| Artículos | 01 FEB 1998

En cualquier lugar, en cualquier momento

Sistemas de navegación por satélite
Angeles y Martín Grado Caffaro.

De una manera general, se puede afirmar que los sistemas de navegación por satélite globales o GNSS (Global Navigation Satellite System) son sistemas basados en constelaciones de satélites orientados a proporcionar información de forma continua y en tiempo real la posición de objetos sobre la Tierra que se mueven rápidamente en tres dimensiones, en cualquier lugar del planeta (global) y bajo cualquier condición atmosférica. Estos sistemas permiten, además, una cantidad ilimitada de usuarios, a costes razonables y con unos niveles de precisión en continuo aumento.

Actualmente existen en funcionamiento dos sistemas de navegación por satélite, ambos bajo control militar y ambos formados por una constelación de 24 satélites: el sistema americano GPS (Global Positioning System), también llamado NAVSTAR, y el sistema ruso GLONASS (Global Orbitography Navigation Satellite System).

El paso de estos sistemas al sector civil, aunque esperado, está tomando unas dimensiones en cuanto a rapidez y campo de aplicación difícilmente predecibles en términos de crecimientos incrementales convencionales. En efecto, desde que aparece la navegación por satélite en los años 70 hasta hoy, se ha pasado de un entorno estrictamente militar a un mercado civil con perspectivas de crecimiento explosivas, sobre todo en los últimos tres años, período durante el cual 9 de cada 10 receptores vendidos pertenecen al sector civil. La rapidez con que se ha producido este desplazamiento de mercados, y en particular desde 1991, ha originado que haya llegado a identificarse el concepto de navegación global por satélite con el GPS.

La importancia de las perspectivas económicas y sociales de estos sistemas de navegación ha propiciado la generación de un programa internacional conocido como GNSS (Global Navigation Satellite System) con el que se pretende conseguir un sistema de navegación global de carácter civil con importantes mejoras frente a los actuales GPS y GLONASS.

ara conseguir este objetivo, GNSS se ha estructurado en dos fases: GNSS-1 y GNSS-2. La primera, dedicada a aumentar las prestaciones de los sistemas GPS/GLONASS en cuanto a disponibilidad, precisión e integridad de la señal, está conformada por las constelaciones GPS, GLONASS e Inmarsat-3 (2 satélites geostacionarios situados uno en el Océano Indico a 64 grados Este y otro sobre el Océano Atlántico a 15,5 grados Oeste). La segunda fase, GNSS-2, fechado para después del año 2000, tendrá carácter ya completamente civil.


Gráfico atgraf120-001.gif

Fundamentos
El funcionamiento de los sistemas de navegación por satélite se basan en la medición de la distancia de un objeto sobre la Tierra en relación a una serie de satélites cuya posición se conoce de forma precisa, inequívoca y en cualquier momento, y que son monitorizados por medio de estaciones terrestres. El cálculo de estas distancias se realiza midiendo los tiempos que tardan en llegar a la Tierra las señales de radio que emiten los satélites. De esta forma se puede establecer la posición de objetos que se muevan rápidamente en tres dimensiones con un margen de precisión entre 100 m y 1 cm. En este contexto, el satélite actúa como un punto de referencia de gran precisión. Un receptor del tamaño de un teléfono móvil asociado al objeto sobre la Tierra utiliza esas medidas para calcular su propia posición.

La gran precisión de funcionamiento que conllevan estos sistemas se consigue mediante osciladores ultraestables, normalmente relojes atómicos, situados a bordo del satélite que se mantienen sincronizados con un sistema de reloj master y que emiten las señales de radio del satélite a unas frecuencias previamente definidas dentro de la banda L y conocidas por el usuario; concretamente, en el caso de GPS estas frecuencias son L1 = 1,57542 GHz y L2 = 1,22760 GHz. Las frecuencias de transmisión de las señales de los satélites se escogen para evitar la degradación producida por la lluvia y otros agentes atmosféricos y para minimizar los errores de temporización que origina la ionosfera.

La medición de la distancia del objeto sobre la Tierra al satélite permite establecer las tres coordenadas x, y, z ?equivalentes a las coordenadas geográficas latitud, longitud y altitud? del objeto en cuestión, así como el tiempo. Esta medida de la distancia entre el objeto y el satélite conlleva una ecuación con tres incógnitas referentes a las coordenadas del objeto, lo que supone tener infinitas soluciones; es por lo que, en lugar de medir la distancia hasta un sólo satélite, se mide hasta varios satélites simultáneamente para tener más medidas (ecuaciones) que incógnitas y así poder resolver el problema del posicionamiento. En concreto, para establecer las tres coordenadas que determinan la posición del objeto y la coordenada tiempo, es decir, para proporcionar información continua sobre la posición y la hora, se utilizan como mínimo 4 satélites que proporcionan 4 medidas independientes.

En definitiva y en líneas muy generales, el método de trabajo se basa en la siguiente idea: cuando se conoce la distancia de un objeto sobre la Tierra a un satélite se puede imaginar que el objeto está situado sobre la superficie de una esfera virtual cuyo radio es igual a la medida de la distancia del objeto al satélite; si se conoce la distancia exacta a dos satélites y volviendo otra vez a la idea de la esfera, se infiere que el objeto está situado en algún punto de la línea de intersección de las dos esferas. Si tomamos otra medida y, por tanto imaginamos otra esfera, tenemos solamente dos puntos posibles de ubicación del objeto, donde normalmente uno de ellos es absurdo, lo que se determina mediante métodos matemáticos específicos.


Gráfico atgraf120-002.gif

Funcionamiento
El funcionamiento del sistema GPS consiste básicamente en que cada satélite, de los cuatro que se utilizan para una operación de medida, transmite señales en la banda de frecuencia L. Cada onda portadora está modulada por un código único que se detecta en el receptor asociado al objeto sobre la Tierra; cada código se propaga (al modo de la radiodifusión) a los diferentes receptores en base a una temporización determinada por el reloj a bordo del satélite al mismo tiempo que identifica la posición exacta del satélite. Los receptores llevan asociados unos sistemas simples de correlación entre la señal recibida por el satélite y la señal generada por el receptor que permite reconocer estos códigos y conocer el momento en que se han emitido desde el satélite, ya que existe un orden cronológico predeterminado.

La medida de la distancia entre el objeto/receptor y el satélite se obtiene calculando el tiempo que ha tardado la señal en viajar desde el satélite hasta el receptor. Este tiempo se calcula observando la diferencia entre el tiempo marcado por el reloj del satélite y el tiempo marcado por el reloj del receptor. La distancia se calcula multiplicando esa diferencia de tiempos, o tiempo de duración del viaje de la señal, por la velocidad de la señal (la velocidad

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