Los sistemas de
posicionamientos, han sido de gran utilidad en el desarrollo de la humanidad.
Gracias a ellos obtenemos la lectura de posicionamiento de un terreno
cualesquiera, y también, obtener las medidas de este.
Se puede decir que la era
de la geodesia espacial fue efectivamente iniciada por la URSS en octubre de
1957 con el lanzamiento del primer satélite artificial de la tierra: el Sputnik
I.
Posteriormente pudo
observarse que determinando e corrimiento Doppler de las señales
radiodifundidas por el sputnik, desde estaciones de posición conocidas, era
posible establecer la orbitas del satélite.
Esto permitió el planteo
inverso, es decir, si la órbita era conocida previamente sería posible obtener
la posición de un receptor en una ubicación cualquiera. Para ello haría que
realizar observaciones durante varios pasos del satélite.
Durante la década
siguiente la investigaciones se orientaron a desarrollar y perfeccionar los
métodos básicos de observaciones satelitales y de cálculos de orbitas
encaminados a implementar sistemas de posicionamiento y de determinación del
campo de gravedad terrestre, lo que permitió crear el primer sistema de
posicionamiento.
El sistema Transit
Este sistema, concebido
con fines exclusivamente militares, se basó en observaciones Doppler y entró en
operaciones en el año 1964. Posteriormente, en 1967, se comenzó a utilizar en
trabajos de tipo geodésico tales como mediciones de redes geodésicas extensas,
determinación de parámetros entre sistemas geodésicos, y otras aplicaciones
científicas y tecnológicas.
Estuvo funcionando hasta
el año 1996. Su salida de operación se debió fundamentalmente a que un nuevo
sistema estaba operando exitosamente superando importantes deficiencias que
caracterizaban a su predecesor.
Las principales
deficiencias que presentaba el Sistema Transit eran:
v Dada la escasa altura de las órbitas, éstas eran muy
afectadas por las variaciones del campo de gravedad.
v La transmisión de la señal era fuertemente alterada
por la refracción atmosférica debido a que la frecuencia de emisión era
relativamente baja.
v Se producían huecos en las observaciones muy grandes debido
a la configuración y al número reducido de satélites de la constelación (entre
5 y 7).
El Sistema de Posicionamiento Global GPS
La implementación del programa
NAVSTAR, GPS (Navigation System Timing And Ranging, Global Positioning System)
fue efectivamente iniciada en diciembre de 1973. El 22 de febrero de 1978 fue
lanzado el primer satélite de una serie de cuatro.
La responsabilidad del
desarrollo y mantenimiento del sistema recae en el Departamento de Defensa de
los Estados Unidos, División Sistema Espacial. Esa dependencia se debía a que
el sistema fue concebido, igual que Transit, para uso militar.
GPS es un sistema que
tiene como objetivo la determinación de las coordenadas espaciales de puntos
respecto de un sistema de referencia mundial. Los puntos pueden estar ubicados en
cualquier lugar del planeta, pueden permanecer estáticos o en movimiento y las
observaciones pueden realizarse en cualquier momento del día.
Para la obtención de
coordenadas el sistema se basa en la determinación simultánea de las distancias
a cuatro satélites (como mínimo) de coordenadas conocidas. Estas distancias se
obtienen a partir de las señales emitidas por los satélites, las que son
recibidas por receptores especialmente diseñados. Las coordenadas de los satélites
son provistas al receptor por el sistema.
Desde el punto de vista
geodésico-topográfico, el Sistema GPS responde a dos requerimientos básicos:
v Planteo directo o levantamiento: se tiene en el
terreno un punto materializado, un pilar con placa y marca, un mojón, etc. Se piden
sus coordenadas en un sistema de referencia prefijado.
v Planteo inverso o replanteo: se dan las coordenadas de
un punto en un sistema de referencia determinado y se pide la localización de
dicho punto, que, de no estarlo ya, será materializado en el terreno.
La operatividad del
sistema no implica un compromiso legal del gobierno de Estados Unidos. Por lo
tanto la Agencia Cartográfica del Departamento de Defensa, NIMA (National Imagery
and Mapping Agency) puede modificar sin previo aviso su funcionamiento alterando,
por ejemplo, el denominado mensaje de navegación (en el que está incluida
información esencial para el cálculo como son las coordenadas de los
satélites), limitando el acceso a uno o más componentes de la señal, alterando
el estado de los relojes, degradando la precisión de las órbitas, etc.
De todos modos el acceso
a las señales que emiten los satélites es de carácter público, no requiriéndose
licencia o autorización alguna, al menos hasta el año 2005.
En la actualidad, el uso
civil de GPS ha sobrepasado largamente el uso militar, convirtiéndose de hecho
en un servicio público de carácter mundial de enorme importancia y con
innumerables aplicaciones.
Ante incesantes
requerimientos, el gobierno de los Estados Unidos se ha comprometido a mantener
operativo el sistema al menos hasta el año 2010.
El tiempo GPS está
definido por el reloj atómico de Cesio de la Estación de Control Maestra.
El origen de la escala de
tiempo GPS se fijó coincidente con el UTC (Tiempo Universal Coordinado), a las
0 horas del 6 de enero de 1980. La unidad del UTC es el segundo atómico, pero
está sometido a periódicos reajustes a causa del movimiento irregular de la
Tierra, razón por la cual la diferencia entre tiempo GPS y UTC, que se fijó en
cero segundos en 1980, se fue modificando siendo el 1 de enero de 2005 de 13 segundos.
Una unidad de tiempo
utilizada por el sistema es el número de semana GPS (NSGPS) equivalente a
604800 segundos. La cuenta de la semana GPS comenzó con el origen de la escala
de tiempo GPS. Cuando se completó la semana 1023 la NSGPS se reinicializó, es
decir, la medianoche de 21 de agosto de 1999 se comenzó a contar nuevamente
desde 0.
El sistema está
constituido por tres segmentos fundamentales:
v Espacial
v De control
v Del usuario
Sistema de navegación Galileo
Galileo es un sistema
global de navegación por satélite (GNSS) desarrollado por la Unión Europea
(UE), con el objeto de evitar la dependencia de los sistemas GPS y GLONASS. Al
contrario de estos dos, será de uso civil. El sistema se espera poner en marcha
en 2014 después de sufrir una serie de reveses técnicos y políticos para su
puesta en marcha.
nicialmente Galileo iba a
estar disponible en 2008, aunque el proyecto acumula ya 12 años de retraso y no
podrá comercializar sus primeros servicios hasta 2020, entre otros motivos, por
disensiones entre los países participantes.
En julio de 2005 entró en
funcionamiento el sistema EGNOS, un sistema de aumentación basado en satélites
(SBAS) que corrige las señales de sistemas GNSS en Europa. Por el momento, este
sistema está disponible para mejorar la precisión y dar integridad a las
señales de GPS y GLONASS, y se espera que en un futuro mejore también la señal
de GALILEO. En otras regiones del mundo hay otros sistemas similares
compatibles con EGNOS: WAAS de Estados Unidos, MSAS de Japón y el GAGAN de la
India.
El 28 de diciembre de
2005 se lanzó el satélite de pruebas Giove-A (Galileo in-orbit validation
element), primero de este sistema de localización por satélite, desde el
cosmódromo de Baikonur, en Kazajistán. El segundo de los satélites de prueba,
el Giove-B debería haberse lanzado en abril de 2006, pero por problemas con el
ordenador a bordo, el lanzamiento fue retrasado hasta el 25 de abril de 2008,
teniendo lugar desde el mismo cosmódromo.
El 21 de octubre de 2011
se lanzaron los dos primeros satélites del programa.3 y el 12 de octubre de
2012 los dos siguientes, lo que conforma la constelación mínima de cuatro
satélites completamente operativa de este sistema.
En julio de 2013 se logró
con éxito la fijación de la posición utilizando los cuatro satélites Galileo
que había en órbita. .
Se ha programado el
lanzamiento de 18 satélites más en 2013 y 2014 con lo que, a finales de 2014,
se pondrán en funcionamiento los servicios de navegación en toda Europa. Al
final del proceso, Galileo estará formado por 30 satélites que orbitarán en
tres órbitas diferentes.
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 metros, 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:
v 4 frecuencias en el rango de 1164-1215 MHz (E5A-E5B)
v 3 frecuencias en el rango de 1260-1300 MHz (E6),
v 3 frecuencias en el rango de 1559-1591 MHz (L1).
GLONASS
Es un Sistema Global de
Navegación por Satélite (GNSS) desarrollado por la Unión Soviética, siendo hoy
administrado por la Federación Rusa y que constituye el homólogo del GPS
estadounidense y del futuro Galileo europeo.
Los tres primeros
satélites fueron colocados en órbita en octubre de 1982. El sistema fue pensado
para ser funcional en el año 1991, pero la constelación no fue terminada hasta
diciembre de 1995 y comenzó a ser operativo el 18 de enero de 1996. Ese mismo
año la ya Federación Rusa ofreció el canal de exactitud normalizada (CSA) del
GLONASS para apoyar las necesidades de la Organización de Aviación Civil
Internacional OACI, y ésta aceptó el ofrecimiento.
GLONASS utilizó
inicialmente el sistema geodésico ruso PZ-90 que era sensiblemente diferente
del sistema WGS 84; y como los parámetros de transformación entre los dos
sistemas de referencia no se conoce con precisión, era necesario prestar
atención a los sistemas a los que se refiere. En septiembre de 2007, el sistema
fue adaptado y actualizado. Llamado PZ-90.02, está de acuerdo con el sistema ITRF2000,
que se ajusta como WGS 84
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.
En 2007, Rusia anuncia
que a partir de ese año se eliminan todas las restricciones de precisión en el
uso de GLONASS, permitiendo así un uso comercial ilimitado. Hasta ahora las
restricciones de precisión para usos civiles eran de 30 metros.
La aparición en el
mercado de receptores que permiten recibir señales pertenecientes a los dos
sistemas GLONASS y GPS (con sistemas de referencia diferentes) hace interesante
las posibilidades de GLONASS en la medición como apoyo al GPS norteamericano.
En agosto de 2001, el
gobierno de la Federación Rusa adoptó un programa especial federal a largo
plazo por 10 años. Los principales objetivos del programa son:
Restablecer el segmento
orbital del sistema GLONASS a 24 satélites para el período 2007-2008;
Modernizar los satélites
de navegación, comenzando con la segunda generación de satélites (GLONASS-M)
que tienen más prestaciones y una vida útil que se ha elevado a siete años. Se
incorpora en estos satélites la señal L2 en 2005.
Después de 2007 (se prevé
completar la constelación en 2012), remplazar gradualmente los satélites con
los de la tercera generación (GLONASS-K) que, junto con unas mejores
prestaciones y una vida útil de 10 a 12 años, tendrán la posibilidad de emitir
la señal de navegación en la frecuencia L3 (además de L1 y L2) por la banda de
radionavegación aeronáutica.
Proveer al GLONASS con
capacidades de Búsqueda y Salvamento (SAR) a partir de GLONASS-Km de manera
similar al sistema COSPAS–SARSAT.
Los satélites de segunda
generación GLONASS-M, además incorporar la nueva señal civil L2 (mejorando con
esto la exactitud y fiabilidad de la navegación y mejora la inmunidad frente a
interferencias en el receptor para uso civil), posee radioenlaces entre
satélites para realizar el control en línea de la integridad del sistema y
aumentar la duración de la operación autónoma de la constelación de satélites
sin pérdida de la exactitud de navegación.
Los satélites de tercera
generación GLONASS-K tendrán parámetros de tamaño y masa considerablemente
mejores. Su peso no excederá de 700 kg, lo que permitirá lanzar estos satélites
empleando el cohete de lanzamiento Protón con seis satélites en un solo
lanzamiento; a su vez, esto permitirá restablecer el segmento orbital en un
corto período y el cohete de lanzamiento Soyuz, con dos satélites en un
lanzamiento, permitirá mantener el segmento orbital en el futuro. Estas
capacidades permitirán reducir varias veces los costos de despliegue y
mantenimiento del segmento orbital del sistema GLONASS.
El programa prevé también
realizar tareas de investigación científica y de diseño experimental para el
desarrollo de la nueva generación de satélites, a fin de modernizar el complejo
de control de tierra del sistema GLONASS y para iniciar la producción de equipo
de usuario, aumentaciones y un sistema de vigilancia del estado del segmento
orbital.
Compass
El sistema de navegación
por satélite Compass (también conocido como Beidou-2) es un proyecto que lleva
a cabo la República Popular China y que tiene como objetivo desarrollar un
sistema de navegación por satélite independiente. El actual sistema Beidou
(constituido por 4 satélites) es de carácter experimental y tiene una cobertura
y aplicaciones limitadas. Sin embargo, con el sistema Compass, China planea
desarrollar un verdadero sistema global de navegación por satélite formado por
35 satélites.
Como se ha dicho, el
nuevo sistema será una constelación de 35 satélites. Ésta incluirá 5 satélites
de órbita terrestre geosíncrona (GEO) y 30 de órbita terrestre media (MEO), que
ofrecerán una completa cobertura del globo. El sistema estará preparado para
proveer dos niveles de servicios; servicios libres para el pueblo chino y
servicios autorizados solo para uso militar.
Los servicios libres
tendrán una exactitud de localización con un error inferior a los 10 metros de
distancia, una sincronización de reloj con un error de unos 50 ns y una
precisión en la medición de la velocidad de 0.2 m/s de margen.
Los servicios militares
serán aún más precisos que los anteriores, y podrán ser usados para
comunicaciones, además de que suministrarán información sobre el estado del
sistema.
Dos satélites del sistema
Compass fueron lanzados a principios del 2007. En los próximos años, China
planea continuar experimentando con el sistema y llevar a cabo operaciones de
configuración del mismo.
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