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Grupos de Estudio de Radiocomunicaciones 16 de marzo de 1998

Estados Unidos de América

Documento informativo sobre las aplicaciones espacio-espacio del Sistema Mundial de Determinación de Posición


1.0 Introducción
El uso del Sistema Mundial de Determinación de Posición, GPS, para la navegación de vehículos espaciales ha tenido un gran impacto en la comunidad internacional espacial. Antes de instituir este sistema, el seguimiento de los satélites en órbita de la Tierra implicaba extensas redes en tierra de las estaciones de seguimiento o la utilización de costosos satélites y la necesidad de grandes grupos de personal de apoyo. Por este motivo, el uso del espacio para la detección a distancia y para las comunicaciones era una opción practicamente exclusiva de los grandes programas espaciales de las administraciones. No obstante, con el GPS que ofrece una precisión superior y un costo reducido para la navegación de satélites, los nuevos programas públicos y las organizaciones comerciales también se vieron con la posibilidad de tener acceso a este tipo de empresa y ahora, los programas espaciales - pequeños y grandes- están cosechando los beneficios del GPS en el espacio. Hoy en día el uso del GPS está tan generalizado que se considera parte integral de la infraestructura internacional de las operaciones espaciales.

La aplicación fundamental espacio-espacio del GPS es la navegación de satélites. A medida que se desarrolle la tecnología de los receptores, el GPS se utlizará también para la determinación y el control de la actitud y para la sincronización exacta del tiempo. Estas funciones esenciales de los vehículos espaciales se consolidarán en un único dispositivo conformado por las funciones de orientación, navegación y control (GN&C) que una vez que esté acoplado a un sistema de soporte lógico especializado, se habilitarán las operaciones autónomas de los satélites, lo cual reducirá aún más los costos de las operaciones espaciales y además perfeccionará el rendimiento de la navegación.


Una importante aplicación espacio-espacio del GPS en el espacio es en el alto nivel de precisión en la determinación de la órbita para los vehículos espaciales de detección de distancia. La resolución exacta de la posición y velocidad del vehículo espacial se combina con los datos que se obtienen con instrumentos científicos de alta precisión para estudiar el sistema de la Tierra. Por ejemplo, los satélites que se utilizan para trazar las superficies oceánicas tienen a bordo altímetros radares y receptores del GPS. Estos mapas sumamente detallados de la topografía oceánica se utilizan en la actualidad para estudiar fenómenos tales como El Niño y el crecimiento del nivel medio del mar.
El uso del GPS para la navegación de los vehículos espaciales ha facilitado el desarrollo de numerosas aplicaciones científicas y comerciales y que serán de gran beneficio para la sociedad hemisférica. El propósito de este documento es una apreciación general de estas aplicaciones.
2.0 La navegación de vehículos espaciales equipados con el GPS
La navegación de un vehículo espacial es igual a la determinación de la posición y la velocidad del satélité en función al tiempo. La posición y la velocidad del satélite en un debido momento define ciertos parámetros importantes de la órbita tales como la altitud del perigeo y del apogeo, la inclinación, y el tiempo del paso por el perigeo. Conociendo la determinación de la órbita de un satélite, se puede predecir su ubicación en el futuro así como también especificar cuál ha sido su ubicación en el pasado.
Para la navegación de vehículos espaciales se utilizan dos tipos de modalidades: 1) en tiempo real; y 2) de compilación posterior. La navegación en tiempo real implica que se desea la posición y la velocidad del satélite en el tiempo actual mientras que la navegación de compilación posterior presupone que se desea la posición y velocidad del satélite en algún momento en el pasado. La navegación en tiempo real es importante para la planificación de las telecomunicaciones entre las estaciones terrestres y el vehículo espacial para el telemando y el control y para los datos de telemetría. También se utiliza para programar las tareas de observación de los instrumentos y planificar las maniobras de mantenimiento de la órbita. La navegación de compilación posterior se utiliza en las aplicaciones científicas extremadamente precisas en las cuales se requiere un conocimiento muy exacto de la órbita del satélite. En tales aplicaciones, la información de la órbita se utiliza para correlacionar con exactitud los datos obtenidos por detección a distancia con la ubicación geográfica de la misma en las superficies terrestres y oceánicas o en la atmósfera.
El GPS es específicamente idóneo para la navegación en el espacio. El seguimiento en tierra de los vehículos espaciales con mediciones láser o mediante el efecto Doppler se caracteriza por las interrupciones en la cobertura las cuales son causadas por la distribución no hemisférica de emplazamiento, los itinerarios de los operadores y las condiciones metereológicas indeseables. El uso de los satélites de relevo geoestacionarios puede proporcionar una cobertura hemisférica, pero no se obtiene una precisión exacta de la órbita y los costos de operación son elevados. Con el GPS, el seguimiento de vehículos espaciales proporciona una cobertura hemisférica, contínua, bajo cualquier condición metereológica, de precisión superior y a bajo costo.
El principio general de la navegación de satélites con equipos GPS es el mismo que se utiliza en la navegación terrestre, aérea y marítima. Con seudogamas a cuatro o más satélites del GPS, se puede calcular la posición del receptor y el respectivo error de su generador de ritmo con respecto a la hora GPS para que sea conceptualmente similar al proceso de triangulación. El error del generador de ritmo es un derivado importante de la resolución de la posición porque permite la sincronización del reloj del receptor con la hora GPS, que en efecto es tiempo atómico. Conociendo las desviaciones Doppler sobre las seudogamas, se puede calcular también la velocidad del receptor. Por consiguiente, el producto fundamental de un receptor espacial GPS es la posición, la velocidad y el tiempo.
El nivel de precisión de la posición en tiempo real que se puede obtener directamente de un receptor típico GPS a bordo de un vehículo espacial es aproximadamente 100 m. Para las aplicaciones en tiempo real en las cuales se requiere un nivel de precisión más alto, las seudogamas del GPS se pueden procesar en un filtro de Kalman. El modelo dinámico del desplazamiento de un satélite en el filtro corrige hasta cierto punto los efectos causados por los errores de medición permitiendo así obtener precisiones de la órbita en tiempo real de 20 m. Con el perfeccionamiento en la fuerza del satélite y en los modelos de medición, está previsto que en un futuro muy cercano se logrará una determinación de la órbita en tiempo real de 1 m..
Para las aplicaciones de navegación de compilación posterior en las que se requiere una determinación de la órbita con un nivel de precisión superior, es necesario filtrar la fase portadora GPS, la cual tiene un nivel de ruido inferior al de la seudogama. Tanto la portadora L1 como la L2 deben ser rastreadas para eliminar el efecto de los retardos de tiempo ionosférico en las gamas GPS. El retardo de tiempo ionosférico puede provocar errores en las gamas desde decenas de centímetros a decenas de metros, dependiendo de los niveles de actividad solar y de la actividad geomagnética. Debido a que el retardo de tiempo ionosférico en las gamas de radiocomunicaciones es proporcional a la frecuencia de la portadora, para eliminar el efecto del mismo, se puede utilizar una combinación linear adecuada de las mediciones de las portadoras L1 y L2.
Los datos de la fase de portadora de dos frecuencias se compilan posterioriormente en un filtro de determinación de la órbita empleando modelos precisos de la fuerza y medición del satélite. Esta técnica se reconoce como determinación precisa de la órbita, POD. El nivel de precisión de los modelos de fuerza y medición que se utilizan en la determinación precisa de la órbita es considerablemente más alto que aquel asociado con el filtro Kalman en tiempo real porque en el modo de compilación posterior hay más memoria de programación y más tiempo de compilación accesible. Esto permite el uso de modelos muy precisos de las fuerzas gravitacionales, de resistencia atmosférica, solares, terrestres y de presión de radiación térmica que ejercen sobre el satélite. Los datos GPS se combinan lo más favorablemente posible con el modelo de desplazamiento del satélite a fin de obtener una resolución de la posición y de la velocidad muy superior a la resolución que se obtiene con cualquiera de los dos tipos de datos por individual. De esta manera, la determinación precisa de la órbita nos permite superar el nivel de precisión de órbita que se asocia con la navegación en tiempo real.
Es importante señalar que el GPS se utiliza no solamente para la navegación de vehículos espaciales sino que se está utilizando también para el control de actitud y la sincronización de tiempo de los vehículos espaciales. Además, está previsto que se utilizará en los vehículos de lanzamiento para las operaciones de margen de seguridad y para la orientación y el control programado. En el Cuadro 1 se presenta un resumen de las funciones de orientación, navegación y control (GN&C), actuales y en programación, que el GPS suministra a los vehículos espaciales y de lanzamiento.

Cuadro 1. Funciones GN&C con equipos GPS para vehículos espaciales y de lanzamiento




Función

Propósito

Determinación de órbita

Obtener la posición y la velocidad para la programación de las telecomunicaciones de las estaciones terrestres, el horario de trabajo, la predicción de período de visión, la programación de maniobras y la formación de vuelo

Determinación de la actitud

Obtener la orientación del vehículo espacial para la puntería del instrumento y del vehículo espacial. Se puede utilizar conjuntamente con los sistemas de precisión superior tales como seguidores estelares o giroscopios; se puede utilizar también como parte de un sistema de control de la actitud del vehículo espacial

Temporización

Obtener el tiempo preciso para la sincronización de las cargas útiles y los sistemas de control y para la coordinación de las observaciones con otras plataformas.

Gama de seguridad para los vehículos de lanzamiento

Obtener la posición y velocidad del vehículo de lanzamiento para las operaciones de gamas de seguridad

Orientación del vehículo de lanzamiento

Obtener posiciones y velocidades recuperables de los vehículos espaciales a ser utilizados en los sistemas automatizados de orientación.

La determinación de la actitud es importante para el control de la orientación del vehículo espacial. Por ejemplo, si se quisiera referir un haz estrecho a la Tierra para las telecomunicaciones del Sistema de Satélite Móvil, SSM, sería necesario determinar la orientación inicial y final del vehículo para dirigir la antena a su destinación correcta. Dicha detección de la actitud se lleva a cabo actualmente con sensores económicos como son los sensores solares y de horizonte o con sensores costosos como los seguidores estelares y los giroscopios. En un futuro cercano, se podrá llevar a cabo con el GPS.


En la determinación con equipos del GPS, se utilizan cuatro antenas receptoras. Las cuatro antenas se situan típicamente en planos, separadas entre sí de pocos metros. Las fases portadoras relativas, las cuales se miden entre la antena comunal y las otras tres, se utilizan para determinar la orientación del vehículo espacial. Se utilizan solamente tres satélites del GPS para una resolución de actitud debido a que el error del generador de ritmo es un factor común para todas las cuatro antenas y su efecto se anula en las mediciones de la fases portadoras relativas. Además, debido a que se miden las compensaciones geométricas entre las cuatro antenas y por lo tanto son valores de conocimiento previo, se requieren solamente dos satélites del GPS para llevar a cabo la determinación de la actitud. Para la mayoría de las aplicaciones del GPS, siempre hay como mímimo cuatro satélites del GPS que están visibles para los efectos de la posición en tiempo real y la resolución del tiempo y por lo tanto la resolución de la actitud es muy sólida. Las precisiones logradas hoy en día con la determinación de la actitud mediante los equipos del GPS están en la gama de 0.5 grados, lo cual está muy por debajo de lo que se logra con los otros dispositivos sensoriales que se mencionan más arriba. Sin embargo, con las mejoras que se programan en el diseño del receptor espacial se prevé que este nivel de precisión aumentará notablemente .
La importancia de la sincronización exacta del tiempo a bordo de un vehículo espacial es cada vez mayor. En la mayoría de los vehículos espaciales se utilizan los osciladores de cuarzo para la temporización. Sin embargo,los osciladores de cuarzo tienden a ser inestables y se desvían con facilidad con respecto al tiempo real y por este motivo no se pueden utilizar en las aplicaciones que requieren la temporización en microsegundos o más. Por otra parte, el uso de relojes atómicos en el espacio representa un gasto muy alto, especialmente cuando la reducción de costos es una necesidad. El GPS puede proporcionar la temporización para la distribución de las cargas útiles de los vehículos espaciales y para los sistemas de control con una precisión y estabilidad comparable a las de un reloj atómico. En las aplicaciones de detección a distancia es muy probable que se requiera una temporización con este nivel de precisión para aegurar la sincronización de las asignaciones del intervalo de tiempo de dos instrumentos diferentes a un nivel de pocos microsegundos. En las telecomunicaciones del Acceso Múltiple por División en el Tiempo, TDMA, es necesario mantener el tiempo exacto a un nivel de pocos milisegundos para sincronizar las transmisiones.
El GPS también se utiliza en los vehículos de lanzamiento. Actualmente se utiliza en los cohetes sonda para la determinación de la posición y velocidad a fin de sevir de apoyo a las investigaciones científicas. En un futuro muy cercano, el GPS se utilizará para las operaciones de márgenes de seguridad, y reemplazá los equipos de radar que son costosos y que están en vía de vencimiento. También será util como parte integral del paquete de las funciones GN&C para los vehículos de lanzamiento recuperables. El GPS se utilizará para la navegación en todas las fases de vuelo: ascenso, órbita, descenso y atterizaje.
Es evidente que el GPS puede ofrecer varias funciones importantes para el vehículo espacial. A medida que evoluciona la tecnología del receptor espacial del GPS, se consolidan las funciones de la navegación, actitud y del tiempo en un solo dispositivo de funciones GN&C. Esto será una ventaja para los operaciones espaciales, públicas y comerciales, ya que reducirá el costo tanto del diseño como de la elaboración del vehiculo espacial. Varios dispositivos por separado de las funciones GN&C se reemplazarán por un único dispositivo, lo cual servirá para reducir energía y masa del vehículo espacial. Un receptor GPS con funciones GN&C, junto con el material de programación de vuelo del sistema pericial, capacitará la elaboración de las operaciones espaciales autónomas.
3.0 Los receptores espaciales del GPS
Existen tres tipos básicos de receptores del GPS para ser utilizados en el espacio: el receptor de Código-C/A de frecuencia única L1, el receptor de Código P(Y) de dos frecuencias, y el receptor sin código de dos frecuencias L1/L2. Estos receptores son similares a las contrapartes terrestres de los mismos, con algunas modificaciones. Debido a que los receptores espaciales gravitan con velocidades en la gama de 7 kilómetros/segundo, las desviaciones Doppler sobre las señales transmitidas del GPS son mayores y la transición de las misma es más rápida que las observan en las applicaciones terrestres. Los receptores espaciales están sometidos a extremos más altos de temperatura y a exposiciones más altas de radiación que los receptores terrestres y por ende podrían requerir apantallamiento adicional. En el Cuadro 2 se presenta un resumen de los receptores espaciales del GPS que están actualemente disponibles, así como los que están en vía de desarrollo.
Cuadro 2. Receptores a bordo de vehículos espaciales del GPS


Receptor

Condición

Fabricante(s)

Tipo

Viceroy

Disponible

Motorola

Código-C/A de frecuencia única

Monarch

Disponible

Motorola

Código- P(Y) de dos frecuencias

Mini PLUGR

Disponible

Rockwell/Collins

Código-C/A de frecuencia única

MAGR/S

Disponible

Rockwell/Collins

Código- P(Y) de dos frecuencias

Tensor

Disponible

Space Systems/Loral

Código-C/A de frecuencia única

Turbostar

Disponible

Allan Osborne Associates

Código-P de dos frecuencias/sin código

TANS Vector

Disponible

Trimble

Código- C/A de frecuencia única

Bit-Grabber

Disponible

NASA JPL

Código-C/A de frecuencia única

SIGI

En desarrollo

NASA JPL

Código-C/A de frecuencia única

PiVoT

En desarrollo

NASA GSFC

Código-C/A de frecuencia única

GPS on a Chip

En desarrollo

JPL/GSFC/Stanford

Código-P de dos frecuencias/sin código

Surrey GPS

En desarrollo

Surrey Satellite Technology

Código-C/A de frecuencia única

NPOESS

En desarrollo

Saab/Ericsson

Código-P de dos frecuencias/sin código

El receptor de Código-C/A de frecuencia única se utiliza en las applicaciones de navegación que requieren un nivel de precisión de órbita entre bajo y promedio (10-100 m). Por ejemplo, en muchas misiones espaciales solamente se requiere un conocimiento rudimentario de la posición y velocidad del vehículo espacial para programar las comunicaciones de las estaciones terrestres, los calendarios de tareas del vehículo espacial, la predicción de períodos de observación de instrumentos, y planificar las maniobras. Los receptores de Código-C/A de frecuencia única integran la mayoría de los receptores del GPS que están actualmente en el espacio.


El receptor sin código de dos frequencias se utiliza en las aplicaciones de navegación civil en la que se requiere un alto nivel de precisión de órbita. En estos casos, se utiliza la fase portadora, y no la seudogama, en el esquema de la determinación de la órbita de compilación posterior. Los receptores sin código emplean las técnicas de correlación cruzada para el seguimiento de la fase portadora en la señal L2. Esto trae como consecuencaia un leve aumento en la medición de ruido en la medición de la fase portadora L2 pero también proporciona el seguimiento de dos frecuencias que se requiere para eliminar los efectos de retardo en el tiempo ionosférico sobre las señales transmitidas del GPS.
4.0 Aplicaciones espacio-espacio del GPS
Los receptores del GPS a bordo de vehículos espaciales pueden abarcar una amplia gama de altitudes de órbita. La gran mayoría se utilizarán para la navegación en órbitas bajas (LEO), que por lo general se refiere a la órbita de satélites con alturas de pocos miles de kilómetros hasta descender aproximadamente a 200 kilómetros, la cual es prudencialmente la altura operacional del transbordador espacial de los Estados Unidos (transbordador) y de la Estación Internacional Espacial, ISS. Por debajo de los 200 kilómetros, los efectos de la resistencia de la atmósfera son demasiado extensos para que tales órbitas puedan ser útiles. Desde luego que los vehículos espaciales que emplean el GPS para las funciones GN&C operarán en las alturas a partir de las órbitas bajas (LEO) hasta el nivel de la Tierra.
La órbita de los satélites geoestacionarios, OSG, es la órbita que se utiliza para los satélites de telecomunicaciones convencionales. La órbita de los satélites geoestacionarios es una órbita ecuatorial con una altitud de aproximadamente treinta y seis mil kilómetros, la cual está muy por encima de la altura de veintemil kilómetros de la constelación del GPS. El GPS ha sido sometido a prueba en un satélite geoestacionario para la determinación de la órbita, y eventualmente se utilizará para la navegación en órbitas de transferencia de satélites geoestacionarios, en la puesta en órbita, y en el mantenimiento en posición automatizado mientras en la órbita de los satélites geoestacionarios.
Una órbita elíptica de gran excentricidad es una órbita que tiene un perigeo muy bajo - unos cientos de kilómetros - y un apogeo muy alto - unas cuantas decenas de miles de kilómetros. En apogeo, el movimiento del satélite es menor, por lo tanto, con un apogeo muy alto y por encima de una latitud geográfica específica se produce una órbita casi estacionaria para las aplicaciones de las telecomunicaciones. Esto es importante para las latitudes altas donde la cubertura de los satélites convencionales OSG de telcomunicaciones ecuatoriales es deficiente. Un ejemplo de una órbita elíptica de gran excentricidad son las órbitas Molniya que utiliza la Federación de Rusia para sus telecomunicaciones.
4.1 La exploración del espacio por el ser humano
La aplicación más crítica de las funciones GN&C del GPS será en la exploración del espacio por el ser humano. El GPS a bordo de un vehículo espacial proporcionará todas las funciones de navegación para el transbordador, la Estación Internacional Espacial, ISS, y el vehículo de retorno de emergencia de los operadores. Por consiguiente, la confiabilidad e integridad de las señales del GPS tiene implicaciones vitales para la seguridad de la vida.humana.
A partir de 1999, el transbordador utilizará el GPS como sensor principal de navegación. En la actualidad se utiliza el efecto Doppler para la navegación de órbitas bajas y se utiliza la navegación TACAN cuando el transbordador está a trescientos kilómetros de su lugar de aterrizaje. Al utilizar el GPS en el transbordador se observará una notable mejoría en la precisión del tiempo real de navegación del transbordador y un evidente ahorra en los costos.
La Estación Internacional Espacial, ISS, utilizará el GPS para la navegación, el mantenimiento de la órbita, la determinación precisa de tiempo y actitud. Después de la validación del GPS en el transbordador, se prevé que se empezara a utilizar el GPS en la Estación Internacional Espacial, ISS, a partir del año 2000,. El vehículo de retorno de emergencia de los operadores de la Estación Internacional Espacial utilizará el GPS para la navegación en caso que los operadores necesiten evacuar dicha estación.

4.2 Las condiciones metereológicas
La próxima generación estadounidense y europea de satélites metereológicos utilizará el GPS para la navegación y para suministrar las mediciones de ocultaciones atmosféricas. El Operativo Metereológico Europeo, METOP, y el Sistema Nacional de Satélites Metereológicos en Órbita Polar de los Estados Unidos, NPOSESS, ambos llevará dos receptores Saab/Ericsson del GPS cada uno. Uno de los receptores se utilizará para la navegación y para la determinación de la precisión de la órbita, mientras que el otro receptor se utilizará como sensor de ocultación atmosférica
La ocultación atmosférica emplea el uso de los receptores del GPS con apariencia lateral del GPS, instalados sobre el vehículo para seguir los satélites de elevación baja cuyas señales pasan a través de las capas de la atmósfera de la Tierra. Los electrones en la ionósfera y el vapor de agua en la tropósfera tienden a distorcionar seriamente dichas señales. Debido a que los errores de distancia que se producen son demasiado grandes, dichos datos no se pueden utilizar en la resolución de la determinación de la órbita. Sin embargo, en la ocultación atmosférica, a través de la distorción, se puede deducir la presión, la temperatura, el contenido total de electrones y el vapor de agua a todo lo largo del trayecto de rayo de señalización. También es posible dedudir la capa límite y las alturas de la tropopausa, así como tambien los campos de viento estratosférico. Con una constelación de satélites de ocultación en seguimiento de múltiples satélites del GPS, se pueden obtener perfiles de la atmósfera hemisférica con un alto nivel de precisión. Estos perfiles se instilan en los modelos metereológicos para facilitar, casi en tiempo real, el prognósticos de las condiciones metereológicas del mundo.

4.3 La ciencia
Para los vehículo espaciales científicos, el GPS se utiliza tanto para la navegación en tiempo real como para la determinación de la precisión de la órbita. Esta última conlleva la de mayor importancia debido a que proporciona el nivel de precisión de la órbita que se requiere para las más rigurosas aplicaciones de detección a distancia. En el cuadro 3 se presenta un resumen de las aplicaciones científicas que utilizarán la determinación de la órbita de .
Cuadro 3. Aplicaciones científicas para la determinación de la precisión de la órbita con equipos del GPS.


Ciencia

Aplicación

Altimetría de radar

Levantar los planos de la superficie oceánica para la observación de las mareas, corrientes, remolinos y el crecimiento del nivel medio del mar

Altimetría láser

Levantar los planos del casquete de hielo antártico para indicios de fusión debido al calentamiento del globo terrestre.

Radar de abertura sintética

Levantar los planos de las superficies tierra/océano con un alto nivel de resolución

Ocultación atmosférica

Determinar la temperatura, presión, contenido de electrones, y el contenido de vapor de agua de la atmósfera de la Tierra

Spectrometría

Determinar la composición química de la atmósfera, los océanos y el suelo de la Tierra

Rebote oceánico


Medición de la topografía de la superficie marítima de manera similar a la altimetría de radar

Recuperación gravitacional

Mejorar los modelos del campo gravitacional de la tierra mediante información detallada de la órbita que se deriva mediante la determinación precisa de la órbita.

Cuadro 4. Vehículos espaciales científicos que utilizan el GPS para la navegación




Vehículo espacial

Aplicación

Año de lanzamiento

TOPEX/Poseidon

Altimetría de radar

1992

GPS/Met

Ocultación atmosférica

1995

GFO-1

Altimetría de radar

1998

SNOE

Química atmosférica

1998

AMSAT 3D

Demostración de la tecnología

1998

SAC-A

Demostración de la tecnología

1998

Ørsted

Ocultación atmosférica, Recuperación gravitacional

1998

JASON

Altimetría de radar

1999

SAC-C

Demostración de la tecnología

1999

EOS-CHEM

Química atmosférica

1999

EO-1

Vuelo en formación

1999

CHAMP

Recuperación gravitacional, Ocultación atmosférica

1999

SUNSAT

Ocultación atmosférica, Recuperación gravitacional

2000

VCL

Altimetría láser

2000

GLAS/ICESat

Altimetría láser

2001

GRACE

Recuperación gravitacional, Ocultación atmosférica

2001

Gravity Probe-B

Experimento de relatividad

2001

En el Cuadro 4 anterior están incluidas algunas misiones científicas que utilizan los receptores espaciales del GPS para las aplicaciones que se especifican respectivamente. Muchos de estos satélites se utilizarán en el estudio del de la transformación del globo terrestre. Por ejemplo, el altímetro en el satélite común entre TOPEX de Estados Unidos y Poseidon de Francia, se utiliza para estudiar la topografía de la superficie oceánica. Mediante la observación de las variaciones en la superficie oceánica se pueden estudiar ciertos fenómenos como el transporte de aguas cálidas por El Niño hasta el Pacífico, o también el crecimiento del nivel medio del mar.


En la altimetría de satélite la altura del satélite por encima de la superficie oceánica se calcula mediante el tiempo de vuelo de ida y retorno del impulso radar emitido por el vehículo espacial y reflejado por el oceáno que está por debajo. Esta distancia calculada con el altímetro se resta de la altura geocéntrica del vehículo espacial y ésto produce la altura geocéntrica de la superficie oceánica al punto subsatelital del sistema de referencia. Mientras el satélite se coloca en órbita alredor de la Tierra y la Tierra gira por debajo, las mediciones de la altura oceánica obtenidas en esta manera temporal y en el denso aspecto espacial, permite la elaboración de mapas topográficos de la superficie oceánica. Las inclinaciones en la superficie oceánica son indicativas de corrrientes, mareas, anillos y olas debido a que el movimiento de agua en gran escala se manifiesta en forma de inclinación en la superficie oceánica en proporción directa a las corrientes de la superficie. Los altímetros radares pueden medir las distancias exactas entre satélite y océano, y la determinación de precisión de la órbita realizada con equipos del GPS ofrece el nivel de precisión de órbita necesario para aprovechar dicha precisión.
La misión mixta de TOPEX de Estados Unidos y Poseidon de Francia ha demostrado con grandes resultados que los satélites se pueden utilizar para controlar, con un alto nivel de exactitud, la topografía de la superficie oceánica. Un ejemplo contemporáneo de la forma en que se está utilizando la altimetría de radar en beneficio de la sociedad mundial es en el seguimiento y control de El Niño. Este fenómeno se caracteriza por el transporte periódico a gran escala de aguas cálidas en el Pacífico occidental, dirigiéndose de occidente a oriente en algún momento durante el marco de tiempo que incluye los meses de noviembre y diciembre. Se piensa que el fenómeno de El Niño dura un período de cuatro a cinco años y que está asociado con graves trastornos metereológicos que incluye fuertes nevadas y lluvias en partes del hemisferio norte y sequía en el hemisferio sur. La altimetría por satélite se ha convertido en una herramienta importante en el control de las corrientes y en la predicción de los acontecimientos que El Niño pueda provocar en el futuro.
Otra aplicación importante de la altimetría de radar es el control del crecimiento del nivel medio del mar del hemisferio. Existen estudios recientes que indican que la tasa media de crecimiento del nivel medio del mar a lo largo del siglo pasado ha sido de uno a tres milímetros por año y que para el año 2070 el nivel de mar podría alcanzar de veinte a setenta centímetros más de altura que en la actualidad. Las expansiones térmicas del océano y la fusión de las capas de hielo polar son consecuencias prognosticadas del calentamiento del globo terrestre. El control simultáneo del océano y de la superficie de la extensión de hielo polar desde el espacio proporciona el método idóneo para confirmar esta teoría.
4.4 El comercio
La navegación espacial con el GPS ha facilitado enormemente el desarrollo comercial del espacio. Por ejemplo, el GPS se utiliza actualmente para la navegación de satélites comerciales de detección a distancia y de satélites de telecomunicaciones. El GPS les proporciona a dichos satélites, no sólo un alto nivel de precisión en tiempo real y la determinación de la órbita de compilación posterior, sino que además lo hace a una fracción del costo que se requería inicialmente para llevar a cabo las operaciones de los satélites en el espacio. Esto es debido a que no hay la necesidad de mantener y dotar una distribución mundial de estaciones de seguimiento en tierra.
En las aplicaciones para la detección a distancia, el GPS se utiliza tanto para la navegación en tiempo real como para la determinación de la precisión de la órbita. Conforme a lo estipulado anteriormente, se requiere la navegación en tiempo real para programar la comunicación en tierra con el vehículo espacial o para la ejecución de maniobras. La determinación de la precisión de la órbita se necesita para proporcionar las efeméredis de alta precisión para combinar con los datos de la detección a distancia. Por ejemplo, los satélites de observación de la Tierra como los satélites IKONOS-1 y Orbview-3 se servirán del GPS para la determinación de precisión de la órbita a fin de perfeccionar la ubicación de los objetos sobre la superficie de la Tierra. El Cuadro 5 más abajo enumera la lista de algunos de los satélites para la detección a distancia que utilizarán el GPS para la navegación y para la determinación de |precisión de la órbita .
Cuadro 5. Satélites comerciales para la detección a distancia que utilizan el GPS


Vehículo espacial

Compañía

Aplicación

Año de lanzamiento

Orbview-1

OrbImage

Metereología

1995

EarlyBird-1

Earthwatch

Observación de la tierra

1997

Orbview-2

OrbImage

Ciencia del océano y tierra

1997

IKONOS-1

Space Imaging EOSAT

Observación de la tierra

1998

Orbview-3

OrbImage

Observación de la tierra

2000

En las aplicaciones de las telecomunicaciones, el GPS se utiliza para la navegación en tiempo real y para la temporización. Por ejemplo, con la constelación ORBCOMM de los satélites de telecomunicaciones, el GPS proporciona las siguientes funciones importantes: información precisa de la posición para el uso del sistema geomagnético del control de la actitud, información precisa de la posición para ser usada por el sistema de mediciones que utilizan el efecto Doppler, e información precisa de temporización que se utiliza para el control del sistema de transmisión AMDT. El cuadro 6 enumera algunas de las constelaciones del servicio de satélites móviles, SSM, que utilizan actualmente o que utilizarán en el futuro el GPS para la navegación y temporización.


Cuadro 6. Constelaciones comerciales de telecomunicaciones que utilizan el GPS


Compañía

Satélites en la constelación

Año(s) de lanzamiento

Orbcomm

48

1995-2001

Globalstar

48

1997-1999

Teledesic

288

2000-2002

Final Analysis

32

1997-2001

Se está también considerando utilizar el GPS en los satélites de telecomunicaciones OSG. Tradicionalmente, la determinación de la órbita para los satélites OSG se realiza mediante el servicio móvil de medición de distancias y los ángulos de las antenas de una o más estaciones de tierra. Los datos sobre la posición y la velocidad se utilizan en la ejecución de las maniobras de la órbita necesarias para mantener el satélite en la longitud correspondiente. A fin de lograr la precisión correcta, es necesario trabajar con las estaciones de tierra que están separadas por amplias distancias a fin de lograr una buena visibilidad del movimiento del satélite. Cuando dichas estaciones están separadas por distancias continentales, los costos de operación son apreciables.


Un estudio reciente realizado por la Agencia Espacial Europea, ESA, indica que con el GPS se puede llevar a cabo la determinación de las órbitas de los satélites OSG y que es superior a la que se obtiene con el método tradicional. Esto mejoraría la eficacia del uso del combustible de mantenimiento de posición y por consiguiente prolongaría la vida útil del satélite. El estudio también señala que con el GPS las maniobras de la órbita se pueden ejecutar a un costo inferior, debido a que la resolución de la navegación del GPS se puede integrar directamente dentro del mecanismo de empuje del vehículo espacial como parte de un sistema de control de bucle cerrado, y de esta manera se produce la navegación autónoma del vehículo espacial. Cuánto menos personal de apoyo se necesite para llevar a cabo las funciones mundanas de instrucción y control del satélite, más bajo serán los costos de operación. Este factor atrae mucho el interés de las grandes organizaciones públicas espaciales como por ejemplo la administración NASA, la Agencia Espacial Europea, ESA, y la la agencia NASDA del Japón.
5.0 Vehículos espaciales internacionales que utilizan el GPS
El GPS es un recurso internacional para las operaciones espaciales. Durante los próximos años, habrá muchas misiones internacionales que utilizarán el GPS para la navegación y para la ocultación atmosférica. El Cuadro 7 enumera algunas de estas misiones.
Cuadro 7. Vehículos espaciales internacionales que utilizan el GPS


Vehículo espacial

País

STRV-1

Inglaterra

JASON-1

Francia

CHAMP

Alemania

Ørsted

Dinamarca

SAC-C

Argentina

FASAT-Bravo

Chile

SUNSAT

Africa del Sur

Radarsat

Canadá

ETS-7

Japón

UoSAT-12

Singapur

TMSAT

Tailandia

La colaboración internacional más extensa es posiblemente la del programa de satélites NPOESS/METOP, que fue discutida en la sección 4.4 más arriba. El sistema NPOESS es el programa mixto entre NASA, NOAA, y DoD y representa la consolidación de los esfuerzos de estas tres agencias para observar desde el espacio las condiciones metereológicas del globo terrestre. El programa METOP es la contraparte europea del programa NPOESS y es el resultado del esfuerzo colaborador entre ESA y EUMETSAT. Todos los satélites en estos dos sistemas utilizarán los receptores para la navegación y la ocultación que fueron diseñados y fabricados por Saab/Ericsson.


Otro gran esfuerzo del GPS europeo se está llevando a cabo por Surrey Satellite Technology Limited (SSTL) en Surrey, Inglaterra. Esta organización, única en su género, establecida dentro de una universaidad, construye unos satélites ultra pequeños que se denominan microsats. SSTL también construye receptores económicos del GPS para los microsats y los fondos los aporta ESA. Durante los próximos años, el receptor del GPS construido por SSTL volará a bordo de los satélites desde los Estados Unidos, Chile, Singapur, y Tailandia.
6.0 Conclusiones
El GPS se ha convertido en una tecnología que forma parte integral e indispensable de los programas espaciales públicos y comerciales. Los receptores del GPS se están utilizando actualmente en la navegación de vehículos espaciales, pero en un futuro muy cercano se utilizarán además para la determinación de la actitud y el control y para la sincronización exacta del tiempo.
La evolución de los receptores del GPS como parte integral de un dispositivo multifuncional, GN&C, tendrá efectos de consecuencia en el diseño, desarrollo, y operación del vehículo espacial en el siglo próximo. Además de reducir los costos, este sistema conllevará en definitiva a las operaciones espaciales autónomas, lo cual será de gran beneficio para todas las organizaciones involucradas en el uso público y comercial del espacio.
La utilidad del GPS en el espacio ha conllevado a una variedad de aplicaciones científicas y comerciales que serán de gran beneficio para toda la humanidad. La más importante de éstas es posiblemente la detección a distancia de la Tierra desde el espacio. El alto nivel de precisión de la determinación de la órbita que se obtiene con el GPS, proporciona la base para estudiar los fenómenos tales como El Niño que provoca el transporte de aguas cálidas hasta el Pacífico y el crecimiento del nivel medio del mar. Es reconocido que el GPS es un recurso internacional que mucho países ya están utilizando actualmente. Como tal, la integridad y confiabilidad de sus señales de navegación deben ser considerados en el ámbito del usuario que maneja estos receptores, y conjuntamente con la consideración de otros servicios que operan estos receptores utilizando las mismas frecuencias.
7.0 Lista de siglas
A continuación una lista de las siglas que se utilizaron en este informe:
ESA – Agencia Espacial Europea

GN&C – Orientación, Navegación y Control

GPS - Sistema Mundial de Determinación de Posición

METOP - Meteorological Operational

SSM- Servicio de satélites móviles0

NASA – National Aeronautics and Space Adminisitration

NASDA - National Space Development Agency

NPOESS - National Polar Orbiting Environmental Satellite System

POD – Determinación precisa de la órbita

SSTL - Surrey Satellite Technology Limited



TDMA - Time Division Multiple Access




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