Las señales GPS son transmitidas por satélites del Sistema de Posicionamiento Global para permitir la navegación por satélite . Los receptores en la superficie de la Tierra o cerca de ella pueden determinar la ubicación, la hora y la velocidad utilizando esta información. La constelación de satélites GPS es operada por el 2.º Escuadrón de Operaciones Espaciales (2SOPS) del Delta Espacial 8 de la Fuerza Espacial de los Estados Unidos .
Las señales GPS incluyen señales de medición de distancia, que se utilizan para medir la distancia al satélite, y mensajes de navegación. Los mensajes de navegación incluyen datos de efemérides que se utilizan tanto en trilateración para calcular la posición de cada satélite en órbita como para proporcionar información sobre la hora y el estado de toda la constelación de satélites, llamada almanaque .
Hay cuatro especificaciones de señales GPS diseñadas para uso civil. En orden de fecha de introducción, estas son: L1 C/A, L2C, L5 y L1C. [1] L1 C/A también se denomina señal heredada y es transmitida por todos los satélites actualmente operativos. L2C, L5 y L1C son señales modernizadas y solo se transmiten por satélites más nuevos (o todavía no se transmiten en absoluto). Además, a enero de 2021 [update], ninguna de estas tres señales se considera todavía completamente operativa para uso civil. Además de las cuatro señales mencionadas anteriormente, existen señales restringidas con frecuencias publicadas y tasas de chip , pero las señales utilizan una codificación cifrada, lo que restringe el uso a las partes autorizadas. Los civiles aún pueden hacer un uso limitado de las señales restringidas sin descifrado; esto se denomina acceso sin código y semi-sin código , y está admitido oficialmente. [2] [3]
La interfaz con el segmento de usuario ( receptores GPS ) se describe en los Documentos de control de interfaz (ICD). El formato de las señales civiles se describe en la Especificación de interfaz (IS), que es un subconjunto de los ICD.
Los satélites GPS (denominados vehículos espaciales en los documentos de especificaciones de la interfaz GPS) transmiten simultáneamente varios códigos de medición de distancia y datos de navegación mediante modulación por desplazamiento de fase binaria (BPSK). Se utiliza solo un número limitado de frecuencias centrales. Los satélites que utilizan la misma frecuencia se distinguen mediante el uso de diferentes códigos de medición de distancia. En otras palabras, el GPS utiliza acceso múltiple por división de código . Los códigos de medición de distancia también se denominan códigos de chip (en referencia a CDMA/ DSSS ), ruido pseudoaleatorio y secuencias binarias pseudoaleatorias (en referencia al hecho de que las secuencias son predecibles pero que estadísticamente se parecen al ruido).
Algunos satélites transmiten varios flujos BPSK a la misma frecuencia en cuadratura, en una forma de modulación de amplitud en cuadratura . Sin embargo, a diferencia de los sistemas QAM típicos, en los que un único flujo de bits se divide en dos flujos de bits de la mitad de la velocidad de símbolo para mejorar la eficiencia espectral , los componentes en fase y en cuadratura de las señales GPS se modulan mediante flujos de bits separados (pero funcionalmente relacionados).
Los satélites se identifican de forma única mediante un número de serie denominado número de vehículo espacial (SVN), que no cambia durante su vida útil. Además, todos los satélites operativos están numerados con un identificador de vehículo espacial (SV ID) y un número de ruido pseudoaleatorio (PRN) que identifica de forma única los códigos de medición de distancia que utiliza un satélite. Existe una correspondencia fija de uno a uno entre los identificadores SV y los números PRN descrita en la especificación de la interfaz. [4] A diferencia de los SVN, el número SV ID/PRN de un satélite puede cambiar (lo que da como resultado un cambio en los códigos de medición de distancia que utiliza). Es decir, no hay dos satélites activos que puedan compartir un mismo número SV ID/PRN activo. Los números SVN y PRN actuales para la constelación GPS se publican en NAVCEN.
El diseño original del GPS contiene dos códigos de medición de distancia: el código grueso/de adquisición (C/A), que está disponible gratuitamente para el público, y el código de precisión restringida (P), normalmente reservado para aplicaciones militares.
Para que los códigos de medición de distancia y el mensaje de navegación viajen desde el satélite hasta el receptor, deben modularse en una onda portadora . En el caso del diseño original del GPS, se utilizan dos frecuencias: una a 1575,42 MHz (10,23 MHz × 154), llamada L1; y una segunda a 1227,60 MHz (10,23 MHz × 120), llamada L2.
El código C/A se transmite en la frecuencia L1 como una señal de 1,023 MHz utilizando una técnica de modulación por desplazamiento de fase bifásica ( BPSK ). El código P(Y) se transmite en las frecuencias L1 y L2 como una señal de 10,23 MHz utilizando la misma modulación BPSK, sin embargo, la portadora del código P(Y) está en cuadratura con la portadora C/A (lo que significa que está desfasada 90° ) .
Además de la redundancia y la mayor resistencia a las interferencias, un beneficio fundamental de tener dos frecuencias transmitidas desde un satélite es la capacidad de medir directamente, y por lo tanto eliminar, el error de retardo ionosférico de ese satélite. Sin una medición de este tipo, un receptor GPS debe utilizar un modelo genérico o recibir correcciones ionosféricas de otra fuente (como el Sistema de Aumento de Área Amplia o WAAS ). Los avances en la tecnología utilizada tanto en los satélites GPS como en los receptores GPS han hecho que el retardo ionosférico sea la mayor fuente de error restante en la señal. Un receptor capaz de realizar esta medición puede ser significativamente más preciso y normalmente se lo conoce como receptor de doble frecuencia .
Los códigos PRN C/A son códigos Gold con un período de 1023 chips transmitidos a 1,023 Mchip/s, lo que hace que el código se repita cada 1 milisegundo. Tienen una or exclusiva con un mensaje de navegación de 50 bit/s y la fase resultante modula la portadora como se describió anteriormente. Estos códigos solo coinciden, o se autocorrelacionan fuertemente cuando están alineados casi exactamente. Cada satélite utiliza un código PRN único, que no se correlaciona bien con el código PRN de ningún otro satélite. En otras palabras, los códigos PRN son altamente ortogonales entre sí. El período de 1 ms del código C/A corresponde a 299,8 km de distancia, y cada chip corresponde a una distancia de 293 m. Los receptores rastrean estos códigos bien con un chip de precisión, por lo que los errores de medición son considerablemente menores que 293 m. [ ¿En cuánto? ]
Los códigos C/A se generan combinando (utilizando "o exclusivo") dos flujos de bits, cada uno generado por dos registros de desplazamiento de retroalimentación lineal (LFSR) de 10 etapas y período máximo diferentes. Se obtienen diferentes códigos retrasando selectivamente uno de esos flujos de bits. Por lo tanto:
dónde:
Los argumentos de las funciones que se incluyen en el presente documento son el número de bits o chips desde sus épocas, comenzando en 0. La época de los LFSR es el punto en el que se encuentran en el estado inicial; y para los códigos C/A generales es el comienzo de cualquier segundo UTC más cualquier número entero de milisegundos. La salida de los LFSR con argumentos negativos se define de acuerdo con el período, que es de 1023 chips (esta disposición es necesaria porque B puede tener un argumento negativo utilizando la ecuación anterior).
El retraso para los números PRN 34 y 37 es el mismo; por lo tanto, sus códigos C/A son idénticos y no se transmiten al mismo tiempo [5] (puede hacer que una o ambas señales sean inutilizables debido a la interferencia mutua dependiendo de los niveles de potencia relativos recibidos en cada receptor GPS).
El código P es una secuencia PRN mucho más larga que el código C/A: 6,187104 x 10 12 chips. Aunque la tasa de chips del código P (10,23 Mchip/s) es diez veces mayor que la del código C/A, se repite solo una vez por semana, lo que elimina la ambigüedad de alcance. Se supuso que los receptores no podían adquirir directamente un código tan largo y rápido, por lo que primero se "arrancarían" con el código C/A para adquirir las efemérides de la nave espacial , producir una fijación de tiempo y posición aproximada y luego adquirir el código P para refinar la fijación.
Mientras que los PRN de C/A son únicos para cada satélite, cada satélite transmite un segmento diferente de una secuencia de código P maestro de aproximadamente 2,35 x 10 14 chips de longitud (235.000.000.000.000 chips). Cada satélite transmite repetidamente su segmento asignado del código maestro, reiniciando cada domingo a las 00:00:00 hora GPS. Como referencia, la época GPS fue el domingo 6 de enero de 1980 a las 00:00:00 UTC, pero el GPS no sigue exactamente el UTC porque el tiempo GPS no incorpora segundos intercalares. Por lo tanto, el tiempo GPS está adelantado al UTC por un número entero de segundos.
El código P es público, por lo que para evitar que usuarios no autorizados lo utilicen o interfieran potencialmente con él mediante suplantación de identidad , se realiza una operación XOR entre el código P y el código W , una secuencia generada criptográficamente, para producir el código Y. El código Y es lo que los satélites han estado transmitiendo desde que se habilitó el módulo antisuplantación de identidad . La señal cifrada se denomina código P(Y) .
Los detalles del código W son secretos, pero se sabe que se aplica al código P a aproximadamente 500 kHz, [6] aproximadamente 20 veces más lento que la velocidad del chip del código P. Esto ha llevado a enfoques semi-sin código para rastrear la señal P(Y) sin conocer el código W.
Además de los códigos de medición de distancia PRN, un receptor necesita conocer la hora y la posición de cada satélite activo. El GPS codifica esta información en el mensaje de navegación y la modula en los códigos de medición de distancia C/A y P(Y) a 50 bit/s. El formato del mensaje de navegación descrito en esta sección se denomina datos LNAV (para navegación tradicional ).
El mensaje de navegación transmite información de tres tipos:
Una efeméride es válida solo por cuatro horas, mientras que un almanaque es válido (con poca dilución de precisión) por hasta dos semanas. [7] El receptor utiliza el almanaque para adquirir un conjunto de satélites en función de la hora y la ubicación almacenadas. A medida que el receptor adquiere cada satélite, se decodifican las efemérides de cada uno de ellos para que el satélite pueda utilizarse para la navegación.
El mensaje de navegación consta de tramas de 30 segundos de 1.500 bits de longitud, divididas en cinco subtramas de 6 segundos de diez palabras de 30 bits cada una. Cada subtrama tiene la hora GPS en incrementos de 6 segundos. La subtrama 1 contiene la fecha GPS (número de semana), información de corrección del reloj del satélite, estado del satélite y salud del satélite. Las subtramas 2 y 3 juntas contienen los datos de efemérides del satélite transmisor. Las subtramas 4 y 5 contienen las páginas 1 a 25 del almanaque de 25 páginas. El almanaque tiene 15.000 bits de longitud y tarda 12,5 minutos en transmitirse.
Un cuadro comienza al inicio de la semana del GPS y cada 30 segundos a partir de entonces. Cada semana comienza con la transmisión de la página 1 del almanaque. [8]
Hay dos tipos de mensajes de navegación: LNAV-L es utilizado por satélites con números PRN del 1 al 32 (llamados números PRN inferiores ) y LNAV-U es utilizado por satélites con números PRN del 33 al 63 (llamados números PRN superiores ). [9] Los dos tipos utilizan formatos muy similares. Los submarcos 1 a 3 son iguales, [10] mientras que los submarcos 4 y 5 son casi iguales. Cada tipo de mensaje contiene datos de almanaque para todos los satélites que utilizan el mismo tipo de mensaje de navegación pero no el otro.
Cada subtrama comienza con una palabra de telemetría (TLM), que permite al receptor detectar el comienzo de una subtrama y determinar la hora del reloj del receptor en la que comienza la subtrama de navegación. A continuación se encuentra la palabra de transferencia (HOW), que proporciona la hora GPS (como el momento en el que se transmitirá el primer bit de la siguiente subtrama) e identifica la subtrama específica dentro de una trama completa. [11] [12] Las ocho palabras restantes de la subtrama contienen los datos reales específicos de esa subtrama. Cada palabra incluye 6 bits de paridad generados utilizando un algoritmo basado en códigos de Hamming, que tienen en cuenta los 24 bits de no paridad de esa palabra y los 2 últimos bits de la palabra anterior.
Después de leer e interpretar una subtrama, se puede calcular el momento en que se envió la siguiente subtrama mediante el uso de los datos de corrección de reloj y CÓMO. El receptor conoce el momento del reloj del receptor en que se recibió el comienzo de la siguiente subtrama a partir de la detección de la palabra de telemetría, lo que permite calcular el tiempo de tránsito y, por lo tanto, el pseudorango.
El tiempo GPS se expresa con una resolución de 1,5 segundos como un número de semana y un recuento de tiempo de la semana (TOW). [13] Su punto cero (semana 0, TOW 0) se define como 1980-01-06T00:00Z. El recuento TOW es un valor que va de 0 a 403.199 cuyo significado es el número de períodos de 1,5 segundos transcurridos desde el comienzo de la semana GPS. Por lo tanto, expresar el recuento TOW requiere 19 bits (2 19 = 524.288). El tiempo GPS es una escala de tiempo continua en el sentido de que no incluye segundos intercalares; por lo tanto, el inicio/fin de las semanas GPS puede diferir del del día UTC correspondiente en un número entero de segundos.
En cada subtrama, cada palabra de transferencia (HOW) contiene los 17 bits más significativos del recuento TOW correspondiente al inicio de la siguiente subtrama. [14] Nótese que los 2 bits menos significativos se pueden omitir de manera segura porque un HOW ocurre en el mensaje de navegación cada 6 segundos, lo que es igual a la resolución del recuento TOW truncado del mismo. De manera equivalente, el recuento TOW truncado es la duración del tiempo desde el inicio/fin de la última semana GPS hasta el inicio de la siguiente trama en unidades de 6 segundos.
Cada trama contiene (en la subtrama 1) los 10 bits menos significativos del número de semana GPS correspondiente. [15] Nótese que cada trama está completamente dentro de una semana GPS porque las tramas GPS no cruzan los límites de las semanas GPS. [16] Dado que la renovación ocurre cada 1024 semanas GPS (aproximadamente cada 19,6 años; 1024 es 2 10 ), un receptor que calcula las fechas del calendario actual necesita deducir los bits del número de semana superior u obtenerlos de una fuente diferente. Un método posible es que el receptor guarde su fecha actual en la memoria cuando se apaga, y cuando se enciende, suponga que el número de semana truncado recientemente decodificado corresponde al período de 1024 semanas que comienza en la última fecha guardada. Este método deduce correctamente el número de semana completo si nunca se permite que el receptor permanezca apagado (o sin una fijación de hora y posición) durante más de 1024 semanas (~19,6 años).
El almanaque consta de información aproximada de la órbita y el estado de cada satélite de la constelación, un modelo ionosférico e información para relacionar el tiempo derivado del GPS con el Tiempo Universal Coordinado (UTC). Cada cuadro contiene una parte del almanaque (en los subcuadros 4 y 5) y el almanaque completo es transmitido por cada satélite en 25 cuadros en total (lo que requiere 12,5 minutos). [17] El almanaque sirve para varios propósitos. El primero es ayudar en la adquisición de satélites en el encendido al permitir que el receptor genere una lista de satélites visibles en función de la posición y la hora almacenadas, mientras que se necesita una efemérides de cada satélite para calcular correcciones de posición utilizando ese satélite. En hardware más antiguo, la falta de un almanaque en un nuevo receptor causaría largas demoras antes de proporcionar una posición válida, porque la búsqueda de cada satélite era un proceso lento. Los avances en hardware han hecho que el proceso de adquisición sea mucho más rápido, por lo que no tener un almanaque ya no es un problema. El segundo propósito es relacionar el tiempo derivado del GPS (llamado tiempo GPS) con el estándar de tiempo internacional de UTC . Finalmente, el almanaque permite que un receptor de frecuencia única corrija el error de retardo ionosférico mediante el uso de un modelo ionosférico global. Las correcciones no son tan precisas como los sistemas de ampliación GNSS como WAAS o los receptores de doble frecuencia. Sin embargo, a menudo es mejor que ninguna corrección, ya que el error ionosférico es la mayor fuente de error para un receptor GPS de frecuencia única.
Los datos satelitales se actualizan normalmente cada 24 horas, con hasta 60 días de datos cargados en caso de que haya una interrupción en la capacidad de realizar actualizaciones regularmente. Normalmente, las actualizaciones contienen nuevas efemérides y los nuevos almanaques se cargan con menor frecuencia. El Segmento de Control garantiza que durante las operaciones normales se cargará un nuevo almanaque al menos cada 6 días.
Los satélites transmiten una nueva efeméride cada dos horas. La efeméride suele tener una validez de cuatro horas, con posibilidad de actualización cada cuatro horas o más en condiciones no nominales. El tiempo necesario para adquirir la efeméride se está convirtiendo en un elemento significativo del retraso hasta la fijación de la primera posición, porque a medida que el hardware del receptor se vuelve más capaz, el tiempo para captar las señales del satélite se reduce; sin embargo, los datos de efemérides requieren entre 18 y 36 segundos antes de ser recibidos, debido a la baja velocidad de transmisión de datos.
El sistema GPS , que alcanzó su plena capacidad operativa el 17 de julio de 1995 [20], había cumplido con los objetivos de diseño originales. Sin embargo, los avances tecnológicos adicionales y las nuevas exigencias del sistema existente llevaron a que se emprendiera un esfuerzo por "modernizar" el sistema GPS. Los anuncios del vicepresidente y de la Casa Blanca en 1998 anunciaron el comienzo de estos cambios y, en 2000, el Congreso de los Estados Unidos reafirmó el esfuerzo, conocido como GPS III .
El proyecto incluye nuevas estaciones terrestres y nuevos satélites, con señales de navegación adicionales para usuarios civiles y militares. Su objetivo es mejorar la precisión y la disponibilidad para todos los usuarios. Se estableció el objetivo de implementación para 2013 y se ofrecieron incentivos a los contratistas si podían completarlo para 2011.
Las señales civiles GPS modernizadas tienen dos mejoras generales respecto de sus contrapartes tradicionales: una ayuda para la adquisición sin datos y una codificación de corrección de errores hacia adelante (FEC) del mensaje NAV.
Una ayuda para la adquisición sin datos es una señal adicional, denominada portadora piloto en algunos casos, que se transmite junto con la señal de datos. Esta señal sin datos está diseñada para que sea más fácil de adquirir que los datos codificados y, una vez que la adquisición es exitosa, se puede utilizar para adquirir la señal de datos. Esta técnica mejora la adquisición de la señal GPS y aumenta los niveles de potencia en el correlador.
El segundo avance es el uso de la codificación de corrección de errores hacia adelante (FEC) en el propio mensaje NAV. Debido a la velocidad de transmisión relativamente lenta de los datos NAV (normalmente 50 bits por segundo), pequeñas interrupciones pueden tener un impacto potencialmente importante. Por lo tanto, la FEC en el mensaje NAV supone una mejora significativa en la robustez general de la señal.
Uno de los primeros anuncios fue la incorporación de una nueva señal de uso civil, que se transmitiría en una frecuencia distinta a la frecuencia L1 utilizada para la señal de adquisición/gruesa (C/A). Finalmente, se convirtió en la señal L2C, llamada así porque se transmite en la frecuencia L2. Debido a que requiere un nuevo hardware a bordo del satélite, solo se transmite por los llamados satélites Block IIR-M y diseños posteriores. La señal L2C tiene la tarea de mejorar la precisión de la navegación, proporcionar una señal fácil de rastrear y actuar como una señal redundante en caso de interferencia localizada. Las señales L2C se han transmitido a partir de abril de 2014 en satélites capaces de transmitirlas, pero aún se consideran preoperativas. [1] A partir de enero de 2021 [update], L2C se transmite en 23 satélites y se espera que en 2023 esté en 24 satélites. [1]
A diferencia del código C/A, el código L2C contiene dos secuencias de código PRN distintas para proporcionar información de alcance: el código civil moderado (llamado CM) y el código civil de longitud larga (llamado CL). El código CM tiene una longitud de 10.230 chips y se repite cada 20 ms. El código CL tiene una longitud de 767.250 chips y se repite cada 1.500 ms. Cada señal se transmite a 511.500 chips por segundo ( chip/s ); sin embargo, se multiplexan juntos para formar una señal de 1.023.000 chips/s.
CM se modula con el mensaje de navegación CNAV (ver a continuación), mientras que CL no contiene ningún dato modulado y se denomina secuencia sin datos . La secuencia larga sin datos proporciona una correlación aproximadamente 24 dB mayor (~250 veces más fuerte) que el código C/A L1.
En comparación con la señal C/A, L2C tiene 2,7 dB más de recuperación de datos y 0,7 dB más de seguimiento de portadora, aunque su potencia de transmisión es 2,3 dB más débil.
El estado actual de la señal L2C al 3 de julio de 2023 [21] es:
Los códigos de alcance civil moderado y civil de largo alcance se generan mediante un LFSR modular que se restablece periódicamente a un estado inicial predeterminado. El período del CM y CL se determina mediante este restablecimiento y no por el período natural del LFSR (como es el caso del código C/A). Los estados iniciales se designan en la especificación de la interfaz y son diferentes para diferentes números PRN y para CM/CL. El polinomio/máscara de retroalimentación es el mismo para CM y CL. Por lo tanto, los códigos de alcance se dan por:
dónde:
Los estados iniciales se describen en la especificación de la interfaz GPS como números expresados en octal siguiendo la convención de que el estado LFSR se interpreta como la representación binaria de un número donde el bit de salida es el bit menos significativo y el bit donde se desplazan los nuevos bits es el bit más significativo. Usando esta convención, el LFSR cambia del bit más significativo al bit menos significativo y cuando se ve en orden big endian, se desplaza hacia la derecha. Los estados llamados estado final en el IS se obtienen después de10 229 ciclos para CM y posteriores767 249 ciclos para LM (justo antes del reinicio en ambos casos).
Los datos CNAV son una versión mejorada del mensaje de navegación NAV original. Contienen una representación de mayor precisión y datos nominalmente más precisos que los datos NAV. El mismo tipo de información (hora, estado, efemérides y almanaque) todavía se transmite utilizando el nuevo formato CNAV; sin embargo, en lugar de utilizar una arquitectura de trama/subtrama, utiliza un nuevo formato pseudopaquetizado compuesto por mensajes de 300 bits de 12 segundos análogos a las tramas LNAV. Mientras que las tramas LNAV tienen un contenido de información fijo, los mensajes CNAV pueden ser de uno de varios tipos definidos. El tipo de trama determina su contenido de información. Los mensajes no siguen un cronograma fijo en cuanto a qué tipos de mensajes se utilizarán, lo que permite al Segmento de Control cierta versatilidad. Sin embargo, para algunos tipos de mensajes existen límites inferiores en cuanto a la frecuencia con la que se transmitirán.
En CNAV, al menos 1 de cada 4 paquetes son datos de efemérides y el mismo límite inferior se aplica a los paquetes de datos de reloj. [25] El diseño permite transmitir una amplia variedad de tipos de paquetes. Con una constelación de 32 satélites y los requisitos actuales de lo que se necesita enviar, se utiliza menos del 75% del ancho de banda. Solo se ha definido una pequeña fracción de los tipos de paquetes disponibles; esto permite que el sistema crezca e incorpore avances sin romper la compatibilidad.
Hay muchos cambios importantes en el nuevo mensaje CNAV:
Los mensajes CNAV comienzan y terminan al inicio/fin de la semana GPS más un múltiplo entero de 12 segundos. [26] En concreto, el comienzo del primer bit (con codificación por convolución ya aplicada) que contiene información sobre un mensaje coincide con la sincronización mencionada anteriormente. Los mensajes CNAV comienzan con un preámbulo de 8 bits que es un patrón de bits fijo y cuyo propósito es permitir que el receptor detecte el comienzo de un mensaje.
El código convolucional utilizado para codificar CNAV se describe mediante:
dónde:
Dado que el flujo de bits codificado con FEC se ejecuta a una velocidad dos veces mayor que el de los bits no codificados con FEC, como ya se ha descrito , la codificación con FEC se realiza independientemente de los límites del mensaje de navegación; [27] esto se desprende de las ecuaciones anteriores.
Un efecto inmediato de tener dos frecuencias civiles transmitidas es que los receptores civiles ahora pueden medir directamente el error ionosférico de la misma manera que los receptores de código P(Y) de frecuencia dual. Sin embargo, los usuarios que utilizan solo la señal L2C pueden esperar un 65% más de incertidumbre de posición debido al error ionosférico que con la señal L1 sola. [28]
Un componente importante del proceso de modernización es una nueva señal militar, denominada código militar o código M, que fue diseñado para mejorar aún más la protección contra interferencias y el acceso seguro a las señales GPS militares.
Se ha publicado muy poco sobre este nuevo código restringido. Contiene un código PRN de longitud desconocida que se transmite a 5,115 MHz. A diferencia del código P(Y), el código M está diseñado para ser autónomo, lo que significa que un usuario puede calcular su posición utilizando únicamente la señal del código M. Según el diseño original del código P(Y), los usuarios tenían que fijarse primero en el código C/A y luego transferir la fijación al código P(Y). Más tarde, se desarrollaron técnicas de adquisición directa que permitieron a algunos usuarios operar de forma autónoma con el código P(Y).
Se sabe un poco más sobre el nuevo mensaje de navegación, que se llama MNAV . Al igual que el nuevo CNAV, este nuevo MNAV está empaquetado en lugar de enmarcado, lo que permite cargas útiles de datos muy flexibles. También, al igual que el CNAV, puede utilizar corrección de errores de reenvío (FEC) y detección avanzada de errores (como un CRC ).
El código M se transmite en las mismas frecuencias L1 y L2 que ya utilizaba el código militar anterior, el código P(Y). La nueva señal está diseñada para colocar la mayor parte de su energía en los bordes (lejos de las portadoras P(Y) y C/A existentes). No funciona en todos los satélites y el código M se desactivó para SVN62/PRN25 el 5 de abril de 2011. [29]
En un cambio importante con respecto a los diseños anteriores de GPS, el código M está pensado para ser transmitido desde una antena direccional de alta ganancia, además de una antena terrestre completa. La señal de esta antena direccional, llamada haz puntual, está pensada para ser dirigida a una región específica (varios cientos de kilómetros de diámetro) y aumentar la intensidad de la señal local en 20 dB, o aproximadamente 100 veces más fuerte. Un efecto secundario de tener dos antenas es que el satélite GPS parecerá estar formado por dos satélites GPS que ocupan la misma posición para aquellos dentro del haz puntual. Si bien la señal de código M de toda la Tierra está disponible en los satélites del Bloque IIR-M, las antenas de haz puntual no se desplegarán hasta que se desplieguen los satélites del Bloque III , lo que comenzó en diciembre de 2018.
Un efecto secundario interesante de que cada satélite transmita cuatro señales separadas es que el MNAV puede transmitir potencialmente cuatro canales de datos diferentes, lo que ofrece un mayor ancho de banda de datos.
El método de modulación es de portadora binaria desplazada , utilizando una subportadora de 10,23 MHz frente al código de 5,115 MHz. Esta señal tendrá un ancho de banda total de aproximadamente 24 MHz, con lóbulos de banda lateral significativamente separados. Las bandas laterales se pueden utilizar para mejorar la recepción de la señal.
La señal L5 proporciona un medio de radionavegación lo suficientemente seguro y robusto para aplicaciones críticas para la vida, como la guía de aproximación de precisión de aeronaves. La señal se transmite en una banda de frecuencia protegida por la UIT para servicios de radionavegación aeronáutica . Se demostró por primera vez desde el satélite USA-203 (bloque IIR-M) y está disponible en todos los satélites de GPS IIF y GPS III . Las señales L5 se han transmitido desde abril de 2014 en satélites que la admiten. [1]
El estado de la señal L5 al 3 de julio de 2023 [update] es: [30]
La banda L5 proporciona una robustez adicional en forma de mitigación de interferencias, protección internacional, redundancia con las bandas existentes, ampliación de satélites geoestacionarios y ampliación terrestre. La robustez adicional de esta banda también beneficia a las aplicaciones terrestres. [31]
Dos códigos de medición de distancia PRN se transmiten en cuadratura en L5: el código en fase (llamado código I5 ) y el código en cuadratura de fase (llamado código Q5 ). Ambos códigos tienen una longitud de 10.230 chips, se transmiten a 10,23 Mchip/s (período de repetición de 1 ms) y se generan de forma idéntica (difieren solo en los estados iniciales). Luego, I5 se modula (por o exclusivo) con datos de navegación (llamado L5 CNAV) y un código Neuman-Hofman de 10 bits sincronizado a 1 kHz. De manera similar, el código Q5 se modula luego pero solo con un código Neuman-Hofman de 20 bits que también sincroniza a 1 kHz.
En comparación con L1 C/A y L2, estos son algunos de los cambios en L5:
El código I5 y el código Q5 se generan utilizando la misma estructura pero con diferentes parámetros. Estos códigos son la combinación (por o exclusiva) de la salida de dos registros de desplazamiento de retroalimentación lineal (LFSR) diferentes que se reinician de forma selectiva.
dónde:
A y B son LFSR de longitud máxima. Las operaciones de módulo corresponden a reinicios. Nótese que ambos se reinician cada milisegundo (sincronizados con las épocas de código C/A). Además, la operación de módulo adicional en la descripción de A se debe al hecho de que se reinicia 1 ciclo antes de su período natural (que es 8191) de modo que la siguiente repetición se desplaza 1 ciclo con respecto a B [33] (de lo contrario, dado que ambas secuencias se repetirían, I5 y Q5 también se repetirían dentro de cualquier período de 1 ms, degradando las características de correlación).
Los datos L5 CNAV incluyen efemérides SV, tiempo del sistema, datos de comportamiento del reloj SV, mensajes de estado e información de tiempo, etc. Los datos de 50 bit/s se codifican en un codificador de convolución de tasa 1/2. El flujo de símbolos resultante de 100 símbolos por segundo (sps) se agrega en módulo 2 solo al código I5; el tren de bits resultante se utiliza para modular la portadora en fase (I5) L5. Esta señal combinada se denomina señal de datos L5. La portadora en cuadratura de fase (Q5) L5 no tiene datos y se denomina señal piloto L5. El formato utilizado para L5 CNAV es muy similar al de L2 CNAV. Una diferencia es que utiliza una tasa de datos dos veces mayor. Los campos de bits dentro de cada mensaje, [34] los tipos de mensajes y el algoritmo del código de corrección de errores de avance son los mismos que los de L2 CNAV. Los mensajes CNAV L5 comienzan y terminan al inicio/fin de la semana GPS más un múltiplo entero de 6 segundos (esto se aplica al comienzo del primer bit que contiene información sobre un mensaje, como es el caso de CNAV L2). [35]
Se transmite en la frecuencia L5 (1176,45 MHz, 10,23 MHz × 115), que es una banda de navegación aeronáutica . La frecuencia se eligió para que la comunidad de la aviación pueda gestionar las interferencias en L5 de manera más eficaz que en L2. [35]
L1C es una señal de uso civil que se transmitirá en la frecuencia L1 (1575,42 MHz), que contiene la señal C/A utilizada por todos los usuarios actuales del GPS. Las señales L1C se transmitirán desde los satélites GPS III y posteriores, el primero de los cuales se lanzó en diciembre de 2018. [1] A fecha de enero de 2021 [update], las señales L1C aún no se transmiten y solo cuatro satélites operativos son capaces de transmitirlas. Se espera que L1C esté presente en 24 satélites GPS a finales de la década de 2020. [1]
L1C consta de un componente piloto (llamado L1C P ) y un componente de datos (llamado L1C D ). [36] Estos componentes utilizan portadoras con la misma fase (dentro de un margen de error de 100 milirradianes ), en lugar de portadoras en cuadratura como con L5. [37] Los códigos PRN tienen una longitud de 10.230 chips y se transmiten a 1,023 Mchip/s, repitiéndose así en 10 ms. El componente piloto también está modulado por un código de superposición llamado L1C O (un código secundario que tiene una tasa menor que el código de medición de distancia y también está predefinido, como el código de medición de distancia). [36] De la potencia total de la señal L1C, el 25% se asigna a los datos y el 75% al piloto. La técnica de modulación utilizada es BOC (1,1) para la señal de datos y TMBOC para el piloto. La portadora binaria de desplazamiento multiplexada en el tiempo (TMBOC) es BOC(1,1) para todos excepto 4 de los 33 ciclos, cuando cambia a BOC(6,1).
El estado actual de la señal L1C al 3 de julio de 2023 [21] es:
Los códigos de alcance de datos y piloto L1C se basan en una secuencia Legendre con longitud10 223 se utiliza para construir un código intermedio (llamado código Weil ) que se expande con una secuencia fija de 7 bits hasta los 10 230 bits requeridos. Esta secuencia de 10 230 bits es el código de medición de distancia y varía entre los números PRN y entre los componentes piloto y de datos. Los códigos de medición de distancia se describen mediante: [38]
dónde:
De acuerdo con la fórmula anterior y el GPS IS, los primeros bits (equivalentemente, hasta el punto de inserción de ) de y son los primeros bits del código Weil correspondiente; los siguientes 7 bits son ; los bits restantes son los bits restantes del código Weil.
El IS afirma que . [40] Para mayor claridad, la fórmula para no tiene en cuenta el caso hipotético en el que , lo que haría que la instancia de insertado en pasara del índice10 229 a 0.
Los códigos de superposición tienen una longitud de 1.800 bits y se transmiten a 100 bit/s, sincronizados con el mensaje de navegación codificado en L1C D.
Para los números PRN 1 a 63 son las salidas truncadas de los LFSR de período máximo que varían en las condiciones iniciales y los polinomios de retroalimentación. [41]
Para los números PRN 64 a 210 son códigos Gold truncados generados mediante la combinación de 2 salidas LFSR ( y , donde es el número PRN) cuyo estado inicial varía. tiene uno de los 4 polinomios de retroalimentación utilizados en general (entre los números PRN 64-210). tiene el mismo polinomio de retroalimentación para todos los números PRN en el rango 64-210. [42]
Los datos de navegación L1C (llamados CNAV-2) se transmiten en tramas de 1.800 bits de longitud (incluido FEC) y se transmiten a 100 bit/s.
Los marcos de L1C son análogos a los mensajes de L2C y L5. Si bien L2 CNAV y L5 CNAV utilizan un tipo de mensaje dedicado para los datos de efemérides, todos los marcos CNAV-2 incluyen esa información.
La estructura común de todos los mensajes consta de 3 tramas, como se indica en la tabla adjunta. El contenido de la subtrama 3 varía según su número de página, que es análogo al número de tipo de los mensajes CNAV L2 y L5. Las páginas se transmiten en un orden arbitrario. [43]
La hora de los mensajes (que no debe confundirse con los parámetros de corrección del reloj) se expresa en un formato diferente al de las señales civiles anteriores. En su lugar, consta de tres componentes:
TOI es el único contenido del submarco 1. El número de semana y el ITOW están contenidos en el submarco 2 junto con otra información.
La subtrama 1 se codifica mediante un código BCH modificado . Específicamente, los 8 bits menos significativos se codifican mediante BCH para generar 51 bits, luego se combinan utilizando exclusivo o con el bit más significativo y finalmente el bit más significativo se agrega como el bit más significativo del resultado anterior para obtener los 52 bits finales. [44] Las subtramas 2 y 3 se expanden individualmente con un CRC de 24 bits , luego se codifican individualmente utilizando un código de verificación de paridad de baja densidad y luego se entrelazan como una sola unidad utilizando un entrelazador de bloques. [45]
Todos los satélites transmiten en las mismas dos frecuencias, 1,57542 GHz (señal L1) y 1,2276 GHz (señal L2). La red de satélites utiliza una técnica de espectro ensanchado CDMA donde los datos de mensajes de baja tasa de bits se codifican con una secuencia de ruido pseudoaleatorio (PRN) de alta tasa que es diferente para cada satélite. El receptor debe conocer los códigos PRN de cada satélite para reconstruir los datos reales del mensaje. El código C/A, para uso civil, transmite datos a 1,023 millones de chips por segundo, mientras que el código P, para uso militar de EE. UU., transmite a 10,23 millones de chips por segundo. La portadora L1 está modulada por los códigos C/A y P, mientras que la portadora L2 solo está modulada por el código P. [47] El código P se puede cifrar como un llamado código P(Y) que solo está disponible para equipos militares con una clave de descifrado adecuada. Tanto el código C/A como el P(Y) transmiten la hora precisa del día al usuario.
Cada señal compuesta (en fase y en cuadratura) se convierte en:
donde y representan potencias de señal; y representan códigos con/sin datos . Esta es una fórmula para el caso ideal (que no se logra en la práctica) ya que no modela errores de sincronización, ruido, desajuste de amplitud entre componentes o error de cuadratura (cuando los componentes no están exactamente en cuadratura).
Un receptor GPS procesa las señales GPS recibidas en su antena para determinar la posición, la velocidad y/o la sincronización. La señal en la antena se amplifica, se convierte a frecuencia intermedia o de banda base, se filtra (para eliminar frecuencias fuera del rango de frecuencias previsto para la señal digital que se solaparían con ella) y se digitaliza; estos pasos pueden encadenarse en un orden diferente. Tenga en cuenta que el solapamiento a veces es intencional (específicamente, cuando se utiliza submuestreo ), pero aún se requiere el filtrado para descartar frecuencias que no se pretende que estén presentes en la representación digital.
Para cada satélite utilizado por el receptor, este primero debe adquirir la señal y luego rastrearla mientras el satélite esté en uso; ambas cosas se realizan en el dominio digital en la gran mayoría de los receptores (si no en todos).
La adquisición de una señal es el proceso de determinar la frecuencia y la fase del código (ambas relativas al tiempo del receptor) cuando antes no se conocían. La fase del código debe determinarse con una precisión que depende del diseño del receptor (especialmente del bucle de seguimiento); 0,5 veces la duración de los chips de código (aproximadamente 0,489 μs) es un valor representativo.
El seguimiento es el proceso de ajustar continuamente la frecuencia y la fase estimadas para que coincidan lo más posible con la señal recibida y, por lo tanto, es un bucle de bloqueo de fase . Tenga en cuenta que la adquisición se realiza para comenzar a utilizar un satélite en particular, pero el seguimiento se realiza mientras ese satélite esté en uso.
En esta sección se describe un posible procedimiento para la adquisición y el seguimiento de L1 C/A, pero el proceso es muy similar para las otras señales. El procedimiento descrito se basa en calcular la correlación de la señal recibida con una réplica generada localmente del código de medición de distancia y detectar el pico más alto o el valle más bajo. El desplazamiento del pico más alto o el valle más bajo contiene información sobre la fase del código en relación con el tiempo del receptor. La duración de la réplica local está determinada por el diseño del receptor y normalmente es más corta que la duración de los bits de datos de navegación, que es de 20 ms.
La adquisición de un número PRN determinado puede conceptualizarse como la búsqueda de una señal en un espacio de búsqueda bidimensional donde las dimensiones son (1) fase del código, (2) frecuencia. Además, un receptor puede no saber qué número PRN buscar y, en ese caso, se agrega una tercera dimensión al espacio de búsqueda: (3) número PRN.
Si la información del almanaque ya se ha adquirido, el receptor selecciona los satélites que debe escuchar por sus PRN. Si la información del almanaque no está en la memoria, el receptor entra en un modo de búsqueda y recorre los números PRN hasta que obtiene una señal en uno de los satélites. Para obtener una señal, es necesario que haya una línea de visión sin obstáculos entre el receptor y el satélite. El receptor puede entonces decodificar el almanaque y determinar los satélites que debe escuchar. A medida que detecta la señal de cada satélite, lo identifica por su patrón de código C/A distintivo.
La forma más sencilla de adquirir la señal (no necesariamente la más efectiva o la menos costosa computacionalmente) es calcular el producto escalar de una ventana de la señal digitalizada con un conjunto de réplicas generadas localmente. Las réplicas generadas localmente varían en frecuencia portadora y fase de código para cubrir todo el espacio de búsqueda ya mencionado, que es el producto cartesiano del espacio de búsqueda de frecuencia y el espacio de búsqueda de fase de código. La portadora es un número complejo donde los componentes reales e imaginarios son sinusoides como se describe en la fórmula de Euler . La réplica que genera la mayor magnitud de producto escalar es probablemente la que mejor coincide con la fase de código y la frecuencia de la señal; por lo tanto, si esa magnitud está por encima de un umbral, el receptor procede a rastrear la señal o refinar aún más los parámetros estimados antes de rastrear. El umbral se utiliza para minimizar los falsos positivos (aparentemente detectar una señal cuando de hecho no hay señal), pero algunos aún pueden ocurrir ocasionalmente.
El uso de una portadora compleja permite que las réplicas coincidan con la señal digitalizada independientemente de la fase de la portadora de la señal y detecten dicha fase (el principio es el mismo que utiliza la transformada de Fourier ). El producto escalar es un número complejo; su magnitud representa el nivel de similitud entre la réplica y la señal, como en una correlación ordinaria de series temporales de valores reales. El argumento del producto escalar es una aproximación de la portadora correspondiente en la señal digitalizada.
Como ejemplo, supongamos que la granularidad para la búsqueda en fase de código es de 0,5 chips y en frecuencia es de 500 Hz, entonces hay 1023/0,5 = 2046 fases de código y 10 000 Hz/500 Hz = 20 frecuencias para probar para un total de 20×2046 = 40 920 réplicas locales . Tenga en cuenta que cada bin de frecuencia está centrado en su intervalo y, por lo tanto, cubre 250 Hz en cada dirección; por ejemplo, el primer bin tiene una portadora en −4,750 Hz y cubre el intervalo de −5000 Hz a −4500 Hz. Las fases de código son equivalentes módulo 1023 porque el código de medición de distancia es periódico; por ejemplo, la fase −0,5 es equivalente a la fase 1022,5.
La siguiente tabla muestra las réplicas locales que se compararían con la señal digitalizada en este ejemplo. "•" significa una única réplica local, mientras que "..." se utiliza para réplicas locales elididas:
Como mejora con respecto al método de correlación simple, es posible implementar el cálculo de productos escalares de manera más eficiente con una transformada de Fourier . En lugar de realizar un producto escalar para cada elemento en el producto cartesiano de código y frecuencia, se realiza una única operación que involucra FFT y cubre todas las frecuencias para cada fase de código; cada una de estas operaciones es más costosa computacionalmente, pero aún puede ser más rápida en general que el método anterior debido a la eficiencia de los algoritmos FFT, y recupera la frecuencia portadora con una mayor precisión, porque los contenedores de frecuencia están mucho más espaciados en una DFT .
Específicamente, para todas las fases de código en el espacio de búsqueda, la ventana de señal digitalizada se multiplica elemento por elemento con una réplica local del código (sin portadora) y luego se procesa con una transformada de Fourier discreta .
Dado el ejemplo anterior que se va a procesar con este método, supongamos que los datos son de valor real (a diferencia de los datos complejos, que tendrían componentes en fase y en cuadratura), una frecuencia de muestreo de 5 MHz, una ventana de señal de 10 ms y una frecuencia intermedia de 2,5 MHz. Habrá 5 MHz × 10 ms = 50 000 muestras en la señal digital y, por lo tanto, 25 001 componentes de frecuencia que van de 0 Hz a 2,5 MHz en pasos de 100 Hz (tenga en cuenta que el componente de 0 Hz es real porque es el promedio de una señal de valor real y el componente de 2,5 MHz también es real porque es la frecuencia crítica ). Solo se examinan los componentes (o contenedores) dentro de los 5 kHz de la frecuencia central, que es el rango de 2,495 MHz a 2,505 MHz, y está cubierto por 51 componentes de frecuencia . Hay 2.046 fases de código como en el caso anterior, por lo que en total se examinarán 51×2.046 = 104.346 componentes de frecuencia complejos .
Asimismo, como una mejora con respecto al método de correlación simple, es posible realizar una única operación que cubra todas las fases de código para cada intervalo de frecuencia. La operación realizada para cada intervalo de fase de código implica FFT directa, multiplicación elemento por elemento en el dominio de frecuencia, FFT inversa y procesamiento adicional, de modo que, en general, calcula una correlación circular en lugar de una convolución circular. Esto produce una determinación de fase de código más precisa que el método de correlación simple en contraste con el método anterior, que produce una determinación de frecuencia portadora más precisa que el método anterior.
Since the carrier frequency received can vary due to Doppler shift, the points where received PRN sequences begin may not differ from O by an exact integral number of milliseconds. Because of this, carrier frequency tracking along with PRN code tracking are used to determine when the received satellite's PRN code begins.[48] Unlike the earlier computation of offset in which trials of all 1,023 offsets could potentially be required, the tracking to maintain lock usually requires shifting of half a pulse width or less. To perform this tracking, the receiver observes two quantities, phase error and received frequency offset. The correlation of the received PRN code with respect to the receiver generated PRN code is computed to determine if the bits of the two signals are misaligned. Comparisons of the received PRN code with receiver generated PRN code shifted half a pulse width early and half a pulse width late are used to estimate adjustment required.[49] The amount of adjustment required for maximum correlation is used in estimating phase error. Received frequency offset from the frequency generated by the receiver provides an estimate of phase rate error. The command for the frequency generator and any further PRN code shifting required are computed as a function of the phase error and the phase rate error in accordance with the control law used. The Doppler velocity is computed as a function of the frequency offset from the carrier nominal frequency. The Doppler velocity is the velocity component along the line of sight of the receiver relative to the satellite.
As the receiver continues to read successive PRN sequences, it will encounter a sudden change in the phase of the 1,023-bit received PRN signal. This indicates the beginning of a data bit of the navigation message.[50] This enables the receiver to begin reading the 20 millisecond bits of the navigation message. The TLM word at the beginning of each subframe of a navigation frame enables the receiver to detect the beginning of a subframe and determine the receiver clock time at which the navigation subframe begins. The HOW word then enables the receiver to determine which specific subframe is being transmitted.[11][12] There can be a delay of up to 30 seconds before the first estimate of position because of the need to read the ephemeris data before computing the intersections of sphere surfaces.
After a subframe has been read and interpreted, the time the next subframe was sent can be calculated through the use of the clock correction data and the HOW. The receiver knows the receiver clock time of when the beginning of the next subframe was received from detection of the Telemetry Word thereby enabling computation of the transit time and thus the pseudorange. The receiver is potentially capable of getting a new pseudorange measurement at the beginning of each subframe or every 6 seconds.
Then the orbital position data, or ephemeris, from the navigation message is used to calculate precisely where the satellite was at the start of the message. A more sensitive receiver will potentially acquire the ephemeris data more quickly than a less sensitive receiver, especially in a noisy environment.[51]
GPS Interface Specification
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