REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA UNIVERSIDAD PRIVADA DR. RAFAEL BELLOSO CHACÍN

FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA DE ELECTRÓNICA

MENCIÓN TELECOMUNICACIONES

SISTEMA DE POSICIONAMIENTO DISTRIBUIDO BASADO EN GPS PARA

AERONÁUTICA CIVIL VENEZOLANA

TRABAJO ESPECIAL DE GRADO PARA OPTAR AL TÍTULO DE INGENIERO ELECTRÓNICO

PRESENTADO POR:

Br. CAMACHO, ALEJANDRA VANESA Br. LAVDAS, MARIO ANTONIO

Br. SALAZAR, DANIEL ENRIQUE Br. SÁNCHEZ, JOSÉ ALFONSO

ASESORADO POR:

M.Sc. ROMERO JOSÉ DRA. MÉNDEZ MARISELA

MARACAIBO, JULIO2012

SISTEMA DE POSICIONAMIENTO DISTRIBUIDO BASADO EN GPS PARA AERONÁUTICA CIVIL VENEZOLANA

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VEREDICTO

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DEDICATORIA

Dedicamos este proyecto de investigación principalmente a Dios por ser el

sustento de nuestras vidas y por permitirnos llegar donde estamos.

A nuestros padres por ser los pilares fundamentales en nuestro desarrollo

humano, a nuestros hermanos por acompañarnos el camino.

A nuestras familias y amigos porque cada uno forma parte de nuestros

logros.

A nuestros compañeros de tesispor el apoyo incondicional y la

oportunidad de vivir juntos esta gran aventura.

Y nuestros profesores y tutorespor brindarnos todos los conocimientos e

instrumentos necesarios para culminar este trabajo.

Gracias a todos, Dios los bendiga.

Alejandra, Daniel, José y Mario.

viii

AGRADECIMIENTO

Le damos gracias infinitas a Dios todopoderoso por acompañarnos en todo

momento y por otorgarnos toda la sabiduría necesaria y colocar todo a

nuestro favor para realizar este proyecto de investigación satisfactoriamente.

A su vez le agradecemos a nuestros padres por apoyarnos siempre en la

realización de nuestras metas. A nuestros tutores por ser parte clave para la

creación de este proyecto de investigación aportando sus conocimientos y

experiencias en cada una de sus áreas y finalmente le agradecemos a la

Universidad Rafael Belloso Chacín por acogernos como una segunda casa.

Los Autores.

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Camacho Alejandra,Lavdas Mario, SalazarDaniel y SánchezJosé.Sistema de posicionamiento distribuido basado en GPS para la aeronáutica civil venezolana. Universidad Privada Dr. Rafael Belloso Chacín. Facultad de Ingeniería. Escuela de Electrónica. Mención Telecomunicaciones. Maracaibo, 2012.

RESUMEN

La presente investigación tuvo como objetivo principal el diseño deunSistema de Posicionamiento Distribuido Basado en GPS para Aeronáutica Civil Venezolana. En Maracaibo, Edo. Zulia. El diseño del sistema está fundamentado a partir de las señales obtenidas del sistema global de navegación por satélite (GPS), con el propósito de sumar apoyo a los sistemas de vigilancia para la navegación aérea y control de tráfico aéreo, complementándose así los sistemas establecidos por la legislación aeroportuaria venezolana (INAC), como la Organización Internacional de Aeronáutica Civil (ICAO) tomando en cuenta las resoluciones legales de estos organismos. Para el marco teórico se tomaron en cuenta los autores y Tomasi (2003), Correia (2009), Letham (2006), Rueda (2007) y Trapero (2009). El tipo de investigación utilizado fue de tipo descriptiva, de campo y documental. Dentro de las técnicas de recolección de datos manejadas en la presente investigación se acudió a la entrevista, guía de entrevista y revisión documental. El diseño se constituyó en cinco fases utilizando la metodología de Smith y Collins (2007), por medio de ellas se determinan elanálisis de la situación actual, determinación de los parámetros, la selección de las tecnologías, el diseño y evaluación. Todas estas fueron importantes y necesarias para el diseño planteado. Como resultado se logró el diseño de un sistema de posicionamiento basado en GPS para la aeronáutica civil venezolana. A través de simulaciones, se logró demostrar la calidad y autenticidad en los cálculos de los enlaces tierra -aire y aire-aire del sistema, siendo necesario el uso del software RADIO MOBILE, para así cumplir con los requisitos del diseño establecidos.

x

Palabras claves: Sistema, GPS, Diseño, Aeronáutica Civil.

xi

Camacho Alejandra, Lavdas Mario, SalazarDaniel y Sánchez José.Distributed positioning system based on GPS for Venezuelan Civil Aeronautics. Private University Dr. Rafael BellosoChacin. Faculty of Engineering.School of Electronics.Mention Telecommunications. Maracaibo, 2012.

ABSTRACT

This investigatión had as main objective the design of a Distributed Positioning System Based on GPS for Venezuelan Civil Aeronautics. In Maracaibo, Zulia state. The system design is based on the signals obtained from the Global Navigation Satellite System (GPS), in order to add support for surveillance systems for air navigation and air traffic control, complementing the systems established by the Venezuelan airport legislation (INAC) and the International Civil Aviation Organization (ICAO), taking into account the legal decisions of these bodies. For the theoretical framework taking into account the authors Tomasi (2003), Correia (2009), Letham (2006), Rueda (2007) yTrapero (2009). The research used was descriptive, field and documentary. Among the techniques of managed data collection in this investigation came to the interview, Interview and document review. The design was set up in five stages using the method of Smith and Collins (2007), through them determine the current situation analysis, determination of the parameters, the selection of technologies, design and evaluation. All these were important and necessary for the proposed design. As a result, it was the design of a positioning system based on GPS for civil aviation in Venezuela. Through simulations, we failed to demonstrate the quality and authenticity in the calculations of the links-to-air and air-air system, requiring the use of RADIOMOBILE software , in order to meet the design requirements.

xii

Keywords: System, GPS, Design, Civil Aeronautics.

xiii

ÍNDICE GENERAL

Pág.

VEREDICTO……………………………………………………………….. iii

DEDICATORIA……………………………………………………………. vii

AGRADECIMIENTO……………………………………………………… viii

RESUMEN…………………………………………………………………. ix

ABSTRACT………………………………………………………………... x

ÍNDICE GENERAL………………………………………………………... xi

ÍNDICE DE FIGURAS…………………………………………………….. xvi

ÍNDICE DE CUADROS…………………………………………………… xviii

INTRODUCCIÓN………………………………………………………….. 1

CAPITULO I: EL PROBLEMA 3

1. DESCRIPCIÓN DE LA SITUACIÓN OBJETO DE ESTUDIO…...... 4

1.1. FORMULACIÓN DEL PROBLEMA…………………………….. 6

2. OBJETIVOS DELAINVESTIGACIÓN…....…………………………. 7

2.1. OBJETIVO GENERAL…………………………………………… 7

2.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS……………………………………. 7

3. JUSTIFICACIÓN DE LA INVESTIGACIÓN…………………………. 8

4. DELIMITACIÓN DE LA INVESTIGACIÓN… ………………………... 9

CAPÍTULO II: MARCO TEÓRICO 9

1. ANTECEDEN DE LA INVESTIGACIÓN.......................................... 12

xiv

1.1. BASES TEÓRICAS………………………………………………. 16

1.1.1. SISTEMA…………………………………………………… 16

1.1.2. COMPONENTES DEL SISTEMA GPS…………………. 17

1.1.2.1. SEGMENTO ESPACIAL………………………... 17

1.1.2.2. SEGMENTO DE CONTROL…………………… 18

1.1.2.3. SEGMENTO DE USUARIO……………………. 19

1.1.3. RECEPTOR GPS………………………………………….. 20

1.1.4. ANTENAS………………………………………………….. 20

1.1.4.1. ANTENA HÉLICE CUADRIFILAR……………... 21

1.1.4.2. MICRO ANTENA………………………………… 21

1.1.5. RECEPCIÓN GPS………………………………………… 22

1.1.6. CARACTERÍSTICAS DE LA SEÑAL GPS……………... 22

1.1.7. MENSAJE DE NAVEGACIÓN……………………...……. 24

1.1.8. PRINCIPIO DE POSICIONAMIENTO…………………… 25

1.1.9. SISTEMA DE MEDICIÓN DE DISTANCIAS…………… 27

1.1.9.1. PSEUDODISTANCIAS…………………………. 27

1.1.9.2. DIFERENCIA DE FASE………………………… 28

1.1.10. ERRORES PRESENTES EN EL SISTEMA GPS……. 30

1.1.10.1. ERROR POR PROPAGACIÓN DE LA SEÑAL. 30

1.1.10.2. DISPONIBILIDAD SELECTIVA………………. 31

1.1.10.3. ERROR DEL RECEPTOR……………………. 32

1.1.10.4. DILUCIÓN DE PRECISIÓN (DOP)…………... 32

xv

1.1.10.5. ERROR DE MULTITRAYECTORIA DE

SEÑALES………………………………………………….. 32

1.1.11. MÉTODOS Y TÉCNICAS DE MEDICIÓN…………….. 33

1.1.11.1. POSICIONAMIENTO AUTÓNOMO………….. 33

1.1.11.2. POSICIONAMIENTO DIFERENCIAL………... 33

1.1.12. SISTEMA DE REFERENCIA…………………………… 35

1.1.12.1. DATUM………………………………………….. 35

1.1.12.2. SISTEMA GEODÉSICO MUNDIAL 1984

(WGS-84)…………………………………………………... 36

1.1.13. INSTITUTO NACIONAL DE AERONÁUTICA CIVIL

VENEZOLANA (INAC)…………………………………………… 37

2. SISTEMA DE VARIABLES……………………………………………. 38

2.1 SISTEMA DE POSIC IONAMIENTO GLOBAL (GPS)………… 38

2.2. DEFINICIÓN CONCEPTUAL………………………………….... 38

2.3. DEFINICIÓN OPERACIONAL…………………………….……. 39

2.4. SISTEMA……………..………………...………………………… 39

2.5. DEFINICIÓN CONCEPTUAL………...……………………….... 39

2.6. DEFINICIÓN OPERACIONAL…………………………….……. 40

CAPÍTULO III: MARCO METODOLÓGICO 41

1. TIPO DE INVESTIGACIÓN…………………………………………… 42

2. TÉCNICAS E INSTRUMENTOS DE RECOLECCIÓN DE DATOS. 46

2.1. TÉCNICAS DE RECOLECCIÓN DE DATOS…………………. 46

xvi

2.1.1. ENTREVISTA……………………………………………… 46

2.1.2. REVISIÓN DOCUMENTAL………………………………. 47

2.2. INSTRUMENTOS DE RECOLECCIÓN DE DATOS…………. 47

2.2.1. GUÍA DE ENTREVISTA…………………………………... 47

3. METODOLOGÍA SELECCIONADA (FASES DEL PROYECTO)…. 48

4. CUADRO Y CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES Y RECURSOS... 51

5. RECURSOS…………………………………………………………….. 51

5.1 ACTIVIDADES…………………………………………………….. 52

CAPÍTULO IV: RESULTADOS DE LA INVESTIGACIÓN 57

1. ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS………………………………….. 58

1.1. DESARROLLO DE LA METODOLOGÍA…………………….... 59

1.1.1 FASE I: ANÁLISIS DE LA SITUACIÓN ACTUAL……….. 59

1.1.2. FASE II: DETERMINACION DE LOS PARAMETROS Y

REQUERIMIENTOS DEL SISTEMA…………………………….

62

1.1.3. FASE III: SELECCIÓN DE TECNOLOGÍAS Y

ALTERNATIVAS ACTUALES………...……………………………

74

1.1.4. FASE IV: DISEÑO DEL SISTEMA………………………… 80

1.1.5. FASE V: EVALUACIÓN O VERIFICACIÓN DEL

DISEÑO PROPUESTO…………………………………………….

99

1.1.5.1. VALIDACIÓN POR EXPERTOS………………………… 100

CONCLUSIONES…………………………………………………………. 103

RECOMENDACIONES…………………………………………………… 106

xvii

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS…………………………………….. 107

ANEXOS……………………………………………………………………. 110

A. CUESTIONARIO PARA EL ANALISIS DE LA SITUACIÓN

ACTUAL DE LA AERONUTICA CIVIL VENEZOLANA………...

111

B. EXTRACTO DE LA REGULACIÓN AERONÁUTICA

VENEZOLANA 271……………………………………………….

115

C. HOJAS DE ESPECIFICACIONES TÉCNICAS………………… 125

D. DISTANCIAS ENTRE AEROPUERTOS QUE TENGAN

INSTALADO EL SISTEMA………………………………………..

135

E. SIMULACIONES DE LOS ENLACES EN RADIO MOBILE…… 137

F. INSTRUMENTO DE VALIDACIÓN DEL SISTEMA……………. 142

xviii

ÍNDICE DE FIGURAS

FIGURAS Pág.

1. CONSTELACIÓN GPS……………………………………………….… 18

2. ESTACIONES DE CONTROL……………………………………….… 19

3. SEGMENTO USUARIO…………………………………..………….… 19

4. RECEPTORES GPS…………………………………….……….…..… 20

5. ANTENA CUADRIFILAR……………………………………………….. 21

6. MICROANTENA (INTERNA)…………………………………………... 21

7. FRECUENCIA FUNDAMENTAL Y PORTADORAS………………… 24

8. INTERSECCIÓN DE DISTANCIAS ENTRE SATÉLITES Y

RECEPTOR, QUE ORIGINAN LA POSICIÓN DE ÉSTE ÚLTIMO…… 26

9. PSEUDO DISTANCIA………………………………………………….. 28

10. DIFERENCIAS DE FASE EN LA SEÑAL…………………………… 29

11. VARIABLES INVOLUCRADAS EN LA MEDICIÓN DE FASE DE

PORTADORA……………………………………………………………….. 30

12. POSICIONAMIENTO DIFERENCIAL………………………………... 34

13.CALCULO DE COBERTURA VISUAL DE LA ANTENA EN LA

AERONAVE…………………………………………………………………. 72

14. DISTRIBUCIÓN ANGULAR DE COBERTURA DE LA ANTENA

EN LA AERONAVE………………………………………………………… 73

15. SENTENCIA GGA………………………………..……………………. 78

xix

16. ARQUITECTURA GENERAL DEL SISTEMA……………..……….. 80

17. ESQUEMA FÍSICO DEL TRANSCEPTOR DE POSICIÓN DEL

AVIÓN………………………………………………………………………... 84

18. LONGITUD DE COBERTURA………….…………………………….. 85

19. ESQUEMA FÍSICO DEL TRANSCEPTOR DE POSICIÓN EN TIERRA……………………………………………………………………….

88

20. ACCESO AL INTERVALO DE TIEMPO…………………………….. 93

21. TIEMPOS DE LA TRANSMISIÓN……………………………………. 94

xx

ÍNDICE DE CUADROS

CUADROS Pág.

1. ACTIVIDADES Y RECURSOS………………………………………… 53

2. CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES ESPECÍFICAS………………... 55

3. ESPECIFICACIONES DE LOS TRANSCEPTORES COMERCIALES……………………………………………………………..

66

4.ESPECIFICACIONES DE ANTENAS COMERCIALES PARA ESTACIONES BASE……………………………………………………….

67

5. ESPECIFICACIONES DE ANTENAS COMERCIALES PARA AERONAVE…………………………………………………………………

68

6. PARÁMETROS SELECCIONADOS PARA REALIZAR LOS CÁLCULOS………………………………………………………………….

69

7. PARÁMETROS AJUSTADOS PARA REALIZAR LOS CÁLCULOS…………....…………………………………………………….

71

8. DISTRIBUCIÓN DE ESTACIONES BASE EN EL TERRITORIO NACIONAL.…………………………………….…………………………….

86

9. FORMATO DE DEL MENSAJE DE POSICIONAMIENTO…………. 89

10. TRAMA DE TIEMPO STDMA………………………………..……….. 92

11. DESCRIPCIÓN DE LOS TIEMPOS DE LA TRANSMISIÓN……… 94

12. TOTALIZACIÓN DE LOS NÚMEROS Y TIEMPOS DE BITS.……. 95

13. PRIMER MAPA DE DISPONIBILIDAD DE LOS INTERVALOS DE TIEMPO………………………………………………………………………

96

14. SEGUNDO MAPA DE DISPONIBILIDAD DE LOS INTERVALOS DE TIEMPO………….………………………………………………………

97

xxi

INTRODUCCIÓN

Con el transcurso de estos años, la tecnología ha experimentado un gran e

indetenible avance. Diariamente se diseñan y desarrollan nuevos productos

orientados a la mejora en la calidad de vida de los seres humanos. La

aviación definida por ciertos autores como el diseño, operación,

infraestructura, personal y en general como organización bien sea pública o

privada, nacional e internacional, reguladora y de inspección cuya función

principal está relacionada a todos los aspectos concernientes a operaciones

aeronáuticas.

En base a lo antes mencionado el empleo de nuevas y mejores

tecnologías en el campo de la electrónica, específicamente las

telecomunicaciones, han traído consigo grandes contribuciones al campo de

la aviación civil. En este sentido, es la tendencia al desarrollo de nuevas

rutas y de duración más cortas, aprovechamiento del espacio aéreo, mejor

apoyo a la navegación aérea, grandes mejoras asociadas a las operaciones

de tráfico aéreo entre otros, todo gracias al futuro empleo del sistema global

de navegación basada en satélites.

A la luz de lo antes mencionado, el sentido de la presente investigación tiene

como propósito el diseño de un sistema de posicionamiento distribuido

basado en GPS para aeronáutica civil venezolana, que permita optimizar el

actual sistema de tráfico aéreo y la detección de prevención y colisiones,

permitiendo un aporte significativo a las operaciones aeroportuarias en

cuanto a vigilancia del espacio aéreo.

2

El trabajo se estructura en cuatro capítulos.El Capítulo I, el cual lleva por

título “El problema”, se plantea concretamente la problemática de

investigación, se dan a conocer los objetivos, así como también la

justificación y la delimitación en base a la cual fueencuadrado el estudio.

El Capítulo II, llamado Marco Teórico, esta sección recopila los

antecedentes ,es decir, los aspectos más resaltantes de otras

investigaciones, relacionadas directamente con las variables de estudio de la

presente. Seguidamente se muestran las bases teóricas y por último se

explica brevemente el sistema de variables y la estructura de las mismas.

Seguidamente el Capítulo III, enmarcado como Marco Metodológico, donde

se expone el tipo de investigación, las herramientas utilizadas para la

recolección de los datos, las fases de las metodologías utilizadas y

finalmente el cuadro de actividades, donde se sintetiza todo el capítulo.

Posteriormente, se da inicio al Capítulo IV, llamado Resultados de la

investigación, donde se dan a conocer y se explican detalladamente los

resultados de las cuatro fases de la metodología aplicada para el diseño del

sistema de monitoreo. Se revela el diseño, los requerimientos del sistema, la

arquitectura de la red y la evaluación del diseño.

Por último, se incluyen las conclusiones y se procede a dar una serie de

recomendaciones para investigaciones futuras que den continuación a la

presente. Así también, se anexan los artículos y definiciones que los autores

consideran complementarios, y la bibliografía en la que se fundamenta el

presente estudio.