GLONASS by Ricardo Alonso Muñoz Canales

UNIVERSIDAD DE CIENCIAS Y HUMANIDADES

INGENIERIA ELECTRONICA CON MENCION EN TELECOMUNICACIONES

SISTEMA DE NAVEGACION GLONASS

Arévalo Orella Chávez Oyangurén Jiménez Orihuela Jhonatan Muñoz Canales Alonso

Lima Diciembre de 2012

Presentación

El siguiente trabajo tiene como propósito motivar e informar de este nuevo sistema de navegación poco conocido, pero similar al sistema de navegación GPS en esencia, y que promete mejores resultados que el anterior. La importancia del estudio de este sistema de navegación radica en sus aplicaciones comerciales de localización, además de conocer su funcionamiento por ser de origen ruso y que nos permite conocer la tecnología de esta potencia tecnológica. Las fuentes en español fueron variadas pero escasas y poco detalladas, sin embargo se hizo el esfuerzo de compilar la mayor y mejor información posible. La principal dificultad fue justamente la obtención de datos tanto es español e ingles, ya que al ser origen ruso es en este idioma de donde se encuentra la información pertinente. Durante esta exposición se brindara los conceptos básicos del funcionamiento de este Sistema, así como el marco histórico de su desarrollo, y además lo s requisitos necesarios para trabajar con él.

Sumario Presentación

Sumario

Introducción

1. Marco teórico

1.1 Definiciones matemáticas

1.2 Modulación

2. Historia

3. Composición de sistema GLONASS

4. Requisitos de sistema GLONASS

5. Implementación de interfaz

6. Aplicaciones

7. Conclusiones

8. Apéndice

SBASS NMEA 9. Bibliografía

10. Glosario

Introducción

Hoy en día es común escuchar sobre los sistemas de posicionamiento global ya que son los más usados en la geo-localización sea en transporte, topografía, aeronáutica, ubicación, etc. Pero tienen poca precisión en territorios accidentados, sin embargo se tienen muchas expectativas a futuro para este nuevo sistema de navegación. Como se mencionó, la localización lo más exacta posible de una persona, vehículo o lugar, es la mayor necesidad que promueve la investigación y desarrollo del sistema GLONNAS, ya que aspira competir con el muy conocido GPS que debido a las restricciones de seguridad militar impuestas por el gobierno quien lo desarrolló (EEUU), su exactitud es deliberadamente alterada en un rango de error de 10 metros; es así que el sistema GLONNAS pretende ser quien suplante a esta tecnología, aunque por el momento sea su mejor complemento. Aparte de GLONNAS (Rusia), existen otros dos sistemas de navegación: GPS (EEUU): conocido en su etapa de desarrollo como Navstar y que es el más usado en la actualidadGalileo (EU): Versión Europea de sistema de navegación satelital, que lleva retrasos debido a la crisis económica. El objetivos de este trabajo será entonces la información y orientación sobre el sistema de navegación GLONASS ya sea en su composición, requisitos, criterios de interfaz, aplicaciones, etc. Todo lo mencionado a continuación…

1. Marco teórico SoL: (Proyecto de emergencia civil) creado por el sistema de navegación Galileo, esta aplicación se le implementará al GLONASS. UTC: tiempo coordinado universal. PZ-90: es un sistema de recepción terrestre de los años 90, donde las coordenadas están definidas de la misma forma que en el Marco Internacional de Referencia Terrestre (ITRF), pero este era sensiblemente diferente del sistema WGS-84 (GPS) por ellos en el 2007 fue adaptado y actualizado y renombrado a PZ-90.02. Efecto Multi path: son los efectos de la señal ya sea GPS, Galileo o GLONASS que llega a la antena por múltiples caminos debido a la reflexión de la señal por tierra u objetos cercanos como edificios, carros, etc. El efecto Multi path distorsiona los datos modulados en la portadora así como la fase de la señal. FDMA: el acceso múltiple por multiplexación en frecuencia consiste en dividir un rango de frecuencias en canales de tal manera que se puedan transmitir distintas señales a la vez por diferentes portadoras sin que interfieran entre sí. Los sistemas FDMA son fáciles de implementar, pero por el contrario su configuración es rígida ya que cada transmisor sólo puede usar su frecuencia conocida para enviar las señales. En el caso de GLONASS el ancho de banda asignado se divide entre los satélites que forman la constelación, transmitiendo cada satélite en su propia portadora. Señal portadora: es una forma de onda, que es modulada por una señal que se quiere transmitir. Esta onda es de una frecuencia mucho más alta que la de la señal moduladora. Al modular una señal desplazamos su contenido en frecuencia, ocupando un cierto ancho de banda alrededor de la frecuencia de la onda portadora, permitiendo multiplexar en frecuencia varias señales utilizando diferentes ondas portadoras y conseguir así un uso más eficiente. CSA: canal de precisión estándar. CHA: canal de alta precisión. PNR: ruido Pseudo-aleatorio. Efemérides: información electrónica en cuanto a altitud y en datos de localización exacta que lo receptores GLONASS (satélites).

1.1 Definiciones matemáticas.

Capacidad de canal Se conoce en teoría de la comunicación a la capacidad de un canal. Como la velocidad por la que se puede transmitir los datos a través de este flujo de datos por el que se puede transmitir.

De ella se deduce que el canal está limitado por 3 parámetros que son W (ancho de banda), S (potencia de señal emitida), N (potencia de ruido del canal) y su unidad es bits/s. Función de auto-correlación. Fórmula matemática que permite medir la correlación entre 2 variables.

Donde f(t) es la función, f*(t) su conjugada y la función de auto-correlación la convolución de amabas. La función de auto-correlación permite encontrar patrones repetitivos dentro de una señal, como por ejemplo, la periodicidad de una señal que no contiene dicha componente, pero aparece numerosas frecuencias armónicas de ésta. Se dice que 2 señales son ortogonales si su función de autocorrelación cumple que Rf(Ƭ)=1 si Ƭ=0 y Rf(Ƭ)=0 si Ƭ no es 0. Este tipo de señales son muy útiles a la hora de discriminar distintos patrones mediante la correlación cruzada de 2 señales (correlación de 2 señales distintas) cuando una de las señales es desconocida.

1.2 Modulación Modulación BPSK Es una modulación digital que se basa en el cambio de fase de la portadora cuando cambia el dato que le llega. Es el caso más simple de todas las posibles

modulaciones PSK ya que posee dos estados que se corresponden con el valor de un bit: “0” y “1”.

En las señales de navegación el cambio de fase viene dado por un tren de bits que está formado normalmente por la suma en módulo-2 de la secuencia PRN y el mensaje de navegación. Espectro ensanchado Es una técnica para transmitir señales con muy poca potencia en un gran ancho de banda. Esta técnica se basa en la definición de capas de canal, ya que se puede intercambiar un parámetro como es el ancho de banda (W), por otro como la potencia transmitida (S), sin perder capacidad de transmisión. -

Resiste interferencias. Capacidad de compartir el ancho de banda con otras señales. Inmune al multi-trayecto. Privacidad debido a la codificación de su información.

Por ello es muy adecuado para la transmisión de información por satélites. Usa la técnica FHSS donde la señal se modula con una portadora cuya frecuencia varía en función del código.

Generación de los códigos PRN Es el resultado de muestrear el séptimo registro de un bando de nueve registros que se desplazan a una frecuencia de 0.511 MHz. En la siguiente imagen se puede apreciar el uso de los divisores en frecuencia para obtener dicha frecuencia, así como el banco de registros y la salida de bit del séptimo registro al modulador.

Identificación de los códigos PRN La función de auto-correlación es de vital importancia para la recepción de la información transmitida por los satélites de navegación. Los satélites transmiten una señal en espectro expandido utilizando técnicas de acceso al medio como CDMA, dicha señal es identificada en recepción a través de la función de autocorrelación. Los códigos PRN que se generan deben tener la máxima auto-correlación posible: -

Para t=0 debe haber un pico lo más acusado posible (el código será mejor cuanto más largo sea). El nivel de los lóbulos secundarios debe ser bajo (el código será mejor cuanto más elevado sea).

De manera discreta la función de auto-correlación se define como la convolución en tiempo discreto de la función anterior.

Siendo xn el símbolo enésimo del código PRN en cuestión y siendo máxima la auto-correlación para n=j. De esta forma el receptor es capaz de discriminar los códigos que le llegan identificando el código correcto a partir de la correlación cruzada de dicho código periódico de longitud N con los códigos que el receptor posee almacenados o que es capaz de generar. Se puede dar 3 posibles casos en la detección de los códigos PRN:

1. No existe correlaciรณn ninguna entre cรณdigos puesto que el receptor emplea un cรณdigo distinto al de la seรฑal (correlaciรณn nula entre cรณdigos).

2. Existe correlaciรณn parcial, puesto que emplean el mismo cรณdigo pero no estรกn en el mismo instante, es decir n es distinto de j.

3. Existe correlaciรณn entre ambas secuencias ya que se emplea el mismo cรณdigo con n=j (relaciรณn completa entre cรณdigos).

2. Historia A principios de los 70s, como una respuesta al desarrollo del sistema GPS, el Ministerio de Defensa Soviético desarrolló la Globalnaya Navigatsionnaya Sputnikova Sistema o Sistema Global de navegación por Satélite (GLONASS). Y este es similar al GPS desarrollado por los norteamericanos en muchos aspectos. El desarrollo del sistema GLONASS se realizó en 3 fases: -

Fase 1 (1983-1985): fase experimental del programa, en la que se refinó el concepto del sistema y se pusieron en órbita 6 satélites. Fase 2 (1986-1993): se completa la constelación con 12 satélites, lo que lo hace operativo pero no a nivel global. Fase 3 (1993-1995): se desarrollo la constelación nominal de 24 satélites y finalización del sistema.

Aunque el sistema se desarrolló entre 1982 y 1991, y se planeó para estar operativo completamente entre esos años, la caída de la Unión Soviética paralizó el desarrollo del sistema y fue retomado por la Federación Rusa que lo declaró oficialmente operativo en 1993, si bien no fue hasta 1995 cuando se completo la constelación. Sin embargo, debido a problemas económicos durante los años 1996 a 2002 Rusia fue incapaz de mantener su propio sistema de navegación, por lo tanto mantuvo solo 8 satélites operativos, lo que lo convirtió en prácticamente un sistema inútil a nivel global. Plan de renovación del sistema operativo GLONASS Como medida para salvar el sistema se dio un nuevo plan de modernización y restauración coordinado por Roscosmos (Agencia Espacial Rusa) y esta prevé la modernización completa del sistema. Por ello se hicieron acuerdos internacionales de cooperación con el fin de captar fondos y se decidió promover el uso civil de GLONASS para la futura obtención de beneficios económicos. Además se entablaran acuerdos internacionales para que sea compatible con el GPS y Galileo y de esta manera lograr un sistema global de navegación satelital (GNSS). -

Primera fase (1982- 2007): incapaz de prestar una capacidad inicial Operativa como GNSS ya que hay 19 satélites en órbita. Segunda fase (2003-2015): plan a medio plazo que implica el lanzamiento de satélites más modernos, así como la puesta en marcha de nuevos servicios a través de nuevas señales. Tercera fase (2008-2025): se pretende dotar de una capacidad plenamente operativa a GLONASS , consolidar el desarrollo del mercado civil y completar los sistemas de aumento, así como la puesta en marcha del servicio SoL (servicio para aplicaciones criticas) o (Safety of life).

En la actualidad. En la actualidad el sistema GLONASS está formado por una constelación de 31 satélites de una vida aprox. De 10-12 años que en este caso son los satélites GLONASS-K que está reemplazando sus anteriores versiones. Además de estar con acuerdos con el GPS y futuros acuerdos con el sistema de navegación Galileo para un mejor intercambio de información por ende me mayor precisión en cuanto a ubicación. Para el 2013 el proyecto es instalar el sistema GLONASS en todos los autos, además de prevenir a sus usuarios de desastres naturales e identificar a personas con antecedentes penales.

3. Composición del sistema GLONASS El sistema GLONASS se compone de 3 segmentos: -

Segmento espacial: constelación de satélites GLONASS, actualmente formada con una constelación de 31 satélites operativos.

Segmento de control: estaciones de control repartidas por el territorio ruso.

Segmento de usuario: receptores de información de posicionamiento.

Segmento espacial El segmento espacial o constelación del GLONASS está formado por una constelación de 31 satélites antes ya mencionados. Estos están distribuidos en 3 planos orbitales separados 1200, que contiene 8 satélites a 19100 Km de altura con una inclinación de 64.80 respecto al ecuador y que tarda 11 horas y 15 minutos en completar un período de giro, esto garantiza la completa visibilidad de un mínimo de 5 satélites de la constelación en todo el mundo con adecuada geometría. Es decir la constelación GLONASS proporciona una cobertura de navegación continua y global para la ejecución satisfactoria de observación de navegación. Cada satélite transmite una señal de navegación de radiofrecuencia, conteniendo un mensaje de navegación para los usuarios.

Satélites GLONASS Se han diseñado a través de los años distintos equipos espaciales o satélites que componen la constelación del GLONASS. Su desarrollo ha corrido a cargo de Applied Mechanics (NPO) en colaboración con el Institute For Space Device Engineering ruso y una tercera compañía, el Russian Institute of Radio Navegation and Time, ah sido el encargado de sincronización y desarrollo de otro quipo de apoyo. Desde que se empezó a desarrollar el sistema en 1982 se han desarrollado 4 modelos de satélites. Bloque I de satélites La primera generación de satélites conocida como Block I se lanzo entre 1982 y 1985 diseñados con un tiempo de vida de 14 meses sirviendo como prototipo para la validación del GLONASS. Bloque II de satélites Subdividido en distintos bloques, ha sido la más numerosa, entre 1985 y 1986 se lanzaron se satélites del Bloque IIa, tenían nuevos estándares de tiempo y frecuencia que mejoraron, con respecto a los prototipos, la estabilidad de frecuencia. Además tenían un tiempo de vida mayor a 16 meses. El siguiente fue el Bloque IIb, lanzado en 1987, con un tiempo de vida de 2 años y algunas mejoras, un total de 12 satélites fueron lanzados aunque la mitad se perdieron en accidentes de lanzamiento. El bloque IIv, lanzado desde 1988 hasta el 2000 con un tiempo de vida de 3 años, llegando a durar más de 65 meses en órbita, claro apagándolos de manera temporal. Uragan M o GLONASS M, constituye la segunda generación de satélites GLONASS, con un tiempo de vida de 7 años eh incorporando en estos satélites la señal L2 (mejorando con esto la exactitud y la fiabilidad de la navegación y mejorando la inmunidad frente a interferencias en el receptor para uso civil) en el 2005, han sido lanzados 2001-2007.

Uragan K o GLONASS K, constituye la tercera generación de los satélites GLONASS que gradualmente irán reemplazando a los demás satélites ya que estos tiene una vida entre 10 – 12 años y estos satélites tendrán la posibilidad de emitir la señal de navegación en la frecuencia L3 (además de L1 y L2) por la banda de radionavegación aeronáutica.

Segmento de control El Sector de Control está formado por un sistema Central de Control (SCC) en la región de Moscú y una red de estaciones de seguimiento y control (CTS), desplazadas por toda el área alrededor de Rusia. El Sector de Control GLONASS debe seguir y vigilar el estado de sus satélites, determinar las efemérides y errores de los relojes de los satélites, es decir, la diferencia entre el tiempo GLONASS y la escala de tiempo (UTC). También se actualiza los datos de navegación de los satélites, esta actualización se realiza 2 veces al día. Las Estaciones de Control (CTSs) realizan el seguimiento de los satélites y almacenan los datos de distancias y telemetría a partir de las señales de los satélites. La información obtenía en los CTSs es procesada en el Sistema de Central de Control (SCC) para determinar los estados de las órbitas y relojes de los satélites y para actualizar el mensaje de navegación de cada satélite. Esta

información es enviada a cada satélite por medio de las CTSs y estas calibran periódicamente los datos de distancia a los satélites mediante láser. Para ello los satélites GLONASS van provistos de unos reflectores especiales. La sincronización de todos estos procesos en el sistema GLONASS es muy importante ya que para conseguir esta sincronización se dispone de un reloj atómico de hidrógeno de alta precisión, el cual determina la escala de tiempo GLONASS. Los satélites GLONASS llevan abordo un reloj de cesio y se sincroniza respecto a la UTC. También hay parámetro los cuales se usan cuando se trabaja con el sistema combinado GPS y GLONASS, el cual es GLONASS PZ-90.02 al sistema GPS WGS-84, estas estaciones están repartidas por todo el mundo utilizando técnicas láser, radar y óptica. Estos parámetros son calculados por los mínimos cuadrados utilizando 9 días de datos de seguimiento.

Segmento de usuario El sistema GLONASS es un sistema militar y civil. Todos los usuarios militares y civiles constituyen el segmento de usuario. El equipo de recepción de señal GLONASS está formado por una antena y su receptor. La antena suele llevar un plano de tierra para evitar el efecto Multi path, es decir, la recepción de señales reflejadas en el suelo u otros objetos que afectarían la precisión. Los receptores disponen de un reloj para sincronizar las señales recibidas. Existen 2 generaciones de receptores GLONASS, la primera generación contenía 1,2 y 4 canales, la segunda generación son más compactos y ligeros incluyendo 5,6 y 12 canales para aplicaciones civiles y capaces de operar con las 2 constelaciones GPS/ GLONASS. Se puede hacer mención también que hay un gran número de fabricantes y científicos que han diseñado y construido receptores GLONASS incluyendo doble frecuencia y códigos C/A y P.

4. Requisitos del GLONASS Definición de interfaz El interfaz de GLONASS entre el segmento espacial, segmento de control y usuario consiste en el uso de dos enlaces RF (radio frecuencia), situados en la banda L, L1 y L2. GLONASS utiliza la técnica de multiplicación por división en frecuencia (FDMA) en ambas bandas. Esto implica que cada satélite transmite la señal de navegación con su propia portadora, siempre distinta del resto de satélites de la constelación.

GLONASS provee dos tipos de señales en la banda L1 y L2 conocidas como señales estándar (CSA), que presta el servicio civil y señal de alta precisión (CHA) para uso militar. El CSA comenzó como servicio en la banda L1 pero con la innovación de los satélites GLONASS-M se incorporó el servicio banda L2. Con el lanzamiento de nuevos satélites GLONASS-K se pretende modernizar el segmento espacial, así como la interfaz, añadiendo nuevos enlaces RF, como es el caso de la banda L3 que se encargara de prestar servicios SoL, así como una nueva señal civil. Las señales de navegación de los enlaces L1 y L2 se transmiten en espectro ensanchado y están moduladas por uno o más trenes de bits, cada uno de los cuales está formado normalmente por la suma en el modulo 2 del código de posicionamiento (PNR) y el mensaje de navegación y una secuencia auxiliar. La identificación de los satélites GLONASS se hace por FDMA.

Estructura de los códigos PRN Los códigos de posicionamiento PRN de GLONASS son el C/A y el P. GLONASS transmite en código P en ambas bandas L1 y L2 y el código C/A, de momento sólo en la banda L1, pero está programado para que la constelación GLONASS-M lo transmita también en la banda L2 para uso civil. Código C/A Se genera con un desplazamiento de 9 bits, lo que proporciona una longitud de 511 chips (29-1chips). Este código se transmite a 0.511 Mbps, con un periodo de 1ms. Tiene las características necesarias de auto-correlación y se elige un código corto para permitir la rápida adquisición del código por parte del usuario. Código P Se trata de un código PRN secreto dedicado al uso militar por lo que la información disponible sobre este código es poca. Es un código generado mediante un registro de desplazamiento de 25 bits por lo cual la longitud es de 3355431 chips. Se transmite a 5.11 Mbps y se repite cada 1s. 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 posible. 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 rápida. Esto es debido a que el código P se transmite exactamente a una velocidad 10 veces superior a la del código C/A.

Estructura del mensaje de navegación El GLONASS emplea 2 mensajes de navegación diferentes que van sumando 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 la efemérides de los satélites y la distribución de los canales. Cada mensaje de navegación proporciona dicha información a través de dos de datos conocidos como datos inmediatos y no inmediatos. Los inmediatos son aquellos que proveen de información satelital y los no inmediatos son aquellos que proveen de información relacionada con la constelación de GLONASS (datos de almanaque). El mensaje de navegación C/A Esta constituido de manera jerárquica por un patrón de bits que se repite. Dicho patrón es una trama que tarda 2.5 minutos en transmitirse y que está formada por 5 subtramas de 30 segundos cada una y esta a su vez por 15 cadenas de 2 segundos de duración. La información contenida en palabra de mensaje es: -

Las 4 primeras palabras de cada subtrama contienen las efemérides propias del satélite. Las cuales tienen varias horas de validez, por lo que el receptor no necesita estar leyendo continuamente el mensaje de navegación para calcular la posición exacta. El resto de palabras contiene información de efemérides aproximadas del resto de satélites de constelaciones (almanaque). Cada subtrama tiene al 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.

El orden en que se lee el mensaje es MSB y cada palabra se divide en: información (bits 9-84), bits de control (KX) del código Hamming y marca de tiempo (MB) que separa las palabras y el chip vacío (bit 85, que es “0”).

Estructura del mensaje de navegaci贸n C/A GLONASS

Estructura de la señal de navegación Las señales de navegación transmitidas en ambos enlaces son señales BPSK moduladas por un tren de impulsos. Para la transmisión de sus señales, la diferencia de fase de portadora es π radianes. En el enlace L1 empleando la señal se compone de: -

Código PNR C/A sumado en módulo-2 con el mensaje de navegación C/A y una secuencia auxiliar empleado para uso civil. Código PNR P sumado en módulo-2 con el mensaje de navegación P y una secuencia auxiliar empleado para uso militar.

El enlace L2 se compones del código PNR P sumado en módulo-2 con una secuencia auxiliar empleado para uso militar.

Criterios del interfaz Plan de frecuencia Planes de frecuencia para señales GLONASS Band L1

Señal portadora 1602 MHz

1246 MHz

1201.2 MHz

Fase

Uso Original

Fase (I) Código militar Cuadratura (Q) Código militar Fase (I) Código militar Cuadratura (Q) Fase (I) Cuadratura (Q)

Uso tras la modernización Militar Señal L1 civil Militar Señal L2 civil Portadora señal L3 civil Señal L3 civil

En la tabla se presentan las frecuencias portadoras definidas por el interfaz de GLONASS. Todas ellas derivan de una frecuencia fundamental de 5 MHz. Cada satélite transmite en su propia frecuencia portadora, que deriva de cada una de estas. Para la banda L1: (

)

Para la banda L2: (

)

Portadoras para señal GLONASS. No. Of Nominal value of frecuency No. Of Nominal value of frecuency channel in L1 sub-band. MHz channel in L2 sub-band. MHz 13 1609.3125 13 1251.6875 12 1608.75 12 1251.25 11 1608.1875 11 1250.8125 10 1607.625 10 1250.375 09 1607.0625 09 1249.9375 08 1606.5 08 1249.5 07 1605.9375 07 1249.0625 06 1605.375 06 1248.625 05 1604.8125 05 1248.1875 04 1604.25 04 1247.75 03 1603.6875 03 1247.3125 02 1603.125 02 1246.875 01 1602.5625 01 1246.4375 00 1602.0 00 1246.0 -01 1601.4375 -01 1245.5625 -02 1600.8750 -02 1245.1250 -03 1600.3125 -03 1244.6875 -04 1599.7500 -04 1244.2500 -05 1599.1875 -05 1243.8125 -06 1598.6250 -06 1243.3750 -07 1598.0625 -07 1242.9375 (Relación entre los elementos del segmento de control con el segmento espacial) Estas frecuencias se han escogido porque las señales GLONASS creaban interferencias con las señales astronómicas de radio, que usaban las bandas de frecuencia de 1610.6 – 1613.8 y 1660 – 1670 MHz para satélites de comunicación móvil.

Nivel de potencia recibida El nivel de potencia en recepción de las señales RF emitidas por los satélites GLONASS está definido para un ángulo de observación de 5º y una antena polarizada linealmente de 3dBi de ganancia. En la banda L1 para el servicio CSA el nivel es de -161 dBW. Para los satélites GLONASS (M-K) se han definido además que la potencia mínima en la banda L2 para el mismo ángulo debe ser de -167 dBW.

5. Implementación de interfaz Estudio técnico del segmento espacial El segmento espacial GLONASS transmite la información de la siguiente manera, cada satélite de la constelación retransmite la señal de navegación por cada uno de los enlaces definidos L1 y L2 prestando los 2 servicios, CSA y CHA, a través de estos. Los satélites retransmiten la información en la frecuencias asignadas, entre todas las posibles utilizando la técnica FDMA, lo que permite distinguir que satélite está transmitiendo. El proceso de transmisión de las señales que se genera en el satélite es el siguiente: -

Sintetizador de frecuencia: reloj atómico que funciona a 5MHz. Unidad de datos de navegación: recibe los datos de navegación del segmento de control a través de las estaciones TT&C. Banda base de navegación: se genera el código C/A y el P, se modula la señal de navegación C/A o P a 0.511MHz y 5.11MHz respectivamente y se suman códigos y datos para transmitir la secuencia en espectro expandido. Subsistema de banda-L: modula la señal de espectro expandido a la frecuencia portadora de cada satélite. Antena: transmite la información al segmento de tierra.

Estudio técnico del segmento de control El segmento de control GLONASS está formado por la red de estaciones TT&C distribuidas por toda Rusia y la estación de control maestra en Moscú se encarga de monitorizar el segmento espacial y se comunica con este a través del interfaz definido. Las funciones que lleva a cabo a través de los datos aportados por la señal definida en el interfaz es capaz de: -

Establecer el tiempo de reloj de cada satélite y su diferencia relativa con respecto al sistema. Determinar las efemérides. Determinar el estado de la constelación. Aplicar correcciones temporales u orbitales. Determinar fallos en los satélites. La red de estaciones de monitorización (Tracking Stations Network) proveen de datos de medidas de posicionamiento de satélites en tiempo

casi real a la estación de control y monitorean de manera constante la constelación así como los sistemas de aumento. A través de un enlace, dicha información se envía al centro de procesamiento de Moscú. El centro de procesamiento y análisis de datos vigila la integridad de la información de cada satélite y las correcciones orbitales que debe aplicar. La red de antenas de tierra (Uplink Stations) provee de un interfaz de Telemetría, Posicionamiento y comando (TT&C) en tiempo casi real entre la MCS y el segmento espacial, permitiendo aplicar las correcciones.

Aplicaciones



Pronóstico de terremotos por satélites GLONASS

Según los expertos, el sistema satelital ruso no tiene aparatos especiales para prever los terremotos, pero con él se ha descubierto una relación entre los movimientos de la corteza terrestre y los cambios en la ionósfera o en la radiación infrarroja. El terremoto de Japón de marzo del 2011 que provocó un tsunami y el accidente en la planta nuclear de Fukishima fue uno de los primeros sismos que los científicos rusos pudieron 'pronosticar' debido a diversos cambios atmosféricos. Sin embargo, solo se trataba de observaciones experimentales con el sistema GLONASS por lo que los datos recibidos siete horas antes de la tragedia no pudieron

haberse

usado

como

pronóstico

sismológico

oficial.

Entre los terremotos más recientes pronosticados de esta manera está el de magnitud 6,1 que se registró el pasado 20 de junio en las aguas cercanas a las islas

Kuriles,

extremo

oriental

Rusia.

Las observaciones se enfocan en la región de la península de Kamchatka, en el Oriente Lejano ruso, y en el archipiélago de las Kuriles que incluye Japón. 

Equipos de guía y automatización

Proporcionan valores de superficie y volumen, simplificando el levantamiento topográfico y control. Utilizado y potenciado por la compañía Topcon para aplicaciones en construcción, ya sea nivelación precisa, replanteo de peraltes (pendiente transversal que se da en las curvas a la plataforma de una vía férrea o los carriles de una carretera) y levantamientos móviles en 3D. 

Ubicación mediante dispositivos móviles, ya sea en automóviles, aviones, barcos, buques, personas, etc.



Seguridad pública y socorro en caso de desastres naturales.



Control espacial.

Conclusiones 

Los resultados alentadores hacen creer que en un futuro cercano los datos satelitales se usarán junto con los métodos tradicionales de previsión de terremotos.



A medida que se vaya profundizando mas este tipo de sistema de navegación podrá estar al alcance de todos, como actualmente lo usan los ciudadanos rusos y otros.



Con la incorporación de nuevos satélites GLONASS, de mayor duración de vida, mayor potenciación y precisión en cuanto a posicionamiento, hacen que sus usuarios se sientan más seguros en todo momento y lugar.



El trabajo conjunto del sistema de navegación GLONASS, GPS y más adelante el Galileo darán como resultado un posicionamiento exacto sin importar el lugar del usuario o usuarios, ya que a mayor cantidad de satélites es mayor la precisión en cuanto a ubicación.



Cabe mencionar también que la aplicación no es de uso exclusivo civil, sino que fue concebido para uso militar, por lo cual es muy usado como guía de mísiles y otros usos similares.



Para el trabajo conjunto ya sea con el GPS o el Galileo es necesario un código común entre ellos para poder compartir la información entre estos sistemas de navegación.



Actualmente estos sistemas se encuentran como aplicaciones para nuestros distintos celulares ya sea para poder ubicarnos, como un mapa portátil o como sistema de protección ante robo.



Existen muchas aplicaciones futuras, como la predicción de terremotos antes mencionada, y se espera el desarrollo e investigación con la ayuda de estos sistemas de navegación.

Bibliografía

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WAYNE TOMASI, SISTEMAS COMUNICACIONES ELECTRONICAs, Prentice Hall Inc., Cuarta Edición, México DF, 2003.

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http://es.wikipedia.org/wiki/GLONASS

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http://www.glonass-ianc.rsa.ru/en/CUSGLONASS/index.php

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http://danielmarin.blogspot.com/2011/02/lanzamiento-soyuz-21b-glonassk1-n1.html

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http://actualidad.rt.com/tag/GLONASS

APENDICE

NMEA El NMEA (Natinal Marine Electronics Association) es una norma de comunicación entre equipos electrónicos marinos y de navegación establecido entre diversos países, para transmitir y compartir información vital. Este estándar especifica tanto las conexiones físicas (eléctricas) que componente el sistema, así como el método de transmisión de datos y la sintaxis (formas) en las que el lenguaje lleva la información. Especificación: La especificación mínima para comunicación en hoy en día es NMEA v2/v3, se rigen por la norma técnica RS422 (PC), utilizando un voltaje de entre 0/+5 voltios, que es él común para uso en equipos electrónicos. Sin embargo los niveles de voltaje presentes en un BUS NMEA, pueden fácilmente llegar hasta los -15/+15 v, específicamente en equipos antiguos que usan NMEA V1. Por tanto todos los equipos que conforman el sistema deben estar opto-aislados. NMEA 0183: Es una especificación eléctrica y de datos para la comunicación de dispositivos electrónicos marinos como por ejemplo: Eco radar, sonar, anemómetro, gyrocompass, piloto automático, GNSS(GPS, GLONASS), etc. FORMA DE CODIGO: La siguiente estructura de código: GPAAM $, A, A, 0,10, N, WPTNME * 32

Donde: GP

ID del emisor ( GP para una unidad de GPS, GL para una GLONASS)

AAM

Llegada alarma

Llegada círculo entró

Perpendicular pasado

0,10

Radio del círculo

Millas náuticas

WPTNME

Waypoint nombre

* 32

Suma de comprobación de datos

SBAS Antecedentes: Sistemas de Aumentación de Señal Son sistemas regionales que permiten mejorar la precisión de los principales sistemas de navegación (GNSS)

Esquema de los Sistemas de Navegación: GNSS: Engloba todos los Sistemas de Navegación GNSS-1: GPS y GLONNAS actuales GNSS-2: Galileo, Compass , actualizaciones de GPS y GLONNAS. Sistemas Aumento: SBAS GBAS y ABAS

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Sistema de Aumento en Aeronaves: ABAS Este sistema emplea más de 4 satélites para calcular la posición, así detecta fallos en el envió de datos, actualmente se emplea 2 sistemas -RAIM (Sistema Monitor de Integridad del Receptor): Detecta fallos triangulando la posición con otros satélites, y haciendo que la aeronave funcione como una. -FDE (Sistema de Identificación y Exclusión de Fallas): Detecta el satélite defectuoso, es el más usado en las naves de la actualidad.

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Sistema de aumento basado en tierra GBAS Es un sistema de aumento de precisión para los sistemas GNSS, muy usado en tráfico aéreo, se diferencian de los primeros en que no dependen de satélites GEO (geoestacionarios), ya que es usado en distancias cortas. Este sistema vigila las señales GPSS o GLONASS en una terminal aérea y transmite correcciones, mensajes de integridad locales y datos al receptor a bordo de la aeronave, utiliza el canal VHF(VDB).

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Sistemas Aumento Basado en Satélites: SBAS Son el conjunto de sistemas de aumento desarrollador por varios países para mejorar los servicios brindados por los GNSS, debido a que por sí solos los sistemas GPS y GLONASS no cumplen los requisitos requeridos por organizaciones que requieren alta precisión, como el de aviación civil internacional (OACI). SBASS Actuales:

WAAS (Wide Area Augmentation System) - EEUU CWAAS (Canadian Wide Area Augmentation System) - CANADA EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay Service) - EUROPA MSAS (Multifunctional Satellite Augmentation System) - JAPON GAGAN (GPS and GEO Augmented Navigation) - INDIA

GLOSARIO *Por orden de aparición: GLONASS:(Globanaya navigatsionnaya sputnikovaya sistema), Sistema de posicionamiento global satelital. Navstar/GPS:(Navigation System Ranging) Nombre previo del sistema GPS (EEUU), es la versión posterior al sistema TRANSIT sistema de navegación de los años 60 el cual no podía ser usado por aeronaves. Galileo: Sistema de navegación satelital semejante de la Unión Europea. SoL: (Proyecto de emergencia civil) creado por el sistema de navegación Galileo, esta aplicación se le implementará al GLONASS. UTC: tiempo coordinado universal. CSA: canal de precisión estándar. CHA: canal de alta precisión. PNR: ruido Pseudo-aleatorio. Efemérides: Coordenadas de ubicación en el cielo para ubicar objetos en él. Autocorrelación: Herramienta matemática para encontrar patrones repetitivos en una señal, su frecuencia fundamental, periodicidad oculta por el ruido. PSK: Es una forma de modulación angular (PM-Phase Modulation), varía la fase de la portadora en valores discretos siendo esta señal digital. BPSK:(Binario PSK/ 2-PSK) Es el más sencillo de las formas de modulación, ya que usa 2 símbolos 1(0º) y 0(180º). PRN:(Pseudo Random Noise), código de señal usado en sistemas GNSS, ya que se envía varios señales en la misma frecuencia en código PRN siendo luego correlacionada para separar de las otras. CDMA:(Code Division Multiple Acces), conjunto de métodos de multiplexación de señales en espectro ensanchado: Constelación: Conjunto de satélites que conforman un sistema de posicionamiento Global (GNSS). ROSCOSMOS:(Роскосмос), agencia espacial Rusa. GLONASS-K:(Uragan-K) Ultima versión de los satélites que conforman la constelación, remplazarán a las versiones de Fase I y II y a los Uragan-M.

SCC: Sistema Central de Control CTS: Estaciones de seguimiento y control Banda L: Rango de frecuencias de Microondas establecidos por la IEEE van desde los (1.5-2.7) GHz, establece frecuencias de las portadoras. Banda L1: Sección de la Banda L usada por GLONASS para uso civil (SP:Standart Precision) establecida a partir de 1227.6 MHz. Banda L2: Sección de la Banda L usada por GLONASS para uso militar (HP: High Precisión) establecida a partir de 1575.42 MHZ. Banda L3: Sección de la Banda L, Proyectada para uso futuro establecida en 1201.2MHZ Bps: (Bits por segundo), Unidad de velocidad de transmisión, o capacidad de canal de datos. Código Hamming: Código detector y corrector de errores, inventado por Richard Hamming. RF: Radio Frecuencia. DB (db): Decibelios, unidad para expresar relación entre 2 magnitudes. TT&C:(Tracking, Telemetría y comando). RS422: Especificación de conexión para dispositivos electrónicos similar al RS232 (Puerto Paralelo DB25, Puerto Serie DB 9) VHF: (Very High Frecuency) Banda del espectro electromagnético que ocupa el rango de frecuencias de 30-300MHZ.