Guía de bolsillo sobre la navegación por satélite

Introducción a los sistemas de navegación por satélite

Los sistemas de navegación por satélite son fundamentales para la navegación y la determinación de la posición con alta precisión. Aportan datos esenciales para muchas aplicaciones, como p. ej.:

• conducción autónoma
• sistemas autónomos no tripulados (UAS)
• transporte
• aviación
• agricultura
• servicios de sincronización horaria
• gestión de desastres
• servicios de seguridad
• investigación científica

Los sistemas globales de navegación se componen de numerosos satélites, distribuidos por varios planos orbitales para garantizar la cobertura y disponibilidad a escala mundial. Las órbitas satelitales también pueden estar diseñadas y optimizadas para ofrecer cobertura regional, de modo que el servicio de posicionamiento se limite a zonas específicas.

Determinación de la posición con soporte satelital

La determinación de la posición con soporte satelital funciona según el principio de triangulación. Un receptor de satélites de navegación recibe señales de varios satélites, y cada una proporciona la hora y la posición actual del satélite en ese preciso momento. El receptor puede calcular la distancia al satélite a partir del tiempo de llegada (ToA, por sus siglas en inglés), ya que la señal viaja a una velocidad conocida: la velocidad de la luz. Una vez que se conocen las distancias del receptor a tres satélites, el receptor puede determinar su propia posición tridimensional (latitud, longitud y altitud) mediante triangulación.

Además de estos tres satélites, se necesita un cuarto satélite para tener en cuenta discrepancias de sincronización entre el reloj del receptor y los relojes atómicos de alta precisión de los satélites. Este principio básico conforma el fundamento de todos los sistemas del servicio de radionavegación por satélite (RNSS).

Existen varios métodos de posicionamiento por GNSS:

• GNSS independiente
• GNSS aumentado
• GNSS de alta precisión

Todos estos métodos varían con respecto a su tipo de corrección (OSR frente a SSR), tipo de medida (código frente a portadora), área de servicio (local, regional o global), funciones para reducir errores y precisión resultante de determinación de la posición. Si se necesita una precisión por debajo de un metro, es obligatorio el posicionamiento basado en portadora. Los métodos de GNSS de alta precisión ofrecen diferentes niveles de precisión. Los servicios PPP llegan a varios decímetros, y los servicios PPP-RTK aportan resultados mejores que 10 cm. RTK facilita los mejores niveles de precisión en el rango de centímetros, pero exige cierta proximidad a la estación de referencia. Para lograr un equilibrio entre precisión y complejidad de la infraestructura, generalmente PPP-RTK es la mejor opción, ya que ofrece alta precisión con posibilidad de cobertura global.

Sistemas de navegación por satélite globales y regionales

GNSS es el acrónimo de «Global Navigation Satellite System», y significa sistema mundial de navegación por satélite. Existen varios tipos diferentes de GNSS, operados a menudo por distintos organismos gubernamentales.

Por ejemplo:

• GPS: operado por EE. UU., concretamente por el Departamento de Defensa estadounidense. Aunque se desarrolló originalmente para uso militar, posteriormente se puso a disposición también para uso civil.
• Galileo: operado por la Unión Europea. Está diseñado para el uso civil y complementa los sistemas GPS y GLONASS.
• GLONASS: operado por las Fuerzas Aeroespaciales de la Federación Rusa. Está diseñado para operar con independencia de otros sistemas de navegación.
• BeiDou: operado por China. Incluye satélites en las órbitas geoestacionaria y no geoestacionaria.
• NavIC/IRNSS: operado por la Agencia India de Investigación Espacial. Cubre primordialmente el servicio al subcontinente indio.
• QZSS: operado por Japón. Complementa el sistema GPS, mejorando la disponibilidad y la precisión en la región de Asia-Oceanía, especialmente en áreas urbanas con edificios altos.

Un sistema de aumentación con soporte satelital (SBAS, por sus siglas en inglés) es una tecnología geoespacial que realiza correcciones en los sistemas GPS, GLONASS, Galileo y BeiDou para mejorar la precisión. Utiliza estaciones de referencia terrestres para calcular correcciones diferenciales para satélites GNSS y las difunde a través de satélites geoestacionarios.

Tecnología de receptores GNSS

La arquitectura básica de un receptor GNSS se puede dividir en los siguientes bloques funcionales:

• Antena: las antenas para GNSS son de polarización circular dextrógira (RHCP) y funcionan en el rango de frecuencias de la banda L. Su principal papel consiste en optimizar la captura de señales de satélites en ángulos de elevación más altos, y al mismo tiempo reducir el impacto de las señales multitrayecto que proceden a menudo de ángulos más bajos.
• Preamplificador: la etapa de preamplificador puede formar parte del hardware de la antena y consiste en un amplificador de bajo ruido (LNA), filtros para jamming/rechazo de interferencias y protección contra sobrecarga.
• Front-end: esta etapa ejecuta todas las tareas de procesamiento de señales analógicas, como filtrado (supresión de interferencias fuera de banda), amplificación sucesiva y conversión descendente a una frecuencia intermedia (FI).
• Conversión A/D: la señal de FI analógica se digitaliza en la etapa del convertidor analógico-digital (A/D).
• Procesamiento de señales: el procesamiento digital de señales incluye la eliminación de efectos Doppler, mezclando la señal con los códigos de medición de distancia y acumulación de muestras para formar valores de corrección. La unidad de procesamiento de señales aporta pseudorango, fase de portadora y rangos delta como medidas básicas de GNSS.
• Procesamiento de PVT: las medidas básicas de GNSS se utilizan para calcular una solución de posición, velocidad y tiempo (PVT). Esto se consigue resolviendo las ecuaciones de observación del GNSS mediante ajustes por mínimos cuadrados o aplicando métodos más avanzados como el filtrado de Kalman.

Como opciones se pueden incluir sensores externos y otras fuentes de datos para calcular el PNT.

Existen distintos tipos de receptores GNSS, cada uno diseñado para una aplicación específica:

• Receptores de grado topográfico: levantamiento geodésico, construcción y otras aplicaciones que requieren una precisión de centímetros
• Receptores de grado cartográfico: recopilación de datos SIG, agricultura y explotación forestal
• Receptores GNSS marinos: específicos para la navegación marítima y pesca
• Receptores GNSS de aviación: navegación de aeronaves, aterrizaje y otras operaciones de vuelo
• Receptores de automoción: navegación incorporada en automóviles y otros vehículos
• Receptores personales/de bolsillo: smartphones, relojes inteligentes y otros dispositivos portátiles
• Receptores de sincronización: referencias de sincronización horaria de alta precisión para telecomunicaciones, redes eléctricas y demás infraestructuras
• Receptores espaciales: navegación orbital y sincronización en satélites, y apoyo para misiones científicas

El tipo de receptor GNSS determina sus funciones específicas y características de rendimiento. Las especificaciones técnicas típicas de un receptor GNSS incluyen canales, cobertura de frecuencias, sensibilidad, precisión, frecuencia de actualización, tiempo hasta el primer punto fijo (TTFF) y compatibilidad de GNSS.

Vulnerabilidades del GNSS y amenazas

Las interferencias y otras influencias pueden provocar degradaciones de la señal y errores en el cálculo de la información de PVT. En último término, puede conducir incluso a la denegación de servicio en determinadas zonas.

Las fuentes de la degradación de la señal se pueden dividir en tres categorías:

• Degradación de la señal inherente al sistema provocada por los satélites, la infraestructura y la arquitectura
• Degradación de la señal por el camino de la señal provocada por capas atmosféricas, efecto Doppler y fenómenos meteorológicos del espacio
• Degradación de la señal por el entorno del usuario, no solo los edificios y árboles, sino también la propagación multitrayecto e inhibidores

La degradación de la señal debida al entorno del usuario se puede diferenciar además en términos de tipo, causa y efecto. La causa se puede distinguir como interferencia intencionada o no intencionada, que en ambos casos tienen como consecuencia una degradación de la señal o una denegación de servicio. Por otro lado, existen amenazas que intentan falsificar la posición de un receptor mediante suplantación de señales, lo que se conoce como spoofing.

Aplicaciones especiales de GNSS

Las aplicaciones especiales de GNSS abarcan métodos avanzados para la navegación y el posicionamiento mejorados:

1. Aplicaciones multifrecuencia y multiconstelación que utilizan señales de diferentes sistemas de satélite y frecuencias para una mejor precisión.

2. Aplicaciones multivehículo que facilitan la navegación cooperativa.

3. Aplicaciones multiantena para mejorar la recepción de la señal.

4. Aplicaciones de interferencias avanzadas que gestionan interrupciones de la señal, garantizando un funcionamiento preciso y fiable del GNSS en distintos entornos.

Simulación de GNSS y pruebas de receptores

Realizar medidas de GNSS es crucial durante el desarrollo de los receptores y la producción de chipsets/dispositivos para garantizar un rendimiento óptimo. Ello permite caracterizar el rendimiento del receptor, probar funciones especiales del sistema receptor y evaluar la resistencia frente a amenazas de GNSS como jamming, spoofing y problemas de coexistencia. Las pruebas exhaustivas ayudan a mantener un nivel fiable y preciso de la información de posicionamiento, navegación y temporización.

Las medidas de GNSS se pueden realizar mediante pruebas en condiciones reales, pero esto implica limitaciones como condiciones del sistema desconocidas, restricciones en cuanto a personalización y la imposibilidad de contar con test repetibles. Además de todo esto, exigen mucho tiempo y resultan caras.

Aquí entra en juego la simulación. En una simulación, las condiciones del sistema están bien definidas, y los escenarios de prueba se pueden repetir tantas veces como sea necesario. Los parámetros de prueba también se pueden configurar de acuerdo con las necesidades del usuario.

En una simulación de GNSS deben tenerse en cuenta siete elementos:

1. Jamming e interferencias: Para simular un entorno GNSS real deben tenerse en cuenta influencias externas como jamming y señales interferentes. También se puede simular la presencia de señales agregadas y evaluar su efecto en la recepción de la señal GNSS.

2. Simulación de rango: El rango entre el satélite y la antena receptora es la medida básica que realiza un receptor GNSS para calcular su posición. Para una simulación realista del rango es necesario tener en cuenta (a) efectos ionosféricos y troposféricos, (b) errores inherentes del sistema como errores de reloj, y (c) errores de cálculo de posición inesperados.

3. Simulación de órbita de satélite: Una simulación realista de GNSS debe incluir simulación de diferentes clases de órbitas de satélite (LEO/MEO/GEO/IGSO), incluidos errores de órbita y perturbaciones.

4. Sistemas y señales: Hoy en día, un simulador de GNSS debe ofrecer escenarios multiconstelación y multifrecuencia, simulando todos los sistemas relevantes y señales en todas las bandas de frecuencias GNSS al mismo tiempo.

5. Obstrucciones de señales: Las señales GNSS quedan a menudo obstruidas por edificios, especialmente en entornos urbanos. En muchos casos, la obstrucción de señales debe combinarse con simulación multitrayecto, ya que la visibilidad directa de la señal puede estar totalmente obstruida y el receptor puede procesar solamente los componentes multitrayecto.

6. Movimiento del vehículo: Muchas pruebas deben simular un receptor en movimiento que contemple la actitud u orientación del vehículo en el espacio. Para probar receptores en movimiento con alta dinámica de señales, el simulador GNSS debe ofrecer escenarios donde el usuario simulado se vea expuesto a altas velocidades y aceleraciones.

7. Simulación multitrayecto: Para comprobar el rendimiento del receptor frente a la propagación multitrayecto, un simulador GNSS ofrece generalmente varias formas de simular este tipo de influencias. Por ejemplo, esto puede incluir modelos multitrayecto con distintos retardos o de superficie, modelos de canal estadísticos o modelos multitrayecto deterministas.

Soluciones de test de GNSS para mejorar la fiabilidad del servicio PNT

Rohde & Schwarz ofrece generadores de señales y software para la simulación de GNSS que cubren todo el espectro desde escenarios sencillos con un satélite hasta constelaciones multisatélite con escenarios multicanal, multifrecuencia y de interferencias. También ofrecemos opciones de automatización de pruebas GNSS para nuestros generadores de señales que permiten realizar test totalmente automatizados en condiciones controladas y repetibles, en el laboratorio o en la línea de producción.

Nuestros analizadores de redes vectoriales (VNA) son herramientas esenciales para el desarrollo de receptores GNSS. Se utilizan para:

• medir y optimizar el rendimiento de antenas;
• evaluar filtros y amplificadores en términos de respuesta en frecuencia, ganancia y linealidad;
• garantizar la correcta adaptación de impedancias;
• medir la cifra de ruido (como indicador clave de rendimiento);
• facilitar la caracterización de caminos de señal dentro del sistema receptor;
• determinar el aislamiento entre diferentes puertos para prevenir interferencias.

También ofrecemos una amplia gama de osciloscopios para medidas en las áreas de desarrollo, cualificación y producción.