Todos los sistemas GNSS presentan en origen una arquitectura funcional muy similar, la cual se ha ido asemejando más en los últimos años en un intento por lograr la compatibilidad e interoperabilidad de todos los sistemas GNSS entre sí. La estructura básica de estos sistemas permite distinguir tres
segmentos de carácter ineludible: (a) segmento espacial, (b) de control y (c) de usuarios (Figura 3-7). Las
principales características asociadas a cada uno de estos segmentos se muestran en los siguientes puntos.
Aplicación de sistemas GNSS y SIG a infraestruct. de transporte. Estudio sobre conducción naturalista Autor: José Balsa Barreiro
A Coruña, 2014
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3.2.5.1. Segmento espacial
El segmento espacial es el encargado de transmitir las señales codificadas en distintas frecuencias.
Este segmento se compone de una constelación de satélites o vehículos espaciales (SV) que conforman
el sistema tanto de navegación como de comunicación.
Los satélites portan una carga útil (payload) compuesta por el equipo de a bordo encargado de recibir,
amplificar y retransmitir las señales de radiofrecuencia. Entre los elementos más característicos de los
satélites destacan los grandes paneles solares (de unos siete metros cuadradosde superficie) empleados
como fuente de alimentación necesaria para la estabilidad, control y ajuste de los satélites en sus órbitas respectivas. Estos paneles permiten el funcionamiento continuo del satélite aún en los pasos de sombra que se dan puntualmente durante dos épocas al año. Los satélites disponen además de un sistema de propulsión que les permite ajustar su órbita y controlar su estabilidad.
Para el control continuado de su posición y orientación triaxial, los satélites incorporan en una unidad
sellada unos volantes de inercia llamados flywheels. Estos volantes de inercia son impulsados por
motores síncronos y están dispuestos en tres direcciones perpendiculares entre sí. La aceleración o frenado de estos volantes de inercia permite corregir la orientación del satélite en cualquier momento. Estos volantes de inercia actúan como giróscopos en los que cualquier cambio de orientación aplicado al satélite genera una reacción en forma de giro espontáneo en aquellos volantes de inercia cuyo eje no coincida con el giro deseado. Este giro espontáneo es compensado de forma automática por parte de un sistema informático. Cuando alguno de los volantes de inercia alcanza el límite de rotación se activan un par de cohetes de maniobra, situados en posiciones diametralmente opuestas y en el mismo plano que los volantes de inercia, aunque orientados en sentidos contrario. Esta acción, junto a la propia deceleración de los volantes de inercia, genera pares de torsión que se anulan mutuamente, lo que permite controlar el régimen de rotación del sistema.
También relativo al control del movimiento del satélite, debe mencionarse el denominado momentum
dump, que se refiere a la transferencia de cantidad de movimiento en el satélite. Las antenas emisoras de los satélites son direccionales y, por tanto, deben apuntar a donde se desea enviar (o recibir) la emisión, es decir, la superficie terrestre. Por esta razón los satélites deben girar en torno a sí mismos según un eje perpendicular al plano orbital, a igual velocidad y en el mismo sentido en el que orbitan. La complejidad tecnológica de los satélites es mayor teniendo en cuenta que los paneles solares deben estar constantemente en posición perpendicular al sol, lo que implica una rotación del satélite sobre el eje de emisión de las antenas.
En cuanto al flujo de comunicación, los satélites pueden recibir y guardar la información enviada desde los centros terrestres de control del sistema, además de transmitir continuamente señales en función de la
información recibida. Para ello tienen una serie de antenas que operan en las bandas L y S (antena
emisora y receptora) que permiten emitir e intercambiar información con los centros de control. Entre las
ventajas de trabajar con la banda L están las relativamente grandes longitudes de onda (λ) que permiten
la recepción de una señal más clara, aunque presentan como inconveniente una limitada capacidad de transmisión de datos.
El segmento espacial de los diferentes sistemas GNSS debe presentar un número suficiente de satélites de navegación que permitan garantizar una cobertura global en cualquier momento. Además, para que el servicio sea lo suficientemente robusto, el número de satélites ha de ser superior al estrictamente necesario para la transmisión de información redundante con objeto de obtener una mayor disponibilidad de señal, un posicionamiento más preciso y un funcionamiento ininterrumpido en el caso de que algún satélite deje de prestar servicio.
Los satélites, por otro lado, se ubican en distintos planos orbitales para lograr una cobertura global continua en el tiempo y en el espacio. La distribución de satélites dentro de estos planos orbitales depende del número total de satélites, aunque no tiene por qué ser uniforme. Los actuales sistemas GNSS tanto operativos como en fase de implementación proponen unas constelaciones nominales de un determinado número de satélites que se distribuyen de manera uniforme, al menos teóricamente, dentro
de una serie de planos orbitales (Figura 3-8). Sin embargo, en la práctica no sucede así debido a la
incorporación progresiva, en distintas fases, de satélites adicionales a la constelación nominal para la obtención de información redundante.
La arquitectura del segmento espacial de los diferentes sistemas GNSS difiere en función tanto del
seis planos orbitales sobre los cuales se dispone una constelación de 24 satélites operativos, cuatro por
plano orbital. Por su parte, GLONASS presenta una constelación del mismo número de satélites aunque
distribuidos en sólo tres planos orbitales, lo que supone un ratio de distribución de satélites por plano
orbital más elevado (ocho satélites por plano orbital). El sistema Galileo plantea un modelo muy similar al
ruso en cuanto al número de planos orbitales con la salvedad de presentar una constelación más amplia (27 satélites), obteniéndose así un ratio de satélites por plano orbital más elevado (nueve satélites por plano orbital).
En cuanto a la configuración y geometría de los planos orbitales de los diferentes sistemas GNSS existen
ciertas diferencias. Los planos orbitales de los sistemas NAVSTAR-GPS y Galileo presentan unos
ángulos de inclinación muy similares (55 y 56 grados respectivamente respecto a la línea del ecuador),
aunque considerablemente menores que los presentados por GLONASS (64,8 grados). Las órbitas
satélites describen trayectorias ligeramente elípticas, aunque con una serie de diferencias. El semieje
mayor de la órbita seguida por el sistema GLONASS (25.508 km) es ligeramente menor que el descrito
por NAVSTAR-GPS (26.560 km). Galileo plantea, sin embargo, una disposición en la que los satélites describirán órbitas considerablemente más alejadas (29.601 km), lo que les permitirá incrementar el campo de visión. Una representación de los planos orbitales de cada uno de estos sistemas GNSS desde
dos perspectivas diferentes (plano ecuatorial y círculo polar) se muestra en la Figura 3-8 (Groves, 2008).
NAVSTAR-GPS GLONASS Galileo
Vista desde el plano ecuatorial
Vista desde el polo
(a) (b)
Figura 3-8: (a) Ángulo de inclinación del plano orbital respecto al plano ecuatorial. (b) Representación y perspectiva de los planos orbitales de las distintas constelaciones de satélites GNSS. Fuente: Adaptada
de Groves, 2008.
Además de los satélites de navegación de las diferentes constelaciones GNSS, existe un tipo de sistemas
de aumentación satelital (SBAS), que complementa a los primeros y está operativo en la fase GNSS-1. El
segmento espacial de estos sistemas está compuesto por una serie de satélites de comunicación de órbita geoestacionaria (GEO). Estos satélites retransmiten la información con correcciones procedentes de los centros terrestres de control, permitiendo incrementar, entre otras prestaciones, los niveles de precisión e integridad de la señal.
Todos los satélites, tanto los de los propios GNSS como los de los sistemas SBAS, son diseñados con
una esperanza de vida o promedio de vida prevista, la cual no suele coincidir con su período real de vida
útil. El promedio de vida prevista equivale a un período de garantía o tiempo mínimo durante el que el satélite funciona de forma óptima. Entre las causas de fallo más comunes que limitan la vida útil de los satélites podemos destacar, entre otras, el desgaste de ciertos componentes, fallos en los paneles solares, falta de capacidad de las baterías, aparición de averías no conmutables en los sistemas electrónicos, agotamiento del combustible (Mejía-Meza, 2004).
3.2.5.2. Segmento de control
Este segmento está formado por un conjunto de estaciones en Tierra que reciben la señal procedente de los satélites, la monitorizan y la actualizan, enviando si es preciso correcciones de vuelta a los
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satélites. Entre sus funciones están las de garantizar las prestaciones del sistema mediante la monitorización del segmento espacial y la de aplicar correcciones respecto a la posición orbital y temporal de los satélites.
Todos los sistemas GNSS son sistemas telemétricos de un sentido, cuya comunicación se establece desde los satélites a los centros terrestres (sentido descendente). La puesta en marcha de sistemas complementarios como los SBAS implica una comunicación espacio-tierra en un doble sentido. La implementación de una serie de antenas de comunicación permite así la transmisión de correcciones a los satélites geoestacionarios del sistema SBAS (sentido ascendente).
La estructura del segmento control se compone, en los diferentes sistemas GNSS, de una estación de
control principal (o maestra) y una serie de estaciones de monitorización. Cada estación genera su propia información sobre el funcionamiento del sistema y, en última instancia, esta información se envía a la estación maestra de control, desde donde se retransmite la información a un satélite geoestacionario que forma parte del sistema SBAS. Como la posición de cada estación y sus coordenadas temporales se conocen con precisión al contar con relojes atómicos de gran precisión, se pueden combinar las medidas obtenidas por varias estaciones para crear un sistema de navegación inverso que permita determinar la localización espacio-temporal precisa de los satélites en cada momento. Una vez enviadas las correcciones, el satélite geoestacionario las aplica, permitiendo corregir su órbita y su mensaje de navegación.
3.2.5.3. Segmento usuario
Forman parte del segmento usuario todos los equipos que permiten captar las señales emitidas por los satélites y determinar de forma precisa valores de posición, velocidad y/o tiempo. En función del nivel de
comunicación alcanzado se pueden distinguir entre los sistemas activos y los pasivos. Los sistemas
activos son aquellos que permiten recibir y emitir señales, mientras que los sistemas pasivos son aquellos en los que sólo es posible recibir señales.
Los equipos han evolucionado mucho en los últimos años, pasando de captar la señal de 4-5 satélites como máximo en sus orígenes, hasta llegar a superar los 20 actualmente, permitiendo así alcanzar un mejor posicionamiento. Además de la propia evolución tecnológica se ha producido un incremento de la interoperabilidad entre los sistemas siendo posible compartir canales, lo que permite incrementar la eficiencia de transmisión de la señal.
Los componentes básicos que forman parte de este segmento son (a) el receptor y (b) la antena. Una descripción de cada uno de estos componentes se expone en los siguientes puntos: