¿Qué es un sistema de aumentación SBAS de la señal del GPS?

Por: Javier Rosell

El 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 (dentro del proyecto MTSAT). 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 norteamericano puede tomar hasta 30 minutos para notificarle al usuario que ha fallado un satélite.
• Incrementar la exactitud del sistema GNSS para cumplir con los requisitos de un medio único de navegación para aproximaciones de precisión. Por ejemplo 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 GNSS varía entre 95-98%. Por consecuencia, actualmente es necesario confirmar, antes de cada vuelo en el cual se desea utilizar el GNSS como medio de navegación primario, la disponibilidad de los satélites a lo largo de la ruta del GNSS porque, previo al SBAS, 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 GNSS con las correcciones recibidas de los satélites geoestacionarios, para así navegar con más precisión.

Entre estos sistemas SBAS, se tienen los siguientes:

A. EGNOS. Según la página Web, http://www.corpac.gob.pe/publica/gnss/links/ capitulo_iii.htm, la European Geostationary Navigation Overlay Service, o el Sistema europeo geoestacionario de superposición para la navegación, consiste en un sistema SBAS, desarrollado por la Agencia Espacial Europea, conjuntamente con la Comisión de las Comunidades Europeas y de la Organización Europea para la Seguridad de la Navegación Aérea (EUROCONTROL), conociéndose este grupo de tres como el Grupo Tripartito Europeo (ETG). Es pensado para complementar el GPS, el GLONASS y GALILEO, mejorando la confiabilidad y la exactitud de las señales. Según especificaciones, la exactitud horizontal de la posición debe ser mejor de siete (07) metros. En la práctica, la exactitud horizontal de la posición está en el nivel del metro. Consiste en tres satélites geoestacionarios y una red de estaciones en tierra. El ETG firmo el 27 de junio de 1996 el alquiler para los primeros dos transpondedores de navegación que son 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 toda Europa, sino también 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 y el AOR-E en el 2000. El sistema completo comenzó sus operaciones iniciales en julio de 2005, demostrando funcionamientos excepcionales en términos de la exactitud (menos de dos metros) y disponibilidad sobre el 99%; se piensa que pueda ser certificado para su uso a partir del año 2008. GREPECAS y el INAC han realizado estudios para su implementación, como un sistema de gran confiabilidad, que puede aumentar la señal del GNSS para lograr aproximaciones CAT I en los aeropuertos de Venezuela, lo cual llevaría a nuestro país a una posición ventajosa, en lo que a Seguridad Aérea y Desarrollo Aeronáutico se refiere y poder integrar, en un futuro, un Sistema Latinoamericano de Aumentación, con el apoyo de Europa.

           

B. WAAS. Wide Area Augmentation System, Sistema de Aumentación de Área Amplia. Según la página Web, http://www.corpacgob.pe/publica/gnss/links/capitulo_ iii.htm, 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 Área 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 Satellites). 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.

Se especifican seguidamente las características de los elementos nombrados 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 EEUU, pero no transmiten las señales de corrección ellas mismas. 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 a través 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 hechas desde los receptores de referencia, estimando los estados de los modelos de error tanto ionosférico, de reloj, efemérides, etc, calculando estimaciones y generando finalmente los mensajes WAAS (trama de 250 bit) que serán enviados y aplicados a los cálculos del pseudo-rango 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 encargarán 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 (GEO’s). Los satélites 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 se 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 realizarán 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, a fin de 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-rango para luego determinar la posición. Estos equipos pueden integrar las nuevas ayudas de navegación GNSS.

Entre sus beneficios se tiene que puede proveer 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. Proporcionará ahorros de combustible haciendo posible vuelos más directos y aproximaciones más seguras. El WAAS ya ha superado la etapa de diseño y actualmente está en uso. El prototipo ha sido comprobado en vuelos selectos en los Estados Unidos y alrededor del mundo. 

La puesta en operación del Sistema se está realizando en los EEUU y consta de 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 para lograr operacionalizar el uso del WAAS, lo que brindará niveles de economía, seguridad y bienestar a los pasajeros del Siglo XXI.