CHAPTER THREE: METHOD

La forma de superar las limitaciones que imponían los siste- mas de radionavegación terrestre fue el advenimiento de la era de los sistemas de navegación basados en satélites. Los mismos equi- pos que antes se instalaban en estaciones terrestres ahora se ins- talaban a bordo de satélites que eran colocados a gran altitud en órbitas alrededor de la tierra, para así abarcar la mayor superficie de territorio posible con sus transmisiones.

El concepto que subyace para la determinación de la distan- cia es similar al que ya hemos visto para los sistemas basados en estaciones terrestres, con la diferencia de que ahora son los saté- lites los que actúan como estaciones de referencia y a diferencia de las estaciones de referencia terrestres, los satélites no están fi- jos en una posición sino que se mueven en sus órbitas. Para de- terminar la posición sobre la superficie de la tierra en tres dimen- siones, latitud, longitud y altura sobre la superficie de la tierra, se deberán medir las distancias desde el receptor o usuario a tres sa- télites, y encontrar a continuación el lugar donde intersecan tres esferas cuyo centro se ubicará en el satélite y su radio la distancia medida por el receptor en tierra hasta cada uno de los satélites. Al contrario de lo que ocurría con las estaciones fijas terrestres, cuya posición era fija y bien conocida, para los sistemas basados en satélites, la posición del satélite en su órbita está variando con- tinuamente conforme los satélites se desplazan por el espacio si- guiendo su órbita. Por ello los satélites disponen de métodos para

transmitir información de su posición en cualquier instante de tiempo. Es evidente que la precisión en el cálculo de la posición del satélite afectará a la precisión de la distancia que calcule el re- ceptor en tierra y en consecuencia a la posición sobre la tierra que el receptor determine. En resumen, la precisión en calcular la po- sición del receptor depende de la precisión en el cálculo de la po- sición de los puntos de referencia que en este caso son los satéli- tes que se desplazan en sus órbitas.

Con la finalidad de determinar con la máxima precisión la posición de los satélites, sus parámetros orbitales son controla- dos desde tierra: tanto las órbitas que describen los satélites como su posición en ella en cada instante son monitorizados desde varios centros de observación distribuidos por todo el pla- neta. Con dichas observaciones se establecen predicciones acer- ca de la posición del satélite con 24 horas de validez, son las de- nominadas efemérides de los satélites. Dichas efemérides se transmiten a los satélites para que estos a su vez las diseminen a los receptores en tierra. Las efemérides forman parte de la es- tructura de la señal de radio emitida por los satélites hacia los re- ceptores en tierra.

2.3.1. El sistema Transit

Allá por el año 1958, tras el lanzamiento del primer satélite, el satélite ruso Sputnik I el 4 de octubre de 1957, experimentos llevados a cabo en el APL de la Universidad John Hopkins (del inglés Applied Physics Laboratory, Laboratorio de Física Aplicada) por los investigadores William Guier y George Weiffenbach demos- traron que era posible determinar la órbita del satélite analizan- do un único paso del mismo sobre una posición determinada gra- bando y procesando el desplazamiento Doppler de las transmisiones

de radio realizadas desde el satélite. Posteriormente se comprobó que si la posición de un satélite podía determinarse midiendo el desplazamiento Doppler desde una estación cuya ubicación fue- ra perfectamente conocida, entonces, de forma recíproca, debería ser posible determinar la posición de la estación si la posición de los satélites fuera conocida (observación realizada por Frank McClure director del APL). El funcionamiento debería ser simple, conocida la posición del satélite, un navegante podría conocer su posición en cualquier lugar del planeta después de recibir, grabar y procesar la señal recibida del satélite durante un período de tiempo variable entre 10 o 16 minutos. Este hecho llevó al desarro- llo por parte de Dick Kershner, jefe del departamento de espacio del APL, del sistema de posicionamiento más conocido como Transit, que fue operado por la armada de EE.UU.

El primer prototipo de satélite Transit fue puesto en órbita en 1961 y el sistema, denominado NNSS (del inglés Navy Navigation Satellite Systems, sistema de navegación por satélite de la arma- da), fue declarado operacional en 1964, tras la puesta en órbita de 6 satélites operativos.

Los satélites Transit describían orbitas circulares a una altura de 1.100 km, dando una vuelta completa a la tierra en 107 minu- tos. Cada satélite emitía dos frecuencias portadoras, una en VHF, a 150 MHz, y otra en UHF, a 400 MHz. Sobreimpuesta en ambas frecuencias y en modulación de fase se incluyó un mensaje que contenía la información de las órbitas que era calculada previamen- te por el centro de control. El mensaje era transmitido de forma continua en bloques de 2 minutos, y cada bloque contenía 6.103 bits. De esta forma cada 2 minutos, cualquier receptor en tierra po- día obtener los parámetros orbitales del satélite. Combinando la información de la órbita de los satélites recibida con la medida de la desviación Doppler de la señal, el receptor podía calcular de forma precisa las coordenadas donde se encontraba.

De 1964 a 1967 el sistema fue de uso exclusivo para los mili- tares. Su objetivo fue el de proveer información de posiciona- miento a la flota de misiles balísticos a bordo de submarinos que en aquellos momentos estaba en desarrollo. Más tarde se descla- sificó y fue disponible para aplicaciones civiles. Con los satélites Transit se podía obtener una precisión de hasta 200 metros pero sólo en dos dimensiones. Además si el receptor se encontraba en movimiento, un error en la determinación de su velocidad de un nudo (equivalente a 1,852 km/h) provocaba un error en la posi- ción de 0,2 millas náuticas, o lo que es equivalente unos 370 me- tros. El sistema Transit estuvo operativo hasta el año 1996.

Los rusos, a su vez, desarrollaron un sistema equivalente al americano denominado TSICADA.

2.3.2. La contribución de Transit al sistema GPS

El desarrollo y puesta en operación del sistema Transit apor- tó dos tecnologías para el desarrollo del futuro sistema GPS, que con el tiempo llegaron a ser esenciales:

– El sistema Transit desarrolló una técnica de análisis de fre- cuencias que resultaría esencial para el futuro sistema GPS: el uso de dos frecuencias para calibrar el retardo temporal de la señal de radio al atravesar la ionosfera y ser dispersada por los iones presentes en su trayectoria. Esta técnica se incor- poró en el sistema GPS para obtener mayor precisión en el posicionamiento.

– Transit también fue pionero en el desarrollo de diferentes sis- temas de predicción precisa de las órbitas de los satélites de su constelación, otra tecnología que devendría esencial para el funcionamiento del sistema GPS.

Como veremos, la determinación y predicción de las órbitas fue uno de los 5 retos tecnológicos al que los ingenieros del siste- ma GPS tuvieron que dar solución para hacerlo operativo.

En la figura siguiente podemos ver de forma comparada la evolución en la precisión conseguida con los diferentes sistemas de posicionamiento por ondas de radio.

Figura 5. Precisión comparada de los diferentes sistemas de posicionamiento

y navegación basados en ondas de radio. (Fuente: Wikipedia)

Permission is granted to copy, distribute and/or modify this document under the terms of the GNU Free Documentation License, Version 1.2 or any later version published by the Free Software Foundation; with no Invariant Sections, no Front-Cover Texts, and no Back-Cover Texts. A copy of the license is included in the section entitled GNU Free Documentation License.