Principios y componentes de los sistemas mundiales de navegación por satélite
El Sistema Global de Navegación por Satélite (Global Navigation Satellite System, GNSS) es un sistema de posicionamiento capaz de proporcionar a los buques servicios de posicionamiento y navegación tridimensionales a nivel mundial, en cualquier condición meteorológica, con alta precisión y de forma continua. El navegador por satélite GPS a bordo es un equipo indispensable para la navegación marítima de los buques modernos y reviste una gran importancia para garantizar la seguridad de la navegación. Por lo tanto, garantizar el correcto funcionamiento del navegador por satélite GPS a bordo de los buques de 750 kW o más es una de las responsabilidades del técnico en electrónica y electricidad naval. Este proyecto se basa en la enseñanza por proyectos con equipos reales de navegación por satélite GPS a bordo, y tiene como objetivo que, a través del conocimiento y la práctica, los alumnos puedan realizar de forma autónoma las tareas de mantenimiento y conservación de los navegadores por satélite GPS a bordo en sus futuros puestos de trabajo. El navegador por satélite GPS modelo FURUNO GP-170 tiene una amplia aplicación a bordo de los buques; en este apartado se ofrece una introducción tomando este modelo como ejemplo.
I. Descripción general de los sistemas globales de navegación por satélite
Los sistemas globales de navegación por satélite incluyen principalmente el Sistema de Posicionamiento Global (GPS) de Estados Unidos, el sistema de navegación por satélite BeiDou (BeiDou Navigation Satellite System, BDS) de China, el sistema de navegación por satélite GLONASS (Global Navigation Satellite System, GLONASS) de Rusia y el sistema de navegación por satélite Galileo (Galileo Navigation Satellite System, Galileo) de Europa.
GPS es la abreviatura de Navigation Satellite Timing and Ranging/Global Positioning System (NAVSTAR/GPS), que significa «Sistema de navegación por satélite para la medición del tiempo y la distancia/Sistema de posicionamiento global». Estados Unidos comenzó a investigar el sistema de navegación por satélite GPS a finales de 1973, completó de forma preliminar el despliegue de los satélites a finales de 1993 y lo puso en pleno funcionamiento a finales de 1995.
El GPS es capaz de proporcionar en todo el mundo servicios de posicionamiento y navegación tridimensionales las 24 horas del día, con alta precisión, de forma continua y casi en tiempo real. De entre ellos, el código P, destinado principalmente al ámbito militar y a usuarios de alto nivel, alcanza una precisión de posicionamiento de hasta 1 m; mientras que el código CA, destinado principalmente al uso civil, tiene una precisión de posicionamiento de entre 20 y 30 m.
II. Composición de los sistemas globales de navegación por satélite
El sistema global de navegación por satélite se compone de tres elementos: los satélites de navegación, las estaciones terrestres y los equipos de los usuarios. Los satélites de navegación se encargan de emitir señales de navegación; las estaciones terrestres se ocupan del seguimiento y control de los satélites, así como de la transmisión de información de navegación; y los receptores de navegación, instalados en los vehículos de los usuarios, reciben las señales de los satélites para llevar a cabo las funciones de localización y navegación.
Satélites GPSLa constelación está compuesta por 24 satélites, entre los que se incluyen 21 satélites operativos y 3 satélites de reserva, distribuidos de forma equitativa en seis órbitas. Posteriormente se lanzaron sucesivamente los satélites de las series BLOCKI, II, IIA y IIR.
Estación terrestre GPSSe compone de tres partes: la estación de control principal, la estación de seguimiento y la estación de inyección. La estación de control principal se encarga de controlar todo el sistema de satélites, evaluar el rendimiento de la navegación y generar las tablas de posiciones de los satélites, para luego codificar la información de navegación y enviarla a la estación de inyección. La estación de inyección, bajo el control de la estación de control principal, inyecta la información de navegación en los satélites una o dos veces al día.
Equipos de los usuariosEs decir, un navegador por satélite GPS, compuesto por hardware, software integrado y un paquete de software de posprocesamiento de datos GPS. El hardware del receptor consta de tres partes: la unidad de antena, la unidad principal y la fuente de alimentación. La antena se instala en el exterior y se conecta a la unidad principal mediante un cable. La unidad principal está compuesta por un convertidor de frecuencia, un canal de señal, un microprocesador y un módulo de visualización, entre otros componentes. En la actualidad, los navegadores que más se utilizan en el ámbito marítimo son los de tipo de correlación de código CA.
III. Principios de posicionamiento y errores
(1) Principio de posicionamiento
El GPS es un sistema de posicionamiento y telemetría esférico. El usuario, al medir el retardo en la propagación de la señal del satélite hasta su ubicación, determina el tiempo que tardan las ondas de radio en propagarse por el espacio. Dado que se conoce la velocidad de propagación de las ondas electromagnéticas en el espacio, se puede calcular la distancia entre el usuario y el satélite. Para la localización concreta, basta con que el usuario mida la distancia a tres satélites para obtener tres esferas con los satélites como centros y la distancia entre el usuario y cada satélite como radio; el punto de intersección de estas esferas es la posición tridimensional del usuario en el espacio.
Para determinar la posición del usuario, es necesario conocer con exactitud la posición del satélite en el momento de la emisión de la señal. El usuario obtiene la posición del satélite a través de los datos astronómicos que se incluyen en los mensajes transmitidos por los satélites GPS.
(2) Error de posicionamiento
La distancia calculada por el usuario mediante un navegador por satélite se ve afectada por los dos factores siguientes:
1. Desviación horaria entre el satélite y el usuario
Como se ha mencionado anteriormente, la telemetría consiste, en esencia, en medir el retardo (el tiempo de propagación de las ondas de radio), por lo que disponer de un patrón de tiempo uniforme y preciso es fundamental para la precisión de la medición. Los satélites GPS utilizan relojes atómicos de alta precisión, con una precisión de hasta (0,1~10)×10⁻¹³/s, pero el error se acumula con el tiempo y se refleja en el error de medición del usuario. Por otra parte, los usuarios comunes no suelen disponer de relojes precisos, por lo que el retardo que miden incluirá un error considerable propio del reloj del usuario.
2. Retraso en la propagación de la señal
Durante su propagación hasta el usuario, la señal del satélite sufre refracción en la ionosfera y la troposfera, lo que provoca cambios en la velocidad y la trayectoria de la señal y, por lo tanto, genera un retraso en la propagación de la señal; dicho retraso también introduce un error en la medición del tiempo por parte del usuario.
Teniendo en cuenta todos estos factores, la distancia calculada por el usuario mediante un navegador por satélite GPS no es la distancia real entre el usuario y el satélite, por lo que se denominaDistancia aparente, el proceso de medición de la pseudodistancia se denominaFalsa medición de la distancia。
3. Métodos para eliminar los errores de posicionamiento
Para calcular la distancia real entre el satélite y el usuario, el GPS utiliza el siguiente método:
① Los satélites GPS proporcionan parámetros de corrección de la desviación del reloj del satélite en los mensajes que envían a los usuarios.
② Los satélites GPS emiten señales de doble frecuencia (1575,42 MHz y 1227,60 MHz) para corregir los errores de refracción de la ionosfera. Al mismo tiempo, los satélites GPS proporcionan parámetros de corrección atmosférica en sus mensajes; los usuarios corrigen los errores de refracción en la troposfera mediante modelos de corrección, lo que les permite calcular el retardo en la propagación de la señal.
③ Se considera el error del reloj del usuario como una incógnita y se resuelve en la ecuación de observación. Por lo tanto, para realizar la localización tridimensional, el usuario debe resolver cuatro incógnitas, a saber:Es necesario recibir la señal de al menos cuatro satélites.; al realizar el posicionamiento bidimensional,Se necesitan, como mínimo, tres señales de satélite.。
IV. Navegador por satélite GPS
En la actualidad, los navegadores más utilizados en el ámbito marítimo son los de tipo «CA Code». Los navegadores por satélite GPS se componen de hardware, software integrado y un paquete de software de posprocesamiento de datos GPS. El hardware del navegador por satélite incluye tres partes: la antena, la unidad principal y la fuente de alimentación. La antena se instala en el exterior y se conecta a la unidad principal mediante un cable. La unidad principal está compuesta por un convertidor de frecuencia, un amplificador intermedio, un canal de señal, un microprocesador y un módulo de visualización, tal y como se muestra en la figura 2-1-1.
Figura 2-1-1: Estructura de un navegador por satélite GPS
El navegador por satélite GPS recibe señales satelitales débiles a través de la antena GPS; tras ser amplificadas por el preamplificador (para mejorar la relación señal-ruido), se envían al convertidor de frecuencia, que transforma la señal de radiofrecuencia (RF) en una señal de frecuencia intermedia (IF). Tras su amplificación, la señal de frecuencia intermedia se envía al bucle de fase de código pseudoaleatorio y al bucle de fase de portadora, donde se lleva a cabo una búsqueda bidimensional del código pseudoaleatorio y de la frecuencia (portadora). En este proceso, el bucle de fase de código pseudoaleatorio se utiliza para sincronizar temporalmente el código pseudoaleatorio del receptor con el recibido, lo que permite la captura y el seguimiento automáticos del código del satélite; el bucle de fase de la portadora se utiliza para sincronizar el seguimiento de la portadora por parte del equipo, tanto en frecuencia como en fase, con la portadora recibida, lo que permite la captura y el seguimiento automáticos de la portadora del satélite.
El código pseudoaleatorio de la señal GPS y el código pseudoaleatorio de seguimiento del propio equipo se comparan en el correlador; cuando ambos coinciden, se emite el valor máximo, lo que indica que la detección por correlación ha identificado la señal portadora modulada con datos GPS. Tras mezclar esta señal con la portadora de seguimiento del propio equipo, se detecta la señal del código de datos GPS. Tras la sincronización, detección y filtrado de la señal del código de datos del GPS, se extrae el mensaje del satélite GPS. La diferencia entre la portadora de seguimiento y la oscilación de referencia del equipo constituye el desplazamiento Doppler; al comparar el código pseudoaleatorio de seguimiento con el código pseudoaleatorio de referencia del equipo, se puede medir el retardo de propagación de la señal y, a partir de ahí, calcular la pseudodistancia.
microprocesadorEs el componente central de un navegador por satélite GPS; la recepción y el procesamiento de la señal por parte del navegador se llevan a cabo bajo el control de un microprocesador. Sus funciones principales incluyen: la autoprueba al encender el dispositivo, la selección de satélites, la recopilación de datos de los satélites, la corrección de los errores de propagación en la atmósfera, la medición de la pseudodistancia y la frecuencia Doppler, así como el cálculo de la posición, la velocidad y la información de navegación del usuario, entre otras.
Los navegadores por satélite GPS suelen estar equipados con una pantalla de cristal líquido que muestra información sobre su funcionamiento, así como con un teclado de control que permite al usuario manejar el dispositivo. Algunos navegadores por satélite también cuentan con una pantalla de gran tamaño en la que se muestran directamente la información de navegación y los mapas digitales.
Hay dos tipos de alimentación para los navegadores por satélite GPS:Por un lado, está la fuente de alimentación interna, que suele ser una batería de litio y se utiliza para alimentar la memoria RAM y evitar la pérdida de datos tras el apagado; por otro lado, está la fuente de alimentación externa, que suele ser una batería recargable de cadmio-níquel de 12 V; cuando se utiliza alimentación de CA, es necesario recurrir a una fuente de alimentación regulada o a un convertidor de corriente específico.
V. Sistema de Navegación por Satélite Beidou
El sistema de navegación por satélite Beidou es un sistema de navegación global desarrollado por la propia China y constituye el tercer sistema de navegación por satélite maduro, tras el GPS y el GLONASS.
(1) Componentes del sistema
El sistema de navegación por satélite Beidou se compone de tres partes principales: la constelación espacial, el sistema de control terrestre y los terminales de usuario. Su constelación espacial adopta un diseño de órbitas mixtas, compuesto por satélites en órbita geoestacionaria (GEO), órbita sincrónica inclinada (IGSO) y órbita media (MEO), con lo que se ha creado una red de navegación que cubre todo el planeta. El sistema Beidou-3 cuenta con 30 satélites, entre los que se incluyen 5 satélites GEO (3 satélites operativos y 2 de reserva), con el fin de reforzar la estabilidad del servicio en la región de Asia-Pacífico.
El sistema de control en tierra está compuesto por una estación de control principal, una estación de monitorización y una estación de inyección, y se encarga principalmente de la monitorización del estado de los satélites, la corrección de la órbita y la amplificación de la señal de navegación. Los terminales de usuario incluyen equipos de uso dual, tanto militar como civil, como los terminales marítimos BDMSS y los dispositivos portátiles, entre otros; estos equipos combinan funciones de navegación y posicionamiento con las de comunicación por mensajes cortos.
(II) Principios de localización
El BDS combina la tecnología de doble modo de localización activa y pasiva.Localización pasivaEs el principal modo de posicionamiento del Beidou-3: el terminal del usuario recibe señales emitidas por al menos cuatro satélites y, utilizando la diferencia de tiempo de propagación de las señales, calcula las coordenadas tridimensionales, con una precisión de posicionamiento que alcanza el orden de los metros.Localización activaEn ese caso, el terminal debe enviar de forma activa una señal de solicitud al satélite, lo que resulta adecuado para las necesidades de localización de emergencia dentro del área de cobertura de la estación terrestre. Beidou-3 optimiza la eficiencia de la transmisión de señales mediante la tecnología de enlaces inter-satélites, lo que mejora aún más la velocidad y la precisión de la localización.
(3) Funciones y características principales
El BDS ofrece servicios de navegación y posicionamiento en tiempo real a escala mundial. La precisión del posicionamiento para uso civil es superior a 10 m; en la región de Asia-Pacífico, la precisión puede alcanzar entre 2 y 5 m, mientras que los servicios de nivel militar permiten incluso un posicionamiento con una precisión de centímetros. El sistema BDS, con su tecnología exclusiva,Función de comunicación por mensajes cortosSe dividen en dos categorías: regionales y globales. Los mensajes cortos regionales se basan en una constelación de satélites GEO y cubren la región de Asia-Pacífico (10° N ~ 55° N, 75° E ~ 135° E), admitiendo tres modos: punto a punto (transmisión individual), multidifusión (comunicación en grupo) y difusión (difusión de información regional). La nueva función de mensajes cortos globales de Beidou-3 supera las limitaciones geográficas y permite las comunicaciones de emergencia a escala mundial. Además, el sistema adopta un diseño de señales multifrecuencia (B1, B2, B3), lo que mejora notablemente la resistencia a las interferencias y la fiabilidad en entornos complejos.
(IV) Terminales a bordo BDMSS y aplicaciones de mensajes cortos regionales
El terminal embarcado BDMSS es un importante dispositivo de aplicación del sistema BDS en el ámbito marítimo, compuesto principalmente por una unidad de navegación y posicionamiento, una unidad de control de comunicaciones y un módulo de adaptación al entorno. Su unidad de navegación y posicionamiento utiliza tecnología de recepción de señales multifrecuencia para alcanzar una precisión de posicionamiento del orden de los metros; la unidad de control de comunicaciones integra el protocolo de comunicaciones específico de Beidou y admite la transmisión cifrada de mensajes cortos. Este terminal cuenta con un diseño resistente a la corrosión por niebla salina y un sistema de alimentación de amplio rango de tensión, cumple con las normas internacionales para equipos marítimos y es capaz de adaptarse al complejo entorno operativo de los buques.
El servicio de comunicaciones de mensajes cortos regionales de Beidou-3 cuenta con el apoyo conjunto de tres satélites operativos en órbita geoestacionaria y dos satélites de reserva, y cubre la región de Asia-Pacífico comprendida entre los 75° y los 135° de longitud este y los 10° y los 55° de latitud norte. Este servicio ofrece tres modos de comunicación: comunicación a la carta (transmisión dirigida), comunicación multicast (coordinación en grupo) y comunicación de difusión (difusión de información pública), y se utiliza ampliamente en escenarios como la gestión de buques, el rescate marítimo y las alertas meteorológicas. Sin embargo, debido a las limitaciones del alcance de los haces de los satélites en órbita geoestacionaria, el servicio de mensajes cortos presenta restricciones geográficas y de capacidad de comunicación (Cada envío no debe superar los 1000 caracteres chinos.), en las travesías oceánicas es necesario combinarlo con otros sistemas de comunicaciones para lograr una cobertura total.
Comparativa técnica de los sistemas GNSS y lista de operaciones prácticas
GPS frente a Beidou-3 (BDS-3) | Normas de mantenimiento diario de los navegadores marítimos
I. Comparación de las especificaciones técnicas del GPS y del Beidou-3 (BDS-3)
| Elementos de los parámetros | El sistema GPS de Estados Unidos | Beidou 3 de China (BDS) |
|---|---|---|
| Constelación de satélites | 24 satélites (6 planos orbitales MEO) | 30 satélites (órbitas mixtas MEO + IGSO + GEO) |
| Modo de posicionamiento | Localización totalmente pasiva | Localización activa + localización pasiva (modo dual) |
| Precisión civil | 10 – 30 metros | A nivel mundial < 10 metros (Asia-Pacífico: 2 – 5 metros) |
| Funciones destacadas | Una cobertura global consolidada | Mensajes cortos (1 000 caracteres chinos por mensaje) |
| Distribución de frecuencias | L1, L2, L5 | B1, B2, B3 |
II. Lista de operaciones de mantenimiento del navegador FURUNO GP-170
- 1. Inspección física de la antena: Comprueba cada mes si la cubierta de la antena exterior presenta grietas o si está cubierta de cristales de sal marina (lo que puede provocar una pérdida de señal).
- 2. Comprobación de los empalmes de los cables de alimentación: Compruebe si los conectores TNC/BNC están sueltos o oxidados, y si el radio de curvatura del cable de alimentación es demasiado pequeño.
- 3. Verificación de la visibilidad del satélite: Confirmar en la pantalla [Satellite Status] HDOP (factor de precisión horizontal) < 4,0, número de satélites captados > 4.
- 4. Mantenimiento de la batería integrada: Cuando al encender el dispositivo aparece el mensaje “Battery Low” o se muestra [Self-test] NG En ese momento, es necesario cambiar la pila de litio de 3 V del interior del aparato.
- 5. Verificación de la configuración: Confirmar Sistema de referencia geodésico (Sistema de coordenadas terrestres) Establecer en WGS-84 (Norma internacional).
III. Límites máximos para el envío de mensajes cortos (Message) a través de Beidou
(1) Límites de capacidad: Los mensajes cortos regionales no pueden superar los 1 000 caracteres chinos por mensaje; si se supera este límite, el sistema los dividirá automáticamente en varios mensajes o el envío fallará.
(2) Intervalo de tiempo: La frecuencia de envío de las tarjetas civiles normales suele estar limitada a Cada 1 minuto/vez, Queda terminantemente prohibido reenviar mensajes con frecuencia, ya que esto puede provocar el bloqueo del foro.
(3) Limitaciones geográficas: Al salir de la zona de cobertura de Asia-Pacífico (75°-135° de longitud este), la señal del satélite GEO se debilita, por lo que es necesario cambiar al modo de servicio global de mensajes cortos.
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