Un sistema de navegación por satélite o satnav es un sistema que utiliza satélites para proporcionar geoposicionamiento autónomo . Un sistema de navegación por satélite con cobertura global se denomina sistema global de navegación por satélite ( GNSS ). A partir de 2024 [actualizar], cuatro sistemas globales están operativos: el Sistema de Posicionamiento Global (GPS) de los Estados Unidos , el Sistema Global de Navegación por Satélite ( GLONASS ) de Rusia , el Sistema de Navegación por Satélite BeiDou (BDS) de China , [1] y el Galileo de la Unión Europea . [2]
Los sistemas de aumento basados en satélites (SBAS), diseñados para mejorar la precisión del GNSS, [3] incluyen el sistema satelital Quasi-Zenith (QZSS) de Japón, [3] el GAGAN de la Indiay el EGNOS europeo , todos ellos basados en GPS. Las iteraciones anteriores del sistema de navegación BeiDou y el actual Sistema de navegación por satélite regional indio (IRNSS), conocido operativamente como NavIC, son ejemplos de sistemas de navegación por satélite regionales ( RNSS ) operativos independientes. [4]
Los dispositivos de navegación por satélite determinan su ubicación ( longitud , latitud y altitud / elevación ) con gran precisión (entre unos pocos centímetros y metros) utilizando señales horarias transmitidas por radio a lo largo de una línea de visión desde los satélites. El sistema se puede utilizar para proporcionar posición, navegación o para rastrear la posición de algo equipado con un receptor (rastreo por satélite). Las señales también permiten que el receptor electrónico calcule la hora local actual con gran precisión, lo que permite la sincronización horaria. Estos usos se conocen colectivamente como posicionamiento, navegación y cronometraje (PNT). Los sistemas de navegación por satélite funcionan independientemente de cualquier recepción telefónica o de Internet, aunque estas tecnologías pueden mejorar la utilidad de la información de posicionamiento generada.
La cobertura global de cada sistema se logra generalmente mediante una constelación de satélites de 18 a 30 satélites de órbita terrestre media (MEO) distribuidos en varios planos orbitales . Los sistemas reales varían, pero todos utilizan inclinaciones orbitales de >50° y períodos orbitales de aproximadamente doce horas (a una altitud de unos 20.000 kilómetros o 12.000 millas).
Los sistemas GNSS que proporcionan una mayor precisión y control de la integridad que pueden utilizarse para la navegación civil se clasifican de la siguiente manera: [5]
Según su función en el sistema de navegación, los sistemas se pueden clasificar en:
Como muchos de los sistemas GNSS globales (y sistemas de ampliación) utilizan frecuencias y señales similares en torno a L1, se han producido muchos receptores "Multi-GNSS" capaces de utilizar múltiples sistemas. Si bien algunos sistemas intentan interoperar con GPS lo mejor posible proporcionando el mismo reloj, otros no lo hacen. [8]
La navegación por radio terrestre tiene décadas de antigüedad. Los sistemas DECCA , LORAN , GEE y Omega utilizaban transmisores de radio terrestres de onda larga que transmitían un pulso de radio desde una ubicación "principal" conocida, seguido de un pulso repetido desde una serie de estaciones "esclavas". El retraso entre la recepción de la señal principal y las señales esclavas permitía al receptor deducir la distancia a cada una de las esclavas, proporcionando una solución .
El primer sistema de navegación por satélite fue el Transit , un sistema implementado por el ejército estadounidense en la década de 1960. El funcionamiento del Transit se basaba en el efecto Doppler : los satélites viajaban por trayectorias bien conocidas y transmitían sus señales en una frecuencia de radio conocida . La frecuencia recibida difería ligeramente de la frecuencia de transmisión debido al movimiento del satélite con respecto al receptor. Al monitorear este cambio de frecuencia durante un breve intervalo de tiempo, el receptor puede determinar su ubicación a un lado u otro del satélite, y varias de estas mediciones combinadas con un conocimiento preciso de la órbita del satélite pueden fijar una posición particular. Los errores de posición orbital del satélite son causados por la refracción de las ondas de radio , los cambios en el campo gravitatorio (ya que el campo gravitatorio de la Tierra no es uniforme) y otros fenómenos. Un equipo, dirigido por Harold L. Jury de la División Aeroespacial de Pan Am en Florida de 1970 a 1973, encontró soluciones y/o correcciones para muchas fuentes de error. [ cita requerida ] Utilizando datos en tiempo real y estimación recursiva, los errores sistemáticos y residuales se redujeron a una precisión suficiente para la navegación. [9]
Parte de la transmisión de un satélite en órbita incluye sus datos orbitales precisos. Originalmente, el Observatorio Naval de los Estados Unidos (USNO) observaba continuamente las órbitas precisas de estos satélites. A medida que la órbita de un satélite se desviaba, el USNO enviaba la información actualizada al satélite. Las transmisiones posteriores de un satélite actualizado contendrían sus efemérides más recientes .
Los sistemas modernos son más directos. El satélite transmite una señal que contiene datos orbitales (a partir de los cuales se puede calcular la posición del satélite) y la hora exacta en que se transmitió la señal. Los datos orbitales incluyen un almanaque aproximado de todos los satélites para ayudar a encontrarlos, y una efemérides precisa para este satélite. La efemérides orbital se transmite en un mensaje de datos que se superpone a un código que sirve como referencia de tiempo. El satélite utiliza un reloj atómico para mantener la sincronización de todos los satélites de la constelación. El receptor compara la hora de transmisión codificada en la transmisión de tres (a nivel del mar) o cuatro (lo que permite también un cálculo de altitud) satélites diferentes, midiendo el tiempo de vuelo de cada satélite. Se pueden realizar varias mediciones de este tipo al mismo tiempo para diferentes satélites, lo que permite generar una corrección continua en tiempo real utilizando una versión adaptada de trilateración : consulte el cálculo de posicionamiento GNSS para obtener más detalles.
Cada medición de distancia, independientemente del sistema que se utilice, coloca al receptor en una carcasa esférica a la distancia medida desde la emisora. Al tomar varias mediciones de este tipo y luego buscar un punto en el que se encuentren, se genera una posición fija. Sin embargo, en el caso de receptores que se mueven rápidamente, la posición de la señal se mueve a medida que se reciben señales de varios satélites. Además, las señales de radio se ralentizan ligeramente a medida que pasan por la ionosfera, y esta ralentización varía con el ángulo del receptor respecto del satélite, porque eso cambia la distancia a través de la ionosfera. El cálculo básico intenta, por tanto, encontrar la línea dirigida más corta tangente a cuatro carcasas esféricas achatadas centradas en cuatro satélites. Los receptores de navegación por satélite reducen los errores utilizando combinaciones de señales de múltiples satélites y múltiples correladores, y luego utilizando técnicas como el filtrado de Kalman para combinar los datos ruidosos, parciales y en constante cambio en una única estimación de posición, tiempo y velocidad.
La teoría de la relatividad general de Einstein se aplica a la corrección del tiempo GPS; el resultado neto es que el tiempo en un reloj satelital GPS avanza más rápido que un reloj en la Tierra en aproximadamente 38 microsegundos por día. [10]
La navegación por satélite se originó para aplicaciones militares. La navegación por satélite permite la precisión en la entrega de armas a los objetivos, lo que aumenta enormemente su letalidad y reduce las bajas accidentales causadas por armas mal dirigidas (véase Bomba guiada ). La navegación por satélite también permite dirigir a las fuerzas y localizarlas más fácilmente, lo que reduce la niebla de la guerra .
En la actualidad, se utiliza un sistema global de navegación por satélite, como Galileo , para determinar la ubicación de los usuarios y la de otras personas u objetos en un momento determinado. El abanico de aplicaciones de la navegación por satélite en el futuro es enorme e incluye tanto al sector público como al privado en numerosos segmentos del mercado, como la ciencia, el transporte, la agricultura, los seguros, la energía, etc. [11] [12]
La capacidad de suministrar señales de navegación por satélite es también la capacidad de denegar su disponibilidad. El operador de un sistema de navegación por satélite tiene potencialmente la capacidad de degradar o eliminar los servicios de navegación por satélite en cualquier territorio que desee.
En orden de primer año de lanzamiento:
Año del primer lanzamiento: 1978
El Sistema de Posicionamiento Global (GPS) de los Estados Unidos consta de hasta 32 satélites de órbita terrestre media en seis planos orbitales diferentes . El número exacto de satélites varía a medida que se retiran y reemplazan los satélites más antiguos. El GPS, que está en funcionamiento desde 1978 y está disponible a nivel mundial desde 1994, es el sistema de navegación por satélite más utilizado del mundo.
Año del primer lanzamiento: 1982
El sistema de navegación por satélite global (GLONASS) , anteriormente soviético y ahora ruso , es un sistema de navegación por satélite basado en el espacio que proporciona un servicio de radionavegación por satélite civil y también lo utilizan las Fuerzas de Defensa Aeroespacial de Rusia. GLONASS tiene cobertura mundial completa desde 1995 y cuenta con 24 satélites activos.
Año del primer lanzamiento: 2000
BeiDou comenzó como el ahora desmantelado Beidou-1, una red local de Asia y el Pacífico en las órbitas geoestacionarias. La segunda generación del sistema BeiDou-2 entró en funcionamiento en China en diciembre de 2011. [13] Se propone que el sistema BeiDou-3 consista en 30 satélites MEO y cinco satélites geoestacionarios (IGSO). Una versión regional de 16 satélites (que cubre el área de Asia y el Pacífico) se completó en diciembre de 2012. El servicio global se completó en diciembre de 2018. [14] El 23 de junio de 2020, el despliegue de la constelación BDS-3 se completó por completo después de que el último satélite se lanzara con éxito en el Centro de Lanzamiento de Satélites de Xichang . [15]
Año del primer lanzamiento: 2011
En marzo de 2002, la Unión Europea y la Agencia Espacial Europea acordaron introducir su propia alternativa al GPS, denominada sistema de posicionamiento Galileo . Galileo entró en funcionamiento el 15 de diciembre de 2016 (Capacidad Operacional Temprana global, EOC). [16] Con un coste estimado de 10 000 millones de euros, [17] el sistema de 30 satélites MEO estaba previsto originalmente para entrar en funcionamiento en 2010. El año original de puesta en funcionamiento fue 2014. [18] El primer satélite experimental se lanzó el 28 de diciembre de 2005. [19] Se espera que Galileo sea compatible con el sistema GPS modernizado . Los receptores podrán combinar las señales de los satélites Galileo y GPS para aumentar considerablemente la precisión. La constelación completa de Galileo consta de 24 satélites activos, [20] el último de los cuales se lanzó en diciembre de 2021. [21] [22] La modulación principal utilizada en la señal del servicio abierto Galileo es la modulación de portadora desplazada binaria compuesta (CBOC).
El NavIC (acrónimo de Navigation with Indian Constellation ) es un sistema autónomo de navegación por satélite regional desarrollado por la Organización de Investigación Espacial de la India (ISRO). El gobierno indio aprobó el proyecto en mayo de 2006. Consiste en una constelación de 7 satélites de navegación. [23] Tres de los satélites están colocados en órbita geoestacionaria (GEO) y los 4 restantes en órbita geosincrónica (GSO) para tener una mayor huella de señal y un menor número de satélites para mapear la región. Su objetivo es proporcionar una precisión de posición absoluta en todo tipo de condiciones meteorológicas de más de 7,6 metros (25 pies) en toda la India y dentro de una región que se extiende aproximadamente 1.500 km (930 mi) a su alrededor. [24] Un Área de Servicio Extendida se encuentra entre el área de servicio principal y un área rectangular encerrada por el paralelo 30 sur hasta el paralelo 50 norte y el meridiano 30 este hasta el meridiano 130 este , 1.500–6.000 km más allá de las fronteras. [25] Se ha establecido un objetivo de control indio completo, con el segmento espacial , el segmento terrestre y los receptores de usuario todos construidos en India. [26]
La constelación se encontraba en órbita en 2018 y el sistema estuvo disponible para uso público a principios de 2018. [27] NavIC ofrece dos niveles de servicio: el "servicio de posicionamiento estándar", que estará abierto para uso civil, y un "servicio restringido" (encriptado ) para usuarios autorizados (incluidos los militares). Hay planes para expandir el sistema NavIC aumentando el tamaño de la constelación de 7 a 11. [28]
La India tiene previsto convertir el NavIC en un sistema global añadiendo 24 satélites MEO más . El NavIC global será de uso gratuito para el público mundial. [29]
Las dos primeras generaciones del sistema de navegación BeiDou de China fueron diseñadas para proporcionar cobertura regional.
La ampliación GNSS es un método para mejorar los atributos de un sistema de navegación, como la precisión, la confiabilidad y la disponibilidad, a través de la integración de información externa en el proceso de cálculo, por ejemplo, el Sistema de aumento de área amplia , el Servicio de superposición de navegación geoestacionaria europeo , el Sistema de aumento de satélites multifuncional , el GPS diferencial , la navegación aumentada GEO asistida por GPS (GAGAN) y los sistemas de navegación inercial .
El sistema de satélites Quasi-Zenith (QZSS) es un sistema de transferencia de tiempo regional de cuatro satélites y una mejora para el GPS que cubre Japón y las regiones de Asia y Oceanía . Los servicios QZSS estuvieron disponibles a modo de prueba a partir del 12 de enero de 2018 y comenzaron a funcionar en noviembre de 2018. El primer satélite se lanzó en septiembre de 2010. [30] Se planea un sistema de navegación por satélite independiente (del GPS) con 7 satélites para 2023. [31]
El Sistema Europeo de Navegación por Superposición Geoestacionaria (EGNOS) es un sistema de ampliación basado en satélites (SBAS) desarrollado por la Agencia Espacial Europea y EUROCONTROL en nombre de la Comisión Europea . Actualmente, complementa al GPS informando sobre la fiabilidad y precisión de sus datos de posicionamiento y enviando correcciones. El sistema complementará a Galileo en la futura versión 3.0.
EGNOS consta de 40 estaciones de control de integridad de la distancia, 2 centros de control de misión, 6 estaciones terrestres de navegación, la red de área amplia EGNOS (EWAN) y 3 satélites geoestacionarios . [32] Las estaciones terrestres determinan la precisión de los datos de los sistemas de navegación por satélite y los transfieren a los satélites geoestacionarios; los usuarios pueden obtener libremente estos datos de esos satélites utilizando un receptor habilitado para EGNOS o a través de Internet. Uno de los principales usos del sistema es la aviación .
Según las especificaciones, la precisión de la posición horizontal al utilizar las correcciones proporcionadas por EGNOS debería ser superior a siete metros. En la práctica, la precisión de la posición horizontal es del orden de los metros.
Un servicio similar lo proporciona en América del Norte el Sistema de Aumento de Área Amplia (WAAS), en Rusia el Sistema de Correcciones Diferenciales y Monitoreo (SDCM), y en Asia el Sistema de Aumento Satelital Multifuncional (MSAS) de Japón y la navegación aumentada GEO asistida por GPS (GAGAN) de la India .
Galileo y EGNOS recibieron un presupuesto de 14.600 millones de euros para su período de investigación y desarrollo de seis años (2021-2027). [33]El uso de múltiples sistemas GNSS para el posicionamiento del usuario aumenta el número de satélites visibles, mejora el posicionamiento preciso de puntos (PPP) y acorta el tiempo promedio de convergencia. [42] El error de medición de la señal en el espacio (SISRE) en noviembre de 2019 fue de 1,6 cm para Galileo, 2,3 cm para GPS, 5,2 cm para GLONASS y 5,5 cm para BeiDou cuando se utilizan correcciones en tiempo real para órbitas y relojes de satélite. [43] Los SISRE promedio de los satélites BDS-3 MEO, IGSO y GEO fueron 0,52 m, 0,90 m y 1,15 m, respectivamente. En comparación con los cuatro principales sistemas de navegación por satélite globales que consisten en satélites MEO, el SISRE de los satélites BDS-3 MEO fue ligeramente inferior a los 0,4 m de Galileo, ligeramente superior a los 0,59 m de GPS y notablemente superior a los 2,33 m de GLONASS. El SISRE del BDS-3 IGSO fue de 0,90 m, similar al de los 0,92 m del QZSS IGSO. Sin embargo, como los satélites GEO del BDS-3 se habían lanzado recientemente y no funcionaban completamente en órbita, su SISRE promedio fue ligeramente peor que los 0,91 m de los satélites GEO del QZSS. [3]
El sistema de navegación de precisión francés DORIS (Doppler Orbitography and Radio-positioning Integrated by Satellite) se basa en estaciones emisoras estáticas en todo el mundo, cuyos receptores se encuentran en satélites, para determinar con precisión su posición orbital. El sistema también se puede utilizar en receptores móviles en tierra con un uso y una cobertura más limitados. Utilizado con sistemas GNSS tradicionales, lleva la precisión de las posiciones a una precisión centimétrica (y a una precisión milimétrica para aplicaciones altimétricas y también permite monitorear cambios estacionales muy pequeños en la rotación y deformaciones de la Tierra), para construir un sistema de referencia geodésica mucho más preciso. [44]
Las dos redes de telefonía satelital de órbita terrestre baja (LEO) operativas actuales pueden rastrear unidades transceptoras con una precisión de unos pocos kilómetros utilizando cálculos de desplazamiento Doppler desde el satélite. Las coordenadas se envían de vuelta a la unidad transceptora, donde se pueden leer utilizando comandos AT o una interfaz gráfica de usuario . [45] [46] Esto también puede ser utilizado por la puerta de enlace para aplicar restricciones a los planes de llamadas geográficamente limitados.
La Unión Internacional de Telecomunicaciones (UIT) define el servicio de radionavegación por satélite ( RNSS ) como "un servicio de radiodeterminación por satélite utilizado para fines de radionavegación . Este servicio también puede incluir enlaces de conexión necesarios para su funcionamiento". [47]
El RNSS se considera un servicio de seguridad de la vida y una parte esencial de la navegación que debe protegerse de interferencias .
La radionavegación aeronáutica por satélite ( ARNSS ) se define, según el artículo 1.47 del Reglamento de Radiocomunicaciones (RR) de la Unión Internacional de Telecomunicaciones (UIT ) [48] , como « un servicio de radionavegación en el que hay estaciones terrenas situadas a bordo de aeronaves ».
El servicio de radionavegación marítima por satélite ( MRNSS ) se define, según el artículo 1.45 del Reglamento de Radiocomunicaciones (RR) de la Unión Internacional de Telecomunicaciones (UIT ) [49] , como « un servicio de radionavegación por satélite en el que las estaciones terrenas están situadas a bordo de los buques ».
El Reglamento de Radiocomunicaciones de la UIT (artículo 1) clasifica los servicios de radiocomunicaciones en:
La asignación de frecuencias radioeléctricas se realiza de conformidad con el Artículo 5 del Reglamento de Radiocomunicaciones de la UIT (edición 2012). [50]
Para mejorar la armonización en la utilización del espectro, la mayoría de las asignaciones de servicios se incorporan en los Cuadros nacionales de asignación y utilización de frecuencias, que son responsabilidad de la administración nacional correspondiente. Las asignaciones son:
La ISRO/DOS trabajará para ampliar la cobertura de regional a global para garantizar la disponibilidad de la señal independiente NavIC en cualquier parte del mundo sin depender de otros GNSS y ayudar a la amplia utilización del sistema de navegación indio en todo el mundo.
