Guía de bolsillo sobre navegación por satélite

Introducción a los sistemas de navegación por satélite

Los sistemas de navegación por satélite son fundamentales para una navegación y un posicionamiento precisos. Proporcionan los datos esenciales para muchas aplicaciones, como:

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

Los sistemas de navegación globales están formados por múltiples satélites distribuidos en distintos planos orbitales a fin de asegurar cobertura y disponibilidad a nivel global. Las órbitas satelitales pueden también diseñarse y optimizarse para proporcionar cobertura regional, de modo que el servicio de posicionamiento se limite a áreas específicas.

Posicionamiento basado en satélites

El posicionamiento basado en satélites funciona según el principio de la trilateración. Un receptor de navegación por satélite recibe señales de múltiples satélites, cada uno de los cuales proporciona la hora la ubicación actual del satélite en ese momento. El receptor puede calcular la distancia al satélite a partir del tiempo de llegada (ToA) debido a que la señal viaja a una velocidad conocida: la velocidad de la luz. Una vez que se conocen las distancias del receptor a los tres satélites, el receptor puede determinar su propia posición tridimensional (latitud, longitud y altitud) por medio de trilateración.

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

Existen diferentes tipos de métodos de posicionamiento GNSS:

• GNSS autónomo
• GNSS aumentado
• GNSS de alta precisión

Todos estos métodos varían en su tipo de corrección (OSR vs. SSR), en el tipo observable que se utiliza (código vs. portadora), en el área de servicio (local, regional o global), en sus funciones de mitigación de errores y en las precisiones de posicionamiento que se obtienen. En caso de que se requiera de una precisión inferior a un metro, es obligatorio utilizar el posicionamiento basado en portadora. Los métodos GNSS de alta precisión proporcionan diferentes niveles de precisión. Los servicios PPP ofrecen una precisión de varios decímetros, y los servicios PPP-RTK proporcionan una precisión superior a 10 cm. El servicio RTK proporciona las mejores precisiones en el rango de centímetros, pero requiere estar cerca de una estación de referencia. Para lograr un equilibrio entre precisión y complejidad de infraestructura, PPP-RTK suele ser la opción preferida, ya que ofrece una alta precisión y una cobertura global potencial.

Sistemas de navegación por satélite globales y regionales

GNSS es el acrónimo de «sistema global de navegación por satélite». Existen muchos diferentes tipos de sistemas GNSS, los cuales por lo general suelen estar gestionados por distintos organismos gubernamentales.

Por ejemplo:

• GPS: gestionado por los EE. UU., concretamente por el Departamento de Defensa de los Estados Unidos de América. Aunque inicialmente fue desarrollado para uso militar, posteriormente se puso a disposición también para uso civil.
• Galileo: gestionado por la Unión Europea. Diseñado para uso civil y complementa los sistemas GPS y GLONASS.
• GLONASS: gestionado por las Fuerzas de Defensa Aeroespacial de Rusia. Diseñado para operar independientemente de otros sistemas de navegación.
• BeiDou: gestionado por China. Incluye satélites en órbitas geoestacionarias y no geoestacionarias.
• Navicular/IRNSS: gestionado por la Organización de Investigación Espacial de la India. Presta servicio principalmente al subcontinente indio.
• QZSS: gestionado por Japón. Complementa al sistema GPS, mejora la disponibilidad y precisión en la región de Asia-Oceanía, especialmente en zonas urbanas con edificios altos.

Un sistema de aumentación basado en satélites (SBAS) es una tecnología geoespacial que proporciona correcciones a los sistemas GPS, GLONASS, Galileo y BeiDou para mejorar la precisión. Utiliza estaciones de referencia terrestres para obtener correcciones diferenciales para los satélites GNSS y transmite estas correcciones a través de satélites geoestacionarios.

Tecnología del receptor GNSS

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

• Antena: las antenas del receptor GNSS son de tipo RUCHA (polarización circular a mano derecha) y operan en la gama de frecuencias de la banda L. Su función principal es optimizar la captura de señales de satélites con ángulos de elevación más altos, al tiempo que se reduce el impacto de las señales multitrayecto que a menudo proviene de ángulos más bajos.
• Preamplificador: la sección de preamplificador puede ser parte del hardware de la antena y está compuesto de un amplificador de bajo ruido (LNA), filtros para el rechazo de interferencias tanto intencionadas, como no intencionadas, y protección contra sobrecalentamiento.
• Front-end: esta sección realiza todas las tareas de procesamiento de señales analógicas, como filtrado (supresión de interferencias fuera de banda, amplificación adicional y conversión descendente a una frecuencia intermedia (IF).
• Conversión A/D: la señal analógica de IF se digitaliza en la sección del convertidor A/D.
• Procesamiento de señales: el procesamiento digital de señales incluye eliminar el desplazamiento Doppler, mezclar la señal con los códigos de medición de distancias y acumular muestras para obtener valores correccionales. La unidad de procesamiento de señales proporciona una pseudodistancia, la fase de portadora y las distancias delta como magnitudes básicas observables del GNSS.
• Procesamiento de la PVT: las magnitudes básicas observables del GNSS se utilizan para calcular una solución de posición, velocidad y tiempo (PVT). Eso puede lograrse a través de la resolución de las ecuaciones de observación del GNSS mediante ajustes por el método de los mínimos cuadrados o al aplicar métodos más avanzados, como el filtrado Kalman.

Como opciones pueden incluirse sensores externos, así como otras fuentes de datos para calcular el PNT.

Existen diversos tipos de receptores GNSS, cada uno de cuales ha sido diseñado para aplicaciones específicas:

• Receptores de grado topográfico: topografía geodésica, construcción y otras aplicaciones que requieren una precisión del orden de los centímetros
• Receptores de grado cartográfico: recolección de datos SIG, agricultura y silvicultura
• Receptores GNSS marítimos: diseñados específicamente para navegación marítima y aplicaciones pesqueras
• Receptores GNSS para aviación: sistemas de navegación aérea, aterrizaje y otras operaciones de vuelo
• Receptores en automóviles: sistemas de navegación integrada para automóviles y otros vehículos
• Receptores personales/portátiles: smartphones, relojes deportivos y otros dispositivos portátiles
• Receptores de sincronización: referencias horarias precisas para telecomunicaciones, redes eléctricas y otras infraestructuras
• Receptores espaciales: sincronización y navegación orbital en satélites y apoyo a misiones científicas

El tipo de receptor GNSS determinará sus funciones específicas, así como sus características de rendimiento. Las especificaciones típicas de un receptor GNSS incluyen los canales, la cobertura de frecuencia, la sensibilidad, la precisión, la frecuencia de actualización, el tiempo hasta la primera corrección (TIFO) y la compatibilidad del sistema GNSS.

Vulnerabilidades y amenazas del sistema GNSS

Tanto las interferencias, así como los factores externos de diversos tipos pueden ocasionar la degradación de la señal, además de errores en el cálculo de la información PVT. En determinadas zonas, esto puede llegar incluso a provocar la «denegación de servicio».

Las causas de la degradación de la señal pueden dividirse en tres categorías:

• Degradación de la señal inherente al sistema ocasionada por los satélites, la infraestructura y la arquitectura
• Degradación de la señal junto a su trayecto ocasionada por las capas atmosféricas, el desplazamiento Doppler y por los fenómenos meteorológicos espaciales
• Degradación de la señal debido al entorno del usuario, no solo edificios y árboles sino también a la propagación multitrayecto y a los sistemas de inhibición

La degradación de la señal debido al entorno del usuario puede diferenciarse aún más según tipo, causa y efecto. La causa puede distinguirse entre interferencias intencionadas y no intencionadas, las cuales conllevan a la degradación de la señal o la denegación del servicio. Por otro lado, existen amenazas cuyo objetivo es suplantar la posición de un receptor, lo que se conoce como suplantación de identidad (spoofing).

Aplicaciones GNSS especiales

Las aplicaciones GNSS especiales involucran técnicas modernas para mejorar la navegación y el posicionamiento:

1. Las aplicaciones multifrecuencia y multiconstelación utilizan señales de diferentes sistemas satelitales y frecuencias para lograr una mejor posición.

2. Las aplicaciones multivehículo permiten la navegación cooperativa.

3. Las aplicaciones multiantenas mejoran la recepción de la señal.

4. Las aplicaciones de vanguardia contra interferencias combaten las perturbaciones de la señal, lo que asegura la funcionalidad precisa y confiable del sistema GNSS en diversos entornos.

Pruebas de simulación y de receptores GNSS

Las pruebas de GNSS son fundamentales durante el desarrollo del receptor, así como de la producción del chipset/dispositivo para asegurar un rendimiento óptimo. Caracterizan el rendimiento del receptor, prueban sus funciones especiales y evalúan su resiliencia ante amenazas del sistema GNSS, como interferencias intencionadas (jamming), suplantaciones de identidad (spoofing) y problemas de coexistencia. Las pruebas rigurosas contribuyen a mantener una información confiable y precisa sobre el posicionamiento, la navegación y la sincronización.

Las pruebas de GNSS pueden realizarse por medio de pruebas en condiciones reales, pero eso tiene limitaciones, como el desconocimiento de las condiciones del sistema, la personalización limitada, así como la imposibilidad de repetir las pruebas. También son costosas y consumen mucho tiempo.

Aquí es donde entra la simulación. En una simulación, las condiciones del sistema se definen bien, y los escenarios de prueba pueden repetirse tantas veces como sea necesario. También, los parámetros de las pruebas pueden configurarse según los requisitos del usuario.

Existen siete elementos que deben considerarse en una simulación GNSS:

1. Interferencias intencionadas y señales interferentes: para emular un entorno GNSS real es necesario tener en cuenta factores externos como las señales interferentes y las interferencias intencionadas. Luego puede simularse la presencia de señales adicionales, así como evaluar su influencia en la recepción de la señal GNSS.

2. Simulación de distancia: la distancia entre el satélite y la antena receptora es la medición básica que un receptor GNSS realiza para calcular su posición. Para realizar una simulación realista de la distancia, es necesario considerar (a) los efectos ionosféricos y troposféricos (b) los errores inherentes al sistema, como los errores de reloj y (c) los errores de medición de distancia inesperados.

3. Simulación de órbitas satelitales: una simulación GNSS realista debe permitir simular diferentes clases de órbitas satelitales (LEO/MEO/GEO/IGSO), así como errores y perturbaciones orbitales.

4. Sistemas y señales: hoy en día, la simulación GNSS debe admitir escenarios de múltiples constelaciones y frecuencias, así como simular simultáneamente todos los sistemas y señales relevantes en las distintas bandas de frecuencia GNSS.

5. Obstrucción de la señal: las señales a menudo son obstruidas por edificios, especialmente en entornos urbanos. En muchos casos, es necesario combinar la obstrucción de la señal con la simulación multitrayecto, ya que la señal de la línea de vista (LOS) podría estar completamente obstruida y el receptor podría procesar únicamente los componentes multitrayecto.

6. Movimiento del vehículo: muchas pruebas deben simular un receptor en movimiento que tenga en cuenta la actitud del vehículo. A fin de probar receptores en movimiento bajo condiciones de alta dinámica de señal, el simulador GNSS debe ser capaz de simular escenarios donde el usuario simulado se vea expuesto a altas velocidades y aceleraciones.

7. Simulación multitrayecto: a fin de probar el rendimiento del receptor en presencia de multitrayectos, un simulador GNSS por lo general suele ofrecer diversas maneras de simular dichas influencias. Por ejemplo, esto puede incluir modelos de retardo con derivadas (tapped delay), modelos de multitrayecto terrestre, modelos de canal estadísticos o modelos determinísticos de multitrayectos.

Soluciones de medición de GNSS para mejorar la confiabilidad de la PNT

Rohde & Schwarz ofrece generadores de señales y software para simulación GNSS, la cual abarca desde escenarios sencillos con un solo satélite hasta constelaciones de múltiples satélites con escenarios multicanal, multifrecuencia y de interferencias. También ofrecemos opciones de automatización de pruebas GNSS para nuestro generador de señales, para que pueda realizar pruebas totalmente automatizadas bajo condiciones repetibles y controladas en el laboratorio y en la línea de producción.

Nuestros analizadores de redes vectoriales (VNA) son herramientas fundamentales para el desarrollo de receptores GNSS. Los analizadores de redes vectoriales se utilizan para:

• Probar y optimizar el rendimiento de la antena
• Evaluar filtros y amplificadores en cuanto a respuesta en frecuencia, ganancia y linealidad
• Asegurar la correcta adaptación de impedancias
• Medir la cifra de ruido (un indicador clave de desempeño)
• Ayudar en la caracterización de los trayectos de señal dentro del sistema del receptor
• Determinar el aislamiento entre los diferentes puertos a fin de evitar interferencias

Ofrecemos una amplia gama de osciloscopios para realizar pruebas en las etapas de desarrollo, homologación y producción.