Navegación por satélite

La navegación por satélite ( satnav ) o posicionamiento por satélite es el uso de satélites para la navegación o geoposicionamiento . Un sistema global de navegación por satélite ( GNSS ) proporciona cobertura a cualquier usuario en la Tierra, incluyendo el aire, la tierra y el mar. Existen cuatro sistemas GNSS operativos: el Sistema de Posicionamiento Global (GPS) de Estados Unidos, el Sistema Global de Navegación por Satélite ( GLONASS ) de Rusia, el Sistema de Navegación por Satélite BeiDou (BDS) de China ^{[ 1 ]} y Galileo de la Unión Europea . ^{[ 2 ]} Además, existen dos sistemas regionales de navegación por satélite ( RNSS ) en forma del Sistema de Satélite Cuasi-Cenital (QZSS) de Japón, ^{[ 3 ]} y el Sistema Regional de Navegación por Satélite (IRNSS) de la India (también conocido como NavIC). ^{[ 4 ] [ 5 ]}

Un sistema de aumento basado en satélites (SBAS) es un sistema diseñado para mejorar la precisión de los sistemas GNSS globales. ^{[ 6 ]} Los sistemas SBAS incluyen el QZSS de Japón, ^{[ 6 ]} el GAGAN de India y el EGNOS europeo , todos ellos basados ​​en GPS.

Los dispositivos de navegación por satélite determinan su ubicación ( longitud , latitud y altitud ) con alta precisión (de centímetros a metros) mediante señales horarias transmitidas por radio desde satélites , en línea de visión directa . El sistema se puede utilizar para proporcionar información de posición, navegación o para rastrear la posición de un objeto equipado con un receptor (seguimiento por satélite). Las señales también permiten al receptor electrónico calcular la hora local actual con alta precisión, lo que posibilita la sincronización horaria. Estas funciones se conocen colectivamente como Posicionamiento, Navegación y Sincronización (PNT). Los sistemas de navegación por satélite funcionan independientemente de la recepción telefónica o de internet, aunque estas tecnologías pueden mejorar la utilidad de la información de posicionamiento generada.

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

Los sistemas GNSS que proporcionan una mayor precisión y monitorización de la integridad utilizables para la navegación civil se clasifican de la siguiente manera: ^{[ 7 ]}

• GNSS-1 es el sistema de primera generación y es la combinación de los sistemas de navegación por satélite existentes (GPS y GLONASS), consistemas de aumento basados ​​en satélites(SBAS) osistemas de aumento basados ​​en tierra(GBAS). ^{[ 7 ]} En Estados Unidos, el componente basado en satélites es elSistema de Aumento de Área Amplia(WAAS); en Europa, es elServicio Europeo de Superposición de Navegación Geoestacionaria(EGNOS); en Japón, es elSistema Multifuncional de Aumento por Satélite(MSAS); y en India, es lanavegación aumentada GEO asistida por GPS(GAGAN). El aumento basado en tierra lo proporcionan sistemas como elsistema de aumento de área local(LAAS). ^{[ 7 ]}
• GNSS-2 es la segunda generación de sistemas que proporcionan de forma independiente un sistema completo de navegación por satélite civil, ejemplificado por el sistema de posicionamiento europeo Galileo. ^{[ 7 ]} Estos sistemas proporcionarán la precisión y el monitoreo de integridad necesarios para la navegación civil, incluyendo la de aeronaves. Inicialmente, este sistema consistía únicamente ende banda L(L1 para GPS, E1 para GalileoyG1 para GLONASS). En los últimos años, los sistemas GNSS han comenzado a activarde banda L(L2 y L5 para GPS, E5a y E5b para GalileoyG3 para GLONASS) para uso civil; estos presentan una mayor precisión agregada y menos problemas con la reflexión de la señal. ^{[ 8 ] [ 9 ]} A finales de 2018, se comercializaban algunos dispositivos GNSS de consumo que utilizaban ambas bandas. Normalmente se les denomina dispositivos "GNSS de doble banda" o "GPS de doble banda".

Según su función en el sistema de navegación, los sistemas se pueden clasificar como:

• Actualmente existen cuatro sistemas mundiales de navegación por satélite: GPS (Estados Unidos), GLONASS (Federación Rusa), BeiDou (China) y Galileo (Unión Europea).
• Sistemas de aumento basados ​​en satélites (SBAS, por sus siglas en inglés), como OmniSTAR y StarFire .
• Sistemas regionales de asistencia biológica de superficie (SBAS), incluidos WAAS (EE. UU.), EGNOS (UE), MSAS (Japón), GAGAN (India) y SDCM (Rusia).
• Sistemas regionales de navegación por satélite (RNSS, por sus siglas en inglés), como el NAVIC de la India y el QZSS de Japón .
• Sistemas de aumento terrestres a escala continental (GBAS); por ejemplo, el GRAS australiano y el servicio conjunto de la Guardia Costera de EE. UU., la Guardia Costera de Canadá, el Cuerpo de Ingenieros del Ejército de EE. UU. y el Departamento de Transporte de EE. UU. de GPS diferencial nacional (DGPS).
• Sistemas de acceso global a escala regional, como las redes CORS.
• Los sistemas GBAS locales se caracterizan por una única estación de referencia GPS que opera con correcciones cinemáticas en tiempo real (RTK).

Dado que 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. Si bien algunos sistemas se esfuerzan por interoperar con el GPS lo mejor posible proporcionando el mismo reloj, otros no lo hacen. ^{[ 10 ]}

La radionavegación terrestre tiene décadas de antigüedad. Los sistemas DECCA , LORAN , GEE y Omega utilizaban transmisores de radio terrestres de onda larga que emitían un pulso de radio desde una ubicación "maestra" conocida, seguido de un pulso repetido desde varias estaciones "esclavas". El retardo entre la recepción de la señal maestra y las señales esclavas permitía al receptor deducir la distancia a cada una de las esclavas, proporcionando así una posición .

El primer sistema de navegación por satélite fue Transit , un sistema desplegado por el ejército estadounidense en la década de 1960. El funcionamiento de Transit se basaba en el efecto Doppler : los satélites viajaban por trayectorias conocidas y emitían sus señales en una frecuencia de radio conocida . La frecuencia recibida difería ligeramente de la frecuencia emitida debido al movimiento del satélite con respecto al receptor. Al monitorizar este cambio de frecuencia durante un breve intervalo de tiempo, el receptor podía determinar su ubicación a un lado u otro del satélite, y varias de estas mediciones, combinadas con un conocimiento preciso de la órbita del satélite, permitían fijar una posición determinada. Los errores en la posición orbital de los satélites se debían a la refracción de las ondas de radio , a las variaciones del campo gravitatorio (ya que el campo gravitatorio terrestre no es uniforme) y a otros fenómenos. Un equipo, dirigido por Harold L. Jury de la División Aeroespacial de Pan Am en Florida entre 1970 y 1973, encontró soluciones o correcciones para muchas fuentes de error. Utilizando datos en tiempo real y estimación recursiva, los errores sistemáticos y residuales se redujeron hasta alcanzar una precisión suficiente para la navegación. ^{[ 11 ]}

Parte de la transmisión de un satélite en órbita incluye sus datos orbitales precisos. Originalmente, el Observatorio Naval de los Estados Unidos (USNO) observaba continuamente las órbitas precisas del GPS. Cuando la órbita de un satélite se desviaba, el 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 emite una señal que contiene datos orbitales (a partir de los cuales se puede calcular su posición) y la hora exacta de transmisión. Los datos orbitales incluyen un almanaque aproximado para todos los satélites, que facilita su localización, y una efeméride precisa para este satélite (determinada con la ayuda de estaciones terrestres). La efeméride orbital se transmite en un mensaje de datos superpuesto a un código que sirve como referencia temporal. El satélite utiliza un reloj atómico para mantener la sincronización de todos los satélites de la constelación. El receptor compara la hora de emisión codificada en la transmisión de tres (a nivel del mar) o cuatro (lo que también permite calcular la altitud) satélites diferentes, midiendo el tiempo de vuelo a cada uno. Se pueden realizar varias mediciones de este tipo simultáneamente a diferentes satélites, lo que permite generar una posición fija continua en tiempo real mediante una versión adaptada de la trilateración : consulte el cálculo de posicionamiento GNSS para obtener más detalles.

Cada medición de distancia, independientemente del sistema utilizado, sitúa al receptor en una capa esférica centrada en la emisora, a la distancia medida de esta. Al realizar varias de estas mediciones y buscar el punto de intersección de las capas, se genera una posición. Sin embargo, en el caso de receptores que se mueven rápidamente, la posición del receptor varía a medida que recibe señales de varios satélites. Además, las señales de radio se ralentizan ligeramente al atravesar la ionosfera, y esta ralentización varía con el ángulo del receptor respecto al satélite, ya que dicho ángulo corresponde a la distancia que recorre la señal 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. Los receptores de navegación por satélite reducen los errores mediante la combinación de señales de múltiples satélites y correladores, y luego emplean técnicas como el filtrado de Kalman para combinar los datos ruidosos, parciales y en constante cambio en una única estimación de posición, tiempo y velocidad.

La teoría de la relatividad general de Einstein se aplica a la corrección horaria del GNSS. El resultado final es que la hora en el reloj de un satélite GPS avanza más rápido que un reloj en tierra en aproximadamente 38 microsegundos por día. ^{[ 12 ]}

Se pueden combinar varios sistemas de navegación por satélite para formar una solución de posición. Debido a que los diferentes sistemas tienen diferentes referencias de tiempo, el receptor originalmente necesitaba estimar un parámetro adicional de diferencia de tiempo entre sistemas para cada sistema adicional agregado, lo que aumentaba la cantidad de satélites necesarios para una fijación de posición híbrida. ^{[ 13 ] [ 14 ]} Desde principios de la década de 2010, una nueva generación de mensajes de navegación transmitidos por muchos satélites ahora incluye parámetros de "desfase de tiempo GNSS" para convertir entre referencias de tiempo, lo que permite a los receptores prescindir de esta estimación cuando sea necesario. ^{[ 15 ] [ 16 ]} Los parámetros transmitidos se basan en las estimaciones de los propietarios de los satélites y su precisión varía entre los sistemas. ^{[ 17 ]}

La motivación original para la navegación por satélite fue su aplicación militar. Permite una mayor precisión en el lanzamiento de armas hacia los objetivos, aumentando considerablemente su letalidad y reduciendo las bajas accidentales causadas por armas mal dirigidas (véase Bomba guiada ). Además, facilita la dirección y localización de las fuerzas, reduciendo la incertidumbre en el campo de batalla .

Actualmente, un sistema global de navegación por satélite, como Galileo , se utiliza para determinar la ubicación de los usuarios y la de otras personas u objetos en cualquier momento. El abanico de aplicaciones futuras de la navegación por satélite es enorme, abarcando tanto el sector público como el privado en numerosos segmentos de mercado como la ciencia, el transporte, la agricultura, etc. ^{[ 18 ]}

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

En orden del año de su primer lanzamiento:

La mejora del GNSS es un método para optimizar los atributos de un sistema de navegación, como la precisión, la fiabilidad y la disponibilidad, mediante la integración de información externa en el proceso de cálculo; por ejemplo, el Sistema de Aumento de Área Amplia (WANS) , el Servicio Europeo de Superposición de Navegación Geoestacionaria ( EBVS ), el Sistema Multifuncional de Aumento por Satélite (MSSAS) , el GPS diferencial , la navegación aumentada geoestacionaria asistida por GPS (GAGAN) y los sistemas de navegación inercial .

EGNOS

El Servicio Europeo de Superposición de Navegación Geoestacionaria (EGNOS) es un sistema de aumento basado en satélites (SBAS) desarrollado por la Agencia Espacial Europea y Eurocontrol en nombre de la Comisión Europea . Actualmente, complementa al GPS informando sobre la fiabilidad y precisión de sus datos de posicionamiento y enviando correcciones. El sistema complementará a Galileo en la futura versión 3.0.

EGNOS consta de 40 estaciones de monitoreo de integridad de alcance, 2 centros de control de misión, 6 estaciones terrestres de navegación, la red de área amplia EGNOS (EWAN) y 3 satélites geoestacionarios . ^{[ 38 ]} Las estaciones terrestres determinan la precisión de los datos de los sistemas de navegación por satélite y los transfieren a los satélites geoestacionarios; los usuarios pueden obtener libremente estos datos de esos satélites utilizando un receptor habilitado para EGNOS o a través de Internet. Uno de los principales usos del sistema es en la aviación .

Según las especificaciones, la precisión de la posición horizontal al utilizar las correcciones proporcionadas por EGNOS debería ser superior a siete metros. En la práctica, la precisión de la posición horizontal es del orden de un metro.

Un servicio similar lo proporciona en Norteamérica el Sistema de Aumento de Área Amplia (WAAS), en Rusia el Sistema de Correcciones y Monitoreo Diferenciales (SDCM) y en Asia, el Sistema de Aumento por Satélite Multifuncional (MSAS) de Japón y el sistema de navegación aumentada GEO asistida por GPS (GAGAN) de la India .

Galileo y EGNOS recibieron un presupuesto de 14.600 millones de euros para su período de investigación y desarrollo de seis años, 2021-2027. ^{[ 39 ]}

El uso de múltiples sistemas GNSS para el posicionamiento del usuario aumenta el número de satélites visibles, mejora el posicionamiento preciso del punto (PPP) y acorta el tiempo de convergencia promedio. ^{[ 48 ]} 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 utilizaron correcciones en tiempo real para órbitas y relojes de satélites. ^{[ 49 ]} Los SISRE promedio de los satélites BDS-3 MEO, IGSO y GEO fueron de 0,52 m, 0,90 m y 1,15 m, respectivamente. En comparación con los cuatro principales sistemas globales de navegación por satélite que constan de satélites MEO, el SISRE de los satélites BDS-3 MEO fue ligeramente inferior a 0,4 m de Galileo, ligeramente superior a 0,59 m de GPS y notablemente superior a 2,33 m de GLONASS. El SISRE del BDS-3 IGSO fue de 0,90 m, similar al 0,92 m del QZSS IGSO. Sin embargo, dado que los satélites GEO BDS-3 eran de reciente lanzamiento y no estaban completamente operativos en órbita, su SISRE promedio fue ligeramente peor que el 0,91 m de los satélites GEO QZSS. ^{[ 6 ]}

La Unión Internacional de Telecomunicaciones (UIT) define un servicio de radionavegación por satélite ( RNSS ) como "un servicio de radiodeterminación por satélite utilizado con fines de radionavegación . Este servicio también puede incluir enlaces de alimentación necesarios para su funcionamiento". ^{[ 53 ]}

El RNSS se considera un servicio de seguridad vital y una parte esencial de la navegación que debe protegerse de interferencias .

El servicio de radionavegación aeronáutica por satélite ( ARNSS ) se define, según el artículo 1.47 del Reglamento de Radiocomunicaciones (RR ) de la Unión Internacional de Telecomunicaciones (UIT ) ^{[ 54 ]} , como « un servicio de radionavegación en el que las estaciones terrestres están ubicadas a bordo de aeronaves ».

El servicio de radionavegación marítima por satélite ( MRNSS ) se define, según el artículo 1.45 del Reglamento de Radiocomunicaciones (RR ) de la Unión Internacional de Telecomunicaciones (UIT ) ^{[ 55 ]} , como « un servicio de radionavegación por satélite en el que las estaciones terrestres están ubicadas a bordo de los buques ».

El posicionamiento, navegación y sincronización alternativos ( AltPNT ) se refiere al concepto de como una alternativa al GNSS. Dichas alternativas incluyen: ^{[ 57 ]}

• Sistemas de navegación inercial (INS)
• eLORAN
• Navegación basada en el terreno (TBN)
• Sistemas de Posicionamiento Visual (VPS)
• LiDAR

• Oficina de Asuntos del Espacio Ultraterrestre de las Naciones Unidas (2010), Informe sobre los sistemas mundiales y regionales de navegación por satélite actuales y previstos y los sistemas de aumento basados ​​en satélites .