Servicios basados en la localización
Sistemas de localización por satélite

La posibilidad de utilizar satélites para determinar una ubicación fue una contribución de un equipo dirigido por el Dr. Richard B. Kershner durante la transmisión de monitorización radio del primer satélite - Sputnik. El equipo observó que la frecuencia de la señal de transmisión cambiaba con el movimiento del satélite debido al efecto Doppler. Estos cambios de frecuencia permitieron determinar la posición del satélite. Así pues, la posición de un usuario se puede conocer usando este enfoque y sabiendo la posición de los satélites.

El uso de sistemas de satélite para determinar la posición se basa en la medición del tiempo de propagación de una señal transmitida por los satélites. A partir del tiempo de propagación, t, se calcula la distancia, s, entre el satélite y el usuario de acuerdo con la fórmula s=c*t, donde c es la velocidad de la luz en el vacío (3∙108 metros por segundo). Si conocemos la posición del satélite y el tiempo de propagación, la ubicación exacta del objeto queda determinada como una esfera de puntos situados en la misma distancia de la posición del satélite. Esto significa que cada satélite permite determinar una esfera de posibles ubicaciones del usuario. La posición exacta de un objeto está definido por cuatro parámetros: latitud, longitud, altitud, y el tiempo. Para derivar los cuatro parámetros, se deben conocer cuatro esferas; la ubicación del objeto o usuario será la intersección de las cuatro esferas. En el caso ideal, sin error en la estimación de la distancia entre el satélite y el usuario, todas las esferas se cortan en un punto. Si la distancia no se calcula de forma precisa, la intersección de cuatro esferas define un área de potenciales ubicaciones. El tamaño de esta área es proporcional a los errores introducidos por la medición de distancia y se puede reducir teniendo en cuenta la información de los satélites adicionales.

Principio de determinación de la posición del usuario

Este principio general es utilizado por los sistemas de navegación más comunes, tales como el sistema americano GPS, el sistema europeo Galileo, el sistema ruso Glonass, o el chino COMPASS.

## GPS

El GPS es un sistema global de navegación por satélite desarrollado por el Departamento de Defensa de los Estados Unidos con fines militares. El proyecto GPS comenzó en 1973, pero el primer satélite experimental fue lanzado en 1978. Ahora, GPS proporciona servicios de posicionamiento, navegación y temporización. Consta de tres segmentos: espacio, control y usuario.

- Segmento espacial: El segmento espacial consta de al menos 24 satélites que vuelan alrededor de 20.200 kilómetros por encima de la Tierra con un período orbital de 11 horas y 58 minutos. Los satélites están organizados en seis órbitas con inclinación de 55 °. El número de satélites se calcula de forma para garantizar que cada punto de la Tierra tenga una visibilidad de al menos cuatro satélites. El sistema puede aumentar su precisión incrementando el número de satélites. En 2011, se cambió ligeramente la constelación de satélites original para mejorar la cobertura y se añadieron tres satélites más. Todos los satélites transmiten señales con información necesaria obtener la posición del usuario.
- Segmento de control: El segmento de control consta de instalaciones en tierra para el seguimiento, control y gestión de los satélites de segmento espacial. El núcleo del sistema de control es una estación principal de control, en Colorado en los Estados Unidos. La estación principal de control es responsable de la gestión de todos los procedimientos de control. Para evitar que el sistema se apague en caso de fallo de la estación principal de control, existe otra estación alternativa en California. La estación principal de control recibe y analiza la información de los satélites y la información de navegación a partir de 16 estaciones de monitorización en tierra. Las estaciones monitorizan la transmisión de navegación de los satélites y el seguimiento a los satélites. A partir de la información recopilada, la estación principal de control envía comandos a los satélites para garantizar servicios adecuados y fiables (por ejemplo, para cambiar la posición del satélite). A través de las antenas terrestres se envían los comandos, la información de los satélites u otros datos. En los sistemas de control, se despliegan 12 antenas terrestres en todo el mundo.
- Segmento de usuario: El segmento de usuario está representado por un receptor GPS, que procesa la información recibida de los satélites. El receptor GPS contiene un chip GPS con una componente radio, un procesador de señal digital, memoria, parte de control, y una interfaz a una unidad central.

Los satélites transmiten tres tipos de señal. La primera, P (código de precisión), es un código cifrado con una secuencia pseudoaleatoria de 10,23 MHz. Éste puede ser sustituido por el segundo, código Y, en caso de necesidad de modo de transmisión anti-spoofing. El último es C/A (código de adquisición) que se utiliza para fines civiles o para la adquisición de los códigos P (Y). El C/A está compuesto de una secuencia pseudoaleatoria no cifrada de 1,023 MHz. El mensaje de navegación, es decir, el mensaje con información para la determinación de la posición de los usuarios, se transmite a una velocidad de 50 bps y se añade al código C/A y al código P (Y). Dado que todos los satélites transmiten en la misma frecuencia portadora, se debe utilizar una técnica de acceso múltiple (en este caso CDMA) para permitir la recepción de la señal de más satélites.

El mensaje global de navegación se transmite en tramas con longitud de 1500 bits. Cada trama se compone de cinco subtramas que contienen información diferente, como posición del satélite, corrección del reloj, efecto de retardo ionosférico, el estado de constelación o información sobre las órbitas de los satélites. Para transmitir el mensaje de navegación completo, se requieren 30 segundos (1500 bit transmitidos a 50 bps).

Como el tiempo necesario para la entrega de información completa sobre todos los satélites es demasiado largo (es decir, el tiempo necesario para la determinación de la posición del usuario), se pueden utilizar las redes de comunicación móvil en combinación con los sistemas de navegación por satélites para la entrega de cierta información mediante el uso de redes de telefonía móvil en lugar de la entrega convencional directamente por satélites. Este enfoque se conoce como GPS asistido. De esta manera, se acelera la fase inicial en GPS.

La precisión del posicionamiento depende de varios aspectos: medida del tiempo de llegada de la señal, efectos atmosféricos (especialmente los efectos ionosféricos), propagación multicamino, actualización de la posición del satélite, sincronismo de reloj y cantidad de satélites visibles. El error más significativo es el que introducen los efectos de la ionosfera; sin embargo, se puede mitigar mediante si se reciben varias señales. El error global es del orden de metros para el GPS (típicamente, hasta 8 metros).

Señales transmitidas por satélites GPS

## Galileo

Galileo constituye la alternativa europea a GPS. El sistema Galileo estará formado por una constelación mundial de 30 satélites en órbita terrestre media distribuidos en tres órbitas con un ángulo de 56° hacia el ecuador, a 23.222 km de altitud. El segmento de control contiene dos centros de control en Oberpfaffenhofen, Alemania y Fucino, Italia. Además, hay dos centros LEOP (Lunch and Early Operations) en Toulouse, Francia y Darmstadt, Alemania. Igual que ocurre con GPS, también hay 5 estaciones de telemetría, seguimiento y puestos de control, 40 estaciones de sensorización, y 10 estaciones con enlace ascendente para vigilar y controlar a los satélites.

Los satélites, como en GPS, transmiten varias señales de navegación (E1, E5a, E5b, E6). La primera señal, E1, contiene códigos no cifrados a 1,023 MHz y datos de navegación modulados a 1575,42 MHz. Esta señal de velocidad de 125 bps está disponible para uso civil (denotado como servicios abiertos) servicios comerciales y de seguridad. Las señales segunda y tercera, E5a y E5b, son similares a E1, sin embargo, E5a y E5b son moduladas tanto a 1176,450 MHz y E5b 1207,140 respectivamente y ambos tienen una secuencia de código a 10,23 MHz. La señal E5a transporta datos de navegación y funciones de temporización. A diferencia de E1 y E5b, la señal E5a utiliza una modulación más robusta transmitiendo a 25 bps se apoya y está disponible sólo para los servicios abiertos. La última señal, E6, se destina para fines comerciales y sus datos están cifrados. Esta señal se transmite a 1278.750 MHz con una secuencia de código de 5.115 MHz. La velocidad a la que se transmite es de de 500 bps.

## Otros sistemas de navegación

El principio de la determinación de la posición del usuario es el mismo también para otros sistemas de navegación, tales como:

- GLONASS (GLObalnaja NAvigacionnaja Sputnikovaja Sistema) – Consta de 26 satélites colocados en tres órbitas. Un hecho interesante es que el sistema inicialmente utilizaba FDM (cada satélite transmite en diferentes frecuencias) y en consecuencia no era originalmente compatible con el GPS o Galileo. Sin embargo, a partir de 2011, Glonass también puede utilizar CDMA para ser compatible. El sistema de tierra se encuentra en Rusia.
- COMPASS, también conocido como BeiDou 2, es un sistema de navegación chino con 35 satélites. El despliegue actual solo ofrece servicios nacionales, aunque se espera que se extienda a todo el mundo de navegación en los próximos años.
- IRNSS (Indian Regional Navigational Satellite System) se compone de 7 satélites en el segmento espacial, 3en órbita geoestacionaria y 4 en órbita geosíncrona para cubrir el territorio indio.