Sistemas de navegación satelital y su aplicación en Guatemala

En este trabajo de investigación se presentan varios temas relacionados con el Sistema Global de Navegación Satelital GNSS. Además de cómo el Sistema de Aumentación Basado en Tierra o Sistema GBAS pudiera llegar a ser implementado en Guatemala.

En el capítulo uno se conoce de forma general los aspectos relacionados con los antecedentes, origen militar y posterior evolución del sistema GNSS. En el capítulo dos se describen las generalidades y definiciones y conceptos claves como: satélites, tipos de satélites, relojes atómicos, etc., de manera ilustrativa y explicativa. También se investiga sobre los segmentos que conforman el sistema GNSS. Se explica en forma breve los diferentes sistemas GNSS que existen en la actualidad como lo es el sistema americano GPS y el sistema ruso GLONASS. Además se describe en manera general el futuro sistema GALILEO desarrollado por la Unión Europea.

Se describen los sistemas de aumentación que más actualmente se están utilizando en la aviación y se introduce por primera vez en este trabajo el concepto de "Sistema GBAS". Asimismo se describe la manera de cómo el sistema GNSS localiza la posición geográfica de un punto. Y para el cierre del capítulo se describen los posibles efectos atmosféricos que pudieren afectar la señal del sistema GNSS. En el capítulo tres se describe el marco legal y la aplicación de las principales leyes y reglamento utilizados en la aviación en Guatemala relacionados con los sistemas GNSS.

Por otra parte en el capítulo cuatro se establece cuáles son las recomendaciones por parte de la OACI para implementar y hacer uso de los sistemas GNSS y sus derivados en los países contratantes de la OACI. En el capítulo cinco se describe qué es el Proyecto "PROGBAS GT", el cual es el aporte que se desea realizar en el aeropuerto Internacional La Aurora. En este capítulo se describe el funcionamiento del sistema que se quiere implementar, las partes del proyecto, los componentes técnicos, beneficios del proyecto y se realiza un análisis comparativo entre el sistema GBAS y el sistema ILS, entre otras cosas.

Y por último en el capítulo 6, se describen los aspectos financieros del proyecto como son los costos de la inversión, el financiamiento de proyecto, un análisis comparativo de costos GBAS-ILS y la conclusión para que el proyecto "PROGBAS GT" pudiera llegar ser concretado.

CAPÍTULO I

Antecedentes

Los Sistemas Globales de Navegación Satelital o sistemas GNSS que actualmente se utilizan hoy en día fueron precedidos por los sistemas terrestres de radio navegación de largo alcance a principios de los años cuarenta. Estos sistemas de radionavegación eran conocidos como "LORAN", "OMEGA" y "DECCA", cuya tecnología era arcaica. Tales sistemas de radio navegación estaban ubicados en diversos puntos a lo largo de la superficie terrestre utilizando antenas y radiotransmisores de largo alcance y de baja frecuencia para determinar la posición y velocidad de buques, submarinos y barcos militares a través del envío y recepción de ondas radiales en el espectro electromagnético. Esta radiotransmisión de baja frecuencia era poco precisa en comparación con los Sistemas de Navegación Satelital GNSS actuales.

El primer Sistema Global de Navegación Satelital (GNSS) propiamente dicho fue desarrollado en los Estados Unidos a través de la Armada de los Estados Unidos en la década de los años sesenta. Este sistema de navegación satelital era conocido como "TRANSIT" o "NAVSAT" (ver figura 1) y era utilizado por la Armada de los EE.UU. para el mejoramiento de la navegación de aeronaves, barcos y submarinos incrementado así el control de la trayectoria de los aviones y misiles balísticos que eran lanzados desde los submarinos nucleares. 1

En esa época el sistema TRANSIT únicamente proveía el servicio de navegación por satélite a la armada estadounidense, es decir, que era de uso exclusivo y estrictamente militar. La manera de cómo operaba el sistema era información confidencial. Sin embargo después de algunos años el gobierno americano autorizó a que el sistema TRANSIT fuera utilizado por militares y civiles en conjunto. Dentro de los usos que se le dio al sistema en el área civil fue la de la realización de estudios topográficos, investigaciones geotécnicas, sondeos hidrográficos, mapeo de carretera entre otras aplicaciones. Este sistema dejó de funcionar oficialmente en el año de 1996 tras la aparición del sistema GPS.

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1 Enciclopedia Wikipedia, http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Transit_(sat%C3%A9lite)&oldid=77976986, (20 de noviembre 2014)

Figura 1. Transit

Fuente: http://www.nro.gov/news/speeches/2011/2011-01.pdf

1.2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

El SISTEMA GLOBAL DE NAVEGACIÓN SATELITAL (GNSS) en sí, no puede satisfacer los requisitos aeronáuticos estrictos como la exactitud, integridad, continuidad y disponibilidad de la señal proveniente de las constelaciones centrales de satélite (entiéndase el sistema GPS) al momento de que se hace uso del mismo en las operaciones de aproximación y aterrizaje.

Es por esta razón por la cual el sistema GPS exige una aumentación de su señal, la cual puede ser pueden ser basada en la aeronave (ABAS), en un satélite (SBAS) o bien basado en tierra (GBAS). Dada a esta proposición se ha selecciona el Sistema de Aumentación Basado en Tierra (GBAS) para que se pueda introducir en las operaciones regulares de aviación, a fin de permitir que las señales provenientes de los satélites centrales se aumenten como es debido y exigido por la OACI, para que de este modo las aplicaciones y operaciones críticas aeronáuticas se puedan realizar con seguridad además de ser un sistema innovador para las ayudas a la navegación.

1.3 OBJETIVOS

1.3.1 OBJETIVO GENERAL

Desarrollar una investigación sobre el Sistema Global de Navegación Satelital (GNSS) y su posible aplicación e implementación mediante el Sistema de Aumentación Basado en Tierra (GBAS) en el Aeropuerto Internacional La Aurora.

1.3.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS

• Analizar en qué consiste el sistema GNSS y sus principales características, mediante la investigación documental.

• Investigar cuál es el marco jurídico aplicable en Guatemala para los sistemas GNSS y sus derivados.

• Investigar cuáles son las recomendaciones y normas que la Organización de Aviación Civil Internacional (OACI) realiza a los Estados signatarios que deseen implementar un sistema GNSS y/o sus derivaciones.

• Evaluar los componentes necesarios para la realización de un proyecto (costos de inversión, financiamiento, etcétera) para poder implementar el Sistema de Aumentación Basado en Tierra (GBAS) en el Aeropuerto Internacional La Aurora.

• Realizar un análisis comparativo entre el sistema de aterrizaje por instrumentos (ILS) y el sistema GBAS.

1.4 HIPÓTESIS

Con la implementación del Sistema de Aumentación Basado en Tierra (GBAS) en las instalaciones del Aeropuerto Internacional La Aurora, la señal proveniente del Sistema Global de Navegación por Satélite (GNSS) será aumentada conforme a los requisitos y recomendaciones que la Organización de Aviación Civil Internacional (OACI) exige en cuanto a precisión y seguridad operacional de la señal. Con la señal satelital aumentada por el sistema GBAS, la señal GNSS será precisa y estable para que esta pueda ser utilizada en las operaciones de aproximación y aterrizaje a la pista y así aprovechar los beneficios del sistema GBAS.

1.5 VARIABLES

1.5.1 INDEPENDIENTE

Sistema de Aumentación Basado en Tierra (GBAS).

1.5.2 DEPENDIENTE

Aumento de la precisión, estabilidad y seguridad de la señal satelital utilizada en las operaciones de aproximación y aterrizaje a la pista.

1.6 DEFINICIÓN CONCEPTUAL Y OPERACIONAL DE LAS VARIABLES

1.6.1 DEFINICIÓN CONCEPTUAL DE LA VARIABLE INDEPENDIENTE

Se entiende como Sistema de Aumentación Basado en Tierra (GBAS) al sistema utilizado para aumentar la señal satelital proveniente del Sistema Global de Navegación Satelital (GNSS).

1.6.2 DEFINICIÓN CONCEPTUAL DE LA VARIABLE DEPENDIENTE

Se entiende como proceso de aumentación de la señal satelital utilizada en las operaciones de aproximación y aterrizaje a la pista.

1.6.3 OPERACIONALIZACIÓN DE VARIABLES

1.7 ALCANCES Y LÍMITES

En el presente trabajo de investigación se abarcará los métodos de cómo puede ser optimizado el servicio de navegación aérea por satélite en las fases de aproximación y aterrizaje a las aeronaves que se encuentran en el área de maniobras del Aeropuerto Internacional La Aurora.

a- Ámbito Geográfico: Ciudad de Guatemala, Zona 13.

b- Ámbito institucional: Dirección General de Aeronáutica Civil.

c- Ámbito personal: Personal administrativo y profesionales de la aviación civil.

CAPÍTULO II

Marco teórico

2.1 CONCEPTO DE GNSS

El Sistema Global de Navegación por Satélite o sistema GNSS (Global Navigation Satellite System), es un sistema de satélites que proporcionan posicionamiento y localización con una cobertura mundial. Este sistema permite que los usuarios con receptores satelitales que estén ubicados ya sea en aire, mar o tierra, determinen su localización, es decir la latitud, longitud y altitud con una alta precisión con un margen de error de pocos metros utilizando las señales que los satélites envían a la tierra.

El sistema GNSS está constituido por una serie de satélites que son llamados constelaciones satelitales y están ubicadas aproximadamente a unos 21,000 km de altitud sobre la superficie terrestre transmitiendo las señales satelitales hacia la tierra. Estas señales son utilizadas para poder ubicar la posición y localización de un punto en cualquier parte del globo terrestre mediante cálculos matemáticos precisos. Actualmente existen dos sistemas GNSS que son administrados por los Estados Unidos y la Federación Rusa, aunque el sistema de ruso no se encuentra totalmente en funcionamiento debido a circunstancias económicas y políticas. 2

Hoy en día el único sistema GNSS en completo funcionamiento es el sistema GPS de origen estadounidense. El Sistema de Posicionamiento Global o Sistema GPS (Global Positioning System) consta de una constelación de 29 satélites que orbitan a una altitud de 20,200km. Este sistema entró en plena operatividad en el año 1995, aunque en sus comienzos el uso civil de este sistema fue bastante restringido.

El Sistema GNSS de Rusia es llamado sistema GLONASS y es la contraparte del sistema GPS (Guerra Fría). Este sistema es de origen ruso y posee 24 satélites, y como se mencionó en el párrafo anterior, el sistema nunca ha llegado a estar plenamente operativo debido a recortes en el presupuesto militar ruso y problemas políticos en Rusia. 3

Por otro lado existe el Sistema GALILEO el cual se está desarrollando actualmente por la Unión Europea y se espera que el sistema esté en plena operatividad en el año 2019. Este sistema constará de 30 satélites. Es el primer Sistema GNSS cuyo propósito principal es el de prestar el servicio satelital en el área civil. Está en la fase inicial de implementación. 4

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2 Enciclopedia Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/GLONASS#Economic_crisis_and_fall_into_disrepair,(20 de noviembre 2014).

3 ibídem.

4 Enciclopedia Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Galileo_%28satellite_navigation%29, (11 de diciembre de 2014).

Después de una breve descripción de los sistemas GNSS, se puede decir que el sistema GNSS permite determinar las coordenadas geográficas de latitud, longitud y la altitud de un punto como resultado de la recepción de las señales provenientes de las constelaciones satelitales, ya sea para fines de navegación aérea, marítima, transporte, estudios hidrográficos, agrícolas, y otras actividades afines. Los sistemas de navegación basados en satélites artificiales proporcionan a los usuarios información sobre la posición y la hora con gran exactitud las 24 horas del día y en cualquier condición climática.

La navegación por satélite se basa en el cálculo de una posición determinada sobre toda la superficie de la tierra, midiendo la distancia entre la altura de dicho punto y de por lo menos cuatro satélites que estén en órbita. La precisión de las mediciones de distancia son las que determinan la exactitud de la ubicación final. Estos datos se triangulan y la información recibida por los satélites es enviada de regreso a la tierra con la altitud y localización de dicho punto a un receptor que decodifica la señal con la información enviada.

Es decir que el receptor capta las señales de sincronización emitida por los satélites que posee la posición de ese satélite y el tiempo exacto en que fue transmitida la información dando como resultado la posición y localización de dicho punto. Una posición precisa depende de la exactitud del tiempo que posean los relojes de los satélites, es por esa razón que los satélites utilizan cronómetros o relojes atómicos para estar sincronizados con todos los demás satélites en la constelación y tener así la exactitud y sincronización exacta con todos los satélites.

Existen una serie de aspectos que son necesarios para que un sistema GNSS pueda proporcionar un servicio confiable y seguro. Son cinco elementos que son fundamentales para que el sistema GNSS pueda funcionar óptimamente (cobertura, disponibilidad, precisión, integridad y continuidad). Cada uno de estos elementos es explicado a continuación:

• Cobertura: Todo sistema GNSS debe tener una cobertura mundial, esto para poder garantizar el funcionamiento del sistema en cualquier parte del globo. Se entiende como cobertura mundial toda el área total del planeta tierra. Es necesario un mínimo de cuatro satélites para calcular las coordenadas espaciales y temporales, a mayor número de satélites, mayor y mejor será la cobertura que el sistema GNSS pueda ofrecer al usuario final.

• Disponibilidad: El sistema GNSS debe garantizar el funcionamiento normal de todos los elementos que lo conforma durante un porcentaje muy elevado de tiempo, entre al 95% o 99%. Para poder prestar una mayor disponibilidad del servicio, los administradores de los sistemas GNSS introduzcan satélites redundantes a la constelación satelital para poder garantizar el funcionamiento del sistema en caso de que algún elemento del sistema falle.

• Precisión: El sistema GNSS debe proporcionar un posicionamiento espacial y temporal preciso, todo esto es posible mediante la constante calibración de los relojes atómicos de cesio (se amplía más adelante) y la actualización del centro de procesamiento de la información en las computadoras de los satélites.

• Integridad: Es fundamental que toda la información que envían los sistemas GNSS sea fiable. Es necesario una integridad en la información del sistema GNSS es decir que exista la corrección y complementación de datos. Este elemento en particular es muy necesario debido a que algunos usuarios finales del servicio GNSS utilizan y confían en la integridad del servicio para fines de navegación aérea.

• Continuidad de servicio: Este elemento se preocupa de impedir una imprevista y grave interrupción de los servicios GNSS debido a efectos ionosféricos, errores de efemérides y efectos multitrayectos que pueda llegar a tener consecuencias catastróficas para el servicio GNSS. 5

2.2 CONCEPTO DE SATÉLITE

Un satélite es un objeto de origen artificial que ha sido puesto intencionalmente en la órbita espacial para diversos fines. Es enviado a través de un cohete espacial que ha sido fabricado en la tierra con carga útil y esta es enviada al espacio exterior. Los satélites artificiales pueden orbitar alrededor de la órbita terrestre enviando y recibiendo señales desde grandes altitudes.

El primer satélite artificial fue el Sputnik, lanzado por la Unión Soviética el 4 de octubre de 1957. El origen de los satélites artificiales está profundamente ligado al desarrollo de los cohetes que fueron creados, primero, como armas de larga distancia, luego fueron utilizados para explorar el espacio y por último fueron convertidos en instrumentos para colocar satélites en el espacio. 6

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5 OACI (2005), Documento 9849 Manual sobre el Sistema Mundial de Navegación por Satélite GNSS (1ª.ed.) México, capítulo II, sección 2.5.

6 Cleverth Castillo Rosado, http://www.monografias.com/trabajos39/satelites-artificiales/satelites-artificiales, (11 de diciembre de 2014).

Figura 2. Componentes de un satélite

Fuente: http://www.convergencepartners.com/Satellite.jpg

2.2.1 CLASIFICACIÓN DE LOS SATÉLITES

Los satélites se clasifican por medio de dos de sus características más importantes. Estas características son la misión, es decir el propósito por el cual fueron creados y su órbita o la trayectoria del satélite. Existen tres tipos de órbita las cuales se clasifican según su altitud:

La órbita baja terrestre (LEO), cuya órbita es geocéntrica (orbita alrededor de la tierra) y pueden orbitar a una altitud de 0 a 2000 km. La órbita media terrestre (MEO) la cual tiene una órbita geocéntrica con una altitud entre 2000 km y hasta el límite de la órbita de 35 786 km. Y por último la órbita alta terrestre (HEO) que posee una órbita geocéntrica por encima de la órbita de 35 786 km. 7

A continuación y de manera individualizada se describen los distintos tipos de satélites más comunes que orbitan la tierra y su misión:

• Satélites astronómicos: Son satélites utilizados para la observación de planetas, galaxias y otros objetos astronómicos, como el telescopio Hubble.

• Satélites de comunicaciones: Son los empleados para la telecomunicación, como el "EUTELSAT 115 West A", que trasmite la señal de algunos canales guatemaltecos como por ejemplo el Canal Antigua o Guatevisión.

• Satélites de navegación: Utilizan señales para conocer la posición exacta del receptor en la Tierra, dígase el sistema GPS u otros sistemas de posicionamiento.

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7 Enciclopedia Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Geostationary_orbit, (15 de diciembre de 2014).

• Satélites espías: Son satélites de observación o comunicaciones utilizados por militares u organizaciones de inteligencia, por ejemplo el satélite OFEK-10 de fabricación israelí.

• Satélites meteorológicos: Son satélites utilizados principalmente para registrar el tiempo atmosférico y el clima de la tierra como el Satélite Geoestacionario Operacional Ambiental o GOES-12.

2.2.2 CONCEPTO DE RELOJ ATÓMICO

Un reloj atómico es un mecanismo de resonancia atómica, es decir, se basa en las propiedades químicas y físicas de los átomos para medir el tiempo de manera muy exacta. El reloj atómico es sustentado por medio de una frecuencia de radiación del elemento químico llamado cesio. La precisión del reloj atómico debe ser de por lo menos una billonésima de segundo, y se usa como sistema de referencia para medir el tiempo por medio de la Hora Internacional Atómica. 8

Dentro de los múltiples usos del reloj atómico existe como sistema de referencia de la Hora Universal Coordinada (UTC) que es utilizada en la aviación. Los relojes también son utilizados en la sincronización del tiempo de los relojes internos que tienen los satélites que están en órbita. Es importante que los satélites siempre tengan la hora precisa para lograr una sincronización que permita encontrar la localización de un punto sobre la superficie de la Tierra. Según estimaciones científicas, este tipo de relojes no "ganan" ni "pierden" un segundo en unos 300 millones de años, es decir, que no habría necesidad de corregir estos relojes durante ese gran lapso de tiempo.

Figura 3. Reloj atómico

Fuente: http://leapsecond.com/pages/atomic-nixie/cesium2.jpg

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8 Enciclopedia Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Atomic_clock, (15 de diciembre de 2014).

2.3 SEGMENTOS DEL SISTEMA GNSS

Los sistemas de navegación satelital GNSS se dividen en tres segmentos que son necesarios para el correcto funcionamiento del sistema GNSS. Estos son: El segmento espacial, segmento de control y el segmento de usuario. Es importante mencionar estos elementos para poder comprender la manera de cómo un sistema GNSS funciona. En los siguientes párrafos se explican de manera detallada.

2.3.1 SEGMENTO ESPACIAL

Este segmento está compuesto por los satélites que forman el sistema GNSS, tanto satélites de navegación como los de comunicación, orbitando alrededor de la Tierra a una altitud promedio de 20,000km a 21,000km. Los satélites que se encuentran en este segmento están distribuidos y orbitan en distintos planos orbitales de tal forma que se cubra toda la Tierra.

Dentro de este segmento están los sistemas de comunicación que son los que forman los llamados sistemas de aumento, que sirven para la corrección de errores de posicionamiento entre satélites en órbita. El segmento espacial debe tener el suficiente número de satélites de navegación para garantizar una cobertura global. Por lo que se pueden concluir que a mayor número de satélites en órbita, mayor será el grado de precisión de la posición que el sistema GNSS pueda brindar.

2.3.2 SEGMENTO DE CONTROL

El segmento de control realiza el seguimiento de los satélites que están en órbita y se ocupa del mantenimiento y actualización de software. Monitoriza la salud de los satélites y mantiene su configuración orbital así como la integridad de la señal que envían. Corrige las derivas de los relojes de los satélites y los datos de efemérides (información de latitud, longitud y altitud) así como otros parámetros necesarios para determinar la posición, velocidad y tiempo del usuario.

Una de sus funciones es la de garantizar las prestaciones del sistema GNSS mediante el monitoreo del segmento espacial y aplicar las correcciones necesarias en la posición orbital y temporal de los satélites desde la Tierra.

2.3.3 SEGMENTO DE USUARIO

El segmento de usuario consiste en el equipo receptor del usuario que recibe las señales de los satélites GPS y las procesa para calcular la posición tridimensional y la hora precisa. Es decir, para propósitos específicos de navegación aérea, se puede decir que es la aviónica dentro del avión que recibe las señales que proceden del segmento espacial y que han sido corregidas por el segmento de control. Los elementos básicos del segmento de usuario son la antena receptora y el procesador de la información que recibe la antena receptora.

Este segmento ha evolucionado en gran manera. En el comienzo de este sistema el receptor era únicamente capaz de captar la señal de cuatro o cinco satélites. En la actualidad este sistema es capaz de captar la señal casi todos los satélites que se encuentran en órbita, lo que permite un mejor posicionamiento. Además del número de canales (o señales de satélite que es capaz de captar), los receptores también se caracterizan por los sistemas de corrección internos.

Figura 4. Sistema GNSS

Fuente: https://wordpress.com/sistema-de-navegacion-satelite.jpg

2.4 CÓMO CALCULA LA POSICIÓN EL SISTEMA GNSS

El cálculo de la posición depende básicamente de dos parámetros específicos. Los cuales son la posición del satélite y el reloj atómico del mismo. La información es recogida en la señal enviada por el satélite hasta el receptor siendo el proceso de cálculo el siguiente:

• 1) La situación o localización de los satélites es conocida por el receptor que recibe la señal satelital y con base en las efemérides (información que usa el receptor para determinar su posición), parámetros que son transmitidos por los satélites.

• 2) El receptor GNSS mide la distancia de los satélites y la usa para calcular su posición. Esta distancia se mide calculando el tiempo que la señal tarda en llegar al receptor, conocido ese tiempo y basándose en el hecho que la señal viaja a la velocidad de la luz (salvo algunas correcciones que se aplican), se puede calcular la distancia entre el receptor y el satélite.

• 3) Cada satélite indica que el receptor se encuentra en un punto en la superficie de la esfera terrestre con centro en el propio satélite y de radio la distancia total hasta receptor.

• 4) Son necesarios al menos cuatro satélites para obtener la posición, con tres satélites es capaz de calcular la posición en tres dimensiones, mientras que el cuarto permite eliminar los errores de sincronización.

Figura 5. Cálculo de la posición

S: Satélite

R: Radio

Fuente: http://www.gps.gov/image.jpg

2.5 SISTEMA GPS

El Sistema de Posicionamiento Global (GPS) es un sistema de navegación por satélite (GNSS) que proporciona la ubicación en cualquier lugar de la tierra y bajo cualquier condición meteorológica. Para proporcionar el servicio de ubicación es necesario que el receptor capte la señal satelital de cuatro o más satélites GPS. El sistema GPS proporciona capacidades críticas para los usuarios militares, civiles y comerciales en todo el mundo.

El sistema GPS también se le conoce con el nombre de NAVSTAR GPS y fue desarrollado por el gobierno de Estados Unidos y es actualmente operado por el Departamento de Defensa de los Estados Unidos. Este sistema funciona mediante una constelación de 24 satélites que están en órbita sobre el globo terrestre a más de 20,000 km con trayectorias sincronizadas para cubrir toda la superficie del planeta Tierra. El GPS tuvo su origen en el ámbito militar el cual comenzó, como gran parte de la tecnología que se desarrolló en el siglo XX con la Guerra Fría. 9

Con la caída de la Unión Soviética, el Gobierno de los E.E.U.U. decide poner a disposición civil esta tecnología, aunque con ciertas limitaciones. El sistema pasó a estar completamente operativo en 1994, cuando se alcanzaron los 24 satélites que componían el segmento espacial, y con un gran número de estaciones de control operativas en todo el mundo.

Los avances en la tecnología de navegación permitieron que el gobierno Estadounidense iniciara proyecto NAVSTAR GPS en el año 1973. Ese proyecto estuvo a cargo del Departamento de Defensa siendo este ente el encargado de las distintas fases del plan NAVSTAR GPS, la financiación y la administración. El proyecto se desarrolló en distintas fases:

• Fase 1 (1973-1977): estudio de conceptos, diseño y viabilidad del proyecto.

• Fase 2 (1979-1988): producción del primer bloque de satélites que servirá para validar el sistema.

• Fase 3 (1989-1995): conseguir un segmento espacial plenamente operativo con el lanzamiento del segundo bloque de satélites. Se declara la Capacidad Inicial Operativa en 1993, y se declara la Plena Capacidad Operativa en 1995.

• Fase 4 (1996-2001): lanzamiento y desarrollo del tercer bloque de satélites, y operación y mantenimiento del GPS.

• Fase 5 (2002-2015): desarrollo de los nuevos satélites con mejores prestaciones que sustituirán a los antiguos, y lograr una constelación más sólida.

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9 Enciclopedia Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Global_Positioning_System, (15 de diciembre de 2014).

2.5.1 COMPOSICIÓN DEL SISTEMA GPS

El GPS es el primer sistema GNSS que funciona en su totalidad y ha definido la arquitectura básica para el resto de sistemas GNSS y como todo sistema GNSS, el sistema GPS se compone de tres segmentos que son el segmento espacial, segmento de control y el segmento de usuario. A continuación la explicación de cada concepto:

• Segmento espacial: consististe en el conjunto de satélites que han sido lanzados desde los cohetes espaciales y que orbitan alrededor de la tierra.

• Segmento de control: está formado por una estación maestra y un conjunto de estaciones de monitorización, las cuales se encuentran ubicadas en diferentes puntos de la tierra y que proporcionan información a ésta y de las antenas de tierra que forman un enlace con los satélites.

• Segmento de usuario: es el conjunto de receptores GPS que hacen uso del sistema en todo el mundo, incluyendo los teléfonos celulares, tabletas, aviones, barcos y un sinnúmero de usuarios.

2.5.2 SEGMENTO ESPACIAL

El segmento espacial del sistema GPS está constituido principalmente por 24 satélites los cuales están distribuidos por igual en seis planos orbitales circulares distribuidos uniformemente con una inclinación de 55° sobre la línea del horizonte y una altitud de unos 20,200 Km. El tiempo que le toma a cada satélite completar una órbita es de doce horas, garantizando un mínimo de cinco satélites estén disponibles en cualquier parte del mundo las 24 horas del día.

Para mejorar las prestaciones del GPS se han ido añadiendo más satélites durante los últimos años. Cabe destacar que en la actualidad hay un total de 31 satélites en el segmento espacial del GPS (7 satélites funcionan como back-up), que están distribuidos uniformemente y garantizando mejores prestaciones en cuanto a la disponibilidad e integridad de la constelación. No obstante el estado y el funcionamiento de cada satélite varían de uno a otro porque va a depender de la generación de la tecnología que posean.

Figura 6. Segmento espacial GPS

Fuente: http://www.gps.gov/gps.jpg

2.5.2 SEGMENTO DE CONTROL

El segmento de control del GPS está compuesto por los siguientes elementos:

• La Estación de Control Maestra (MCS), que está situada en Colorado en la base Falcon de la fuerza aérea de los Estados Unidos. Existen además dos estaciones de reserva en California y Maryland.

• Las otras Estaciones de control están situadas por todo el globo terráqueo en Hawaii, Kwajalein, Ascension Island, Diego García y Colorado Springs. Tres de estas estaciones poseen antenas que transmiten información a los satélites de Ascension Island, Diego García y Kwajalein, mientras que otras dos no.

El funcionamiento del segmento de control es el siguiente, las estaciones de control (monitor stations) reciben la información de los satélites, acumulando datos sobre posición de éstos. Dichos datos se envían a la Estación de Control Maestra (MCS) que los procesa y aplica las correcciones necesarias en cuanto a órbitas y mensaje de navegación del satélite.

Debido que la posición de cada estación y las coordenadas temporales se conocen, se pueden combinar las medidas obtenidas por varias estaciones para crear un sistema de navegación "inverso" que determine la localización espacial y temporal del satélite para aplicar así las correcciones oportunas de los parámetros de navegación del mismo.

Por último dichas correcciones se transmiten por las estaciones de control que poseen antenas de tierra, que a su vez pueden aplicar correcciones de reloj, comandos de telemetría (medición de distancia remota) y otros mensajes, siendo una función exclusiva de la MCS el de la corrección de la órbita de los satélites. La transmisión de correcciones se realiza tres veces al día. En caso que hubiera algún, fallo en la MCS, las dos estaciones de reserva (Backup) estarían listas para funcionar de forma inmediata sin que se alterara el normal funcionamiento del sistema en ningún momento.

Figura 7. Segmento de control

Fuente: http://www.gps.gov/systems/gps/control/map.png

2.5.3 SEGMENTO DE USUARIO

Este segmento consiste en el equipo que recibe la señal satelital GPS y utiliza la información que es recibida para calcular la posición en tres dimensiones del usuario (latitud, longitud y altitud). El segmento de usuario tiene una amplia gama de usuarios, por ejemplo puede ser la aviónica que posee un avión para navegar vía GPS, el equipo de navegación de un barco en altamar, un teléfono inteligente (smartphone) que posea una antena receptora de señal GPS para poder ubicar la posición del usuario, los teléfonos satelitales, los carros que poseen dispositivos de rastreo en fin existen un gran número de aplicaciones.

Figura 8. Ejemplo del Segmento de usuario

Fuente:http://www.airliners.net/aviation-photos/photos/4/8/4/0970484.jpg

2.6 CÓMO UBICA LA POSICIÓN EL RECEPTOR GPS

Para ubicar la posición exacta de un punto el receptor GPS tiene que localizar por lo menos 3 satélites que le sirvan de puntos de referencia. En realidad eso no constituye ningún problema porque normalmente siempre hay 8 satélites dentro del "campo visual" de cualquier receptor GPS. El principio del funcionamiento de los receptores GPS es el siguiente:

PRIMERO: Los satélites GPS transmiten las señales que proveen su localización, status y hora precisa de acuerdo a los relojes atómicos del satélite, las 24 horas del día durante todo el año.

SEGUNDO: Las señales del GPS viajan a través del espacio hacia la tierra a la velocidad de la luz, es decir a más de 299,972 km/s.

TERCERO: Un receptor GPS recibe señales anotando el tiempo exacto de la llegada de la señal en su procesador y las utiliza para calcular su distancia respecto al satélite que le está proveyendo la señal, es decir, los satélites a la vista del receptor.

CUARTO: Una vez que el receptor GPS conoce la distancia de al menos 4 satélites, puede utilizar la geometría para determinar su localización en la tierra en tres dimensiones, es decir, latitud, longitud y altitud

Si por cualquier motivo el receptor falla y no realiza las mediciones de distancias hasta los satélites de forma correcta, las esferas no se interceptan y en ese caso no podrá determinar, ni la posición, ni la altura.

2.7 SISTEMA GLONASS

La contraparte del sistema GPS la constituye el Sistema de Satélites de Navegación Global o sistema GLONASS (Globalnaya Navigatsionnay Sputnikovaya Sistem) de la administración Rusa cuyas funciones y elementos son bastantes similares a las del GPS pero con marcadas diferencias en su forma de operar y orbitar. Al igual que el sistema GPS, el GLONASS tiene aplicación tanto en el campo militar como en el civil aunque en este último su uso es bastante limitado debido a que la mayoría de dispositivos solo son compatibles con el sistema GPS.

El control de este sistema lo ejerce el gobierno de la Federación Rusa por mediación de las Fuerzas Aeroespaciales de defensa Rusa. El primer satélite del sistema GLONASS fue lanzado al espacio y puesto en órbita el 12 de octubre de 1982 y el sistema completo comenzó a operar oficialmente el 24 de septiembre de 1993. Este sistema se compone de 24 satélites (21 activos y 3 de reserva), distribuidos en tres planos orbitales con una separación entre sí de 120º. Cada satélite gira en una órbita circular a 19 mil 100 km de altura de la Tierra y da una vuelta completa a la órbita cada 11 horas y 15 minutos, aproximadamente.

Los 24 satélites del sistema GLONASS están distribuidos en sus respectivas órbitas de forma tal que siempre existen entre 4 o 5 de ellos a la vista de los receptores, cubriendo el 97% de toda la superficie terrestre. Existen actualmente receptores duales que trabajan tanto con el sistema GPS como con el sistema GLONASS. 10

2.8 SISTEMA GALILEO

El sistema GALILEO es un sistema global de navegación por satélite GNSS que está siendo desarrollado en conjunto de los países miembros de la Unión Europea (UE). Uno de los objetivos principales es de evitar la dependencia de los sistemas GPS y GLONASS. Al contrario de estos dos, será de uso estrictamente civil, sin embargo no se descarta que sea militar y civil paralelamente. El sistema Galileo se espera que esté completamente operativo en el año 2019.

Cabe destacar que el programa ha sufrido una serie de atrasos técnicos y políticos para su puesta en marcha. Este sistema GNSS además de prestar servicios de navegación y ubicación en el espacio, será interoperable con los sistemas GPS y GLONASS. El usuario podrá calcular su posición con un receptor que utilizará satélites de distintas constelaciones.

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10 OACI (2005), Documento 9849 Manual sobre el Sistema Mundial de Navegación por Satélite GNSS (1ª.ed.) México, capítulo II, sección 2.9.

La Agencia Espacial Europea prevé que el sistema GALILEO sea mucho más preciso que el GPS teniendo en cuenta la tecnología de los satélites de nueva generación y los sistemas de control que se utilizarán desde Tierra. De hecho el margen de error se calcula que sea solamente de 10 metros, prácticamente la décima parte del GPS. Además, gracias a la amplitud territorial que abarcará y la mayor precisión de las señales de los satélites del sistema GALILEO y éstas podrán ser captados también en algunas latitudes remotas hasta donde no llegan todavía las señales del sistema GPS. 11

2.9 APLICACIONES DE LOS SISTEMAS GNSS

El sistema GNSS tiene un sinnúmero de aplicaciones que varían dependiendo de la finalidad que cada usuario quiera darle al Sistema. Dentro de las configuraciones que se pueden utilizar con este sistema se puede mencionar la navegación aérea, la navegación marítima, comunicaciones satelitales, rastreo mediante GPS, rastreo de señales de alertas de socorro para las aeronaves que han sufrido un accidente (COSPAS-SARSAT), entre muchas otras aplicaciones. Dicha investigación se enfocará en las aplicaciones en la Aviación Civil.

2.9.1 AVIACIÓN

Algunas empresas de aviación están empezando a utilizar el sistema GNSS para elevar la seguridad y la eficiencia de sus vuelos. En la aviación el uso del sistema GNSS permite rutas aéreas nuevas que antes no tenían cobertura de las radio ayudas convencionales y por ende rutas más eficientes y en continua expansión. Según la OACI con la implementación del sistema GNSS se han logrado grandes ahorros en tiempo y dinero y en muchos casos, aeronaves que sobrevolaban zonas de datos escasos, como los océanos han sido capaces de reducir la separación entre ellas sin afectar su seguridad permitiendo que más aeronaves puedan compartir las rutas más favorables y eficientes con el derivado del ahorro de tiempo y combustible.

2.9.2 NAVEGACIÓN AÉREA