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GLONASS Global Navigation Satellite System - Monografía



 
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Satélites. Funcionamiento. Posicionamiento. Sistemas de tiempo. Códigos. Desarrollo futuro



GLONASS (GLOBAL NAVIGATION SATELLITE SYSTEM)



INTRODUCCIÓN



El sistema GLONASS es un sistema de navegación por satélite similar al GPS pero con importantes diferencias. El sistema está administrado por las Fuerzas Espaciales Rusas para el Gobierno de la Confederación Rusa y tiene importantes aplicaciones civiles además de las militares.
Al igual que en el sistema GPS, existen dos señales de navegación : la señal de navegación de precisión estandar (SP) y la señal de navegación de alta precisión (HP). La primera está disponible para todos los usuarios tanto civiles como militares que deseen emplearla en todo el mundo, y permite obtener la posición horizontal con una precisión de entre 57 y 70 metros (99.7% de probabilidad), la posición vertical con una precisión de 70 metros (99.7% de probabilidad), las componentes del vector velocidad con precisión de 15 cm/s (99.7% de probabilidad) y el tiempo con precisión 1 s (99.7% de probabilidad). Estas características pueden ser mejoradas empleando sistemas diferenciales similares a los empleados con GPS y utilizando métodos especiales de medida (medida de fase).
La constelación completa está formada por 21 satélites activos y 3 de reserva situados en tres planos orbitales separados 120º. Esto permite que sobre el 97% de la superficie terrestre se vean al menos 4 satélites de forma continua, frente a los 5 satélites (al menos) que pueden ser vistos en el 99% de la superficie terrestre si la constelación es de 24 satélites (GPS). De los 24 satélites de la constelación GLONASS, periódicamente se seleccionan los 21 que resultan dar la combinación más eficiente y los 3 restantes son dejados en reserva. Se ha planteado la posibilidad de aumentar la constelación a 27 satélites, de los cuales 24 estarían activos. Si uno de los 21 satélites operativos se avería, el sistema baja al 94.7% su probabilidad de éxito. El sistema de mantenimiento de la constelación prevé la activación de uno de los satélites en reserva o el lanzamiento de 3 satélites para sustituir a los averiados o ser dejados en reserva para usos futuros.

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 Constelación GLONASS



La primera nave tipo GLONASS ( el COSMOS 1413) fue lanzado el 12 de Octubre de 1982, y el sistema GLONASS comenzó a operar oficialmente el 24 de Septiembre de 1993 por decreto del Presidente de la Federación Rusa, Boris Yeltsin.
Desde aquél primer lanzamiento hasta Enero de 1996 la constelación ha ido pasando por diversas etapas :

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Cada satélite GLONASS describe una órbita circular a 19100 Km respecto a la superficie terrestre con una inclinaciónde 64.8º. El periodo orbital es de 11 horas y 15 minutos. La configuración del sistema GLONASS proporciona datos de navegación a usuarios que se encuentren incluso por encima de los 2000 Km dobre la superficie terrestre.


MODO DE FUNCIONAMIENTO DEL GLONASS



Para realizar posicionamiento en 3D, medir velocidades y realizar referencias de tiempo, el sistema GLONASS emplea radioseñales transmitidas de forma continua por satélites. Cada satélite de la constelación transmite dos tipos de señal : L1 de precisión estandar (SP) y L2 de alta precisión (HP). Se emplea el sistema de múltiple acceso por división en frecuencia. Esto significa que cada satélite transmite señales en su propia frecuencia, lo que permite su identificación.
Las frecuencias de estas portadoras vienen dadas por la expresión :
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Donde K es un valor entero entre -7 y +12, Z=9 para L1 y Z=7 para L2, con lo que la separación entre frecuencias contiguas es de 0.5625 MHz para L1 y 0.4375 MHz para L2. Los valores empleados para K son :

Hasta 1998 : entre 0 y 12
De 1998 hasta 2005 : entre -7 y 12
A partir del 2005 : entre -7 y 4

Si bien estos valores pueden ser modificadas en circunstancias excepcionales.  Existen satélites que transmiten a la misma frecuencia, pero están situados en las antípodas, por lo que no pueden ser “vistos” simultáneamente por un usuario.

El receptor GLONASS recibe señales de navegación de al menos cuatro satélites y mide sus pseudodistancias y velocidades. Simultáneamente selecciona y procesa el mensaje de navegación incluido en la señal de navegación. El ordenador del receptor procesa toda la información recibida y calcula las tres coordenadas de posición, las tres componentes del vector velocidad y el tiempo.

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SISTEMAS DE TIEMPO



Todos los satélites del sistema GLONASS están equipados con relojes de cesio que son corregidos dos veces al dia, lo que permite una precisión de 15 nanosegundos en la sincronización de tiempos de los satélites respecto al Sistema de Tiempos GLONASS. El Sistema de Tiempos GLONASS (GLONASST) es generado en la Central de Sincronización de Tiempos de Moscú, cuyos relojes de hidrógeno tiene una variación diaria inferior a 5×10E(-14). El sistema GLONASS proporciona referencias de tiempo en el Sistema de Tiempos GLONASS, mantenido en Moscú y en el sistema UTC (CIS), mantenido en el Centro Meteorológico Principal del Servicio Ruso de Tiempos y Frecuencias de Mendeleevo (VNIIFTRI). La introducción del UTC en lugar del TAI (Tiempo Atómico Internacional) se debe a que el TAI es un sistema de tiempo continuo que no tiene en cuenta la disminución de la velocidad de la tierra respecto al Sol, que en la actualidad implica 1 segundo al año, lo que significaría un problema para la sincronización con el día solar. El tiempo GPS (GPST) no es incrementado un segundo cada año, por lo que la diferencia de tiempos GLONASS y GPS no es igual cada año.


CÓDIGOS DEL SISTEMA GLONASS



Al igual que el sistema GPS, cada satélite modula su frecuencia portadora L1 con dos cadenas de secuencias PRN ( Código C/A para uso civil y código P para uso militar ) sumadas “módulo 2″ con el mensaje de navegación. La portadora L2 es modulada exclusivamente por la suma “módulo 2″ del código P y el mensaje de navegación. Los códigos C/A y P son iguales para todos los satélites, por lo que no permiten la identificación de los satélites como ocurre en GPS.

Código C/A :


Se trata de un código PRN ( Ruido pseudoaleatorio ) generado mediante un registro de desplazamiento de 9 bits, lo que proporciona un longitud de 511 chips. Este código se transmite a 0.511 Mchips/s, por lo que se repite cada 1 ms. Esto produce componentes de frecuencia no deseados a intervalos de 1 KHz que pueden dar lugar a correlaciones cruzadas no deseables entre fuentes de interferencias. No existe posibilidad de correlaciones cruzadas entre señales de distintos satélites debido a que emplean frecuencias distintas (FDMA). Tiene las características necesarias de autocorrelación, y se elige un código corto para permitir la rápida adquisición del código por parte del usuario. La velocidad de transmisión implica que un chip tarda 1.96×10E(-6) segundos en transmitirse, lo que significa 587 metros.

Código P :



Se trata de un código PRN secreto dedicado al uso militar, por lo que la información disponible sobre éste código es poca y ha sido obtenida tras el análisis realizado por organizaciones independientes. Es un código generado mediante un registro de desplazamiento de 25 bits, por lo que la longitud es de 3355431 chips. Se transmite a 5.11 Mchips/s y se repite cada 1 s, ya que está truncado.
El código P es mucho más largo que el C/A y también presenta características de autocorrelación. Se producen componentes de frecuencia no deseables a intervalos de    1 Hz, pero los problemas de correlaciones cruzadas no son tan importantes como en el código C/A. Evidentemente, al igual que sucede con el código C/A, no existe posibilidad de correlaciones cruzadas entre distintos satélites.
El código P gana en propiedades de correlación respecto al C/A, pero pierde en cuanto a propiedades de adquisición ya que hay 511 millones de cambios de fase posibles. Para solucionar este problema se emplea el código C/A, que es adquirido previamente para reducir el número de posibilidades y permitir de este modo la adquisición del código P de forma más rápida. Esto es posible debido a que el código P se transmite exactamente a una velocidad 10 veces superior a la del código C/A, por lo que no es necesario el empleo de la palabra HOW utilizada en GPS.

El mensaje de navegación


A diferencia del GPS, el GLONASS emplea dos mensajes de navegación diferentes que van sumados en modulo 2 a los códigos C/A y P respectivamente. Ambos mensajes de navegación son transmitidos a 50 bps, y su función primaria es la de proporcionar información a cerca de las efemérides de los satélites y la distribución de los canales.
La información contenida en las efemérides permite al receptor GLONASS conocer exactamente la posición de cada satélite en cada momento. Además de las efemérides, en el mensaje de navegación hay otro tipo de información como :

Cronometraje de épocas.
Bits de sincronización.
Bits de corrección de errores.
Estado de salud del satélite.
Edad de los datos.
Bits de reserva.

También puede ser incluida información que permita el uso de los sistemas GPS y GLONASS simultáneamente (offset entre los sistemas de tiempos respectivos, diferencias entre los modelos WGS-84 y PZ-90, etc…)

El mensaje de navegación C/A



Cada satélite GLONASS emite un mensaje de navegación C/A constituido por una trama que a su vez está formada por 5 subtramas. Cada subtrama contiene 15 palabras de 100 bits cada una. Cada subtrama tarda 15 segundos en ser emitida, por lo que una trama completa es emitida cada 2.5 minutos.
Las tres primeras palabras de cada subtrama contienen las efemérides propias del satélite, y llegan al receptor cada 30 segundos. El resto de palabras contiene información de efemérides aproximadas del resto de satélites de la constelación (almanaque). Cada subtrama tiene la información del almanaque de 5 satélites, por lo que es necesario leer todas las subtramas para conocer las efemérides aproximadas de todos los satélites, lo que lleva 2.5 minutos. Mediante el almanaque, el receptor puede localizar rápidamente
los satélites más apropiados, captarlos y leer sus efemérides exactas para proceder a realizar las medidas con toda precisión.
Al igual que en GPS, las efemérides tiene varias horas de validez, por lo que el receptor no necesita estar leyendo continuamente el mensaje de navegación para calcular la posición exacta.

El mensaje de navegación P


No existen publicaciones oficiales sobre el código P, pero diversas organizaciones e investigadores individuales han estudiado este mensaje y han publicado sus resultados.
Cada satélite GLONASS emite una trama formada por 72 subtramas. Cada subtrama contiene 5 palabras de 100 bits. Una subtrama tarda 10 segundos en ser emitida, por lo que la trama completa tarda 12 minutos en ser emitida.
Las tres primeras palabras de cada subtrama contiene las efemérides detalladas del propio satélite, por lo que estas llegarán al receptor cada 10 segundos una vez establecida la recepción. El resto de palabras contienen el almanaque de los demás satélites, y es necesario leer las 72 subtramas para tener la información de todos los satélites.


DESARROLLO FUTURO DEL SISTEMA GLONASS


Las autoridades rusas proyectan realizar ciertos cambios en el sistema GLONASS que afectarían tanto al segmento tierra, técnicas diferenciales y segmento espacio.

Mejoras en el segmento tierra :



Ciertas ampliaciones proyectadas para el segmento tierra relacionadas con el sistema de control del tiempo/fase, permitirán una precisión de 100 ns para el sistema de tiempos GLONASS y de 1 s para UTC(CIS). Además, el offset entre los sistemas de tiempo GLONASS y GPS será insertado en el mensaje de navegación para permitir la utilización conjunta de ambos sistemas. Más tarde el centro de control GLONASS será automatizado.

GLONASS diferencial :



A finales de los años 70 comenzó un Rusia la investigación en el campo del sistema GLONASS diferencial, lo que significa que esta investigación comenzó al tiempo que se desarrollaba el sistema GLONASS. Los científicos del Instituto Central de Investigación de las Fuerzas Espaciales Rusas (TsNII VKS), el Instituto Ruso de Investigación de Ingeniería de Vehículos Espaciales (RNII KP) y la Corporación Científica de Producción de Mecanismos Aplicados (NPO PM) tomaron parte activa en esta investigación.
Pero, debido a diversas causas, la implementación del sistema GLONASS diferencial en Rusia no llegó a su fin. La falta de disponibilidad selectiva en el GLONASS fue decisiva para que esto ocurriera, ya que la precisión estandar del sistema resultaba suficiente para los usuarios rusos.

En 1990-91 los trabajos en este campo volvieron a revitalizarse debido a extensión del sistema DGPS incluso en territorio ruso y a que ciertas compañías extranjeras mostraron gran interés en introducirse en el mercado ruso de equipamiento.
Bajo estas circunstancias, el interés de los usuarios rusos y de los fabricantes de equipos diferenciales aumentó considerablemente y los trabajos para la creación de estaciones diferenciales para diversas aplicaciones se aceleraron.

Actualmente está en proyecto la creación de sistemas diferenciales de área local (LADS) y de área regional (RADS) para el control del tráfico aéreo y marítimo, pero debido a la necesidad de canales específicos para la transmisión de las correcciones diferenciales, su uso por parte de usuarios particulares es problemática.

En Rusia existe la tendencia a crear una red de sistemas diferenciales departamentales orientada a usuarios específicos. Estos sistemas son los LADS pero sus zonas operativas no cubren la totalidad del territorio ruso. Una posible solución sería incrementar el número de LADS para dar servicio a la totalidad del territorio, pero resulta demasiado caro. Por este motivo existen propuestas para emplear otro tipo de sistemas diferenciales.

En 1994, el Instituto Central de Investigación de las Fuerzas Espaciales Rusas junto con el Centro de Coordinación de Información Científica de las Fuerzas Espaciales Rusas (KNITs VKS) llevaron a cabo el proyecto del futuro sistema diferencial ruso en el que se emplearían las infraestructuras de las bases de tierra del Complejo Ruso de Control de Vehículos Espaciales. Este sistema diferencial sería capaz de dar servicio a la práctica totalidad de usuarios en Rusia.

Para poder alcanzar los requerimientos necesarios, surge el concepto UDS (United Differential System), a fin de que el desarrollo de los WADS (Wide Area Differential System) y LADS en Rusia no se hagan aisladamente unos de otros. El UDS determina que el sistema diferencial ruso debe tener una estructura con tres niveles que incluyen a los sistemas WADS, RADS y LADS. Cada nivel del UDS es el sistema autónomo llevando a cabo sus tareas.

El primer nivel del UDS es el WADS y mediante las estaciones diferenciales de este 1er nivel se pueden realizar las siguientes tareas :

Recoger y procesar los datos recibidos de las estaciones de monitorización, las estaciones diferenciales del 2º y 3er nivel, para corregir los parámetros del modelo regional de la ionosfera, efemérides, correcciones del reloj y datos de integridad.
Transmitir la información del WADS necesaria a las estaciones diferenciales del 2º y 3er nivel o directamente a los usuarios.
Interacción entre el WADS y el Centro de Control GLONASS.

El número necesario de estaciones de 1er nivel está entre 3 y 5, y la precisión lograda en un área de radio entre 1500 y 2000 Km es de entre 5 y 10 metros. Para la red de estaciones diferenciales de 1er nivel es posible la utilización de la infraestructura del Complejo Ruso de Control de Vehículos Espaciales.

El segundo nivel del UDS es el RADS, que será creado para cubrir regiones desarrolladas con un buen número de usuarios y con cierta capacidad económica. Las estaciones RADS pueden ser situadas en zonas con tráfico intenso (aéreo, terrestre o marítimo), zonas con condiciones meteorológicas adversas etc…
La precisión obtenida es de entre 3 y 10 m en un área de radio 500 Km.

El tercer nivel es el LADS, que será desarrollado en regiones específicas para proporcionar aplicaciones económicas, científicas o de defensa. También se podrá, entre otras cosas, realizar trabajos departamentales especiales como el postprocesado de datos. Las estaciones LADS permitirán una precisión de decímetros en un área en torno a varias decenas de Km. El LADS puede ser creado en versión móvil. El 3er nivel incluye tambien los pseudolitos.

Se esperaba que el desarrollo de las RADS y LADS se llevara a cabo entre 1996 y 1997, y después serían integradas en el UDS entre 1998 y el 2000.

Autor:

Isaac Solano Martín





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