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Sistema de posicionamiento global satelital
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UNIVERSIDAD DE CIENCIAS
Y HUMANIDADES
INGENIERIA ELECTRONICA CON MENCION EN
TELECOMUNICACIONES
SISTEMA DE NAVEGACION GLONASS
Arévalo Orella
Chávez Oyangurén
Jiménez Orihuela Jhonatan
Muñoz Canales Alonso
Lima Diciembre de 2012
Presentación
El siguiente trabajo tiene como propósito motivar e informar de este nuevo sistema
de navegación poco conocido, pero similar al sistema de navegación GPS en
esencia, y que promete mejores resultados que el anterior.
La importancia del estudio de este sistema de navegación radica en sus
aplicaciones comerciales de localización, además de conocer su funcionamiento
por ser de origen ruso y que nos permite conocer la tecnología de esta potencia
tecnológica.
Las fuentes en español fueron variadas pero escasas y poco detalladas, sin
embargo se hizo el esfuerzo de compilar la mayor y mejor información posible.
La principal dificultad fue justamente la obtención de datos tanto es español e
ingles, ya que al ser origen ruso es en este idioma de donde se encuentra la
información pertinente.
Durante esta exposición se brindara los conceptos básicos del funcionamiento de
este Sistema, así como el marco histórico de su desarrollo, y además lo s
requisitos necesarios para trabajar con él.
Sumario
Presentación 2
Sumario 3
Introducción 4
1. Marco teórico 5
1.1 Definiciones matemáticas 6
1.2 Modulación 7
2. Historia 10
3. Composición de sistema GLONASS 12
4. Requisitos de sistema GLONASS 15
5. Implementación de interfaz 20
6. Aplicaciones 22
7. Conclusiones 23
8. Apéndice 24
SBASS
NMEA
9. Bibliografía 27
10. Glosario 28
Introducción
Hoy en día es común escuchar sobre los sistemas de posicionamiento global ya
que son los más usados en la geo-localización sea en transporte, topografía,
aeronáutica, ubicación, etc. Pero tienen poca precisión en territorios accidentados,
sin embargo se tienen muchas expectativas a futuro para este nuevo sistema de
navegación.
Como se mencionó, la localización lo más exacta posible de una persona, vehículo
o lugar, es la mayor necesidad que promueve la investigación y desarrollo del
sistema GLONNAS, ya que aspira competir con el muy conocido GPS que debido
a las restricciones de seguridad militar impuestas por el gobierno quien lo
desarrolló (EEUU), su exactitud es deliberadamente alterada en un rango de error
de 10 metros; es así que el sistema GLONNAS pretende ser quien suplante a esta
tecnología, aunque por el momento sea su mejor complemento.
Aparte de GLONNAS (Rusia), existen otros dos sistemas de navegación:
GPS (EEUU): conocido en su etapa de desarrollo como Navstar y que es el más
usado en la actualidad-
Galileo (EU): Versión Europea de sistema de navegación satelital, que lleva
retrasos debido a la crisis económica.
El objetivos de este trabajo será entonces la información y orientación sobre el
sistema de navegación GLONASS ya sea en su composición, requisitos, criterios
de interfaz, aplicaciones, etc.
Todo lo mencionado a continuación…
1. Marco teórico
SoL: (Proyecto de emergencia civil) creado por el sistema de navegación Galileo,
esta aplicación se le implementará al GLONASS.
UTC: tiempo coordinado universal.
PZ-90: es un sistema de recepción terrestre de los años 90, donde las
coordenadas están definidas de la misma forma que en el Marco Internacional de
Referencia Terrestre (ITRF), pero este era sensiblemente diferente del sistema
WGS-84 (GPS) por ellos en el 2007 fue adaptado y actualizado y renombrado a
PZ-90.02.
Efecto Multi path: son los efectos de la señal ya sea GPS, Galileo o GLONASS
que llega a la antena por múltiples caminos debido a la reflexión de la señal por
tierra u objetos cercanos como edificios, carros, etc. El efecto Multi path
distorsiona los datos modulados en la portadora así como la fase de la señal.
FDMA: el acceso múltiple por multiplexación en frecuencia consiste en dividir un
rango de frecuencias en canales de tal manera que se puedan transmitir distintas
señales a la vez por diferentes portadoras sin que interfieran entre sí.
Los sistemas FDMA son fáciles de implementar, pero por el contrario su
configuración es rígida ya que cada transmisor sólo puede usar su frecuencia
conocida para enviar las señales.
En el caso de GLONASS el ancho de banda asignado se divide entre los satélites
que forman la constelación, transmitiendo cada satélite en su propia portadora.
Señal portadora: es una forma de onda, que es modulada por una señal que se
quiere transmitir. Esta onda es de una frecuencia mucho más alta que la de la
señal moduladora. Al modular una señal desplazamos su contenido en frecuencia,
ocupando un cierto ancho de banda alrededor de la frecuencia de la onda
portadora, permitiendo multiplexar en frecuencia varias señales utilizando
diferentes ondas portadoras y conseguir así un uso más eficiente.
CSA: canal de precisión estándar.
CHA: canal de alta precisión.
PNR: ruido Pseudo-aleatorio.
Efemérides: información electrónica en cuanto a altitud y en datos de localización
exacta que lo receptores GLONASS (satélites).
1.1 Definiciones matemáticas.
Capacidad de canal
Se conoce en teoría de la comunicación a la capacidad de un canal. Como la
velocidad por la que se puede transmitir los datos a través de este flujo de datos
por el que se puede transmitir.
De ella se deduce que el canal está limitado por 3 parámetros que son W (ancho
de banda), S (potencia de señal emitida), N (potencia de ruido del canal) y su
unidad es bits/s.
Función de auto-correlación.
Fórmula matemática que permite medir la correlación entre 2 variables.
Donde f(t) es la función, f*(t) su conjugada y la función de auto-correlación la
convolución de amabas.
La función de auto-correlación permite encontrar patrones repetitivos dentro de
una señal, como por ejemplo, la periodicidad de una señal que no contiene dicha
componente, pero aparece numerosas frecuencias armónicas de ésta.
Se dice que 2 señales son ortogonales si su función de autocorrelación cumple
que Rf(Ƭ)=1 si Ƭ=0 y Rf(Ƭ)=0 si Ƭ no es 0. Este tipo de señales son muy útiles a la
hora de discriminar distintos patrones mediante la correlación cruzada de 2
señales (correlación de 2 señales distintas) cuando una de las señales es
desconocida.
1.2 Modulación
Modulación BPSK
Es una modulación digital que se basa en el cambio de fase de la portadora
cuando cambia el dato que le llega. Es el caso más simple de todas las posibles
modulaciones PSK ya que posee dos estados que se corresponden con el valor
de un bit: “0” y “1”.
En las señales de navegación el cambio de fase viene dado por un tren de bits
que está formado normalmente por la suma en módulo-2 de la secuencia PRN y el
mensaje de navegación.
Espectro ensanchado
Es una técnica para transmitir señales con muy poca potencia en un gran ancho
de banda. Esta técnica se basa en la definición de capas de canal, ya que se
puede intercambiar un parámetro como es el ancho de banda (W), por otro como
la potencia transmitida (S), sin perder capacidad de transmisión.
- Resiste interferencias.
- Capacidad de compartir el ancho de banda con otras señales.
- Inmune al multi-trayecto.
- Privacidad debido a la codificación de su información.
Por ello es muy adecuado para la transmisión de información por satélites.
Usa la técnica FHSS donde la señal se modula con una portadora cuya frecuencia
varía en función del código.
Generación de los códigos PRN
Es el resultado de muestrear el séptimo registro de un bando de nueve registros
que se desplazan a una frecuencia de 0.511 MHz.
En la siguiente imagen se puede apreciar el uso de los divisores en frecuencia
para obtener dicha frecuencia, así como el banco de registros y la salida de bit del
séptimo registro al modulador.
Identificación de los códigos PRN
La función de auto-correlación es de vital importancia para la recepción de la
información transmitida por los satélites de navegación. Los satélites transmiten
una señal en espectro expandido utilizando técnicas de acceso al medio como
CDMA, dicha señal es identificada en recepción a través de la función de auto-
correlación.
Los códigos PRN que se generan deben tener la máxima auto-correlación posible:
- Para t=0 debe haber un pico lo más acusado posible (el código será mejor
cuanto más largo sea).
- El nivel de los lóbulos secundarios debe ser bajo (el código será mejor
cuanto más elevado sea).
De manera discreta la función de auto-correlación se define como la convolución
en tiempo discreto de la función anterior.
Siendo xn el símbolo enésimo del código PRN en cuestión y siendo máxima la
auto-correlación para n=j.
De esta forma el receptor es capaz de discriminar los códigos que le llegan
identificando el código correcto a partir de la correlación cruzada de dicho código
periódico de longitud N con los códigos que el receptor posee almacenados o que
es capaz de generar.
Se puede dar 3 posibles casos en la detección de los códigos PRN:
1. No existe correlación ninguna entre códigos puesto que el receptor emplea
un código distinto al de la señal (correlación nula entre códigos).
2. Existe correlación parcial, puesto que emplean el mismo código pero no
están en el mismo instante, es decir n es distinto de j.
3. Existe correlación entre ambas secuencias ya que se emplea el mismo
código con n=j (relación completa entre códigos).
2. Historia
A principios de los 70s, como una respuesta al desarrollo del sistema GPS, el
Ministerio de Defensa Soviético desarrolló la Globalnaya Navigatsionnaya
Sputnikova Sistema o Sistema Global de navegación por Satélite
(GLONASS). Y este es similar al GPS desarrollado por los norteamericanos
en muchos aspectos.
El desarrollo del sistema GLONASS se realizó en 3 fases:
- Fase 1 (1983-1985): fase experimental del programa, en la que se refinó el
concepto del sistema y se pusieron en órbita 6 satélites.
- Fase 2 (1986-1993): se completa la constelación con 12 satélites, lo que lo
hace operativo pero no a nivel global.
- Fase 3 (1993-1995): se desarrollo la constelación nominal de 24 satélites y
finalización del sistema.
Aunque el sistema se desarrolló entre 1982 y 1991, y se planeó para estar
operativo completamente entre esos años, la caída de la Unión Soviética paralizó
el desarrollo del sistema y fue retomado por la Federación Rusa que lo declaró
oficialmente operativo en 1993, si bien no fue hasta 1995 cuando se completo la
constelación.
Sin embargo, debido a problemas económicos durante los años 1996 a 2002
Rusia fue incapaz de mantener su propio sistema de navegación, por lo tanto
mantuvo solo 8 satélites operativos, lo que lo convirtió en prácticamente un
sistema inútil a nivel global.
Plan de renovación del sistema operativo GLONASS
Como medida para salvar el sistema se dio un nuevo plan de modernización y
restauración coordinado por Roscosmos (Agencia Espacial Rusa) y esta prevé la
modernización completa del sistema. Por ello se hicieron acuerdos internacionales
de cooperación con el fin de captar fondos y se decidió promover el uso civil de
GLONASS para la futura obtención de beneficios económicos. Además se
entablaran acuerdos internacionales para que sea compatible con el GPS y
Galileo y de esta manera lograr un sistema global de navegación satelital (GNSS).
- Primera fase (1982- 2007): incapaz de prestar una capacidad inicial
Operativa como GNSS ya que hay 19 satélites en órbita.
- Segunda fase (2003-2015): plan a medio plazo que implica el lanzamiento
de satélites más modernos, así como la puesta en marcha de nuevos
servicios a través de nuevas señales.
- Tercera fase (2008-2025): se pretende dotar de una capacidad plenamente
operativa a GLONASS , consolidar el desarrollo del mercado civil y
completar los sistemas de aumento, así como la puesta en marcha del
servicio SoL (servicio para aplicaciones criticas) o (Safety of life).
En la actualidad.
En la actualidad el sistema GLONASS está formado por una constelación de 31
satélites de una vida aprox. De 10-12 años que en este caso son los satélites
GLONASS-K que está reemplazando sus anteriores versiones.
Además de estar con acuerdos con el GPS y futuros acuerdos con el sistema de
navegación Galileo para un mejor intercambio de información por ende me mayor
precisión en cuanto a ubicación.
Para el 2013 el proyecto es instalar el sistema GLONASS en todos los autos,
además de prevenir a sus usuarios de desastres naturales e identificar a personas
con antecedentes penales.
3. Composición del sistema GLONASS
El sistema GLONASS se compone de 3 segmentos:
- Segmento espacial: constelación de satélites GLONASS, actualmente
formada con una constelación de 31 satélites operativos.
- Segmento de control: estaciones de control repartidas por el territorio
ruso.
- Segmento de usuario: receptores de información de posicionamiento.
Segmento espacial
El segmento espacial o constelación del GLONASS está formado por una
constelación de 31 satélites antes ya mencionados. Estos están distribuidos en 3
planos orbitales separados 1200, que contiene 8 satélites a 19100 Km de altura
con una inclinación de 64.80 respecto al ecuador y que tarda 11 horas y 15
minutos en completar un período de giro, esto garantiza la completa visibilidad de
un mínimo de 5 satélites de la constelación en todo el mundo con adecuada
geometría. Es decir la constelación GLONASS proporciona una cobertura de
navegación continua y global para la ejecución satisfactoria de observación de
navegación.
Cada satélite transmite una señal de navegación de radiofrecuencia, conteniendo
un mensaje de navegación para los usuarios.
Satélites GLONASS
Se han diseñado a través de los años distintos equipos espaciales o satélites que
componen la constelación del GLONASS. Su desarrollo ha corrido a cargo de
Applied Mechanics (NPO) en colaboración con el Institute For Space Device
Engineering ruso y una tercera compañía, el Russian Institute of Radio Navegation
and Time, ah sido el encargado de sincronización y desarrollo de otro quipo de
apoyo.
Desde que se empezó a desarrollar el sistema en 1982 se han desarrollado 4
modelos de satélites.
Bloque I de satélites
La primera generación de satélites conocida como Block I se lanzo entre 1982 y
1985 diseñados con un tiempo de vida de 14 meses sirviendo como prototipo para
la validación del GLONASS.
Bloque II de satélites
Subdividido en distintos bloques, ha sido la más numerosa, entre 1985 y 1986 se
lanzaron se satélites del Bloque IIa, tenían nuevos estándares de tiempo y
frecuencia que mejoraron, con respecto a los prototipos, la estabilidad de
frecuencia. Además tenían un tiempo de vida mayor a 16 meses.
El siguiente fue el Bloque IIb, lanzado en 1987, con un tiempo de vida de 2 años y
algunas mejoras, un total de 12 satélites fueron lanzados aunque la mitad se
perdieron en accidentes de lanzamiento.
El bloque IIv, lanzado desde 1988 hasta el 2000 con un tiempo de vida de 3 años,
llegando a durar más de 65 meses en órbita, claro apagándolos de manera
temporal.
Uragan M o GLONASS M, constituye la segunda generación de satélites
GLONASS, con un tiempo de vida de 7 años eh incorporando en estos satélites la
señal L2 (mejorando con esto la exactitud y la fiabilidad de la navegación y
mejorando la inmunidad frente a interferencias en el receptor para uso civil) en el
2005, han sido lanzados 2001-2007.
Uragan K o GLONASS K, constituye la tercera generación de los satélites
GLONASS que gradualmente irán reemplazando a los demás satélites ya que
estos tiene una vida entre 10 – 12 años y estos satélites tendrán la posibilidad de
emitir la señal de navegación en la frecuencia L3 (además de L1 y L2) por la
banda de radionavegación aeronáutica.
Segmento de control
El Sector de Control está formado por un sistema Central de Control (SCC) en la
región de Moscú y una red de estaciones de seguimiento y control (CTS),
desplazadas por toda el área alrededor de Rusia. El Sector de Control GLONASS
debe seguir y vigilar el estado de sus satélites, determinar las efemérides y errores
de los relojes de los satélites, es decir, la diferencia entre el tiempo GLONASS y la
escala de tiempo (UTC). También se actualiza los datos de navegación de los
satélites, esta actualización se realiza 2 veces al día.
Las Estaciones de Control (CTSs) realizan el seguimiento de los satélites y
almacenan los datos de distancias y telemetría a partir de las señales de los
satélites. La información obtenía en los CTSs es procesada en el Sistema de
Central de Control (SCC) para determinar los estados de las órbitas y relojes de
los satélites y para actualizar el mensaje de navegación de cada satélite. Esta
información es enviada a cada satélite por medio de las CTSs y estas calibran
periódicamente los datos de distancia a los satélites mediante láser. Para ello los
satélites GLONASS van provistos de unos reflectores especiales.
La sincronización de todos estos procesos en el sistema GLONASS es muy
importante ya que para conseguir esta sincronización se dispone de un reloj
atómico de hidrógeno de alta precisión, el cual determina la escala de tiempo
GLONASS. Los satélites GLONASS llevan abordo un reloj de cesio y se sincroniza
respecto a la UTC.
También hay parámetro los cuales se usan cuando se trabaja con el sistema
combinado GPS y GLONASS, el cual es GLONASS PZ-90.02 al sistema GPS
WGS-84, estas estaciones están repartidas por todo el mundo utilizando técnicas
láser, radar y óptica. Estos parámetros son calculados por los mínimos cuadrados
utilizando 9 días de datos de seguimiento.
Segmento de usuario
El sistema GLONASS es un sistema militar y civil. Todos los usuarios militares y
civiles constituyen el segmento de usuario. El equipo de recepción de señal
GLONASS está formado por una antena y su receptor. La antena suele llevar un
plano de tierra para evitar el efecto Multi path, es decir, la recepción de señales
reflejadas en el suelo u otros objetos que afectarían la precisión. Los receptores
disponen de un reloj para sincronizar las señales recibidas.
Existen 2 generaciones de receptores GLONASS, la primera generación contenía
1,2 y 4 canales, la segunda generación son más compactos y ligeros incluyendo
5,6 y 12 canales para aplicaciones civiles y capaces de operar con las 2
constelaciones GPS/ GLONASS.
Se puede hacer mención también que hay un gran número de fabricantes y
científicos que han diseñado y construido receptores GLONASS incluyendo doble
frecuencia y códigos C/A y P.
4. Requisitos del GLONASS
Definición de interfaz
El interfaz de GLONASS entre el segmento espacial, segmento de control y
usuario consiste en el uso de dos enlaces RF (radio frecuencia), situados en la
banda L, L1 y L2.
GLONASS utiliza la técnica de multiplicación por división en frecuencia (FDMA) en
ambas bandas. Esto implica que cada satélite transmite la señal de navegación
con su propia portadora, siempre distinta del resto de satélites de la constelación.
GLONASS provee dos tipos de señales en la banda L1 y L2 conocidas como
señales estándar (CSA), que presta el servicio civil y señal de alta precisión (CHA)
para uso militar. El CSA comenzó como servicio en la banda L1 pero con la
innovación de los satélites GLONASS-M se incorporó el servicio banda L2.
Con el lanzamiento de nuevos satélites GLONASS-K se pretende modernizar el
segmento espacial, así como la interfaz, añadiendo nuevos enlaces RF, como es
el caso de la banda L3 que se encargara de prestar servicios SoL, así como una
nueva señal civil.
Las señales de navegación de los enlaces L1 y L2 se transmiten en espectro
ensanchado y están moduladas por uno o más trenes de bits, cada uno de los
cuales está formado normalmente por la suma en el modulo 2 del código de
posicionamiento (PNR) y el mensaje de navegación y una secuencia auxiliar.
La identificación de los satélites GLONASS se hace por FDMA.
Estructura de los códigos PRN
Los códigos de posicionamiento PRN de GLONASS son el C/A y el P.
GLONASS transmite en código P en ambas bandas L1 y L2 y el código C/A, de
momento sólo en la banda L1, pero está programado para que la constelación
GLONASS-M lo transmita también en la banda L2 para uso civil.
Código C/A
Se genera con un desplazamiento de 9 bits, lo que proporciona una longitud de
511 chips (29-1chips). Este código se transmite a 0.511 Mbps, con un periodo de
1ms. Tiene las características necesarias de auto-correlación y se elige un código
corto para permitir la rápida adquisición del código por parte del usuario.
Código P
Se trata de un código PRN secreto dedicado al uso militar por lo que la
información disponible sobre este código es poca. Es un código generado
mediante un registro de desplazamiento de 25 bits por lo cual la longitud es de
3355431 chips. Se transmite a 5.11 Mbps y se repite cada 1s.
El código P gana en propiedades de correlación respecto al C/A pero pierde en
cuanto a propiedades de adquisición ya que hay 511 millones de cambios de fase
posible. Para solucionar este problema se emplea el código C/A que es adquirido
previamente para reducir el número de posibilidades y permitir de este modo la
adquisición del código P de forma rápida. Esto es debido a que el código P se
transmite exactamente a una velocidad 10 veces superior a la del código C/A.
Estructura del mensaje de navegación
El GLONASS emplea 2 mensajes de navegación diferentes que van sumando en
modulo 2 a los códigos C/A y P respectivamente. Ambos mensajes de navegación
son transmitidos a 50 bps y su función primaria es la de proporcionar información
a cerca de la efemérides de los satélites y la distribución de los canales.
Cada mensaje de navegación proporciona dicha información a través de dos de
datos conocidos como datos inmediatos y no inmediatos. Los inmediatos son
aquellos que proveen de información satelital y los no inmediatos son aquellos que
proveen de información relacionada con la constelación de GLONASS (datos de
almanaque).
El mensaje de navegación C/A
Esta constituido de manera jerárquica por un patrón de bits que se repite. Dicho
patrón es una trama que tarda 2.5 minutos en transmitirse y que está formada por
5 subtramas de 30 segundos cada una y esta a su vez por 15 cadenas de 2
segundos de duración. La información contenida en palabra de mensaje es:
- Las 4 primeras palabras de cada subtrama contienen las efemérides
propias del satélite. Las cuales tienen varias horas de validez, por lo que el
receptor no necesita estar leyendo continuamente el mensaje de
navegación para calcular la posición exacta.
- El resto de palabras contiene información de efemérides aproximadas del
resto de satélites de constelaciones (almanaque). Cada subtrama tiene al
información del almanaque de 5 satélites por lo que es necesario leer todas
las subtramas para conocer las efemérides aproximadas de todos los
satélites, lo que lleva 2.5 minutos.
El orden en que se lee el mensaje es MSB y cada palabra se divide en:
información (bits 9-84), bits de control (KX) del código Hamming y marca de
tiempo (MB) que separa las palabras y el chip vacío (bit 85, que es “0”).
Estructura del mensaje de navegación C/A GLONASS
Estructura de la señal de navegación
Las señales de navegación transmitidas en ambos enlaces son señales BPSK
moduladas por un tren de impulsos. Para la transmisión de sus señales, la
diferencia de fase de portadora es π radianes.
En el enlace L1 empleando la señal se compone de:
- Código PNR C/A sumado en módulo-2 con el mensaje de navegación C/A y
una secuencia auxiliar empleado para uso civil.
- Código PNR P sumado en módulo-2 con el mensaje de navegación P y una
secuencia auxiliar empleado para uso militar.
El enlace L2 se compones del código PNR P sumado en módulo-2 con una
secuencia auxiliar empleado para uso militar.
Criterios del interfaz
Plan de frecuencia
Planes de frecuencia para señales GLONASS
Band Señal portadora
Fase Uso Original Uso tras la modernización
L1 1602 MHz Fase (I) Código militar Militar
Cuadratura (Q) Código militar Señal L1 civil
L2 1246 MHz Fase (I) Código militar Militar
Cuadratura (Q) Señal L2 civil
L3 1201.2 MHz Fase (I) Portadora señal L3 civil
Cuadratura (Q) Señal L3 civil
En la tabla se presentan las frecuencias portadoras definidas por el interfaz de
GLONASS. Todas ellas derivan de una frecuencia fundamental de 5 MHz. Cada
satélite transmite en su propia frecuencia portadora, que deriva de cada una de
estas.
Para la banda L1:
( )
Para la banda L2:
( )
Portadoras para señal GLONASS.
No. Of channel
Nominal value of frecuency in L1 sub-band. MHz
No. Of channel
Nominal value of frecuency in L2 sub-band. MHz
13 1609.3125 13 1251.6875
12 1608.75 12 1251.25
11 1608.1875 11 1250.8125
10 1607.625 10 1250.375
09 1607.0625 09 1249.9375
08 1606.5 08 1249.5
07 1605.9375 07 1249.0625
06 1605.375 06 1248.625
05 1604.8125 05 1248.1875
04 1604.25 04 1247.75
03 1603.6875 03 1247.3125
02 1603.125 02 1246.875
01 1602.5625 01 1246.4375
00 1602.0 00 1246.0
-01 1601.4375 -01 1245.5625
-02 1600.8750 -02 1245.1250
-03 1600.3125 -03 1244.6875
-04 1599.7500 -04 1244.2500
-05 1599.1875 -05 1243.8125
-06 1598.6250 -06 1243.3750
-07 1598.0625 -07 1242.9375
(Relación entre los elementos del segmento de control con el segmento espacial)
Estas frecuencias se han escogido porque las señales GLONASS creaban
interferencias con las señales astronómicas de radio, que usaban las bandas de
frecuencia de 1610.6 – 1613.8 y 1660 – 1670 MHz para satélites de comunicación
móvil.
Nivel de potencia recibida
El nivel de potencia en recepción de las señales RF emitidas por los satélites
GLONASS está definido para un ángulo de observación de 5º y una antena
polarizada linealmente de 3dBi de ganancia.
En la banda L1 para el servicio CSA el nivel es de -161 dBW. Para los satélites
GLONASS (M-K) se han definido además que la potencia mínima en la banda L2
para el mismo ángulo debe ser de -167 dBW.
5. Implementación de interfaz
Estudio técnico del segmento espacial
El segmento espacial GLONASS transmite la información de la siguiente manera,
cada satélite de la constelación retransmite la señal de navegación por cada uno
de los enlaces definidos L1 y L2 prestando los 2 servicios, CSA y CHA, a través de
estos.
Los satélites retransmiten la información en la frecuencias asignadas, entre todas
las posibles utilizando la técnica FDMA, lo que permite distinguir que satélite está
transmitiendo.
El proceso de transmisión de las señales que se genera en el satélite es el
siguiente:
- Sintetizador de frecuencia: reloj atómico que funciona a 5MHz.
- Unidad de datos de navegación: recibe los datos de navegación del
segmento de control a través de las estaciones TT&C.
- Banda base de navegación: se genera el código C/A y el P, se modula la
señal de navegación C/A o P a 0.511MHz y 5.11MHz respectivamente y se
suman códigos y datos para transmitir la secuencia en espectro expandido.
- Subsistema de banda-L: modula la señal de espectro expandido a la
frecuencia portadora de cada satélite.
- Antena: transmite la información al segmento de tierra.
Estudio técnico del segmento de control
El segmento de control GLONASS está formado por la red de estaciones TT&C
distribuidas por toda Rusia y la estación de control maestra en Moscú se encarga
de monitorizar el segmento espacial y se comunica con este a través del interfaz
definido.
Las funciones que lleva a cabo a través de los datos aportados por la señal
definida en el interfaz es capaz de:
- Establecer el tiempo de reloj de cada satélite y su diferencia relativa con
respecto al sistema.
- Determinar las efemérides.
- Determinar el estado de la constelación.
- Aplicar correcciones temporales u orbitales.
- Determinar fallos en los satélites.
- La red de estaciones de monitorización (Tracking Stations Network)
proveen de datos de medidas de posicionamiento de satélites en tiempo
casi real a la estación de control y monitorean de manera constante la
constelación así como los sistemas de aumento.
- A través de un enlace, dicha información se envía al centro de
procesamiento de Moscú.
- El centro de procesamiento y análisis de datos vigila la integridad de la
información de cada satélite y las correcciones orbitales que debe aplicar.
- La red de antenas de tierra (Uplink Stations) provee de un interfaz de
Telemetría, Posicionamiento y comando (TT&C) en tiempo casi real entre la
MCS y el segmento espacial, permitiendo aplicar las correcciones.
Aplicaciones
Pronóstico de terremotos por satélites GLONASS
Según los expertos, el sistema satelital ruso no tiene aparatos especiales para
prever los terremotos, pero con él se ha descubierto una relación entre los
movimientos de la corteza terrestre y los cambios en la ionósfera o en la radiación
infrarroja.
El terremoto de Japón de marzo del 2011 que provocó un tsunami y el accidente
en la planta nuclear de Fukishima fue uno de los primeros sismos que los
científicos rusos pudieron 'pronosticar' debido a diversos cambios atmosféricos.
Sin embargo, solo se trataba de observaciones experimentales con el sistema
GLONASS por lo que los datos recibidos siete horas antes de la tragedia no
pudieron haberse usado como pronóstico sismológico oficial.
Entre los terremotos más recientes pronosticados de esta manera está el de
magnitud 6,1 que se registró el pasado 20 de junio en las aguas cercanas a las
islas Kuriles, en el extremo oriental de Rusia.
Las observaciones se enfocan en la región de la península de Kamchatka, en el
Oriente Lejano ruso, y en el archipiélago de las Kuriles que incluye Japón.
Equipos de guía y automatización
Proporcionan valores de superficie y volumen, simplificando el levantamiento
topográfico y control. Utilizado y potenciado por la compañía Topcon para
aplicaciones en construcción, ya sea nivelación precisa, replanteo de peraltes
(pendiente transversal que se da en las curvas a la plataforma de una vía férrea o
los carriles de una carretera) y levantamientos móviles en 3D.
Ubicación mediante dispositivos móviles, ya sea en automóviles, aviones,
barcos, buques, personas, etc.
Seguridad pública y socorro en caso de desastres naturales.
Control espacial.
Conclusiones
Los resultados alentadores hacen creer que en un futuro cercano los
datos satelitales se usarán junto con los métodos tradicionales de
previsión de terremotos.
A medida que se vaya profundizando mas este tipo de sistema de
navegación podrá estar al alcance de todos, como actualmente lo usan
los ciudadanos rusos y otros.
Con la incorporación de nuevos satélites GLONASS, de mayor duración
de vida, mayor potenciación y precisión en cuanto a posicionamiento,
hacen que sus usuarios se sientan más seguros en todo momento y
lugar.
El trabajo conjunto del sistema de navegación GLONASS, GPS y más
adelante el Galileo darán como resultado un posicionamiento exacto sin
importar el lugar del usuario o usuarios, ya que a mayor cantidad de
satélites es mayor la precisión en cuanto a ubicación.
Cabe mencionar también que la aplicación no es de uso exclusivo civil,
sino que fue concebido para uso militar, por lo cual es muy usado como
guía de mísiles y otros usos similares.
Para el trabajo conjunto ya sea con el GPS o el Galileo es necesario un
código común entre ellos para poder compartir la información entre
estos sistemas de navegación.
Actualmente estos sistemas se encuentran como aplicaciones para
nuestros distintos celulares ya sea para poder ubicarnos, como un mapa
portátil o como sistema de protección ante robo.
Existen muchas aplicaciones futuras, como la predicción de terremotos
antes mencionada, y se espera el desarrollo e investigación con la
ayuda de estos sistemas de navegación.
Bibliografía
ANIL K. MAINI-VARSHA AGRAWAL, SATELLITE TECHNOLOGY:
PRINCIPLES AND APPLICATIONS, John Wiley & Sons Ltd, Londres, 2007.
WAYNE TOMASI, SISTEMAS COMUNICACIONES ELECTRONICAs,
Prentice Hall Inc., Cuarta Edición, México DF, 2003.
http://warfare.ru/db/catid/326/linkid/2332/
http://www.youtube.com/watch?v=RvsmnPCXais
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http://danielmarin.blogspot.com/2011/02/lanzamiento-soyuz-21b-glonass-
k1-n1.html
http://spanish.ruvr.ru/2012_10_26/rusia-satelites-glonass-tecnologias/
http://actualidad.rt.com/tag/GLONASS
APENDICE
NMEA
El NMEA (Natinal Marine Electronics Association) es una norma de comunicación
entre equipos electrónicos marinos y de navegación establecido entre diversos
países, para transmitir y compartir información vital.
Este estándar especifica tanto las conexiones físicas (eléctricas) que componente
el sistema, así como el método de transmisión de datos y la sintaxis (formas) en
las que el lenguaje lleva la información.
Especificación:
La especificación mínima para comunicación en hoy en día es NMEA v2/v3, se
rigen por la norma técnica RS422 (PC), utilizando un voltaje de entre 0/+5 voltios,
que es él común para uso en equipos electrónicos.
Sin embargo los niveles de voltaje presentes en un BUS NMEA, pueden
fácilmente llegar hasta los -15/+15 v, específicamente en equipos antiguos que
usan NMEA V1. Por tanto todos los equipos que conforman el sistema deben estar
opto-aislados.
NMEA 0183:
Es una especificación eléctrica y de datos para la comunicación de dispositivos
electrónicos marinos como por ejemplo: Eco radar, sonar, anemómetro,
gyrocompass, piloto automático, GNSS(GPS, GLONASS), etc.
FORMA DE CODIGO:
La siguiente estructura de código:
GPAAM $, A, A, 0,10, N, WPTNME * 32
Donde:
GP ID del emisor ( GP para una unidad de GPS, GL para una GLONASS)
AAM Llegada alarma
La Llegada círculo entró
La Perpendicular pasado
0,10 Radio del círculo
N Millas náuticas
WPTNME Waypoint nombre
* 32 Suma de comprobación de datos
SBAS
Antecedentes:
Sistemas de Aumentación de Señal
Son sistemas regionales que permiten mejorar la precisión de los principales
sistemas de navegación (GNSS)
Sistema de Aumento en Aeronaves: ABAS
Este sistema emplea más de 4 satélites para calcular la posición, así
detecta fallos en el envió de datos, actualmente se emplea 2 sistemas
-RAIM (Sistema Monitor de Integridad del Receptor): Detecta fallos
triangulando la posición con otros satélites, y haciendo que la aeronave
funcione como una.
-FDE (Sistema de Identificación y Exclusión de Fallas): Detecta el
satélite defectuoso, es el más usado en las naves de la actualidad.
Sistema de aumento basado en tierra GBAS
Es un sistema de aumento de precisión para los sistemas GNSS, muy
usado en tráfico aéreo, se diferencian de los primeros en que no dependen
de satélites GEO (geoestacionarios), ya que es usado en distancias cortas.
Este sistema vigila las señales GPSS o GLONASS en una terminal aérea y
transmite correcciones, mensajes de integridad locales y datos al receptor a
bordo de la aeronave, utiliza el canal VHF(VDB).
Esquema de los Sistemas de Navegación: GNSS: Engloba todos los Sistemas de Navegación GNSS-1: GPS y GLONNAS actuales GNSS-2: Galileo, Compass , actualizaciones de GPS y GLONNAS. Sistemas Aumento: SBAS GBAS y ABAS
Sistemas Aumento Basado en Satélites: SBAS
Son el conjunto de sistemas de aumento desarrollador por varios países
para mejorar los servicios brindados por los GNSS, debido a que por sí
solos los sistemas GPS y GLONASS no cumplen los requisitos requeridos
por organizaciones que requieren alta precisión, como el de aviación civil
internacional (OACI).
SBASS Actuales:
WAAS (Wide Area Augmentation System) - EEUU
CWAAS (Canadian Wide Area Augmentation System) - CANADA
EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay Service) - EUROPA
MSAS (Multifunctional Satellite Augmentation System) - JAPON
GAGAN (GPS and GEO Augmented Navigation) - INDIA
GLOSARIO
*Por orden de aparición:
GLONASS:(Globanaya navigatsionnaya sputnikovaya sistema), Sistema de
posicionamiento global satelital.
Navstar/GPS:(Navigation System Ranging) Nombre previo del sistema GPS
(EEUU), es la versión posterior al sistema TRANSIT sistema de navegación
de los años 60 el cual no podía ser usado por aeronaves.
Galileo: Sistema de navegación satelital semejante de la Unión Europea.
SoL: (Proyecto de emergencia civil) creado por el sistema de navegación Galileo,
esta aplicación se le implementará al GLONASS.
UTC: tiempo coordinado universal.
CSA: canal de precisión estándar.
CHA: canal de alta precisión.
PNR: ruido Pseudo-aleatorio.
Efemérides: Coordenadas de ubicación en el cielo para ubicar objetos en él.
Autocorrelación: Herramienta matemática para encontrar patrones repetitivos en
una señal, su frecuencia fundamental, periodicidad oculta por el ruido.
PSK: Es una forma de modulación angular (PM-Phase Modulation), varía la fase
de la portadora en valores discretos siendo esta señal digital.
BPSK:(Binario PSK/ 2-PSK) Es el más sencillo de las formas de modulación, ya
que usa 2 símbolos 1(0º) y 0(180º).
PRN:(Pseudo Random Noise), código de señal usado en sistemas GNSS, ya que
se envía varios señales en la misma frecuencia en código PRN siendo
luego correlacionada para separar de las otras.
CDMA:(Code Division Multiple Acces), conjunto de métodos de multiplexación de
señales en espectro ensanchado:
Constelación: Conjunto de satélites que conforman un sistema de
posicionamiento Global (GNSS).
ROSCOSMOS:(Роскосмос), agencia espacial Rusa.
GLONASS-K:(Uragan-K) Ultima versión de los satélites que conforman la
constelación, remplazarán a las versiones de Fase I y II y a los Uragan-M.
SCC: Sistema Central de Control
CTS: Estaciones de seguimiento y control
Banda L: Rango de frecuencias de Microondas establecidos por la IEEE van
desde los (1.5-2.7) GHz, establece frecuencias de las portadoras.
Banda L1: Sección de la Banda L usada por GLONASS para uso civil
(SP:Standart Precision) establecida a partir de 1227.6 MHz.
Banda L2: Sección de la Banda L usada por GLONASS para uso militar (HP: High
Precisión) establecida a partir de 1575.42 MHZ.
Banda L3: Sección de la Banda L, Proyectada para uso futuro establecida en
1201.2MHZ
Bps: (Bits por segundo), Unidad de velocidad de transmisión, o capacidad de
canal de datos.
Código Hamming: Código detector y corrector de errores, inventado por Richard
Hamming.
RF: Radio Frecuencia.
DB (db): Decibelios, unidad para expresar relación entre 2 magnitudes.
TT&C:(Tracking, Telemetría y comando).
RS422: Especificación de conexión para dispositivos electrónicos similar al RS232
(Puerto Paralelo DB25, Puerto Serie DB 9)
VHF: (Very High Frecuency) Banda del espectro electromagnético que ocupa el
rango de frecuencias de 30-300MHZ.
