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Estado de GNSS – Parte 1: Modernización de GPS

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El GPS, pionero de todos los Sistemas de Navegación Global por Satélites (Global Navigation Satellite Systems – GNSS), es el único sistema que durante más de dos décadas  se ha mantenido totalmente operativo para uso civil. En los últimos años la cantidad de aplicaciones civiles se ha aumentado de manera impresionante y su popularidad es indiscutible. Otros GNSS han enfrentado problemas (GLONASS al final de la década de los años 90 y en la década del 2000) o están incompletos (Galileo, BeiDou). Esto ayuda a explicar el porqué un gran porcentaje de la población está familiarizado con el término “GPS”, pero no con los otros GNSS como GLONASS, Galileo, BeiDou. No obstante, todo parece indicar que en pocos años estos otros sistemas se pondrán al día y por eso el sistema GPS debe mantener su calidad y seguir siendo competitivo.

Desde los inicios del GPS, en cada nueva generación (denominada “bloque”) de satélites GPS se han implementado en forma regular mejoras técnicas y de rendimiento. Sin embargo, debido al largo tiempo de vida de los satélites (entre 8 y 20 años) y el hecho que los satélites son reemplazados progresivamente (en promedio uno o dos por año), los efectos de las mejoras en rendimiento son graduales y a menudo pasan inadvertidos. Durante las primeras generaciones del sistema GPS, la mayoría de las mejoras tenían que ver con los satélites y el equipo dentro de éstos (mejoras en el rendimiento del reloj, mejoras en la autonomía y diseño del satélite, etc.). No obstante, comenzando con el bloque IIR-M, cuyo primer satélite fue lanzado en el 2005, se han agregado nuevas señales de GPS. Estas nuevas señales tienen muchas mejoras, las cuales, desde la perspectiva del usuario, son interesantes porque permiten una mejor precisión y confiabilidad del posicionamiento. Antes de presentar estas nuevas señales, permítanme hacer un breve resumen de las señales de GPS que se usan en la actualidad (las de primera generación).

 

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Imagen: Bloque IIR-M

 

Señales de primera generación: L1 C/A, L1P(Y) y L2P(Y)

Desde un inicio los satélites GPS han transmitido tres señales importantes: una señal civil (L1 C/A) y dos señales militares encriptadas (L1P(Y) y L2P(Y)). Como se puede constatar, sólo una señal está disponible para los usuarios civiles. Las señales militares se transmiten en dos bandas de frecuencias diferentes: L1 (1575.42 MHz) y L2 (1227.60 MHz) y están encriptadas. Tener acceso a dos bandas es altamente beneficioso para mejorar la precisión y el tiempo de convergencia, ya que se pueden reducir enormemente los efectos ionosféricos indeseados. Desde la década de los años 90 los diseñadores de receptores de grado geodésico han conseguido acceder a la señal encriptada L2P(Y) a través de una técnica denominada “rastreo parcialmente sin código” (semi-codeless tracking), y así ofrecer todos los beneficios de tener dos frecuencias para usuarios civiles. Sin embargo, por un lado, los receptores de grado geodésico tienen un precio mucho mayor que los receptores de gama baja y, por otro lado, las técnicas que se usan para acceder a la señal L2P encriptada introducen una ligera degradación de señal.

Señal L2C

Como mencioné anteriormente, son muy importantes los beneficios de recibir una segunda señal de GPS en otra banda de frecuencia. Debido a la creciente demanda de aplicaciones civiles de GPS, el Departamento de Defensa de los EE.UU. decidió incluir una nueva señal civil en la banda de frecuencia L2 llamada L2C, comenzando con los satélites del bloque IIR-M. En lugar de generar una señal idéntica a la original L1 C/A y transmitirla en L2, la señal L2C fue rediseñada para brindar muchas mejoras técnicas si se compara con la señal L1 C/A. La L2C usa técnicas de modulación más sofisticadas y modernas que ofrecen las siguientes ventajas cuando se compara con la señal preexistente:

  • Mayor sensibilidad o umbral de rastreo, lo que se traduce en una mejora para mantener el rastreo de la señal en condiciones desfavorables, tales como obstrucciones o incluso al interior de edificaciones.
  • Mayor correlación cruzada entre señales, lo que permite una mayor tolerancia a la interferencia y multitrayectorias.

Debido a que la L2C es una señal no encriptada para uso civil, se espera que incluso los receptores baratos que no son de grado geodésico puedan recibir y rastrear la señal L2C.

Aun cuando la señal L2C parece ser muy prometedora, tenemos que esperar unos años antes de poder utilizarla.  A la fecha (julio de 2015), de 30 satélites operativos sólo 15 transmiten L2C. Se espera que para el año 2020 todos los satélites transmitirán la señal L2C. Adicionalmente, aun cuando el primer satélite que transmitió L2C fue lanzado en el 2005, fue hasta el 31 de diciembre de 2014 que los satélites del bloque IIR comenzaron a transmitir mensajes de navegación utilizables (actualizados todos los días). Sin embargo, según la página web del GPS del gobierno de los EE.UU., “L2C debe seguir considerándose preoperativo y deberá ser usado por cuenta y riesgo del usuario”. Una vez que toda la constelación de satélites de GPS transmitan la señal L2C, “el gobierno de los EE.UU. alienta a todos los usuarios de tecnología GPS sin código/parcialmente sin código a planificar el uso de señales civiles modernizadas a partir del 31 de diciembre de 2020 ya que P(Y) puede cambiar después de esa fecha.”

Señal L5

Después del bloque IIR-M, la siguiente generación de satélites, el bloque IIF, ofrece una tercera señal civil en otra banda de frecuencia, la banda L5 (1176.45 MHz). Contrariamente a la banda de L2, esta banda de radio está exclusivamente reservada para servicios de seguridad de aviación, y como tal se espera que en el futuro los usuarios civiles la prefieran a la L2. El primer satélite del bloque IIF fue lanzado en el 2010 y 8 satélites del bloque IIF están en operación a julio de 2015. La banda L5 será usada en su totalidad para señales civiles y estará libre de señales militares. De esta manera, en L5 se transmite una señal más potente, con un mayor ancho de banda, si se compara con L1 y L2. Las principales ventajas de la señal L5 son las siguientes:

  • la posibilidad de rastrear señales más débiles a través de una secuencia de códigos más larga y una mejor correlación cruzada entre códigos, además de una mayor potencia transmitida.
  • mejor inmunidad a la interferencia debido a su mayor ancho de banda, y por ello mayor difusión de espectro.
  • atenuación del efecto ionosférico usando una combinación L1/L5, similar a la combinación L1/L2.
  • resolución instantánea o casi instantánea de ambigüedades de fase para convergencia más rápida de solución fija dado el uso de una combinación de señal de frecuencia triple (L1/L2/L5).

Para una constelación completa de satélites que transmita L5, tendremos que ser mucho más pacientes que con la constelación total L2C. Si bien esta última se espera para el año 2020, para la primera habrá que esperar unos cuantos años más.

Señal L1C

En comparación con las señales modernas L2C y L5 en operación, la señal L1 C/A es menos eficiente. Es necesario mejorarla para que esté a la par de las señales modernizadas. Aquí es cuando entra en escena la siguiente generación de satélites GPS, el bloque III. Este bloque de satélites incluirá otra señal civil modernizada, la L1C, que a la larga reemplazará la antigua señal L1 C/A. Las características de la señal L1C son similares a las de L2C y L5. Ya se ha terminado el diseño y fabricación de algunos satélites del bloque III, pero aún no se ha realizado ningún lanzamiento. El primer lanzamiento está programado para el 2016. Sin embargo, considerando el ritmo actual de remplazo de satélites (el que puede cambiar dependiendo de circunstancias políticas y económicas no previstas), podría tomar por lo menos otra década una constelación completa de GPS con señales L1C.

En resumen

Desde el comienzo del nuevo milenio los profesionales de GPS han esperado impacientemente que se desplieguen todas las nuevas señales GPS. Aun cuando esto no resolverá como por obra de magia todos nuestros problemas actuales, tales como la degradación del rendimiento en áreas con obstrucciones o el largo tiempo de convergencia para una solución fija, creo que la modernización del sistema GPS tiene un futuro prometedor.

 

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Leyenda: Uso del espectro por las señales preexistentes y las nuevas de GPS.

 

a) Señales anteriores: L1 C/A, L1 P(Y) y L2 P(Y). Nótese que la señal civil usa el componente I (en fase) y las señales militares usan el componente Q (en cuadratura) de manera tal que puedan compartir la misma banda.

b) Nuevas señales a partir del bloque IIR-M: L2C y a partir del bloque IIF: L5. Nótese que también hay nuevas señales militares (M) en L1 y L2. También nótese que la señal L5 usa ambos componentes, I y Q.

c) Nueva señal a partir del bloque III: L1C. Nótese que esta señal usa un tipo de modulación (BOC) que le permite compartir la banda y el componente en fase/cuadratura con las señales anteriores y las militares.

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