TFG-4204 MUÃ_OZ-POLANCO MORÃ_N, ALEJANDRO

Vista previa del material en texto

Proyecto Fin de Carrera
Ingeniería de Telecomunicación
Formato de Publicación de la Escuela Técnica
Superior de Ingeniería
Autor: F. Javier Payán Somet
Tutor: Juan José Murillo Fuentes
Dep. Teoría de la Señal y Comunicaciones
Escuela Técnica Superior de Ingeniería
Universidad de Sevilla
Sevilla, 2013
Trabajo Fin de Grado
Grado en Ingeniería Aeroespacial
Sistemas Europeos de Navegación Sate-
litales EGNOS y GALILEO. Conceptos,
Tecnologías y Casos de Uso. Aplicación
Práctica en área de Movilidad
Autor: Alejandro Muñoz-Polanco Morón
Tutor: Fernando Guerrero López
Dpto. Organización Industrial y Gestión de
Empresas I
Escuela Técnica Superior de Ingeniería
Universidad de Sevilla
Sevilla, 2022
Trabajo Fin de Grado
Grado en Ingeniería Aeroespacial
Sistemas Europeos de Navegación Satelitales
EGNOS y GALILEO. Conceptos, Tecnologías y
Casos de Uso. Aplicación Práctica en área de
Movilidad
Autor:
Alejandro Muñoz-Polanco Morón
Tutor:
Fernando Guerrero López
Profesor Titular
Dpto. Organización Industrial y Gestión de Empresas I
Escuela Técnica Superior de Ingeniería
Universidad de Sevilla
Sevilla, 2022
Trabajo Fin de Grado: Sistemas Europeos de Navegación Satelitales EGNOS y GALILEO.
Conceptos, Tecnologías y Casos de Uso. Aplicación Práctica en
área de Movilidad
Autor: Alejandro Muñoz-Polanco Morón
Tutor: Fernando Guerrero López
El tribunal nombrado para juzgar el trabajo arriba indicado, compuesto por los siguientes profesores:
Presidente:
Vocal/es:
Secretario:
acuerdan otorgarle la calificación de:
El Secretario del Tribunal
Fecha:
Agradecimientos
A mi familia, por ser mi apoyo cada día. A Sara, por la paciencia tenida conmigo y por levan-tarme siempre los ánimos una vez más. A Alejandro, Juan, Claudia, Práxedes, Inma, Ana,
Diego, Jesús y Laura, sin vosotros esto no hubiera sido posible. A mis amigos de la infancia, sin
vosotros no sería lo que soy hoy día. Os quiero mucho.
A todos vosotros, os debo todos mis éxitos.
Alejandro Muñoz-Polanco Morón
Sevilla, 2022
I
Resumen
Los sistemas de navegación por satélite nacieron hace menos de medio siglo, y sin embargo eneste tiempo han experimentando un desarrollo exponencial.
Actualmente numerosas regiones de todo el mundo cuentan ya con su propio sistema de navega-
ción global, y algunas incluso con sistemas de aumento. Es por ello que en esta memoria se recogen
los hechos, hitos y desarrollos más importantes de dichos sistemas de navegación, en adelante GNSS.
En concreto, esta memoria profundizará sobre todo en los sistemas de navegación europeos. Son
dos, actualmente en desarrollo, bajo los nombres Galileo y EGNOS. Europa ha sido la última región
(de momento) en incorporarse al mercado de los GNSS. Debido a sus escasos años de vida y a que
todo está en pleno desarrollo, el objetivo de este documento será contrastar y recopilar la máxima
información posible acerca de estos sistemas, para la mejor comprensión del lector.
Por último, se realizará una pequeña aplicación práctica, consistente en el cálculo de un parámetro
relevante a la hora de estimar la calidad del posicionamiento que un receptor le está mostrando a su
usuario. Dicho parámetro es el coeficiente GDOP.
III
Abstract
Satellite navigation systems were born less than half a century ago, yet in this time they haveexperienced exponential development.
Today, many regions around the world already have their own global navigation system, and some
even have augmentation systems. That is why in this report the most important facts, milestones
and developments of these navigation systems, hereinafter GNSS, are collected.
In particular, this report will focus on the European navigation systems. These are two, currently
under development, under the names Galileo and EGNOS. Europe has been the last region (so
far) to enter the GNSS market. Due to its few years of life and the fact that everything is in full
development, the objective of this document will be to contrast and compile as much information as
possible about these systems, for the better understanding of the reader.
Finally, a small practical application will be made, consisting of the calculation of a relevant
parameter when estimating the quality of the positioning that a receiver is showing to its user. This
parameter is the GDOP coefficient.
V
Índice Abreviado
Resumen III
Abstract V
Índice Abreviado VII
Notación XIII
1 Introducción 1
2 Objetivos de la memoria 3
3 Estado del arte de los sistemas satelitales 5
3.1 Global Navigation Satellite Systems (GNSS) 5
3.2 Sistemas de aumento y GNSS asistido 8
4 Galileo 13
4.1 Necesidad de un GNSS europeo propio 13
4.2 Servicios 15
4.3 Conceptualización 17
4.4 Arquitectura del sistema 22
4.5 Técnicas de geolocalización 27
4.6 Errores de los GNSS 31
4.7 Evolución de Galileo hasta alcanzar la FOC 34
5 EGNOS 35
5.1 Orígenes y evolución 35
5.2 Funcionamiento 37
5.3 Compatibilidad y cooperación 37
5.4 Servicios 38
5.5 Arquitectura 40
5.6 Futuro y evolución de EGNOS 43
6 Aplicaciones prácticas de los sistemas Galileo y EGNOS 45
6.1 Servicios basados en la ubicación del usuario (Location-Based Services, LBS) 45
6.2 Navegación por carretera 46
6.3 Agricultura 47
6.4 Marítimas 48
VII
VIII Índice Abreviado
6.5 Emergencias, seguridad y servicios humanitarios 48
6.6 Científicas / medioambientales 49
6.7 Ingeniería civil 49
6.8 Otras 49
7 Cálculo del coeficiente GDOP para la constelación Galileo 51
7.1 Fundamento teórico 51
7.2 GDOP para satélites Galileo visibles 56
7.3 Satélites visibles 59
8 Conclusiones y líneas de trabajo futuras 63
Apéndice A Códigos de MATLAB 65
A.1 GDOP_Galileo.m 65
A.2 GDOP_Galileo_1dia.m 69
Índice de Figuras 73
Índice de Tablas 75
Bibliografía 77
Índice
Resumen III
Abstract V
Índice Abreviado VII
Notación XIII
1 Introducción 1
2 Objetivos de la memoria 3
3 Estado del arte de los sistemas satelitales 5
3.1 Global Navigation Satellite Systems (GNSS) 5
3.1.1 Global Positioning System (GPS) 6
3.1.2 GLObal NAvigation Satellite System (GLONASS) 7
3.1.3 BeiDou (BDS) 7
3.1.4 Indian Regional Navigation Satellite System (IRNSS) 8
3.2 Sistemas de aumento y GNSS asistido 8
3.2.1 Differential GPS, DGPS 9
3.2.2 Satellite-Based Augmentation System, SBAS 10
3.2.3 Real-Time Kinematic, RTK 12
4 Galileo 13
4.1 Necesidad de un GNSS europeo propio 13
4.1.1 Orígenes 13
4.1.2 Evolución y objetivos 14
4.2 Servicios 15
4.2.1 Open Service (OS) 15
4.2.2 High Accuracy Service (HAS) 16
4.2.3 Public Regulated Service (PRS) 16
4.2.4 Search and Rescue (SAR) 16
4.3 Conceptualización 17
4.3.1 Elementos orbitales 17
4.3.2 Cobertura 20
4.3.3 Constelaciones 20
Constelaciones tipo Walker 21
4.4 Arquitectura del sistema 22
4.4.1 Segmento terrestre 22
IX
X Índice
Ground Mission Segment 22
Ground Control Segment 22
4.4.2 Segmento espacial 23
Geometría de la constelación 23
4.5 Técnicas de geolocalización 27
4.6 Errores de los GNSS 31
4.6.1 Errores de tiempo 31
4.6.2 Errores en las efemérides 31
4.6.3 Posición relativa de los satélites 31
4.6.4 Interferencia atmosférica 33
4.6.5 Errores debidos al multipath 33
4.7 Evolución de Galileo hasta alcanzar la FOC 34
5 EGNOS 35
5.1 Orígenes y evolución 35
5.2 Funcionamiento 37
5.3 Compatibilidad y cooperación 37
5.4 Servicios 38
5.4.1 Open Service (OS) 38
5.4.2 Safety of Life (SoL) 39
Localizer Performance with Vertical Guidance (LPV) 39
5.4.3 EGNOS Data Access Service (EDAS) 39
5.5 Arquitectura 40
5.5.1 Segmento terrestre 40
5.5.2 Segmento de apoyo 41
5.5.3 Segmento espacial 42
5.6 Futuro y evolución de EGNOS 43
6 Aplicaciones prácticas de los sistemas Galileo y EGNOS 45
6.1 Servicios basados en la ubicación del usuario (Location-Based Services, LBS) 45
6.1.1 El "Internet de las cosas" (Internet of things (IoT)) 46
6.2 Navegación por carretera 46
6.3 Agricultura 47
6.4 Marítimas 48
6.5 Emergencias, seguridad y servicios humanitarios 48
6.6 Científicas / medioambientales 49
6.7 Ingeniería civil 49
6.8 Otras 49
7 Cálculo del coeficiente GDOP para la constelación Galileo 517.1 Fundamento teórico 51
7.2 GDOP para satélites Galileo visibles 56
7.2.1 Posición del usuario 56
7.2.2 Posición de los satélites 57
7.3 Satélites visibles 59
8 Conclusiones y líneas de trabajo futuras 63
Apéndice A Códigos de MATLAB 65
Índice XI
A.1 GDOP_Galileo.m 65
A.2 GDOP_Galileo_1dia.m 69
Índice de Figuras 73
Índice de Tablas 75
Bibliografía 77
Notación
AGNSS Assisted GNSS
SBAS Satellite-based Augmentation System
DGPS Differential GPS
EC European Comission
ECEF Earth Centered - Earth Fixed
EGEP European GNSS Evolution Programme
EGNOS European Geostationary Navigation Overlay System
ESA European Space Agency
ESSP European Satellite Services Provider
EWAN EGNOS Wide Area Network
FLS Forward link alert service
FOC Full Operational Capability
GCC Galileo Control Center
GCS Ground Control Segment
GDOP Geometric Dilution Of Precision
GIOV E Galileo In Orbit Validation Element
GLONASS GLObal NAvigation Satellite System
GMS Ground Mission Segment
GNSS Global Navigation Satellite System
GPS Global Positioning System
GSS Galileo Sensor Stations
HDOP Horizontal Dilution Of Precision
ICAO International Civil Aviation Organisation
IGSO Inclined GeoSynchronous Orbit
ILS Instrument Landing System
IOC Initial Operational Capability
IoT Internet of Things
IRNSS Indian Regional Navigation Satellite System
ISRO Indian Space Research Organisation
LBS Location-Based Services
LEO Low Earth Orbit
LPV Localiser Performance with Vertical Guidance
MCC Master Control Centre
MEAG Mission Evolution Advisory Group
MEO Medium Earth Orbit
XIII
XIV Notación
MEOLUT MEO Local User Terminal
NAV STAR NAVigation System Time And Ranging
NLES Navigation Land Earth Stations
OS Open Service
PDOP Position Dilution Of Precision
PPP Precise Point Positioning
PV T Positioning, Velocity and Time
RAAN Right Ascension of Ascending Node
RIMS Ranging and Integrity Monitoring Stations
RLS Return link service
RT K Real-time kinematic
SAR Search And Rescue
SARPs Standards and Recommended Practices
SBAS Satellite-based System
SIS Signal-in-Space
SNS Satellite Navigation Systems
SPS Standard Positioning Service
T DOP Time Dilution Of Precision
T TC Telemetry, Tracking and Control
ULS Up Link Stations
UT User Terminal
V DOP Vertical Dilution Of Precision
WAAS Wide Area Augmentation System
WADGPS Wide Area Differential GPS
1 Introducción
Desde sus orígenes, el ser humano ha estado en continua evolución. El descubrimiento del fuego,la invención de la rueda, la invención del teléfono... todos son hitos que marcaron un antes y
un después en la historia. El ser humano y su incansable afán de conocimiento le ha llevado hasta
donde se encuentra hoy día, y seguirá permitiendo su evolución y desarrollo como especie hasta el
fin de los tiempos.
Sin duda, uno de los hitos más recientes que ha marcado y marcará la historia para siempre es el
desarrollo de los sistemas de posicionamiento global. Con ellos, el ser humano es capaz de conocer
su ubicación más o menos exacta con un margen de error de pocos metros, cosa que hace medio
siglo era totalmente impensable. El precursor de toda esta tecnología fue EEUU con su conocido
sistema GPS. Sin embargo, en estas últimas décadas el desarrollo tecnológico ha sido exponencial y
otras varias potencias mundiales (como por ejemplo, Rusia) han desarrollado sus propios sistemas
de navegación.
Europa es una de ellas, con dos grandes apuestas conocidas bajo los nombres de Galileo y
EGNOS. Galileo surge como deseo de adquirir la autonomía ante la dependencia total de otros
sistemas de posicionamiento, como el estadounidense o el ruso. Este proyecto, promovido por la
Comisión Europea y la ESA, sin duda pondrá a Europa en la cumbre de los sistemas de navegación
y posicionamiento.
En paralelo a Galileo, el desarrollo del sistema de aumento EGNOS permitirá refinar todavía
más las precisiones obtenidas con Galileo, logrando niveles de precisión nunca antes conseguidos,
garantizando el acceso a los ciudadanos europeos a un posicionamiento más preciso y fiable y a una
navegación más segura y eficiente.
1
2 Objetivos de la memoria
El objetivo de este documento será introducir al lector los distintos sistemas de posicionamientoactualmente existentes, así como las tecnologías empleadas por los distintos sistemas de
aumento, mencionando los más relevantes.
Tras ello, comienza el núcleo del documento, el cual consiste en un profundo análisis de los siste-
mas europeos Galileo y EGNOS. Se comentará con más detalle la motivación de ambos proyectos,
su evolución a lo largo de los años e hitos más importantes. También se realizará un estudio de
la arquitectura de ambos sistemas, así como los servicios que cada uno ofrece, funcionamiento y
técnicas empleadas por cada uno de ellos. Además, les serán introducidos al lector algunos conceptos
básicos orbitales para el mejor entendimiento del funcionamiento y arquitectura de ambos sistemas.
Finalmente, se comentarán las distintas aplicaciones de cada sistema en distintos sectores: avia-
ción, automovilística, usos personales, etc... así como su proyección en el futuro.
Para concluir con el documento, se desarrollará teóricamente y se implementará en un script de
MATLAB el cálculo del coeficiente GDOP (Dilución Geométrica de la Precisión). El GDOP es un
error que sufren los sistemas globales de navegación. El conocimiento de este coeficiente en cada
momento permitirá realizar una estimación de la calidad de la señal recibida.
3
3 Estado del arte de los sistemas
satelitales
Los sistemas de navegación por satélite constituyen una parte fundamental de nuestra realidad enestos tiempos, sin las cuales muchas de las cosas como las conocemos hoy día no serían ni si
quiera remotamente imaginables. Éstos, a la par que la mayoría de las tecnologías, han experimentado
una enorme evolución en las últimas décadas. El objetivo principal de este apartado será exponer
brevemente los distintos sistemas satelitales y de aumento que han existido lo largo de la historia:
su creación, dueño, estructura, tecnologías...
3.1 Global Navigation Satellite Systems (GNSS)
Se entiende por GNSS a los distintos grupos de Sistemas de Navegación por Satélite (Satellite
Navigation System, SNS) con sus respectivos sistemas de aumento, que proporcionan servicios de
navegación globales, para cualquier estado atmosférico y con alta precisión. Cada GNSS, gene-
ralmente está compuesto por 3 segmentos: el espacial (compuesto por los satélites que orbitan la
Tierra), el de control en tierra (estaciones de control repartidas a lo largo de la superficie terrestre,
donde se monitoriza cada satélite individualmente) y el de los usuarios.
Todos los GNSS poseen características similares entre ellos. Hay numerosos motivos para ello,
según [33]:
• Se suelen elegir altitudes sobre el nivel del mar de unos 18000 - 24000 kilómetros (MEO),
debido a que de este modo cada satélite puede cubrir toda la parte visible de la Tierra con un
ángulo de visibilidad relativamente pequeño, mientras que se evitan superar estas altitudes
para evitar el máximo retraso posible en la señal (cuanta mayor distancia, más retraso en ella).
• Se necesitan menos satélites en órbita MEO para tener un cierto número de satélites visibles
desde cualquier punto de la superficie terrestre que en una LEO.
• El mínimo número de satélites para alcanzar la capacidad plena operativa (FOC - Full
Operational Capability 1), son 24. Para lograr un posicionamiento preciso para un usuario, se
requieren un mínimo de 4 satélites.
• Se suelen usar frecuencias en la banda L, entre 1 y 2 GHz, ya que consiguen penetrar en la
ionosfera y troposfera sin excesiva atenuación.
1 Se dice que un sistema ha alcanzado su capacidad plena operativa cuando "es proporcionado a un(os) usuario(s) y es
capaz de ejercer su función por completo y mantenerse realizándola a lo largo del tiempo, para satisfacer una o varias
necesidades", según [16].
5
6 Capítulo 3. Estado del arte de los sistemas satelitales
• Se suele emplear más de una frecuencia para mitigarmás todavía el efecto de la ionosfera
sobre la precisión en el posicionamiento. Usando más de una frecuencia, es posible calcular
los retrasos de la señal debidos a la ionosfera y tenerlos en cuenta.
• Todos los satélites cuentan con relojes atómicos, para llevar de la manera más precisa posible
el control del tiempo.
A pesar de que en el planeta hay una gran cantidad de países, son pocos los que poseen un SNS
propio. En este apartado se comentan los segmentos espaciales de los GNSS de mayor relevancia a
lo largo de la historia.
3.1.1 Global Positioning System (GPS)
El comúnmente conocido GPS es un acrónimo de NAVSTAR (NAVigation System Time And Ran-
ging). Éste es el primer SNS desarrollado por el Ministerio de Defensa de Estados Unidos (1978).
Es también el primer GNSS completamente operativo de la historia, de acceso civil, compuesto
por 24 satélites operativos. Alcanzó su capacidad operativa inicial (Initial Operational Capability -
IOC) el 8 de diciembre de 1993.
Las órbitas de sus satélites son elípticas, y éstos orbitan a una altura de aproximadamente 20200
kilómetros sobre la superficie terrestre (satélites MEO), con una inclinación de 55º (en secciones
posteriores se definirán conceptos de gran importancia en el ámbito orbital, como la recién mencio-
nada inclinación).
Los satélites NAVSTAR completan una vuelta a su órbita cada 12 horas transmitiendo señales
continuas de navegación. Además, está diseñado de manera que en cada instante de tiempo, un
observador situado en la superficie terrestre pueda "ver" como mínimo 6 de estos satélites por
encima del horizonte. [36]
Figura 3.1 Estructura del sistema NAVSTAR (GPS).
3.1 Global Navigation Satellite Systems (GNSS) 7
3.1.2 GLObal NAvigation Satellite System (GLONASS)
GLONASS es el sistema satelital utilizado desde las últimas décadas del siglo XX por Las Fuerzas
de Defensa Aeroespacial Rusas, como alternativa de este país al uso del ya existente GPS americano.
En la actualidad, es un servicio gratuito y una alternativa viable al GPS si lo que se busca es un
sistema operativo de navegación con relativa precisión y cobertura total.
Los lanzamientos de estos satélites comenzaron en 1982, hasta que finalmente se completó la
constelación en el año 1995. Se distinguen 3 generaciones de satélites de esta familia. La primera,
los satélites GLONASS, son los que se lanzaron desde los inicios de este SNS (1982). La segunda
generación, los GLONASS-M, se empezaron a desarrollar en el año 1990 y su primer lanzamiento
se produjo en el año 2003. El objetivo de esta generación era sustituir a los de la primera generación.
Los satélites de esta segunda generación poseían un tiempo de vida mayor que los de la primera
(∼ 7 años) y menor peso. Por último, la tercera generación, los GLONASS-K, supusieron una
enorme mejora en comparación a la generación anterior, llegando a reducir casi a la mitad el peso
de cada vehículo, y aumentando el tiempo de vida de cada uno de ellos a unos 10 años, frente a los 7
años de vida de los GLONASS-M. El primero de estos satélites de tercera generación fue lanzado exi-
tosamente el 26 de febrero de 2011 [20]. Es en este año cuando GLONASS alcanza la cobertura total.
En la actualidad cuenta con un total de 25 satélites, de los cuales 23 están activos, y 2 están
en mantenimiento, según [21]. Los 23 satélites activos se mueven en órbitas aproximadamente
circulares, a una altura sobre la superficie de la Tierra de aproximadamente 19100 km (MEO), todas
con una inclinación de 64.8º.
En la actualidad, los receptores GPS son compatibles con ambos, NAVSTAR y GLONASS,
aportando mayor flexibilidad y mejorando la precisión.
3.1.3 BeiDou (BDS)
BeiDou es el sistema de navegación por satélite desarrollado por la Agencia Espacial China desde
la década de los 90. Éste, al igual que GLONASS, ha evolucionado a lo largo de 3 generaciones de
satélites, como se indica en [33].
BeiDou-1 fue la primera de estas generaciones, y solo ofrecía cobertura a China. Esta generación
era experimental y consistía en 3 satélites en órbita geoestacionaria (órbita circular, geosíncrona y
ecuatorial, a una altitud sobre la superficie terrestre de 35786 kilómetros). El primero de ellos fue
lanzado en el año 2000 y el tercero y último de esta generación, en 2003 [5].
La segunda generación, los satélites BeiDou-2, también conocida como Compass, consiste en 35
satélites, 5 geoestacionarios y 30 no geoestacionarios. De estos últimos 30, 27 se encuentran en
órbitas MEO (∼ 21500 km) y 3 en órbitas geosíncronas inclinadas (IGSO - Inclined GeoSynchro-
nous Orbit) (∼ 36000 km). Con esta expansión, BeiDou consigue dar el paso de cobertura regional
a cobertura global. Esta generación ofrecía servicios tanto públicos (para todos los usuarios civiles)
como restringidos, de acceso sólo para servicios militares. El primero de estos satélites fue lanzado
en diciembre de 2011.
La tercera y última generación de esta familia de satélites (BeiDou-3) está compuesta por 3
satélites GEO, 3 satélites IGSO y 24 satélites en MEO. En junio de 2020 todos los satélites estaban
en órbita y el sistema completamente operativo para dar servicio a los usuarios.
8 Capítulo 3. Estado del arte de los sistemas satelitales
Las órbitas usadas por este sistema (IGSO, GEO y MEO) lo hacen único frente a los otros GNSS
ya existentes.
3.1.4 Indian Regional Navigation Satellite System (IRNSS)
El IRNSS es un SNS regional, desarrollado por la Organización de Investigación Espacial India
(ISRO - Indian Space Research Organisation). Este sistema ofrece servicios de posicionamiento a la
región de India y sus alrededores (∼ 1500 km alrededor de ella). Está compuesto por 3 satélites en
GEO y 4 en IGSO.
Este sistema proporciona dos tipos de servicio: Servicio de Posicionamiento Estándar (SPS -
Standard Positioning Service), para uso civil, y servicio restringido (encriptado), sólo para personal
autorizado, conforme a [37].
Tabla 3.1 Resumen de los principales GNSSs.
Sistema Propietario Satélites Precisión Estado
GPS USA 24 órbita MEO ∼ 5 m operativo
GLONASS Rusia 25 órbita MEO 5-10 m operativo
BeiDou (Compass) China 30 no GEO, 5 GEO ∼ 10 m operativo
IRNSS India 3 GEO, 4 IGSO 10m (India)20m (Pacífico) op. (regional)
3.2 Sistemas de aumento y GNSS asistido
Los sistemas de aumento para los GNSS surgen para proveer seguridad y robustez en la navegación
cuando se requiere alta precisión o cobertura mejorada. Las claves de cualquier GNSS son precisión,
disponibilidad, integridad y continuidad, y para lograrlo se han desarrollado sistemas de ayuda
externos bajo el nombre de sistemas de aumento.
Para la mayoría de usos civiles, la posición obtenida con los GNSSs suele ser más que suficiente.
Por contra, no lo es para servicios profesionales, de seguridad o críticos (por ejemplo, en el aterrizaje
de una aeronave), así como tampoco es suficiente en navegaciones in-door, debido a la atenuación
provocada por las paredes o muros. Es en dichas situaciones, donde se requieren precisiones por
debajo del metro, donde brillan los sistemas de aumento.
Estos sistemas tratan de corregir algunos de los principales y más comunes errores en los GNSS.
Esto lo logran situando una estación de referencia en un lugar concreto, como en las proximidades de
un usuario concreto, o en lugares donde se sabe que es absolutamente necesaria una gran precisión.
Dicha estación de referencia mide las distancias a cada uno de los satélites visibles, demodula la
señal y, dependiendo del tipo de parámetros, computa distintos tipos de correcciones para que sean
usadas por el usuario receptor de la señal, con el objetivo de mejorar su rendimiento. La estación
envía sus correcciones a los usuarios via data link, por lo que gracias a ello se logran precisiones del
orden de centímetros, de acuerdo con [32]. Sin embargo, estos aumentos funcionan sólo con errores
comunes a la estación y al usuario, como el retraso (delay) provocado por la ionosfera/troposfera.
Por ejemplo, errores debidos a señales multi-path, o debidos a interferencias,que no son comunes a
la estación de referencia y al usuario, no pueden ser corregidas por medio de los sistemas de aumento.
Los principales sistemas de aumento disponibles en la actualidad son:
• GPS diferencial (DGPS - Differential GPS)
3.2 Sistemas de aumento y GNSS asistido 9
• Sistemas de aumento basado en satélites (SBASs - Satellite-based Augmentation Systems)
• RTK (Real-Time Kinematic)
• GNSSs asistidos (AGNSS - Assisted GNSSs)
Atendiendo a [31], es posible clasificar dichos sistemas en: terrestres (DGPS, RTK, AGNSS,
donde se colocan estaciones terrestres para realizar las correcciones) y basados en satélites (SBAS,
se usan satélites en órbita para mejorar la calidad de la señal). Inherentemente, los sistemas de
aumento son regionales. Sin embargo, los SBASs transmiten mensajes en áreas muy extensas
(cientos de kilómetros), gracias a satélites GEO, mientras que los terrestres cubren áreas menores
(decenas de kilómetros). Es por ello que los servicios ofrecidos por los SBASs son mucho más
accesibles y usados por la mayoría de la población, sin embargo, los servicios terrestres ofrecen
correcciones más precisas y respuestas más rápidas.
A continuación, se detallan con más profundidad los mencionados anteriormente sistemas de
aumento.
3.2.1 Differential GPS, DGPS
El GPS diferencial, DGPS, es una mejora del GPS, que usa una red de estaciones terrestres de
referencia para transmitir la diferencia entre:
• la posición de un receptor colocado en la estación de referencia, en cada instante, obtenida
gracias al GPS y,
• la ubicación real y perfectamente conocida de dicha estación de referencia.
Con ella, la estación transmite la diferencia entre la pseudo-distancia2 medida gracias al satélite,
y la distancia real (internamente calculada en la estación), para que así el UT (User terminal) del
receptor (esto es, el dispositivo con el que accede a los servicios GPS) pueda corregir su pseudo-
distancia en la misma cantidad.
A continuación, se ilustra de manera sencilla y muy general un esquema sobre el funcionamiento
del DGPS:
Figura 3.2 Funcionamiento DGPS.
2 Se habla de pseudo-distancia entre el satélite y el usuario ya que, para calcularla (se detallará el cálculo de la posición
de un usuario en apartados posteriores), se multiplica la velocidad de la luz c, por el tiempo que tarda la señal en
llegar del satélite al receptor. Debido a que existen errores en las mediciones del tiempo, es más apropiado hablar de
pseudo-distancia que de distancia propiamente dicha
10 Capítulo 3. Estado del arte de los sistemas satelitales
Tanto la estación de referencia como el receptor ambulante (roving receiver) reciben las señales
de los distintos satélites del GNSS (líneas naranjas). A la vez, en cada instante, la estación de
referencia computa la corrección y la transmite mediante una señal (línea azul), que capta el UT.
La hipótesis base usada por los DGPS es que, cualesquiera dos receptores que estén relativamente
cerca el uno del otro, ambos experimentan los mismos errores atmosféricos, como se indica en [31].
El receptor GPS de referencia en la estación, denominada la estación de referencia o beacon,
debe estar situada en una posición fija, conocida y perfectamente geo-localizada. La diferencia
medida entre la pseudo-distancia del GNSS y la distancia calculada se denomina error diferencial y
es lo que se transmite al UT. Éste, también conocido comúnmente como receptor ambulante (roving
receiver), aplica dichas correcciones a los datos recibidos del GPS.
Las correcciones pueden ser aplicadas in-time, o bien mediante post-procesos aplicados por el
receptor mediante un software de post procesado y apropiadas bases de datos DGPS. Si se aplican
las correcciones in-time, cada estación de referencia transmite las correcciones de cada satélite en
una banda de frecuencias determinada. Por ello, el receptor DGPS (UT) tiene que estar equipado
con un receptor adecuado para recibir los datos en estas bandas. Ambos métodos trabajan bajo los
mismos principios, sin embargo, se logran distintos niveles de precisión con cada uno de ellos.
Gracias al DGPS, es posible corregir bastantes fuentes de errores que sufren los GPS: el delay
producido por la ionosfera, los desfases que sufren los relojes de los satélites, datos de efemérides
de posición del satélite... Además, gracias al DGPS se consiguen precisiones del orden de metros
(en los peores casos), y milímetros (en los mejores). Sin embargo, su rendimiento se ve disminuido
inevitablemente cuanto mayor sea la distancia entre la estación de referencia y el UT.
3.2.2 Satellite-Based Augmentation System, SBAS
Los sistemas de aumento basados en satélites son similares al DGPS. En lugar de usar una estación
de referencia terrestre para transmitir las correcciones, los SBASs las envían vía satélites GEO
equipados con transpondedores3, transmitiendo en la misma banda de frecuencias y con la misma
modulación que el GNSS al que corrigen (core constellation). Por esto mismo, las señales recibidas
del SBAS se decodifican en uno de los canales ya presentes en el receptor GPS, y no es necesario
un receptor distinto como en el DGPS, como se puede extraer de [31]. De forma simplificada, el
funcionamiento del SBAS sigue el siguiente esquema, atendiendo a [15]:
Primero, tanto las estaciones de referencia como el UT reciben las señales de los satélites del
GNSS. Esto se esquematiza en la figura (3.3):
3 Un transpondedor es un dispositivo que emite una señal en una determinada frecuencia si se le excita con una señal
externa adecuada.
3.2 Sistemas de aumento y GNSS asistido 11
Figura 3.3 Funcionamiento SBAS (1).
Tras ello, las estaciones de referencia retransmiten los datos a la estación de procesamiento central,
y es ésta la encargada de estimar los errores, computar las correcciones y enviarlas a los satélites
GEO del SBAS. Una vez los satélites GEO tienen la información, éstos la difunden por todo el área
que cubren para que los distintos receptores apliquen las correcciones. Se consiguen así precisiones
por debajo del metro. Observar figura (3.4):
Figura 3.4 Funcionamiento SBAS (2).
Los SBAS son llamados frecuentemente como WADGPS (Wide Area Differential GPS), ya que
alcanzan grandes extensiones de territorio. La intención de los SBASs es que su cobertura sea
global y, por ello, es necesaria la cooperación entre los distintos sistemas regionales para aumentar
no sólo el GPS, sino todos los GNSS en general.
Como se mencionó anteriormente, éste sistema emplea satélites GEO para transmitir la informa-
ción. Sin embargo, a diferencia del DGPS, los SBASs no envían la corrección de la pseudo-distancia
al usuario, ya que el alcance de los SBAS es mucho mayor que el del DGPS, por lo que la hipótesis
en la que se basaba este sistema (dos usuarios relativamente cerca experimentan los mismos errores
de la señal) no se puede aplicar también al SBAS. En su lugar, los sistemas de aumento basado en
12 Capítulo 3. Estado del arte de los sistemas satelitales
satélites estima las distintas fuentes de error individuales y manda correcciones específicas para
cada tipo: errores ionosféricos, errores de reloj, errores de efemérides...
Ya que las las modulaciones y las bandas de frecuencias que usa el SBAS son las mismas que
usa la core constellation, son menos las modificaciones que ha de tener el UT para lograr la com-
patibilidad con este sistema. El procesamiento que es necesario para tener en cuenta a los SBAS,
aunque es más sofisticado que el necesario para los GNSS, tiene una complejidad asumible.
Atendiendo a [31], existen varios SBAS comerciales:
• OmniSTAR (Fugro, Países Bajos)
• Starfire (NavCom Technology, EEUU)
• Veripos (Subsea 7, Reino Unido)
y no comerciales (actualmente en desarrollo):
• WAAS - Wide Area Augmentation System, perteneciente a Estados Unidos.
• EGNOS - European Geostationary Navigation Overlay System, perteneciente a Europa,
objeto de estudio de gran parte de este proyecto, del que se hablará posteriormente en
profundidad en apartadosvenideros.
• MSAS - Multifunctional Satellite Augmentation System, perteneciente a Japón.
• GAGAN - GPS-Aided GEO Augmented Navigation, perteneciente a la India.
De nuevo, destacar que los SBASs son sistemas regionales, y por tanto es fundamental la
cooperación para conseguir la interoperabilidad entre los distintos sistemas y así asegurar cobertura
mejorada y continua en la mayoría del hemisferio norte.
3.2.3 Real-Time Kinematic, RTK
Con este sistema de aumento se consiguen también precisiones submétricas (del orden de centíme-
tros), y además en tiempo real. El funcionamiento de este sistema es bastante complejo y es por
este motivo que no se profundizará demasiado en él, ya que no será objeto de estudio del presente
proyecto.
La técnica base empleada por este sistema para conseguir dichas precisiones se basa en me-
dir no el delay de la señal, como se hacía en los dos sistemas anteriores, sino en medir la fase de
la señal portadora del GPS. Con ello, este sistema consigue obtener muy buenos niveles de precisión.
Como en el DGPS, este sistema cuenta con receptores de referencia que han de estar fijos y
perfectamente geo-localizados, los cuales envían sus señales con las correcciones a los roving
receivers. El roving receiver debe de contar con el equipo necesario para ser capaz de interpretar
los datos recibidos de la estación de referencia.
Un ejemplo de sistema RTK en la actualidad es el sistema HEPOS (Hellenic Positioning System),
que cubre toda Grecia. Este sistema está formado por 99 estaciones y fue puesto en marcha en los
años 2006-2007.
4 Galileo
En el presente capítulo se pretende profundizar lo máximo posible en el entendimiento y lacompresión del sistema Galileo. Para ello se empezará comentando por qué surge la necesidad
de dicho sistema, sus objetivos, sus orígenes, historia, evolución... hasta llegar a la actualidad y
explicar tecnologías, técnicas empleadas, aplicaciones más relevantes. Además, se realizará una
breve introducción a algunos conceptos relevantes en el ámbito espacial absolutamente necesarios
para explicar y comprender aspectos técnicos del presente GNSS en estudio.
4.1 Necesidad de un GNSS europeo propio
Galileo es el sistema satelital europeo, iniciativa de la Comisión Europea (EC) y la Agencia Espacial
Europea (ESA), que ya se ha convertido en una realidad y que actualmente se encuentra en una fase
que ofrece servicios iniciales. Sin embargo, esto no ha sido siempre así. En el presente capítulo se
expondrán los motivos que llevaron a Europa a desarrollar su propio GNSS y qué objetivos tiene en
mente para este sistema.
4.1.1 Orígenes
La navegación por satélite se ha convertido en un pilar fundamental en la actualidad, sobre el que se
sustentan muchos sistemas y aplicaciones hoy día. De hecho, según la comisión Europea, como se
indica en [30], actualmente un (aproximadamente) 6-7% del PIB1 europeo es dependiente de la
navegación por satélite.
Sin embargo, desde los orígenes de los GNSS, Europa no ha tenido más alternativa que depender
del GPS estadounidense o del GLONASS ruso. Es por ello que ya a principio de los 90 Europa
desarrolló un plan para el establecimiento de un GNSS propio. Este plan comenzó con el desarrollo
del primer SBAS europeo, EGNOS, para luego continuar con el desarrollo e implementación de un
sistema satelital propio, conocido como Galileo. A diferencia de los otros GNSS existentes, Galileo
es un sistema bajo el control civil, y no militar.
A pesar de que obtener la independencia del GPS o del GLONASS fue el motivo principal para
el desarrollo de Galileo, de [30] se pueden extraer otros beneficios que nos aporta su desarrollo:
• Al conseguir la interoperabilidad de Galileo con el GPS o GLONASS, se convertiría en una
de las piedras angulares de la navegación por satélite de la actualidad. Además, gracias al
1 PIB - Producto Interior Bruto: "El producto interior bruto (PIB) es un indicador económico que refleja el valor
monetario de todos los bienes y servicios finales producidos por un territorio en un determinado periodo de tiempo. Se
utiliza para medir la riqueza que genera un país." Definición obtenida de [24].
13
14 Capítulo 4. Galileo
elevado número de satélites visibles para cada usuario, se consigue determinar la posición de
manera precisa para la mayoría de lugares, incluso en las grandes ciudades donde es muy
probable que los edificios bloqueen la línea de visibilidad entre el usuario y los satélites que
están próximos al horizonte.
• Galileo consigue mejor cobertura que el GPS o el GLONASS en latitudes superiores debido a
que la inclinación de las órbitas de sus satélites es ligeramente superior. Con ello se mejorará
la geolocalización en el norte de Europa, zona que no está del todo bien cubierta por el GPS.
• Con el establecimiento de un sistema satelital europeo propio, la economía europea notará
una mejora. Los fabricantes de equipos, los desarrolladores de aplicaciones, las operadoras
de servicios... se beneficiarán de nuevas oportunidades comerciales.
4.1.2 Evolución y objetivos
Como se acaba de comentar en el apartado anterior, el motivo principal por el que surge la necesi-
dad de desarrollar un sistema de navegación global europeo propio era obtener la independencia
tecnológica de Europa, desligándose de la necesidad de depender por completo de EEUU o Rusia
en ámbitos de navegación.
Sin embargo, existen otros objetivos que motivaban aún más la creación de este nuevo sistema
satelital:
• Se buscaba tener mayor control sobre sistemas críticos para la seguridad que empleaban
sistemas de navegación.
• Aparte de obtener la independencia, se evitan riesgos. Cualquier cambio de política en el
GPS o GLONASS que afectara negativamente a los usuarios, se evita por completo al tener
un sistema propio.
• Se busca aumentar la competitividad de las empresas europeas en el sector de la navegación
por satélite. Crear un sistema de navegación propio les brinda la oportunidad de desarrollar
nuevas tecnologías.
Este estudio de los objetivos fue llevado a cabo en la década de los 90 por la ESA. Una vez
identificadas las necesidades y objetivos que ha de cubrir el nuevo sistema, se empiezan las fases
iniciales del desarrollo. La ESA es la máxima autoridad en cuanto al diseño técnico de Galileo se
refiere, mientras que la Unión Europea es la dueña del sistema.
Se lanzaron dos satélites de pruebas, el GIOVE-A y el GIOVE-B (Galileo In Orbit Validation
Element), en 2005 y 2008 respectivamente, para probar la funcionalidad de nuevas tecnologías,
como por ejemplo, los relojes atómicos.
Estos dos satélites fueron los precursores del desarrollo de Galileo, desembocando más tarde en
el éxito de la fase IOV (In Orbit Validation). La fase IOV se completó tras el establecimiento de la
primera versión completa del segmento de control en tierra, así como 4 satélites IOV puestos en
órbita. Con el éxito de esta fase, la Comisión Europea declaró oficialmente operativos los servicios
iniciales de Galileo el 15 de diciembre de 2016.
A día de hoy, Galileo cuenta con 24 satélites operativos. La ESA es la encargada del desarrollo y
despliegue de todo el sistema, con el objetivo final de alcanzar su FOC, la cual se espera alcanzar a
lo largo del año 2023, según [25]. Una vez alcanzada, el segmento espacial de Galileo constará de
4.2 Servicios 15
30 satélites en órbita.
Desde el Brexit, UK dejó de formar parte de la Unión Europea, y por tanto, perdió los privilegios
en cuanto al uso y desarrollo de Galileo que cualquier otro miembro de la UE sí tiene. En concreto,
atendiendo a [28], desde el Brexit, el Reino Unido:
• No puede usar Galileo con propósitos de defensa, ni para las infraestructuras críticas nacionales
• Deja de tener acceso al servicio PRS de Galileo
• No puede participar en el desarrollo de Galileo ni en el de EGNOS
• No debe usar el servicio Safety of Life (SoL) de EGNOS.
4.2 Servicios
Como ya se ha comentado, el nacimiento de Galileo surge para cubrir las necesidades de la po-
blación europea en torno a la décadade los 90, y su nacimiento estuvo marcado por los objetivos
que le fueron impuestos a este sistema, lo que se esperaba de él. Estos objetivos fueron las ba-
ses para el desarrollo de los principales servicios que este sistema de navegación iba a ofrecer a
la población. Sin embargo, el sistema, una vez completo y operando en FOC, ofrecerá una ga-
ma mucho más amplia de aplicaciones que para las que fue inicialmente diseñado. El objetivo de
este apartado será profundizar un poco en los servicios que conforman la misión principal de Galileo.
Una vez alcanzada la FOC, Galileo será capaz de ofrecer los siguientes servicios a la población,
de acuerdo con [19]: Open Service (OS), Public Regulated Service (PRS), High Accuracy Service
(HAS) y Search and Rescue Service (SAR).
Sin embargo, debido a la interoperabilidad entre Galileo y otros GNSS existentes, se amplía
mucho el abanico de aplicaciones que se lograrán, gracias al uso en paralelo de varios sistemas de
navegación.
4.2.1 Open Service (OS)
El servicio más básico ofrecido por Galileo es el Open Service (OS). Éste ofrece a los usuarios
cobertura, posicionamiento y hora libre de costes, a través de tres frecuencias: E1, E5a y E5b. Este
servicio es idóneo para aplicaciones para la población general, como la navegación en coche o a pie.
Este servicio está operativo desde que se pusieron en marcha los servicios iniciales de Galileo,
en el año 2016. Este servicio irá evolucionando a medida que se van desplegando satélites, hasta
alcanzar la FOC. Este servicio se diseñó teniendo en mente unas funciones (trabajando en doble
frecuencia) y capacidades específicas, resumidas en la siguiente tabla:
Tabla 4.1 Objetivos del diseño del Galileo OS.
Frecuencia dual (E1/E5a o E1/E5b) del OS
Cobertura Global
Precisión del posicionamiento (95%)1 4-8 m
Precisión en la hora UTC (95%) 30 ns
Disponibilidad del servicio a lo largo de la vida operativa 99,5%
16 Capítulo 4. Galileo
Estas características están disponibles para cualquier usuario dentro del área de servicio, siempre y
cuando dichos usuarios posean receptores compatibles con Galileo, los cuales rastrearían y procesa-
rían las señales de todos los satélites Galileo con una elevación mínima de 5º sobre el horizonte local.
[1Nota: El significado de "Precisión del posicionamiento (95 %): 4-8 m" significa que el 95 %
del tiempo el sistema estará ofreciendo una precisión en el posicionamiento igual o inferior a los
4-8 metros. Lo mismo aplica para la precisión en los servicios de hora.]
4.2.2 High Accuracy Service (HAS)
Inicialmente, este servicio se iba a llamar Servicio Comercial, o Commercial Service (CS). Sin
embargo, tras un reajuste del alcance de este servicio, pasó a llamarse High Accuracy Service (HAS).
Este servicio complementa al Open Service. Para aplicaciones que requieran de más precisión que
la que ofrece el Open Service, se recurre al HAS. Este servicio realiza una función similar a la de
los sistemas de aumento. El HAS es un servicio gratuito que proporciona correcciones PPP (Preci-
se Point Positioning) de alta precisión, con errores inferiores a 2 decímetros, en condiciones estándar.
[Nota: PPP es una técnica para reducir o incluso evitar los errores de los GNSS para proporcionar
altos niveles de precisión. Generalmente, cada PPP depende del reloj del satélite. Una vez se han
calculado las correcciones, se envían al usuario para que las aplique, y conseguir así precisiones
submétricas.]
Este servicio está principalmente enfocado en aplicaciones como agricultura, aviación, geografía,
transporte por carretera/marítimo, aplicaciones espaciales... Además, en comparación con otros
sistemas de alta precisión (como el RTK por ejemplo), no se necesitan de estaciones de referencia
en tierra para mejorar la precisión, por lo que este servicio podrá ser usado en la mayoría de partes
del planeta.
4.2.3 Public Regulated Service (PRS)
El Galileo PRS ofrece datos de posicionamiento, velocidad y hora (PVT) únicamente a los usuarios
autorizados por el gobierno. La diferencia con el OS es que este servicio ofrece un mayor nivel de
protección de la señal (por ejemplo, más robustez contra las interferencias o saturaciones).
Las señales PRS están encriptadas. El acceso a este servicio está regulado por un mecanismo de
distribución de claves de seguridad aprobadas por el gobierno. Además, para acceder a este servicio
se ha de tener un receptor que cuente con un módulo de seguridad PRS, el cual contiene una clave
de desencriptación PRS.
4.2.4 Search and Rescue (SAR)
Este servicio comenzó a estar operativo en 2016, como parte de los servicios iniciales de Galileo.
Como su propio nombre indica, éste es un servicio de búsqueda y rescate, el cual localiza a usuarios
que estén en apuros o peligro (en este contexto, beacons), y les proporciona ayuda. Este sistema,
una vez recibe la señal de socorro del beacon, retransmite esta señal a los equipos SAR pertinentes,
a través de sistemas específicos SAR a bordo de los satélites Galileo. Este servicio cuenta con tres
estaciones dedicadas, estratégicamente localizadas en distintas partes de Europa, de acuerdo con [27].
El servicio SAR de Galileo es el contribuidor más grande en el programa Cospas-Sarsat MEO-
SAR. Cospas-Sarsat es un sistema, basado en satélites, de detección y transmisión de señales de
alerta SAR. Gracias a este sistema, las autoridades SAR reciben los datos precisos de la posición
4.3 Conceptualización 17
del beacon rápidamente, pudiendo informar a los cuerpos de rescate para su actuación, aumentando
la probabilidad de supervivencia del sujeto. La cooperativa Cospas-Sarsat es el programa que hace
uso de este sistema para ayudar a la población, que actualmente cuenta con 45 países miembros,
entre los cuales se encuentran Francia, EEUU y Canadá.
Este servicio consta del Forward link alert service (FLS), el cual detecta y localiza las señales de
emergencia (beacons), y del Return link service (RLS), operativo desde el 21 de enero de 2020 (de
acuerdo con [27]), gracias a el cual el usuario en apuros puede recibir mensajes tales como que su
solicitud de ayuda ha sido recibida.
El funcionamiento del servicio SAR, a nivel básico, es el siguiente: Primero, los transpondedores
de los satélites SAR/Galileo reciben las señales de emergencia emitidas en la banda de frecuencias
406 - 406.1 MHz y emiten una señal a una estación terrestre dedicada (MEOLUTs - MEO Local
User Terminals) en la banda L (1544.1 MHz) (puntos 1-2-3 en la imagen).
Las estaciones MEOLUTs usan las señales enviadas por los satélites SAR para generar la posición
del beacon, la cual es transmitida a los cuerpos de rescate por medio de los Centros de Control
Cospas-Sarsat (puntos 4-5-6 de la imagen).
Figura 4.1 Funcionamiento del servicio Search and Recue. (Imagen de [27]).
4.3 Conceptualización
Para comprender mejor los siguientes apartados sobre las especificaciones técnicas y del funciona-
miento de Galileo, se introducirán previamente algunos conceptos de la Mecánica Orbital. Para
los conceptos explicados a continuación, se hará uso de [38].
4.3.1 Elementos orbitales
Se definen los elementos orbitales como el conjunto mínimo de parámetros que, junto a un instante
inicial t0 (también conocido como época de referencia), permiten caracterizar completamente la
posición de un satélite en su órbita en un instante cualquiera t. Existen muchas combinaciones de
18 Capítulo 4. Galileo
parámetros que permiten caracterizar una órbita. En el estudio presente se definirán los elementos
orbitales clásicos o keplerianos.
Kepler, en su primera ley [35], demostró que las órbitas de los planetas alrededor del Sol son
cónicas cerradas con el Sol en uno de sus focos, pudiendo considerarse éste inmóvil debido a que
la masa del Sol es considerablemente superior a la de los planetas del Sistema Solar. Por tanto,
extrapolando al caso Tierra - Satélite, se asume que las órbitas de los satélites son cónicas cerradas
(generalmente elipses) con la Tierra en uno de sus focos, permaneciendo éstainmóvil.
Acudiendo primero al plano en el que orbita el satélite, es posible definir 4 de los 6 elementos
orbitales:
• Los parámetros a y e (excentricidad) determinan el tamaño y la forma de la órbita.
• El parámetro ω , denominado argumento del perigeo, es el ángulo entre una dirección de
referencia (que se definirá más adelante) y el vector excentricidad e⃗, medido en el sentido
del movimiento del satélite. (El vector excentricidad es un vector que une el foco en el que
estaría situado la Tierra y el perigeo, en la dirección del perigeo).
• La anomalía verdadera, denotada por el ángulo θ , dependiente del tiempo, se mide desde el
perigeo y es el ángulo que localiza al satélite dentro de la órbita. Se mide en el sentido de
movimiento del satélite.
A continuación se muestra una imagen del plano orbital para ilustrar estos conceptos:
e
(a,e)
ω
θ(t)
PLANO
ORBITAL
Dirección de 
referencia
Figura 4.2 Elementos orbitales a, e, ω y θ .
Una vez definido lo anterior, es necesario, además, orientar y ubicar al plano orbital en el espacio.
Ésa es la misión de los dos elementos orbitales que faltan por definir. Antes de ello, se introducen
otros conceptos que son necesarios conocer:
• 1. Se toma como plano de referencia el plano ecuatorial (debido a que las misiones de todos
los GNSS son geocéntricas) y se define la línea de nodos como la intersección entre el plano
orbital y el ecuatorial.
• 2. La órbita del satélite, si no es ecuatorial, interseccionará con el plano ecuatorial en dos
puntos, llamados nodos. El nodo ascendente es aquel en el que el satélite queda por encima
del ecuador tras pasar por él, y el nodo descendente será el otro.
4.3 Conceptualización 19
• 3. El vector nodal es el vector que une la Tierra con el nodo ascendente, en dirección al nodo
ascendente. La dirección de referencia usada en la definición de ω es la dirección del vector
nodal.
Una vez definidos estos conceptos, se definen los dos elementos orbitales restantes, ambos
representados en verde en la imagen 4.3:
• La inclinación i es el ángulo entre el plano ecuatorial y el plano orbital, con el sentido que
indica n⃗.
• La ascensión recta del nodo ascendente o RAAN, denotado por Ω, es el ángulo (medido en
el plano ecuatorial) entre el primer punto de aries (ϒ)1 y n⃗, en sentido antihorario.
En la siguiente imagen se pueden observar de manera ilustrativa los dos elementos orbitales que
se acaban de definir, así como los nodos, el vector nodal (⃗n) y los elementos orbitales a, e, θ y ω:
Plano orbital
Ecuador
n
e
ω
θ
i
Línea de 
nodos
Ω
Figura 4.3 Elementos orbitales i y Ω.
[1Nota: El primer punto de Aries ϒ es una dirección fija en el espacio, contenida en el Ecuador,
que viene dada por la recta que une la Tierra y el Sol en el equinoccio de primavera, en dirección al
Sol.]
Nótese que, si la órbita es circular, los elementos orbitales ω y θ carecen de sentido, ya que, al no
existir perigeo, no está definido el vector excentricidad e⃗, no estando definido hasta dónde llega ω
ni desde dónde parte θ . En este caso particular, se define un nuevo elemento orbital, el argumento
de la latitud, u, el cual sería como considerar la "suma" de θ y ω . Así, u es el ángulo entre el vector
nodal n⃗ y el satélite en la órbita, medido en el sentido del movimiento.
20 Capítulo 4. Galileo
4.3.2 Cobertura
Otro concepto importante a definir es la cobertura. Se puede distinguir entre cobertura geográfica e
instrumental. A continuación se definen e ilustran ambos conceptos.
Comenzando por la cobertura geográfica, se define ésta como aquella zona visible de la Tierra
desde el satélite, en cada instante. Es decir, es toda la superficie terrestre que se podría "ver" desde
el satélite.
Por otro lado, se define la cobertura instrumental como aquella zona de la Tierra que realmente
"ve" el satélite. El satélite no alcanza a "ver" toda la superficie de la Tierra que tiene por delante,
sino una zona mucho más reducida. Esto sucede debido a las limitaciones físicas de los aparatos
electrónicos que componen los satélites. La cobertura instrumental viene definida por el ángulo de
visibilidad α .
A continuación se ilustra en la figura 4.4 la cobertura geográfica, la instrumental y el ángulo α
para su mejor entendimiento:
(a) (b)
Figura 4.4 Cobertura geográfica (a) e instrumental (b).
4.3.3 Constelaciones
Una vez definida la cobertura instrumental, es claro que con un solo satélite no es posible conseguir
la cobertura global, la cual es el objetivo perseguido por los GNSS.
Para conseguir cobertura global, las 24 horas del día, hacen falta numerosos satélites que orbiten
la Tierra de forma coordinada. A estos conjuntos de satélites se les conoce como constelaciones
de satélites. Ejemplos de constelaciones son cualesquiera de los GNSS comentados en secciones
anteriores: GPS, GLONASS, Galileo...
La pregunta ahora es cuál es el número mínimo de satélites para formar una constelación. Para
una geolocalización precisa, se necesitan de un mínimo de cuatro satélites a la vista del usuario, es
decir, no puede haber nada bloqueando la línea de visión que une al usuario con los satélites. Esto
se explicará más en detalle en apartados posteriores, donde se profundizará más en las técnicas de
geolocalización.
4.3 Conceptualización 21
Ahora bien, teniendo en cuenta que para cada lugar del planeta ha de haber mínimo cuatro
satélites visibles, y que es óptimo situar los satélites de los GNSS en órbitas MEO, como se explicó
al principio del capítulo 3, el número mínimo de satélites que ha de componer una constelación
es 24. Se podrían formar constelaciones de satélites que proporcionaran cobertura global con un
menor número de ellos, pero entonces los satélites deberían estar orbitando a más altitud (ya no
estarían en órbitas MEO), y no es lo óptimo.
Sin embargo, muchos de los GNSS actuales están formados por más de 24 satélites. Esto sucede
por varios motivos. Puede ser que los satélites que están "de más" sean simplemente repuestos, por
si alguno de los 24 que proporcionan cobertura dejase de funcionar, proporcionando redundancia,
o bien son satélites que también están operativos, lo que ayuda a proporcionar una cobertura
más sólida.
Constelaciones tipo Walker
A la hora de diseñar una constelación, se buscan órbitas de excentricidad e inclinación similares,
para que así las posibles perturbaciones que puedan afectar a los satélites, afecten a todos de la
forma más parecida posible. Además, de este modo es más sencillo mantener la geometría de las
órbitas, sin demasiado gasto en maniobras para mantener los satélites en sus órbitas, aumentando
así la vida útil de éstos.
Un caso particular de constelación son las llamadas constelaciones tipo Walker. Éstas consisten en
órbitas circulares (altitud constante) con inclinación constante. Los elementos orbitales caracterizan
a cada satélite dentro de las órbitas son el RAAN (Ω) y el argumento de la latitud (u).
La notación para definir una constelación tipo Walker es la siguiente: t/p/f, donde t, p y f son
números enteros, los cuales se definen a continuación:
• t: es el número total de satélites que posee la constelación.
• p: es el número de planos orbitales que existen en la constelación.
• f: es el denominado "espacio relativo entre planos adyacentes". Es un número entero com-
prendido entre cero y uno.
Galileo es un ejemplo de constelación tipo Walker. En este caso, Galileo es una constelación tipo
Walker 24/3/1 (dato obtenido de [23]), de inclinación 56º y altitud 23222 km.
Figura 4.5 Galileo, constelación Walker 24/3/1.
22 Capítulo 4. Galileo
Con esta información, es posible caracterizar cada satélite de Galileo, ejercicio que se realizará
en apartados posteriores.
4.4 Arquitectura del sistema
Este apartado se centrará en describir la red de elementos, estructuras e instalaciones que hacen que
el sistema Galileo sea una realidad. Como se comentó con anterioridad, el núcleo que forma Galileo
se puede descomponer en 3 segmentos: el espacial, el terrestre y el del usuario.Cada segmento
tiene unas determinadas misiones y objetivos que ha de cumplir continuamente para garantizar el
correcto funcionamiento del sistema conjunto.
En este apartado se centrará toda la atención en profundizar en el segmento terrestre y en el
segmento espacial. El segmento del usuario se dejará de lado ya que el objetivo de esta memoria es
conocer más los aspectos del propio sistema.
4.4.1 Segmento terrestre
A grandes rasgos, el segmento terrestre está compuesto por todas las estructuras e instalaciones
colocadas en tierra, operadas por los distintos operarios y personal de apoyo.
En concreto, este segmento está formado por dos partes: el segmento terrestre de control (Ground
Control Segment - GCS), y el segmento terrestre de misión (Ground Mission Segment- GMS).
Ground Mission Segment
El GMS se encarga del control del sistema de navegación. Es decir, es el encargado de generar los
mensajes de navegación y enviarlos a los satélites. Para ello, el GMS se compone de:
• las instalaciones necesarias para la determinación de las correcciones de órbitas y de reloj,
generación de mensajes y monitorización de servicios. Esto se consigue a través elementos
centralizados, situados en dos centros de control (Galileo Control Center - GCC), uno situado
en Italia, y el segundo en Alemania. Ambos GCCs son completamente redundantes el uno y
el otro.
• una red de sensores repartidos en todo el mundo (Galileo Sensor Stations - GSS), 16 en total,
que monitorizan las señales de los satélites. Las medidas que toman estos GSS se usan para
la determinación de órbitas, sincronización de tiempo y para la supervisión de los servicios
que ofrece el GMS.
• y, por último, cinco mission uplink stations (ULSs) repartidas por el planeta. Son las encargadas
de enviar el mensaje de navegación generado en los GCCs a los satélites.
Además de esto, el GMS proporciona interfaces a los distintos proveedores externos de servicios.
Ground Control Segment
El GCS realiza todas las funciones necesarias para operar cada satélite individualmente y para
mantenerla geometría de la constelación. Para realizar estas funciones, el GCS se compone de 6
estaciones de telemetría, seguimiento y control (Telemetry, Tracking and Control - TTC) repartidas
por el planeta, e instalaciones de procesamiento, establecidas en las dos estaciones de control
mencionadas anteriormente (GCCs), de acuerdo con [18]. Con ellas se monitoriza, controla, y se
realiza el mantenimiento de las plataformas de cada satélite individual y de sus cargas de pago, y
así asegurar que los mensajes emitidos por los satélites se emiten correctamente.
4.4 Arquitectura del sistema 23
Las funciones clave del GCS son las siguientes:
• Operaciones y mantenimiento de la plataforma y carga de pago de los satélites, así como
la mejora del software a bordo, y la planificación y ejecución de maniobras para mantener
satélites en órbita. El mantenimiento de los satélites en órbita también incluye operaciones
de recuperación con el objetivo de afrontar situaciones de emergencia y fallos en los satélites,
con el fin de minimizar el tiempo que un satélite no está contribuyendo a proveer los servicios.
Ésta es la función más relevante del GCS.
• Monitorizar y controlar los satélites que están operativos, a través de contactos periódicos
entre los satélites y las estaciones TTC
• Sincronización de datos y operaciones conjuntas entre ambos GCCs, para asegurar redundan-
cia
• Planificación a corto plazo de las operaciones de cada satélite.
• Dinámica del vuelo
• Monitorización y control de los recursos terrestres
4.4.2 Segmento espacial
El segmento espacial está compuesto por todos los vehículos espaciales de los que dispone el sistema
que están orbitando la Tierra. La principal misión de este segmento es transmitir las señales de
navegación, los datos de navegación recibidos del segmento terrestre y emitir alertas de búsqueda y
rescate (SAR).
Geometría de la constelación
Como se comentó en el apartado (4.3), Galileo es una constelación de satélites. Esta constelación
consta de 3 planos orbitales inclinados 56º con respecto al ecuador terrestre. Se pretende que en
cada plano haya un satélite de repuesto, como medida de seguridad ante cualquier fallo en algún
satélite de su mismo plano.
Desde la mayoría de lugares, serán visibles unos 6-8 satélites continuamente, lo que permite un
gran nivel de precisión y rapidez a la hora de ofrecer servicios de posicionamiento, logrando una
precisión del orden de centímetros.
Se distinguen dos tipos de satélites en esta constelación:
• En primer lugar, los satélites IOV. Son cuatro en total, y fueron los que primero se lanzaron
para llevar a cabo la fase IOV, como se comentó en apartados anteriores.
La primera pareja de satélites (GSAT0101 y GSAT0102 fueron lanzados desde el puerto espa-
cial de la Guayana Francesa en octubre de 2011. La segunda pareja, GSAT0103 y GSAT0104
fueron lanzados en octubre de 2012 desde el mismo sitio. Actualmente el satélite GSAT0104
no se encuentra operativo [8].
A continuación se muestra una tabla que resume las características más relevantes de estos
vehículos:
24 Capítulo 4. Galileo
Tabla 4.2 Características del satélite IOV [25].
Masa ∼700 kg
Tamaño (paneles
solares replegados) 3.02 x 1.58 x 1.59 m
Tamaño (paneles
solares desplegados) 2.74 x 14.5 x 1.59 m
Vida más de 12 años
Potencia disponible 1420 W (con luz solar)1355 W (en eclipse)
• En segundo lugar, los satélites FOC. Son todos los restantes hasta alcanzar la FOC. Se preten-
de que una vez que Galileo alcance la FOC cuente con 30 satélites. Actualmente el sistema
cuenta con 24 satélites FOC.
El primer par de satélites FOC (GSAT0201 y GSAT0202) fueron lanzados en agosto del 2014.
Sin embargo, fueron inyectados en una órbita incorrecta y no forman parte de la constelación
tipo Walker, aunque sí forman parte del sistema Galileo. Actualmente no son utilizables,
según [8].
El bloque de 22 satélites FOC que sí forman parte de la constelación tipo Walker engloba
desde el GSAT0203 hasta el GSAT0224, y fueron lanzados en intervalos regulares entre
marzo del 2015 y diciembre del 2021. Sin embargo, actualmente el satélite GSAT0204 no está
operativo [8], por lo que realmente sólo 21 satélites FOC aportan actualmente a la constelación
tipo Walker, en total 24 contando con los satélites IOV.
A continuación se muestra una tabla que resume las características más relevantes de los
satélites FOC:
Tabla 4.3 Características del satélite FOC [25].
Masa ∼733 kg
Tamaño (paneles solares replegados) 2.91 x 1.7 x 1.4 m
Tamaño (paneles solares desplegados) 2.5 x 14.67 x 1.1 m
Vida más de 12 años
Potencia disponible 1900 W
Se puede observar que estos satélites, aunque tienen una masa ligeramente a los IOV, son
más compactos y generan mayor potencia.
Resumiendo, el sistema cuenta en la actualidad con 28 satélites (de los cuales sólo 24 están ope-
rativos y organizados en una constelación tipo Walker, de la cual se hará un ejercicio a continuación
para caracterizarla), con las expectativas puestas en 2023 para alcanzar la FOC, de acuerdo con
[25].
Merecen una mención especial los vehículos GIOVE-A y GIOVE-B, actualmente retirados, pero
que sirvieron como primera toma de contacto para probar tecnologías de Galileo en órbitas reales.
Éstos fueron los primeros vehículos espaciales europeos lanzados en una órbita MEO.
4.4 Arquitectura del sistema 25
A pesar de que fueron diseñados para tener una vida de aproximadamente 27 meses, estuvieron
operativos más del doble de ese tiempo, cumpliendo misiones de vital importancia como estrenar
las frecuencias que a Galileo le fueron asignadas por la Unión Internacional de Telecomunicaciones
(ITU), probar el diseño de dos relojes atómicos de rubidio o recopilar datos de las inmediaciones de
la órbita circular MEO en la que se establecería la futura constelación, ayudando así a su diseño y
desarrollo.
A continuación, se va a realizar la caracterización de los 24 slots2 que conforman la constelación
tipo Walker queGalileo usa. Sabiendo que es una constelación Walker 24/3/1, se sabe que se tienen
24 slots repartidos en 3 planos orbitales equiespaciados: Plano A, plano B y plano C. Por tanto, el
número de slots existentes en cada plano será:
Número de slots
Planos orbitales
=
t
p
=
24
3
= 8
slots
plano
(4.1)
Además, es posible obtener la separación entre planos, es decir, el RAAN que hay entre uno y
otro. Teniendo en cuenta que los planos están equiespaciados, la separación entre planos viene dada
por:
360º
Número de planos
=
360º
p
=
360º
3
= 120º (4.2)
Del mismo modo, la separación entre slots dentro de un mismo plano se puede calcular de manera
análoga a la anterior:
360º
Número de satélites por plano
=
360º · p
t
=
360º
8
= 45º (4.3)
Lo último que queda por definir es la separación relativa entre slots en planos adyacentes, para lo
cual se usará el parámetro f . Dicha separación viene dada por la siguiente fórmula:
360º · f
t
=
360º ·1
24
= 15º (4.4)
De esta manera, es posible construir una tabla mostrando los elementos orbitales característicos
de cada slot. Esta tabla será calculada en T = T0, es decir, en la época de referencia de Galileo: el 21
de noviembre de 2016, a las 00:00:00 UTC, según [23]. Además, de esta misma fuente se obtiene
que el RAAN del plano A es 317,632º, que se aproximará por 318º para mayor comodidad en la
tabla, y el argumento de la latitud del primer slot del plano A es 180,153º, que se aproximará por 180º
A continuación, se muestra la tabla ya formada, teniendo en cuenta los resultados recién obtenidos:
• En un mismo plano, la diferencia de u entre dos slots consecutivos es 45º
• La diferencia de u entre el primer slot de un plano y el primer slot del plano consecutivo es
15º
2 Un slot es una posición que puede ocupar un satélite dentro de la constelación.
26 Capítulo 4. Galileo
• Entre un plano y el siguiente hay 120º de diferencia en el RAAN.
Tabla 4.4 Elementos orbitales de los satélites Galileo en T0.
Plano Slot h (km) e i Ω u
A
01 23222 0 56º 318º 180º
02 23222 0 56º 318º 225º
03 23222 0 56º 318º 270º
04 23222 0 56º 318º 315º
05 23222 0 56º 318º 0º
06 23222 0 56º 318º 45º
07 23222 0 56º 318º 90º
08 23222 0 56º 318º 135º
B
01 23222 0 56º 78º 195º
02 23222 0 56º 78º 240º
03 23222 0 56º 78º 285º
04 23222 0 56º 78º 330º
05 23222 0 56º 78º 15º
06 23222 0 56º 78º 60º
07 23222 0 56º 78º 105º
08 23222 0 56º 78º 150º
C
01 23222 0 56º 198º 210º
02 23222 0 56º 198º 255º
03 23222 0 56º 198º 300º
04 23222 0 56º 198º 345º
05 23222 0 56º 198º 30º
06 23222 0 56º 198º 75º
07 23222 0 56º 198º 120º
08 23222 0 56º 198º 165º
Nótese que la altitud, h, no se ha definido como elemento orbital, sin embargo se muestra en la
tabla (4.4) como si fuera uno. Esto sucede porque a y h son análogos. Considerando a, e y h, dados
dos datos cualesquiera de ellos, se puede obtener el tercero mediante las ecuaciones de una cónica.
Sin embargo, como para el caso de las constelaciones Walker las órbitas son circulares, la relación
entre a y h es más sencilla y directa:
a = R = RTierra +h (4.5)
En el caso de una órbita circular, el elemento orbital a es el propio radio de la órbita, que a su vez
puede ser calculado como el radio de la Tierra3 más la altitud de la órbita (constante). Para el caso
de los satélites Galileo, a ≃ 29600 km.
A continuación, se muestra una imagen, obtenida de [23], en la que se muestra de forma esque-
mática la distribución de los slots de Galileo:
3 No se está considerando el achatamiento de la Tierra en los polos. Se considera en este estudio la Tierra como una
esfera perfecta de radio R = 6378,14 km.
4.5 Técnicas de geolocalización 27
Figura 4.6 Distribución de slots en la constelación Galileo.
Por último, se muestra a continuación una tabla en la que se indica en qué slot se sitúa cada
satélite actualmente activo. Los satélites no operativos (GSAT0104, GSAT0201, GSAT0202 y
GSAT0204) no se muestran en la tabla:
Tabla 4.5 Satélites Galileo operativos y sus respectivos slots.
Satélite Slot Satélite Slot Satélite Slot
GSAT0101 B05 GSAT0209 C02 GSAT0217 A04
GSAT0102 B06 GSAT0210 A02 GSAT0218 A01
GSAT0103 C04 GSAT0211 A06 GSAT0219 B04
GSAT0203 B08 GSAT0212 C08 GSAT0220 B01
GSAT0205 A08 GSAT0213 C03 GSAT0221 B02
GSAT0206 A05 GSAT0214 C01 GSAT0222 B07
GSAT0207 C06 GSAT0215 A03 GSAT0223 B03
GSAT0208 C07 GSAT0216 A07 GSAT0224 B15
Atendiendo a la tabla (4.5), se puede ver cómo actualmente el slot C05 no está ocupado por
ningún satélite, y que sin embargo el GSAT0224 está situado en el slot B154 , el cual no ha sido
definido con anterioridad. Se trata de un slot especial, el cual se sitúa en el plano B, entre los slots
B05 y B06. Por tanto, dicho slot posee un RAAN(t0) = 78º y u(t0) = 37,5º.
4.5 Técnicas de geolocalización
El objetivo de este apartado será describir de manera sencilla e ilustrativa la técnica de geolocali-
zación usada no sólo por Galileo, sino por todos los GNSS en general. Es en este apartado donde
se dará explicación a una de las frases que se han utilizado en apartados previos: "Se necesitan al
menos 4 satélites para determinar la ubicación precisa de un receptor".
4 Fuente: [22]
28 Capítulo 4. Galileo
La técnica empleada por los GNSS se llama trilateración, a menudo confundida con la triangu-
lación, tratándose de técnicas distintas. La triangulación implica la medición de ángulos, mientras
que en la trilateración no se miden ángulos, sino que se miden distancias.
Se va a explicar en que consiste la trilateración, primero para un caso 2D para su mejor compren-
sión e ilustración, para luego extrapolar la explicación al caso 3D, que es lo que sucede en la realidad.
Para el caso 2D, se han de imaginar 3 satélites situados en el espacio. El primero de ellos manda
una señal a la Tierra, la cual es captada por un receptor situado en la superficie de la Tierra. Dicha
señal transmite dos tipos de información clave. La primera de ellas es la efeméride del satélite, la
cual es un conjunto de parámetros orbitales mediante el cual el receptor puede calcular la posición y
velocidad del satélite. La segunda parte indica la hora a la que manda el mensaje, con una muy alta
precisión gracias a los relojes atómicos que poseen los satélites. Con esta segunda parte, el receptor
compara la hora de envío de la señal desde el satélite y la hora de recepción de la señal, estando
esta última generada por el propio receptor. Con ello, se consigue medir el tiempo que ha tardado la
señal en recorrer la distancia que hay entre el satélite y el receptor. Conociendo el tiempo que tarda
la señal en recorrer la distancia satélite - receptor, y sabiendo que la señal viaja a la velocidad de la
luz, c ≃ 3 ·108 m/s, se calcula la distancia entre el satélite y el receptor:
Distancia = c · t (4.6)
Sin embargo, con esto se consigue medir únicamente la distancia, no se dispone de nada más,
por lo que la localización del receptor no se ha logrado aún. De hecho, lo que se ha conseguido es
limitar las posibles posiciones del receptor a una circunferencia centrada en el satélite (ver figura
4.7), con radio igual a la distancia calculada previamente.
Figura 4.7 Posibles localizaciones del UT conocida la distancia a un satélite (2D).
Ahora bien, aplicando el mismo razonamiento para el segundo satélite, se puede medir la distancia
"satélite 2 - receptor" y limitar las posibles posiciones del receptor a una circunferencia centrada
4.5 Técnicas de geolocalización 29
en el segundo satélite y con radio igual a la distancia medida. Al hacer esto, se consiguen dos
restricciones para la posición del receptor. Por ello, el receptor se ha de encontrar en un lugar
geométrico que cumpla las dos restricciones simultáneamente, esto es, la intersección de las dos
circunferencias. Es decir, se han reducido las infinitas posibles posiciones del receptor (con sólo
una circunferencia alrededor del primer satélite) a únicamente 2 (intersección de las circunferencias
alrededor del primer y segundo satélite, ver figura 4.8).
Figura 4.8 Posibles localizaciones del UT conocidala distancia a dos satélites (2D).
Para finalizar, se realiza una tercera medición para obtener una tercera restricción, y hallar así el
único punto que las cumpla. Se consigue así determinar la posición del receptor (figura 4.9).
Figura 4.9 Localización del UT conocida la distancia a tres satélites (2D).
Ahora bien, para el caso 3D la obtención de la localización del receptor no es tan sencilla como en
2D, y se necesitan mínimo 4 satélites para calcularla. Sin embargo, conociendo el funcionamiento
30 Capítulo 4. Galileo
de la trilateración en dos dimensiones, es fácil extrapolarlo a un espacio tridimensional.
La diferencia principal entre el caso 2D y el 3D es que, al medir la distancia entre un satélite y el
receptor, las posibles ubicaciones del receptor no se limitan a una circunferencia, sino a una cáscara
esférica centrada en el satélite, de radio igual a la distancia calculada por el receptor. Por ello, al
medir la distancia a dos satélites, la intersección entre las dos cáscaras esféricas dan lugar a una
circunferencia, por lo que siguen existiendo infinitas posibilidades para la ubicación del receptor. La
tercera medición proporcionaría una tercera cáscara esférica, cuya intersección con la circunferencia
obtenida anteriormente da lugar a únicamente dos puntos. Se muestra a continuación una figura
para ilustrar este caso:
Figura 4.10 Posibles localizaciones del UT conocida la distancia a tres satélites (3D).
Normalmente, con estos tres satélites, ya se puede determinar la posición del receptor incluso
en el caso 3D, ya que, de los dos puntos posibles, sólo uno estará situado en la superficie terrestre,
mientras que el otro no, por lo que se elige la primera opción. Sin embargo, en la práctica, se usan
cuatro satélites. Esto es debido a los errores que puede generar la inexactitud del reloj del receptor.
Teniendo en cuenta que la señal viaja a la velocidad de la luz, y que los satélites están situados a
una altitud de unos ∼ 20000km, la señal tarda menos de 0,07 segundos en viajar desde el satélite al
receptor. Si el receptor comete un error (aunque sea muy pequeño) en la medición del tiempo, se
cometen graves errores en la determinación de la posición.
Para ejemplificar lo anterior, si el receptor mide el tiempo con un error de 0,001 segundos, se
cometería un error en la posición de unos ∼ 300km. Es por ello que se usa un cuarto satélite, para
corregir estos errores de tiempo y además tener una cuarta restricción que determina completamente
la posición del receptor, ya que la cuarta cáscara esférica interseccionaría sólo con uno de los dos
puntos que quedaban.
4.6 Errores de los GNSS 31
4.6 Errores de los GNSS
Cuando se trata de sistemas tan complejos, existen numerosos factores que pueden causar algún
tipo de error, limitando o reduciendo la precisión del posicionamiento. En esta sección se tratarán
los más frecuentes.
4.6.1 Errores de tiempo
Debido a que el reloj interno de los receptores no son tan precisos como los relojes atómicos de los
satélites, sumado a la posibilidad de que no estén perfectamente sincronizados entre sí, hace que
la medida del tiempo calculada por el receptor no sea del todo exacta, generando así errores en el
posicionamiento, tal y como se acaba de explicar en la sección anterior. Éste es el principal motivo
por el que se usa un cuarto satélite para la determinación de la posición de un receptor.
4.6.2 Errores en las efemérides
Ya se comentó con anterioridad que la posición y velocidad de los satélites es perfectamente conoci-
da en todo momento. Esta información es la que contienen las efemérides y que son transmitidas al
receptor para que éste pueda realizar el cálculo de su posición por trilateración.
Sin embargo, pueden existir errores en las efemérides que los satélites transmiten, lo que da
lugar a un mal posicionamiento. Por este motivo, las estaciones terrestres están en todo momento
monitorizando el estado de cada satélite y actualizando la información contenida en las efemérides.
4.6.3 Posición relativa de los satélites
Debido a que los satélites se encuentran orbitando alrededor de la Tierra, son muchas las configura-
ciones que pueden adquirir los satélites que se encuentran sobre un usuario.
El cálculo de la posición se puede ver afectado por la posición relativa de los satélites que están
visibles para el receptor. Si los satélites se encuentran aglomerados en torno a una posición concreta,
el cálculo de la posición no será tan preciso como si los satélites estuvieran repartidos por todo el
cielo visible.
La configuración de los satélites en el cielo en cada momento se puede medir mediante el GDOP
(Geometric Dilution Of Precision). Valores pequeños del GDOP significan buena precisión del
cálculo de la posición, debido a que los satélites están repartidos en el cielo visible. Los receptores
GNSS más avanzados permiten mostrar el GDOP con el que se está computando la posición para
que el usuario se haga una idea de cómo de preciso es la ubicación que está obteniendo. Otros
receptores combinan el GDOP con otros parámetros para dar una estimación de la precisión en el
posicionamiento.
32 Capítulo 4. Galileo
(a) (b)
Figura 4.11 Configuración de satélites con GDOP bajo (a) y GDOP alto (b).
La importancia de la distribución de los satélites en el cielo se muestra en la figura (4.12). En
teoría, el usuario se encuentra en uno de los puntos de corte de las circunferencias. Sin embargo, en
la realidad, el pseudo-rango medido desde cada satélite está representado por una corona circular (y
no por una circunferencia), ya que, debido a inexactitudes en la medición del tiempo, la distancia
calculada tiene cierto margen de error. Por eso se ve una circunferencia interior y otra exterior para
cada satélite.
Figura 4.12 Configuración de satélites sobre el usuario. Imágenes superiores conllevan un GDOP
alto, la inferior conlleva un GDOP bajo.
En la figura (4.12) se puede ver que en los casos superiores, la intersección de ambas coronas
circulares da lugar a una sección bastante amplia, donde podría estar situado el receptor. Es claro
que en estos casos existe más incertidumbre acerca de la posición del receptor que en el caso inferior,
donde el sector es mucho más reducido. Por ello, en los casos superiores se tendrá un GDOP alto
(malo), mientras que en el caso inferior se tendrá un GDOP bajo (bueno).
4.6 Errores de los GNSS 33
4.6.4 Interferencia atmosférica
Cuando las señales transmitidas por los satélites entran en la atmósfera, pueden ser desviadas o
refractadas, del mismo modo que sucede con un rayo de luz cuando atraviesa la interfase agua -
aire, por ejemplo. La velocidad a la que se mueven las ondas también puede variar a causa de la
ionosfera.
Cuando las señales se desvían, éstas han de recorrer una distancia mayor para llegar del satélite
al receptor, por lo que tardan más tiempo, haciendo que el cálculo de la posición no sea preciso (se
obtendría una distancia satélite - receptor mayor de la que hay en realidad). Este concepto se ilustra
en la imagen (4.13).
Atmósfera
Trayectoria
esperada
Trayectoria
real
Figura 4.13 Efecto de la atmósfera sobre la señal.
Este efecto se ve incrementado en los satélites que están más pegados al horizonte. Por ello, la
mayoría de receptores ignoran a los satélites que están por debajo de un cierto ángulo medido desde
el horizonte. En receptores más avanzados, el propio receptor puede seleccionar este "ángulo de
enmascaramiento" (mask angle en inglés). De acuerdo con [2], valores típicos de este ángulo están
comprendidos en el rango [8º, 14º].
De esta manera, se obvian los satélites que están más afectados por la influencia atmosférica,
para así lograr una mejor precisión. Sin embargo, la desventaja que tiene realizar esto es que se
tienen entonces menos satélites visibles en el cielo, estando ellos más pegados entre sí, aumentando
el GDOP comentado anteriormente.
4.6.5 Errores debidos al multipath
Este error sucede cuando el receptor capta la misma señal dos veces en instantes