introduccion a los sistemas de navegacion por satelite

Introducción a los sistemas de navegación por satélite

Introducción a los sistemasde navegación por satélite

Joan Carles Olmedillas

Diseño de la colección: Editorial UOC

Primera edición en lengua castellana: noviembre de 2012 Primera edición en formato digital: abril de 2013 © Joan Carles Olmedillas, del texto. © Imagen de la portada:Istockphoto. © Editorial UOC, de esta edición Rambla del Poblenou 156, 08018 Barcelona www.editorialuoc.com Realización editorial: Carrera Escartín, SA ISBN: 978-84-9029-914-2 Ninguna parte de esta publicación, incluido el diseño general y la cubierta, puede ser copiada, reproducida, almacenada o transmitida de ninguna forma, ni por ningún medio, sea éste eléctrico, químico, mecánico, óptico, grabación, fotocopia, o cualquier otro, sin la previa autorización escrita de los titulares del copyright.

AutorJoan Carles Olmedillas

Ingeniero de Telecomunicación por la Universitat Politècnica deCatalunya. Inició su andadura profesional en 1988 en el Servei Geològicde la Generalitat de Catalunya (posteriormente incorporado al InstitutCartogràfic de Catalunya y actualmente integrado en el InstitutGeològic de Catalunya), dedicándose a la instrumentación aplicadaa la geofísica (sismología y vulcanología).Desde 1999 hasta 2004 se dedica a las aplicaciones que integran lastecnologías móviles (terminales, posicionamiento y telecomunica-ciones), al campo de la cartografía digital, de los sistemas de informa-ción geográfica y a los sistemas de navegación portátiles y persona-les, al desarrollo de proyectos de geomovilidad y a la identificaciónde nuevos nichos de negocios basados en la unión del posiciona-miento, las telecomunicaciones y los sistemas personales.Desde marzo de 2005 hasta diciembre de 2006 colabora con IndraEspacio, desde Galileo Industries GmbH en Múnich, en la coordina-ción de la ingeniería del sistema de SAR/Galileo.Desde 2007 y hasta la actualidad desarrolla su labor profesional comoconsultor en el Departamento de Navegación por Satélite de Indra enBarcelona y es responsable de la Oficina de Proyectos.

Índice

Dedicatoria .................................................................................................. 9

Agradecimientos ..................................................................................... 13

Nota previa a la lectura ........................................................................ 15

Capítulo I. Introducción a los sistemas GNSS ........................ 17

Capítulo II. Evolución de los sistemas de orientación .... 21

2.1. De la orientación por la naturaleza a

la orientación por las estrellas .................................................... 21

2.2 Orientación a través de ondas de radio ................................ 26

2.3 Orientación vía satélite ................................................................. 30

Capítulo III. El sistema GPS ............................................................... 35

3.1 Arquitectura del sistema GPS ..................................................... 36

3.2 Órganos de gestión del sistema GPS ....................................... 41

3.3 Cómo funciona el sistema GPS ................................................. 43

3.4 Fuente de errores en la medida de la distancia ................ 47

3.5 Aumentar la precisión en el posicionamiento:

el GPS diferencial .............................................................................. 65

3.6 El sistema de coordenadas que utiliza el sistema GPS .. 67

Capítulo IV. Otros sistemas de navegación

por satélite ..................................................................................................... 69

4.1 El sistema europeo GALILEO ...................................................... 69

4.2 El sistema chino Beidou-II/Compass ..................................... 86

© Editorial UOC 7 Índice

© Editorial UOC 8 Intr. a los sistemas de navegación...

4.3 El sistema ruso GLONASS ............................................................. 91

4.4 QZSS (Quasi-Zenith Satellite System) ................................ 92

4.5 Comparativa de los sistemas GNSS ......................................... 95

Capítulo V. Sistemas de aumentación de la señal

de navegación ............................................................................................. 97

5.1. SBAS .......................................................................................................... 98

5.2. GBAS ........................................................................................................ 110

Capítulo VI. Aplicaciones de los sistemas

de posicionamiento GNSS .................................................................. 111

6.1. Aplicaciones en el sector aeronaútico y espacial ............. 112

6.2. Aplicaciones en el sector marítimo ......................................... 120

6.3. Aplicaciones en el sector terrestre ............................................ 125

6.4. Aplicaciones de carácter científico .......................................... 134

6.5. Aplicaciones de carácter gubernamental y militar ......... 137

6.6. Aplicaciones creativas ..................................................................... 140

6.7. Terminales avanzados con sistemas GNSS .......................... 144

Capítulo VII. El futuro de los sistemas GNSS ......................... 151

Siglas y acrónimos ................................................................................... 155

Efemérides relevantes de los sistemas

de posicionamiento y navegación ................................................ 163

Referencias bibliográficas ................................................................... 169

Referencias en internet ......................................................................... 171

A Leonor

A Fidel

A Fidel y Antonio

A Eva

A su viaje conjunto de amor,

comprensión y dedicación

A Julia, nuestro Futuro, que

cumple un año.

octubre, 2012

© Editorial UOC 9 Nota previa a la lectura

La Tecnologías y las ideologíasestán haciendo temblar los cimientosdel capitalismo del siglo XXI.La tecnología hace que la preparacióny el conocimiento sean las únicasfuntes de un beneficio estratégico sostenido

Lester Thuow

Una teoría pasa por cuatro etapas antes de ser acptadaI. Esto es un sinsentido sin ningún valorII. Es interesante, pero perversaIII. Esto es cierto, pero no tiene

importanciaIV. Yo siempre lo dije

J.B.S: Holdance, 1963


Agradecimientos

En primer lugar quiero reconocer el apoyo que recibo

en todos los proyectos que me propongo de mi

querida Eva. Su comprensión, paciencia, complicidad

y aliento son imprescindibles en las, a veces,

«solitarias travesías del desierto» por las que pasan en

algún momento el desarrollo de dichos proyectos.

A mis colegas y amigos Mercè y Toni por su amistad e

incondicionalidad.

A Roser y Emi, por su paciencia y comprensión

conmigo y por ponerme las cosas tan fáciles en la

editorial UOC.


Nota previa a la lectura

Este pequeño libro está dirigido a aquella persona interesada

en una breve introducción a los sistemas de navegación por saté-

lite y que quiera aproximarse a las ideas y conceptos básicos de esta

temática tan actual. Está deliberadamente exento de tecnicismos

y de expresiones matemáticas. La omisión de estos detalles técni-

cos tiene como objetivo llegar al máximo número de lectores,

simplificando la explicación de las ideas y conceptos. Aquellos

que quieran profundizar más en el tema disponen en el último apar-

tado de enlaces a páginas web relacionadas y de una selección de

bibliografía especializada donde esperamos que puedan escoger el

tema de su interés.

Antes de empezar con el texto nos gustaría esclarecer la defi-

nición de unos términos que se usan frecuentemente en el cálcu-

lo de la posición y que llevan a menudo a errores de interpreta-

ción. Estos términos son exactitud (accuracy en inglés) y precisión

(precision en inglés).

Consideramos que, en un abuso del lenguaje, es empleada in-

adecuadamente la palabra exactitud como el margen de error del

posicionamiento, siendo la unidad de medida utilizada los metros,

centímetros o cualquier otra unidad de medición lineal que indi-

que el margen de error. El uso de este término con este significa-

do es generalizado en las referencias que se pueden hallar por in-

ternet y, en general, en la bibliografía sobre esta materia.

La acepción del término exactitud en esta obra es considerar-

la como un parámetro que indica cuál es la proximidad del resul-

tado de una medición con respecto al valor real. La exactitud, se-



gún su definición estricta, no es un valor cuantificable, sino una

cualidad atribuible, ya que la exactitud no se puede medir: una cosa

es exacta o no lo es.

La precisión tiene que ver con el método o instrumento uti-

lizado para realizar la medición y es un indicador de la repetibi-

lidad de un resultado. La diferencia del término precisión con res-

pecto al de exactitud es que la precisión no tiene en cuenta sólo

una medición, sino el conjunto de todas las mediciones realiza-

das para obtener una medida.

Así, aplicados estos términos al posicionamiento por satélite,

se puede entender la exactitud como el margen de error en una

medición y la precisión como el error mínimo que se puede pro-

ducir (la mejor medición) según las características del sistema o ins-

trumento de posicionamiento utilizado. Conocer la precisión y la

exactitud de las medidas es importante para decidir si los datos de

un sistema de posicionamiento son válidos o no.

Figura 1. Imagen en la que se comparan gráficamente el significado de lostérminos precisión y exactitud (del inglés accuracy). (Fuente: Trimble)

Capítulo I

Introducción a los sistemas GNSS

La sigla GNSS (del inglés Global Navigation Satellite System –sis-

tema de navegación global por satélite) fue creada por una de las

instituciones que forman parte de las Naciones Unidas, la ICAO

(del inglés Internacional Civil Aviation Organization – Organización

Internacional para la Aviación Civil), que lo definió de la siguien-

te forma:

GNSS es un sistema de cobertura global para determinar la posicióny el tiempo, que puede estar formado por una o más constelacionesde satélites, por receptores aeronáuticos, por un sistema de monito-reo de la integridad de la señal y complementado con los sistemas deaumentación necesarios para dar soporte a las diferentes operacionesy maniobras que habitualmente se realizan en la navegación aérea.

© Editorial UOC 17 Introducción a los sistemas GNSS

Figura 2. Sistema de posicionamiento de cobertura global (Fuente: EC-ESA)


Actualmente hablar de GNSS es hablar de GPS (del inglés

Global Positioning System –sistema de posicionamiento global), si-

gla que por otra parte ha sido adoptada de forma coloquial por la

comunidad de usuarios para denominar a los equipos que ubica-

dos en el salpicadero de nuestros vehículos o en las apps (abrevia-

ción del inglés applications, aplicaciones) de nuestros smartpho-

nes nos indican, paso a paso, la ruta que hay que seguir para llegar

a un destino previamente programado.

El sistema GPS, desarrollado y mantenido por el ejército de

EE.UU. desde hace ya 34 años, 1978 fue el año de puesta en órbi-

ta del primer satélite, provee de señal de posicionamiento de alta

precisión y de señal de tiempo a los efectivos militares america-

nos desplegados en cualquier parte del mundo. A partir del 1 de

mayo de 2000 el Gobierno americano permitió el acceso a sus ser-

vicios de calidad estándar a cualquier poseedor de un equipo recep-

tor GPS con cobertura global eliminando la disponibilidad selec-

tiva (del inglés selective availability, S/A), más tarde, el 19 de

septiembre de 2007, la Casa Blanca decidió eliminar de los futuros

satélites GPS III la posibilidad de degradar la señal de navegación

en beneficio de todos los usuarios civiles del sistema y de la in-

dustria GNSS, al asegurar la calidad y la disponibilidad del servicio

de forma continua GPS III empezará a estar disponible en 2014.

Si bien la aplicación del GPS como navegador para coche fue

de las primeras en introducirse en el mercado de consumo, actual-

mente es cada vez más frecuente que los teléfonos inteligentes y

las tabletas incluyan, integrado en su interior, un receptor GPS que

permite disponer de posicionamiento instantáneo y de precisión

sobre una cartografía digital que se puede descargar en tiempo

real desde un proveedor de servicios de navegación, como por

ejemplo Google Maps, a través de la conexión de telefonía móvil

de alta capacidad (3G, HSDPA…) que también está integrada en

dicho teléfono o tableta.

Los lectores ya introducidos en temas de GNSS, sin duda, de-

ben tener también incorporados en su terminología GNSS los tér-

minos GLONASS, Galileo o Beidou como sistemas de posiciona-

miento global ruso, europeo y chino respectivamente. Como

veremos a lo largo de esta obra, el sistema ruso GLONASS (del in-

glés Global Navigation Satellite System) lleva también muchos años

disponible y completó su constelación con los 24 satélites, para

los que fue inicialmente diseñado, el 8 de diciembre de 2011; el

sistema europeo Galileo está en fase de validación, en dicha fase

denominada IOV (del inglés In Orbit Validation) se pondrán en

órbita 4 satélites, dos el 21 de octubre de 2011 y dos más el 12 de

octubre del 2012, que servirán para validar el sistema y pasar a la

fase inicial de operación del sistema, prevista para 2018, previo lan-

zamiento de 14 satélites más; y por último, el sistema chino que

está también en fase de desarrollo y que dispondrá al final de

2014 de un conjunto de 14 satélites que proporcionarán servi-

cios de posicionamiento al territorio chino. Su objetivo final es el

de disponer de una constelación de 35 satélites para el año 2020.

© Editorial UOC 19 Introducción a los sistemas GNSS

Capítulo II

Evolución de los sistemas de orientación

2.1. De la orientación por la naturaleza a laorientación por las estrellas

El ser humano, desde sus orígenes nómadas, ha tenido nece-

sidad de recordar los lugares por donde pasaba, ya sea bien para

volver a pasar por ese lugar o bien para explicar a otros la ruta que

hay que seguir para alcanzar un determinado destino. Para ello el

hombre ha ido utilizando a lo largo de la historia diferentes “mé-

todos de referencia” que le sirviesen de apoyo en su movilidad. En

un principio sus travesías a pie se limitaban a la tierra firme: bos-

ques, desiertos o montañas, y los métodos que utilizó entonces fue-

ron realizar marcas sobre el terreno con piedras o con cortes en las

cortezas de los árboles o identificar elementos singulares del pai-

saje o del entorno para referenciar sus rutas de paso. Los puntos

de salida y puesta del sol fueron con mucha probabilidad utiliza-

dos también como referencias en sus desplazamientos. Todos es-

tos elementos constituyeron los primeros puntos de referencia

utilizados para apoyarse durante sus desplazamientos y que, con

el paso del tiempo, se fueron sofisticando a la vez que lo hacían

los métodos disponibles para obtener referencias.

© Editorial UOC 21 Evolución de los sistemas de orientación

Me imagino los primeros desplazamientos realizados a plena

luz del día, caminando y exclusivamente por tierra. La noche era

dominada entonces por los grandes carnívoros y el fuego todavía

era difícil de generar, transportar y mantener. Posteriormente se

utilizaron animales y vehículos de arrastre que acortaron las dis-

tancias e hicieron más cómodo el recorrido de largas distancias.

Pero fue la incursión en mares y océanos la que obligó a los

navegantes a desarrollar nuevos métodos de obtención de referen-

cias para realizar de forma segura sus travesías marinas. En una pri-

mera época fue la navegación costera, es decir, la navegación que

se realizaba sin perder de vista la línea de costa, pero pronto se des-

arrollaron nuevos métodos basados en la posición de los astros y

de las estrellas visibles. El sol, la luna y sus ciclos diarios, estacio-

nales y anuales fueron las primeras referencias que seguramente

fueron utilizadas en los inicios de la navegación marítima.

Rápidamente se incluyeron las posiciones de las estrellas más bri-

llantes del firmamento, que desde el mar y en plena noche son vi-

sibles en la bóveda celeste. En el hemisferio norte se utilizaron la

Osa Mayor con la estrella polar y la Osa Menor y en el hemisfe-

rio sur la Cruz del Sur. Estas estrellas constituyeron los elementos


Figura 3. Astrolabio planisférico andalusí atribuido a al-Sahli, año 1067(Fuente: Museo Arqueológico Nacional) y sextante del siglo XIX. (Fuente:NOAA)

de referencia cuya geometría relativa, que variaba en función del

lugar de la tierra desde el que se estuvieran observando, propor-

cionaba a los navegantes información muy valiosa de la zona

donde se encontraban y del lugar hacia el que se dirigían.

Se desarrollaron instrumentos mecánicos y ópticos, como as-

trolabios, sextantes y octantes, cuya función era la de medir los

ángulos relativos entre las estrellas, el horizonte y el punto de ob-

servación. Se publicaron almanaques con tablas que contenían

dichas medidas realizadas en diferentes lugares del planeta y a

partir de las cuales, aplicando laboriosos cálculos trigonométricos,

permitían obtener la posición actual del observador, eso sí, con bas-

tantes kilómetros de error. Eran medidas que no se podían reali-

zar de día, al no poder verse las estrellas, y por la noche el cielo

debía estar libre de nieblas y nubes y el mar en calma para poder

realizar la medida de dichos ángulos. Si en aquellos tiempos se hu-

biera podido disponer de las distancias a las estrellas, el proceso

de cálculo por triangulación geométrica hubiera sido mucho más

sencillo.


CALCULADOR ASTRONÓMICO ANTIGUOEl mecanismo de Anticitera

Sin duda uno de los mecanismos de cálculo astronómico más antiguos ymenos conocidos es el mecanismo de Anticitera.

En 1901 fue encontrado por unos buscadores de esponjas en el fondo delmar, cerca de la isla griega de Anticitera, un asombroso mecanismo datadounos 200 años a. C. Es el mecanismo de cálculo más sofisticado encontradohasta la fecha. Después de más de cincuenta años de investigaciones, sóloestudios realizados recientemente, llevados a cabo por el historiador DerekJ. de Solla Price (1922-1983), han concluido que podría haber sido utilizadopara medir fenómenos astronómicos al poder funcionar como un complejomecanismo calculador que permite realizar el seguimiento del sol, la luna yde los planetas del sistema solar conocidos en la época (Venus, Mercurio,Marte, Júpiter y Saturno) y que permite, asimismo, predecir eclipses.

Sorprende también el hecho de que a raíz dereconstrucciones realizadas del mecanismo, seha encontrado que utilizaba engranajesdiferenciales, de esta forma se convertiría en elprimer dispositivo conocido en utilizarlos, ya quelos primeros engranajes diferenciales conocidoshasta la fecha databan del siglo XVI.

Al parecer, dispositivos como este no eranextraños en la antigüedad. Hay descritos instru -mentos similares fabricados por Arquímedes,aunque lamentablemente ninguno de ellos hasido encontrado.

Existe un proyecto de investigación inter -nacional, The Antikythera Mechanism ResearchProject, patrocinado por empresas de altatecnología (como Hewlett Packard de EE.UU. yX-Tek Systems del Reino Unido), cuyo objetivo esdeterminar la función y el significado de estemecanismo.

Sin duda, el mecanismo de Anticitera es el mecanismo de cálculoastronómico de precisión más antiguo conocido y bien podría haber sidoutilizado para la navegación náutica.

Para ampliar la información:

http://www.antikythera-mechanism.gr/project/overviewhttp://es.wikipedia.org/wiki/Mecanismo_de_Anticiterahttp://www.relativitycalculator.com/philosophy_of_mathematics.shtml

Mecanismo deAnticitera, 200 a. C.(Fuente: MuseoNacional deArqueología, Atenas)

Con estos procedimientos se podía obtener la latitud con bas-

tante precisión, pero la obtención de la longitud constituía un

gran problema. Para calcularla se requería disponer a bordo del bar-

co de un reloj-cronómetro capaz de mantener su funcionamien-

to en las duras condiciones de navegación y de ambiente marino.

Los cronómetros marinos iniciales, de péndulo o de pesas, propor-

cionaban errores en el tiempo de decenas de segundos, que a su

vez provocaban un error en la determinación de la longitud de va-

rios minutos de arco y ello se traducía en decenas de millas náu-

ticas de desviación respecto del rumbo previsto.

Una de las aportaciones importantes a la navegación fue el des-

arrollo de una nueva generación de cronómetros que permitieron

ya entrado el siglo XVIII disponer de un tiempo de referencia muy

estable, capaz de soportar los bruscos vaivenes de las embarcacio-

nes, los cambios bruscos de temperatura, humedad y de la salini-

dad existente en el ambiente marino, suministrando el tiempo

con un error de pocas décimas de segundo, lo que se traducía en

un cálculo de trayectorias de unos pocos kilómetros de error. El

primer cronómetro de estas características fue el cronómetro náu-

tico H-4, diseñado en 1761 por el carpintero británico John


Figura 4. Cronómetro náutico H-4 de John Harrison, 1761. (Fuente: NMMLondon, MoD Art Collection)

Harrison. Con 13 cm de diámetro y un peso de 1.450 g, el H-4 uti-

lizaba ruedas antifricción y disponía, entre otras innovaciones,

de un sistema de compensación bimetálico de temperatura y de

un nuevo sistema de cojinetes. Con este cronómetro Harrison

ganó las 20.000 libras del premio que la Reina Ana estableció en

el Decreto de la Longitud el 8 de julio de 1714 a quien proveyera

de un método o técnica para determinar la longitud con un error

de 0,5 grados de un círculo máximo, equivalente a 30 millas náu-

ticas o 2 minutos de tiempo yendo de este a oeste o viceversa.

De esta forma la armada británica pasó a dominar los mares

del planeta, en detrimento de la armada española con embarca-

ciones más lentas y con peores instrumentos de posicionamien-

to. La introducción del cronómetro de precisión también fue un

gran éxito para los fletes comerciales. La nueva tecnología dispo-

nible para medir el tiempo les hacían ganar días de navegación y

llegar antes que la competencia a los puertos suministradores de

materias primas y, en consecuencia, les permitía también dismi-

nuir los costes de la expedición y llegar también antes a los mer-

cados con los nuevos productos.

2.2. Orientación a través de ondas de radio

Los métodos de orientación que hemos visto, podríamos de-

cir que generaron “eras” o “épocas” en la evolución de las tecno-

logías del posicionamiento. La primera que hemos descrito podrí-

amos denominarla la Era de la naturaleza, cuando se utilizaban los

elementos que la naturaleza proporcionaba como puntos de refe-

rencia, y la segunda la Era de las estrellas, en donde los puntos de

referencia los constituían los cuerpos celestes. Pero fue la Era de

la radio la que transformó profundamente la forma en la que el

hombre empezó a medir las distancias con mayor precisión.


A mediados del siglo XX, se desarrollaron técnicas que permi-

tían medir distancias utilizando señales de radio u ondas electro-

magnéticas. El concepto era simple, como las señales de radio se

propagan en la atmósfera a una velocidad fija (por cierto, la mis-

ma velocidad que la empleada por la luz, es decir, 300.000 km

por segundo), si se es capaz de medir el tiempo que emplea una

señal de radio en ir de una estación transmisora a una estación re-

ceptora, la distancia que las separa se podrá obtener con una sim-

ple multiplicación de la velocidad por el tiempo empleado. Es fá-

cil deducir que los errores en la medida del tiempo se traducirán

directamente en errores en la determinación de la distancia. Así

un error de un segundo generaría un error de 300.000 km, y un

error de un nanosegundo (0,000.000.001 s) un error de 30 cm. Por

tanto, se desprende que en la Era de la radio es muy importante

poder disponer de relojes de gran precisión y estabilidad ya que

eso constituye la base para la obtención de una medida de distan-

cia con precisión.

Pero ¿cómo podemos utilizar este método en la vida real para

la medida de distancias que nos ayuden a situarnos en la superfi-

cie de la tierra?

Para poder situarnos sobre la superficie de la tierra hemos de

disponer de un conjunto de estaciones transmisoras de señales

distribuidas estratégicamente en las diferentes regiones de nave-

gación del planeta.

Si disponemos de una estación transmisora de señales de po-

sicionamiento que denominaremos A y cuya ubicación está bien

determinada, y medimos con un receptor especial la distancia a

la que nos encontramos de ella, sabremos que nos encontramos,

por ejemplo, a 7.531 m de distancia de ella. Este dato no nos si-

túa todavía sobre el mapa, pero sí nos indica que nos podríamos

encontrar en cualquier lugar que diste 7.531 m de la estación A y

que describe un círculo a su alrededor cuyo radio es de 7.531 m.


Si existiera otra estación B emisora de señales, también de posición

conocida, el receptor obtendría la distancia a la que nos encon-

tramos de ella y obtendríamos, por ejemplo, 8.642 m. De la mis-

ma forma, el conjunto de puntos que se encuentra a 8.642 m de

la estación B forma un circulo a su alrededor que nos indica que

estamos en algún lugar sobre ese círculo. Por tanto, estamos situa-

dos en algún lugar que nos hace estar a la vez sobre el círculo A y

sobre el círculo B. Por geometría sabemos que dos círculos se in-

tersecan en dos puntos, por lo tanto estamos situados en uno de

esos dos puntos de intersección que nos hacen estar a la distan-

cia medida de A (7.531 m) y de B (8.642 m). Para poder discrimi-

nar entre las dos posiciones cuál es la correcta en la que nos en-

contramos, nos haría falta disponer de la distancia a otra estación

transmisora C, ya que de esta forma identificaría de forma única

cuál de esos dos puntos es el correcto.

En conclusión, si disponemos de un conjunto de estaciones

transmisoras de señales de posicionamiento (A, B, C), a la que de-

nominaremos red de estaciones, cuya ubicación es fija y bien de-

terminada y si disponemos de un receptor especial que dispone en

su memoria de las ubicaciones de dichas estaciones transmisoras,

al poner en funcionamiento ese receptor calculará rápidamente las

distancias a dichas estaciones y obtendrá la posición en la que se

encuentra. Esta forma de funcionar es la base de los modernos

sistemas de navegación por radio (del inglés RNS, Radio Navigation

Systems) cuya mejor expresión lo constituye el sistema LORAN

(del inglés Long Range Navigation, navegación de largo alcance).

El sistema LORAN actual (versión LORAN-C) lo operan los

guardacostas de Estados Unidos desde 1979 y es descendiente del

sistema LORAN-A, creado en 1942 durante la Segunda Guerra

Mundial. El sistema LORAN dispone de un conjunto de antenas

de comunicaciones desplegadas por todo el mundo que transmi-

ten señales en la frecuencia de 90 a 110 kHz con una potencia de


entre 100 y 4.000 kW. Actualmente, hay operativas unas 70 esta-

ciones de LORAN-C con un alcance medio de unos 2.000 km cada

una. LORAN-C no cubre todo el mundo, pero la cobertura es su-

ficientemente buena para dar servicio a EE.UU., a Europa y a la cos-

ta del Pacífico. El uso del LORAN-C no es exclusivo de la navega-

ción marítima, pero su uso y su cobertura están orientados

principalmente a este sector.

En la actualidad el sistema LORAN-C está siendo objeto de

estudio para evaluar la posibilidad de realizar mejoras en la señal

transmitida y en los receptores. Estas mejoras llevarán al E-LORAN

(del inglés enhanced LORAN, ‘LORAN mejorado’). Este nuevo sis-

tema incluirá emisiones de señal adicionales que podrán transmi-

tir datos que contengan correcciones diferenciales de señales GPS

y así funcionarán como un sistema de mejora de la posición. Con

el actual sistema LORAN-C, el error medio en el posicionamien-

to es de 450 m, mientras que, con el nuevo sistema E-LORAN, el

error puede ser de sólo 8 metros.

Los principales inconvenientes del sistema LORAN son que no

constituye un sistema con cobertura global, sólo da cobertura al

5% de la superficie terrestre, incluyendo principalmente zonas

costeras, y que proporciona posición de latitud y longitud y no de

altura, motivo por el cual no puede usarse en navegación área.

Existieron otros sistemas de posicionamiento por radio para

la navegación marítima que merecen mencionarse:

– El sistema OMEGA, constituyó el primer sistema de posi-

cionamiento realmente global para aplicaciones aeronáuti-

cas militares. El sistema estuvo operativo entre 1971 y 1997

y servía principalmente para guiar bombarderos nucleares a

través del Polo Norte hasta Rusia y para el posicionamien-

to de submarinos.

– El sistema DECCA, sistema que fue usado por los británicos

en la Segunda Guerra Mundial y que también se utilizó para


las explotaciones petrolíferas del mar del Norte hasta el año

2000. Actualmente ya no está operativo.

– El sistema CHAYCA es la alternativa rusa al sistema LORAN-

C y también está operativo actualmente.

2.3. Orientación vía satélite

La forma de superar las limitaciones que imponían los siste-

mas de radionavegación terrestre fue el advenimiento de la era de

los sistemas de navegación basados en satélites. Los mismos equi-

pos que antes se instalaban en estaciones terrestres ahora se ins-

talaban a bordo de satélites que eran colocados a gran altitud en

órbitas alrededor de la tierra, para así abarcar la mayor superficie

de territorio posible con sus transmisiones.

El concepto que subyace para la determinación de la distan-

cia es similar al que ya hemos visto para los sistemas basados en

estaciones terrestres, con la diferencia de que ahora son los saté-

lites los que actúan como estaciones de referencia y a diferencia

de las estaciones de referencia terrestres, los satélites no están fi-

jos en una posición sino que se mueven en sus órbitas. Para de-

terminar la posición sobre la superficie de la tierra en tres dimen-

siones, latitud, longitud y altura sobre la superficie de la tierra, se

deberán medir las distancias desde el receptor o usuario a tres sa-

télites, y encontrar a continuación el lugar donde intersecan tres

esferas cuyo centro se ubicará en el satélite y su radio la distancia

medida por el receptor en tierra hasta cada uno de los satélites.

Al contrario de lo que ocurría con las estaciones fijas terrestres,

cuya posición era fija y bien conocida, para los sistemas basados

en satélites, la posición del satélite en su órbita está variando con-

tinuamente conforme los satélites se desplazan por el espacio si-

guiendo su órbita. Por ello los satélites disponen de métodos para


transmitir información de su posición en cualquier instante de

tiempo. Es evidente que la precisión en el cálculo de la posición

del satélite afectará a la precisión de la distancia que calcule el re-

ceptor en tierra y en consecuencia a la posición sobre la tierra que

el receptor determine. En resumen, la precisión en calcular la po-

sición del receptor depende de la precisión en el cálculo de la po-

sición de los puntos de referencia que en este caso son los satéli-

tes que se desplazan en sus órbitas.

Con la finalidad de determinar con la máxima precisión la

posición de los satélites, sus parámetros orbitales son controla-

dos desde tierra: tanto las órbitas que describen los satélites

como su posición en ella en cada instante son monitorizados

desde varios centros de observación distribuidos por todo el pla-

neta. Con dichas observaciones se establecen predicciones acer-

ca de la posición del satélite con 24 horas de validez, son las de-

nominadas efemérides de los satélites. Dichas efemérides se

transmiten a los satélites para que estos a su vez las diseminen

a los receptores en tierra. Las efemérides forman parte de la es-

tructura de la señal de radio emitida por los satélites hacia los re-

ceptores en tierra.

2.3.1. El sistema Transit

Allá por el año 1958, tras el lanzamiento del primer satélite,

el satélite ruso Sputnik I el 4 de octubre de 1957, experimentos

llevados a cabo en el APL de la Universidad John Hopkins (del

inglés Applied Physics Laboratory, Laboratorio de Física Aplicada)

por los investigadores William Guier y George Weiffenbach demos-

traron que era posible determinar la órbita del satélite analizan-

do un único paso del mismo sobre una posición determinada gra-

bando y procesando el desplazamiento Doppler de las transmisiones


de radio realizadas desde el satélite. Posteriormente se comprobó

que si la posición de un satélite podía determinarse midiendo el

desplazamiento Doppler desde una estación cuya ubicación fue-

ra perfectamente conocida, entonces, de forma recíproca, debería

ser posible determinar la posición de la estación si la posición de

los satélites fuera conocida (observación realizada por Frank

McClure director del APL). El funcionamiento debería ser simple,

conocida la posición del satélite, un navegante podría conocer su

posición en cualquier lugar del planeta después de recibir, grabar

y procesar la señal recibida del satélite durante un período de

tiempo variable entre 10 o 16 minutos. Este hecho llevó al desarro-

llo por parte de Dick Kershner, jefe del departamento de espacio

del APL, del sistema de posicionamiento más conocido como

Transit, que fue operado por la armada de EE.UU.

El primer prototipo de satélite Transit fue puesto en órbita en

1961 y el sistema, denominado NNSS (del inglés Navy Navigation

Satellite Systems, sistema de navegación por satélite de la arma-

da), fue declarado operacional en 1964, tras la puesta en órbita de

6 satélites operativos.

Los satélites Transit describían orbitas circulares a una altura

de 1.100 km, dando una vuelta completa a la tierra en 107 minu-

tos. Cada satélite emitía dos frecuencias portadoras, una en VHF,

a 150 MHz, y otra en UHF, a 400 MHz. Sobreimpuesta en ambas

frecuencias y en modulación de fase se incluyó un mensaje que

contenía la información de las órbitas que era calculada previamen-

te por el centro de control. El mensaje era transmitido de forma

continua en bloques de 2 minutos, y cada bloque contenía 6.103

bits. De esta forma cada 2 minutos, cualquier receptor en tierra po-

día obtener los parámetros orbitales del satélite. Combinando la

información de la órbita de los satélites recibida con la medida de

la desviación Doppler de la señal, el receptor podía calcular de

forma precisa las coordenadas donde se encontraba.


De 1964 a 1967 el sistema fue de uso exclusivo para los mili-

tares. Su objetivo fue el de proveer información de posiciona-

miento a la flota de misiles balísticos a bordo de submarinos que

en aquellos momentos estaba en desarrollo. Más tarde se descla-

sificó y fue disponible para aplicaciones civiles. Con los satélites

Transit se podía obtener una precisión de hasta 200 metros pero

sólo en dos dimensiones. Además si el receptor se encontraba en

movimiento, un error en la determinación de su velocidad de un

nudo (equivalente a 1,852 km/h) provocaba un error en la posi-

ción de 0,2 millas náuticas, o lo que es equivalente unos 370 me-

tros. El sistema Transit estuvo operativo hasta el año 1996.

Los rusos, a su vez, desarrollaron un sistema equivalente al

americano denominado TSICADA.

2.3.2. La contribución de Transit al sistema GPS

El desarrollo y puesta en operación del sistema Transit apor-

tó dos tecnologías para el desarrollo del futuro sistema GPS, que

con el tiempo llegaron a ser esenciales:

– El sistema Transit desarrolló una técnica de análisis de fre-

cuencias que resultaría esencial para el futuro sistema GPS:

el uso de dos frecuencias para calibrar el retardo temporal de

la señal de radio al atravesar la ionosfera y ser dispersada por

los iones presentes en su trayectoria. Esta técnica se incor-

poró en el sistema GPS para obtener mayor precisión en el

posicionamiento.

– Transit también fue pionero en el desarrollo de diferentes sis-

temas de predicción precisa de las órbitas de los satélites de

su constelación, otra tecnología que devendría esencial para

el funcionamiento del sistema GPS.



Como veremos, la determinación y predicción de las órbitas

fue uno de los 5 retos tecnológicos al que los ingenieros del siste-

ma GPS tuvieron que dar solución para hacerlo operativo.

En la figura siguiente podemos ver de forma comparada la

evolución en la precisión conseguida con los diferentes sistemas

de posicionamiento por ondas de radio.

Figura 5. Precisión comparada de los diferentes sistemas de posicionamientoy navegación basados en ondas de radio. (Fuente: Wikipedia)

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Capítulo III

El sistema GPS

El 14 de diciembre de 1973, el Departamento de Defensa ame-

ricano (del inglés DoD, Department of Defence), y en concreto la

Fuerza Aérea Americana (del inglés USAF, United States Air Force)

aprobó el desarrollo del sistema GPS.

El término GPS proviene de la abreviación de NAVSTAR GPS,

que son las siglas en inglés de Navigation System with Timing and

Ranging Global Positioning System, es decir, sistema de posi -

cionamiento global y sistema de navegación con sincronización

de tiempo y medición de dis tancia.

Desde sus inicios, y desmitificando la creencia popular, el sis-

tema fue diseñado tanto para su uso principal militar como para

su uso en aplicaciones civiles. En aquellos momentos iniciales del

sistema, posiblemente se pensó que los topógrafos, cartógrafos y

geodestas serían sus principales usuarios, sin siquiera llegar a ima-

ginar la cantidad de aplicaciones y diversidad de usuarios que se

podrían llegar a desarrollar en el futuro.

Los requisitos de diseño que tenían sobre la mesa los ingenie-

ros del sistema eran concisos:

– La precisión en la medida debería tener un error de 5 a 20

metros, relativa y repetible.

– La exactitud debería ser previsible con un error de 15 a 30

metros.

© Editorial UOC 35 El sistema GPS

– Debería proporcionar posicionamiento 3D y sincronización

de tiempo y posicionamiento 3D y velocidad.

– El tiempo para obtener la posición debería ser instantáneo,

es decir, lo que denominamos tiempo real, para las precisio-

nes requeridas.

– El posicionamiento debería ser posible las 24 horas de los 365

días del año.

– Y la cobertura del sistema debería ser global.

El primer satélite GPS se puso en órbita el 22 de febrero de 1978.

En 1994 se llegó a disponer de 24 satélites en la constelación de

satélites GPS y el 27 de abril de 1995, después de 21 años y 4 me-

ses del inicio del desarrollo del sistema, se declaró completamen-

te operativo el sistema GPS.

3.1. Arquitectura del sistema GPS

La arquitectura del sistema GPS consta de tres conjuntos de

equipos o sistemas denominados segmentos, que están claramen-

te diferenciados:

– El segmento espacial: formado por los satélites que están

en órbita y que difunden las señales de navegación.

– El segmento terreno: formado por las infraestructuras en

tierra que permiten controlar el funcionamiento de los pro-

pios satélites y preparar y suministrar los datos de navega-

ción que serán transmitidos por los satélites.

– El segmento usuario: está constituido por todos los equipos

receptores en tierra, mar o aire que reciben la señal de los sa-

télites y la utilizan para posicionarse o navegar, y dan lugar

a las diferentes aplicaciones.



En los siguientes apartados se describen los dos primeros seg-

mentos. El segmento usuario se describirá en el apartado que tra-

tará de las aplicaciones que se derivan del uso de los sistemas GNSS.

3.1.1. El segmento espacial: los satélites

Actualmente hay en órbita unos 30 satélites, para ser más

exactos y con fecha de junio de 2012 hay 31 satélites, entre los ope-

rativos y los de reserva, en la figura se muestra su disposición or-

bital. Cada satélite tiene una vida aproximada de diez años y se

van sustituyendo continuamente los satélites obsoletos con unos

nuevos y mejorados para mantener operativa la constelación.

Los satélites siguen una órbita no geoestacionaria y casi circu-

lar de un radio de 26.560 km, es decir, a una altura aproximada

de la superficie de la Tierra de 20.200 km. La velocidad de los sa-

télites es de unos 3.218 km/h, esta velocidad les permite dar dos

veces la vuelta al planeta cada 24 horas. Cada satélite invierte 11

Figura 6. Disposición de las órbitas de la constelación de satélites GPS.

horas y 58 minutos en dar una vuelta completa a la Tierra. Las ór-

bitas de los satélites se distribuyen en seis planos orbitales, incli-

nados 55° respecto del ecuador terrestre, cada plano orbital con-

tiene 4 satélites operativos más uno de reserva. El diseño de estas

órbitas asegura que desde cualquier punto de la Tierra y en cual-

quier momento (cualquier día del año a cualquier hora) un re-

ceptor pueda recibir la señal de como mínimo cuatro satélites.

GPS ofrece dos servicios mediante dos señales diferentes, un

servicio de carácter civil y otro de carácter militar:

– El servicio SPS (del inglés Standard Positioning Service, ‘servi-

cio de posicionamiento estándar’) contiene la señal de uso

civil. Se emite en abierto y cualquier receptor GPS puede

utilizarlo. De hecho, es la señal que usan los receptores y na-

vegadores GPS, que tan populares son hoy en día integrados

en los teléfonos inteligentes o en los navegadores de los co-

ches.

– El servicio PPS (del inglés Precise Positioning Service, ‘servicio

de posicionamiento preciso’) contiene la señal de uso mili-

tar. Está reservado al ejército y a la Administración de EE.UU.

Cuando el sistema se puso en marcha en sus orígenes, se in-

sertaban errores variables de tiempo a la señal civil (SPS) para cre-

ar imprecisión en los receptores de uso civil. La máxima preci-

sión quedaba restringida de esta manera para ser obtenida por los

receptores de uso militar.

Cada satélite transmite dos señales de radio portadoras en la

banda L moduladas con la técnica del espectro ensanchado (del

inglés Spread Spectrum). Estas señales se conocen como L1 y L2:

– L1 es una señal de frecuencia 1.575,42 MHz codificada con

la clave C/A (del inglés course/acquisition).

– L2 es una señal de frecuencia 1.227,6 MHz codificada con

la clave P.


El motivo por el cual se usan dos señales portadoras es para

compensar los retrasos de propagación causados por el paso de las

señales por la ionosfera. Dichos retrasos varían aproximadamen-

te siguiendo el inverso de la frecuencia de la señal al cuadrado.

Enviando dos señales con frecuencias diferentes, se consigue cuan-

tificar el impacto de estos retrasos. Cabe decir también que ambas

señales están codificadas con claves diferentes y, por lo tanto, se

necesitan las dos claves para poder utilizar las dos señales.

Por tanto, en los receptores de uso civil, como sólo se puede

utilizar la señal L1, ya que es la portadora de la clave C/A, no se

puedan corregir los errores provocados por la ionosfera al no po-

der utilizar la información contenida en la señal L2, teniendo por

tanto la posición calculada menos precisión que los receptores de

uso militar. Los receptores militares disponen de la clave P y pue-

den usar la señal L2 para minimizar la imprecisión provocada por

la ionosfera.


A la señal civil también le afecta la SA (del inglés selective availability, ‘dis-ponibilidad selectiva’), que es una combinación de métodos para degradar laexactitud de la señal L1. Aunque esta degradación se desactivó en el mes demayo del año 2000, el Gobierno americano todavía se reserva la opción devolver a activarla en periodos de tiempo en los que se vea amenazada la se-guridad nacional de Estados Unidos.

La exactitud de los servicios GPS es de 15 metros, a pesar de que con unadisponibilidad de siete a nueve satélites se puede llegar a una precisión de 2,5metros. Con el uso de la codificación P y la disponibilidad de la señal L2, querecordamos que sólo es de uso militar, se puede llegar a una precisión de 30centímetros. Si la SA estuviera activada, la precisión sería variable y la esco-gería el Gobierno americano y podría ser, por ejemplo, de 100 metros enhorizontal y 150 metros en vertical. Obviamente, con la poca precisión quese podía tener en los orígenes cuando la SA estaba activada no se hubieranpodido desarrollar las aplicaciones actuales tan fiables basadas en las seña-les emitidas por los satélites GPS, ya que, con errores de más de 150 metros,el posicionamiento tiene muy poca precisión. Por poner un ejemplo de loque podría significar esta baja precisión, un vehículo que circulara en un sen-tido de una autopista podría asociarse al otro carril de marcha o incluso a otracarretera cercana.


3.1.2. El segmento terreno: las estaciones de control

La red de estaciones de control del sistema GPS está compues-

ta por una red de estaciones distribuidas por la superficie del pla-

neta. La estación principal MSC (del inglés Master Control Station)

se encuentra en Colorado Springs, con una estación alternativa en

Vandenberg (California), 12 antenas de control CCS (del inglés

Command and Control Stations) y 16 estaciones de seguimiento

RTS (del inglés Remote Tracking Station). El mapa de la siguiente fi-

gura muestra sus ubicaciones aproximadas. La posición de estas

estaciones se ha calculado previamente con mucha precisión para

utilizar este dato como referencia en el control de los satélites.

Las funciones principales de estas estaciones de control son:

1. Hacer un seguimiento continuo de la señal transmitida por

los satélites para conocer su estado y predecir sus órbitas. El

seguimiento se realiza con receptores GPS de doble frecuen-

cia (L1 y L2) dotados de relojes atómicos de Cesio. Se adquie-

ren datos meteorológicos locales para evaluar el retardo in-

troducido en la señal cuando atraviesa la troposfera.

Figura 7. Segmento de control del sistema GPS. (Fuente: GPS.gov)

2. Tres de las estaciones (Ascensión, Diego García y Kwajalein)

disponen de sistemas de telemetría para transmitir datos a

los satélites: nuevas efemérides, correcciones de reloj y con-

troles de telemetría y otros datos útiles para el manteni-

miento operativo del satélite.

3. La estación de Colorado Springs actúa como estación cen-

tral. Recibe y procesa todos los datos de seguimiento del

resto de las estaciones. Obtiene las efemérides y las correc-

ciones de los relojes de los satélites. Cuando un satélite se

aleja más de lo establecido de su órbita, la estación central

se encarga de controlar las maniobras necesarias para la co-

rrección de la órbita del satélite. Así mismo, es la encarga-

da de controlar las maniobras necesarias para sustituir a los

satélites que finalizan su tiempo de vida operativo por el nue-

vo satélite de recambio.

3.2. Órganos de gestión del sistema GPS

En EE.UU. la Política Nacional del Espacio para los sistemas es-

paciales de posicionamiento, navegación y tiempo se gestiona a

través de un conjunto de agencias y departamentos tal como se

puede ver en la figura siguiente. En esta figura se muestran las re-

laciones jerárquicas existentes en dicha organización.

El objetivo de la organización es mantener el liderazgo del

sistema GPS como proveedor mundial de servicios GNSS. Para

ello se promueven las siguientes líneas de acción:

– Proveer de forma global a cualquier usuario civil de servicios

GPS gratuitamente de forma continua.

– Mantener la constelación de satélites y sus prestaciones, pu-

blicando sus prestaciones mínimas disponibles así como es-



pecificaciones necesarias para utilizar las diferentes señales

de navegación, posición y tiempo.

– Utilizar servicios externos de PNT(Position, Navigation and

Timing) para complementar los servicios GPS.

– Fomentar la compatibilidad global y la interoperabilidad de

otros sistemas GNSS con GPS.

– Promocionar la transparencia en el suministro del servicio

civil de GPS.

– Posibilitar a la industria el acceso al mercado de aplicacio-

nes GPS.

– Apoyar las actividades internacionales para detectar y miti-

gar las interferencias perjudiciales del sistema GPS.

– Mejoras en el servicio global para usos civiles, comerciales

y científicos.

– Proteger el espectro dedicado a las señales de navegación

de cortes e interferencias.

Figura 8. Estructura del órgano de gestión de la política del sistema GPS enEE.UU. (Fuente: US Department of State, Space based PNT –PositionNavigation and Timing)

3.3. Cómo funciona el sistema GPS

Como ya empezamos a ver en el apartado dedicado a la orien-

tación vía satélite, si conseguimos medir la distancia a un conjun-

to de satélites, cuya posición es conocida, entonces podemos cal-

cular la posición en la que nos encontramos.

De esta forma podemos resumir los requisitos básicos para

calcular la posición utilizando puntos de referencia, que en este

caso serán los satélites de la constelación GPS:

1. Necesitamos disponer de un conjunto de satélites que cons-

tituyan nuestros puntos de referencia a los cuales medire-

mos la distancia desde nuestra posición. También será ne-

cesario que sepamos la posición exacta de cada satélite en

cualquier instante de tiempo.

2. Necesitamos establecer un sistema de coordenadas con el

cual establecer las posiciones de los satélites y la posición

del receptor.

3. Necesitamos un sistema que nos permita medir las distan-

cias del receptor a los satélites de la forma más precisa po-

sible de tal forma que la posición que el receptor calcule sea

lo más precisa posible. Para ello utilizaremos unas señales

de radio de características muy especiales que transmitirán

los satélites hacia la tierra.

3.3.1. Convertir tiempo en distancia

De la misma forma que se explicó en el apartado “Orientación

a través de ondas de radio”, en los sistemas basados en satélite se

utiliza también el método de la triangularización para obtener la

posición del receptor sobre la superficie de la Tierra. La diferencia

es que la triangularización que antes hicimos en dos dimensiones,


con círculos sobre la superficie de la Tierra, ahora la realizaremos

en tres dimensiones y con esferas, considerando que el receptor

se encuentra en la superficie de una esfera que es la Tierra y los sa-

télites son el centro de las esferas cuyo radio, como veremos, es la

distancia medida al satélite obtenida por el receptor GPS.

“Teóricamente”, por trigonometría, sabemos que un punto

en el espacio tridimensional se localiza con tres medidas (X, Y, Z),

por tanto van a hacer falta tres satélites para determinar la latitud

(Y), la longitud (X) y la altura (Z) del receptor sobre la superficie

de la Tierra. Vamos a ver por qué decimos que es “teóricamente”.

La distancia a la que estamos de una tormenta la estimamos

contando los segundos que tarda en oírse el trueno después de ver-

se el destello del relámpago. El número de segundos obtenido lo

multiplicamos por 345 m/s, que es la velocidad del sonido en el

aire, y así podemos estimar a qué distancia estamos de la tormen-

ta. De la misma forma, para calcular la distancia del receptor GPS,

situado en la superficie de la Tierra, hasta los satélites, en órbita

alrededor de la Tierra, el receptor mide cuánto tiempo tarda una

señal desde que se transmite desde el satélite hasta que llega al re-

ceptor. Una vez que determina el tiempo que ha empleado la se-

ñal en llegar al receptor sólo tiene que multiplicar el tiempo ob-

tenido por la velocidad de la luz (que a efectos prácticos son

300.000 km/s) para conocer la distancia a la que se encuentra el

receptor del satélite. Como ya hemos apuntado antes, se debe re-

alizar este cálculo de distancia con tres satélites para poder situar

el punto sobre la superficie de la Tierra.

De la misma forma que en la tormenta el destello del relám-

pago era el origen de tiempos que utilizábamos para medir los se-

gundos que empleaba la onda de sonido hasta llegar a nuestros oí-

dos, en los sistemas de navegación por satélite nos hace falta una

marca que nos indique el momento en el que la señal ha salido

del satélite, si no tenemos dicha marca se genera una ambigüedad


en la determinación del tiempo. Para solventar este problema, los

ingenieros que diseñaron el sistema decidieron sincronizar los re-

lojes de los satélites con los de los receptores generando en ese mis-

mo instante una misma secuencia de códigos tanto en el satélite

como en el receptor. De esta manera cuando el receptor reciba la

señal proveniente del satélite, como vendrá retrasada debido a

que ha tenido que recorrer una gran distancia (recordemos que los

satélites se encuentran a unos 20.200 km de altura sobre la super-

ficie de la Tierra) la secuencia de códigos llegará también retrasa-

da en la misma cantidad de tiempo al receptor. El receptor, por tan-

to, tendrá que identificar con cuánto tiempo de retraso se inicia

el código enviado por el satélite respecto del código generado en

el mismo receptor. Esa diferencia de tiempo multiplicada por la

velocidad de la luz nos permitirá conocer la distancia a la que el

satélite se encuentra del receptor.

Es importante indicar que la secuencia de códigos utilizada ha

sido diseñada para que el receptor pueda identificar la secuencia

de códigos en cualquier instante de tiempo y de forma inequívo-

ca. A esa secuencia de código se la denomina código seudoaleato-

rio (del inglés Pseudo-random Code) y la misma secuencia se repi-

te cada milisegundo.

Un milisegundo puede parecer poco tiempo, pero en un mi-

lisegundo una señal de radio ha recorrido 300 km. El hecho de que

“pequeños” errores en tiempo puedan generar un gran error en la

medida de la distancia nos genera un problema adicional, como

veremos en próximos apartados.

¿Qué implica a efectos prácticos para un receptor obtener una

posición de precisión en tres dimensiones? Significa que el recep-

tor debe realizar cuatro medidas de distancia para resolver la am-

bigüedad en la sincronización de los relojes del receptor y del sa-

télite, es decir, debemos tener al menos cuatro satélites por encima

del horizonte, y en consecuencia sobre nuestro receptor GPS para


poder calcular la posición. Por su parte, el diseño electrónico del

receptor ha de ser capaz de realizar el seguimiento simultáneo y

constante de al menos cuatro satélites. En la actualidad, la tecno-

logía utilizada en los receptores GPS permite el seguimiento (trac-

king en inglés) de más de 12 satélites. De esta forma, cuando uno

de los satélites que está siendo seguido es ocultado por el horizon-

te, por una montaña o por una construcción, instantáneamente

es reemplazado por otro que esté totalmente visible y en seguimien-

to. El tracking o seguimiento también consiste en recibir durante

30 segundos el mensaje de navegación que transmite periódica-

mente el satélite hacia tierra, y con cuyos datos se obtiene la po-

sición del satélite en su órbita.

3.3.2. Cómo calcula el receptor GPS la distancia

A efectos prácticos el receptor GPS recibe tres señales de radio

la señal L1, a la frecuencia de radio de 1.575,42 MHz, con un

mensaje adicional de navegación para usos civiles, comerciales y

científicos, la señal L2, a la frecuencia de radio de 1.227,60 MHz.

La señal L1 la transmiten todos los satélites y contiene el có-

digo C/A (del inglés coarse/adquisition) modulado a 1,023 MHz. Esta

señal proporciona el servicio de posicionamiento y de tiempo SPS

(del inglés Standard Positioning Service) disponible para usos civi-

les. Esta señal contiene también una señal modulada a 50 Hz que

contiene la información de las efemérides y las correcciones por

desviación de los relojes a bordo de los satélites.

La señal L2 la transmiten también todos los satélites y contie-

ne el código P (Precision Code) modulado a 10,23 MHz. Esta señal

es de uso exclusivamente militar y proporciona el servicio de po-

sicionamiento y tiempo PPS (del inglés Precise Positioning Service).

Para poder utilizar esta señal hace falta disponer en el receptor de



las claves criptográficas utilizadas en la codificación P que contie-

ne la señal. El uso conjunto de las señales L1 y L2 en los recepto-

res militares permite practicar correcciones sobre la señal recibida

que permiten obtener medidas en las distancias de gran precisión.

La figura siguiente muestra de forma simplificada el procesa-

do de señal que ocurre en el interior de los receptores GPS para po-

der obtener como resultado la información contenida en las se-

ñales L1 y L2. Los círculos con el símbolo (X) significan que las

señales entrantes se multiplican y los círculos con el símbolo (+),

que las señales entrantes se suman.

3.4. Fuente de errores en la medida de la distancia

Hasta ahora hemos ido describiendo las partes y métodos del

sistema de posicionamiento GPS que hacen de su funcionamien-

to un mecanismo de relojería:

– disponemos de cuatro relojes atómicos de gran precisión a

bordo de cada uno de los satélites,

Figura 9. Señales que procesa un receptor GPS para calcular la seudodistancia.(Fuente: Peter H. Dana, Departamento de Geografía de la Universidad de Texas)

– los satélites retransmiten cada minuto correcciones de sus

posiciones orbitales

– y se realiza una medida adicional a un cuarto satélite para

compensar la falta de sincronización en el reloj del receptor

GPS debido a que usamos relojes “baratos”.

Aun con el uso de estos ingeniosos métodos y tecnologías

para calcular la posición en la cual nos encontramos, existen di-

ferentes fuentes de errores que se han de intentar mitigar para

obtener una medida lo más precisa posible. La lista de fuentes de

errores son las siguientes:

– Errores en los relojes:

- Errores en los relojes del satélite

- Errores derivados de la teoría de la relatividad

- Errores originados en el reloj del receptor GPS

– Errores en las posiciones de los satélites en sus órbitas

– Errores causados por la atmósfera

- Errores añadidos cuando la señal traspasa la ionosfera

- Errores añadidos cuando la señal traspasa la troposfera

– Errores causados por el multitrayecto de las señales

– Errores en el procesado de los datos en el mismo receptor

– Errores por la distribución geométrica de los satélites en el

cielo

– Errores por la activación de la disponibilidad selectiva

– Errores causados por la variación del centro de fase de la

antena

– Errores intencionados por señales interferentes

Vamos a ver de qué forma se pueden mitigar o corregir estas

fuentes de errores para que impacten menos en el error que se

genera al calcular la posición en el receptor GPS.


3.4.1. Errores en los relojes de los receptores

Para construir los relojes se utilizan unos componentes deno-

minados osciladores que generan una frecuencia muy estable a par-

tir de la cual se obtiene la referencia de tiempo y las frecuencias

de referencia utilizadas en las señales de radio generadas por el sis-

tema.

Comercialmente disponibles hay dos tipos de osciladores de

precisión: los basados en las oscilaciones de un cristal de cuarzo,

y los basados en osciladores atómicos.

El oscilador que utiliza un cristal de cuarzo, basa su funciona-

miento en la propiedad física de la piezoelectricidad. El origen de

la oscilación reside en un disco de cuarzo que es estimulado por un

campo eléctrico y provoca la generación de una oscilación eléctri-

ca. El oscilador de cuarzo es el más común y barato de todos.

Los osciladores atómicos se basan en el salto de un átomo en-

tre diferentes niveles de energía. La transición entre los niveles de

energía produce a su vez una señal de microondas a una frecuen-

cia precisa y muy estable. Esta señal a través de un dispositivo

electrónico de realimentación se utiliza para controlar un oscila-

dor de cuarzo. Los osciladores atómicos habituales son los basa-

dos en la célula de vapor de rubidio, el tubo de haz de cesio y el

máser de hidrógeno.

3.4.2. Errores en los relojes del satélite

Los satélites GPS llevan a bordo cuatro relojes atómicos, dos

de cesio y dos de rubidio. El error acumulado de estos relojes sue-

le ser menor de 1 nanosegundo cada 3 horas. Un nanosegundo

equivale a 0,000.000.001 segundos. Este error transmitido hasta

los receptores GPS en Tierra daría lugar a un error en la medida de


la distancia de 30 cm. Para evitar que esto ocurra, los cuatro relo-

jes atómicos de los satélites son controlados desde la estación de

control en Tierra y comparados con el reloj maestro de referencia,

que es una combinación del tiempo proporcionado por un con-

junto de diez relojes atómicos muy precisos. La estación de con-

trol selecciona continuamente uno de ellos como reloj maestro de

cada satélite: el que provee una referencia de tiempo más estable.

Por medio de una señal de telemetría enviada desde tierra se ac-

tiva el reloj seleccionado como máster.

El resultado de la comparación es la obtención de los errores

y desfases de los relojes de cada satélite. Se mantienen sincroni-

zados todos los relojes de todos los satélites dentro de un margen

de 20 nanosegundos. Los datos de corrección se incluyen en el men-

saje que el centro de control transmite a los satélites y que a su vez

cada satélite retransmitirá hacia los receptores GPS.

Los receptores GPS extraen la información del mensaje reci-

bido y corrigen su propio reloj con los datos de los errores de la

señal de tiempo que han recibido de cada satélite.

El tiempo utilizado en el sistema GPS está sincronizado con el

tiempo universal (del inglés UTC, Universal Time Coordinated, tiem-

po universal coordinado) dentro de un error menor de 100 nano-

segundos.

3.4.3. Errores derivados de la teoría de la relatividad

Es necesario comentar que los satélites GPS están afectados por

dos efectos previstos por la teoría de la relatividad general y espe-

cial. Estos efectos son:

– La suma de los efectos de la teoría general de la relatividad

debidos a la diferencia media del campo gravitatorio entre

el satélite y el receptor/usuario.


– El efecto de la teoría especial de la relatividad debido a la ve-

locidad relativa media entre el satélite y el receptor.

Para compensar estos efectos relativísticos, la frecuencia de

referencia de los relojes de los satélites en vez de ser 10.230.000

Hz es de 10.229.999,995.450 Hz

3.4.4. Errores originados en el reloj del receptor GPS

Uno de los requisitos de diseño del sistema fue que el recep-

tor GPS dispusiera de relojes estándares, ya que con relojes están-

dares se podía disminuir el coste del receptor, el tamaño, el peso

y el consumo de energía, parámetros importantes para el diseño

de equipos militares que debían ser transportados por soldados de

infantería o integrados a bordo de misiles. Por tanto, los relojes de

los receptores GPS disponen de osciladores de cristales muy sim-

ples y baratos para generar los sincronismos de tiempo. No obs-

tante, este requisito ocasiona un coste extra de tiempo de cálcu-

lo en el receptor, como vamos a razonar a continuación.

Los osciladores de cristal pueden generar un desfase temporal

de algunos microsegundos (0,000001 s) cada segundo, lo que pue-

de equivaler a más de 0,08 segundos al día, y no son ni mucho me-

nos tan precisos como los relojes atómicos de rubidio y cesio que

están a bordo de los satélites, que, dicho sea de paso, son los re-

lojes más precisos fabricados por el hombre hasta la fecha. Este des-

fase en los osciladores se produce, entre algunas de sus causas,

por la misma naturaleza del cristal, la temperatura, la presión y la

humedad ambiente. Por ello es de vital importancia asegurarse

de que los relojes del satélite y del receptor estén realmente sin-

cronizados en el instante en el que se realice la comparación de

la secuencia de códigos.


La solución encontrada por los ingenieros del sistema GPS fue

tan simple como utilizar la medida de un cuarto satélite para po-

der sincronizar el reloj del receptor. Con esta medida adicional

se eliminaba el desfase o ambigüedad temporal, siempre y cuan-

do este desfase fuera constante y sistemático en el tiempo. En

general, la tecnología de fabricación de osciladores de cristal con-

sigue que el error de los osciladores utilizados en los receptores

GPS comerciales sea aproximadamente una función lineal del

tiempo.

Visto desde el punto de vista del álgebra, la resolución de la

posición que constituyen cuatro incógnitas: latitud (Y), longitud

(X), altura (Z) y tiempo (t), requiere establecer y resolver un siste-

ma de cuatro ecuaciones. Con los datos que obtenemos midien-

do la distancia a cada unos de los cuatro satélites establecemos las

necesarias cuatro ecuaciones.

3.4.5. Errores en las posiciones de los satélites en sus órbitas

Al igual que la Luna, los movimientos de los satélites están

regidos por los conceptos establecidos por la mecánica celeste. Con

el lanzamiento y puesta en órbita de cada satélite GPS, se sitúa a

cada satélite en una órbita precisa y determinada, según los cál-

culos previamente realizados para la constelación GPS por el de-

partamento encargado del control de la misión. Así, la órbita de

cada uno de los satélites se puede predecir con anterioridad. La

red de estaciones de control distribuidas estratégicamente por

toda la Tierra realiza continuamente el seguimiento de las órbi-

tas de cada satélite. Como cada satélite completa una vuelta com-

pleta en unas 12 horas, pasa dos veces cada día por encima de una

estación de control, esto permite realizar una medida de la alti-


tud, de la posición en la órbita y de la velocidad cada 12 horas.

Comparando las medidas realizadas con el cálculo de la órbita pre-

vista se obtienen las desviaciones u errores de efemérides. El mo-

tivo por el cual se originan estas desviaciones respecto de la tra-

yectoria prevista hay que buscarlas en la influencia del campo

gravitatorio de la Luna y el Sol, así como en la presión de la ra-

diación solar sobre la superficie del satélite y de sus paneles so-

lares desplegados.

Una vez que la estación de control ha medido las desviacio-

nes respecto de la órbita prevista y genera las correcciones en los

datos de la órbita, transmite la información a cada satélite para que

a su vez dicha información sea transmitida hacia los receptores GPS

situados en la Tierra.

Por tanto y resumiendo, los satélites GPS transmiten dos tipos

de mensajes, el código seudoaleatorio a efectos de sincronización

de los relojes, y el mensaje de navegación que contiene informa-

ción de su posición además de información de su estado de fun-

cionamiento a efectos de que el receptor pueda determinar la po-

sición exacta del satélite en la órbita.

3.4.6. Errores causados por la atmósfera

Como ya hemos visto, para calcular la distancia al satélite me-

dimos el tiempo que ha empleado la señal transmitida por el sa-

télite en llegar al receptor para después multiplicar dicho tiem-

po obtenido por la velocidad de la luz. El problema es que la

velocidad de la luz varía en función de las condiciones de la at-

mósfera.

A continuación vamos a ver las dos causas principales que al-

teran la velocidad de la luz en la atmósfera.


3.4.6.1. Errores añadidos cuando la señal traspasa la ionosfera

La parte más elevada de la atmósfera es la ionosfera.

La ionosfera ocupa una capa de la atmósfera que la podemos

situar entre los 50 y los 1.000 km de altura respecto de la superfi-

cie de la Tierra. La radiación ultravioleta procedente del Sol al al-

canzar esta parte de la atmósfera ioniza una parte de las molécu-

las de gas presentes en dicha zona liberando electrones, que pasan

a formar parte de una especie de nube electrónica que se extien-

de por toda la ionosfera.

Las señales GPS, como cualquier onda electromagnética, al

propagarse por un medio ionizado, se ven afectadas por la carac-

terística dispersión no lineal que provoca dicha concentración de

electrones en la ionosfera enlenteciendo la velocidad de la luz.

El efecto de la ionosfera sobre el error en la medida de la dis-

tancia puede variar en función de las condiciones presentes en la

ionosfera:

– desde 150 m, en los períodos de máxima insolación, en el

mediodía o cuando los satélites están cerca del horizonte, mo-

mento en el cual la señal emitida atraviesa transversalmen-

te la ionosfera

– hasta 5 m, en períodos de baja insolación, a medianoche o

cuando el satélite está en el cenit del receptor.

El efecto de la ionosfera sobre las ondas electromagnéticas de-

pende de la frecuencia de la señal, y lo hace de forma inversa-

mente proporcional al cuadrado de la frecuencia. Por ello el uso

en el sistema GPS de dos frecuencias, L1 y L2, permite comparar

las medidas realizadas sobre las dos frecuencias para estimar el

efecto causado en el mismo instante en las dos señales por la io-

nosfera.


La corrección que se desprende del uso del método de las dos

frecuencias elimina la mayor parte de los errores introducidos so-

bre las señales por la ionosfera en las medidas de código y de fase.

No obstante estas medidas correctoras, persisten errores resi-

duales en las medidas, que pueden afectar al uso del GPS en algu-

nas aplicaciones de precisión, sobre todo cuando las mediciones

se realizan durante las horas de máxima insolación posteriores al

mediodía o durante un máximo de actividad solar.

No todos los receptores GPS son de doble frecuencia, para

aquellos que son monofrecuencia las correcciones las tienen que

realizar utilizando modelos de comportamiento de la ionosfera cu-

yos parámetros son medidos por las estaciones de control y trans-

mitidos por el sistema GPS. Dichos datos se integran dentro del

mensaje de navegación.

3.4.6.2. Errores añadidos cuando la señal traspasala troposfera

La parte más baja de la atmósfera se denomina troposfera.

La troposfera se extiende hasta 50 km de altura, aunque la zona

que más afecta a la señal GPS llega hasta los 16 km de altura.

A diferencia de la ionosfera, la troposfera no dispersa las seña-

les cuyas frecuencias están por debajo de 30 G hercios. A efectos

de las señales GPS la refracción en la troposfera es independien-

te de la frecuencia, por lo que el uso de dos frecuencias no permi-

te eliminar la dispersión añadida por el paso de la señal a través

de la troposfera.

La única forma de eliminar los efectos de la troposfera es re-

alizando medidas locales, en el lugar donde se ubique cada recep-

tor de GPS, de la altura a la que nos encontramos, del ángulo de

elevación con el que llega la señal al receptor, el contenido de va-

por de agua del aire, la temperatura y la presión atmosférica para


aplicar después con esos datos modelos matemáticos que permi-

tan calcular el retardo introducido por la ionosfera.

Con los modelos actuales se pueden reducir hasta en un 95%

los efectos de la troposfera, que contribuyen al error de la medi-

da de la distancia al satélite hasta unos 3,5 cm.

Como veremos más adelante, para observaciones de precisión

entre dos receptores GPS cercanos, denominado GPS diferencial,

es muy importante conocer las condiciones de la troposfera en am-

bas ubicaciones para aplicar los modelos matemáticos correctores

de forma adecuada.

4.4.7. Errores causados por el multitrayecto de las señales

En la medida de la distancia del receptor GPS a cada satélite

hemos considerado que la señal transmitida por el satélite llega di-

rectamente a la antena del receptor, pero esto no es completa-

mente cierto. Junto a la señal directa que recibe el receptor hay que

añadir la contribución de señales que llegan de forma indirecta a

la antena del receptor GPS, ya sea reflejadas en el paisaje cercano

o en los objetos próximos a la antena y que se suman a la señal

directa bien para disminuirla (suma en contratase) o bien para

incrementarla (suma en fase). La señal compuesta resultante crea

incertidumbre en el momento de determinar el verdadero instan-

te de tiempo en el que llega la señal del satélite al receptor.

El fenómeno anterior se denomina multitrayecto y ocurre

cuando una misma señal transmitida por el satélite llega al recep-

tor siguiendo dos trayectos diferentes.

El multitrayecto es muy difícil de evitar, sobre todo en equi-

pos móviles, pero puede mitigarse en estaciones fijas con diseños

de antenas realizados específicamente para cada aplicación y que


tengan como características el que conformen el diagrama de re-

cepción de la antena restringiéndolo al hemisferio superior, que

utilicen diferentes tecnologías de construcción de antenas y que

incluyan un plano de tierra con el adecuado tamaño y forma.

Hay dos técnicas que ayudan a atenuar el efecto del multitra-

yecto, las técnicas de procesado de señal y los planos de tierra del

tipo choke ring

– Procesado de señal

Si la señal reflejada ha recorrido a una distancia mayor de

10 metros respecto de la señal directa, el denominado “mul-

titrayecto lejano”, utilizando técnicas de procesado de señal

se puede discriminar entre la señal correcta y la interferen-

te. En cambio, si la diferencia de recorrido de las señales es

menor de varios metros, el denominado “multitrayecto cer-

cano”, la eliminación de la señal proveniente del multitra-

yecto, con estas mismas técnicas de procesado de la señal,

elimina parte de la señal directa empeorándose la relación

entre señal y ruido de la señal directa recibida.

– Plano de tierra choke ring

Un plano de tierra del tipo choke ring consiste en una base

metálica circular sobre la que se montan concéntricamen-

te paredes cilíndricas, también metálicas, de grosor y altu-

ra específicamente determinados para que actúen como

trampa de las señales que lleguen a la antena con un cierto

ángulo de elevación. Los choke ring se diseñan para una o para

dos frecuencias (L1 y/o L2).

Las antenas choke ring son especialmente útiles para atenuar

las señales reflejadas desde debajo de la antena, por ejemplo, an-

tenas GPS que tienen debajo grandes superficies de terreno desér-

tico o montañoso, o el mar. El tipo de multitrayecto que produ-

cen estas superficies es del tipo multitrayecto cercano.


Para tener un orden de magnitud, el multitrayecto puede pro-

vocar un error de hasta varios metros en el código de fase y de has-

ta varios centímetros en la fase de la portadora.

3.4.8. Errores en el procesado de los datosen el mismo receptor

Los propios receptores pueden introducir errores en la medi-

da del código o de la fase de la portadora, aunque en receptores

de gama alta estos errores pueden ser despreciables. Por ejemplo,

menos de un milímetro en la medida de la fase y algunos centí-

metros en la medida del código son errores despreciables.

Se dan también posibles errores en el redondeo de operacio-

nes matemáticas o interferencias eléctricas que pueden causar re-

sultados erróneos en el código seudoaleatorio obtenido. Estos

errores habitualmente son o muy grandes o muy pequeños.

Detectar los grandes errores suele ser más fácil, ya que son erro-

res obvios, que detectar pequeñas desviaciones de cálculo. Así es-

tos pequeños errores pueden generar una incertidumbre de algu-

nos metros en cada medida que se realice.

Son habituales errores en el receptor de hasta 10 cm para el có-

digo de la fase y de alrededor de 1 mm para la fase de la portadora.

3.4.9. Errores por la distribución geométricade los satélites en el cielo

Hemos visto que los errores en la medida de la distancia del

receptor GPS al satélite son claves para la precisión del cálculo de

la posición. ¿Pero en qué medida influye este error en la distan-

cia en la precisión de la posición? O dicho de otra forma, un error


de un metro en la determinación de la distancia al satélite ¿cuán-

tos metros de error introduce en la posición calculada?

La respuesta está en el número de satélites utilizados para cal-

cular la posición y su distribución geométrica en la bóveda celeste.

El término habitual para designar la precisión de la medida GPS

es el UERE (del inglés User Equivalent Range Error) que representa

el error resultante de combinar las incertidumbres en las efemé-

rides, los errores de propagación de la señal, los errores en los re-

lojes y en la sincronización y la figura de ruido del receptor.

La forma en la que se distribuyen los satélites en la bóveda ce-

leste durante el cálculo de la posición por el receptor GPS se de-

nomina factor de dilución de la precisión DOP (del inglés Dilution

of Precision), que es la relación entre la precisión del posicionamien-

to en una coordenada y la precisión en la medida de la distancia

al satélite.

El número resultante indica la calidad del conjunto de satéli-

tes escogido para calcular la posición y cuanto menor sea menor

será el error cometido en su cálculo.

Como sabemos, los satélites están en continuo movimiento en

sus órbitas, y su distribución en la bóveda celeste es diferente en

función del punto de la superficie de la tierra desde donde se ob-

serven, por este motivo el valor del DOP para un mismo empla-

zamiento varía continuamente y es un indicador de la “calidad”

de los satélites disponibles para calcular la posición de dicho em-

plazamiento. La mejor distribución posible de cuatro satélites para

calcular la posición sería disponer de un satélite en el cenit del re-

ceptor y los tres satélites restantes ligeramente por encima del ho-

rizonte y separados por una distancia angular de 120 grados. Esta

distribución daría un valor de DOP muy bajo.

En cambio, cuatro satélites, muy próximos entre sí y forman-

do un enjambre, darían un valor de DOP muy elevado, por lo que

se desaconsejan para calcular con ellos una posición con precisión.



Hay diferentes tipos de DOP, en función de las coordenadas

escogidas para evaluar la precisión en su cálculo. Aunque no va-

mos a entrar en más detalles, sólo debemos recordar que el con-

cepto es el mismo que el explicado anteriormente y que el factor

obtenido debe ser lo más pequeño posible si los satélites escogi-

dos son los apropiados para el cálculo de la posición. De esta for-

ma, las DOP más usuales que se consideran son:

– VDOP, dilución de la precisión de la altura

– HDOP, dilución de la precisión del posicionamiento 2D

– PDOP, dilución de la precisión del posicionamiento 3D

– TDOP, dilución de la precisión en el tiempo

Figura 10. Cuando en el año 2020 estén disponibles las 4 constelacionesglobales de GNSS (GPS, GLONASS, GALILEO y COMPASS) totalmentecompatibles (interoperables) se podrá mejorar la exactitud delposicionamiento debido a un mejor parámetro PDOP (position dilution ofprecision). (Fuente: CAE-NAE GNSS Workshop May 2011)

– HTDOP, dilución del posicionamiento 2D y el tiempo

– GDOP, dilución del posicionamiento 3D y el tiempo o di-

lución geométrica

3.4.10. Errores por la activación de ladisponibilidad selectiva

Uno de los requisitos en el diseño del sistema GPS fue el de que

debía ser utilizado para defender los intereses del Gobierno de

EE.UU. Por ese motivo en su concepción se tuvo presente el dis-

poner de una combinación de métodos para degradar el grado de

precisión con el que un usuario del servicio abierto de GPS (señal

L1) podría posicionarse. De esta forma se diseño la disponibilidad

selectiva (de sus siglas en inglés S/A, selective availability).

La forma de llevar a cabo esta degradación es mediante la mo-

dificación del código seudoaleatorio utilizado para decodificar la

señal civil L1, la manipulación de los relojes de los satélites y mo-

dificando los datos actualizados de la posición en su órbita de los

satélites, las denominadas efemérides. Evidentemente los recep-

tores GPS militares son inmunes a estas degradaciones ya que dis-

ponen de electrónica especial y de códigos reservados que com-

pensan las degradaciones introducidas intencionadamente.

Aunque esta degradación se desactivó el 1 de mayo del año

2000, el Gobierno americano todavía se reserva la opción de vol-

ver a activarla en periodos de tiempo en los que se vea amenaza-

da la seguridad nacional de Estados Unidos.

La exactitud de los servicios GPS es de 15 metros, a pesar de

que con una disponibilidad de siete a nueve satélites se puede lle-

gar a una exactitud de 2,5 metros. Con el uso de la codificación

P y la disponibilidad de la señal L2, que recordamos que sólo es

de uso militar, se puede llegar a una precisión de 30 centímetros.


Si la S/A estuviera activada, la precisión sería variable y la escoge-

ría el Gobierno americano y podría ser, por ejemplo, de 100 me-

tros en horizontal y 150 metros en vertical.

El centro de control puede cambiar el código P utilizado en la

señal militar L2 en cualquier momento para dotar de más seguri-

dad al sistema.

Obviamente, con la poca precisión que se podía tener en los

orígenes del sistema GPS, cuando la S/A estaba activada, no se

hubieran podido desarrollar las aplicaciones actuales tan fiables ba-

sadas en las señales emitidas por los satélites GPS, ya que, con

errores de más de 150 metros, el posicionamiento tiene muy poca

precisión. Por poner un ejemplo de lo que podría significar dispo-

ner de un posicionamiento con baja precisión, un vehículo que

circulara en un sentido de una autopista podría asociarse al otro

carril de marcha o incluso a otra carretera cercana.

3.4.11. Errores causados por la variación del centrode fase de la antena

El “centro de fases” de una antena GPS es el “punto” donde

se realiza el cálculo de la posición.

Para determinar las coordenadas de dicho punto se desplaza

eléctricamente el centro de fases de la antena para hacerlo coin-

cidir con dicho “punto” de cálculo. Habitualmente el “centro fí-

sico” de la antena está situado exactamente por encima de dicho

“punto” y se puede medir con precisión la distancia vertical que

separa al punto de posición del centro físico. Esta diferencia ver-

tical se tendrá en cuenta cuando se calculen las coordenadas de-

finitivas de la posición. En las antenas diseñadas para aplicacio-

nes de precisión se hace coincidir el centro de fases con el centro

físico de la antena.


Ocurre que el centro de fases de una antena puede desplazar-

se unos milímetros según se mueven los satélites en su órbita y esto

causa un error equivalente al desajuste.

Las antenas de precisión se diseñan para que su centro de fa-

ses sea estable y se desplace de forma determinística en función

de la posición de los satélites en su órbita.

3.4.12. Errores intencionados causados por señalesinterferentes

El funcionamiento de un receptor GPS puede ver alterado o

incluso bloqueado su funcionamiento en presencia de señales

próximas a las frecuencias L1 y L2. Las señales que afectan direc-

tamente a dichas señales se denominan interferencias dentro de

la banda (del inglés in-band interferences) y las señales que afectan

a bandas adyacentes se denominan interferencias fuera de la ban-

da (del inglés out-band interferences).

La mayoría de los receptores pueden filtrar las interferencias

fuera de la banda pero sólo los más sofisticados pueden eliminar

las interferencias dentro de la banda.

Estas interferencias pueden ser casuales y temporales o pueden

ser intencionadas para degradar local o regionalmente la precisión

de los receptores GPS presentes en la zona para sabotear a los

usuarios de los sevicios GNSS. En los últimos años se ha detecta-

do la falsificación intencionada de las señales GNSS con fines mi-

litares, que se denomina «spoofing».

La ocupación del espectro electromagnético se previó que se-

ría un inconveniente para el desarrollo a nivel mundial del siste-

ma GPS. Por una parte podía ser complicado obtener las autori-

zaciones para operar el sistema en muchos países y por otra parte

las interferencias intencionadas para degradar las señales, deno-


minadas jamming, preocupaban a los militares ya que esto podía

afectar gravemente el cálculo de la posición de sus receptores.

Por este motivo se recurrió al uso de las comunicaciones de es-

pectro ensanchado (del inglés Spread Spectrum) para resolver am-

bos problemas. Dichas comunicaciones ya se empezaron a utili-

zar previamente en sistemas experimentales de posicionamiento

y los resultados eran muy prometedores.

La técnica del espectro ensanchado consiste en distribuir una

señal de banda estrecha que contiene la información sobre un

ancho de banda mucho mayor habiendo sido previamente modu-

lada con ruido seudoaleatorio. De esta forma se puede compartir

la misma región del espectro electromagnético con otros usua-

rios simultáneamente sin interferirse, combatir las interferencias,

ser inmune al jamming, y asegurar la seguridad de las comunica-

ciones ya que la decodificación del mensaje sólo es posible si se

dispone de la misma forma de onda con la cual se moduló en su

origen la señal.

Para aplicaciones de posicionamiento, las técnicas de espec-

tro ensanchado también permiten unas medidas de distancia más

precisas.

El método de ensanchamiento de señal que utiliza el sistema

GPS se denomina ensanchamiento directo de secuencia (del inglés

direct sequence spreading) y utiliza código de ruido seudoaleatorio

y modulaciones binarias bifásicas.

Otra de las ventajas del uso de la técnica de espectro ensan-

chado con el código seudoaleatorio es que todos los satélites del

sistema pueden utilizar las mismas frecuencias sin interferirse mu-

tuamente utilizando cada uno de ellos un código seudoaleatorio

diferente. Además, como todas las transmisiones son de baja po-

tencia, no domina la transmisión de ningún satélite sobre los

otros.


3.5. Aumentar la precisión en elposicionamiento: el GPS diferencial

Con la constelación actual de satélites GPS, aunque ya no está

activa la disponibilidad selectiva, la precisión que se puede obte-

ner en el posicionamiento es de 15 a 20 metros. Dicha precisión

no es suficiente para muchas aplicaciones civiles. Desde los inicios

del sistema GPS se han desarrollado métodos para conseguir dis-

minuir los errores en las medidas de las distancias a los satélites

y así aumentar la precisión en el cálculo de la posición. En este con-

texto es como se desarrolló la técnica denominada GPS diferen-

cial (del inglés DGPS, Differential GPS) que se va a describir a con-

tinuación.

Imaginemos que queremos realizar unas medidas de preci-

sión en una zona acotada de un territorio determinado, una par-

cela de 10.000 m x 10.000 m, y disponemos de tres receptores

GPS. Si en un punto determinado de dicho territorio, cuya posi-

ción se conoce con precisión, instalamos, durante el tiempo que

realicemos las medidas, uno de dichos receptores GPS, los datos

que adquiera de los satélites se pueden analizar para cuantificar los

errores que estos datos contienen debido a errores en los relojes

de los satélites, a los errores de posicionamiento de los satélites en

su órbita, los retardos introducidos por la ionosfera y por la tro-

posfera. Con todos esos errores cuantificados se puede confeccio-

nar un conjunto de correcciones que los otros dos receptores GPS,

que se han instalado también en la vecindad del receptor de re-

ferencia (pongamos por caso a menos de 300 m), pueden recibir

vía un radioenlace de datos dichas correcciones e introducirlas

en sus cálculos de la posición, compensando los errores y mejo-

rando la precisión de su medida.

Esto puede ser así ya que en distancias próximas al receptor GPS

de referencia, los satélites son vistos por los receptores móviles


con prácticamente los mismos parámetros de elevación y distan-

cia al satélite y las señales recibidas de los satélites recorren apro-

ximadamente las mismas distancias y atraviesan las mismas zonas

de ionosfera y troposfera.

Esta técnica de trabajo se denomina GPS diferencial. Al re-

ceptor GPS ubicado en la posición conocida se lo denomina “re-

ceptor de base o de referencia” y a los otros receptores GPS, “re-

ceptores móviles” y se van instalando de forma temporal en los

diferentes puntos que se quieren medir y cuya posición se desco-

noce.

A la distancia que separa a la estación base de los receptores

móviles se la denomina “línea de base”. Cuando la línea de base

es pequeña, es decir, los receptores están próximos, los errores en

las medidas de los dos receptores son prácticamente idénticos.

Según se incrementa la línea de base los errores también se incre-

mentan. De tal forma que en el cálculo de la posición del recep-

tor móvil aparecen unos errores residuales debidos al aumento

de la línea de base.

Debido a que los satélites cambian su posición y el desfase de

su reloj constantemente y las condiciones de la atmósfera también

varían con el tiempo, las correcciones obtenidas por la estación base

también cambian rápidamente con el tiempo, dicho de otra for-

ma, los datos obtenidos caducan, por este motivo, la estación base

debe volver a recibir las señales de los satélites y recalcular las co-

rrecciones para volverlas a enviar de nuevo a los receptores mó-

viles.

A nivel de referencia si utilizamos receptores de doble fre-

cuencia (L1 y L2), el error calculado en los receptores móviles se

incrementa en 1 mm por cada kilómetro adicional en la línea de

base. Para receptores monofrecuencia (L1) el error es el doble.

El GPS diferencial compensa la mayoría de los errores a excep-

ción del multitrayecto y de los errores propios del receptor.


Originalmente se denominó DGPS al GPS diferencial obteni-

do con el código de la fase y al obtenido con la fase de la porta-

dora CPD (del inglés Carrier Phase Differential, diferencial de la

fase de la portadora). Cuando el CPD se realiza en tiempo real se

lo denomina RTK (del inglés Real-Time Kinematic).

El GPS diferencial realizado con el código de la fase (el DGPS)

proporciona cálculos de la posición menos precisos aunque de

forma instantánea.

Por el contrario, el GPS diferencial RTK, al utilizar la fase de

la portadora, requiere de unos minutos iniciales para realizar el se-

guimiento de los satélites visibles y mantener ese seguimiento

mientras duran las medidas. En compensación las medidas son mu-

cho más precisas que con el DGPS.

La precisión con DGPS el del orden del metro, mientras que

la precisión con RTK es del orden de milímetros.

3.6. El sistema de coordenadas que utiliza elsistema GPS

El empleo de sistemas de posicionamiento globales basados en

satélite, como es el GPS, requiere disponer de un sistema de coor-

denadas universal al que se permita referir las coordenadas obte-

nidas por los receptores GPS. Esto requiere lo que se denomina un

datum universal, que cubra toda la superficie de la Tierra y evite

el uso de los datums locales que cada país o región dispone para

sus bases cartográficas.

Por este motivo se creó el sistema WGS (del inglés World

Geodetic System, sistema geodésico mundial) en su versión 84. Este

sistema está bajo responsabilidad de la agencia norteamericana

National Imagery Agency (NIMA). El marco de referencia del sis-

tema WGS84 lo establecen el conjunto de estaciones del segmen-



to de control del sistema GPS y de algunas estaciones de la mis-

ma agencia NIMA.

En España, desde el 27 de julio de 2007 se adoptó el sistema europeoETRS89 (del inglés European Terrestrial Reference System 1989, sistema dereferencia terrestre europeo) como el sistema de referencia geodésico oficialpara la georreferenciación geográfica en el ámbito de la Península ibérica yde las islas Baleares. Este sistema es una realización del marco de referenciaterrestre internacional (del inglés ITRF, International Terrestrial ReferenceFrame) y tiene asociado el elipsoide GRS80 (del inglés Geodetic ReferenceSystem 1980, sistema de referencia geodésico). Este sistema de referenciapara la representación geográfica de la tierra, denominado datum, es el queutiliza la mayoría de los países europeos y su principal ventaja es que no esnecesario realizar transformaciones desde los datos capturados por un GPS,ya que es prácticamente equivalente al datum internacional proporcionadopor WGS84.

WGS84 y ETRS89 son equivalentes para la gran mayoría de lasaplicaciones topográficas o cartográficas. El primero está basado en elelipsoide del mismo nombre, WGS84, mientras que el segundo lo está sobreel GRS80 (Geodetic Reference System 1980), que adoptó la AsociaciónInternacional de Geodesia en 1979. Ambos elipsoides son idénticos exceptoen la excentricidad, en la cual difieren ligeramente.

ETRS89 es el sistema de referencia geocéntrico oficial en Europa, deprecisión mucho más elevada que la última solución WGS84.

(Fuente: Introducción a los sistemas de información

geográfica y geotelemática, Ed. UOC)

Capítulo IV

Otros sistemas de navegación por satélite

4.1. El sistema europeo GALILEO

4.1.1. El Plan de Radionavegación por satéliteEuropeo

La Comisión Europea (CE) publicó en febrero de 1999 una

comunicación [Ref. 1] en la cual se definía la estrategia europea para

el desarrollo de la próxima generación de un sistema global de na-

vegación por satélite (GNSS) europeo. En dicha comunicación el

mensaje central fue que Europa debía plantearse el desarrollo de

una constelación de satélites de órbita media (MEO), combinado

con la necesaria infraestructura terrestre, para dar servicio de po-

sicionamiento y navegación a usuarios civiles.

El sistema llevaría el nombre de Galileo, debería tener cober-

tura global y ser independiente del sistema americano GPS (Global

Positioning System, ver capítulo III) aunque completamente in-

teroperable con él. La Comisión Europea asumiría la responsabi-

lidad política y los requisitos de alto nivel del programa mientras

que la ESA (Agencia Espacial Europea) se encargaría de la defini-

ción, desarrollo, validación y puesta en operación del segmento

espacial y del segmento terreno.

© Editorial UOC 69 Otros sistemas de navegación por satélite

Galileo aprovecharía el “estado del arte” en todas las tecnolo-

gías aplicables y permitiría el desarrollo de nuevas aplicaciones, im-

practicables con el sistema GPS, gracias a que superaría las limi-

taciones del sistema GPS con respecto a

– la baja disponibilidad en áreas urbanas, GPS cubre actualmen-

te el 50%,

– la baja disponibilidad del GPS en latitudes mas allá de 70º,

– la discontinuidad del servicio GPS de forma temporal e im-

previsible en cualquier lugar del planeta,

– el hecho de que el control del sistema GPS depende de in-

tereses militares.

Por el contrario, Galileo ofrecería las características siguientes:

– Cubrirá el 95% de las áreas urbanas.

– La disponibilidad de la señal estaría garantizada, pudiendo

utilizarse en aplicaciones y negocios donde esta caracterís-

tica es crítica.

– Ofrecería una señal de integridad, con ella el usuario podrá

saber si la señal que recibe es correcta.

– Sería un sistema civil y controlado por un organismo civil.

Más tarde y como resultado de la Comisión del Transporte

que tuvo lugar en junio de 1999, se propuso a la Comisión Europea

que pusiera a punto una organización capaz de gestionar la fase

de definición del proyecto Galileo, así se creó la GJU (Galileo Joint

Undertaking) actualmente denominada GSA (European GNSS

Supervisory Authority).

La primera versión del documento técnico en el cual se defi-

nía la misión del sistema Galileo (High Level mission Definition

- HLD), así como los servicios asociados, se produjo a principios

de 2001. Esto dio lugar a debates y discusiones entre los países

miembros y entre los grupos de usuarios del sistema, que dio



como resultado una segunda versión del HLD en abril del mismo

año.

La última versión, fruto de perfeccionamientos en los concep-

tos tecnológicos utilizados en el sistema, de foros especializados y

de la decisión del Consejo, estuvo disponible en junio de 2002.

En la Comisión del Transporte, el 26 de marzo de 2002, se

definieron las directrices de la organización que gestionaría la si-

guiente fase de Galileo, la fase de desarrollo. Dicha organización

estaría compuesta de las siguientes entidades:

– La Joint Undertaking (JU), también conocida por Galileo

Joint Undertaking (GJU), formada por la CE (Comisión

Europea) y la Agencia Espacial Europea, que sería la enti-

dad que gestionaría el programa al completo.

– Una comisión de vigilancia, formada por representantes de

todos los países miembros, que supervisaría a la GJU.

– Y un comité que se haría cargo de los temas relacionados con

la seguridad del sistema, el Galileo Security Board (GSB), y

también de la aprobación de la normativa interna de segu-

ridad de la GJU.

Figura 11. Estructura de gestión del proyecto Galileo. (Fuente: GSA)

4.1.2. Alcance del proyecto

El proyecto Galileo tiene una gran repercusión tanto en Europa

como fuera de Europa.

En el ámbito europeo el interés en el sistema Galileo es múl-

tiple:

– Desde el punto de vista político enfatiza la soberanía e in-

dependencia de Europa para tomar sus propias decisiones en

el ámbito de la navegación por satélite. Asimismo estable-

ce y define una política industrial muy precisa y específica

para este proyecto.

– Desde el punto de vista económico, Galileo se aprovecha

de la existencia de un mercado global de sistemas de nave-

gación por satélite ávido de un sistema con las característi-

cas de Galileo. La existencia de Galileo va a generar una

gran cantidad de empleos directos e indirectos ya desde la

fase de definición del sistema. Y por último los sistemas de

navegación por satélite se van a constituir como la herramien-

ta que mejorará los rendimientos de la industria del trans-

porte de bienes, de pasajeros y de uso privado.

– Desde un punto de vista tecnológico, Galileo significará el

mantenimiento del liderazgo tecnológico de la industria eu-

ropea, ya que hará frente a los desarrollos necesarios para

construir Galileo con tecnología europea. Galileo también

dinamizará la sinergia entre las diversas tecnologías emple-

adas en el desarrollo del sistema.

– Por último y no menos importante, el impacto social de

Galileo que, sin ser exhaustivos, podemos resumir en la apa-

rición de nuevos y mejores servicios para el ciudadano, la me-

jora de los sistemas de seguridad empleados en el transpor-

te y el impacto medioambiental. Esto supondrá mejorar la

eficiencia de procesos, que en la actualidad precisan para


su ejecución, bien del conocimiento de su posición, bien

de ayudas para la navegación.

4.1.3. Cooperación internacional

Galileo es un sistema de ámbito global que maximiza sus be-

neficios haciendo de la cooperación internacional una parte fun-

damental del desarrollo del proyecto. Esta cooperación puede ayu-

dar a reforzar el know-how y a minimizar los riesgos tecnológicos

y políticos que el proyecto lleva asociados. La cooperación inclu-

ye a los dos países que actualmente operan sistemas GNSS: la

Federación Rusa y EE.UU.

Desde el momento en que la CE tomó la decisión de lanzar

el programa Galileo, muchos países han mostrado su interés por

participar en el programa de una forma u otra. El objetivo de la

CE es colaborar con todos aquellos países que compartan su vi-

sión de disponer de un sistema civil de navegación global por sa-

télite con altas prestaciones, fiable y seguro. De esta forma se

han firmado acuerdos de colaboración con China (30/10/2003),

con Israel (13/07/2004), Ucrania, India, Marruecos, Corea del

Sur (9/9/2006), Noruega (22/09/2010). Y están en vías de nego-

ciación acuerdos con Argentina, Suiza, Canadá, Brasil y Arabia

Saudita.

Asimismo, se han resuelto los problemas técnicos que van a

garantizar la interoperabilidad y compatibilidad con el GPS, (acuer-

do firmado con EE.UU. el 26/06/2004), de tal forma que con un

solo receptor se puedan recibir y procesar los dos tipos de señales.

También los sistemas indios IRNSS y GAGAN serán compatibles

con Galileo y EGNOS. Están en negociación la forma en que van

a ser compatibles con los sistemas europeos tanto el sistema ruso

GLONASS como el japonés QZSS.


Otros países y regiones han colaborado ya con el programa

Galileo en los apartados de definición del sistema, investigación

tecnológica y cooperación industrial, entre ellos, Latinoamérica y

África.

4.1.4. Participación del sector privado

Se espera que el proyecto Galileo genere un gran mercado de

equipos y servicios en el sector privado.

El modelo de negocio utilizado en Galileo permite ofrecer un

valor añadido a los usuarios para que paguen por recibir un ser-

vicio de navegación y posicionamiento de mayor calidad y a la vez

mantener a los usuarios del servicio abierto y gratuito para que pre-

fieran disponer de un receptor GNSS con mejor cobertura y fiabi-

lidad que disponga simultáneamente de las señales de GPS y de

Galileo.

En EE.UU. el mercado de tecnología GNSS y sus aplicaciones está

en plena expansión. Simultáneamente, en otras regiones del plane-

ta están ahora previendo un gran crecimiento para este sector.

Galileo acelerará la aceptación e integración de los sistemas basa-

dos en GNSS como una herramienta más en muchos y diferentes

sectores de actividad.

Aplicaciones críticas y de seguridad se van a ver potenciadas

con la mayor precisión y los mensajes de integridad previstos en

Galileo. La mayor disponibilidad de las señales de navegación,

ahora también en interiores de edificios y en cañones urbanos, va

a hacer más atractiva la utilización de esta tecnología en multitud

de innovadoras aplicaciones que aún ni siquiera se han imagina-

do, pero que sin duda van a ser generadas por grupos de empren-

dedores atraídos por desarrollar aplicaciones basadas en los siste-

mas GNSS.


La implicación del sector privado en el programa Galileo ha

sido clave para:

– Dar una orientación comercial al proyecto, con el objetivo

de generar beneficios.

– Realizar una gestión eficiente del programa.

– Obtener parte de la financiación necesaria para llevar a cabo

el programa.

Los actores que han puesto en marcha Galileo son:

– La ESA (Agencia Espacial Europea)

– Inicialmente la GJU (Galileo Joint Undertaking) actualmen-

te denominada GSA (European GNSS Supervisory Authority)

– La GOC (Galileo Operating Company)

Vamos a describir la misión que tendrán cada uno de ellos.

La ESA es el responsable técnico del desarrollo y puesta en

operación del sistema. Además de encargarse de desarrollar tecno-

logías críticas que se utilizarán en el sistema, tales como antenas

y relojes atómicos. Ha llevado a cabo la GSTB V1 y V2 (Galileo

System Test Bed, test de base para el sistema Galileo), que servirán

para validar el concepto del sistema.

La GJU, creada en 2003 y que en enero de 2007 pasó a deno-

minarse GSA, tiene como misión principal supervisar todas las ac-

tividades que se realicen en el marco de Galileo, además de super-

visar la integración de EGNOS (European Geostationary Navigation

Overlay Service, Servicio europeo de aumentación para la navega-

ción basado en satélites geoestacionarios) en Galileo y de adjudicar

la concesión del sistema Galileo. La GSA será el propietario de los

sistemas actuales EGNOS y Galileo y de los futuros sistemas GNSS

europeos y también el interlocutor entre los concesionarios que

operarán ambos sistemas. A su vez garantizará que se cumpla el


contrato de concesión a Galileo durante sus veinte años de vigen-

cia y establecerá las condiciones para su continuación.

La GOC será la encargada de poner en órbita los 26 satélites

restantes, de operarlos, mantenerlos y reemplazarlos cuando sea

necesario, todo ello durante la duración del contrato de concesión,

que son 20 años.

4.1.5. Los servicios que proveerá el sistema Galileo

Con Galileo se dispondrá de los siguientes servicios de posi-

cionamiento y navegación:

– Servicios basados en la señal Galileo

– Apoyo a servicios externos al sistema Galileo

4.1.5.1. Servicios basados en la señal Galileo

En esta clasificación se incluyen aquellos servicios que el usua-

rio obtiene de la señal Galileo emitida por cada uno de los satéli-

tes de la constelación y que son:

– “Open service” (OS), señal abierta para todos los usuarios con

prestaciones de tiempo y localización competitivas con res-

pecto de otros sistemas GNSS.

– “Safety of Life Service” (SoL), dirigido a usuarios cuya seguridad

es crítica y con un requisito muy exigente de prestaciones de

localización. Este servicio está garantizado por el sistema e in-

cluye mensajes al usuario que le informan en todo momento

de la calidad de la señal que va a ser emitida por los satélites.

– “Commercial Service” (CS), este servicio permite desarro-

llar aplicaciones de valor añadido que incrementen las pres-

taciones de posicionamiento y navegación.



– “Public Regulated Service” (PRS), este servicio está reservado

a los organismos públicos, y ofrece máxima disponibilidad de

la señal de navegación gracias al uso de tecnologías que mi-

tigan las interferencias presentes en el entorno del receptor.

La siguiente tabla resume las características de los servicios

que ofrecerá el sistema Galileo.

4.1.5.2. Servicios externos a Galileo

El sistema de satélites Galileo dará también apoyo a dos ser-

vicios externos al propio sistema:

– Servicio al sistema COSPAS/SARSAT, con el apoyo del servi-

cio de Search & Rescue (SAR).

Cada uno de los satélites Galileo tiene la capacidad de retrans-

mitir las señales recibidas, en la banda de 405 MHz, de ba-

lizas que se encuentren en situación de emergencia y que per-

tenezcan a la organización COSPAS/SARSAT, hacia estaciones

del tipo MEO Local Users Terminals (MEOLUT, terminal lo-

cal de usuario para satélites de órbita media).

Tabla comparativa de los servicios que ofrece Galileo. (Fuente: ESA)* Frecuencia dual: L1 y L2** Monofrecuencia: L1


A su vez el sistema permite enviar mensajes de texto de res-

puesta a las balizas que estén equipadas con receptores espe-

ciales y cuyo emisor sea el Return Link Service Provider (RLSP,

proveedor del servicio de respuesta) de COSPAS/SARSAT.

– A los servicios de integridad de regiones externas a la re-

gión europea.

El sistema Galileo permitirá la diseminación de informa-

ción adicional de integridad utilizando unos satélites deter-

minados para cada región. Esta información será generada

por entidades externas a Galileo. La región europea estará

controlada por el Centro de Control de Galileo, mientras que

regiones como África, Asia, Sudamérica o América del Norte

podrían estarlo por entidades locales que diseminarían su pro-

pia información de integridad a sus usuarios.

4.1.6. Descripción del sistema Galileo

La arquitectura del sistema Galileo se puede resumir en figu-

ra 12 de la página siguiente.

Como observamos en la figura, el sistema Galileo está compues-

to por tres segmentos:

– Segmento espacial, constituido por la constelación de saté-

lites.

SAR es la sigla para búsqueda y rescate, es el servicio prestado pororganizaciones multinacionales, como COSPAS/SARSAT, para el salvamentode vidas humanas en accidentes marítimos o aéreos. COSPAS/SARSAT esuna organización internacional de SAR formada por Canadá, EE.UU.,Francia y la Federación Rusa, que operan y mantienen una red de satélitesde órbita baja, para dar cobertura global con el menor retraso posible a lasseñales de emergencia enviadas por balizas instaladas en barcos y aviones

– Segmento terreno, constituido por estaciones de control y

seguimiento

– Segmento del usuario, constituido por los proveedores de ser-

vicios y las usuarios finles.

4.1.6.1. Segmento espacial

El segmento espacial está compuesto por una constelación de

30 satélites en órbita MEO alrededor de la Tierra, 27 de ellos acti-

vos y 3 en reserva. Dispuestos en 3 planos orbitales de 56º de in-

clinación y sobrevolando la superficie de la Tierra a 23.222 km.

Cada satélite emitirá 4 tipos de señales que contendrán señales para

la sincronización de relojes, información sobre las efemérides de

los satélites, señal de integridad y otros datos diversos comple-

mentarios al sistema Galileo. En la imagen, realizada con un simu-


Figura 12. Arquitectura del sistema Galileo (Fuente: European Comission).


lador gráfico, se pueden apreciar la disposición de 8 satélites en la

cofia de un lanzador en los instantes previos a ser puestos en ór-

bita.

4.1.6.2. Segmento terreno

El segmento terreno controlará la constelación Galileo y esta-

rá formado por dos centros de control (uno activo, en Ober -

pfaffenhofen, Alemania, y otro en reserva, en Fucino, Italia). Para

ello recibirá de los satélites periódicamente (a través de una red de

40 estaciones sensoras de la señal Galileo distribuidas estratégica-

mente por todo el globo) una señal de telemetría y las señales de

navegación. Esto permitirá controlar la calidad de la señal de na-

vegación que el satélite está transmitiendo a los usuarios en tierra.

Además, el segmento terreno dispondrá de una interfase con

centros de servicios externos. Dichos centros proveerán a los usua-

rios de Galileo de servicios de valor añadido realizando previa-

Figura 13. Visión simulada de cómo se verían 8 satélites Galileo en fase depuesta en órbita cuando aún se encuentran ensamblados en la cofia de unlanzador. (Fuente: ESA)


mente la contratación de los mismos. Esto constituirá la forma de

diseñar nuevas aplicaciones basadas en la suscripción de servicios

por períodos de tiempo o por localización geográfica o por com-

binación de ambos.

4.1.6.3. Segmento usuario

El segmento usuario está compuesto por aquellos usuarios

que dispongan de un equipo con un receptor de señales Galileo.

Este equipo será capaz de determinar su posición con un error de

pocos metros cuando reciba la señal de los satélites Galileo visi-

bles desde su ubicación. Se podrán diseñar receptores que utilicen

de forma combinada las señales de navegación GNSS de Galileo,

GPS, GLONASS conjuntamente con datos de navegación recibidos

a través de telefonía móvil o de Loran-C, para disponer de siste-

mas de navegación híbridos de alto valor añadido.

Figura 14. Centro de control principal de Galileo en la localidad alemana deOberpfaffenhofen, en las cercanías de Múnich, dentro de las instalaciones dela Agencia Espacial Alemana (DLR). (Fuente: DLR)


4.1.7. Desarrollo del proyecto Galileo

En el momento de redacción de estas páginas, el proyecto

Galileo se encuentra en la fase denominada fase IOV (del inglés

In Orbit Validation). El objetivo de esta fase es la de verificar el co-

rrecto funcionamiento así como las prestaciones del sistema an-

tes de pasar a la siguiente fase, la fase FOC (del inglés Full Operational

Capability).

Figura 16. Calendario previsto para las fases IOV (Development) y FOC(Deployment + Exploitation). (Fuente: GSA)

Figura 15. Señales de navegación que podrán recibir los usuarios del sistemaGalileo: E5a, E5b, E6b, E6c, L1. (Fuente: ESA)


La fase IOV cubre los aspectos siguientes:

– la definición detallada de todos los componentes del siste-

ma;

– la fabricación de dichos componentes: los satélites, los ele-

mentos del segmento tierra y los receptores;

– el lanzamiento de satélites prototipos (GIOVE A y B), que han

servido como demostradores de las diversas tecnologías que

se utilizarán en los satélites finales y que también han con-

solidado las frecuencias asignadas a Galileo por la WRC

(World Radio communications Conference) en 2003;

– una batería de pruebas de la señal emitida por los satélites

GIOVE, denominadas GSTB V1 y V2;

– la validación del sistema, con 4 satélites y un subconjunto

de elementos del segmento tierra.

La fase IOV se estima que se extenderá hasta finales de 2012

o del primer trimestre de 2013, y dispondrá de 4 satélites opera-

tivos. A partir del 2013 se continuará con la fase inicial del FOC

(full operational capability), que consiste en la puesta en órbita,

cada seis meses, de dos nuevos satélites hasta completar la cons-

telación de treinta satélites en 2020, incluyendo seis satélites de

recambio disponibles en órbita. Así mismo se desplegará toda la

infraestructura terrena necesaria para ofrecer un servicio inicial a

partir de 2018, tal como se muestra en la figura 17 de la página si-

guiente. En la fase final del FOC se pondrán en órbita 12 satélites

más hasta completar los 30 de que constará la constelación.

En la misma figura 17 se muestra el calendario aproximado en

el cual se desplegarán de forma gradual los diferentes servicios

ofrecidos por Galileo.

Una vez que la fase FOC se haya completado, hacia fines de

2022, el sistema entrará en la fase de operación rutinaria y ofre-

cerá el 100% de los servicios para los que fue diseñado, con un to-


tal de 30 satélites en órbita. En dicha fase el sistema deberá ser con-

tinuamente revisado y actualizado de acuerdo con las necesidades

de sus usuarios y de la evolución del mercado de servicios GNSS.

Con el sistema ya operativo, una empresa privada, la Galileo

Operating Company (GOC), se encargará de la explotación co-

mercial de Galileo. La figura legal escogida será la de concesión,

que tendrá una duración de 20 años. La GOC se compromete a ope-

rar la constelación Galileo y garantizar las prestaciones de servi-

cio validadas en la fase IOV, asimismo deberá mantener en esta-

do de operación todos los elementos de los segmentos espacial y

terreno y proceder con las misiones de sustitución y relleno de la

constelación de satélites.

Figura 17. Calendario de puesta en marcha gradual de los servicios queprovee el sistema Galileo. (Fuente: GSA)

Referencias para la sección 4.1 GALILEO

Ref. 1EC (febrero de 1999) Comunicación para definir la estrategia

europea para el desarrollo de la próxima generación de Global

Navigation Satellite Systems (GNSS).

Ref. 4EC (19/10/2004) Information note on public regulated servi-


Figura 18. Imagen del lanzamiento el 21 de octubre de 2011 de los dosprimeros satélites de la fase IOV con el lanzador Soyuz. (Fuente: ESA)


ce dated 19/10/04 from the European Commission DIREC-

TORATE-GENERAL FOR ENERGY AND TRANSPORT

Ref. 5EC (2629th Council held in 09 and 10 December 2004) con-

clusions on the deployment and operational phases of the

European Global Navigation Satellite System programmes

Ref. 3EC (Council regulation n.° 1321/2004 of 12 July 2004) on the

establishment of structures for the management of the

European Satellite radio-navigation programmes

Ref. 2EC (noviembre de 2000) Communication to define GALILEO

4.2 El sistema chino Beidou II/Compass

El desarrollo del programa de sistemas de navegación por sa-

télite chino se está realizando en dos fases denominadas Beidou

I y Compass o Beidou II.

4.2.1. BEIDOU I

La primera fase, Beidou I, fue una fase experimental que el

Gobierno chino inició a finales de la década de los noventa cuyo

objetivo fue demostrar las posibilidades tecnológicas de la indus-

tria china para el desarrollo posterior de un sistema propio regio-

nal de posicionamiento y navegación por satélite para aplicacio-

nes tanto civiles como militares.


Figura 19. Calendario de puesta en marcha del programa GNSS chino.(Fuente: RAN CHENGQI, China Satellite Navigation Office)

La siguiente figura muestra el calendario de actividades plani-

ficadas para el despliegue del programa GNSS del Gobierno chino.

El programa GNSS chino se encuentra en la actualidad inician-

do la segunda fase, el denominado sistema Compass o CNSS (del in-

glés Compass Navigation Satellite System) o también Beidou II.

En 1994 el Gobierno chino autorizó el desarrollo de dos saté-

lites que se situarían en órbita geoestacionaria con la finalidad de

proporcionar señales de navegación en el área geográfica com-

prendida entre las longitudes 70º y 140º E y las latitudes com-

prendidas entre 5º y 55º N. Los satélites se situarían en la posición

geoestacionaria 80º E y 140º E, con un tercer satélite de repuesto

situado en la posición 110,5º E. Los dos primeros satélites se lan-

zaron en el año 2000, los denominados Beidou 1A y 1B, y el ter-

cero, el Beidou 1C, se lanzó en el año 2003.

El satélite Beidou 1C también se utilizó como banco de prue-

bas de la instrumentación que llevarían los futuros satélites de

navegación del sistema Compass/Beidou II.


A finales del año 2001 el sistema ya proveía señales de posi-

cionamiento de test, aunque fue en el año 2004 cuando las pri-

meras señales de navegación empezaron a ser de libre acceso para

usuarios civiles. China fue el cuarto país del mundo, después de

EE.UU., Rusia y la UE, en disponer de una red de satélites para na-

vegación y posicionamiento.

La figura muestra la cobertura regional que se obtendrá cuan-

do Beidou I esté operativo.

Figura 21. Área de cobertura del sistema regional Beidou I. (Fuente: Wikipedia)

Figura 20. Satélite Beidou 1A y el lanzador Larga Marcha 3A 3ª. (Fuente:Agencia Espacial China)


4.2.2. COMPASS/BEIDOU II

Hay poca información disponible del sistema de navegación

que está desarrollando el Gobierno chino y a veces es confusa o

ambigua.

El desarrollo del sistema de navegación completo fue aproba-

do por el Gobierno chino en el año 2004.

La constelación de satélites de Compass la formarán satélites

distribuidos en tres tipos de órbitas:

– satélites en órbita geoestacionaria (GEO), circular de 36.500

km de radio,

– satélites en órbita inclinada 55º y geosíncrona (IGSO)

– y satélites en órbita media circular (MEO) de 21.500 a 24.100

km de radio.

El despliegue de la red se realizará en dos fases, según mues-

tra la tabla siguiente.

La constelación Compass proveerá dos tipos de servicios cuan-

do esté operativa:

– un servicio abierto y gratuito para aplicaciones civiles con

precisión de posicionamiento 2D de 5 m (u 8 m en 3D),

una precisión en velocidad de 0,2 m/s y una precisión tem-

poral de 50 ns en modo simple o 2 ns en modo dual y ser-

vicio de mensajes de texto. En modo diferencial la preci-

sión será de 1 metro;

– un servicio de uso exclusivo militar de mayor precisión con

servicio de mensajes de texto.

El sistema Compass inició oficialmente su período de pruebas

el 27 de diciembre de 2011 y se espera que pueda empezar a dar ser-

vicio de posicionamiento y navegación de precisión en la región Asia-

Pacífico a lo largo del año 2014, con 14 satélites. Se estima que po-

drá dar cobertura global hacia el año 2020 con 35 satélites.

La tabla siguiente muestra algunas de las características de los

satélites lanzados hasta el mes de junio de 2012, en donde se pue-

de observar que se encuentran 11 satélites operativos. El vehícu-

lo lanzador utilizado fue el Larga Marcha (en chino Changzheng)

en sus versiones 3A (carga un satélite), 3B (carga dos satélites) y

3C (carga un satélite).


Satélites puestos en órbita en el marco del sistema de posicionamiento chino.(Fuente: Agencia Espacial China. Actualizado el 19/9/2012)


4.3. El sistema ruso GLONASS

GLONASS (del ruso Global’naya Navigatsionnaya Sputnikovaya

Sistema o Sistema global de navegación por satélite) es un sistema

GNSS desplegado y operado por la Federación Rusia. Es la única

alternativa operativa al sistema GPS. Actualmente la Federación

Rusa tiene al 100% completa y operativa su constelación de saté-

lites.

GLONASS consta de 24 satélites (21 activos y 3 en reserva)

orbitando sobre 3 planos inclinados 64,8º sobre el ecuador. Cada

plano orbital consta de 8 satélites. El radio de las órbitas es de

25.510 km y el período de revolución de cada satélite es de 11 h

y 15 minutos. Cada 8 días completan 17 vueltas al planeta. GLO-

NASS no ha supuesto una competencia ni alternativa real para el

sistema GPS debido a la falta de operatividad de sus satélites du-

rante los años noventa. Los primeros satélites se pusieron en ór-

bita en 1982 pero el sistema no empezó a ser operativo hasta fi-

nales de 1996. En el año 2002 había 8 satélites operativos, en el

2007, 21 satélites operativos y en el 8 de diciembre de 2011 alcan-

zó la plena operatividad con 24 satélites en órbita.

GLONASS utiliza dos señales portadoras diferentes para cada

uno de los satélites. Las señales que se emiten tienen diferente

frecuencia según el identificador del satélite que la emita, y el va-

lor exacto de la frecuencia sigue la siguiente expresión matemá-

tica:

– Señal L1 = 1602 + 9k/16 GHz

– Señal L2 = 1246 + 7k/16 GHz

Donde k es el identificador del satélite, un número entre 0 y 23.

GLONASS disponía, de la misma manera que el sistema GPS,

de un dispositivo controlado por los militares para hacer menos

preciso el posicionamiento de los usuarios civiles en caso de con-

siderarlo necesario. Igual que el sistema americano, en el año 2007

se inhabilitó esta disponibilidad selectiva para fomentar el uso

del sistema. En el mercado se encuentran disponibles equipos que

permiten utilizar las señales GPS, o bien las señales GLONASS, o

una combinación de las dos.

4.4 QZSS (Quasi-Zenith Satellite System)

Quasi-Zenith Satellite System (QZSS, Sistema satelital cuasi

cenital), es el nombre que Japón ha dado a un sistema regional de

navegación que inicialmente, en el año 2002, se planteó desarro-

llar entre el gobierno y un consorcio industrial. El consorcio de-

nominado Advanced Space Business Corp, (ASBC), estaba forma-

do por más de 70 compañías del sector aeroespacial, del automóvil

y de telecomunicación y pretendían poner en operación tres sa-

télites para proveer en el este asiático servicios de aumentación de

señales GPS, señales de sincronización temporal, telecomunicacio-

nes y difusión de señales de radio y televisión.

En el año 2007 ASBC se disolvió y se creó una Fundación de

interés público, denominada Satellite Positioning Research an

Application Center (SPAC), en la cual participaba el sector indus-

trial y que fue promovida por los 4 ministerios japoneses que res-

paldaban el sistema QZSS: el Ministerio de Educación, cultura,

deportes, Ciencia y tecnología (MEXT), el Ministerio de Economía,

comercio e industria (METI), el Ministerio deL Interior y comuni-

caciones (MIC) y el Ministerio del territorio, infraestructuras y

transporte (MLIT). El objetivo era impulsar la investigación, el

desarrollo y la integración del primer satélite del sistema para va-

lidar en órbita la tecnología y los servicios que debiera ofrecer el

futuro sistema QZSS.


El sector terreno de QZSS está compuesto por:

– una estación de control principal (MCS, Master Control

Station) que se encargará de generar el mensaje de navega-

ción que transmitirán los satélites,

– una estación de Telemetria, Telecontrol y comunicaciones

(TTC) situada en Okinawa,

– una red de estaciones monitoras distribuidas en la región

oriental de Asia y Oceania,

– y un conjunto de estaciones de medida con láser

La constelación QZSS estará formada por 3 satélites en la mis-

ma órbita HEO (High Elliptical Orbit, órbita altamente elíptica),

con una altitud mínima de 32.000 km (perigeo) y máxima de

40.000 km (apogeo). De esta forma se consigue tener un satélite

las 24 horas situada en el cenit de Japón, o en sus proximidades

(de ahí su nombre: quasi-zenith) transmitiendo señales de nave-

gación a una elevación mayor de 70º, mejorando el posiciona-

miento en los receptores.

La figura 22 muestra gráficamente cómo mejora el sistema

QZS la disponibilidad de señales de navegación, compensando a

las señales que por su baja elevación se reflejan en edificios (ca-

ñones urbanos) o en la orografía y no pueden llegar a los recep-


Figura 22. Visión gráfica de la mejora que ofrece el sistema QZSS (Fuete SPAC)

tores del usuario. La señal cenital de los satélites QZS, interopera-

ble con la señal GPS, complementa dichas pérdidas y añade ser-

vicios de aumentación, además se mejora la disponibilidad en un

90% en ciudades y cañones urbanos o naturales.

El primer satélite de la serie, “Michibiki I” fue puesto en órbi-

ta el 11 de septiembre de 2010 y fue financiado por el gobierno

japonés. Tras la validación en órbita del sistema se prevé comple-

tar la constelación con 3 satélites más para que esté operativa para

2020. En un futuro se prevé disponer de una constelación final de

7 satélites.


Figura 23. Proyección en tierra de las órbitas de los satélites QZSS (FuenteESA Navipedia)

Seis son las señales que transmitirán los satélites QZSS:

– 4 señales para su uso en combinación con otras señales

GNSS que mejorarán la disponibilidad de los servicios de po-

sicionamiento, navegación y tiempo.

L1-C/A (1575.42 MHz)

L1C (1575.42 MHz)

L2C (1227.6 MHz):

L5 (1176.45 MHz)

– 1 señal para aumentar la exactitud del posicionamiento por

debajo del metro e interoperable con GPS-SBAS

L1-SAIF (1575.42 MHz)

– 1 señal experimental de alta precisión (hasta 3 cm), compa-

tible con la señal E6 de Galileo

LEX (1278.75 MHz)

4.5. Comparativa de los sistemas GNSS

Vamos a ver de una forma resumida los datos que caracteri-

zan a los sistemas de navegación por satélite que hemos descrito

en los apartados anteriores. La tabla de la página siguiente reco-

ge las características principales de los cuatro sistemas GNSS.

La siguiente figura muestra la distribución de frecuencias L1

y L2 para los sistemas GPS, Galileo y Compass.



Tabla resumen de las características de los sistemas GNSS actuales y endesarrollo. (Datos de junio de 2012) (Fuente: GPS.gov, Information-analyticalcentre, Korolyov, Rusia, ESA, Agencia Espacial China)(*) k indica el número de satélite.(**) L5 para GPS, señal del servicio CS (commercial service) para Galileo y señal L3 paraGLONASS. En todos los casos son planes de futuro.

Capítulo V

Sistemas de aumentación de la señal de navegación

Los sistemas de aumentación tienen su origen en la necesidad

de disponer de mejores prestaciones de las señales de navegación

GNSS (GPS en su origen) en una determinada área o región. Se tra-

ta de sistemas que corrigen las señales GNSS para mejorar tanto

el posicionamiento 2D como 3D, ofreciendo además información

de la integridad y de la calidad de la señal de navegación. Si bien

en un principio se desarrollaron para su uso en la navegación aé-

rea, su uso actual se ha generalizado a cualquier aplicación que ne-

cesite de un posicionamiento preciso y fiable.

El funcionamiento de los sistemas de aumentación se basa en

la corrección de las señales GNSS que se realiza en una red de es-

taciones terrestres de referencia, que conocen su posición con

mucha exactitud y miden el error al obtener su posición con la se-

ñal GNSS que reciben de los satélites GNSS. Estos errores los pro-

voca, en su mayor parte, el retardo que provoca la ionosfera a la

señal GNSS al atravesarla, como hemos visto en el apartado 3.4.

Las estaciones de referencia calculan dichos errores y los trans-

miten al resto de los receptores GNSS para que corrijan su posición

teniendo en cuenta el error calculado.

© Editorial UOC 97 Sistemas de aumentación de la señal ...

Hay tres tipos de sistemas de aumentación, en función de las

infraestructuras en las que se basa para transmitir las correcciones

de posicionamiento:

– Sistema de aumentación basado en satélites, SBAS (del in-

glés Satellite Based Augmentation System): Son sistemas de

aumentación que utilizan satélites geoestacionarios para

mejorar la calidad del posicionamiento en un área o región

muy extensa.

– Sistema de aumentación terreno, GBAS (del inglés Ground

Based Augmentation Systems): Son sistemas de aumentación

que utilizan un conjunto de infraestructuras terrestres de te-

lecomunicación en la banda UHF y VHF para transmitir los

datos al receptor GNSS. Cubren un área muy pequeña, si bien

proporcionan una mayor precisión que los sistemas SBAS.

– Sistema de aumentación aerotransportado, ABAS (del in-

glés Aircraft Based Augmentation System): Este tipo de siste-

mas de aumentación utiliza la información adquirida por

sensores instalados a bordo de aeronaves que sobrevuelan

un área o región determinada transmitiendo las correccio-

nes hacia los equipos en tierra. Estos sistemas no vamos a

tratarlos en este libro.

5.1. SBAS

En los sistemas SBAS, los errores calculados en tierra se trans-

miten a los receptores de los usuarios mediante satélites geoesta-

cionarios.

La figura siguiente muestra la arquitectura del sistema SBAS

Europeo EGNOS, si bien sirve de ejemplo para mostrar los com-

ponentes de un sistema SBAS genérico.


Todos los sistemas SBAS están compuestos por 5 subsistemas:

– Estaciones de medida de distancias y de monitoreo de la

integridad de la señal GNSS (RIMS).

– Centro de control y procesado de señal principal (MCC)

con sus elementos de control (CCF) y de procesado de los

datos (CPF). En el sistema EGNOS existe un centro redun-

dante preparado para entrar en funcionamiento si el prin-

cipal se avería.

– Estaciones de transmisión de datos hacia el satélite geoes-

tacionario (NLES). En el sistema EGNOS existen varias esta-

ciones NLES para transmitir las señales a los satélites geoes-

tacionarios y actuar también como estación redundante en

caso de fallo de alguna de las otras.

– Una red propia de transmisión de datos de área extendida

(EWAN)

– Uno o varios satélites geoestacionarios que diseminan las se-


Figura 24. Arquitectura de un sistema SBAS (EGNOS). (Fuente ESANavipedia)

ñales hacia los receptores de los usuarios en tierra, mar o aire.

También se ha de tener previsto uno o más satélites geoes-

tacionarios disponibles para entrar en servicio, en el míni-

mo plazo de tiempo posible, si alguno de los satélites nomi-

nales sufriera una avería.

Las estaciones terrestres de referencia (RIMS) reciben las seña-

les GNSS y las transmiten al centro de control y procesado (MCC)

donde se reciben los datos de todas las estaciones de la red. El

centro de control comprueba, entre otras cosas, que la señal reci-

bida no ha sufrido distorsiones o modificaciones y que los relo-

jes de los satélites están funcionando correctamente. El MCC re-

aliza el procesado conjunto de todas las señales GNSS recibidas por

la red de referencia y obtiene los siguientes datos:

– La posición verdadera de los satélites.

– El error de los relojes a bordo de los satélites.

– Una estimación del error vertical provocado por el retardo

ionosférico dentro de la zona cubierta por las estaciones de

referencia.

Estos datos conforman las denominadas correcciones diferen-

ciales para el área cubierta por las estaciones de control. Los da-

tos se empaquetan y se transmiten a las estaciones de enlace con

los satélites geoestacionarios (NLES). Los datos se utilizan para

modular la señal de navegación que se transmite de forma conti-

nua a los satélites geoestacionarios. Los satélites geoestacionarios

reciben la señal de las NLES y las retransmiten a los usuarios en

la frecuencia L1. Para el receptor del usuario en tierra, la señal re-

cibida de un satélite geoestacionario es indistinguible de la de un

satélite GNSS.

Este método cubre zonas muy amplias, pero en contraparti-

da, por las propias características de los sistemas de comunica-


ción utilizados, la información puede tardar en llegar al receptor

hasta 6 segundos, lo cual provoca que la información ya no sea

fiable.

La distancia entre el receptor final y la estación de referencia

también puede provocar que las correcciones calculadas por la

estación terrestre no sean válidas para el receptor, si este se encuen-

tra muy alejado de la zona cubierta por las estaciones de referen-

cia, ya que la ionosfera se comporta de forma diferente en cada lu-

gar.

Con sistemas SBAS se puede llegar a tener una precisión de

hasta 4 metros en vertical y 2 metros en horizontal. Si bien son

precisiones suficientes para el vuelo de aproximación al aero-

puerto, son insuficientes para las operaciones de aterrizaje. Para

ello se han desarrollado los sistemas GBAS, que veremos en el

apartado 5.2.

La figura siguiente muestra los sistemas SBAS disponibles, o en

desarrollo, en la actualidad y su zona de cobertura.


Figura 25. Sistemas SBAS operativos o en desarrollo. (Fuente ESA Navipedia)

Los sistemas SBAS operativos o en fase de despliegue son los

siguientes

– El sistema americano WAAS, cubre EEUU , Alaska, Canadá

y parte de Mexico.

– El sistema europeo EGNOS, cubre el continente europeo, nor-

te de África.

– El sistema japonés MSAS, cubre Japón.

– El sistema ruso SDCM, cubre Rusia y parte de los países li-

mítrofes.

– El sistema indio GAGAN, cubre el subcontinente Indio.

– El sistema chino Beidou I, no mostrado en la figura, pero que

cubre China, India, Mongolia, Tailandia, Camboya,

Myanmar, Laos y Vietnam entre otros (ver figura del apar-

tado 4.2.1).

Los sistemas SBAS en fase de diseño son:

– El sistema sudamericano SACCSA, cubrirá parte de

Centroamérica, Cuba y El Caribe, además de los países del

cono sur.

– El sistema africano AFI, cubrirá toda África y parte de los pa-

íses árabes.

– El sistema malayo, que en estos momentos está en fase de

desarrollo, cubrirá Malasia.

Vamos a ver algunos de ellos con un poco más de detalle.

5.1.1. El sistema americano WAAS

WAAS (del inglés Wide Area Augmentation System o Sistema

de aumentacióm de área amplia) está operado por la FAA (Federal


Aviation Administration) para dedicarlo a usuarios de aviación

civil. Cubre principalmente Norteamérica.

El sistema consta de 24 estaciones de vigilancia, 2 estaciones

maestras, 6 antenas de retransmisión de datos a los satélites y 3

satélites geoestacionarios. En la siguiente figura se puede ver un

mapa de distribución geográfica de las infraestructuras del siste-

ma WAAS.

El sistema WAAS es un componente crítico de la FAA en su ob-

jetivo de disponer de un sistema GNSS disponible continuamen-

te y ofreciendo alta precisión para la gestión de la aviación civil

americana. Desde el año 2003 la FAA autorizó el uso de WAAS

como instrumento de vuelo. WAAS mejora la precisión y la fiabi-

lidad del sistema GPS.


Figura 26. Disposición de las infraestructuras dels sistema amricano WAAS.

5.1.2. El sistema europeo EGNOS

EGNOS (del inglés European Geostationary Navigation

Overlay Service o Servicio europeo de aumentación para la na-

vegación basado en satélites geoestacionarios): Ha sido des-

arrollado por la ESA y la Comisión Europea y se empezó a desple-

gar en el año 2000.

El 1 de octubre de 2009 el sistema entró en fase operativa. El

sistema comprende 3 satélites geoestacionarios, 40 estaciones de re-

ferencia (denominadas RIMS), 3 antenas de retransmisión de da-

tos a los satélites (denominadas NLES) y 4 centros de control (MCC).

Para más información se puede visitar la URL:

http://www.egnos-pro.esa.int/index.html.

El sistema EGNOS se certificó para su utilización en aviación

civil el 2 de marzo de 2011. En la siguiente figura se observa la dis-

tribución global de los elementos que componen el sistema EG-

NOS.


Figura 27. Disposición de las infraestructuras terrestres del sistema SBASeuropeo EGNOS. (Fuente: ESA)

EGNOS ha sido el primer sistema GNSS europeo en ponerse

en marcha. EGNOS ofrece 3 servicios:

– Open Service: servicio libre y gratuito para cualquiera que dis-

ponga de un receptor GNSS activado para recibir EGNOS.

– Safety-of-life Service: servicio que provee al usuario de un

mensaje de alerta de integridad cuando se prevé un corte en

la señal de navegación GPS en los próximos 6 segundos.

Esta funcionalidad es esencial cuando un sistema GNSS es

utilizado para aplicaciones en las cuales se puede poner en

riesgo vidas humanas.

– El EGNOS Data Access Service (EDAS): provee información

del sistema EGNOS en tiempo real a través de internet. Se pre-

vé que sea plenamente operativo a lo largo de 2012.

5.1.3. El sistema japonés MSAS

MSAS (del inglés Multi-functional Satellite Augmentation

System): Es el sistema SBAS japonés. El sistema fue certificado

para su uso en aviación civil el 27 de septiembre de 2007. El sis-


Figura 28. Arquitectura del sistema SBAS japonés MSAS. (Fuente: MSAS)

tema utiliza los satélites MTSAT (Multi-functional Transport Satellites)

propiedad del Ministerio del Territorio, Infraestructuras y Transporte

japonés y por la Agencia Japonesa de Meteorología (del inglés

Japan Meteorological Agency, JMA).

5.1.4. El sistema ruso SDCM (System for DifferentialCorrections and Monitoring)

Con el lanzamiento el 11 de diciembre de 2011 del Luch 5A,

la Federación Rusa empezó a desplegar su propio sistema SBAS.

Luch-5A fue el primer satélite de 3 nuevos satélites geoestacio-

narios del sistema SBAS Ruso previstos por Roscosmos (la Agencia

Espacial Rusa). Transporta a bordo un sistema para seguimiento y

corrección diferencial (del inglés System for Differential Correction


Figura 29. Tareas de ingeniería sobre uno de los satélites Luch en donde seaprecian las antenas helicoidales de banda L que transmitirán las correccionesdiferenciales hacia tierra (cilindros con bandas rojas). (Fuente: Roscosmos)

and Monitoring, SDCM) y también un transpondedor de búsque-

da y rescate (SAR) de COSPAS/SARSAT. El emisor SDCM es com-

patible con el sistema WAAS e interoperable con otros sistemas

SBAS. Su aparcamiento definitivo en órbita geoestacionaria será en

16 grados de longitud oeste.

El segundo satélite del sistema está previsto que sea puesto

en órbita el 30 de agosto de 2012.

Como característica diferenciadora del resto de los sistemas

SBAS, las estaciones de referencia del sistema SDCM reciben las se-

ñales de navegación de GPS y de GLONASS y proveen correccio-

nes para ambos sistemas. El resto de sistemas SBAS que se han di-

señado sólo suministran correcciones diferenciales para el sistema

GPS.


Figura 30. Distribución de las estaciones de referencia del sistema SBAS RusoSDCM (fuente ESA Navipedia)

5.1.5. El sistema indio GAGAN (GPS Aided GeoAugmented Navigation)

El gobierno indio, siguiendo de algún modo el ejemplo de la

Unión Europea, planea desarrollar en una primera fase un siste-

ma SBAS , denominado GAGAN (los europeos diseñaron prime-

ro el sistema SBAS EGNOS y en segundo lugar diseñaron Galileo),

con el cual adquirir los conocimientos y experiencia suficientes para

abordar en una segunda fase el diseño de un sistema de navega-

ción propio para la región india. Este sistema regional llevará por

nombre IRNSS (Indian Regional Navigational Satellite System,

Sistema Regional Indio de Navegación por satélite).

La arquitectura del sistema GAGAN está compuesta, como to-

dos los sistemas SBAS, por tres segmentos principales:

– El segmento espacial, compuesto por tres satélites geoesta-

cionarios, de los cuales ya hay uno en órbita.

– El segmento terreno, compuesto por quince estaciones de re-

ferencia, denominadas INRES (Indian Reference Stations,

Estaciones de Referencia Indias). Dos estaciones centrales

principales denominadas INMCC (Indian Master Control

Center), una será de redundacia. Tres estaciones de enlace con

los satélites geoestacionarios denominadas INLUS( Indian

Land Uplink Station, Estaciones de enlace Indias). (INLUS).

– El segmento del usuario, compuesto por receptores GNSS in-

teroperables con el sistema americano WAAS.

De las tres fases de desarrollo de que consta GAGAN, en estos

momentos se encuentra en la segunda.

Fase 1, es la fase de demostración de la tecnología a utilizar en

el despliegue del sistema y fue denominada TDS (Technology

Demonstration System, Sistema de demostración de Tecnología).

Esta fase finalizó en 2007.


La Fase 2, es la fase donde se inicia la experimentación con el

sistema, denominada IEP (Initial Experimental Phase, Fase

Experimental Incial). Es la fase en la que se encuentra el sistema

en estos momentos (finales del tercer trimestre del 2012).

La tercera Fase se alcanzará cuando el sistema esté operativo,

por ello se denomina FOP (Final Operational phase, Fase

Operacional Final).

5.1.5. El sistema chino BEIDOU I

Este sistema fue descrito en la sección 4.2 como la primera

fase de desarrollo del plan de radionavegación propio que el go-

bierno Chino está llevando a cabo.


Figura 31. Elementos que componen la arquitectura del sistema GAGAN y unaposible distribución de las estaciones de referencia. (Fuente ESA Navipedia).

5.2. GBAS

Los sistemas GBAS (del ingés Ground Baned Augmentation

Systems) se utilizan para proporcionar ayudas a la navegación para

realizar aproximaciones, aterrizajes y maniobras en los termina-

les aeroportuarios. Fueron denominados en sus orígenes con el

término LAAS (del inglés Local Area Augmentation Systems), aunque

en la actualidad es un término que está en desuso.

Se instalan en las proximidades de aeropuertos y aeródromos

y pueden ofrecer una precisión suficiente para realizar aterrizajes

guiados en situaciones de visibilidad nula. En los sistemas GBAS

la información del cálculo de los errores se envía directamente al

receptor de la aeronave a través de enlaces VHF. Por ello se re-

quiere que el receptor GNSS a bordo de la aeronave se encuentre

muy cerca de la estación GBAS, además cuanto más cerca se en-

cuentre mayor será también la exactitud de la posición que calcu-

le el receptor GNSS. Los sistemas GBAS son de carácter local y su

radio de cobertura suele ser de unos 30 a 50 km.

Los sistemas GBAS permiten disponer de una aproximación de

la aeronave del tipo CAT-I, CAT-II y CAT-III e incluso, en determi-

nadas condiciones, podrían ser capaces de guiar de forma automá-

tica el aterrizaje de las aeronaves.

Actualmente estos sistemas están siendo introducidos en la avia-

ción civil para ser usados en aproximaciones de guiado vertical

(APV-I y APV-II menos restrictivas que CAT-I). Una vez estos sis-

temas superen las certificaciones y homologaciones de aviación ci-

vil podrán utilizarse en operaciones de CAT-I y CATR II.

Muchas empresas están trabajando en estos sistemas (Honey -

well, Thales, Indra, etc.) desarrollando productos que demuestran

que son capaces de suministrar información precisa para realizar

aterrizajes de precisión.


Capítulo VI

Aplicaciones de los sistemas deposicionamiento GNSS

Los satélites que componen las diferentes constelaciones GNSS

emiten constantemente señales de posicionamiento hacia la su-

perficie de la Tierra. La información que se obtiene de esas seña-

les GNSS se puede utilizar de diferentes formas. Cada una de las

formas o maneras en que se utiliza dicha información constituye

una aplicación.

Por ejemplo, algunas aplicaciones directas y sencillas de la in-

formación obtenida pueden ser: dar respuestas a preguntas tales

como ¿dónde estoy? o ¿qué hora y fecha es en este instante?, ¿a

qué velocidad me estoy moviendo? o ¿en qué dirección me estoy

desplazando?

Aplicaciones un poco más complejas tratarían de obtener la

forma más rápida, corta o cómoda de ir de la posición actual a otra.

Y aún podemos mejorar la aplicación si incorporamos un equipo

de comunicaciones. De esta forma podríamos añadir a nuestro

sistema o equipo la posición de otros elementos móviles remotos

y permitir así la posibilidad de calcular las distancias que nos se-

paran de ellos o generar rutas para ir de nuestra posición a otra que

por algún motivo nos interese.

Existen en este momento muchísimas aplicaciones de locali-

zación y el número de ellas crece cada día. Este capítulo, junto con

© Editorial UOC 111 Aplicaciones de los sistemas ...

sus secciones, describe un pequeño y variado número de aplica-

ciones de localización, consciente de la imposibilidad de cubrir to-

das las que se pueden dar.

El sistema GNSS-GPS, como se ha visto, pertenece a la Fuerza

Aérea Americana, ya que fueron las aplicaciones de posiciona-

miento para la fuerza aérea y, en general, para los militares el ob-

jetivo principal para el que se diseñó y se puso en operación el sis-

tema y, por tanto, las primeras aplicaciones en desarrollarse fueron

las del ámbito aeronáutico. Por deferencia a los orígenes del pri-

mer sistema GNSS vamos pues a tratar en primer lugar las aplica-

ciones en el sector aeronáutico.

Primero veremos los estrictos requisitos que son necesarios

cumplir para poder utilizar los sistemas GNSS en el sector aeronáu-

tico. A continuación veremos las aplicaciones en aviación civil

comercial y acabaremos con una reseña de algunas de las aplica-

ciones realizadas en el sector espacial.

6.1. Aplicaciones en el sector aeronáutico yespacial

El desarrollo de los sistemas GNSS ha permitido su introduc-

ción en diferentes áreas del campo aeronáutico, aunque debido a

los insuficientes niveles de disponibilidad, precisión e integridad

su uso no se ha extendido tan ampliamente como el sector re-

quiere. Vamos a conocer las razones por las cuales hasta ahora

no se han utilizado de forma más extendida en aeronáutica, y

más en concreto en aviación civil, los sistemas GNSS.

A pesar de las ventajas que proporciona el uso de GNSS en

aplicaciones para los sectores terrestre y marítimo, los sistemas

GNSS actuales están lejos de cumplir los estrictos requisitos de

disponibilidad, precisión e integridad que son necesarios en las fa-


ses críticas del vuelo de una aeronave como son la aproximación

y el aterrizaje.

– Al porcentaje de tiempo que los sistemas GNSS suministran

la posición con la precisión necesaria lo denominamos dis-

ponibilidad. Los sistemas GNSS actuales, GPS y GLONASS,

garantizan una disponibilidad del 98% del tiempo, pero en

las maniobras convencionales de aproximación de las aero-

naves a un aeropuerto se exige el 99,75% de disponibilidad

y porcentajes superiores en aterrizajes de precisión.

– El sistema GPS proporciona una precisión estándar de unos

15 m. Esta precisión es suficiente para las fases de vuelo y de

aproximación convencional al aeropuerto pero no basta

para aterrizajes de precisión de categoría CAT-I, puesto que

requieren precisiones de 6 a 7 m en vertical, tampoco de

CAT-II ya que requiere precisiones de 2 a 3 m en vertical, ni

tampoco de CAT-III que es la categoría más exigente y requie-

re precisiones menores de 1 m en vertical. En aviación civil

se definen las categorías CAT-I, CAT-II y CAT-III como los

tres modos de precisión en los que se puede clasificar el ins-

trumento de a bordo utilizado como sistema de aterrizaje en

las aeronaves.

– Por último, tampoco existe la posibilidad de proteger al

usuario frente a la ocurrencia de fallos en la señal de nave-

gación que emiten los satélites GNSS. A esta capacidad la de-

nominamos integridad y consiste en el envío de mensajes

de alerta previos a la ocurrencia del fallo. El futuro sistema

europeo Galileo dispondrá del servicio Safety of Life (SoL).

Este servicio se encargará de avisar al usuario con 6 segun-

dos de antelación, con un mensaje de alerta cuando esté

previsto que la señal de navegación se degrade por debajo

de unos determinados umbrales de precisión horizontal y ver-

tical.


Para superar estas limitaciones se utilizan sistemas de aumen-

tación de dos tipos SBAS (WAAS, EGNOS Y MSAS), y GBAS-LAAS

(del inglés Local Area Augmentation System). Con estas medidas de

apoyo se consigue tener una precisión entorno a los 4 metros y

cumplir los niveles de disponibilidad e integridad requeridos en

aviación civil, con lo cual, utilizando los sistemas de aumenta-

ción “sí” es posible utilizar los sistemas GNSS en todas las fases del

vuelo, incluido el aterrizaje de precisión de CAT-I, que como ya

hemos visto requiere 7 metros de precisión.

La próxima puesta en funcionamiento del sistema Galileo,

prevista para los años 2014-2018, permitirá conseguir los estric-

tos requisitos de disponibilidad, precisión e integridad que las

aplicaciones aeronáuticas requieren.

Las principales áreas de aplicación de los sistemas GNSS en el

sector aeronáutico son:

– El transporte aéreo comercial en sus diferentes fases de vuelo.

– El control y guiado en tierra de aeronaves.

– Servicios aéreos de rescate.

– La aviación deportiva, ultraligeros y globos aerostáticos.


En la actualidad la Unión Europea ha iniciado un programa de investigaciónmuy ambicioso para mejorar el sector aeronáutico y en concreto los sistemasde ATM (del inglés Air Trafic Management, gestión del tráfico aéreo). Elprograma se denomina SESAR (del inglés Single European Sky ATMResearch, investigación en ATM y espacio aéreo único europeo) y estácoordinado por Eurocontrol, la organización europea para la seguridad dela navegación aérea, y formado por un consorcio de aerolíneas,aeropuertos, gestores de navegación aérea y empresas de la industriaaeronáutica. Los estándares y conclusiones a los que lleve el programaSESAR están pensados para que se empiecen a aplicar hacia el año 2020.

El motivo del programa SESAR es que la aviación en Europa no ha cesadode crecer en los últimos años (entre un 3% y un 4% anual de media), lossistemas actuales están al borde de la saturación y los sistemas de controldel tráfico aéreo tienen más de 20 años de antigüedad. Así, surgió lanecesidad de mejorar los sistemas de comunicaciones, navegación y

6.1.1 Transporte aéreo comercial en las fasescríticas del vuelo

El transporte aéreo comercial está sufriendo en los últimos

años un crecimiento a nivel mundial del 4% anual. Si este ritmo

de crecimiento continúa igual se doblará el número de vuelos en

20 años. En consecuencia se generarán en diferentes áreas de la red

aérea congestiones y cuellos de botella que ralentizarán el tráfico

aéreo.

Una de las formas para mitigar este problema es aumentar la

capacidad de los pasillos aéreos y eso pasa por disponer de siste-

mas GNSS más fiables y precisos así como de sistemas de vigilan-

cia aérea adecuados a las nuevas necesidades. Cuando mejoren

los niveles de precisión y de integridad, se podrá reducir la distan-

cia en vuelo entre las aeronaves ayudando de esta manera a redu-

cir la congestión del espacio aéreo. Para conseguir este objetivo es


vigilancia para poder aumentar la capacidad del espacio aéreo europeo y sueficiencia sin poner en riesgo la seguridad.

El programa SESAR incorpora el concepto de Single European Sky (SES,cielo único europeo), que consiste en integrar los sistemas y los espaciosaéreos de los diferentes Estados implicados, y sincroniza los esfuerzos decada uno de ellos para marcar una estrategia conjunta en la que se definiránunos nuevos estándares para los sistemas ATM.

Los objetivos del programa SESAR son:– Optimizar el espacio aéreo aumentándolo un 73% más respecto de

2005– Reducir los costes operativos a la mitad de los actuales– Mejorar los niveles de seguridad 10 veces más que los actuales– Minimizar el impacto medioambiental de la aviación en lo relativo a

tiempo en vuelo, consumo de combustible, emisiones de CO2 ycontaminación acústica. Cuantificado significa: ahorrar en media y porvuelo de 8 a 14 minutos, de 300 a 500 kg de combustible y de 945 a1.575 kg de CO2.

necesario disponer de más constelaciones GNSS en funcionamien-

to.

Los operadores de navegación aérea tienen como prioridad la

gestión de las aeronaves durante las fases críticas del vuelo, es de-

cir, durante el vuelo, el aterrizaje y el despegue de las aeronaves,

y con cualquier condición climatológica. Por este motivo la pues-

ta en funcionamiento de sistemas de aumentación local en los

aeropuertos (del tipo GBAS) conjuntamente con el instrumental

GNSS adecuado a bordo de la aeronave conseguirá a medio plazo

cumplir con los estándares aeronáuticos necesarios para aproxima-

ciones de precisión y poder extender estos sistemas de despegue

y aterrizaje a todos los aeropuertos y todas las aeronaves de uso

civil. Este es uno de los objetivos que tiene programado conseguir

el recién estrenado proyecto europeo SESAR para la década de

2020.

En el ámbito militar se ha desarrollado un sistema que permi-

te aterrizar en cualquier condición meteorológica además de es-

tar blindado contra interferencias radioeléctricas maliciosas. El

sistema se denomina JPALS (del inglés Joint Precision Approach and

Landing System, Sistema conjunto de precisión para la aproxima-

ción y el aterrizaje) y si bien no se conoce la precisión exacta que

es capaz de suministrar, se cree que permitiría cumplir de sobra el

estándar CAT-III de la aviación civil.

6.1.2. Control y guiado en tierra de aeronaves

Una vez que la aeronave está en tierra todavía no ha acabado

la misión del operador aéreo, ya que hay que conducir de forma

fiable y segura al avión al finger, al hangar o a la zona de aparca-

miento sin estorbar al resto de las operaciones de tierra que se lle-

van a cabo en el aeropuerto. Si las aeronaves dispusieran de una


aplicación GNSS a bordo y su posición se transmitiera hacia el

controlador aéreo de turno, se podrían guiar las aeronaves con

toda seguridad hasta su zona de parking. En la actualidad, estas ope-

raciones se realizan únicamente con apoyo visual, señalético y de

radio.

6.1.3. Servicios aéreos de rescate

Los servicios aéreos de rescate están basados casi exclusiva-

mente en helicópteros. El uso de aplicaciones GNSS a bordo de he-

licópteros facilitaría las tareas de búsqueda y rescate cuando las con-

diciones meteorológicas no fueran propicias, por ejemplo cuando

hubiera baja visibilidad o niebla, acelerándose así la llegada de la

atención médica a los accidentados.

6.1.4. Actividades aéreas de recreo

La aviación deportiva, los planeadores, los ultraligeros y los glo-

bos aerostáticos son también actividades beneficiadas por la intro-

ducción de aplicaciones y equipos GNSS a bordo de dichas aero-

naves. La gestión de dichas aeronaves y del espacio aéreo en su

conjunto se vería facilitada si se pudiera disponer de un centro de

control en donde se mostrara la posición de todas las aeronaves

de recreo en vuelo en tiempo real. Dos aspectos nos separan de este

escenario idílico. Por un lado, la falta de legislación al respecto y,

por otro, el gasto económico que supondría a los practicantes de

estas actividades dotar a sus aeronaves de un equipo GNSS homo-

logado por aviación civil para dichas actividades.

En la actualidad los sistemas GNSS se utilizan a bordo de las

aeronaves únicamente como elementos de orientación y guiado


y a título personal, ya que no son instrumentos obligatorios de lle-

var a bordo.

Desde hace unos años se puede encontrar en el mercado un

equipo que, diseñado originalmente para planeadores, avisa al

piloto de un planeador si su trayectoria puede cruzarse con la tra-

yectoria de otro planeador vecino que también lleve instalado el

mismo instrumento. El equipo que se denomina FLARM

(http://www.flarm.com) transmite vía radio mensajes con su po-

sición y su vector de velocidad y, al mismo tiempo, recibe otros

mensajes emitidos por equipos similares.

El equipo, con un algoritmo de predicción de movimiento

contenido en su microprocesador, calcula si puede haber cruce

de trayectorias entre los planeadores y avisa al piloto acústica y vi-

sualmente si el resultado es positivo. En la actualidad se utiliza en

helicópteros y en avionetas

6.1.5. Aplicaciones espaciales

La primera utilización del sistema GPS en un vehículo espa-

cial fue en el programa Landsat de la NASA en los años ochenta.


Figura 32. Ultraligeros con equipos FLARM y equipo FLARM. (Fuente: FLARM)

Cabe destacar que gracias a las imágenes obtenidas en esas misio-

nes, una expedición de la National Geographic Society descubrió

en la península del Yucatán las ruinas de ciudades mayas desco-

nocidas hasta la fecha.

El uso de receptores GNSS a bordo de vehículos espaciales,

cuyas órbitas estén por debajo de la de la constelación GPS, sim-

plifica y facilita la determinación continua de su órbita, tarea nor-

malmente realizada con problemas de visibilidad desde radares

de seguimiento instalados en tierra. Dichos radares pueden reali-

zar su misión siempre y cuando tengan al vehículo en ángulo de

visión, en cambio, los receptores GPS funcionan todo el tiempo

sin problemas de visibilidad.

Posteriormente a las misiones Landsat, los transbordadores

americanos Shuttle y la Estación Espacial Internacional fueron

equipadas con receptores GPS para realizar un seguimiento y con-

trol continuo y de precisión el 100% del tiempo.

Las actuales constelaciones de satélites GNSS fueron diseñadas

para proveer de señales de posicionamiento y de navegación a re-

ceptores situados en la superficie de la Tierra, y por tanto, sus an-

tenas están apuntando a la superficie de la Tierra. Las futuras cons-

telaciones GNSS van a tener en cuenta en su diseño el disponer

de señal de posicionamiento también para vehículos espaciales que

se encuentren por encima de la órbita GNSS, embarcando ante-

nas que apunten hacia el espacio exterior. En el momento en que

esto ocurra vamos a poder disponer de un sistema de posiciona-

miento apto para posicionar de forma continua a todos los vehí-

culos espaciales en órbita alrededor de la Tierra. Será entonces

cuando podremos decir que tenemos verdadera cobertura GNSS

en todo el planeta.


6.2. Aplicaciones en el sector marítimo

Es un hecho irrebatible que los medios de transporte de mer-

cancías más utilizados en el mundo son los océanos y los canales

navegables. Por este motivo, resulta de gran importancia gestio-

nar el tráfico de navíos a través de dichas vías navegables de tal

manera que se garantice la seguridad y la eficiencia del transpor-

te durante su tránsito por ellas. Aparte de los grandes barcos car-

gueros, una gran variedad de embarcaciones navegan cada día

por todos los rincones de las costas de los 5 continentes: embar-

caciones de recreo, ferris que transportan pasajeros entre dos ori-

llas próximas, petroleros, buques cisterna, etc.

Por todo ello, es indudable que el uso en todo tipo de activi-

dades marítimas de sistemas y equipos de localización basados

en GNSS sólo puede aportar una gran ayuda y beneficio para la gran

variedad de usuarios de las vías marítimas así como para las em-

presas o instituciones que tienen como misión gestionarlos o ad-

ministrarlos.

Vamos a describir a continuación algunas de las aplicaciones

GNSS que se han desarrollado en el sector marítimo.

6.2.1. Seguimiento del tráfico y de la navegaciónmarítima

La Organización Marítima Internacional (OMI) es el organis-

mo internacional que regula el tráfico marítimo por todos los ma-

res y océanos del planeta. Desde diciembre de 2004 la OMI impu-

so de forma obligatoria el uso de sistemas de identificación

automática (AIS en inglés) en todos los buques a partir de 299 GT

(del inglés Gross Tonnage, 299 GT equivalen aproximadamente a

1.187 m3 de capacidad). El objetivo perseguido al utilizar AIS es po-


der dispone de un sistema de gestión de tráfico a nivel mundial

que incremente la seguridad en la navegación marítima regulan-

do el paso de embarcaciones por las vías marítimas de alta densi-

dad de tráfico y localizando la posición de los barcos de forma

periódica en un centro de control, para prever y evitar colisiones

entre ellos.

El terminal AIS es un equipo basado en GNSS adaptado al sec-

tor marítimo. Cada terminal AIS instalado en un barco transmi-

te su posición, velocidad y rumbo conjuntamente con informa-

ción que identifica al barco, sus dimensiones y detalles del

transporte que realiza en esos momentos.

Un terminal AIS está compuesto por un receptor GPS, un

transmisor de radio que utiliza los canales 87 y 88 de VHF y una

CPU. Periódicamente, el terminal emite sus datos con un alcan-

ce de unos 30 km, para que otros barcos en las proximidades y

el centro de control marítimo los reciban y los procesen adecua-

damente.

Se puede ver el aspecto de un sistema de seguimiento de bar-

cos como el que acabamos de describir en la siguiente dirección

URL: http://marinetraffic.com/ais/.

6.2.2. Maniobras en el puerto

De manera similar a la descrita en el apartado anterior para los

proveedores de servicios aeronáuticos, los proveedores de servicios

marítimos tienen como fases críticas de la navegación la aproxi-

mación al puerto de los buques y las maniobras dentro del área del

puerto, particularmente en condiciones meteorológicas desfavo-

rables. En estas tareas tan delicadas, los sistemas de aumentación

terrestres son de obligada utilización ya que las maniobras requie-

ren posicionamiento de alta precisión para evitar dañar el casco


de los buques durante, por ejemplo, el amarre o la navegación

del buque en el interior del puerto.

Tareas como el drenaje de diques y canales también se ven be-

neficiadas con la utilización de sistemas GNSS que permiten dis-

poner de BBDD y de SIG con mapas actualizados con los trabajos

realizados en cada zona del puerto.

6.2.3. Seguimiento de flotas de barcos y decontenedores

Gestionar la capacidad de carga y transporte de una flota de

buques cisternas de petróleo, de una flota de cargueros de contene-

dores son aplicaciones de gran valor añadido para los armadores.

En el transporte de contenedores, una importante causa de pér-

didas económicas, no sólo para el cliente, sino para el transpor-

tista y para la empresa aseguradora, es el extravío de contenedo-

res en el tránsito de un puerto a otro. Desde contenedores que caen

al mar durante el transcurso de una tormenta en alta mar, hasta

contenedores que se pierden durante meses en los enormes mue-

lles de carga donde se apilan centenares y hasta miles de conte-

nedores. Para mitigar estas pérdidas se han desarrollado equipos

basados en GNSS que adheridos en el exterior de los contenedo-

res transmiten por radio de corto alcance sus datos de posición y

estado a una unidad central a bordo del propio barco. A su vez esta

unidad transmitirá los datos a unas oficinas centrales utilizando

comunicaciones por satélite.

6.2.4. Navegación de precisión en canales y ríos

Los sistemas GNSS combinados con sistemas de aumentación


terrestre proveen señales de navegación suficientemente precisas

para automatizar el transporte de mercancías en los estrechos ca-

nales navegables centroeuropeos.

6.2.5. Oceanografía y topografía hidrográfica

El uso de GNSS ha revolucionado la topografía hidrográfica,

permitiendo georreferenciar con precisión los datos del fondo

marino adquiridos por sondas, sonares y radares con los que le-

vantar mapas precisos del fondo marino.

6.2.6. Aplicaciones pesqueras

El sector pesquero también se ha beneficiado con la adopción

de aplicaciones GNSS que permiten localizar y seguir bancos de pe-

ces así como recoger las redes y trampas dejadas en el mar a la de-

riva pero convenientemente señalizadas con equipos GNSS espe-

cíficos para la pesca. La georreferenciación de la posición de las redes

o incluso el conocimiento en tiempo real a bordo del barco pes-

quero de la posición de aparejos y trampas son los métodos ha-

bituales de los armadores de hoy en día.

2.7. Búsqueda y rescate en alta mar

Actualmente está en operación un sistema de emergencias

marinas basado en balizas que transmiten en UHF (del inglés Ultra

High Frequency, frecuencia ultraalta) un mensaje de alerta hacia la

constelación de satélites COSPAS-SARSAT. Estos satélites reenví-

an el mensaje hacia una estación terrestre que se encarga de cal-


cular la posición de la baliza analizando la señal recibida de la

baliza en los satélites de dicha constelación. La precisión que se

obtiene es de varios kilómetros y la alerta no se activa en tiempo

real ya que se requiere tiempo para recibir todos los mensajes de

los satélites y para procesar la información.

Con la nueva generación de satélites GNSS (Galileo y GPS) se

ha previsto incorporar el servicio de búsqueda y rescate (del inglés

SAR, Search and Rescue, búsqueda y rescate). Por este motivo, se di-

señarán unas nuevas balizas de salvamento que emitirán un men-

saje de alerta en caso de emergencia. Dicho mensaje de alerta será

recibido y retransmitido en tiempo real por los propios satélites

GNSS hacia los centros de rescate y ayuda. En dicho centro se lo-

calizará con precisión GNSS el lugar donde se ha producido la

emergencia y, a su vez, en respuesta, se emitirá un mensaje corto

dirigido a la baliza en estado de emergencia, con un texto que in-

dique que el mensaje de alerta se ha recibido y que se ha inicia-

do la operación de rescate o ayuda.

Tanto la próxima generación de satélites GPS como el nuevo

sistema europeo Galileo tienen previsto incorporar a bordo de sus

satélites esta nueva funcionalidad. Los sistemas que se instalarán

se denominan para el implementado en la constelación GPS: DASS

(del inglés Distress Alerting Satellite System, Sistema de alerta de

socorro por satélite) y para el implementado en los satélites del sis-

tema europeo SAR-Galileo.

Podríamos seguir describiendo decenas de aplicaciones marí-

timas más, pero vamos a terminar enumerando otras aplicaciones

que también destacan en el sector marítimo por su ingeniosidad

o especialización:

– Instalación y mantenimiento de cables de comunicaciones

submarinos

– Estudio de mareas y corrientes marinas

– Seguimiento de bloques de hielo desprendidos de los polos


– Seguimiento y mitigación de vertidos de petróleo y produc-

tos químicos

– Seguimiento de tormentas tropicales, tifones y huracanes

– Seguimiento del transporte de materiales peligrosos

6.3. Aplicaciones en el sector terrestre

Vamos a diferenciar dentro del ámbito de las aplicaciones

GNSS terrestres un conjunto de áreas o sectores que han desarro-

llado soluciones muy especializadas dentro del sector en donde se

enmarcan.

– Agricultura

– Sector de la construcción y obra pública

– Automoción

– Sistemas inteligentes de transporte (del inglés ITS, Intelligent

Transportation Systems)

Telepeaje

Gestión del tráfico

Localización y gestión de flotas vehículos

– Navegadores personales

– Entretenimiento y ocio

Juegos: geo-catching, golf

Senderismo

Montañismo

Carreras de orientación

– Servicios de emergencia

Localización de emergencias

Localización de equipos de rescate

– Servicios basados en la localización ( del inglés LBS, Location

Based Services)


Del grupo anterior de aplicaciones, nos vamos a centrar en des-

cribir con más detalle las aplicaciones que se llevan a cabo en las

áreas de:

– Sistemas inteligentes de transporte, ITS

– Servicios basados en la localización, LBS

El motivo de centrarnos únicamente en estas dos clases de

aplicaciones es la gran variedad de soluciones operativas que exis-

ten en la actualidad en estas dos áreas y cuyo conocimiento nos

va a servir para comprender mejor todas las diferentes clases de apli-

caciones GNSS terrestres que pueden darse.

6.3.1. Sistemas inteligentes de transporte (SIT)

Llamamos sistemas inteligentes de transporte al conjunto de apli-

caciones GNSS orientadas a mejorar las condiciones de conducción

de todo tipo de vehículos ya sea por carretera o por vía férrea.

Los sistemas ITS (del inglés Intelligent Transportation Systems)

transmiten al conductor de un vehículo una serie de ayudas en

tiempo real consistentes en informaciones de diferentes paráme-

tros de la vía, como por ejemplo el estado de los semáforos, el

grado de congestión de la vía, si hay cortes por obras, etc. El ob-

jetivo que se persigue difundiendo esta información es prevenir

al conductor con suficiente antelación del estado de la vía por la

cual circula, de forma que se aumenta la seguridad en las vías de

comunicación, se disminuyen los accidentes de tráfico, se ahorra

tiempo y combustible en los desplazamientos realizados y en con-

secuencia disminuye la cantidad de CO2 emitido a la atmósfera.

En conclusión, las aplicaciones ITS consisten en sistemas ca-

paces de adquirir, almacenar, procesar y transmitir información

en tiempo real de las condiciones de tráfico en una vía o en una


red viaria a los usuarios de las mismas. A su vez, el usuario ha de

disponer en su vehículo de un sistema capaz de recibir dicha in-

formación y de mostrarla al conductor del vehículo de forma se-

gura, rápida y eficiente, utilizando para ello medios acústicos, lu-

minosos o gráficos o una combinación de los tres.

Al ser los sistemas ITS una aplicación GNSS, los componentes

de un sistema ITS típico son:

– Los sistemas de adquisición de datos de las vías

– Un centro de control y de proceso de la información

– Las infraestructuras de comunicación que permiten que se

establezcan los siguientes canales de comunicación:

De la vía al centro de control

Del centro de control a la vía

De la vía al usuario

Del usuario a la vía

– Un terminal GNSS a bordo del vehículo

En la actualidad, los sistemas ITS están en proceso de diseño,

experimentación y pruebas piloto por parte de administraciones

públicas de diferentes países.

Algunas de las aplicaciones que se desprenden de estos siste-

mas son bien conocidas por todos, como por ejemplo, los centros

de control de tráfico, los sistemas de ayudas a la explotación (SAE)

o los centros de gestión de emergencias. Estas aplicaciones tienen

en común que todas ellas adquieren datos de las vías, los proce-

san y toman decisiones sin informar al usuario de la vía de los re-

sultados y decisiones tomadas. No hay un único motivo por el cual

todavía no se ha definido un terminal de usuario estándar que

permita recibir en el vehículo todas las informaciones generadas

en los centros de control, aunque el principal ha sido hasta el

momento las insuficientes inversiones en este sector por parte de

las administraciones públicas de todos los países.


Paralelamente, se están dedicando en estos momentos esfuer-

zos en experimentar en aplicaciones muy innovadoras, como por

ejemplo:

– sistemas de conducción sin conductor mediante cámaras

de vídeo y marcas en el firme de la carretera como elemen-

tos guía,

– sistemas de señalización instalados a bordo del vehículo, que

reciben información de las infraestructuras disponibles situa-

das al lado de la carretera (semáforos, señales verticales, etc.),

– otras han pasado a la fase de pruebas, por ejemplo, siste-

mas de telepeaje GNSS de autopistas,

– y otras están en plena fase de explotación, como por ejem-

plo, los navegadores personales para vehículos que tan ha-

bitualmente vemos en los salpicaderos de todo tipo de ve-

hículos.

Vamos a describir algunas de las aplicaciones que son objeto

de pruebas piloto por parte del Interstate Highway System, de

EE.UU. Estas aplicaciones se apoyan en comunicaciones de corto

alcance (DSRC) que permiten la comunicación entre el vehículo

y el lateral de la carretera, un terminal en el interior del vehículo

con una pantalla y un sistema de generación de voz conectado al

sistema de audio del vehículo. De esta forma el conductor recibe

avisos verbales en conjunción con alertas visuales.

Las aplicaciones que están siendo ensayadas son las siguien-

tes:

– IVS (del inglés In-Vehicle Signing, señalización en el interior

del vehículo)

Este sistema pretende demostrar la utilidad de conocer en

tiempo real, y a bordo del vehículo, las condiciones en que

se encuentra la vía, alertando al conductor de su proximi-

dad a zonas de obras o a señales de stop.


Asimismo han desarrollado el concepto de “cruce inteligen-

te”. Consiste en enviar el estado en cada momento de los se-

máforos en el cruce al cual se aproxima el vehículo junto con

información de los vehículos que se están aproximando a él

por el resto de las vías. El equipo GNSS a bordo del vehícu-

lo calcula la velocidad y el tiempo que ha de emplear el ve-

hículo para evitar la colisión.

– SPE (del inglés Signal Pre-Emption, aviso de ocupación de la

vía)

El objetivo de este sistema es franquear el paso por las vías

a vehículos en situación de emergencia (bomberos, policí-

as y ambulancias) cuando se aproximan a cruces y semáfo-

ros, actuando directamente sobre las señales de tráfico.

– SVW (del inglés Signal Violation Warning, advertencia de in-

cumplimiento de la señalización)

El conductor recibe un aviso audiovisual si la velocidad y la

dirección actual del vehículo pueden generar una situación

de riesgo para el tráfico, en función de la información reci-

bida de la distancia y del estado del próximo semáforo o se-

ñalización vertical.

El telepeaje es otra de las aplicaciones ITS que es objeto en la

actualidad de pruebas piloto que validen su utilidad. Este es el

caso del sistema iToll, de la firma española IKusi, cuyo objetivo es

el diseño e implementación de un sistema de peaje en free flow ba-

sado en GNSS.

El free flow es un sistema utilizado para el cobro a los automó-

viles que transitan por autopistas de peaje sin que tengan que de-

tenerse en ninguna barrera de peaje. De esta manera se consigue

eliminar barreras de peaje y sus costes asociados de construcción,

equipos, mantenimiento y personal. Y lo más importante, se con-

siguen eliminar los atascos que provocan los usuarios que en hora


punta forman largas colas en las cabinas de cobro, obteniendo

como resultado un flujo constante de vehículos que transitan por

las autopistas.

IToll propone estudiar, diseñar e implementar nuevos sistemas

de peaje para el transporte por carretera cuyo cobro sea electróni-

co, sin necesidad de que los vehículos tengan que pararse en una

cabina o tengan que moderar su velocidad de tránsito como ocu-

rre con el actual sistema Via-T. Para conseguir sus funcionalida-

des iToll utiliza sistemas de comunicaciones de corto alcance

(DSRC, del inglés Dedicated Short Range Communication) y visión

por cámaras a las que se aplica algoritmos de visión artificial para

identificar las matrículas de los coches que no dispongan de ter-

minal iToll con lo que se consigue realizar el cobro del peaje de

todos los vehículos a la velocidad de circulación legal de la auto-

pista.

6.3.2. Servicios basados en la localización, LBS

Los servicios basados en la localización son aplicaciones ba-

sadas principalmente en sistemas GNSS para uso personal que

ofrecen un servicio de valor añadido a sus clientes, habitualmen-

te por suscripción o prepago. Estos servicios se caracterizan por:

– ocurrir en tiempo real,

– utilizar la posición del usuario como dato de entrada,

– disponer de un SIG y una BBDD espacial y especializada

como base de los servicios que ofrecen

– y ofrecer una información veraz y actualizada y un servicio

inmediato y eficaz realmente útil para sus clientes.

El origen de estos servicios se sitúa en EE.UU. y Japón, coin-

cidiendo con el auge de internet en esos países. Los primeros sis-


temas LBS, basados en internet y en PC de sobremesa, utilizaban

la dirección postal que introducía manualmente el usuario. El ser-

vicio consistía en suministrar informaciones de puntos de interés

(PoI) como farmacias, hoteles, gasolineras o servicios médicos

próximos a la posición introducida.

Varios son los motores básicos que han de permitir en la ac-

tualidad el desarrollo de los sistemas LBS.

– En primer lugar, la disponibilidad en el mercado de nuevos

terminales portátiles para uso personal con pantallas gráfi-

cas de tamaño y resolución considerable, memoria para gran

cantidad de datos y sistemas de comunicaciones inalámbri-

cos integrados.

– En segundo lugar, la disponibilidad de diferentes métodos

de posicionamiento que, como ya hemos visto, permiten

tener una precisión en el posicionamiento suficientemente

útil para muchos tipos de aplicaciones geotelemáticas y por

extensión del tipo LBS.

– En tercer lugar, el despliegue de redes de comunicaciones in-

alámbricas de gran capacidad (GPRS, 3G, HSDPA) que per-

miten disponer de anchos de banda suficientes para la trans-

misión de grandes cantidades de datos.

– Y por último, un entorno legal que promueve las aplicacio-

nes de seguridad y de ayuda en caso de emergencia (E-112

en Europa y E-911 en EE.UU.).

Los servicios y aplicaciones LBS pueden cubrir potencialmen-

te cualquier actividad relacionada con la movilidad de una perso-

na, ya sea para su uso particular como para uso profesional. Algunas

de las innumerables aplicaciones de los LBS pueden ser ayudas

para la navegación, servicios de seguridad/emergencias/salud, ser-

vicios de ocio y de ayuda en viaje, servicios para mejorar la pro-

ductividad de una empresa, ayudas a la gestión de equipos de tra-


bajos móviles, incluso aplicaciones automatizadas entre máquinas

(detección de averías en ascensores, detección de accidentes en co-

ches, etc.). Así mismo, el tipo de usuario de un servicio LBS abar-

ca cualquier perfil social y de género: padres, adolescentes, solte-

ros, ancianos, estudiantes, directivos, trabajadores autónomos,

funcionarios, etc.

En una aplicación LBS interviene un gran número de interme-

diarios: operadores de telecomunicación, empresas proveedoras de

servicios, proveedores de contenido, proveedores de middleware y

proveedores de medios de pago. Este gran número de “interme-

diarios” en la cadena del LBS genera el mayor obstáculo que que-

da por resolver para el desarrollo de las aplicaciones LBS, que es

el no disponer de suficientes mecanismos que garanticen la pri-

vacidad y la protección de los datos de sus usuarios.

Hay otros impedimentos para la universalización de las aplica-

ciones LBS. Destacaremos dos impedimentos más. El primero se re-

fiere al tema de los cobros de los servicios que se suministran y que

requiere la intervención de un intermediario adicional: las empre-

sas financieras. Un segundo impedimento es de fondo y se refiere

a la falta estándares que faciliten la interoperabilidad entre provee -

dores de servicios y contenidos cuando el usuario está en roaming.

A modo de ejemplo vamos a describir a continuación algunos

ejemplos de servicios LBS existentes en la actualidad y que inclu-

so se pueden contratar en territorio español.

– ViaMichelin Web Services (Francia): Se trata de un prove-

edor de contenidos turísticos que ofrece al usuario entre

otros los siguientes servicios, como siempre en función de

su posición actual: localizar diferentes tipos de estableci-

mientos, seleccionar zonas comerciales próximas, visuali-

zar sobre cartografía información de los alrededores.

– Nokia Sports Tracker (Finlandia): Es una utilidad basada

en seguimiento GPS para dispositivos de Nokia. Se trata de


realizar un seguimiento de la actividad física del usuario,

trazando la ruta recorrida y proporcionando información

relativa a la velocidad, la distancia y el tiempo empleado

para realizar la actividad. Permite en cualquier momento

analizar y compartir todos los datos, tanto de la actividad de-

portiva como de las rutas asociadas con una red de usuarios

predefinidos.

– TomTom Mobile (Holanda): Es un servicio que proporcio-

na al usuario información de navegación, mostrando en la

pantalla del smartphone un mapa con las instrucciones que

debe seguir para llegar al destino indicado. Adicionalmente

el servicio calcula el tiempo que se invertirá en realizar la ruta

y los puntos de interés cercanos a la ruta que el usuario haya

escogido: gasolineras, restaurantes, hoteles, etc.

– NTT DoCoMo i-area (Japón): Este servicio se basa en detec-

tar automáticamente la zona en donde se encuentra el mó-

vil del usuario mediante las estaciones base de telefonía,

para ofrecer mapas con información personalizada previa-

mente relativa a su posición, como locales de ocio cerca-

nos, estado del tráfico, ubicación de cajeros y alojamientos

en la zona, información turística, ubicación y cartelera de los

cines próximos, etc. También permite establecer redes socia-

les y localizar en un mapa a amigos y familiares del cliente,

suscritos también al servicio, y que se encuentren próximos

a su localización actual.

6.3.2.1. Futuro de las aplicaciones LBS

A pesar del momento económico financiero en el que nos en-

contramos a mediados de 2012, es un buen momento en lo que

respecta a los servicios basados en la localización. Existe la in-

fraestructura necesaria, el mercado potencial de usuarios está iden-


tificado y maduro y los impedimentos para su implantación se co-

nocen y son superables. Una de las claves para la proliferación de

dichos servicios podría ser el diseño de aplicaciones específicas

para un perfil de cliente previamente identificado y acotado que

desarrollará a su alrededor una solución tecnológica y de negocio

completa y con un alto valor añadido en el servicio ofrecido.

Las innumerables apps (aplicaciones) de servicios de localiza-

ción aparecidas para los sistemas operativos Android (Google) e

iOS (Apple) gratuitas o de un coste muy bajo (menos de 20 euros)

ha dinamizado el sector de las aplicaciones LBS, si bien sigue sien-

do uno de los principales hándicaps que hay que superar el rela-

cionado con garantizar la privacidad y la seguridad de los datos

de los usuarios de dichos servicios LBS. Ganar la confianza del fu-

turo cliente es uno de los principales objetivos que tiene el sector

de las TIC para que este tipo de servicios eclosionen.

6.4. Aplicaciones de carácter científico

La comunidad científica europea está mostrando desde hace

unos años un gran interés por organizar la “explotación científi-

ca” del sistema europeo de navegación Galileo. Se están organi-

zando periódicamente unos encuentros científicos bienales que

constituyen el foro de discusión y de exposición de ideas y pro-

yectos de investigación. Las principales materias de interés han sido

clasificadas en los siguientes grupos:

– Aspectos relacionados con la navegación de satélites: siste-

mas geodésicos de coordenadas de referencia, transferencia

de patrones de tiempo y frecuencia, marco relativista, relojes

a bordo y en tierra, órbitas, entorno de radiación alrededor de

la órbita, enlaces entre satélites y parámetros de propagación

de señales, incluidas correcciones troposféricas e ionosféricas.


– Aplicaciones científicas: meteorología, geodesia, geofísica,

física del espacio, oceanografía, estudio de la superficie de la

Tierra y de ecosistemas, medidas diferenciales, medidas de

fase, medidas por ocultación de señales de radio (utilizan-

do receptores situados en tierra, en aviones o en satélites)

(Galileo science colloquium en la URL: http://www.congrex.nl/

09c10/start.asp).

– Física fundamental: astronomía, comunicaciones cuánticas

y relatividad general utilizando observaciones GNSS.

Vamos a ver a continuación unos ejemplos de aplicaciones

GNSS de carácter científico, en la línea expuesta en el párrafo an-

terior, y que como no podía ser de otra forma tienen a la Tierra,

y a sus parámetros geométricos y físicos, como centro de dichas

aplicaciones.

6.4.1. Captura de datos cartográficos

Sin mapas ni cartas de navegación los sistemas GNSS son de

muy poca utilidad. Es por ello por lo que el primer uso de los sis-

temas GNSS es la obtención de mapas digitales de precisión de las

vías de comunicación: carreteras, caminos, canales fluviales, vías

férreas, etc.

Estos mapas serán la base sobre las que se asienten las diferen-

tes aplicaciones y equipos GNSS.

6.4.2. Geodesia y topografía

La medida de la Tierra es otra de las iniciales aplicaciones cien-

tíficas de los sistemas GNSS. La disciplina de la geodesia lideró en


los inicios de la puesta en operación del sistema GPS, así como la

fabricación de receptores GPS de elevada precisión aptos para tra-

bajos geodésicos tanto en posproceso como en tiempo real.

La elaboración de catastros, mediante la medición precisa de

fincas e incluso la medición de fronteras, han sido algunas de las

aplicaciones más habituales de estas áreas.

6.4.3. Sincronización de relojes

La posibilidad de disponer de una base de tiempos común glo-

bal, con una precisión mejor de 50 nanosegundos, ha hecho de los

sistemas GNSS el medio idóneo para sincronizar sistemas ubicados

en cualquier parte del globo, como por ejemplo: redes de suminis-

tro eléctrico, redes de ordenadores o entidades bancarias.

6.4.4. Sismología

La aplicación de algoritmos muy especializados y en tiempo

real sobre la señal adquirida por un receptor GPS ha permitido es-

tudiar el movimiento de la corteza terrestres antes, después y du-

rante un seísmo, así que ese movimiento puede ser un indicio

premonitorio, en algunos casos, de la posible sucesión de un te-

rremoto. Los sismólogos están estudiando la relación que hay en-

tre esos acontecimientos.

6.4.5. Estudio de la ionosfera y de la troposfera

Como ya sabemos, las señales de los sistemas GNSS se trans-

miten desde más de 20.000 km de altura hasta la superficie de la


Tierra. En su viaje, las señales electromagnéticas atraviesan las di-

ferentes capas de la atmósfer; entre ellas se encuentran la ionos-

fera y la troposfera.

El análisis de las señales recibidas en tierra permite deducir al-

gunos parámetros físicos de dichas capas, pudiéndose obtener da-

tos de, por ejemplo, la densidad de electrones contenida en la io-

nosfera o de la cantidad de vapor de agua contenida en la

troposfera. El conocimiento de estos datos no es baladí, ya que esta

información es de gran importancia para los sistemas de posicio-

namiento de elevada precisión. Si los receptores GNSS introducen

en los algoritmos de cálculo de la posición las correcciones io-

nosféricas y troposféricas correspondientes a su zona, se puede

no solo mejorar dicho cálculo sino también evitar posibles pérdi-

das de datos causadas por las fuertes distorsiones a las que las se-

ñales electromagnéticas son sometidas al atravesar esas capas at-

mosféricas.

Existen instituciones y organizaciones internacionales que

disponen de redes de estaciones GNSS distribuidas en todo el

mundo para la adquisición y distribución de señales GNSS y su pos-

terior procesamiento para obtener modelos de comportamiento

de la atmósfera.

6.5. Aplicaciones de carácter gubernamental y militar

Finalizaremos la sección de aplicaciones con una breve descrip-

ción de algunas aplicaciones militares, que, como sabemos, son la

razón de ser original del sistema GNSS americano GPS. Vamos a

describir algunas de las aplicaciones militares para las que la uti-

lización del sistema GPS constituye el elemento clave del siste-

ma.


6,5.1. Gestión de cuerpos de seguridad

Los cuarteles generales de los cuerpos de seguridad disponen

de salas de control en donde se reciben en tiempo real la posición

de recursos humanos y materiales. La gestión de los recursos cuan-

do se dispone de esa información se realiza de una forma más efi-

ciente y organizada, lo cual ahorra costes y tiempo.

Estos cuarteles generales pueden ser móviles o fijos y sus pres-

taciones son mucho más exigentes si son utilizados en una zona

de conflicto.

Los equipos GNSS utilizados en estas aplicaciones se mueven

en circuitos restringidos al círculo militar y alejados de los mer-

cados de consumo.

6.5.2. Gestión de equipos de trabajo en casode emergencias

Esta es la aplicación de uso civil más habitual de los equipos

e infraestructuras diseñadas para uso militar. Las situaciones ex-

tremas a las que puede someterse una población civil tras una ca-

tástrofe, ya sea de carácter natural o antropogénica, son similares

a las situaciones bélicas para las cuales los sistemas militares han

sido diseñados. Por este motivo, cada año estos sistemas GNSS

ayudan a salvar un gran número de vidas humanas a pesar de

que, por otra parte y en otros escenarios, esos mismos sistemas ayu-

dan también a destruirlas.


6.5.3. Descubrimiento de carreteras cubiertas porcompleto por la nieve

La combinación de equipos GNSS y de SIG permite utilizarlos

conjuntamente y en tiempo real para encontrar carreteras cubier-

tas por la nieve. Su utilidad es evidente: evitar la inmovilización

de una columna de vehículos cuyo retraso en llegar al objetivo es

decisivo en operaciones tácticas militares.

6.5.4. Guiado de misiles y de armamentoen general

Esta es la más mortífera de las aplicaciones militares. Por ex-

tensión, también lo son el guiado automático de cualquier arma

con capacidad destructiva.

Sistemas de posicionamiento y navegación miniaturizados se

disponen en el interior de proyectiles o vehículos no tripulados

de todo tipo, pudiendo reducir su error de apuntamiento a valo-

res centimétricos.

6.5.5. Guiados de UAV

Los UAV (del inglés Unmanned Aerial Vehicles o vehículos aé-

reos no tripulados) son pequeños aviones teledirigidos cuya mi-

sión suele ser la de observación y captura de datos de territorios

que por su difícil acceso por tierra tienen la vía aérea como úni-

co recurso para su vigilancia.

Un UAV incorpora una unidad de posicionamiento y de na-

vegación que le permite ser autosuficiente para realizar una misión

de observación o bien ser telecontrolado en tiempo real desde


cualquier lugar, gracias a los avanzados sistemas de telecomuni-

caciones que llevan a bordo.

Estos aviones, cuya envergadura puede oscilar entre pocos

centímetros y decenas de metros, van equipados con una gran

variedad de sensores (infrarrojos para visión nocturna, meteoro-

lógicos, etc.), cámaras fotográficas y de vídeo, radares, etc., y gra-

cias a los sistemas de telecomunicación integrados (vía satélite o

vía radio terrestre) pueden transmitir en tiempo real los datos ad-

quiridos a un centro de mando y control desde donde se tomaran

las decisiones convenientes.

6.5.6. Gestión de recursos humanos en el campo de batalla

Como ya hemos mencionado, el teatro de operaciones confor-

ma el escenario más exigente en lo que a las aplicaciones milia-

res se refiere.

Los equipos GNSS que se diseñan para estos propósitos han de

soportar unas condiciones de funcionamiento extremas tanto fí-

sicas como químicas: grandes aceleraciones y vibraciones, golpes

bruscos, sumergimiento en líquidos, el paso de altas a bajas tem-

peraturas o viceversa en un lapso de breve de tiempo, atmósferas

corrosivas, etc.

6.6. Aplicaciones creativas

Vamos a abordar a continuación un conjunto de aplicaciones

que por su variedad y carácter innovador permiten agruparlas en

un grupo al que denominamos aplicaciones creativas.


6.6.1. Aplicaciones para combatir el cambioclimático

Quizás una de las aplicaciones que mejor puede ayudar a com-

batir el cambio climático desde su origen, es decir, evitando la

generación de gases de efecto invernadero (CO2) es el uso de na-

vegadores personales en los vehículos tanto profesionales como

domésticos. Estudios recientes realizados en Alemania y en EE.UU.

han demostrado que dichos sistemas ahorran tiempo en la reali-

zación de los trayectos, acortan la distancia recorrida y por con-

siguiente ahorran gasolina. En consecuencia y como beneficio so-

cial al uso de dichos navegadores se puede obtener un ahorro

económico para las empresas y para los particulares que los utili-

cen y, como contrapartida medioambiental, una menor genera-

ción de gases de efecto invernadero.

6,6.2. Seguimiento de animales

Este tipo de aplicaciones tiene un precedente a las soluciones

GNSS constituido por equipos basados en el sistema ARGOS.

En la actualidad, la miniaturización de los equipos permite

instalar equipos a una gran variedad de animales y permitir co-

nocer a los biólogos-etólogos en tiempo real la situación de los

animales marcados, esto permite realizar estudios cada vez más

precisos de los movimientos estacionales, los hábitos de alimen-

tación, etc. que realizan los diferentes grupos de animales con-

trolados.

La ganadería bovina más avanzada permite utilizar equipos

GNSS adheridos por ejemplo a vacas, para controlar todos sus pa-

rámetros vitales e industriales: kilómetros recorridos cada día, li-

tros de leche producidos, variación de peso diaria, ingestión de agua


diaria, horas en reposo y en movimiento, etc. Similares aplicacio-

nes pueden realizarse para ganadería ovina, porcina o caprina.

6,6.3. Seguimiento de icebergs

La navegación marítima se ve frecuentemente amenazada por

el desprendimiento de bloques de hielo de los casquetes polares

que las corrientes marinas desplazan hacia zonas de tránsito de bu-

ques de carga o de pasajeros.

Instalando un sistema GNSS en los bloques de hielo y utilizan-

do comunicaciones vía satélite se puede llegar a alertar a los bar-

cos del acercamiento de dichos bloques de hielo a las rutas y des-

viar los buques adecuadamente.

6.6.4. Guiado de personas ciegas

Disponer de sistemas personales portátiles que permitan mo-

verse con precisión a una persona visualmente impedida en un en-

torno urbano o rural es una de las aplicaciones más perseguidas

por el colectivo de invidentes.

Si bien no existe en el mercado ningún equipo de estas carac-

terísticas se han realizado diferentes investigaciones y desarrollos

al respecto. Entre ellos, el sistema TORMES desarrollado por la

empresa española GMV constituye un buen ejemplo (Tormes en

la URL:

www.gmv.es/sanidad/sistemas_ayuda_discapacitados.htm).

El gran problema que hay que resolver es garantizar que la

precisión de la señal de posicionamiento recibida permanezca

dentro de los márgenes de trabajo necesarios durante el tránsito

de una persona por las calles de una gran ciudad. Las considera-


bles alturas de los edificios ocasionan que las ocultaciones de los

satélites GNSS sean constantes y por consiguiente la solución de

posicionamiento obtenida tenga un gran error. En estos casos el

usuario no puede estar seguro de si está caminando por el medio

de la acera o por el medio de la calzada. La puesta en marcha de

las nuevas constelaciones GNSS permitirá mitigar la falta de seña-

les en los cañones urbanos y disponer de muchas más señales de

navegación para calcular una posición de gran precisión.

6.6.5. Seguimiento de niños en un parque de atracciones

Si bien esta aplicación no requiere estrictamente de sistemas

GNSS, es un buen ejemplo de aplicaciones que utilizan sistemas

de posicionamiento basados en elementos RFID o DSRC de bajo

consumo y de tamaño muy reducido.

Una simple pulsera puede contener un elemento electrónico

pasivo, denominado tag, identificado con los datos del niño. El paso

de la pulsera por los elementos de detección distribuidos en el

parque temático indican al centro de control la posición del niño,

con lo que se pueden prevenir en algunos casos acciones peligro-

sos para ellos, como podría ser el acceso a atracciones prohibidas

para su edad, el acceso o la intención de acceso a las salidas del re-

cinto, etc.

6.6.6. Seguimiento de pacientes con Alzheimer

La miniaturización conseguida en los receptores GNSS ha per-

mitido generar equipos de muy bajo consumo y tamaño. Estos equi-

pos pueden ser utilizados para localizar a pacientes con la enfer-


medad de Alzheimer que pierden el sentido de la orientación y que,

a menudo, aparecen sin vida días o semanas después de su desapa-

rición en lugares insospechados como garajes, trasteros o lugares

públicos de poco tránsito. Estos sistemas GNSS miniaturizados

pueden ayudar a localizar a estas personas antes de que sea dema-

siado tarde.

6.6.7. Protección de mujeres víctimas de laviolencia doméstica

El grupo social formado por las mujeres víctimas de la vio-

lencia doméstica también ha sido motivo de aplicación de solu-

ciones geotelemáticas.

Las mujeres afectadas utilizan teléfonos móviles con GPS in-

tegrado para ser localizadas en cualquier momento desde un cen-

tro de control. A su vez el agresor dispone de un equipo similar.

En el centro de control se conocen las dos posiciones y se vigila

que dichas posiciones no estén por debajo del límite de aleja-

miento establecido por los tribunales. En caso de emergencia, los

teléfonos disponen de un botón que al ser presionado envía un

SMS de alerta al centro de control y establece una llamada de voz

con el centro. Desde el centro se puede realizar un seguimiento au-

ditivo de lo que le está sucediendo a la víctima en ese momento

y el sonido recibido queda registrado para su posterior revisión.

6.7. Terminales avanzados con sistemas GNSS

Están disponibles en el mercado un conjunto de terminales

electrónicos que bajo diferentes denominaciones: smartphones (te-

léfonos inteligentes), tablets (agendas personales), teléfonos avan-


zados, etc., integran receptores GNSS y son objeto de atención de

empresas desarrolladoras de servicios y aplicaciones para usua-

rios finales. Estos terminales integran entre sus prestaciones WiFi,

Bluetooth, cámara de hasta 7M píxeles, sensor de luz, aceleróme-

tro, giróscopos, GPS y conectividad a la red 3G en alguna o varias

de sus posibilidades, por ejemplo, HSDPA categoría 8, HSUPA ca-

tegoría 5 o UMTS 2100/1900/850 MHz.

Entre este tipo de terminales es de destacar la iniciativa de

Google de promoción y creación de una plataforma, o sistema

operativo, denominada Android diseñada especialmente para des-

arrollar sobre ella aplicaciones de movilidad de todo tipo. Hay en

el mercado una gran variedad de equipos basados en dicha plata-

forma de los fabricantes Motorota, LG y Hacer, Samsung, etc.

En la misma línea que mantiene Google de creación de nue-

vas aplicaciones basadas en GNSS, Apple lanzará en el próximo mes

de julio de 2012 la aplicación Maps en la cual participa Tom Tom.

Maps es una nueva aplicación de navegación basada en mapas


Figura 33. Terminales basados en la plataforma Android: Motorota CLIQ(izquierda), LG-GW620 (centro) y Hacer Liquid (derecha).

3D que Apple ha desarrollado desde cero, con nuevas funciona-

lidades, entre ellas Find my Friends, para localizar amigos y fami-

liares, Find my iPhone, para localizar el iPad o el iPhone extravia-

do, Traffic, con información en tiempo real del tráfico para calcular

rutas entre puntos y guiado por voz en la navegación.


Figura 35. New iPad I iPhone con una de las aplicaciones basadas en Maps.(Fuente: Apple)

Figura 34. Algunas de las cientos de apps de localización GNSS disponiblespara Android: mapFactor, GPS Essentials y Marine Debrise Tracker.

Los juegos y aplicaciones para Apple basados en GNSS son

muy numerosos.


Figura 36. Foursquare (izquierda) es un servicio social de geolocalizaciónmóvil. Run keeper (derecha), aplicación para registrar todos los datos delentreno de corredores urbanos.

Figura 37. La aplicación iGPSGIS II de Corvallis Microtechnology para iPhonees una aplicación de adquisición de datos con características de sistema deinformación geográfico (SIG), con una gran variedad de aplicaciones, talescomo gestión de recursos, agricultura, datos forestales, arqueología yutilidades.

El fabricante americano Trimble lanzó al mercado a princi-

pios de 2009 el terminal denominado YUMA. Se trata de un or-

denador robusto, del tipo tablet, con GPS integrado y diseñado es-

pecialmente para trabajo SIG en campo, servicios públicos o para

aplicaciones geográficas militares. Diseñado según normas mili-

tares de diseño, sus características son excepcionales. Soporta ca-

ídas, vibraciones y humedad del 100%; su rango de temperatura

va de -30 a 60o C y es impermeable al polvo y al agua. Dispone tam-

bién de Wi-Fi, Bluetooth, ranura para tarjetas SD, 2 cámaras y un

disco duro de estado sólido de 32 Gbytes. Su pantalla táctil de 7

pulgadas permite disponer de buena visibilidad aun con inciden-

cia directa de luz solar.

Durante el año 2012 diversos fabricantes han lanzado o lan-

zarán al mercado nuevos terminales de mano especialmente pre-

parados para trabajar en condiciones ambientales muy duras. A con-

tinuación se muestran algunos de ellos.

Durante el tercer trimestre el fabricante Juniper Systems lan-

zará al mercado el modelo Rampage 6 (izquierda en la foto de la

página siguiente) con sistema operativo Android (AOSP) 2.3. El fa-

bricante chino CHC entra también en el mercado de los SIG en

abril de 2012 con la serie de terminales LT30 GPS/GIS con una muy


Figura 38. Terminal Trimble Yuma. (Foto cortesía de Trimble)

buena relación entre calidad, precio y prestaciones (derecha en la

foto), siendo compatible con ESRI’s ArcGIS™ para móvil y

ArcPad™, dos estándares del mercado en sistemas SIG.


Capítulo VI

El futuro de los sistemas GNSS

Nos encontramos en estos años en una situación histórica en

el desarrollo de los sistemas de navegación por satélite: nunca,

hasta el momento, ha habido tantos satélites de navegación como

ahora y aún está previsto que aumente su número en los próximos

años.

Están operativos 2 sistemas de cobertura global (GPS y GLO-

NASS), diversos sistemas de aumentación regional (WAAS, MSAS,

EGNOS, SBAS –ruso–, Beidou I y II, QZSS) y nuevos sistemas regio-

nales que se desplegarán próximamente, 2 nuevos sistemas glo-

bales estarán operativos en menos de 5 años (GALILEO y COM-

PASS). Sin hablar de los innumerables sistemas locales (GBAS,

LAAS) que hay instalados y que se instalarán próximamente en las

cercanías de aeropuertos, puertos, zonas urbanas e infraestructu-

ras de transporte de interés.

En menos de 10 años, el número de señales de navegación

que habrá disponibles libre y gratuitamente en cualquier lugar de

la superficie de la Tierra alcanzará la centena. Probablemente,

conjuntamente con las señales de televisión por satélite y de las

señales de las redes de telefonía móvil por satélite, las señales de

navegación serán las señales con mayor cobertura del planeta.

Podremos disponer entonces de una capacidad de posicionamien-

to, de navegación y de sincronización de relojes impensable hace

© Editorial UOC 151 El futuro de los sistemas GNSS

unos pocos años atrás. La hibridación de tecnologías (nanotecno-

logía, grafenos…) permitirá que la miniaturización de dispositivos

para recibir estas señales alcance cotas sorprendentes, además de

permitir su integración con sistemas de posicionamiento com-

plementarios (p. ej. inerciales). Aparecerán aplicaciones de loca-

lización y posicionamiento que todavía nadie hoy ha podido ima-

ginar para su uso tanto en espacios abiertos como en el interior

de edificios o infraestructuras cubiertas. Quizás cualquier objeto

o persona disponga de un sistema integrado de localización en mi-

niatura que le permita ser localizado en cualquier lugar y en cual-

quier momento. Se acabarán entonces las dudas de dónde hemos

dejado las llaves o la tarjeta de crédito (aunque quizás para enton-

ces tampoco hagan falta ninguna de las dos cosas).

Quizás en las próximas décadas, igual que se unificarán o es-

tandarizarán globalmente otros aspectos de las actividades hu-

manas (p. ej. el tráfico aéreo o el marítimo, la unidad monetaria

mundial, etc.), presenciaremos también la unificación de los sis-


Figura 39. El futuro nos depara receptores GNSS multiconstelación. (Fuente:CAE-NAE GNSS Workshop May 2011)

temas de navegación por satélite y se darán las circunstancias para

que se forme la UGO (del inglés United GNSS Organization), la or-

ganización mundial de los sistemas GNSS, debido al hecho de

que el posicionamiento constituya una necesidad imprescindible

para las actividades humanas, como lo son el agua, la energía y la

telecomunicación, y por tanto se tengan que garantizar el fun-

cionamiento de las infraestructuras espaciales y terrenas que ha-

cen posible dichos servicios en todo el mundo.

Será interesante poder vivir de cerca estos acontecimientos, ya

sea como usuario, como profesional o como curioso espectador,

que deparan para el amplio sector de las aplicaciones de localiza-

ción y de posicionamiento un próspero futuro.

© Editorial UOC 153 El futuro de los sistemas GNSS

© Editorial UOC 155 Siglas y acrónimos

Siglas y acrónimos

A-GNSS Assisted GNSS GNSS asistido

AIS Automatic Identification Sistema AutomáticoSystem de identificación

AOA Angle of arrival Ángulo de llegada

ARGOS Advanced Research and Global Satélite para la Observation Satellite observación y la

investigación de laTierra

ATM Air Trafic Management Gestión del tráficoaéreo

BBDD Database Bases de datos

CC Control Centre Centro de control

CCF Central Control Facility Centro de ControlCentral

CID o CELL ID Cell Identification Identificación de celda

COO Cell of origin Celda de origen

COSPAS/SARSAT Cosmitscheskaja Sistema Organización SARPoiska Awarinitsch Sudow internacional (ver SAR)(Russian: space system for searchof vessels in distress)/ SearchAnd Rescue Satellite AidedTracking

CPF Central Processing Facility Centro de Proceso de datos

CPU Central Processing Unit Unidad central deproceso

CS Commercial Service Servicio Comercial deGalileo

DAB Digital Audio Broadcast Difusión de audiodigital o tambiéndenominada radiodigital


DASS Distress Alerting Satellite System Sistema de alerta desocorro por satélite

DSRC Dedicated Short Range ComunicaciónCommunication de corto alcance

EC European Commission Comisión Europea

EGA European GNSS Agency Agencia Europea delos sistemas GNS

EGNOS European Geostationary Servicio europeo de Navigation Overlay Service aumentación para la

navegación basado ensatélitesgeoestacionarios

E-OTD Enhanced Observed Time Observación de la Difference diferencia de tiempo

mejorada

ESA European Space Agency Agencia EspacialEuropea

EU European Union Unión Europea

EE.UU. Estados Unidos deAmérica

EWAN EGNOS Wide Area Network Red ed área extendidapara EGNOS

FM Modulated Frequency Frecuencia modulada

FTP File Transfer Protocol Protocolo detransferencia dearchivos

GAGAN GPS and GEO Augmented Navegación GPS con Navigation aumentación basada

en satélitesgeoestacionarios

GBAS Ground Based Augmentation Sistema de System aumentación basado

en tierra

GEO Geosynchronous Earth Orbit Órbita terrestregeoestacionaria

GIOVE Galileo In Orbit Validation Elemento de Element validación en órbita

para Galileo

GLONASS Global’naya Navigatsionnaya Sistema Sputnikovaya sistema Sistema de navegacióno Global Navigation Satellite global por satéliteSystem


GNSS Global Navigation Satellite Sistema global de System navegación por

satélite

GPRS General Packet Radio Services Servicios generales deradio por paquetes

GPS Global Positioning System Sistema deposicionamientoglobal

GSA European GNSS Supervisory Autoridad Europea Authority supervisora de los

sistemas GNSS europeos

GSM Global System for Mobile Sistema global de communications comunicaciones

móviles

GSTB V1 Galileo System Test Bed V1 Test de base para elsistema GalileoVersión 1

GT Gross Tonnage 1 GT equivaleaproximadamente a1.187 m3 de capacidad

HSPA High Speed Packet Access Acceso de paquetes dealta velocidad

HTTP Hypertext Transfer Protocol Protocolo detransferencia dehipertexto

HTTPS Hypertext Transfer Protocol Protocolo “seguro” Secure de transferencia de

hipertexto

I/O Input/Output of dates Entrada/Salida dedatos

ILS Instrument Landing System Sistema instrumentalde aterrizaje

INS Inertial Navigation Systems Sistemas denavegación inercial

IP Índice de protección

ISS International Space Station Estación espacialinternacional

ITS Intelligent Transportation Sistemas inteligentes Systems de transporte

IVS In-Vehicle Signing Señalización en elinterior del vehículo


JPALS Joint Precision Approach and Sistema conjunto deLanding System precisión para la

aproximación y elaterrizaje

LBS Location Based Services Servicios basados en lalocalización

LAAS Local Area Augmentation System Sistema local deaumentación GNSS

LED Light Emitting Diode Diodo emisor de luz

LEO Low Earth Orbit Órbita terrestre dealtura baja

Loran C Long Range Radio Aid to Radio Ayuda de largo Navigation C alcance para

navegación Versión C

M2M Machine to Machine Protocolo decomunicaciones demáquina a máquina

MCC Master Control Center Centro de controlprincipal

MEO Medium Earth Orbit Órbita terrestre dealtura media

MSAS Multi-functional Satellite Sistema de Augmentation System aumentación por

satélite multifuncional

NASA National Aeronautics and Administración Space Administration nacional de la

aeronáutica y delespacio

NAVSTAR GPS Navigation System with Sistema de Timing and Ranging Global posicionamiento Positioning System global y sistema de

navegación consincronización ymedida de distancia

NLES Navigation Land Earth Station Estación terrena paranavegación terrestre

OMEGA Optimized Method for Estimated Método optimizado Guidance Accuracy VLF para guiado Navigation System aproximado basado en

un sistema denavegación VLF


OP Open Service Servicio abierto o librede Galileo

PC Personal Computer Ordenador personal

PMR Private or Professional Mobile Radio móvil privada oRadio profesional

PoI Point of Interest Punto de interés

PPP Public Private Partnership Sociedad participadapor el sector público yel privado

PPS Precise Positioning Service GPS Servicio deposicionamientopreciso GPS

PRS Public Regulated Service Servicio públicoregulado de Galileo

RAID Redundant Array of Inexpensive Conjunto redundanteDisks de discos baratos, o

también conjuntoredundante de discosindependientes

RFID Radio Frequency Identification Identificación porradiofrecuencia

RIMS Ranging and Integrity Estación de medida deMonitoring Station or Remote distancias y de Integrity Monitoring Station monitoreo de la

integridad o estaciónremota para elmonitoreo de laintegridad

SA Selective Availability Disponibilidadselectiva

SAE Geographic Information Sistemas de ayuda a laSystem (GIS) explotación

SAR Search and Rescue Servicio de búsqueda yrescate (tambiénservicio ofrecido porGalileo)

SBAS Satellite Based Augmentation Sistema de System aumentación basado

en satélites

SDCM System for Differential Sistema para monitoreoCorrections and Monitoring y generador de

Correcciones diferenciales


SESAR Single European Sky ATM Investigación en ATMResearch y espacio aéreo único

europeo

SIG Sistema de informacióngeográfico

SIT Intelligent Transportations Sistemas Inteligentes Systems (ITS) de Transporte

SMTP Simple Mail Transfer Protocol Protocolo simple para (internet email) transferencia de

correo electrónico porinternet

SoL Safety of Life Servicio de integridadde Galileo

SPE Signal Pre-Emption Aviso de ocupación dela vía

SPS Standard Positioning Service GPS Servicio deposicionamientoestándar GPS

SS Space Segment Segmento espacial

SSH Secure Shell Conjunto decomandos pararealizar comunicacio-nes seguras en Unix

SVW Signal Violation Warning Advertencia deincumplimiento de laseñalización

TCP-IP Transmission-Control- Protocolo de control Protocol-Internet Protocol de transmisión -

Protocolo de internet)

TDOA Time Difference of Arrival Diferencia en eltiempo de llegada

TETRA Trans European Trunked Radio Sistema decomunicaciones víaRadio Trunking dealcance transeuropeo

TG Geotelematic Terminal Terminalgeotelemático(TTGG en plural)

UHF Ultra High Frequency Frecuencia ultraalta

UMI Inertial Measurement Unit Unidad de medidainercial

UMTS Universal Mobile Sistema universal deTelecommunications System telecomunicaciones

móviles

URSS Unión de RepúblicasSocialistas Soviéticas

UWB Ultra Wide Band Banda ultraancha

VHF Very High Frequency Frecuencia muy alta

VLF Very Low Frequency Frecuencia muy baja

VOR/DME Very High Frequency, Equipo de alcanceOmnidirectional Ranging/ omnidireccional deDistance Measuring Equipment frecuencia muy alta y

medida de distancia

VPN Virtual Private Network Red privada virtual

WAAS Wide Area Augmentation System Sistema deaumentación de granalcance

Wi-Fi Wireless Fidelity Ver WLAN

WIMAX Worldwide Interoperability Grupo de trabajo parafor Microwave Access interoperabilidad para

acceso a las comunica-ciones de microondasde banda ancha

WLAN Wireless Local Area Network Red inalámbrica de árealocal


Efemérides relevantes de los sistemas deposicionamiento y navegación

Fecha País Efemérides1761 GB El carpintero británico John Harrison

construye la cuarta versión de sucronometro marino, el H-4,solucionando definitivamente la difíciltarea de conocer la longitud en lastravesías oceánicas con un error menorde o, 5 grados. El cronómetro pesaba1450 g y tenía 13 cm de diámetro.

1940 EEUU El MIT (Massachusetts Institute ofTechnology) desarrolla el sistemaLORAN (Lon Range Navigation),primer sistema que utiliza señales deradio para calcular la posición. Seutilizó durante la segunda guerramundial. Actualmente el sistema sedenomina LORAN-C, evolución de laversión anterior LORAN –A) ypróximamente se desplegará el E-LORAN, mejora del LORAN-C.

04/10/1957 URSS La Unión soviética lanza el Sputnik I,el primer satélite artificial de lahistoria.

© Editorial UOC 163 Efemérides relevantes...

1960’ EEUU Se pone en marcha el sistema deposicionamiento por satélite TRANSIT.El sistema se basaba en la medida delefecto doppler de la señal transmitida,por 5 satélites en órbita polar, porreceptores situados en tierra. Susprincipales usuarios fueronsubmarinos y barcos militares enaltamar. El sistema fue desarrolladopor el Laboratorio de Física Aplicadade la Universidad Johns Hopkins. Elsistema dejó de funcionar en 1996.

1971 EEUU Entra en funcionamiento el primersistema de posicionamiento realmenteglobal. Denominado OMEGA, sededicó a aplicaciones aeronáuticasmilitares hasta 1997, fecha en que sedesactivó.

14/12/1973 EEUU El Departamento de Defensa de EEUUaprueba iniciar su programa de GNSSal que denominaron GPS (GlobalPositioning System).

22/02/1978 EEUU Se pone en órbita el primer satélite dela constelación GPS. En 1994 sedisponían ya en órbita de 24 satélites,que es el número mínimo de satélitesnecesario para disponer de servicio deposicionamiento en toda la superficiede la tierra.

1970-1980 URSS La Unión Soviética desarrolla elsistema TSIKADA, equivalente alamericano TRANSIT. Empiezan adesarrollar también su programa deGNSS que dará lugar años después alsistema GLONASS.


1982 URSS Lanzamiento del primer satéliteGLONASS.

1990’ EEUU La FAA americana (AdministraciónFederal de Aviación) pone en marchael sistema de aumentación WAAS.

01/09/1993 Rusia Boris Yeltsin anuncia que el sistemaGLONASS está completamenteoperativo y disponible gratuitamentepara todo el mundo.

1994 China El gobierno chino autoriza eldesarrollo del sistema de navegaciónpor satélite Beidou.

1999 UE El Parlamento Europeo decide llevaradelante el programa GNSS paraEuropa. El primer resultado delprograma será el sistema deaumentación EGNOS y posteriormenteel inicio del desarrollo del sistemaGalileo.

2000 China Se lanzan los dos primeros satélites delsistema GNSS Chino Beidou.

01/05/2000 EEUU El presidente Bill Clinton de acuerdocon el Departamento de Defensaamericano elimina la degradación delsistema GPS denominadaDisponibilidad Selectiva (S/A). Estehecho marca un hito en ladisponibilidad y accesibilidad a laseñal de navegación del sistema GPSpara todos los usuarios, abriendo lapuerta a nuevas aplicacionesimpensables con la S/A activa.

2003 EEUU La FAA autoriza el uso del sistema WAAScomo instrumento de vuelo a bordo delas aeronaves comerciales y civiles.


28/12/2005 UE Se lanza el primer satélite experimen-tal del Programa Europeo Galileo, elGIOVE A. Fue desde Baikonur y conun cohete Soyuz. El satélite GIOVE A(Galileo In-Orbit Validation Element)tienen como misión principal empezara transmitir las frecuencias denavegación que utilizará el sistemaGalileo, con la nueva señal moduladaBOC(Binary Offset Carrier) diseñadapara disponer de posicionamiento conaltas prestaciones.

2006 UE El Galileo Joint Undertaking (GJU)pone a disposición del público el ICD(Interface Control Document) de laseñal abierta del sistema Galileo,permitiendo así que fabricantes deequipos empiecen a diseñar los futurosreceptores del sistema Galileo.

19/09/2007 EEUU La Casa Blanca decide eliminar de lafutura generación de satélites GPS, losGPS-III, la posibilidad de degradar laseñal de navegación.

27/09/2007 Japón El sistema SBAS japonés, el MSAS,queda certificado para su uso enaviación civil.

27/04/2008 UE Se lanza con un cohete Soyuz desdeBaikonur el segundo satéliteexperimental del Programa EuropeaGalileo, el GIOVE B. Su misión eraponer a prueba los relojes atómicosque han de llevar los futuros satélitesde Galileo. Entre ellos el primer relojatómico basado en un oscilador máserde hidrógeno del tipo pasivo.


01/10/2009 UE El sistema EGNOS entra en faseoperativa.

11/09/2010 Japón Se pone en órbita el primer satélitejaponés del sistema QZSS, denomina-do Michibiki I.

02/03/2011 UE El sistema EGNOS queda certificadopara su uso en aviación civil.

21/10/2011 UE Lanzamiento desde Kourou (Guyanafrancesa) de los dos primeros satélites que formaran la constelaciónGalileo. Se utilizó para ello un coheteSoyuz, que también fue la primera vez que se lanzaba fuera de territorio ruso. Los satélites fueronpuestos en órbita a 23.600 km dealtitud.

08/12/2011 Rusia Después de 15 años la constelaciónGLONASS cuenta desde esta fecha con24 satélites en órbita y es completa-mente operacional en todo el planeta.En 1996 GLONASS completó porprimera vez la constelación con 24 satélites pero debido a lasdificultades económicas del gobiernoRuso unidas al tiempo de vidalimitado de los satélites Glonass, laconstelación se fue, poco a poco,degradándose. En 2002 el gobiernoRuso se comprometió a poneroperativo de nuevo el sistema y quefuera comparable en prestaciones alsistema GPS.

11/12/2011 Rusia Se lanza el satélite LUCH 5A, primersatélite del sistema SBAS Rusodenominado SDCM.


12/10/2012 UE Lanzamiento desde Kourou (Guyanafrancesa) del tercer y cuarto satéliteque formaran la constelación Galileo.Se utilizó un cohete Soyuz ST-B. Lossatélites fueron puestos en órbita a23.600 km de altitud. Los primeros 4satélites Galileo fueron construidospor la división ASTRIUM de EADS y seutilizaran para completar la fase IOVn(in-Orbit validation) del sistemaGalileo.


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Enlaces a páginas web relacionadas con la temáticaGNSS

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IAG

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http://www.iag-aig.org/

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http://www.ion.org

DGON

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http://dgon.de

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Centre for Advanced Spatial Technologies

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Department of Geomatics Engineering

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University of New Brunswick (UNB)

Geodetic Research Laboratory

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Department of Geodesy and Geomatics Engineering

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UNAVCO

University NAVSTAR Consortium

http://www.unavco.org/aboutus/aboutus.html


Fabricantes de chipsets GPS

SIRF

http://www.sirf.com/

U-BLOX

http://www.u-blox.ch

FASTRAX

http://www.fastraxgps.com

EVERMORE

http://www.emt.com.tw/webPage/

MICRO MODULAR TECHNOLOGIES

http://www.micro-modular.com

Fabricantes de receptores GNSS

NOVATEL

http://www.novatel.ca

GARMIN

http://www.garmin.com/garmin/cms/site/us

TRIMBLE

http://www.trimble.com/index.aspx

LEICA

http://www.leica-geosystems.com/en/index.htm

MAGELLAN

http://www.promagellangps.com/en/

SEPTENTRIO

http://www.septentrio.com

JAVAD

http://www.javad.com/jgnss/

TOPCON

http://www.topconsolutions.com


Fabricantes de equipos con aplicaciones GNSS

SUUNTO

http://www.suunto.com

SPOT

http://www.findmeSPOT.com

COMPEGS (faricante español)

http://www.CompeGPS.com

Actividades periódicas relacionadas con GNSS

European Satellite Navigation Competition: Competición anualque premia a las mejores ideas que utilizan los sistemas GNSS,priorizando a EGNOS y al futuro Galileo. Próxima edición du-rante el primer semestre del 2013.

http://www.galileo-masters.eu

NAVITEC: Workshop sobre tecnologías de navegación por satéli-te que organiza anualmente ESTEC (European Space Researchand Technology Centre) centro perteneciente a la ESA, desdehace 6 años. El del año 2012 estará dedicado a señales GNSSy al procesado de señal de dichas señales, del 5 al 7 deDiciembre de 2012.

http://congrexprojects.com/12c13/introduction

Munich Navigation Satellite Summit: Conferencia internacio-nal que tiene lugar en Munich anualmente con impacto glo-bal en el sector, al cual asisten ponentes de primera línea delsector industrial, científico y político. Próxima edición del 26al 28 de Febrero del 2013.

http//www.munich-satellite-navigation-summit.org


China Satellite Navigation Conference: Conferencia y feria deproductos internacional que tendrá lugar en China en Mayode 2013 cuyo tema principal serán las aplicaciones para elnuevo sistema GNSS Chino, el BEIDOU.

http://www.beidou.org/english/paper/index.asp

ION: El Instituto de Navegación americano organiza anualmen-te tres reuniones técnicas en EEUU, donde se encuentran losprofesionales de todas las áreas relacionadas con el posiciona-miento y la navegación por satélite.

http://www.ion.org/meetings/

Trimble DIMENSIONS: Conferencia Internacional de usuariosTrimble. El fabricante norteamericano de productos de posi-cionamiento Trimble, organiza periódicamente encuentrosdonde realiza sesiones técnicas donde exhibe sus último pro-ductos y aplicaciones y realiza demostraciones conjuntamen-te con sus empresas asociadas: Accubid, Applanix, MeridianSystems, OmniStar, Pacific Crest, PeopleNet, Plancal, QuickPeny Tekla.

http://www.trimbledimensions.com/

ICG (International Committee on GNSS): El comité Internacionalde GNSS es una asociación respaldada por las Naciones Unidasque tiene como objetivos promocionar actividades entre suspaíses miembros, conseguir la interoperabilidad entre todos lossistemas GNSS, generar sinergias entre proveedores de GNSSy la ICAO(International Civil Aviation Organization),ITU(International Telecommunication Union) yIMO(International Maritime Organization) y ayudar a los pa-íses en desarrollo a integrar en sus infraestructuras los servi-cios GNSS (posicionamiento, navegación y tiempo). Sus con-ferencias tienen lugar cada año en un país diferente.

http://www.icg2012.cn/index.php?p=General%20Information


CERGAL (Simposium Internacional de certificación de sistemasy servicios GNSS): CERGAL es uno de los múltiples congre-sos organizados por el Instituto Alemán de Navegación(DGON), cuyo objetivo es el de generar foros de diálogo téc-nico entre desarrolladores de sistemas, de aplicaciones, ope-radores, agencias de certificación y usuarios de sistemas y ser-vicios GNSS.

http://www.dgon.de/index.php?id=69&L=1

GLOBALGEO: GLOBALGEO es un salón internacional de laGeoinformación que tiene lugar en Barcelona de forma bianual.Se presentan empresas de los sectores de la cartografía, losSIG, fotogrametría, teledetección, Geodesia, Topografía, GNSS,ITS. Simultáneamente con el salón tiene lugar la SemanaGeomática Internacional, que convoca en sesiones técnicas aexpertos y especialistas en las distintas disciplinas geomáti-cas. La próxima edición está prevista para finales del primertrimestre del 2013.

http://www.globalgeobcn.com/

INTERGEO: INTERGEO es un congreso organizado anualmenteen Alemania centrado en geodesia, cartografía, geoinformacióny gestión del territorio. Cada año hay un tema principal de dis-cusión. 2012 será el año de las infraestructuras de geodatos parala toma de decisiones políticas en la Unión Europea.

http://www.intergeo.de/en/Kongress_1244.html

Conferencia Europea de Aricultura de Precisión: Esta confe-rencia de carácter bianual tiene lugar en una sede diferente cadaaño. Entre los temas que se desarrollan se encuentra la apli-cación de tecnología GNSS para el guiado de maquinaria agrí-cola. El año 2013 tendrá lugar en la Universitat de Lleida,Lérida, Cataluña, del 7 al 11 de Julio.

http://www.ecpa2013.udl.cat/


Formacion en áreas GNSS

Carl-Cranz-Gesellschaft e.V. Instituto Alemán de ciencia y tec-nología para la formación continua de técnicos, ingenieros ycientíficos que imparte cursos especializados en diferentes áreas tecnológicas entre las que se incluye el área de los GNSS.

http://www.ccg-ev.de/en/startseite.html

Escuela de verano sobre GNSS de la ESA. La Agencia EspacialEuropea organiza desde el 2009 una escuela de verano para jó-venes ingenieros cuyo objetivo es ofrecerles una visión gene-ral de cual es el diseño y como se desarrollan los sistemasGNSS, así como de las posibles aplicaciones que de ellos se de-rivan.

http://www.esa.int/SPECIALS/Education/index.html

GRACE (GNSS Research Application Centre of Excellence). ElGRACE es centro de formación en GNSS que forma parte delreconocido Instituto Geoespacial de Nottingham (NGI). ElNGI ofrece diferentes cursos en temáticas relacionadas conGNSS

http://www.nottingham.ac.uk/grace/facilities/training.aspx

Universidad de New Brunswick (UNB). La UNB de Canadá ofre-ce desde hace 50 años estudios de Ingeniería en Geodesia yGeomática, siendo una de los centros más innovadores en in-vestigación y educación en el área de la geodesia y de los sis-temas GNSS.

http://gge.unb.ca/HomePage.php


introduccion a los sistemas de navegacion por satelite

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