Sistemas Global de Navegación por Satélite GNSS

¿Qué es un sistema GNSS?

Un sistema GNSS es una constelación de satélites distribuidos en diferentes planos orbitales con los cuales podemos determinar la posición tridimensional de un receptor en la tierra.

A continuación veremos el origen de estos sistemas y como es que se obtiene la posición de un objeto, trataré de no usar muchos tecnicismos para que se entienda lo mejor posible.

Origen y antecedentes de los sistemas GNSS

Para explicar este punto tenemos que remontarnos al año 1983, donde dos cazas soviéticos derribaron un Boeing de la Korean Airlines por un error de localización ya que invadió el espacio aéreo ruso, este incidente hizo que Estados Unidos impulsara los sistemas de navegación por satélite y fuera una tecnología fundamental en tácticas militares.

Hoy en día existen muchos sistemas GNSS que dan servicios de posicionamiento satelital por ejemplo: GPS, GLONASS etc. sin embargo, los grandes pioneros de esta tecnología fueron LORAN y OMEGA que utilizaban radiotransmisores de baja frecuencia terrestres que oscilaban alrededor de los 100 KHz y lanzaban un pulso desde una central maestra el cual era repetido por una serie de estaciones conocidas como esclavas, los receptores comparaban el retrasos y calculaban la distancia a cada una de las estaciones. LORAN, por ejemplo fue muy utilizado en países como Estados Unidos, Japón y Rusia.

LORAN y OMEGAN fueron pioneros, sin embargo, utilizaban transmisores terrestres y no propiamente tecnología satelital, no obstante quien se lleva el título de ser el primer sistema de navegación por satélite fue Transit el cual fue lanzado por los Estados Unidos en 1960 y estaba basado en el efecto Doppler donde los satélites transmitían señales cada 2 minutos con lo cual se podía calcular la posición del satélite a lo largo del tiempo, sin embargo, si el receptor estaba en movimiento producía desajustes y perdida en la precisión, este sistema quedo en desuso en el año 1996 tras la aparición de sistema GPS.

Funcionamiento de los sistemas GNSS

El funcionamiento de este tipo de sistemas es muy importante y, en resumen, la radionavegación se basa en:

• El calculo de la posición de un objeto sobre la tierra se obtiene a través de la medición de la distancia de tres satélites con posición conocida.
• No obstante, tres satélites no es suficiente, ya que necesitamos otro satélite para determinar la altitud.
• Por lo tanto, necesitamos cuatro satélites para determinar la posición tridimensional de un objeto.

Para lo anterior se requiere de una constelación de satélites artificiales que orbiten la tierra y den cobertura en cualquier parte del mundo, aunque existen sistemas GNSS que proporcionan servicios locales y no requieren una cobertura mundial, en este post nos enfocamos en aquellos que brindan cobertura mundial y revisaremos en forma general este tipo de constelaciones.

Constelación de los sistemas GNSS

Los sistemas GNSS logran una cobertura global mediante una constelación de 24 a 27 satélites ubicados en diferentes planos orbitales, con dicha distribución se logra que todos los receptores en la tierra reciban señales de al menos 4 satélites sin importar donde se encuentren.

Satélites Geoestacionario (GEO Geostationary Earth Orbit)

Una gran parte de los satélites operativos de los sistemas de posicionamiento se encuentran en esta orbita a unos 35 848 km de altura aproximadamente y describen orbitas circulares sobre el eje ecuatorial de la tierra, a esta altura un satélite da una vuelta a la tierra cada 24 horas lo que para un receptor o espectador en la superficie de la tierra permanecería estático, que es precisamente por lo que se llaman geoestacionario porque parece que no se mueven.

Satélites de Órbita Media (MEO Mean Earth Orbit)

Satélites posicionados a una altura entre 19 180 y 28 000 km de altura.

Satélites de Órbita Baja (LEO Low Earth Orbit)

Satélites posicionados a una altura aproximada de 800 km, dedicados principalmente a la observación.

La trayectoria de los satélites en el espacio se puede saber por su almanaque (parámetros de su órbita con una validez de aproximadamente 6 meses) o mediante sus coordenadas transmitidas a través de sus efemérides las cuales nos indican su verdadera posición.

Señales GNSS

Los satélites GNSS transmiten señales de navegación por lo regular sobre la banda L, estas señales llamadas efemérides contienen códigos y datos de navegación que permite a los usuarios calcular el tiempo de viaje desde el satélite al receptor y la posición o coordenadas del satélite, los aspectos más importantes de estas señales son:

• Señal portadora, es una señal sinusoidal de radiofrecuencia que oscila a una frecuencia determinada pero distinta a la frecuencia de la información o los datos.
• Código de alineación, secuencia binaria de ceros y unos que permiten a los receptores determinar el tiempo de viaje de las señales desde los satélites a los receptores ubicados en la superficie de la tierra.
• Datos de navegación mensaje binario que proporciona información de las efemérides de los satélites, almanaque (conjunto de efemérides de precisión reducida) y parámetros de polarización del reloj.

¿Cómo obtienen la posición los sistemas GNSS?

En términos sencillos podemos dividir en dos partes la obtención de la posición de un objeto ya que se hace a través de una especie de triangulación, en una triangulación lo que sucede es que un objeto se encuentra a cierta distancia de al menos 3 puntos de referencia conocidos, por ejemplo, si un barco se encuentra a una distancia conocida de 3 faros, podemos crear una circunferencia con centro en cada faro y radio igual a la distancia a la que se encuentra el barco, con esto conseguiremos 3 circunferencias con diferente radio que se intersectan en un punto y precisamente ese punto de intersección seria la posición del objeto.

En los sistemas de posicionamiento un receptor puede saber a qué distancia se encuentra de cada satélite que tiene a la vista, sin embargo, los satélites no crean circunferencias como en el ejemplo del barco, se crean esferas que se intersectan y generan una circunferencia, por lo tanto, la circunferencia resultante nos indica que el objeto se encuentra en un punto en la tierra y en otro punto fuera de ella.

Para esto un 4to satélite resuelve la ecuación ayuda a la sincronización de los relojes he indica a que altura se encuentra el objeto, por ejemplo:

Con 1 satélite

• Si el receptor recibe datos de un solo satélite se determina que el receptor se encuentra en un punto de la superficie de la tierra, con centro en el mismo satélite y un radio igual a la distancia total entre el satélite y el receptor.

Con 2 Satélites

• Si el receptor recibe datos de dos satélites se crea una circunferencia como resultado de la intersección de las esferas creada por cada satélite y se establece que el receptor está localizado en algún punto de esta circunferencia resultante.

Con 3 Satélites

• SI el receptor recibe datos de 3 satélites la cosa cambia, el reloj del receptor y reloj de los satélites se logran sincronizar, es decir, con 3 satélites, si podemos determinar la posición de un objeto latitud y longitud, sin embargo, se crean puntos de intersección falsos que indicarían que el receptor se encuentra en un punto en la tierra y en otro punto fuera de la tierra.

Con 4 Satélites

• En teoría 3 satélites permite obtener la posición de un objeto, sin embargo, se necesita de un 4to satélite como referencia o control cruzado, es decir, un satélite que elimina la intersección falsa y transformar las ecuaciones no lineales a lineal para resolver el problema mediante un método iterativo, lo que en consecuencia nos permite determinar que el objeto se encuentra en un punto en la tierra, pero a cierta altura, latitud, longitud y altitud.

Precisión de los sistemas GNSS

Dado que los satélites proporcionan su posición a través de las efemérides a los receptores en la tierra, con la información presente en cada efeméride se puede medir la distancia entre el receptor y los satélites mediante el tiempo de recorrido de las señales GNSS.

Los relojes de un satélite GNSS es el aspecto más importante en este tipo de sistemas ya que las señales viajan a la velocidad de la luz y un error en el tiempo puede representar varios kilómetros de desplazamiento en la medición. Para asegurar la estabilidad de dichos relojes, los satélites están equipados con relojes atómicos de alta estabilidad, sin embargo, los receptores suelen tener relojes de cuarzo que no son tan precisos como los atómicos.

Como vimos anteriormente, todos los sistemas de posicionamiento globales cuentan con una constelación mínima de satélites que permite a los receptores tener a la vista al menos 4 satélites en cualquier parte del mundo. Esto es necesario ya que los receptores reciben las señales sincronizadas de los satélites con la información de la posición del satélite y el tiempo exacto en que fue emitida la señal.

Los receptores comparan el tiempo que tardo la señal en llegar a ellos con la información del tiempo en que fue emitida en el satélite, y como un receptor no puede usar un reloj atómico para funcionar porque sería extremadamente caro, se requiere que sean estrictamente 4 satélites para minimizar el error que produce el reloj de cuarzo del receptor y resolver la variable altitud al obtener la posición de un objeto en la tierra.

Fallos en la precisión de los sistemas GNSS

Los errores o fallos en los sistemas GNSS se dan principalmente en la propagación de las señales que emite por el efecto atmosférico. La causa principal son las 2 capas de la tierra llamadas ionosfera y troposfera que se encuentran en los primeros 1000 km de altura, donde las señales satelitales no se comportan igual a como si viajaran a través del vacío creando un retardo.

El retardo troposférico que se crea al pasar la señal por la troposfera se puede modelar matemáticamente y anular un gran porcentaje de el, sin embargo, el retardo ionosférico se puede anular si se utilizan dos frecuencias en las señales portadoras que transmiten las señales de los satélites o mediante modelos de correcciones ionosféricas, actualmente la mayoría de los sistemas de posicionamiento utilizan más de una frecuencia en sus señales portadoras.

Segmentos GNSS

Los sistemas GNSS están divididos en varios segmentos que permiten la manipulación, control y mantenimiento de los sistemas, revisan la salud de los satélites y vigilan toda transmisión emitida por la constelación de satélites en el espacio.

Segmento espacial

Compuesto por la constelación de satélites y las señales que emiten.

Segmento de control

Formado por estaciones centrales de seguimiento que controlan los satélites y corrige las orbitas del sector espacial y asegura el correcto funcionamiento de los relojes y osciladores de cada uno de los satélites.

Segmento de usuario

Está constituido por los equipos o receptores que captan las señales emitidas por los satélites y son empleados para determinar la posición, navegación o para determinar el tiempo con precisión.

Aplicaciones GNSS

Con la llegada del sistema GPS en 1996, aparecieron toda una gama de productos y servicios que revolucionaron la forma de vida actual y dentro de los más importantes tenemos:

• Navegadores GPS, estos son un tipo de GPS que nos permite ver nuestra posición en un mapa en tiempo real aun cuando no estamos conectados a Internet, podemos encontrarlos, como navegadores GPS para coche, de mano, deportivos, para bicicleta, etc.
• GPS para bicicletas, estos dispositivos suelen ser muy usados por deportistas que les gusta salir a realizar bici de montaña ya que cuentan con funciones de entrenamiento muy buenas y son compatibles con muchos sensores ANT+.
• Rastreadores GPS para personas, sin duda una de las aplicaciones más impresionantes, existen GPS pequeños con el cual puedes saber dónde están tu familiares o trabajadores de una empresa, existen muchos modelos, como relojes con GPS, o dispositivos GPS que van instalados en el auto de la persona que deseas rastrear.
• Localizadores para coches, sin duda la más común y popular de todas las aplicaciones, el sector del rastreo satelital se ha desarrollado de manera sorprendente y hoy en día miles de automóviles son rastreados vía satélite.