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GPS, GLONASS, GALILEO Y BEIDU: Sistemas de posicionamiento global vía satelite

Publicado: Mié Nov 28, 2018 5:11 pm
por Sombra
Hola a todos,

A raíz de un hilo preguntando sobre GPS he pensado que podría estar bien hacer a modo de un pequeño turorial explicando que son, como funcionan y que opciones con sus pros y sus contras hay disponibles hoy en dia o esta previsto que esten disponibles en un futuro muy próximo.

Voy a intentar ser lo menos técnico posible para que cualquiera pueda entender que son y como funcionan y cual es su historia, que, curiosamente, se inicia en la literatura de ciencia ficción.

La idea de órbita geoestacionaria se popularizó por el escritor de ciencia ficción Arthur C. Clarke en 1945 como una órbita útil para satélites de comunicaciones, previamente la idea de un satélite geosíncrono para comunicaciones se publicó por primera vez en 1928 por Herman Potočnik.

El primer satélite geoestacionario fue el Syncom 3 lanzado en Cabo Kennedy el 19 de agosto de 1964, fue un satélite experimental de comunicaciones ubicado sobre el ecuador a 180 grados de longitud en el Oceano Pacífico. Este satélite cubrió televisión en vivo sobre los juegos olímpicos de 1964 en Tokyo, Japón, y se usó para varias pruebas de comunicaciones.

Para entender de que se trata, a grosso modo, es que se establece un satélite en una orbita tal que, para mantenerse en ella, ha de desplazarse a tal velocidad que el punto sobre el que esta en la superficie de la tierra siempre esta bajo el.

Esto que quizás sea difícil de entender se ve claro si tomamos una cuerda y la fijemos con una lazada abierta a un poste. Ahora dos personas toman la cuerda, una por la mitad y la otra por el extremo libre, tensándola, y se ponen a dar vueltas con ella tensa en torno al poste:
El que la tenga por la mitad (que a los efectos representa a la superficie del planeta), tendra que ir mas despacio que el que la tenga por el extremo (que a los efectos representa al satélite geoestacionario) para que la cuerda se mantenga recta. Si se acerca al poste tendrá que ir mas despacio y si se aleja del poste más rapido. Si en lugar de una cuerda, que se puede doblar, es una barra rígida, todos los que esten agarrados a ella, unos mas cerca del poste y otros mas lejos, tendrán que ir a la velocidad adecuada al sitio en el que están agarrados.

¿Que utilidad tienen las orbitas geoestacionarias?
La primera evidente es su uso en telecomunicaciones.
Si lo llevamos a un plano mas terrenal se entiende mas fácil el porque y como son útiles:
Imaginemos una casa, en la parte de atrás hay un amigo que debe conectar algo al mismo tiempo que lo hacemos nosotros en la parte de delante de la casa. No nos podemos ver y apenas nos podemos oír así que avisarnos a gritos no es muy seguro.
Si alejado de la casa y a un lado ponemos un espejo grande que los dos alcancemos a ver, bien orientado, nosotros le vemos a él en el espejo y él a nosotros y podemos actuar a la vez.
Ese espejo sería el satélite geoestacionario y ese es el papel que hacen en las telecomunicaciones.

Para entender como son útiles para darnos a conocer donde estamos vayamos a dentro de la casa.
Vamos a poner un gancho en el techo (que siempre estará en el mismo sitio como si fuese un satélite geoestacionario) y vamos a atar a el una cuerda que sea mas larga que la distancia entre el suelo y el techo.
Manteniendo la cuerda tensa es evidente que podremos movernos en un circulo, así que si tenemos una conexión con un satélite geoestacionario podemos saber que estamos en un punto de ese circulo, pero no en cual.

Hagamos un inciso.
¿Como podemos saber que estamos en un punto de ese circulo?
Bueno, en el satélite hay un reloj muy exacto y en nuestro receptor de satélite hay otro reloj bastante exacto. El satélite manda una señal horaria, nuestro receptor la recibe y resta la hora a la que fue enviada con la que es cuando la recibe.
Así sabe que tardo la señal en viajar del satélite a nuestro receptor y, como sabemos a la velocidad a la que la señal viaja por el aire, sabiendo cuanto tardó en llegar, se calcula que distancia recorrió.
Es igual que si viajamos en un auto a 100km por hora y tardamos en llegar a nuestro destino una hora y media: nuestro destino esta a 100+50 km. Simple.
Como sabemos sobre que lugar esta fijo el satélite y a que altura esta (lo sabe nuestro receptor de satélite) hacer el calculo es sencillo.

Otro inciso:
Lo que condiciona mucho el precio de los equipos, prestigios de marcas y políticas comerciales aparte, es que tan precisos son sus relojes.

Bueno, aclarado esto, volvamos a nuestro gancho en el techo con su cuerda colgada....
No sirve para que sepamos donde estamos. Solo que estamos en un punto a lo largo de un circulo como ya hemos dicho.
¿Como se puede mejorar eso?
Es evidente que necesitamos más información, así que pongamos un segundo satélite, otro gancho en el techo. No importa donde. Colgemos otra cuerda larga de el. Ahora si tomamos ambas cuerdas en la mano y las sujetamos tensas habrá dos medidas que nos digan donde estamos...
...pero habrá dos sitios en los que podamos estar manteniendo las dos cuerdas tensas e igual de largas.

Con dos satélites hemos pasado de solo poder saber que estamos en un circulo a tener la certeza de que estamos en uno de dos puntos bien exactos (no es totalmente así: la precisión de los relojes de nuestros receptores no garantiza una exactitud absoluta, pero para entenderlo sirve)

Si ponemos un tercer gancho en el techo, un tercer satélite, esa incertidumbre sobre en que punto estamos, desaparece:
Ahora para mantener las tres cuerdas tensas, solo hay un punto en el que podremos estar.
Estamos geolocalizados.

Hablemos ahora de la precisión.

Los relojes que hay en los satélites son relojes atómicos. Son superprecisos, el estándar actual de los relojes atómicos en activo permite el atraso de un segundo cada 3700 millones de años.
Eso es una desviación de menos de 10 elevado a -9 segundos por día, la 10.000.000.000 (diez mil millonésima) parte de un segundo.

Obviamente los relojes de nuestros dispositivos de recepción de satelite para posicionamiento, los que llamamos GPSs, no son así de exactos: sus relojes no se basan en la emisión radioactiva de una partícula si no en las oscilaciones de un trozo de cuarzo, mucho menos exacto, la precisión de los mejores relojes de cuarzo es de un segundo por mes, la de los "normales" de unos 30 segundos por mes.

Quizás parezca que tanta precisión es una tontería pero si pensamos que la señal de radio que reciben nuestros dispositivos, en el vacío del espacio viaja a la velocidad de la luz y cuando pasa a través del aire, ya que este es lo suficientemente delgado y permeable, viaja muy cerca de la velocidad de la luz (300.000 km por segundo), la señal que emite un satélite geoestacionario situado justo sobre nuestra cabeza, a unos 35.000 km de la tierra, tarda 8,5714285714 milésimas de segundo (si no he calculado mal) en llegar.
Es decir, trabaja con cantidades de tiempo muy muy pequeñas para poder medir velocidades muy altas.. y el mínimo error, a nivel de nuestra posición, son cientos de metros... si no cientos de kilómetros.

En el siguiente mensaje hablaremos mas de la de la precisión y veremos lo que ofrecen los diferentes sistemas que hay activos o que estarán activos en breve

Re: GPS, GLONASS, GALILEO Y BEIDU: Sistemas de posicionamiento global vía satelite

Publicado: Mié Nov 28, 2018 5:14 pm
por Sombra
Bien, continuemos....

El primer sistema de posicionamiento global, el GPS, tiene su origen como aplicación militar y su precisión, en parte (más adelante hablaremos de otras cosas que afectan a esa precisión), depende de lo que decide el gobierno estadounidense. La tecnología necesaria se obtuvo en 1.967 y los primeros 11 satélites que crearon la red operativa NAVSTAR se lanzaron entre 1.978 y 1.985. Luego se fue imolementando el sistema actual con nuevos satélites que llegaron a tener capacidad inicial en 1.993 y ya capacidad capacidad operacional total en 1.985.
De hecho, en un momento dado, podrían encriptar la señal de sus satélites y dejar inoperativos a todos los dispositivos GPS del mundo menos a sus dispositivos militares.
De forma continua encriptan los últimos dígitos de su señal de satélite lo que reduce la precisión a, en la mayoría del planeta, unos 25 metros.

¿Porque nuestros GPSs en ocasiones nos dicen que la posición esta calculada con una precisión de 5 m o incluso de 2 m?
En realidad no es porque los USA hayan "abierto la mano" y dado mas precisión al sistema. Es porque la iniciativa privada ha llegado a idear sistemas que intentan compensar ese error introducido sumando la señal que les llega de mas satélites y, como sus posiciones y alturas si son conocidas con bastante exactitud, restan las señales entre ellos para hayar el error que cada señal incorpora.

Para entender esto, regeesemos a nuestra habitación con sus ganchos en el techo. Ganchos que podemos medir exactamente donde están colocados igual que sabemos esa información de los satélites.
Si las tres cuerdas no son exactamente del largo correcto (la señal de los satélites no es exacta) poco podemos hacer: habrá diferentes posiciones en las que podremos tener dos tensas pero la tercera no llegara o sobrará... y esa tercera podrá ser cualquiera de las tres. Todo sucederá en un trozo mas o menos pequeño (dependiendo del error que tengan las cuerdas) pero sera imposible dar con un punto exacto.
Imaginemos ahora que ponemos un cuarto, un quinto, un sexto, etc ganchos en el techo.
Aunque ías cuerdas que de ellos cuelguen no sean exactas, sabiendo sus posiciones, podemos inferir, suponer, cual debería ser su largo si la posición nuestra fuese exacta, es decir, aceptamos, "nos creemos" que la posición que tres de ellos nos dan es buena y comprobamos con un cuarto y vemos el error de ese cuarto. Luego se hace eso con otro y con otro y con otro (lo hace nuestro receptor si esta programado para ello) incluso con los tres primeros tomando otros tres ya corregidos y, en cada ciclo de cálculo, va reduciendo el error (por eso tarda en tener mas precisión).

Así que esa "mejora de precisión" no la da el sistema si no los aparatos que manipulan la información que ofrece y la intentan mejorar.

Si entramos en tecnicismos hay muchos otros factores que afectan a la precisión, de hecho lo su eles he explicado es tan poco importante que casi se puede decir que no es cierto, pero sirve para entender la precisión o la falta de ella.
Otro detalle importante es el numero de satélites en orbita y que orbitas son esas, cito:
Satélites en la constelación: 24 (4 × 6 órbitas)
Altitud: 20 200 km
Período: 11 h 58 min (12 horas sidéreas)
Inclinación: 55 grados (respecto al ecuador terrestre).
No perdamos de vista esos 55°. Del ecuador a cada polo hay 90° recordemos también eso.

El siguiente sistema activo, por antigüedad, es el soviético GLONASS, hoy ruso que empezó a lanzarse en 1.982 por lo que su tecnología es anterior a esa época, aunque, como todos, va intentando actualizarla con los nuevos lanzamientos.
También tiene un origen militar y constan de una constelación de 31 satélites (24 en activo, 3 satélites de repuesto, 2 en mantenimiento, uno en servicio y otro en pruebas) situados en tres planos orbitales con 8 satélites cada uno y siguiendo una órbita inclinada de 64,8° con un radio de 25.510 km. La constelación de GLONASS se mueve en órbita alrededor de la Tierra con una altitud de 19.100 km (diecinueve mil cien kilómetros) algo más bajo que el GPS (20.200 km) y tarda aproximadamente 11 horas y 15 minutos en completar una órbita.

Aparte de tener, al ser de origen militar, las mismas restricciones que la red GPS (o similares) y estar sujeta su disponibilidad y precision al criterio de Rusia, la triste realidad es que la situación económica de Rusia en los años 90 supuso que en abril de 2002 sólo 8 satélites estuvieran completamente operativos. En 2004, 11 satélites se encontraban en pleno funcionamiento. A finales de 2007 son 19 los satélites operativos. Son necesarios 18 satélites para dar servicio a todo el territorio ruso y 24 para poder estar disponible el sistema en todo el mundo.
Así que, además de la posible veleidad del gobierno ruso en funcion de sus intereses geopolíticos el sistema esta sujeto a sus vaivenes económicos.

El siguiente sistema, por su fecha de implantación, es el GALILEO,

Pertenece a la Agencia Espacial Europea y es el primer (y único) sistema 100% civil aunque su aplicación militar esta contemplada. Su funcionamiento y disponibilidad depende de la Unión Europea y, en consecuencia, de sus actualmente tras el brexit 27 miembros así que, esencialmente, no esta sujeto al capricho o los intereses de un gobierno dado.
Se empezaron a lanzar en el 2.008 con satélites de pruebas y los primeros operativos se lanzaron en el 2.011.

Esta formado por una constelación mundial de 30 satélites operativos en órbita terrestre media distribuidos en 3 planos inclinados con un ángulo de 56° hacia el ecuador, a 23222 km de altitud. Se van a distribuir diez satélites alrededor de cada plano y cada uno tardará 14 horas para completar la órbita de la Tierra. Cada plano tiene un satélite de reserva activo, capaz de reemplazar a cualquier satélite que falle en ese plano.

El ultimo sistema en discordia es el BEIDU chino.

Inicialmente China negoció adherirse al sistema europeo GALILEO e incluso llego a ser admitida en el mismo y a hacer una notable aportación económica pero posteriormente se retiro del proyecto y emprendió el suyo propio (cualquier malpensado diría que lo hicieron para tener acceso a alguna tecnología de la que carecían... pero no seamos malpensados).
BEIDU tiene los mismos problemas que GPS y GLONASS, nace como instrumento militar y depende únicamente de un país y de la veleidad e intereses geopolíticos de su gobierno, con el agravante de que se trata de un régimen autoritario y no democrático.
Técnicamente es el que tiene la tecnología mas nueva o, mejor dicho, lo sera cuando implementen el nuevo sistema BEIDU-2 también denominado COMPASS porque el actual BeiDou-1 calcula las coordenadas únicamente con dos satélites y una estación en tierra dando cobertura tan solo al territorio chino y limítrofes. Esto implica la necesidad de enviar una señal desde el dispositivo remoto, cosa que no hacen ninguno de los otros tres sistemas. El futuro BEIDU-2 o mas bien COMPASS se presupone que será idéntico al GALILEO.

Re: GPS, GLONASS, GALILEO Y BEIDU: Sistemas de posicionamiento global vía satelite

Publicado: Mié Nov 28, 2018 5:25 pm
por Sombra
EN RESUMEN Y A EFECTOS PRÁCTICOS:

Hoy por hoy el único sistema con garantia de estar 100% operativo es el GPS pero el GALILEO esta ya operativo y lo estará al 100% para el 2.020. El sistema ruso GLONASS parece estar también 100% operativo pero su uso y sobre todo los dispositivos que lo implementan tienen ciertas limitaciones. COMPASS es solo un proyecto a día de hoy y BEIDU-1 se limita a China y su entorno.

El sistema con más independencia de volubilidades políticas, operatividad y precisión es y sera el GALILEO y también, a falta de saber lo que implementan los chinos en su COMPASS, el de mayores prestaciones y precisión, en concreto leemos (y cito):
Este Sistema Global de Navegación por Satélite (GNSS), además de prestar servicios de autonomía en radionavegación 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. Al ofrecer dos frecuencias en su versión estándar, Galileo brindará ubicación en el espacio en tiempo real con una precisión del orden de 1 metro para el sistema gratuito, y de hasta 1 cm en el de pago, algo sin precedentes en los sistemas públicos.

Del mismo modo, los satélites Galileo, a diferencia de los que forman la malla GPS, estarán en órbitas ligeramente más inclinadas hacia los polos. De este modo sus datos serán más exactos en las regiones cercanas a los polos, donde los satélites estadounidenses pierden notablemente su precisión.

Asimismo, garantizará la disponibilidad continua del servicio, excepto en circunstancias extremas, y, con el apoyo de EGNOS, informará a los usuarios en segundos en caso del fallo de un satélite. Esto lo hace conveniente para aplicaciones donde la seguridad es crucial, tal como las aplicaciones ferroviarias, la conducción de automóviles o el control del tráfico aéreo. El uso de EGNOS para aviación civil mediante el procedimiento LPV es el recomendado por la ICAO (Organización Internacional de Aviación Civil), en detrimiento del actual ILS. El uso combinado de Galileo y otros sistemas GNSS ofrecerá un gran nivel de prestaciones para todas las comunidades de usuarios del mundo entero.

Una preocupación importante de los actuales usuarios de la radionavegación por satélite es la fiabilidad y vulnerabilidad de la señal. En los últimos años, se han producido varios casos de interrupción del servicio por causas tales como interferencia accidental, fallos de los satélites, denegación o degradación de la señal. En este contexto, Galileo realizará una importante contribución a la reducción de estos problemas al proveer en forma independiente la transmisión de señales suplementarias de radionavegación en diferentes bandas de frecuencia. En total, utilizará 10 radiofrecuencias, de la siguiente manera:

4 frecuencias en el rango de 1164-1215 MHz (E5A-E5B)
3 frecuencias en el rango de 1260-1300 MHz (E6),
3 frecuencias en el rango de 1559-1591 MHz (L1).
Servicios Editar

Galileo está concebido para usuarios multimodales. A fin de responder a las diferentes necesidades, el sistema proveerá cinco servicios.

Servicio abierto (Open Service – OS)
Orientado a aplicaciones para el público en general. Proveerá señales para proporcionar información precisa de tiempo y posicionamiento en forma gratuita.

Cualquier usuario equipado con un receptor podrá acceder a este servicio, sin necesidad de ninguna autorización. La precisión de posición y la disponibilidad serán superiores a las de GPS y sus versiones futuras. El servicio abierto permitirá a los usuarios que posean receptores de uso corriente determinar su posición con un margen de error de unos pocos metros. Se estima que la mayoría de los receptores utilizarán señales conjuntas de Galileo y GPS, lo que ofrecerá a los usuarios una notable mejora en la prestación de servicios en áreas urbanas.

Las frecuencias serán E5A, E5B, E1.

Servicio para aplicaciones críticas (Safety-of-Life - SoL)
Se utilizará para la mayoría de las aplicaciones de transporte donde la vida humana se podría poner en peligro si la prestación de los servicios del sistema de radionavegación se viera degradada sin notificación en tiempo real.

Este servicio proporcionará la misma precisión en posicionamiento y en información precisa de tiempo que el servicio abierto. La diferencia principal es el alto nivel de integridad de cobertura mundial para las aplicaciones donde la seguridad es crítica, como por ejemplo la navegación aérea y las aplicaciones ferroviarias donde la precisión garantizada es esencial. Este servicio aumentará la seguridad, especialmente donde no hay servicios tradicionales de infraestructura terrestre. Su alcance mundial aumentará la eficiencia de las empresas que operan a escala mundial como aerolíneas y compañías marítimas transoceánicas.

El servicio estará asegurado y sus prestaciones se obtendrán mediante el uso de receptores certificados de doble frecuencia. En tales condiciones la futura Sociedad de Explotación GALILEO (GALILEO Operating Company – GOC) garantizará el servicio SoL.

Las frecuencias serán E5A, E5B, E1.

Servicio Comercial (Commercial Service – CS)
Estará orientado a aplicaciones de mercado que requieren un nivel de prestaciones superior que las que ofrece el servicio abierto. Brindará servicios de valor añadido a cambio del pago de un canon.

El servicio comercial agrega dos señales a las señales de acceso abierto. Este par de señales está protegido mediante cifrado comercial, el cual será gestionado por los prestadores de servicios y la futura GOC. El acceso será controlado a nivel de receptor con claves de protección de acceso. Ejemplos de servicios típicos de valor añadido incluyen difusión de datos, garantías de servicio, servicios de información precisa de tiempo, provisión de modelos ionosféricos y señales locales de corrección diferencial para proporcionar gran precisión. Varios de estos servicios serán desarrollados por terceros —prestadores regionales—, quienes comprarán a la sociedad explotadora del sistema, GALILEO Operating Company, el derecho de uso de las señales comerciales.

La frecuencia será E6.

Servicio público regulado (Public Regulated Service – PRS)
Servicio "robusto" y de acceso controlado para aplicaciones gubernamentales. El servicio PRS será utilizado por usuarios tales como la policía y la aduana.

Instituciones civiles controlarán el acceso al servicio PRS cifrado cuyo ingreso por región o grupo de usuarios cumplirá las políticas de seguridad aplicables en toda Europa. Deberá estar operativo en todo momento y en cualquier circunstancia, especialmente en períodos de crisis o cuando otros servicios puedan estar interferidos intencionadamente. El PRS es un servicio independiente, en forma tal que otros servicios pueden ser denegados sin que esto afecte a la disponibilidad del servicio PRS. Una característica que destaca al servicio PRS es la robustez de su señal, lo cual lo protege contra los efectos de las interferencias intencionadas y de los intentos de emisión intencionada de una señal modificada.

Las frecuencias serán E6 y E1.

Servicio de búsqueda y salvamento (Search and Rescue Service – SAR)
Este servicio brindará importantes mejoras al sistema de Búsqueda y Salvamento (SAR) existente, como por ejemplo:

Recepción casi en tiempo real de mensajes de socorro transmitidos desde cualquier punto de la Tierra (el tiempo medio de espera es actualmente de una hora).
Localización precisa de alertas (pocos metros, en lugar de los 5 km actualmente especificados).
Detección por múltiples satélites para evitar el bloqueo en condiciones de poca visibilidad de los satélites.
Mayor disponibilidad del segmento espacial (30 satélites en órbita terrestre media que se añaden a los cuatro satélites en órbita terrestre baja y los tres satélites geoestacionarios del actual sistema).
Por otra parte Galileo introducirá nuevas funciones, tales como enlace de retorno (del operador del SAR a la baliza emisora de socorro). De esta forma, facilitará las operaciones de rescate y ayudará a reducir el índice de falsas alarmas. Este servicio se está definiendo en cooperación con los responsables del sistema COSPAS-SARSAT y sus características y operaciones se regulan bajo el control de la Organización Marítima Internacional (OMI) y la Organización de Aviación Civil Internacional (OACI).
En resumen, la opción mas interesante, y más a futuro, es optar por un dispositivo capaz de trabajar con GALILEO

Saludos, espero que os sea de utilidad y, cualquier duda, no dudéis en preguntar

Re: GPS, GLONASS, GALILEO Y BEIDU: Sistemas de posicionamiento global vía satelite

Publicado: Mar Dic 18, 2018 11:07 pm
por azimut
Gracias Sombra. Muy buena información. Lo voy a leer detenidamente, ya que soy usuario de GPS (tengo un par viejos que todavía funcionan y estoy pensando en actualizarme). Cordiales saludos desde Buenos Aires

Re: GPS, GLONASS, GALILEO Y BEIDU: Sistemas de posicionamiento global vía satelite

Publicado: Mié Dic 19, 2018 8:22 am
por tarkus
Me sumo a los agradecimientos de Azimut.

Re: GPS, GLONASS, GALILEO Y BEIDU: Sistemas de posicionamiento global vía satelite

Publicado: Jue Dic 20, 2018 12:50 am
por Aled86
(-H-) (-H-) (-H-) muchas gracias compañero, muy completa e interesante la info que nos brinda. Apenas tenga un tiempito leo el post con más detenimiento.. había leído algo hace un tiempo de los diferentes sistemas de posicionamiento cuando marcas de celulares empezaron a publicitar que trabajaban con GPS y GLONASS a la vez pero no profundice sobre el asunto..