Modernización del GPS

Modernización del GPS y las nuevas señales
El programa de modernización es el resultado de un plan estratégico que comenzó a
ser desarrollado 3 años después que el sistema GPS se declarara completamente
operativo en julio de 1995, y engloba a un conjunto de mejoras que van desde la
constelación incluyendo a los satélites del bloque IIR(M), IIF y III; pasando por el
segmento de control, incluyendo el Plan de Evolución de la Arquitectura (AEP) y el
Sistema de Control Operacional de Nueva Generación (OCX). El calendario oficial
para las mejoras en paralelo a los segmentos espacial y de control se muestra a
continuación (corregido a Mayo de 2012):
Fuente: http://www.gps.gov/systems/gps/modernization/
Este programa está incorporando las tecnologías más modernas que mejoran la
performance del sistema de posicionamiento en su conjunto. Por ejemplo, están
siendo reemplazados todos los sistemas informáticos y de comunicaciones por una
arquitectura basada en red, que permitirá mejores conexiones y más frecuentes
introducciones de comandos desde el segmento de control a la constelación.
Pero el objetivo principal de la modernización del GPS es el agregado de nuevas
señales de navegación a los satélites. El gobierno norteamericano se encuentra en
proceso de despliegue de tres nuevas señales diseñadas para usos civiles: L2C, L5, y
L1C. Las señal tradicional L1 C/A se continuará transmitiendo en el futuro -como ya
habíamos mencionado en otro artículo- para preservar la compatibilidad hacia atrás,
en tanto que aquellos usuarios que quieran beneficiarse de las nuevas señales tendrán
que actualizar su equipamiento.
Las nuevas señales civiles se están introduciendo progresivamente en la medida que
la Fuerza Aérea lanze los nuevos satélites en sustitución de los que se encuentran
operativos actualmente. Casi todas las nuevas señales serán de uso limitado hasta que
sean transmitidas en al menos 18 satélites y hasta completar la nueva constelación.
Segunda señal civil L2C
Ha sido diseñada para aplicaciones comerciales y se comenzó a transmitir en el
primer satélite del bloque IIR (M) lanzado en 2005, la cual se encuentra a la fecha en
estado pre-operativo siendo transmitida por 16 satélites a una frecuencia de 1227.60
Mhz (igual que la L2 original).
La nueva L2C lleva una nueva señal militar, el código M, y el ya conocido código P
(Y), pero la novedad más importante para los usuarios civiles es la introducción de
dos nuevos códigos para usos civiles llamados L2CM y L2CL. La designación CM
significa código civil de longitud moderada y es modulado con un mensaje de
navegación mejorado conocido como CNAV que se transmite a 25 bps a una
frecuencia de 10.23 Mhz y se repite cada 20 milisegundos, en tanto que el segundo
código denominado de longitud larga no contiene datos y se repite cada 1.5 segundos.
Este diseño ofrece mejores umbrales de rastreo y de mensajes que la señal L1 C/A.
Recién en abril de 2014, la Fuerza Aérea comenzó a transmitir el mensaje de
navegación civil (CNAV) sobre las señales L2C y L5, y su información es
esencialmente la misma que contiene el mensaje original de la señal, que incluye el
almanaque, las efemérides, el tiempo y la salud de los satélites, aunque los datos son
de mayor calidad para proveer servicios de posicionamiento de mayor exactitud.
Para aplicaciones profesionales, la L2C proporciona una adquisición de la señal más
rápida, con una mayor fiabilidad, amplitud de rango operativo y poder de transmisión
superior que la original L1 C/A. Todo esto representa una serie de ventajas prácticas
para los usuarios que tienen que ver con una mayor tolerancia a las interferencias,
más estabilidad de la señal, mayor resistencia al efecto multicamino (multipath) y
mejor capacidad de rastreo de la señal con menos ciclos perdidos en áreas con
obstrucciones incluyendo zonas boscosas, próximas a construcciones o ambientes
urbanizados con edificios en altura.
De la misma manera que con los receptores de 2 frecuencias y tal como ha venido
ocurriendo hasta el presente, la combinación entre L1 C/A con L2C permite calcular
la corrección ionosférica para remover su influencia en bases largas o muy largas y el
desarrollo de aplicaciones en tiempo real.
Tercera señal civil L5
La Fuerza Aérea comenzó a transmitir esta señal en 2009 de manera experimental en
un satélite IIR-M, mientras que el primer satélite del bloque IIF lanzado en mayo de
2010 fue equipado con un transmisor completamente operativo de la señal L5. Al 21
de Abril de 2015, la transmisión de esta señal se encuentra en estado pre-operativo y
es transmitida por 9 satélites a una frecuencia de 1176.45 Mhz, y se espera que esté
disponible en 24 satélites alrededor del 2021.
L5 fue especialmente diseñada para satisfacer los requerimientos de seguridad de
vida en el transporte y otras aplicaciones de alta performance, y es transmitida en una
banda de radio reservada por la Unión Internacional de Telecomunicaciones para
Servicios de Radionavegación Aeronáutica (ARNS) para servicios de seguridad de la
aviación. Por lo tanto, esta señal no es propensa a interferencias con sistemas
terrestres de ayuda a la navegación, y además L5 compartirá espacio con la señal E5
del sistema de la Unión Europea Galileo.
Sus principales características son un alto poder de transmisión, gran ancho de banda
y diseño avanzado de la señal. Adicionalmente al mejoramiento de la seguridad, la
utilización de L5 incrementará la eficiencia de todos los sistemas de transporte no
solo por aire sino además por tierra y por agua. Pero más allá de esto, todos los
usuarios se verán beneficiados con servicios de posicionamiento más robustos,
cuando esta señal sea utilizada en combinación con L1 C/A y L2C, es decir a través
del empleo de tres frecuencias, que permitirá exactitudes submétricas sin necesidad
de sistemas de aumentación.
Asimismo cabe considerar que L5 no transmite ninguna señal militar y tiene una
señal modulada con datos y una sin datos, siendo ambas transmitidas en una
frecuencia de 10.23 Mhz. Esto quiere decir que L5 tendrá códigos 10 veces más
rápidos y más largos que el código C/A de manera que los riesgos de interferencia
serán muy bajos y permitirá mediciones de pseudodistancias (pseudorange) más
exactas.
Cuarta señal civil L1C
Esta señal que no debe confundirse con la L1 C/A, comenzará a transmitirse por el
2016 con los satélites GPS III, y se espera que esté disponible en toda la constelación
alrededor del 2026.
Satélite GPS III en banco de pruebas. Fuente:
http://www.lockheedmartin.com/us/news/press-releases/2013/july/0722-ss-gps.html
La L1C ha sido desarrollada en conjunto por los Estados Unidos y la Unión Europea
como una señal civil compartida para GPS y Galileo, y se transmitirá a la misma
frecuencia que la señal original L1 C/A, es decir a 1575.42 Mhz, que mantendrá la
compatibilidad hacia atrás y tendrá al igual que la L2C dos señales militares
adicionales (códigos P y M).
Al igual que L2C y L5, L1C se transmitirá a una potencia mayor, lo cual significa
que la señal será más fuerte cuando arribe a la superficie terrestre, hecho que
representará una mejora a nivel de recepción de la señal, acortamiento del tiempo de
adquisición y evitará interferencias, sobre todo en ambientes “hostiles” como las
grandes ciudades.
Fuentes consultadas:
Fontana R., Cheung W. & Stansell T. (2001). The Modernized L2 Civil Signal.
Revista GPS World, http://web.ydu.edu.tw/~ccchang/ModernizedL2CivilSignal.pdf
InsideGNSS (2007), Enhancing the Future of Civil GPS: Overview of the L1C
Signal, http://www.insidegnss.com/node/485
Meurer M., Erker S., Thölert S., Montenbruck O., Hauschild A., & Langley R.
(2009), L5 First Light. Revista GPS World, http://gpsworld.com/innovation-l5signal-first-light/
Sitio oficial de GPS (2015), The new signals,
http://www.gps.gov/systems/gps/modernization/civilsignals/