lunes, 22 de junio de 2015

Modernización del GPS y las nuevas señales

El programa de modernización es el resultado de un plan estratégico que comenzó a ser desarrollado 3 años después que el sistema GPS se declarara completamente operativo en julio de 1995, y engloba a un conjunto de mejoras que van desde la  constelación incluyendo a los satélites del bloque IIR(M), IIF y III; pasando por el segmento de control, incluyendo el Plan de Evolución de la Arquitectura (AEP) y el Sistema de Control Operacional de Nueva Generación (OCX). El calendario oficial para las mejoras en paralelo a los segmentos espacial y de control se muestra a continuación (corregido a Mayo de 2012):


Este programa está incorporando las tecnologías más modernas que mejoran la performance del sistema de posicionamiento en su conjunto. Por ejemplo, están siendo reemplazados todos los sistemas informáticos y de comunicaciones por una arquitectura basada en red, que permitirá mejores conexiones y más frecuentes introducciones de comandos desde el segmento de control a la constelación.

Pero el objetivo principal de la modernización del GPS es el agregado de nuevas señales de navegación a los satélites. El gobierno norteamericano se encuentra en proceso de despliegue de tres nuevas señales diseñadas para usos civiles: L2C, L5, y L1C. Las señal tradicional L1 C/A se continuará transmitiendo en el futuro -como ya habíamos mencionado en otro artículo- para preservar la compatibilidad hacia atrás, en tanto que aquellos usuarios que quieran beneficiarse de las nuevas señales tendrán que actualizar su equipamiento.

Las nuevas señales civiles se están introduciendo progresivamente en la medida que la Fuerza Aérea lanze los nuevos satélites en sustitución de los que se encuentran operativos actualmente. Casi todas las nuevas señales serán de uso limitado hasta que sean transmitidas en al menos 18 satélites y hasta completar la nueva constelación.


Segunda señal civil L2C

Ha sido diseñada para aplicaciones comerciales y se comenzó a transmitir en el primer satélite del bloque IIR (M) lanzado en 2005, la cual se encuentra a la fecha en estado pre-operativo siendo transmitida por 16 satélites a una frecuencia de 1227.60 Mhz (igual que la L2 original). 

La nueva L2C lleva una nueva señal militar, el código M, y el ya conocido código P (Y), pero la novedad más importante para los usuarios civiles es la introducción de dos nuevos códigos para usos civiles llamados L2CM y L2CL. La designación CM significa código civil de longitud moderada y es modulado con un mensaje de navegación mejorado conocido como CNAV que se transmite a 25 bps a una frecuencia de 10.23 Mhz y se repite cada 20 milisegundos, en tanto que el segundo código denominado de longitud larga no contiene datos y se repite cada 1.5 segundos. Este diseño ofrece mejores umbrales de rastreo y de mensajes que la señal L1 C/A. 

Recién en abril de 2014, la Fuerza Aérea comenzó a transmitir el mensaje de navegación civil (CNAV) sobre las señales L2C y L5, y su información es esencialmente la misma que contiene el mensaje original de la señal, que incluye el almanaque, las efemérides, el tiempo y la salud de los satélites, aunque los datos son de mayor calidad para proveer servicios de posicionamiento de mayor exactitud.

Para aplicaciones profesionales, la L2C proporciona una adquisición de la señal más rápida, con una mayor fiabilidad, amplitud de rango operativo y poder de transmisión superior que la original L1 C/A. Todo esto representa una serie de ventajas prácticas para los usuarios que tienen que ver con una mayor tolerancia a las interferencias, más estabilidad de la señal, mayor resistencia al efecto multicamino (multipath) y mejor capacidad de rastreo de la señal con menos ciclos perdidos en áreas con obstrucciones incluyendo zonas boscosas, próximas a construcciones o ambientes urbanizados con edificios en altura. 

De la misma manera que con los receptores de 2 frecuencias y tal como ha venido ocurriendo hasta el presente, la combinación entre L1 C/A con L2C permite calcular la corrección ionosférica para remover su influencia en bases largas o muy largas y el desarrollo de aplicaciones en tiempo real. 


Tercera señal civil L5

La Fuerza Aérea comenzó a transmitir esta señal en 2009 de manera experimental en un satélite IIR-M, mientras que el primer satélite del bloque IIF lanzado en mayo de 2010 fue equipado con un transmisor completamente operativo de la señal L5. Al 21 de Abril de 2015, la transmisión de esta señal se encuentra en estado pre-operativo y es transmitida por 9 satélites a una frecuencia de 1176.45 Mhz, y se espera que esté disponible en 24 satélites alrededor del 2021.

L5 fue especialmente diseñada para satisfacer los requerimientos de seguridad de vida en el transporte y otras aplicaciones de alta performance, y es transmitida en una banda de radio reservada por la Unión Internacional de Telecomunicaciones para Servicios de Radionavegación Aeronáutica (ARNS) para servicios de seguridad de la aviación. Por lo tanto, esta señal no es propensa a interferencias con sistemas terrestres de ayuda a la navegación, y además L5 compartirá espacio con la señal E5 del sistema de la Unión Europea Galileo.

Sus principales características son un alto poder de transmisión, gran ancho de banda y diseño avanzado de la señal. Adicionalmente al mejoramiento de la seguridad, la utilización de L5 incrementará la eficiencia de todos los sistemas de transporte no solo por aire sino además por tierra y por agua. Pero más allá de esto, todos los usuarios se verán beneficiados con servicios de posicionamiento más robustos, cuando esta señal sea utilizada en combinación con L1 C/A y L2C, es decir a través del empleo de tres frecuencias, que permitirá exactitudes submétricas sin necesidad de sistemas de aumentación.

Asimismo cabe considerar que L5 no transmite ninguna señal militar y tiene una señal modulada con datos y una sin datos, siendo ambas transmitidas en una frecuencia de 10.23 Mhz. Esto quiere decir que L5 tendrá códigos 10 veces más rápidos y más largos que el código C/A de manera que los riesgos de interferencia serán muy bajos y permitirá mediciones de pseudodistancias (pseudorange) más exactas.

Cuarta señal civil L1C

Esta señal que no debe confundirse con la L1 C/A, comenzará a transmitirse por el 2016 con los satélites GPS III, y se espera que esté disponible en toda la constelación alrededor del 2026.


La L1C ha sido desarrollada en conjunto por los Estados Unidos y la Unión Europea como una señal civil compartida para GPS y Galileo, y se transmitirá a la misma frecuencia que la señal original L1 C/A, es decir a 1575.42 Mhz, que mantendrá la compatibilidad hacia atrás y tendrá al igual que la L2C dos señales militares adicionales (códigos P y M).

Al igual que L2C y L5, L1C se transmitirá a una potencia mayor, lo cual significa que la señal será más fuerte cuando arribe a la superficie terrestre, hecho que representará una mejora a nivel de recepción de la señal, acortamiento del tiempo de adquisición y evitará interferencias, sobre todo en ambientes “hostiles” como las grandes ciudades. 


Fuentes consultadas:

Fontana R., Cheung W. & Stansell T. (2001). The Modernized L2 Civil Signal. Revista GPS World, http://web.ydu.edu.tw/~ccchang/ModernizedL2CivilSignal.pdf

InsideGNSS (2007), Enhancing the Future of Civil GPS: Overview of the L1C Signal, http://www.insidegnss.com/node/485

Meurer M., Erker S., Thölert S., Montenbruck O., Hauschild A., & Langley R. (2009), L5 First Light. Revista GPS World, http://gpsworld.com/innovation-l5-signal-first-light/

Sitio oficial de GPS (2015), The new signals, http://www.gps.gov/systems/gps/modernization/civilsignals/

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