Astronomía

Satélites polares para sistemas de navegación global

Satélites polares para sistemas de navegación global


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¿Por qué necesitamos 7 satélites polares para un sistema de navegación como el Sistema Regional de Navegación por Satélite de la India (IRNSS)?


El IRNSS está destinado a servir un área que abarca 100 grados de longitud por 80 grados de latitud. En cualquier lugar de esa área de servicio, en cualquier momento, un receptor necesita comparar distancias a cuatro de los satélites. Para determinar la latitud, los satélites no pueden estar todos por encima del ecuador, por lo que algunas de las órbitas están inclinadas 29 $ ^ circ $. Esos satélites oscilan de norte a sur en pares. No se necesitan órbitas polares; Los sistemas globales sirven a los polos con órbitas inclinadas solo 55 $ ^ circ $.


Los satélites utilizados en el Sistema de Navegación de la India o el llamado Sistema de Navegación por Satélite Regional de la India no son satélites polares; tres de ellos son satélites geoestacionarios y otros cuatro son satélites geoincrónicos.

Los satélites polares giran alrededor de la Tierra en dirección Norte-Sur, mientras que estos satélites giran a la misma velocidad que la de la rotación de la Tierra, de modo que parecen estar fijos en el cielo para los observadores en la Tierra. Esto es exactamente lo que se necesita para los sistemas de navegación.


Otros sistemas mundiales de navegación por satélite (GNSS)

El sistema global de navegación por satélite (GNSS) es un término general que describe cualquier constelación de satélites que proporciona servicios de posicionamiento, navegación y cronometraje (PNT) a nivel mundial o regional.

Si bien el GPS es el GNSS más común, otras naciones están desplegando, o han desplegado, sus propios sistemas para proporcionar capacidad PNT complementaria e independiente. Los principales se describen a continuación.

GNSS también puede referirse a sistemas de aumento, pero hay demasiados aumentos internacionales para enumerarlos aquí.

Algunos enlaces a continuación conducen a sitios web externos que el gobierno de EE. UU. No controla. Los enlaces se proporcionan con fines informativos y no constituyen un respaldo del gobierno de los EE. UU. A ningún sistema, servicio o vista extranjeros.


¿Qué es GNSS o un sistema global de navegación por satélite?

El Sistema de navegación por satélite global fue desarrollado inicialmente por la Fuerza Aérea de los EE. UU., En ese momento la tecnología se denominó Sistema de Posicionamiento Global o GPS y solo se restringió para usarse solo bajo las fuerzas de defensa de EE. Con el paso del tiempo, la tecnología GPS se volvió accesible para todos en este planeta. Hoy en día, como los teléfonos inteligentes están equipados con GPS y son fácilmente accesibles para todos, los gobiernos de varios países han decidido llevar esta tecnología a un nivel mucho más avanzado, preciso y de largo alcance. Así, el nacimiento de los Sistemas Globales de Navegación por Satélite o GNSS se hizo oficial para los consumidores y el sector privado.

En la actualidad, además de los EE. UU., GLONASS de Rusia y Galileo de la Unión Europea son los dos principales GNSS operativos que trabajan en la superficie de este planeta. Con el surgimiento de la tecnología GNSS, muchas sub-tecnologías también han entrado en funcionamiento, estas se conocen como Sistemas de Navegación Regional. El concepto de tecnología es el mismo que el de GNSS pero cubre menos áreas geográficas.


Sistemas mundiales de navegación por satélite actuales y futuros

Actualmente, el sistema GPS estadounidense NAVSTAR y el GLONASS ruso son los únicos GNSS en pleno funcionamiento; sin embargo, hay varios otros sistemas en desarrollo.

El Sistema de Posicionamiento Global fue desarrollado por las Fuerzas Armadas de los Estados Unidos en 1973 y se volvió completamente funcional en 1995 con una constelación original de 24 satélites (ahora hay 24 satélites en operación continua con satélites adicionales en órbita). Cada satélite rodea la Tierra dos veces al día y hay cuatro satélites a la vista desde cualquier punto de la Tierra en un momento dado. La constelación de satélites GPS consta de seis planos orbitales que rodean la Tierra. La constelación Expandible 24 se completó en junio de 2011, lo que optimizó la geometría de los planos orbitales para aumentar los datos de navegación de los usuarios de GPS en todo el mundo.

La constelación de satélites GPS mejorada 24. Fuente: Schriever AFB.

Los rusos, que solían tener un GNSS en funcionamiento llamado GLONASS durante la Guerra Fría solo para que cayera en mal estado, restauraron completamente el sistema en octubre de 2011 con 24 satélites en funcionamiento (21 en funcionamiento y 3 satélites de reserva en órbita). La constelación tiene ocho satélites en cada uno de sus tres planos orbitales.

Galileo es un esfuerzo de la Unión Europea (UE) y la Agencia Espacial Europea (ESA). La constelación de Galileo constará de 30 satélites (27 activos y 3 de repuesto) organizados en tres planos orbitales y cada satélite orbitará la Tierra una vez cada 14 horas. Al igual que el GPS de EE. UU., Habrá cuatro satélites visibles desde cualquier punto de la tierra. Galileo proporcionará cobertura llegando a las regiones polares. Galileo debería ser completamente funcional para 2020, y no solo actuará como un rival del GPS estadounidense, sino que también lo complementará. Los futuros receptores de navegación por satélite podrán recibir tanto la señal GPS como la de Galileo y, al utilizar ambos conjuntos de información, proporcionarán un posicionamiento aún más preciso.

Constelación de Galileo & # 8217s. Fuente: ESA.

Los europeos no son los únicos que desarrollan nuevos GNSS. Los chinos están desarrollando un nuevo sistema global conocido como el sistema de navegación Compass, que también debería ser completamente funcional para 2020. La constelación tendrá 35 satélites.

Estos GNSS de próxima generación, combinados con los planes de mejora del GPS actualmente en funcionamiento, significan que el futuro de la navegación por satélite dará como resultado una mayor precisión, proporcionando un registro de datos GIS cada vez más preciso.


Explotación

El Centro Alemán de Investigación de Geociencias de GFZ está analizando el potencial de los desarrollos técnicos en futuros GNSS como Kepler sobre parámetros geodésicos importantes. Estos incluyen órbitas de satélites, marcos de referencia geodésicos, rotación de la Tierra, campo de gravedad de la Tierra, monitoreo de la altura de la superficie del mar y la troposfera. Para predecir los efectos de los cambios climáticos, es esencial determinar estos parámetros con la mayor precisión y confiabilidad, ya que los indicadores climáticos como los cambios en la capa de hielo y los glaciares, así como el aumento global del nivel del mar, necesitan un monitoreo a largo plazo altamente preciso. La precisión proporcionada por los GNSS actuales aún no cumple los requisitos necesarios para extraer conclusiones fiables: los avances en tecnologías ópticas aplicadas a los GNSS futuros como Kepler permitirán superar las limitaciones actuales.

Determinación precisa de la órbita

La dinámica de los satélites en la constelación Kepler MEO es similar a la del sistema actual GALILEO, lo que asegura la estabilidad de la órbita a largo plazo y limita el número de maniobras de mantenimiento de la constelación. El segmento LEO de la línea de base que se considera aquí consta de cuatro satélites distribuidos en dos órbitas circulares casi polares en dos planos orbitales perpendiculares.

Arquitectura de Kepler. Créditos: GFZ / DLR

La fase relativa entre satélites LEO y entre satélites LEO y MEO está diseñada para garantizar el 100% de disponibilidad de conexiones entre los tres aviones MEO a través del segmento LEO en todo momento. Esta infraestructura proporciona dos tipos de mediciones: datos de rango de banda L de tipo GNSS (rangos reales y fase de portadora) transmitidos por satélites MEO y rangos precisos entre satélites en portadoras ópticas entre satélites MEO vecinos (continuamente) y entre satélites MEO y LEO (conexiones esporádicas a todos los satélites MEO).
Las señales de navegación emitidas por los satélites MEO son registradas por los satélites LEO y por una sola estación terrestre (o un número muy limitado de estaciones terrestres).

Utilizando el paquete de software Earth Parameters and Orbit System - Orbit Computation (EPOS-OC) de GFZ, se simularon los tipos de datos mencionados anteriormente y se realizaron varias pruebas precisas de determinación de órbita (POD) (recuperaciones de órbita).
En el paso de simulación de datos, se replican los estándares y modelos del procesamiento diario de datos GNSS reales. Estos incluyen actitud similar a GPS, diferentes modelos de presión de radiación solar, empuje de la antena del satélite MEO, modelo de campo de gravedad EIGEN-6C, modelos de mareas terrestres y oceánicas, carga oceánica, etc. Los datos del rango GNSS se simulan en 2 frecuencias GALILEO E1 y E5 y, para la determinación de la órbita, convertidos en combinaciones libres de ionosfera, con ruido gaussiano, caracterizado por una desviación estándar de 50 cm (pseudo-rangos) y 3 o 5 mm (fases portadoras) en satélites LEO o estaciones terrestres, respectivamente. También se simulan los resbalones de bicicletas. Se supone que la hora del sistema Kepler es ultraestable: las compensaciones del reloj del sistema se simulan como valores nulos constantes. El rango óptico entre los satélites MEO y entre los satélites MEO y LEO se simula con un umbral de ruido conservador de 1 mm.
Los resultados iniciales muestran que con una sola estación terrestre y una compensación apropiada de la misma acción de fuerzas no conservadoras (por ejemplo, presión de radiación solar, arrastre de aire LEO, empuje de antena MEO) las órbitas de los satélites Kepler pueden recuperarse fuera de línea con precisión subcentimétrica para el coordenada radial y mejor que 15 micrómetros por segundo para estimación de velocidad, cumpliendo con los requisitos preliminares de navegación y sincronización de reloj.

Determinación precisa de la órbita para aplicaciones geodésicas

Red simulada de 124 estaciones distribuidas globalmente que explotan señales de Kepler para apoyar la determinación de un TRF global. Créditos: GFZ

Para los propósitos de operación y navegación del sistema, se considera una infraestructura terrestre regional muy limitada (ver arriba). Para aplicaciones de geodesia por satélite (por ejemplo, realización de un marco de referencia terrestre), se utiliza una red global con un gran número de estaciones (ver figura).
Esta red global es la base para la simulación de la estimación de parámetros geodésicos.

Realización de marcos de referencia terrestres

Los marcos de referencia terrestres globales (TRF) proporcionan la base metrológica para medir y monitorear el sistema de la Tierra. Hoy en día, la precisión de los TRF más recientes sigue siendo hasta 8 veces peor que la requerida por el Sistema Global de Observación Geodésica: precisión de 1 mm, estabilidad de 1 mm / década.

Campo de gravedad

Los modelos de campo de gravedad actuales basados ​​en las misiones GRACE (Gravity Recovery and Climate Explorer) y GRACE-FO (GRACE-Follow On) no cumplen con todos los requisitos de los usuarios en cuanto a resolución y precisión espacial y temporal. Se están evaluando los beneficios de las órbitas mejoradas de la constelación de Kepler en los coeficientes del campo de gravedad para investigar las posibles mejoras de las misiones de gravedad de próxima generación.

Vapor de agua

Vapor de agua integrado: tendencia a lo largo de tres décadas. Créditos: GFZ

La troposfera es un contribuyente importante al presupuesto de error sistemático y aleatorio en las técnicas geodésicas espaciales basadas en microondas. Una cuantificación más precisa del retardo de propagación de la señal relacionada conduce a la estimación de parámetros geodésicos más precisos en el análisis geodésico posterior. Se está examinando la mejora de los productos troposféricos atribuidos a las características de la constelación de Kepler, y especialmente a su segmento LEO y enlaces entre satélites.

Reflectometria

Las perspectivas altimétricas oceánicas de la nueva constelación GNSS se investigan en vista de la aplicación espacial de la innovadora reflectometría GNSS (GNSS-R). Suponiendo transmisores y receptores GNSS-R a bordo de la constelación y los satélites MEO # 8217s (enlaces MEO a MEO), se explora un concepto altimétrico novedoso. Los resultados preliminares indican que los enlaces MEO a MEO pueden mejorar la estimación de parámetros altimétricos cruciales en comparación con los escenarios actuales.


Geomagnetismo

5.01.6.2 Mapeo magnético de planetas

Hasta ahora, el campo magnético de todo un planeta se ha observado solo para la Luna y Marte. Algunas naves espaciales circularon en órbita polar alrededor de Venus, pero no hay una fuerte señal magnética de este planeta. La Luna y Marte carecen de dínamo activa, pero se han observado anomalías magnéticas muy notorias en ambos. En la Luna, muchas firmas magnéticas están correlacionadas con características de la superficie como cráteres, lo que indica su posible relación con los eventos de impacto. Los impactos de meteoritos están asociados con una temperatura muy alta, suficiente no solo para vaporizar las rocas sino incluso para ionizarlas. Como las remanencias pueden adquirirse en un campo magnético inducido por eventos de impacto, aún se debate si la Luna tenía una dínamo antigua o no.

Las observaciones recientes del campo magnético en Marte revelaron una característica asombrosa. Se observaron anomalías magnéticas muy fuertes que alcanzaron ± 1500 nT (a 200 km de altitud) en un área bastante amplia en el hemisferio sur (Connerney et al., 1999). Además, las anomalías aparecen como zonas de polaridad alterna. Se alargan en dirección este-oeste ( Figura 23 ), que recuerda las anomalías asociadas con la expansión del fondo marino en la Tierra. Sin embargo, son bastante diferentes: las bandas de anomalías son mucho más anchas (típicamente 200 km) y su intensidad de remanencia mucho más alta (20 A m −1 asumiendo un espesor de capa de 30 km) que las anomalías oceánicas típicas en la Tierra (5-50 km y 1-10 A m −1). Además, no hay ninguna otra evidencia de la expansión del fondo marino en Marte. Si la magnetización remanente en la corteza marciana se adquirió en un proceso similar a la tectónica de placas en la Tierra, se requiere que se cumplan algunas o todas las siguientes condiciones en Marte: (1) el antiguo campo magnético era muy fuerte, (2 ) las inversiones de polaridad ocurrieron con menos frecuencia que en la Tierra, (3) se formó una capa magnética gruesa en las 'crestas', y / o (d) los minerales magnéticos típicos de la corteza marciana adquirieron remanencias muy fuertes (por ejemplo, debido a el tamaño de grano está cerca del dominio único).

Figura 23. Mapa del campo magnético de un tercio del hemisferio sur de Marte. Tenga en cuenta las bandas de tendencia este-oeste de fuertes anomalías. Reproducido con permiso de Connerney JEP, Acuna MH, Wasilewski PJ et al. (1999). Lineamientos magnéticos en la antigua corteza de Marte. Ciencias 284: 794–798. Copyright 1999 AAAS.


Los satélites de vigilancia polar de Kleos pasan la revisión de preparación para la integración

FRANKFURT, Alemania (Kleos Space PR) y # 8212 Kleos Space SA (ASX: KSS, Frankfurt: KS1), una empresa de datos como servicio (DaaS) de reconocimiento de radiofrecuencia impulsada desde el espacio, confirma que el desarrollo de su segundo El grupo de satélites, Polar Vigilance Mission (KSF1), está en camino de un lanzamiento de SpaceX a mediados de 2021 después de completar con éxito la Revisión de preparación de integración, y los satélites comienzan el proceso de construcción con el constructor de satélites ISISPACE.

Los cuatro nanosatélites Polar Vigilance se encuentran en la fase de ensamblaje y prueba en preparación para la aceptación final. Los satélites de Kleos se entregarán al sitio de lanzamiento para su integración en el vehículo de lanzamiento SpaceX Falcon 9.

Los satélites de la Misión de Vigilancia Polar KSF1 están programados para un lanzamiento a mediados de 2021 a bordo de un SpaceX Falcon 9, bajo un contrato de viaje compartido con Spaceflight Inc. Los satélites KSF1 se lanzarán en una órbita sincrónica solar de 500-600 km, aumentando la cobertura de Kleos hacia el norte y al sur de la inclinación de 37 ° de los satélites de la Misión Scouting, que se lanzaron con éxito a principios de noviembre de 2020. El tercer grupo de satélites de Kleos, la Misión de Patrulla Polar, está programado para lanzarse en diciembre de 2021 a bordo de un SpaceX Falcon 9.

Los satélites de Kleos detectan y geolocalizan transmisiones de radiofrecuencia para proporcionar inteligencia global basada en actividades, mejorando la detección de actividades "oscuras" como el tráfico de drogas y personas, desafíos fronterizos y pesca ilegal.

Miles Ashcroft, director de tecnología de Kleos Space, dijo: “El desarrollo del clúster KSF1 está avanzando a un ritmo increíble y la entrega en el sitio está prevista para finales de mayo. Kleos está aprovechando la experiencia y el entusiasmo de su constructor de satélites, ISISPACE con sede en los Países Bajos, para desarrollar y entregar rápidamente, así como mejorar la capacidad de hardware y software. Estamos haciendo crecer nuestra constelación rápidamente en 2021 con un nuevo clúster programado para su lanzamiento hacia finales de año. Cada grupo de satélites lanzado aumenta el terreno cubierto y el tiempo cubierto, por lo tanto, el valor de nuestros datos de geolocalización de radiofrecuencia aumenta, lo que permite ofrecer licencias de suscripción escalonadas para gobiernos y entidades comerciales ".


Lección 10: Los sistemas globales de navegación por satélite y el futuro

Los enlaces a continuación proporcionan un resumen del material para esta lección. Asegúrese de leer detenidamente toda la lección antes de regresar a Canvas para enviar sus tareas.

Autor y / o instructor: Jan Van Sickle, profesor titular, Instituto de educación electrónica John A. Dutton, Facultad de Ciencias de la Tierra y Minerales, Consultores V3 de la Universidad Estatal de Pensilvania, Lakewood, CO

Este módulo de cursos es parte de la iniciativa REA de la Facultad de Ciencias de la Tierra y Minerales de Penn State.

La Facultad de Ciencias de la Tierra y Minerales se compromete a hacer que sus sitios web sean accesibles para todos los usuarios y agradece los comentarios o sugerencias sobre mejoras de acceso. Envíe sus comentarios o sugerencias sobre accesibilidad al editor del sitio. El editor del sitio también puede ser contactado con preguntas o comentarios sobre este recurso educativo abierto.

El Instituto de educación electrónica John A. Dutton es la unidad de diseño de aprendizaje de la Facultad de Ciencias de la Tierra y Minerales de la Universidad Estatal de Pensilvania.


Satélites polares para sistemas de navegación global - Astronomía

Para satisfacer las demandas de datos de velocidad y ubicación, Polar ha integrado GNSS (Sistema de navegación por satélite global) en sus dispositivos portátiles desde 2009. Actualmente, los datos de ubicación se pueden determinar con casi todos los dispositivos deportivos y de fitness Polar. El sistema Polar está construido sobre cuatro implementaciones de satélites principales: GPS, Glonass, Galileo y BeiDou. El número de satélites para GPS, Glonass, Galileo y BeiDou es actualmente de 31, 24, 18 y 23, respectivamente. El sistema Polar GNSS calcula la posición, el tiempo, la velocidad y la dirección con ciertas limitaciones de precisión. En la práctica, la precisión de la posición puede variar entre 1 y 20 metros. La hora detectada (UTC) puede variar de 5 ns a 60 ns. La velocidad y la dirección se derivan de la posición y el tiempo. La validación del rendimiento del sistema se realiza para que cubra todos los casos de uso posibles. Los dispositivos se prueban en condiciones puras de laboratorio, bajo el cielo en plantillas estables y también en casos de uso reales en diferentes entornos con diferentes desafíos.El estudio de validación objetivo muestra un buen rendimiento para Polar GNSS. Este libro blanco abre los antecedentes teóricos y revisa la implementación técnica de Polar GNSS. Además, se presentan los resultados del estudio de rendimiento y validación.

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Disponibilidad selectiva

El GPS para usuarios civiles dio un salto adelante en 2000 cuando Clinton autorizó el fin de la "disponibilidad selectiva". Anteriormente, los civiles recibían una visión mucho más "burda" de su posición porque los militares manipulaban factores como los datos orbitales o la frecuencia del reloj del satélite.

Sin embargo, no pasó mucho tiempo antes de que los civiles temieran que la opción pudiera activarse nuevamente. Los ataques terroristas del 11 de septiembre de 2001 contra el World Trade Center y el Pentágono provocaron una serie de nuevas medidas de seguridad. Seis días después de los ataques, la Junta Ejecutiva Interagencial de GPS declaró que no hubo cambios en la política de Estados Unidos: no volver a usar la disponibilidad selectiva.

En 2007, el presidente George W. Bush aceptó una recomendación para dar un paso más. Siguiendo el consejo del Departamento de Defensa, indicó que la generación Navstar III no tendría la capacidad de hacer disponibilidad selectiva en absoluto. Con el GPS ahora una industria multimillonaria, parecía que las consideraciones comerciales tenían una voz fuerte en Washington.

"Si bien esta acción no mejorará materialmente el desempeño del sistema", se lee en una declaración del Departamento de Defensa, "refleja el fuerte compromiso de los Estados Unidos con los usuarios al reforzar que se puede contar con esta utilidad global para respaldar la paz civil aplicaciones en todo el mundo ".

A diferencia de los primeros días, Navstar se enfrenta a la competencia de otros sistemas similares a GPS construidos por otros países para uso civil y militar. Los rusos tienen un sistema llamado GLONASS, mientras que los europeos tienen otro llamado Galileo que se encuentra en las primeras etapas de despliegue.

Con la disponibilidad selectiva no incluida en los satélites GPS más recientes, los sistemas más nuevos pueden rastrear ubicaciones para civiles dentro de solo un pie, según The Verge. Un localizador GPS típico de hoy en día puede identificar ubicaciones civiles con una precisión de tres a nueve metros (10 a 16 pies).


Ver el vídeo: Polar V650 Route Navigation (Octubre 2022).