Autores: David Bartlett, Head of GNSS Positioning Technology at u-blox, Olivier Julien, Senior Principal Engineer at u-blox, Chris Hide Senior Principal Engineer at u-blox, Jos Prakash, Senior Research Engineer at u-blox
El concepto de Sistema de Posicionamiento Global (GPS) nació oficialmente en la reunión de Long Room en 1973 y desde entonces el Sistema Global de Navegación por Satélite (GNSS) se ha convertido en una herramienta omnipresente y esencial en aplicaciones que requieren Posicionamiento, Navegación y Sincronización (PNT), para proporcionar un posicionamiento preciso dentro de un marco de referencia de coordenadas global común. Estos servicios se prestan actualmente a través de cuatro constelaciones mundiales de satélites en la órbita circular intermedia (MEO), cada una de las cuales contiene unos 30 satélites en órbita a unos 20.000 km sobre la superficie de la Tierra. Los GNSS también se apoyan en varios sistemas regionales de amplificación, que proporcionan servicios adicionales en regiones limitadas, generalmente utilizando satélites geoestacionarios y satélites en órbitas geosincrónicas sobre la región a la que sirven. Aunque el GNSS está ya casi omnipresente, no es la solución a todos los problemas de PNT. Los principales inconvenientes son:
- Las señales recibidas en tierra son débiles y, por tanto, fácilmente interferibles, intencionadamente o no.
- Las señales débiles limitan la capacidad de penetrar en edificios y zonas sin visibilidad del cielo.
- Las zonas urbanas profundas y desordenadas sufren multitrayectorias que pueden degradar el rendimiento de forma significativa.
En los últimos años se ha producido una explosión en la disponibilidad de redes de comunicación por satélite que utilizan satélites mucho más pequeños y de menor coste en constelaciones de órbita terrestre baja (LEO), normalmente a 400-1500 km sobre la superficie de la Tierra. Están surgiendo muchas constelaciones de este tipo, como Starlink, OneWeb, Kuiper, Iridium, etc., que son las más conocidas. Estos sistemas de comunicación por satélite LEO se denominan a menudo redes no terrestres (NTN) y se consideran cada vez más como una extensión de las redes celulares terrestres, algunas con capacidades PNT. Además de estas redes de comunicación LEO, varias organizaciones están explorando y proponiendo el uso de constelaciones LEO cuya función principal sea la PNT y la secundaria las comunicaciones.
Esto plantea la cuestión de si las constelaciones de satélites LEO ofrecen ventajas para el PNT, ya sea como complemento de los GNSS convencionales MEO, o quizás incluso en lugar de ellos. La determinación de las ventajas y desventajas que podrían ofrecer los nuevos sistemas LEO es un campo en el que ya se ha iniciado un considerable volumen de investigación. En este artículo analizaremos algunos de los retos y oportunidades a los que se enfrentan los fabricantes de receptores de satélite.
Principales diferencias entre LEO, MEO y otras órbitas
Una diferencia fundamental entre LEO y MEO es la elección de la altura de la órbita. En LEO se sitúa entre 400 y 1500 km, mientras que en MEO ronda los 20.000 km, tal y como se utiliza en las cuatro constelaciones mundiales de GNSS: GPS, Galileo, BeiDou y GLONASS. Sin embargo, hay muchas implicaciones de este parámetro, que conducen a desafíos y oportunidades de diseño, tales como:
- Número de satélites
- Periodicidad de la órbita y tiempos de tránsito
- Estabilidad de la órbita y predicción de la órbita
- Gestión de la órbita y distribución de efemérides (infraestructura de apoyo en tierra)
- Potencia de la señal (transmitida y recibida) y pérdida del trayecto de propagación
- Elección de las bandas de frecuencia
- Elección del tipo y estructura de la señal
Figura 1: Cobertura de la superficie terrestre LEO
Desentrañar los mitos de LEO PNT
Oímos y leemos sobre las numerosas ventajas que ofrecerá la PNT LEO por parte de investigadores y defensores y, aunque gran parte de esto es cierto, no suele equilibrarse con los retos y complejidades introducidos. Repasemos las principales ventajas que se promueven y analicémoslas desde la perspectiva de los fabricantes de receptores GNSS, sopesando pros y contras.
Una mayor potencia de señal mejora la cobertura en interiores
Para las señales en las bandas RNSS convencionales (L1/E1, L5/E5, L2, E6), esto no es necesariamente cierto porque la potencia de algunos espectros de radionavegación se regula en función de la intensidad de la señal recibida en tierra.[3] Sin embargo, los satélites transmiten a niveles de potencia más bajos, lo que contribuye a que los satélites sean más pequeños y menos caros, en lugar de que los niveles de señal recibida en tierra sean más altos.
Otra consideración es que la relación relativa de la longitud del trayecto de la señal entre el horizonte y el cenit es mayor en LEO, por lo que la variación de la intensidad de la señal durante el tránsito del satélite es mayor que en MEO.
Sin embargo, las señales pueden transmitirse en nuevas bandas no utilizadas anteriormente para PNT por satélite, por ejemplo S, C, K u otras bandas. Esto podría aportar ventajas significativas en términos de potencia de la señal recibida y gestión de los efectos ionosféricos, pero aumentará la complejidad del receptor. Esta complejidad adicional probablemente repercutirá en el coste y los requisitos de potencia del receptor, además de encarecer las antenas.
No es posible afirmar que LEO signifique automáticamente potencias de señal significativamente mayores en el receptor, pero con la complejidad añadida asociada al uso de nuevas bandas de radio, o cambios en la forma en que se regulan las bandas actuales del SRNS, esto podría convertirse en una realidad futura.
LEO PNT mejorará la precisión
Disponer de más satélites visibles y utilizables podría mejorar la precisión. Sin embargo, con cuatro constelaciones MEO y hasta 40 satélites visibles ya en órbita, añadir más satélites no conlleva necesariamente un beneficio adicional significativo.
Debido a su menor altura orbital y a su proximidad a la masa de la Tierra, las órbitas de los satélites LEO son probablemente menos estables que las de los MEO. Al fin y al cabo, el cuerpo rocoso de la Tierra no es una masa homogénea. Así pues, a menos que sus órbitas puedan modelizarse con precisión utilizando efemérides orbitales más avanzadas, los errores orbitales introducidos por los satélites LEO podrían contrarrestar otras ventajas. Una forma de hacerlo podría ser, por ejemplo, utilizando receptores GNSS en los satélites LEO que rastreen señales MEO.
Otro reto para el posicionamiento de alta precisión es la modelización de los efectos de antena de los satélites, que se ven exacerbados en comparación con los satélites MEO, debido a los mayores ángulos off-nadir (de oblicuidad) introducidos por las órbitas más bajas.
Con las alturas orbitales más bajas de los LEO, el tiempo de tránsito del satélite de horizonte a horizonte es mucho más corto que en los MEO. Esto significa que el receptor debe ser capaz de adquirir nuevas señales rápidamente y hacer frente a mayores desplazamientos Doppler. Por un lado, esto añade complejidad, pero por otro abre oportunidades para explotar las nuevas características de la señal.
Figura 2: Cobertura de superficie terrestre de MEO frente a LEO
A pesar de estos obstáculos, LEO ofrece la importante ventaja de un cambio mucho más rápido de la geometría relativa entre el satélite y el usuario. Esto supone una ventaja significativa para los métodos de posicionamiento de alta precisión, como RTK y PPP, en los que el tiempo de convergencia se reduce gracias al movimiento más rápido del satélite a través del cielo. El uso de constelaciones LEO para PNT podría dar lugar a tiempos de convergencia para PPP inferiores a 1 minuto, mientras que para las soluciones GNSS MEO tradicionales los tiempos de convergencia suelen ser de varios minutos como mínimo.
El PNT LEO podría conducir a una mayor precisión, pero hay muchos retos que superar antes de lograrlo.
LEO PNT mejora la resistencia a los trayectos múltiples
El tiempo de tránsito mucho más corto de las LEO puede aportar beneficios al receptor si es capaz de aprovechar estas características. Provoca un cambio más rápido de la trayectoria radioeléctrica a medida que el satélite se desplaza por el cielo. Esta trayectoria radioeléctrica cambiante provoca cambios más rápidos en el canal y, por tanto, un entorno multitrayecto que cambia con mayor rapidez. Utilizando técnicas modernas de procesamiento de señales y una integración coherente más prolongada de la señal, el receptor podría explotar las condiciones de multitrayecto, que cambian con mayor rapidez, para proporcionar una mejor mitigación del multitrayecto.
La PNT LEO debería conducir a una mitigación del multitrayecto y una capacidad de recuperación más sólidas, pero esto dependerá del diseño de la constelación y del procesamiento de la señal utilizado en el receptor. Serán necesarios más estudios para determinar la magnitud de los beneficios que pueden lograrse.
LEO PNT proporcionará una mayor resistencia a las interferencias y a la suplantación de identidad
Dependiendo de cómo se diseñen e implementen las señales LEO PNT, podría haber mejoras significativas en la resistencia contra las interferencias y las falsificaciones. El uso de nuevas bandas de frecuencias, por ejemplo S y C, permitiría una mayor diversidad de señales, lo que mejoraría la resistencia a las interferencias. Algunas bandas también permitirían potencias de señal más elevadas.
Los nuevos diseños de las señales podrían incorporar medidas de seguridad y anti-spoof mejoradas que permitieran comprobar la autenticidad tanto de los datos como de las señales. Por lo tanto, la mejora de las capacidades antiinterferencia y antifalsificación podría ser una de las grandes ventajas de la PNT LEO si los sistemas se diseñan para ello desde el primer día.
LEO PNT conducirá a un posicionamiento GNSS de mayor integridad
La integridad del posicionamiento GNSS depende de la capacidad de modelar con precisión los errores experimentados en el receptor y de detectar y mitigar errores poco frecuentes causados por «sucesos temidos», como un fallo no detectado del satélite o una tormenta geomagnética. LEO no significa automáticamente que se vaya a conseguir una mayor integridad en el posicionamiento, pero si se toman las decisiones de diseño adecuadas, el uso de nuevas señales y bandas podría conducir a soluciones de integridad mejoradas que vayan de la mano de una mayor seguridad.
Una vida más corta de los satélites lleva a una evolución más rápida de la tecnología
Los satélites son más pequeños y baratos y su vida útil es más corta. Esto podría conducir a una evolución más rápida de la tecnología desplegada, con la introducción de nuevas características más rápidamente que en el caso de las constelaciones MEO tradicionales.
Conclusión
En resumen, la PNT LEO podría contribuir significativamente a superar algunas de las limitaciones actuales del GNSS. Si se toman las decisiones de diseño adecuadas, podría cambiar las reglas del juego para algunas aplicaciones. En realidad, es probable que se necesite una combinación de satélites MEO, GEO y LEO para cubrir la mayor gama posible de aplicaciones.
Aún queda mucho por hacer para estudiar las mejores soluciones LEO: elección de bandas de señal, codificación de la señal, seguridad y evaluación adecuada del rendimiento alcanzable.
LEO presenta interesantes oportunidades para el negocio de PNT por satélite y podría anunciar la siguiente fase innovadora en la evolución de la tecnología. Será necesario que tanto los propietarios de las constelaciones como los fabricantes de receptores colaboren estrechamente para lograr el equilibrio adecuado de innovación que preserve la rentabilidad de la PNT por satélite y la mejora de las prestaciones.
