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, el tiempo y la velocidad utilizando esta información. La constelación de satélites GPS es operada por el 2.º Escuadrón de Operaciones Espaciales (2SOPS) de Space Delta 8 , Fuerza Espacial de Estados Unidos .
Las señales de GPS incluyen señales de alcance, 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 la trilateración para calcular la posición de cada satélite en órbita como también para proporcionar información sobre la hora y el estado de toda la constelación de satélites, llamada almanaque .
Hay cuatro especificaciones de señal GPS diseñadas para uso civil. Por orden de fecha de introducción, son: L1 C/A, L2C, L5 y L1C. [1] L1 C/A también se denomina señal heredada y la transmiten 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). Además, en enero de 2021 [update], ninguna de estas tres señales se considera todavía plenamente operativa para uso civil. Además de las cuatro señales antes mencionadas, existen señales restringidas con frecuencias y velocidades de chip publicadas , pero las señales utilizan codificación cifrada, lo que restringe su uso a partes autorizadas. Los civiles todavía pueden hacer un uso limitado de señales restringidas sin descifrarlas; Esto se denomina acceso sin código y semi-código y cuenta con soporte oficial. [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 la ICD.
Los satélites GPS (llamados vehículos espaciales en los documentos de especificación de la interfaz GPS) transmiten simultáneamente varios códigos de distancia y datos de navegación mediante codificación binaria por desplazamiento de fase (BPSK). Sólo se utiliza un número limitado de frecuencias centrales. Los satélites que utilizan la misma frecuencia se distinguen mediante el uso de códigos de distancia diferentes. En otras palabras, el GPS utiliza acceso múltiple por división de código . Los códigos de alcance 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 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 velocidad de medio 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 llamado número de vehículo espacial (SVN) que no cambia durante su vida útil. Además, todos los satélites en funcionamiento están numerados con un identificador de vehículo espacial (SV ID) y un número de ruido pseudoaleatorio (número PRN) que identifica de forma única los códigos de alcance que utiliza un satélite. Existe una correspondencia fija uno a uno entre los identificadores SV y los números PRN descritos en la especificación de la interfaz. [4] A diferencia de los SVN, el número SV ID/PRN de un satélite se puede cambiar (lo que resulta en un cambio en los códigos de alcance que utiliza). Es decir, no hay dos satélites activos que puedan compartir ningún 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 alcance: el código aproximado/adquisición (C/A), que está disponible gratuitamente para el público, y el código de precisión restringida (P), normalmente reservado para aplicaciones militares.
Los códigos C/A PRN 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. Están exclusivos con un mensaje de navegación de 50 bit/s y la fase de resultado modula la portadora como se describió anteriormente. Estos códigos sólo coinciden o se autocorrelacionan fuertemente cuando están casi exactamente alineados. 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 muy 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 con precisión dentro de un chip, por lo que los errores de medición son considerablemente menores que 293 m. [ ¿ Por cuanto? ]
Los códigos C/A se generan combinando (usando "exclusivo o") dos flujos de bits, cada uno generado por dos registros de desplazamiento de retroalimentación lineal (LFSR) de 10 etapas de período máximo diferentes. Se obtienen códigos diferentes retrasando selectivamente uno de esos flujos de bits. De este modo:
dónde:
Los argumentos de las funciones que contiene 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 inicio 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 inutilizar una o ambas señales 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 velocidad del chip del código P (10,23 Mchip/s) es diez veces mayor que la del código C/A, se repite sólo una vez por semana, lo que elimina la ambigüedad del rango. Se suponía 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 , producirían una corrección aproximada de tiempo y posición, y luego adquirirían el código P. para refinar la solución.
Mientras que los PRN C/A son únicos para cada satélite, cada satélite transmite un segmento diferente de una secuencia de código P maestra 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 del GPS fue el domingo 6 de enero de 1980 a las 00:00:00 UTC, pero el GPS no sigue el UTC exactamente porque el tiempo del GPS no incorpora segundos intercalares. Por lo tanto, la hora del GPS está adelantada a la UTC en un número entero (entero) de segundos.
El código P es público, por lo que para evitar que usuarios no autorizados lo utilicen o potencialmente interfieran con él mediante suplantación de identidad , se realiza una operación XOR con 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 anti-spoofing . 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 alcance 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 alcance C/A y P(Y) a 50 bit/s. El formato de mensaje de navegación descrito en esta sección se denomina datos LNAV (para navegación heredada ).
El mensaje de navegación transmite información de tres tipos:
Una efeméride es válida sólo durante cuatro horas, mientras que un almanaque es válido (con poca dilución de precisión) hasta dos semanas. [7] El receptor utiliza el almanaque para adquirir un conjunto de satélites según la hora y la ubicación almacenadas. A medida que el receptor adquiere cada satélite, las efemérides de cada satélite se decodifican 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 el tiempo GPS en incrementos de 6 segundos. La subtrama 1 contiene la fecha del 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. Los submarcos 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 fotograma comienza al inicio de la semana de GPS y posteriormente cada 30 segundos. Cada semana comienza con la transmisión de la página 1 del almanaque. [8]
Hay dos tipos de mensajes de navegación: LNAV-L lo utilizan los satélites con números PRN del 1 al 32 (llamados números PRN inferiores ) y LNAV-U lo utilizan los satélites con números PRN del 33 al 63 (llamados números PRN superiores ). [9] Los dos tipos utilizan formatos muy similares. Las subtramas 1 a 3 son iguales, [10] mientras que las subtramas 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. Lo siguiente es la palabra de transferencia (CÓMO) que proporciona la hora del GPS (como la hora en la 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 mediante un algoritmo basado en códigos Hamming, que tiene 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, la hora en que se envió la siguiente subtrama se puede calcular mediante el uso de los datos de corrección del reloj y el CÓMO. El receptor conoce la hora del reloj del receptor de cuándo 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 tanto, el pseudorango.
El tiempo GPS se expresa con una resolución de 1,5 segundos como número de semana y conteo de tiempo de la semana (TOW). [13] Su punto cero (semana 0, TOW 0) se define como 1980-01-06T00:00Z. El conteo TOW es un valor que va de 0 a 403.199 cuyo significado es el número de periodos de 1,5 segundos transcurridos desde el inicio 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/final de las semanas GPS puede diferir del día UTC correspondiente en un número entero (entero) de segundos.
En cada subtrama, cada palabra de traspaso (HOW) contiene los 17 bits más significativos del recuento TOW correspondientes al inicio de la siguiente subtrama. [14] Tenga en cuenta que los 2 bits menos significativos se pueden omitir de forma segura porque ocurre un HOW 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/final de la última semana GPS hasta el comienzo del siguiente cuadro en unidades de 6 segundos.
Cada cuadro contiene (en el subcuadro 1) los 10 bits menos significativos del número de semana GPS correspondiente. [15] Tenga en cuenta que cada cuadro está completamente dentro de una semana de GPS porque los cuadros de GPS no cruzan los límites de la semana de GPS. [16] Dado que el traspaso se produce cada 1.024 semanas GPS (aproximadamente cada 19,6 años; 1.024 es 2 10 ), un receptor que calcula las fechas del calendario actual necesita deducir los bits numéricos de la 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 recién 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 tiempo y posición) durante más de 1024 semanas (~19,6 años).
El almanaque consta de información aproximada sobre 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 subtramas 4 y 5) y cada satélite transmite el almanaque completo en 25 cuadros en total (lo que requiere 12,5 minutos). [17] El almanaque tiene varios propósitos. El primero es ayudar en la adquisición de satélites en el momento del encendido al permitir que el receptor genere una lista de satélites visibles en función de la posición y el tiempo almacenados, mientras que se necesita una efeméride de cada satélite para calcular las posiciones fijas utilizando ese satélite. En el hardware más antiguo, la falta de un almanaque en un nuevo receptor causaría grandes retrasos 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 la hora derivada del GPS (llamada hora GPS) con el estándar de hora internacional UTC . Finalmente, el almanaque permite que un receptor de frecuencia única corrija el error de retardo ionosférico utilizando un modelo ionosférico global. Las correcciones no son tan precisas como las de los sistemas de aumentación GNSS como WAAS o 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 menos frecuencia. El Segmento de Control garantiza que durante las operaciones normales se cargará un nuevo almanaque al menos cada 6 días.
Los satélites emiten una nueva efeméride cada dos horas. Las efemérides generalmente son válidas durante 4 horas, con disposiciones para actualizaciones cada 4 horas o más en condiciones no nominales. El tiempo necesario para adquirir las efemérides se está convirtiendo en un elemento importante del retraso para fijar la primera posición, porque a medida que el hardware del receptor se vuelve más capaz, el tiempo para fijar las señales del satélite se reduce; sin embargo, los datos de efemérides requieren de 18 a 36 segundos antes de recibirse, debido a la baja velocidad de transmisión de datos.
Para que los códigos de alcance y el mensaje de navegación viajen desde el satélite al receptor, deben modularse en una onda portadora . En el caso del diseño original del GPS, se utilizan dos frecuencias; uno a 1575,42 MHz (10,23 MHz × 154) llamado L1; y un segundo a 1227,60 MHz (10,23 MHz × 120), denominado L2.
El código C/A se transmite en la frecuencia L1 como una señal de 1,023 MHz utilizando una técnica de modulación de manipulación por desplazamiento bifásico ( 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 a 90 ° fuera de fase ).
Además de la redundancia y una mayor resistencia a las interferencias, un beneficio fundamental de tener dos frecuencias transmitidas desde un satélite es la capacidad de medir directamente y, por tanto, eliminar el error de retardo ionosférico de ese satélite. Sin dicha medición, 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 retraso 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 denomina receptor de doble frecuencia .
Habiendo alcanzado su plena capacidad operativa el 17 de julio de 1995 [20], el sistema GPS había completado sus objetivos de diseño originales. Sin embargo, los avances adicionales en tecnología y las nuevas demandas sobre el sistema existente llevaron al esfuerzo de "modernizar" el sistema GPS. Los anuncios del vicepresidente y de la Casa Blanca en 1998 anunciaron el inicio de estos cambios, y en 2000, el Congreso de Estados Unidos reafirmó el esfuerzo, denominado GPS III .
El proyecto implica 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 de 2013 y se ofrecieron incentivos a los contratistas si podían completarlo para 2011.
Las señales civiles GPS modernizadas tienen dos mejoras generales con respecto a sus contrapartes heredadas: una ayuda de adquisición sin datos y una codificación de corrección de errores directa (FEC) del mensaje NAV.
Una ayuda de adquisición sin datos es una señal adicional, denominada en algunos casos portadora piloto, transmitida junto con la señal de datos. Esta señal sin datos está diseñada para ser más fácil de adquirir que los datos codificados y, tras una adquisición exitosa, puede usarse 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 utilizar 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 (generalmente 50 bits por segundo), pequeñas interrupciones pueden tener impactos potencialmente grandes. Por lo tanto, la FEC en el mensaje NAV es una mejora significativa en la robustez general de la señal.
Uno de los primeros anuncios fue la adición de una nueva señal de uso civil, que se transmitirá en una frecuencia distinta de la frecuencia L1 utilizada para la señal aproximada/adquisición (C/A). Al final, esto se convirtió en la señal L2C, llamada así porque se transmite en la frecuencia L2. Debido a que requiere nuevo hardware a bordo del satélite, solo se transmite mediante el llamado Bloque IIR-M y satélites de diseño posterior. La señal L2C tiene la tarea de mejorar la precisión de la navegación, proporcionar una señal fácil de rastrear y actuar como señal redundante en caso de interferencia localizada. Las señales L2C se transmiten 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 esté en 24 satélites para 2023. [1]
A diferencia del código C/A, L2C contiene dos secuencias de códigos PRN distintas para proporcionar información de alcance; el código civil moderado (llamado CM) y el código civil largo (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 entre sí para formar una señal de 1.023.000 chips/s.
CM se modula con el mensaje de navegación CNAV (ver más abajo), mientras que CL no contiene ningún dato modulado y se denomina secuencia sin datos . La secuencia larga y sin datos proporciona una correlación aproximadamente 24 dB mayor (~250 veces más fuerte) que el código L1 C/A.
En comparación con la señal C/A, L2C tiene una recuperación de datos 2,7 dB mayor y un seguimiento de portadora 0,7 dB mayor, aunque su potencia de transmisión es 2,3 dB más débil.
El estado actual de la señal L2C al 9 de junio de 2021 [21] es:
Los códigos civiles moderados y civiles de largo alcance son generados por un LFSR modular que se restablece periódicamente a un estado inicial predeterminado. El período del CM y CL está determinado por esta puesta a cero 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. Los códigos de alcance vienen así dados 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 la parte más significativa. 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 SI se obtienen después10 229 ciclos para CM y después767 249 ciclos para LM (justo antes del reinicio en ambos casos).
Los datos CNAV son una versión mejorada del mensaje de navegación NAV original. Contiene 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 formado 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 marco determina su contenido de información. Los mensajes no siguen un cronograma fijo con respecto a qué tipos de mensajes se utilizarán, lo que permite cierta versatilidad al segmento de control. Sin embargo, para algunos tipos de mensajes existen límites inferiores sobre 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. Sólo 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 de CNAV:
Los mensajes CNAV comienzan y terminan al inicio/final de la semana GPS más un múltiplo entero de 12 segundos. [26] En concreto, el comienzo del primer bit (con codificación convolucional ya aplicada) para contener información sobre un mensaje coincide con la sincronización antes mencionada. Los mensajes CNAV comienzan con un preámbulo de 8 bits que es un patrón de bits fijo y cuyo propósito es permitir al receptor detectar el comienzo de un mensaje.
El código convolucional utilizado para codificar CNAV se describe mediante:
dónde:
Dado que el flujo de bits codificados con FEC se ejecuta a una velocidad 2 veces mayor que el bit no codificado con FEC como ya se describió, entonces . La codificación FEC se realiza independientemente de los límites de los mensajes de navegación; [27] esto se deduce 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 doble frecuencia. Sin embargo, los usuarios que utilizan la señal L2C sola 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. Llamado código militar o código M, fue diseñado para mejorar aún más el acceso seguro y antiinterferencias de las señales GPS militares.
Se ha publicado muy poco sobre este nuevo código restringido. Contiene un código PRN de longitud desconocida transmitido 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. Desde el diseño original del código P(Y), los usuarios primero tenían que bloquear el código C/A y luego transferir el bloqueo al código P(Y). Posteriormente, 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 lleva por nombre 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. Además, al igual que CNAV, puede utilizar la corrección de errores directa (FEC) y la detección de errores avanzada (como CRC ).
El código M se transmite en las mismas frecuencias L1 y L2 que ya utiliza 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 diseños de GPS anteriores, el código M está destinado a transmitirse desde una antena direccional de alta ganancia, además de una antena terrestre completa. La señal de esta antena direccional, llamada haz puntual, está destinada a apuntar 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 que son dos satélites GPS que ocupan la misma posición que los que están dentro del haz puntual. Si bien toda la señal de código M de 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 potencialmente transmitir cuatro canales de datos diferentes, ofreciendo un mayor ancho de banda de datos.
El método de modulación es portadora compensada binaria , utilizando una subportadora de 10,23 MHz contra el 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 frecuencias 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 transmiten a partir de abril de 2014 en los satélites que las admiten. [1]
El estado de la señal L5 al 3 de julio de 2023 [update] es: [30]
La banda L5 proporciona solidez adicional en forma de mitigación de interferencias, ya que la banda está protegida internacionalmente, redundancia con las bandas existentes, aumento de satélites geoestacionarios y aumento basado en tierra. La robustez añadida de esta banda también beneficia a las aplicaciones terrestres. [31]
Se transmiten dos códigos de alcance PRN en L5 en cuadratura: el código en fase (llamado código I5 ) y el código de fase en cuadratura (llamado código Q5 ). Ambos códigos tienen 10.230 chips de longitud, se transmiten a 10,23 Mchip/s (período de repetición de 1 ms) y se generan de forma idéntica (difiriéndose sólo en los estados iniciales). Luego, I5 se modula (por exclusivo-o) con datos de navegación (llamados 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 tiene una frecuencia de 1 kHz.
Comparado 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 parámetros diferentes. Estos códigos son la combinación (por exclusivo-o) de la salida de 2 registros de desplazamiento de retroalimentación lineal (LFSR) diferentes que se restablecen selectivamente.
dónde:
A y B son LFSR de longitud máxima. Las operaciones de módulo corresponden a reinicios. Tenga en cuenta que ambos se restablecen cada milisegundo (sincronizados con épocas de código C/A). Además, la operación de módulo extra en la descripción de A se debe a que se reinicia 1 ciclo antes de su período natural (que es 8,191) de modo que la siguiente repetición queda compensada en 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 CNAV L5 incluyen efemérides SV, hora del sistema, datos de comportamiento del reloj SV, mensajes de estado e información de hora, etc. Los datos de 50 bit/s se codifican en un codificador de convolución de velocidad 1/2. El flujo de símbolos resultante de 100 símbolos por segundo (sps) se agrega en módulo 2 únicamente al código I5; el tren de bits resultante se utiliza para modular la portadora L5 en fase (I5). Esta señal combinada se llama señal de datos L5. La portadora de fase en cuadratura L5 (Q5) 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 2 veces la velocidad de datos. Los campos de bits dentro de cada mensaje, [34] tipos de mensajes y el algoritmo de código de corrección de errores directos son los mismos que los de L2 CNAV. Los mensajes L5 CNAV comienzan y terminan al inicio/final 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 L2 CNAV). [35]
Emitido 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 la interferencia en L5 de manera más efectiva 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 de GPS. Las señales L1C se transmitirán desde GPS III y satélites posteriores, el primero de los cuales se lanzó en diciembre de 2018. [1] En 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 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 miliradianes ), en lugar de portadoras en cuadratura como con L5. [37] Los códigos PRN tienen 10.230 chips de longitud y se transmiten a 1,023 Mchip/s, por lo que se repiten en 10 ms. El componente piloto también está modulado por un código superpuesto llamado L1C O (un código secundario que tiene una velocidad más baja que el código de alcance y también está predefinido, como el código de alcance). [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 la piloto. La portadora de compensación binaria multiplexada en el tiempo (TMBOC) es BOC(1,1) para todos excepto 4 de 33 ciclos, cuando cambia a BOC(6,1).
El estado actual de la señal L1C al 10 de junio de 2021 [21] es:
Los códigos piloto L1C y de alcance de datos se basan en una secuencia de 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 alcance y varía entre los números PRN y entre los componentes piloto y de datos. Los códigos de alcance se describen mediante: [38]
dónde:
Según 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 EI lo afirma . [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 se ajuste desde el índice10 229 a 0.
Los códigos superpuestos 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 de PRN del 1 al 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 del 64 al 210, son códigos Gold truncados generados combinando 2 salidas LFSR ( y , donde está 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.
Las tramas de L1C son análogas a los mensajes de L2C y L5. Si bien L2 CNAV y L5 CNAV utilizan un tipo de mensaje dedicado para datos de efemérides, todas las tramas CNAV-2 incluyen esa información.
La estructura común de todos los mensajes consta de 3 tramas, como se indica en la tabla adyacente. El contenido de la subtrama 3 varía según su número de página, que es análogo al número de tipo de los mensajes L2 CNAV y L5 CNAV. 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 cambio, consta de 3 componentes:
TOI es el único contenido del subcuadro 1. El número de semana y el ITOW están contenidos en el subcuadro 2 junto con otra información.
La subtrama 1 está codificada por un código BCH modificado . Específicamente, los 8 bits menos significativos se codifican en BCH para generar 51 bits, luego se combinan usando 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 usando un código de verificación de paridad de baja densidad y luego se entrelazan como una sola unidad usando 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 satélite utiliza una técnica de espectro ensanchado CDMA en la que los datos de los mensajes de baja velocidad de bits se codifican con una secuencia de ruido pseudoaleatorio (PRN) de alta velocidad 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 estadounidense, 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 el llamado código P(Y), que sólo está disponible para equipos militares con una clave de descifrado adecuada. Tanto el código C/A como el P(Y) comunican la hora exacta del día al usuario.
Cada señal compuesta (en fase y en cuadratura) se convierte en:
donde y representan potencias de señal; y representar 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 el tiempo. La señal en la antena se amplifica, se convierte a banda base o frecuencia intermedia, se filtra (para eliminar frecuencias fuera del rango de frecuencia previsto para la señal digital que se utilizaría como alias en ella) y se digitaliza; Estos pasos pueden encadenarse en un orden diferente. Tenga en cuenta que el aliasing a veces es intencional (específicamente, cuando se utiliza submuestreo ), pero aún así se requiere filtrado para descartar frecuencias que no deben estar presentes en la representación digital.
Para cada satélite utilizado por el receptor, éste primero debe adquirir la señal y luego rastrearla mientras ese satélite esté en uso; Ambos se realizan en el dominio digital en la mayoría (si no en todos) de los receptores.
Adquirir una señal es el proceso de determinar la frecuencia y la fase del código (ambas relativas al tiempo del receptor) cuando antes se desconocía. La fase del código debe determinarse con una precisión que depende del diseño del receptor (especialmente el bucle de seguimiento); 0,5 veces la duración de los chips de código (aprox. 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 bloqueado en 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 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 del valle más bajo contiene información sobre la fase del código en relación con el tiempo del receptor. La duración de la réplica local la establece 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 se puede conceptualizar como la búsqueda de una señal en un espacio de búsqueda bidimensional donde las dimensiones son (1) fase de código, (2) frecuencia. Además, es posible que un receptor no sepa 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 se ha adquirido previamente, el receptor elige qué satélites escuchar mediante sus PRN. Si la información del almanaque no está en la memoria, el receptor ingresa al modo de búsqueda y recorre los números PRN hasta que se obtiene un bloqueo en uno de los satélites. Para obtener un bloqueo, es necesario que haya una línea de visión sin obstáculos desde el receptor hasta el satélite. Luego, el receptor puede decodificar el almanaque y determinar los satélites que debe escuchar. A medida que detecta la señal de cada satélite, la identifica por su patrón de código C/A distintivo.
La forma más sencilla de adquirir la señal (no necesariamente la más eficaz ni la menos costosa desde el punto de vista computacional) 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 de 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 real e imaginario son sinusoides , como lo describe la fórmula de Euler . La réplica que genera la mayor magnitud del producto escalar es probablemente la que mejor coincide con la fase del 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 refina aún más los parámetros estimados antes del seguimiento. El umbral se utiliza para minimizar los falsos positivos (aparentemente detectando una señal cuando en realidad 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 esa fase (el principio es el mismo utilizado por 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 ocurre con una correlación ordinaria de series de tiempo de valor real. 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 1.023/0,5 = 2.046 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 intervalo de frecuencia está centrado en su intervalo y, por lo tanto, cubre 250 Hz en cada dirección; por ejemplo, el primer contenedor tiene una portadora a −4,750 Hz y cubre el intervalo de −5000 Hz a −4500 Hz. Las fases del código son equivalentes en módulo 1.023 porque el código de alcance es periódico; por ejemplo, la fase −0,5 es equivalente a la fase 1.022,5.
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 del producto cartesiano de código y frecuencia, se realiza una única operación que involucra FFT y que cubre todas las frecuencias para cada fase del código; Cada una de estas operaciones es más costosa desde el punto de vista computacional, pero aún así puede ser más rápida en general que el método anterior debido a la eficiencia de los algoritmos FFT, y recupera la frecuencia portadora con mayor precisión, porque los contenedores de frecuencia están mucho más espaciados en una DFT .
Específicamente, para todas las fases del 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 discreta de Fourier .
Dado el ejemplo anterior que se procesará con este método, supongamos datos de valor real (a diferencia de 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 tanto, 25.001 componentes de frecuencia que van desde 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 digital). señal valorada 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 mejora con respecto al método de correlación simple, es posible realizar una única operación que cubra todas las fases del código para cada intervalo de frecuencia. La operación realizada para cada bin de fase de código implica FFT directa, multiplicación por elementos en el dominio de la frecuencia. FFT inversa y procesamiento adicional para que, en general, calcule la correlación circular en lugar de la convolución circular . Esto produce una determinación de la fase del código más precisa que el método de correlación simple, en contraste con el método anterior, que produce una determinación de la frecuencia portadora más precisa que el método anterior.
Dado que la frecuencia portadora recibida puede variar debido al desplazamiento Doppler , los puntos donde comienzan las secuencias PRN recibidas pueden no diferir de O en un número entero exacto de milisegundos. Debido a esto, el seguimiento de la frecuencia portadora junto con el seguimiento del código PRN se utilizan para determinar cuándo comienza el código PRN del satélite recibido. [48] A diferencia del cálculo anterior de compensación en el que se podrían requerir pruebas de las 1.023 compensaciones, el seguimiento para mantener el bloqueo generalmente requiere un cambio de medio ancho de pulso o menos. Para realizar este seguimiento, el receptor observa dos cantidades, el error de fase y el desplazamiento de frecuencia recibida. La correlación del código PRN recibido con respecto al código PRN generado por el receptor se calcula para determinar si los bits de las dos señales están desalineados. Las comparaciones del código PRN recibido con el código PRN generado por el receptor desplazado medio ancho de pulso antes y medio ancho de pulso tarde se utilizan para estimar el ajuste requerido. [49] La cantidad de ajuste requerido para la correlación máxima se utiliza para estimar el error de fase. El desplazamiento de la frecuencia recibida respecto de la frecuencia generada por el receptor proporciona una estimación del error de tasa de fase. El comando para el generador de frecuencia y cualquier cambio de código PRN adicional requerido se calculan como una función del error de fase y el error de velocidad de fase de acuerdo con la ley de control utilizada. La velocidad Doppler se calcula en función del desplazamiento de frecuencia con respecto a la frecuencia nominal de la portadora. La velocidad Doppler es el componente de velocidad a lo largo de la línea de visión del receptor con respecto al satélite.
A medida que el receptor continúa leyendo secuencias PRN sucesivas, encontrará un cambio repentino en la fase de la señal PRN recibida de 1.023 bits. Esto indica el comienzo de un bit de datos del mensaje de navegación. [50] Esto permite al receptor comenzar a leer los bits de 20 milisegundos del mensaje de navegación. La palabra TLM al comienzo de cada subtrama de una trama de navegación 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. La palabra CÓMO permite entonces al receptor determinar qué subtrama específica se está transmitiendo. [11] [12] Puede haber un retraso de hasta 30 segundos antes de la primera estimación de la posición debido a la necesidad de leer los datos de efemérides antes de calcular las intersecciones de las superficies de las esferas.
Después de leer e interpretar una subtrama, la hora en que se envió la siguiente subtrama se puede calcular mediante el uso de los datos de corrección del reloj y el CÓMO. El receptor conoce la hora del reloj del receptor de cuándo 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 tanto, el pseudorango. El receptor es potencialmente capaz de obtener una nueva medición de pseudodistancia al comienzo de cada subtrama o cada 6 segundos.
Luego, los datos de posición orbital, o efemérides , del mensaje de navegación se utilizan para calcular con precisión dónde estaba el satélite al comienzo del mensaje. Un receptor más sensible adquirirá potencialmente los datos de efemérides más rápidamente que un receptor menos sensible, especialmente en un entorno ruidoso. [51]
Especificación de la interfaz GPS
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