en respuesta al desarrollo del sistema GPS. Para 1993 el gobierno ruso coloco el sistema en manos de las Fuerzas Espaciales Militares Rusas (RSF), el cual pose la responsabilidad de:

• Desarrollo de los satélites que conforman el sistema.
• Mantenimiento.
• Puesta en órbita.
• Y certificación de los usuarios.

Este organismo opera en conjunto con el CSIC (Coordinational Scientific Information Center), el cual se encarga de publicar la información sobre GLONASS.

Durante los años 80's no se sabía mucho sobre este sistema, ni mucho menos las orbitas de sus satélites, inclusive prácticamente nadie conocía las señales usadas para transmisión de las señales de navegación. Actualmente gracias al estudio e investigación sobre este sistema se dispone de más información sobre este sistema. A través de la RSF y del CSIC publican el documento ICD (Interface Control Document), en donde se describe:

• El sistema
• Sus componentes
• Estructura de la señal
• Y el mensaje de navegación para uso civil

Segmentos del Sistema GLONASS

El sistema GLONASS, al igual que el sistema GPS, está formado por tres sectores fundamentales como la mayoría de los sistemas GNSS:

• El segmento de Control
• El segmento Espacial
• Y el segmento de Usuario.

Segmento de Control

El segmento de control está formado por un Sistema Central de Control (SCC) en la región de Moscú y una red de estaciones de seguimiento y control (Command Tracking Stations, CTS), emplazadas por todo Rusia como lo es St. Petersburgo, Ternopol, Eniseisk, Komsomolsk-na-Amure. El segmento de control debe seguir y vigilar el estado de sus satélites, determinar las efemérides y errores de los relojes de los satélites. Así mismo debe actualizar los datos de navegación de los satélites, los cuales se llevan a cabo dos veces al día.

Existen otras organizaciones que también controlan la actividad de GLONASS, como son el GLONASS Group del Laboratorio de Lincoln de Massachusetts y el DLR-DFD Neustrelitz Remote Sensing Ground Station en Alemania.

Segmento Espacial

Está conformado por una constelación de satélites artificiales, la cual está compuesta por 24 satélites en tres planos orbitales y cada plano está compuesto por 8 satélites espaciados regularmente, cada plano tiene una inclinación de 64.8 grados respecto al ecuador.

Los satélites GLONASS se encuentran ubicados a una distancia de aproximadamente de 19 100 kilómetros y se sitúan en orbitas casi circulares, cada satélite tarda 11 horas y 15 minutos en completar una vuelta alrededor de la tierra, con esto se garantiza la visibilidad de un mínimo de 5 satélites en todo el mundo con una adecuada geometría, es decir, la constelación de satélites GLONASS proporciona una cobertura de navegación continua y global.

Cada satélite dispone de un pequeño reflector, que es usado para el seguimiento de los satélites por láser emitido desde las estaciones de control, el sistema está compuesta por un conjunto de 31 satélites, de los cuales 24 están activos, 3 más de respaldo, 2 de mantenimiento 1 en servicio y otro en pruebas.

La constelación de satélites ha experimentado un gran progreso desde 1994, ya que los planes de GLONASS son ofrecer dos niveles de servicio. El Channel of Standard Accuracy (CSA) que es similar al GPS y es para uso civil y el Channel of High Accuracy (CHA) para uso militar.

Segmento de Usuarios

El sistema GLONASS es un sistema civil y militar que impulsa el desarrollo y diseño de nuevos receptores por parte de los fabricantes que están en constante evolución todos los días.

Un sistema de recepción de señales GLONASS, está formado por una antena y un receptor. La antena lleva un plano de tierra para evitar el efecto multipath y los receptores disponen de un reloj para sincronizar las señales recibidas.

Fuera de Rusia, existen varios fabricantes e investigadores que han diseñado y construido receptores GLONASS o GPS/GLONASS incluyendo doble frecuencia y códigos C/A y P. Entre las marcas de receptores GLONASS o GPS/GLONASS se encuentran:

• Geotracer 2404: 12 canales GPS y 12 canales GLONASS
• Magnavox: 8 canales GLONASS
• 3S Navigation: 12 canales GNSS para navegación
• GG-24 Astech: 12 canales GPS y 12 canales GLONASS
• Sercel Scorpio 6001: 16 canales GPS/GLONASS

Funcionamiento de GLONASS

Para lograr determinar el posicionamiento de un objeto, medir velocidades y realizar referencias de tiempo, el sistema GLONASS emplea radiofrecuencias a los cuales se les denomina Acceso de Frecuencia de División Múltiple que son transmitidas de forma continua por los satélites que conforman la constelación.

Cada uno de los satélites transmite 2 tipos de señal, L1 que es de precisión estándar y L2 de alta precisión por donde viaja los datos. Así tenemos las siguientes frecuencias en la banda L:

• Frecuencia banda L1: f1(k)=1602 MHz + k * 9/16 MHz
• Frecuencia banda L2: f2(k)=1246 MHz + k * 7/16 MHz
• Donde k=0,1, 2, …,23 es el número del satélite.
• La frecuencia portadora L1 se modula con un código C/A (Coarse Acquisition) con una rapidez de chip de 0.511 MHz, y con un código P (Precisión) con una rapidez de 5.11 MHz. En la frecuencia L2 solamente se modulan con un código P.

La frecuencia portadora L1 se modula con un código C/A (Coarse Acquisition) con una rapidez de chip de 0.511 MHz, y con un código P (Precisión) con una rapidez de 5.11 MHz. En la frecuencia L2 solamente se modulan con un código P.

Mensaje de Navegación del Sistema GLONASS

El mensaje de navegación se transmite a una velocidad de 50 bit/s y se modulan junto con los códigos C/A y P. El código C/A divide los datos en, datos operacionales o inmediatos y datos no operacionales o no inmediatos. Los datos operacionales son las efemérides, los parámetros de reloj y época del reloj del satélite. Los datos no operacionales comprenden a las efemérides aproximadas de la constelación, junto con los estados de salud de todos los satélites del sistema GLONASS.

El código C/A esta compuesto por una trama la cual seta conformada por 5 subtramas y cada subtrama contiene 15 palabras de 100 bits. El tiempo que tarda cada subtrama en ser emitida es de 10 a 15 segundos por lo que una trama completa dura alrededor de 2.5 minutos. Cada subtrama contiene la información del almanaque de 5 satélites. Este almanaque posee el restante compendio de palabras que contiene información de efemérides aproximadas al resto de satélites de la información ya que las tres primeras palabras de cada subtrama contienen información de las efemérides propias de cada satélite, llegando al receptor cada 30 segundos.

El código P fue descifrado por varias organizaciones y entidades individuales. De acuerdo con las investigaciones hechas, cada satélite emite una trama formada por 72 subtramas. Cada subtrama contiene 5 palabras de 100 bits.

Una subtrama tarda 10 segundos en ser emitida. Las tres primeras subtramas contienen las efemérides detalladas del propio satélite, por lo que estas llegaran al receptor cada 10 segundos una vez establecida la recepción.

Además, GLONASS dispone de un sistema de tiempos y de un sistema de referencia propio y distinto al del GPS. Cada satélite del sistema está equipado con relojes atómicos que son corregidos dos veces al día, lo que permite una precisión de 15 nanosegundos en la sincronización de tiempos de los satélites respecto al Sistema de Tiempos GLONASS (GLONASST) el cual es generado en la Central de Sincronización de Tiempos de Moscú.

Fallas de los receptores y sistema GLONASS

El sistema GLONASS suele tener fallas muy similares como las presentadas en el GPS, y esto es debido principalmente a causas atmosféricas y errores en los datos transmitidos, estas fallas en conjunto pueden estar en el rango de 10 a 25 metros, dependiendo del tipo de receptor, la posición relativa del satélite y la magnitud de otros errores.

Error Ionosférico

El error más significativo es ocasionado durante el paso de la señal del satélite a través de la ionosfera de la tierra, ya que las señales de radiofrecuencia se hacen más lentas y varia en magnitud dependiendo de la hora del día, la actividad solar y otros factores.

Error Atmosférico

Cuando la señal pasa a través de la atmosfera, el vapor de agua de la atmosfera hace más lentas las señales de radiofrecuencia y reduce significativamente la exactitud del sistema.

Disponibilidad Selectiva

Es un error introducido al sistema intencionalmente con el fin de negar a un objeto el beneficio de exactitud en situaciones bélicas.

Error del receptor

El receptor puede introducir una cierta cantidad de error durante las diversas etapas del procesamiento de las señales recibida de los satélites y estos pueden ser causados por el ruido térmico, la precisión del software y el error de vías entre canales de recepción.

Error de efemérides (Posición del satélite)

Este error se refiere a que un satélite puede estar en una posición un poco distinta a la que viene transmitiendo hacia los receptores.

Dilución de Precisión (DOP) por posición.

Los satélites utilizan una cierta geometría posicional para determinar la ubicación del receptor y esto influye gravemente en la exactitud de los cálculos de posición.

Cuando es requerido mayor exactitud se utilizan diferentes técnicas de corrección diferencial, los cuales comparan la posición calculada vs la posición real de un punto de referencia que resulta en un error retransmitido a los usuarios para que se hagan los ajustes.

Error de multitrayectoría (Multipath)

Los errores de multitrayectoría ocurren cuando se superpone con la señal directa y produce errores de fase, los cuales traen como consecuencias medidas erradas de las distancias a los satélites. Con receptores especiales que usan técnicas diferentes (Carrier pase) estos errores se reducen a unos cuantos centímetros.

Planes de Modernización para el sistema GLONASS

Primera Fase (1982-2007): Todavía no es capaz de prestar una Capacidad Inicial Operativa como GNSS.

Segunda Fase (2003-2015): Esta fase fue planificada a mediano plazo, implica el lanzamiento de satélites más modernos y el comienzo de la modernización del segmento de control, así como la puesta en marcha de nuevos servicios a través de nuevas señales.

Tercera Fase (2008-2025): Pretende dotar de una capacidad plenamente operativa a GLONASS, consolidar el desarrollo del mercado civil y completar los sistemas de aumento.

Cuarta Fase (2025-…): No definido más allá de 2025. Pero implicara el mantenimiento del sistema existente.