1               Sistemas de Aumentación de la señal GPS

La alta precisión en las medidas del GPS es lograda principalmente utilizando estaciones de referencia las cuales recopilan información de posición GPS, geográfica y condiciones atmosféricas del lugar para ser luego procesadas en las estaciones maestras donde son elaborados modelos matemáticos que permiten obtener las correcciones de los errores GPS. Las causas de error más importantes en  las medidas de la posición GPS son los retardos  de la señal en la ionosfera y troposfera, los errores de efemeris, y los errores introducidos a propósito. Los errores GPS  dejan de relacionarse con los errores obtenidos en las estaciones de referencia conforme las distancias entre los usuarios y las estaciones de referencia se incrementen. Si las separaciones de distancia son suficientemente pequeñas aquellos errores GPS son iguales y podrán cancelarse.

         Si uno deseara incrementar el área de cobertura de correcciones GPS y, al mismo tiempo, minimizar el número de receptores de referencia fijos, será necesario modelar las variaciones espaciales y temporales de los errores. En tal caso estaríamos hablando del GPS diferencial de área amplia.

        Para aplicaciones en tiempo real, las correcciones de los parámetros de cada satélite deberán ser transmitidas a los usuarios a través de equipos de radio VHF o si se requiere una amplia cobertura atravesé de satélites Geoestacionarios que emitan pseudocódigos con información de corrección.

A continuación se describen estos sistemas:

1. Sistema de Aumentación Basado en Satélites (SBAS)

SBAS es un término que comprende todos los sistemas de aumentación basadas en satélites que están en desarrollo actualmente, más cualquier otro que sea desarrollado en el futuro. Las entidades que han desarrollando actualmente sistemas SBAS son la FAA (el WAAS), un consorcio europeo (el EGNOS) y el Estado Japonés (el MSAS).

Los objetivos de los sistemas SBAS son:

        Incrementar la integridad del sistema para cumplir con los requisitos de un sistema de navegación único. Los estándares civiles requieren el aviso de falla del sistema dentro de 30 segundos cuando se está en ruta, 10 segundos en una aproximación de no-precisión, y 6 segundos en una aproximación de precisión. En contraste, el sistema GPS puede tomar hasta 30 minutos para notificarle al usuario que ha fallado un satélite.

      Incrementar la exactitud del sistema GPS para cumplir con los requisitos de un medio único de navegación para aproximaciones de precisión. Sin WAAS o un equipo SCAT-I, el GPS puede ser utilizado únicamente para aproximaciones de no-precisión.

         Incrementar la disponibilidad del sistema para cumplir con requisitos de un medio de navegación único.Actualmente la disponibilidad del sistema GPS varía entre 95-98%. Por consecuencia, actualmente es necesario confirmar, antes de cada vuelo en el cual se desea utilizar el GPS como medio de navegación primario, la disponibilidad de los satélites a lo largo de la ruta del GPS porque previo al WAAS ha sido necesario dedicar un satélite en la vista a la sola función de monitoreo de la integridad.

La arquitectura básica de todos los sistemas SBAS esta conformado por: una red de estaciones terrestres diferenciales que determinan el error total de posición en una determinada región. Esas correcciones son transmitidas al avión por medio de satélites geoestacionarios. Luego el receptor de a bordo ajusta la información recibida directamente de los satélites GPS con las correcciones recibidas de los satélites geoestacionarios, para así navegar con más precisión.

En la actualidad la FAA prueba con éxito el sistema denominado WAAS, se esta definiendo la capacidad operativa del sistema el cual  dependiendo de los resultados obtenidos alcanzara  su plena capacidad operativa a fines del 2001.

a)     Sistema de Aumentación de Área Amplia (WAAS)

         La Administración Federal de Aviación de los Estados Unidos (FAA) en el año 1991 inicia un programa para introducir el uso del GPS para la navegación en su espacio aéreo nacional. Debido a que el GPS por si solo (sin aumentación) no cumple con todos los requerimientos  que la navegación civil aérea exige, la FAA desde el año 1991 ha estado investigando sistemas de aumentación que den al GPS la total capacidad de navegación. El sistema desarrollado por la FAA es denominado Sistema de Aumentación de Area Amplia o WAAS y es desarrollado para obtener, a nivel regional, la exactitud, integridad, disponibilidad y continuidad necesaria para usar el GPS como medio principal para aproximaciones de no-precisión y de precisión Categoría I, vuelo en ruta y área terminal, y será suplementario para aproximaciones de precisión. Sin embargo, es probable que las aproximaciones CAT I proporcionados por el WAAS tengan mínimos un poco mayores a los de una aproximación ILS.  

 

 

El WAAS consiste de 24 estaciones de vigilancia llamadas estaciones de referencia  de área amplia o WRS (Wide-area Reference Stations), 2 estaciones maestras o WMS (Wide-area Master Stations), 6 antenas para la retransmisión de datos GES (Ground Earth Stations) y 3 satélites geoestacionarios GEO (Geostationary Earth Satelites).

Las 24 estaciones de vigilancia están instaladas con aproximadamente 500 millas de separación a lo largo de los Estados Unidos, Alaska, Hawai y Puerto Rico. Estas estaciones vigilan las señales de cada satélite por encima del horizonte (de por lo menos 5 grados) con el objetivo de:

• Detectar una condición de falla o fuera de tolerancia para satélites individuales;

• Determinar, continuamente, el error de navegación regional.

       Cuando se detecta una condición de falla de un satélite, se transmitirá inmediatamente una notificación a los receptores de a bordo mediante los satélites geoestacionarios.

Se ha determinado la posición exacta de cada estación monitora mediante un levantamiento geodésico muy preciso. Al recibir la señal de un satélite GPS, el sistema WAAS compara la posición real de una estación monitora con la posición indicada por los satélites GPS que están visibles. Un procesador calcula la diferencia entre la posición real y la indicada, la cual es transmitida al receptor GPS de la aeronave. La aviónica GPS incorpora esta información diferencial en el cálculo de la posición de la aeronave, para así navegar de una manera más precisa.

La FAA está  implantando el sistema WAAS en tres fases:

Elementos que componen el Sistema WAAS

• Estaciones de Referencia de Área Amplia (WRS)

Este sistema usa  estaciones de referencia esparcidas con aproximadamente 500 a 1000 Km. de separación a lo largo de la región a cubrir, la separación de las estaciones influirá en el grado de precisión del sistema WAAS.  Esto se corresponde de alguna manera con las estaciones de corrección diferenciales del sistema DGPS marino de los Guardacostas de EE.UU., pero no transmiten las señales de corrección ellas mismos. Lo que hacen es observar las señales GPS, las condiciones ionosféricas y la señal de corrección WAAS y transmitir los datos a las estaciones maestras.  Cada una de las estaciones bases estará compuesta por una unidad principal y dos de reserva para dar un alto grado de fiabilidad por medio de la redundancia.

Todas las WRS contienen al menos un receptor de frecuencia dual (L1 y L2) conectado a un oscilador de  Cesio, (reloj de gran precisión), un censor meteorológico, un procesador y hardware de red para transmisión de datos ethernet hacia las estaciones maestras.

• Estaciones Maestras de Área Amplia (WMS)

         Las estaciones maestras del sistema WAAS toman los datos de las estaciones de referencia (WRS), verifican las señales de corrección anteriores y generan una nueva señal de corrección WAAS. Esta señal de corrección es transmitida através de las estaciones terrenas  a los satélites geoestacionarios, como los de InMarSat o satélites exclusivos, para ser enviadas a los receptores.

        La  WMS  es responsable por filtrar todas las observaciones GPS  echas desde los receptores de referencia, estimando los estados de los modelos de error tanto ionosférico, de reloj, ephemeris etc., calculando estimaciones y generando finalmente los mensajes WAAS  (trama de 250 bit) que serán enviados y aplicados a los cálculos del pseudo-range hechos en los receptores WAAS a bordo de las aeronaves. Las estaciones de referencia también mostraran información de estatus de la constelación de satélites GPS al operador.

• Estaciones de Comunicaciones (GES)

      Son estaciones terrenas o UpLink´s, estas estaciones se encargaran de recibir la trama WAAS de corrección de la WMS y retransmitirla a los satélites Geoestacionarios los que en forma broadcasting transmitirán las correcciones hacia los receptores WAAS.

• Satélites Geoestacionarios (GEOs)

    Los satélites de geoestacionarios  transmiten la señal de corrección en la banda de frecuencia L1 del GPS, pero usan un código pseudo-aleatorio (PRC) diferente al de los satélites GPS. Las antenas receptoras del WAAS podrían aparentemente ser incorporadas directamente en el receptor GPS.

     Debido  a que el sistema debe brindar integridad, disponibilidad, continuidad y precisión sé esta pensando en el uso de satélites Geoestacionarios de uso exclusivo para este sistema, estos satélites además de transmitir las correcciones en forma broadcasting también realizaran funciones de satélites GPS  Geoestacionarios garantizando contar con el mínimo número de satélites  las 24 horas del día, para esto se planea usar otra banda como la L5 para evitar la interferencia con la constelación de 24 satélites no estacionarios del GPS.

•     Receptores del WAAS

Son equipos receptores GPS con la capacidad de poder recibir la información de corrección WAAS de los satélites Geoestacionarios del sistema WAAS. Las correcciones WAAS  (trama de 250 bit) recibidas serán aplicados a los resultados de los cálculos del pseudo-range para luego determinar la posición.

         Estos equipos pueden integrar las nuevas ayudas de navegación basadas en la señal de satélite reemplazando a las numerosas actuales ayudas para la navegación, tales como VOR/DME, Loran y Omega.

Beneficios del sistema WAAS

Provee una guía tridimensional para aproximaciones de precisión a las aeronaves dentro del radio de operaciones del WAAS. Este método de operación del WAAS mejora significativamente los instrumentos bidimensionales de navegación existentes que no pueden proveer referencias verticales precisas a los pilotos. 

Provee gran precisión y disponibilidad para aproximaciones de Categoría I, además de un monitoreo integral para la seguridad del sistema GPS y apoyo a las operaciones de vuelo. 

Reduce las posibilidades de accidentes contra tierra durante vuelos controlados y aproximaciones. 

Eliminará los costos asociados en el mantenimiento de los instrumentos de navegación más antiguos con base terrestre tal como los NDB, VOR, DME y los ILS para la Categoría I. 

Reducirá el número de piezas de equipos a bordo de la aeronave y requerirá sólo un pequeño receptor montado en la cabina y una antena. 

Permitirá reducir los estándares que gobiernan la separación entre aeronaves en vuelo, permitiendo alojar un mayor número de ellas en un espacio dado, sin aumentar los riesgos. 

Ahorros de combustible haciendo posible vuelos más directos y aproximaciones más seguras.

El WAAS  ya ha superado la etapa de diseño y actualmente se construye.  El prototipo ha sido comprobado en vuelos selectos en los Estados Unidos y alrededor del mundo.  Sus beneficios son una realidad.

 

Operación del Sistema WAAS

El WAAS es una tecnología del tercer milenio disponible hoy.  El equipo ha sido seleccionado y los procesos de ensamble e integración se llevan a cabo por la compañía Raytheon, en Fullerton, California.

La puesta en operación del Sistema de realizará  en tres fases.  La primera fase es una verificación funcional del sistema usada para comprobar el sistema, mejorar los procedimientos de instalación y comprobar las operaciones.

La primera fase llevará a la puesta en servicio del Sistema como método de navegación primaria en ruta y aproximaciones de no-precisión y permitirá que el GPS y el WAAS se usen como sistemas suplementarios de navegación para aproximaciones de precisión de Categoría I. 

El diseño final del sistema que representa la fase 2 y 3 expandirá el Sistema para brindarles más capacidad y un área mayor de operación. Para lograrlo, los programadores están desarrollando software que ayuden a operar las diversas partes del Sistema. 

Un gran número de expertos viene redactando procedimientos para que los aeropuertos estén listos para usar el Sistema cuando entre en plena operación. Esto requerirá el diseño de más de 4,100 procedimientos de aproximación de precisión.

Los Estados Unidos no son los únicos participantes en el campo del Sistema WAAS. En 1997 los Estados Unidos en colaboración técnica con Canadá, México e Italia demostraron el uso del WAAS exitosamente en Atlantic City/Nueva Jersey, Tijuana/México y Roma/Italia.

El WAAS fue diseñado como un sistema internacional para asegurar una exitosa implementación de la tecnología de área amplia y un uso global de la tecnología de navegación por satélite.  

Canadá, Japón y Europa están desarrollando también Sistema de Aumentación de Área Amplia, basados en satélites con el fin de lograr interoperatividad de Sistema entre país y país.

La FAA trabaja arduamente para comisionar el uso del WAAS que brindará inusitados niveles de economía, seguridad y bienestar a los pasajeros del Siglo XXI.

 

b)    Otros Sistemas

 JAPANES MSAS

         En paralelo con el sistema de Estados Unidos y el de Europa, Japón esta desarrollando un sistema de aumentación  llamado el Sistema de Aumentación Basado en Satélites MTSAT (MSAS). MSAS esta basado en un satélite multifuncional (MTSAT) , el cual tiene también una función metereologica. El MTSAT-1 debe ser lanzado en 2000, y subsecuentes lanzamientos serán programados cada 5 años.

Aunque el sistema de software del MSAS esta basado en el WAAS presenta diferentes capacidades que los sistemas  WAAS y del EGNOS, porque incluirá dos modos de comunicación, voz y data. Esta capacidad de comunicación será usada para brindar Vigilancia Automática Dependiente (ADS). Específicamente, MSAS esta basado en el concepto FANS de la OACI incluyendo: GNSS para navegación; y Servicio Satelital Móvil Aeronáutico (AMSS) para dos modos voz/data incluyendo ADS.

MTSAT-1 debio ser lanzado a comienzos del 2000 (el lanzamiento de este no fue exitoso-exploto, pero el desarrollo y prueba continua), y  MSAS estará operativo con este satélite en el 2001. En el año 2005, MSAS estará operativo con MTSAT-1 y MTSAT-2. Japón esta coordinando el desarrollo de MSAS con EUROPA, y los Estados Unidos. Y otras regiones alrededor del mundo.

 

EUROPA EGNOS

La Agencia Espacial Europea, La Comisión Europea y la Organización Europea por la seguridad de la Navegación Aérea (Eurocontrol) se unieron para desarrollar el EGNOS, Sistema de Aumentación de Europa para navegación por satélite. Este proyecto dará a los usuarios civiles del GPS o GLONASS en tierra, en el mar o en el aire la precisión, integridad y disponibilidad mejorada. Trabajando juntos, las tres entidades son  conocidas como el Grupo Tripartito Europeo (ETG).

        El ETG firmo el 27 de junio de 1996 el alquiler para los primeros dos transpondedores de navegación que serán usados para brindar señales broadcast a los usuarios del sistema EGNOS. Estos transpondedores están instalados en dos satélites Inmarsat-III, localizados en las longitudes 64 Este (Región Océano Indico- IOR) y 15.5 Oeste (Región  Océano Atlántico-Este- AOR-E). Ellos juntos no solo cubrirán todo Europa, África,  Sudamérica, y la mayoría de Asia. El satélite IOR fue lanzado el 3 de abril de 1996 y ha sido operacional desde el 12 de mayo de ese año. El satélite AOR-E deberá ser lanzado en agosto del 2000. En su implementación final, el EGNOS brindara Ranging, Integridad y servicios diferencial de área amplia.