EL GPS Y SUS APLICACIONES (II).

Sistemas de aumentación de la señal gps.

En el capítulo I sobre el GPS y sus aplicaciones acabamos hablando sobre el DGPS, o GPS diferencial. Se convertía en el primer sistema de aumentación de la señal GPS que daría lugar a varios tipos de sistemas. Desde ahí comenzamos esta segunda parte.

Los sistemas de aumentación de la señal GPS han abierto la puerta a otros tipos de aproximaciones instrumentales sin necesidad de apoyarse en ayudas radioeléctricas como el VOR, NDB o incluso el ILS, dando la capacidad realizar aproximaciones de CAT II/III o en curva donde antes la orografía no permitía una aproximación ILS.

Errores en la señal GPS.

En este punto, tenemos claro que la precisión en la posición de los receptores proviene directamente de la señal emitida por los satélites. En la primera parte y a modo repaso, comentamos el efecto del Selective Availability (SA) y que había sido eliminado en el año 2.000. Además, gracias al DGPS este efecto se contrarrestaba aumentando la precisión. Sin embargo, hay otros efectos intrínsecos que también son necesarios corregir: Error del reloj, error de efemérides, el error ionosférico y el error multitrayecto.

 Vimos como alterando en la señal el tiempo al que se envía la señal, la posición se alteraba (SA). En este caso, el error del tiempo era intencionado. Sin embargo, el reloj del GPS, a pesar de ser atómico, tiene un pequeño error que es necesario corregir.

El error de efemérides, suele rondar los 2,5 m. Los satélites siguen órbitas determinadas alrededor del planeta Tierra. Sin embargo, el planeta no es un globo perfecto y las fuerzas gravitacionales que actúan sobre los satélites no son constantes, lo que implica que las órbitas satelitales necesitan corregirse constantemente. Esto afecta a la posición del satélite para un instante determinado.

El error ionosférico es el más significativo. Según varias fuentes oscila entre los 3 y los 5 metros. Este error es debido a que la señal GPS tiene que atravesar la capa atmosférica y, al hacerlo, la señal cambia su velocidad y se refracta, provocando un retraso en la señal.

Por último, el error de multitrayecto, es un error más pequeño que los anteriores. Está relacionado con el reflejo de la señal del GPS con la superficie. Provoca que el receptor reciba la misma señal en diferentes rangos debidos al rebote. La orografía es un claro ejemplo. 

Sistemas de aumentación de la señal GNSS.

El GPS por sí mismo no podía dar un servicio de navegación aérea apropiado ya que, debido a todos los errores mencionados en el apartado anterior, no cumplía con los requisitos del anexo de 10 de OACI: Precisión, Disponibilidad e Integridad. Con la aparición del DGPS, la FAA se dio cuenta de que podría adaptarlo a la aviación no sólo para la navegación de enruta, sino para dar servicio de aproximación por instrumentos sin depender de las actuales radioayudas eliminándolas en un futuro cercano. (Australia ya comenzó a desmantelar todos los VOR y NDB).

GBAS.

Surgió entonces el LAAS (Local Area Augmentation System). No era otro que un sistema basado en los mismos principios que el DGPS pero con alguna mejora. El sistema permitiría obtener aproximaciones instrumentales del tipo ILS sin necesidad de utilizar señales radioeléctricas. Con el tiempo, pasaría a denominarse GBAS (Ground Based Augmentation System), término utilizado en OACI. Aunque todavía quedan referencias con la terminología anterior LAAS, no existen diferencias prácticas.

¿Cómo funciona el GBAS? En un área determinada se instalan 3 o más antenas receptoras de GPS que funcionan como referencia. Dichas antenas miden el tiempo de la señal entre el satélite y la antena, y calculan la posición. Dicha posición es enviada al GBAS Ground Facility y determina el error y el error medio de la señal GPS. Dicho error es transmitido al equipo de aviónica del avión mediante una antena emisora que opera mediante VHF Datalink (VDB). Como función añadida, el GBAS monitoriza la funcionalidad de los satélites, eliminándolo de la ecuación si fuera necesario.

Esquema de antenas del GBAS (imagen FAA).

El GBAS da cobertura en un área de unas 23 NM y permite ofrecer hasta 48 tipos de aproximación diferentes. Hasta hace dos años, tenía la capacidad de ofrecer CAT I, pero hoy en día tiene capacidad CAT II/III. A este tipo de aproximaciones se les conoce como GLS (GBAS Landing System). Podemos encontrarlas en numerosos aeropuertos de Estados Unidos, Asia y en otros como Rio de Janeiro, Bremen, Frankfurt, Zurich y Málaga.

SBAS.

Dado el éxito del GBAS, se propuso la idea de mejorar la señal del GPS en un entorno mayor al de las 23 NM. Así, la FAA implementó el WAAS (Wide Area Augmentation System). Para el sistema WAAS, se crearon Estaciones de Referencia WRS (Wide-area Reference Stations) distribuidas por el territorio norteamericano y Hawaii, en concreto 38. Estas estaciones hacen la labor de recibir las señales del GPS y compararlas con su propia localización exacta por lo que son capaces de detectar los errores. Esta información recolectada por los WRS (existen 3) es enviada a las WAAS Master Stations (WMS) que generan un mensaje cada segundo. Dicho mensaje contiene información que permite a los receptores de GPS/WAAS corregir el error de posición mejorando su precisión y su integridad. ¿Pero como se consigue enviar el mensaje a los receptores GPS?

Arquitectura WAAS (imagen FAA). Similar al sistema EGNOS europeo.

Para el envío de dichos mensajes, se lanzaron un total de 3 satélites de comunicaciones geoestacionarios que recibían de 6 estaciones o antenas (GEO Uplink System), los paquetes de información y la difundían utilizando el mismo método de envío de las señales GPS. De esta manera, el propio receptor GPS podría recalcular su posición corrigiendo la señal de los GPS con la del mensaje corrector enviada por los satélites geoestacionarios. Al mismo tiempo el propio sistema monitoriza y avisa cualquier dato erróneo que pudiera existir, permitiendo al receptor contar con la fiabilidad adecuada.

Dado el uso de satélites geoestacionarios para el envío de la señal correctora, OACI lo denominó SBAS (Satellite Based Augmentation System). Dado que el WAAS es un sistema SBAS sólo válido para el territorio de Estados Unidos y Hawaii, otras naciones decidieron poner en órbita su propia constelación geoestacionaria. En el caso de Europa, su sistema es el EGNOS. Rusia, India, Japón y China también disponen del suyo.

Sistemas SBAS.

Los sistemas SBAS mencionados anteriormente son interoperables. Es decir, permiten al mismo receptor utilizar las señales en todas las zonas de cobertura GPS.

El sistema SBAS, nos permite realizar aproximaciones SLS (SBAS Landing System) hasta mínimos LPV. Es decir, “Localizer Performace and Vertical guidance”. Lo que podemos traducir a ser capaces de realizar una aproximación como si fuera un ILS, hasta unos mínimos verticales geométricos y no barométricos (utilizando el altímetro).

¿Hay alguna diferencia entre los receptores comunes de GPS y los que utilizan SBAS? Sí. En modelos de avión de líneas aéreas es menos visible dado que, en el caso de Airbus, se integra en los MMR del avión. Hablaremos de esto en la siguiente parte. En el caso de aviones ligeros, el equipo utilizado es diferente y si se desea acceder a este tipo de capacidad de navegación es necesario utilizar un GPS con función SBAS. En algunos GPS, la denominación del aparato GPS cambia a “W”. Por ejemplo, GARMIN en el modelo G430, el que tiene la capacidad de realizar estas aproximaciones es G430W.

ABAS.

Una mención aparte merece el ABAS (Aircraft-Based Augmentation system). Como su propio nombre indica, será la aeronave mediante sus equipos de aviónica que mejoran su precisión de navegación. Sin embargo, aunque lo hay, esto no significa que utilice la señal GPS como en los casos anteriores del SBAS y GBAS.

Los equipos de aviónica realizan cálculos mediante algoritmos utilizando otros sensores para corregir su posición. Los más utilizados son los sistemas inerciales de navegación (INS), el DME/DME, o la mezcla de ambos. De hecho, es muy común encontrarse con requerimientos de navegación DME/DME para realizar aproximaciones RNAV-1, por ejemplo. Sin necesidad de requerir GPS.

Otro sistema ABAS muy extendido es el RAIM (Receiver Autonomous Integrity Monitoring que utiliza señales redundantes del GPS para detectar fallos.

Tanto del RAIM como de los distintos tipos de aproximaciones, hablaremos en el siguiente capítulo.

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