Satelite bidezko nabigazio sistema

Satelite bidezko nabigazio-sistemak (satnav) sateliteak erabiltzen ditu kokapen geoespazial autonomoa emateko. Satelite bidezko nabigazio-gailuei aukera ematen die haien kokapena (longitudea, latitudea eta altitudea) zehaztasun handiz zehazteko (zentimetro gutxi batzuetara), sateliteetatik irrati bidez igorritako denbora-seinaleak erabiliz. Sistema kokapena eta nabigazioa emateko edo hartzaileak  duen zerbaiten posizioaren jarraipena egiteko erabil daiteke (satelite bidezko jarraipena). Seinaleek, halaber, uneko denbora lokala zehaztasun handiz kalkulatzeko aukera ematen diote hargailu elektronikoari, eta, hala, denbora sinkroniza daiteke. Erabilera horiei guztiei posizionamendua, nabigazioa eta sinkronizazioa (PNT) deitzen zaie. Satelite bidezko komunikazioetan ahultasun kritiko bat kokapena, nabigazioa eta denbora (PNT) zuzentzen dituzten seinaleak dira. Transmisio horien segurtasunik ezak satelite-sareak ez ezik, mendeko sistema askotan kalteak ere eragin ditzake. Edozein telefono-harrera edo Internet zerbitzutik at funtzionatzen dute Satnav sistemek, nahiz eta teknologia horiek sortutako kokapen-informazioaren erabilgarritasuna hobetu dezaketen. 

Mundu mailako estaldura duen satelite bidezko nabigazio-sistema bati satelite bidezko munduko nabigazio-sistema (GNSS) deritzo. 2020ko irailaz geroztik, Estatu Batuetako Kokapen Sistema Globala (GPS), Errusiako Satelite bidezko Munduko Nabigazio Sistema (GLONASS), Txinako BeiDou Nabigazio Sateliteen Sistema,[1] eta Europar Batasuneko Galileo[2] erabat operatiboak dira. Japoniako Cuasi-Zenith satelite-sistema (QZSS) GPSan (US) oinarritutako hazkuntza-sistema bat da, GPSaren doitasuna hobetzeko, eta 2023rako programatutako GPSaren satelite bidezko nabigazio independentea du. [3] Indiako Satelite bidezko Eskualdeko Nabigazio Sistemak (IRNSS) epe luzeko bertsio global batera hedatzeko asmoa du. [4]

Oro har, sistema bakoitzaren estaldura orokorra lortzeko, orbita ertaineko (MEO) 18 eta 30 satelite bitarteko konstelazioak erabiltzen dira, zenbait plano orbitalen artean banatuak. Gaur egungo sistemak aldatu egiten dira, baina denek erabiltzen dituzte 50º-ko inklinazio orbitalak eta 12 ordu inguruko periodo orbitalak (gutxi gorabehera 20.000 kilometro edo 12.000 miliako altitudean).

Sailkapena 
Nabigazio zibilerako zehaztasun eta osotasun handiagoa ematen duten GNSS sistemak honela sailkatzen dira:

 GNSS-1 lehen belaunaldiko sistema da, eta satelite bidezko nabigazio-sistemen (GPS eta GLONASS) eta sateliteetan (SBAS) edo lurrean oinarritutako areagotze-sistemen (GBAS) arteko konbinazioa da. [5] Estatu Batuetan, sateliteetan oinarritutako osagaia Eremu Zabala Handitzeko Sistema (WAAS) da; Europan, Nabigazio Geoegonkorraren Europako Zerbitzua (EGNOS); eta Japonian, Sateliteak Handitzeko Sistema Multifuntzionala (MSAS). Lurrean oinarritutako hazkundea Tokiko Azalera Handitzeko Sistemaren (LAAS) antzeko sistemek ematen dute. [5]
 GNSS-2 satelite bidezko nabigazio-sistema zibil oso bat modu independentean ematen duten sistemen bigarren belaunaldia da, Galileo posizionamendu-sistema europarraren bidez eredugarria. [5] Sistema horiek nabigazio zibilerako beharrezkoak diren zehaztasuna eta osotasuna emango dute, aireontziak barne. Hasiera batean, sistema hori Upper L Band-en maiztasun-multzoak baino ez ziren (L1 GPSrako, E1 Galileorako eta G1 GLONASSerako). Azken urteotan, GNSS sistemak hasi dira aktibatzen behe-mailako L bandaren maiztasun-multzoak (L2 eta L5 GPSrako, E5a eta E5b Galileorako, eta G3 GLONASSerako) erabilera zibilerako; agregatuen zehaztasun handiagoa dute, eta arazo gutxiago dituzte seinalearen islapenean. [6][7] 2018aren amaieran, kontsumorako GNSS gailu gutxi batzuk saltzen dira, eta biek erabiltzen dituzte. Normalean, "banda dualeko GNSS" edo "banda dualeko GPS" esaten zaie.

Nabigazio-sisteman dituzten funtzioen arabera, sistemak honela sailka daitezke:

 Satelite bidezko nabigaziorako oinarrizko lau sistema daude: GPS (Estatu Batuak), GLONASS (Errusiako Federazioa), Beidou (Txina) eta Galileo (Europako Batasuna).
 Sistema Globaletan (SBAS) oinarritutako Handitze Sistemak, hala nola OmniSTAR eta ΛFire.
 Eskualdeko SBAS, WAAS (US), EGNOS (EB), MSAS (Japonia), GAGAN (India) eta SDCM (Errusia) barne.
 Satelite bidezko eskualdeko nabigazio-sistemak, hala nola Indiako NAVIC eta Japoniako QZSS.
 Eskala kontinentalean, Ground Based Augmentation Systems (GBAS), adibidez, Australiako GRAS eta Estatu Batuetako Kostako Guardiaren zerbitzu bateratua, Kanadako Kostako Guardia, Estatu Batuetako Armadako Ingeniarien Kidegoa eta GPS Garraio Nazional Diferentziala (DGPS).
 GBAS eskala erregionala, CORS sare gisa.
 Tokiko GBAS, denbora errealean zuzenketa zinematikoak egiten dituen GPS erreferentzia-estazio bakar batek tipifikatua (RTK).

GNSS sistema global askok (eta handiagotze-sistemek) L1-en inguruan antzeko maiztasunak eta seinaleak erabiltzen dituztenez, hainbat sistema erabiltzeko gai diren "MultiGNSS" hargailu asko sortu dira. Sistema batzuk GPSarekin elkarreraginean ari dira erloju bera emanez, baina beste batzuk ez. [8]

Historia 

Lurreko irrati-nabigazioak hamarkadak ditu. DECCA, LORAN, GEE eta Omega sistemek uhin luzeko lurreko transmisoreak erabiltzen zituzten. Uhin horiek irrati-pultsu bat transmititzen zuten "nagusia"-ren kokaleku ezagun batetik, eta ondoren pultsu errepikatua hainbat estazio "menpekotik". Seinale nagusiaren harreraren eta seinale menpekoen arteko atzerapenari esker, hargailuak menpeko bakoitzarekiko distantzia jakin ahal izan zuen, eta irtenbide bat eman zion.

Satelite bidezko lehen nabigazio-sistema Transit izan zen, 1960ko hamarkadan AEBko armadak ezarritako sistema. Igarotze-eragiketa Doppler efektuan oinarritu zen: sateliteek orbita ezagunetatik egiten zuten bidea, eta irrati frekuentzia ezagun batean zabaltzen zituzten beren seinaleak. Hartutako maiztasuna ez dator bat sateliteak hartzailearekiko duen mugimenduarekin. Maiztasun aldaketa hau denbora tarte labur batean monitorizatuz, hartzaileak satelitearen alde batera edo bestera bere kokapena zehaztu dezake, eta horrelako hainbat neurketek satelitearen orbitaren ezagutza zehatz batekin batera kokapen zehatz bat finka dezakete. Satelite bidezko orbita-posizioko akatsak irrati-uhinen errefrakzioak, grabitate-eremuaren aldaketak (Lurraren grabitazio-eremua uniformea ez denez) eta beste fenomeno batzuek eragiten dituzte. 1970-1973ko Floridako Pan Am Aerospace Dibisioko Harold L Jurado buru zuen talde batek akats iturri askorentzako konponbideak eta/edo zuzenketak aurkitu zituen.  

Denbora errealeko datuak eta kalkulu errekurtsiboa erabiliz, akats sistematiko eta hondarrak murriztu egin ziren nabigaziorako behar adinako zehaztasunera.

Printzipioak 
Satelite baten emisio orbitalaren zati batek bere datu orbital zehatzak ditu. Hasiera batean, AEBetako Itsas Behatokiak (USNO) etengabe behatu zituen satelite horien orbitak. Satelite baten orbita desbideratu ahala, USNOk informazio eguneratua bidali zuen satelitera. Satelite eguneratu baten ondorengo emisioek bere efemeriderik berriena izango lukete.

Sistema modernoak zuzenagoak dira. Sateliteak datu orbitalak dituen seinale bat igortzen du (hortik satelitearen posizioa kalkula daiteke) eta seinalea transmititu zen denbora zehatza. Datu orbitalek almanaka zakar bat dute satelite guztiek aurkitu ahal izateko, eta efemeride zehatz bat satelite honentzat. Efemeride orbitala datu-mezu batean transmititzen da, denbora-erreferentzia gisa balio duen kode batean gainjartzen dena. Sateliteak erloju atomiko bat erabiltzen du konstelazioko satelite guztien sinkronizazioa mantentzeko. Hartzaileak satelite desberdinen transmisioan kodetutako emisio denbora alderatzen du (itsas mailan) edo lau (altitudea kalkulatzeko aukera ere ematen duena), satelite bakoitzarekiko hegaldi denbora neurtuz. Horrelako hainbat neurketa satelite ezberdinetan egin daitezke aldi berean, denbora errealean etengabeko finkapena sortzeko trilaterazioaren bertsio egokitua erabiliz: ikus GNSS posizionamenduaren kalkulua xehetasunetarako.

Distantziaren neurketa bakoitzak, sistema edozein dela ere, hartzailea jaurtigailutik distantzia neurtura jartzen du. Horrelako neurri batzuk hartuz, eta gero elkartzen diren puntu bat bilatuz, konponketa bat sortzen da. Hala ere, azkar mugitzen diren hargailuen kasuan, seinalearen posizioa mugitu egiten da hainbat satelitetatik seinaleak jaso ahala. Gainera, irrati-seinaleak pixka bat mantsotzen dira ionosferatik igarotzean, eta moteltze hori aldatu egiten da hartzailearen eta satelitearen arteko angeluarekin, horrek ionosferaren arteko distantzia aldatzen duelako. Oinarrizko kalkulua, horrela, lau satelitetan zentratutako lau maskor esferiko oblastetara zuzentzen den lerro laburrena bilatzen saiatzen da. Satelite bidezko nabigazio-hargailuek akatsak murrizten dituzte satelite anitzen eta korreladore anitzen seinale-konbinazioak erabiliz, eta gero Kalmanen iragazketa bezalako teknikak erabiliz datuak zaratatsu, partzial eta etengabe aldatzen dituena estimazio bakar batean konbinatzeko kokapenerako, denborarako eta abiadurarako.

Einsteinen erlatibitate orokorraren teoria GPSaren denbora zuzenketari aplikatzen zaio, emaitza garbia da GPS satelite erloju batean denbora lurreko erloju bat baino azkarrago aurreratzen dela eguneko 38 mikrosegundotan. [10]

Aplikazioak 
Satelite bidezko nabigazioaren jatorrizko motibazioa aplikazio militarretarako zen. Satelite bidezko nabigazioak zehaztasuna ematen du armak jomugan entregatzean, eta haien hilgarritasuna asko handitzen da, eta, aldi berean, gaizki zuzendutako armen ezusteko bajak murrizten dira. (Ikus bonba gidatua). Satelite bidezko nabigazioak, gainera, indarrak zuzentzeko eta errazago kokatzeko aukera ematen du, gerraren lainoa murriztuz.

Orain satelite bidezko satelite sistema bat erabiltzen da, Galileo, adibidez, erabiltzaileen kokapena eta beste pertsona edo objektu batzuen kokapena zehazteko. Satelite bidezko nabigazioak etorkizunean izango duen aplikazio-eremua izugarria da, sektore publikoa eta pribatua barne hartzen dituena, hainbat merkatu-segmentutan zehar, hala nola zientzia, garraioa, nekazaritza eta abar. [11]

Satelite bidezko nabigazio-seinaleak hornitzeko gaitasuna ere haien erabilgarritasuna ukatzeko gaitasuna da. Satelite bidezko nabigazio-sistema baten operadoreak gaitasuna du nahi duen lurraldean satelite bidezko nabigazio-zerbitzuak degradatzeko edo ezabatzeko.

Satelite bidezko munduko nabigazio-sistemak

GPS

Lehen jaurtiketa urtea: 1978

Estatu Batuetako Global Positioning System (GPS) Lur erdiko 32 satelitek osatzen dute, sei orbita-planotan. Satelite kopuru zehatza aldatu egiten da satelite zaharragoak erretiratu eta ordezkatu ahala. 1978tik martxan eta 1994tik mundu osoan eskuragarri, GPSa satelite bidezko nabigazio sistemarik erabiliena da munduan.

GLONASS

Lehen jaurtiketa urtea: 1982

Lehen sobietarra, eta gaur egun errusiarra, Global 'naya Navigatsionnaya Sputnikovaya Sistema (GLObal NAvigation Satellite System edo GLONASS) satelite bidezko nabigazio sistema bat da, erradionabigazio eta satelite zerbitzu zibila ematen duena eta Errusiako Defentsa Aeroespazialeko Indarrek ere erabiltzen dutena. GLONASSek estaldura global osoa du 1995etik eta 24 satelite aktibo ditu.

BeiDou

Lehen jaurtiketa urtea: 2000

BeiDou orain desagertu den Beidou-1 bezala hasi zen, Asia-Pazifikoko sare lokal bat, orbita geoestrategikoetan. BeiDou-2 sistemaren bigarren belaunaldia 2011ko abenduan jarri zen martxan Txinan. [12] BeiDou-3 sistema 30 MEO satelitek eta bost satelite geoestrategikok (IGSO) osatzea proposatzen da. 16 satelite dituen eskualdeko bertsio bat (Asia eta Ozeano Barea hartzen dituena) 2012ko abenduan amaitu zen. Zerbitzu globala 2018ko abenduan amaitu zen. [13] 2020ko ekainaren 23an, BDS-3 konstelazioaren hedapena erabat amaitu zen, azken satelitea Xichang Satelite Jaurtiketa Zentroan arrakastaz jaurti ondoren. [14]

Galileo

Lehen jaurtiketa urtea: 2011

Europar Batasunak eta Europako Espazio Agentziak 2002ko martxoan erabaki zuten GPSaren alternatiba propioa ezartzea, Galileo posizionamendu sistema izenekoa. Galileo 2016ko abenduaren 15ean jarri zen martxan (Global Early Operational Ability, EOC). [15] Aurreikuspenen arabera, 10.000 milioi euroko kostuarekin, [16] [17] 2010ean 30 MEO sateliteren sistema martxan jartzea aurreikusi zen. Martxan jartzeko hasierako urtea 2014 izan zen. [18] Lehen satelite esperimentala 2005eko abenduaren 28an jaurti zen. [19] Galileo GPS sistema modernizatuarekin bateragarria izatea espero da. Hartzaileek Galileo eta GPS sateliteen seinaleak konbinatu ahal izango dituzte zehaztasuna handitzeko. Galileo konstelazio osoa 24 satelite aktibok osatzen dute, azkena 2021eko abenduan jaurti zelarik. [21] Galileo Open Service seinalean erabiltzen den modulazio nagusia Offset Carrier (CBOC) modulazio bitar konposatua da.

Satelite bidezko eskualdeko nabigazio-sistemak 
NavIC

Indiar Konstelazioarekiko NavIC edo NAVigation satelite bidezko eskualdeko nabigazio sistema autonomo bat da, Indiako Espazio Ikerketarako Erakundeak (ISRO) garatua. Gobernuak 2006ko maiatzean onartu zuen proiektua, eta 7 satelite nabigatzaileko konstelazio batek osatzen du. [22] Sateliteetako 3 orbita geostationarioan (GEO) kokatzen dira, eta gainerako 4ak orbita geosinkronoan (GSO), seinale-aztarna handiagoa eta satelite kopuru txikiagoa izateko, eskualdea mapatzeko. Erabateko kokapen zehatza eman nahi da, 7,6 metrokoa (25 bider 25), India osoan eta haren inguruan 1.500 km inguruko (930 €) eremu batean. [23] Zerbitzu Eremu Zabal bat lehen mailako zerbitzu-eremuaren eta Indiaren erabateko kontrol-eremuaren artean dago, eta eremu laukizuzen bat, hegoaldean, 50º paraleloan iparralderantz eta 30º meridianoan ekialdetik 130º meridianoraino. [25]

Konstelazioa orbitan zegoen 2018. urtean, eta sistema erabilera publikorako zegoen eskuragarri 2018. urtearen hasieran. [26] NavICek bi zerbitzu maila ematen ditu: "posizionamendu estandarreko zerbitzua", erabilera zibilerako irekita egongo dena, eta "zerbitzu mugatua" (zifratua) baimendutako erabiltzaileentzat (militarrak barne). NavIC sistema zabaltzeko asmoa dago konstelazioaren tamaina 7tik 11ra handituz.

QZSS

Quasi-Zenith satelite sistema (ingelesez Quasi-Zenith Satellite System) Japonia eta Asia-Ozeania eskualdeak hartzen dituen GPSaren lau satelite bidezko denbora transferentzia eta hobekuntza sistema bat da. QZSS zerbitzuak 2018ko urtarrilaren 12an jarri ziren martxan, eta 2018ko azaroan jarri ziren martxan. Lehen satelitea 2010eko irailean jaurti zen. [28] Satelite bidezko nabigazio-sistema independente bat (GPSkoa) 2023rako dago aurreikusita, 7 sateliterekin. [29]

Sistemen konparazioa 

Erabiltzaileen posizionamendurako GNSS sistema anitzak erabiltzeak satelite ikusgarrien kopurua handitzen du, puntuen posizionamendu zehatza (PPP) hobetzen du eta konbergentziaren batez besteko denbora laburtzen du. [36] 2019ko azaroan, seinale-espazioko errorea (SISRE) 1,6 cm-koa izan zen Galileorentzat, 2,3 cm-koa GPSarentzat, 5,2 cm-koa GLONASSentzat eta 5,5 cm-koa BeiDourentzat, hurrenez hurren, sateliteen orbita eta erlojuak denbora errealean zuzentzean. MEO sateliteek osatutako satelite bidezko lau nabigazio sistema handiekin alderatuta, BDS-3 MEO sateliteen SISREa Galileoren 0,4 m baino zertxobait txikiagoa zen, GPSaren 0,59 m baino zertxobait handiagoa, eta GLONASSen 2,33 m baino nabarmen handiagoa. BDS-3 IGSOKO SISREA 0,90 m-koa zen, QZSS-IGSOKO 0,92 m-aren parean zegoena. Hala ere, BDS-3 GEO sateliteak jaurti berriak zirenez eta orbitan erabat funtzionatzen ez zutenez, haien batez besteko SISREa QZSS GEO sateliteen 0,91 metrokoa baino okerragoa zen.

Handitzea 
GNSS handitzea nabigazio-sistema baten atributuak hobetzeko metodo bat da, hala nola zehaztasuna, fidagarritasuna eta erabilgarritasuna, kalkulu-prozesuan kanpoko informazioa integratuz, adibidez, Eremu Zabaleko Handitze Sistema, Nabigazio Geoestrategikoaren Europako Gainjartze Zerbitzua, Satelite Multifuntzionalak Gehitzeko Sistema, GPS diferentziala, GPS-ak lagundutako GEO nabigazio areagotua (GAGAN) eta nabigazio inertzialeko sistemak.

Lotutako teknikak

DORIS 
Doppler Orbitografia eta Irrati-posizionamendua Satelite bidez Integratua (DORIS) Frantziako doitasunezko nabigazio sistema bat da. GNSSko beste sistema batzuk ez bezala, mundu osoko emisio estazio estatikoetan oinarritzen da, hartzaileak sateliteetan daudelarik, euren posizio orbitala zehaztasunez zehazteko. Sistema erabilera eta estaldura mugatuagoak dituzten lurreko hargailu mugikorretarako ere erabil daiteke. GNSS sistema tradizionalekin erabilia, posizioen zehaztasuna zentimetrora bultzatzen du (eta doitasun milimetrikora aplikazio altimetrikorako, eta Lurraren errotazio eta deformazioen urtaro aldaketa oso txikiak monitorizatzeko aukera ere ematen du), erreferentzia sistema geodesiko askoz zehatzagoa eraikitzeko.

LEO sateliteak 
Lurreko bi orbita baxu operatiboak (LEO) satelite bidezko telefono sareak gai dira unitate transbertsalen jarraipena egiteko kilometro gutxiko zehaztasunez, satelitearen doppler aldaketa kalkuluak erabiliz. Koordenatuak transkripzio-unitatera bidaltzen dira, eta bertan AT komandoak edo erabiltzaile-interfaze grafiko bat erabiliz irakur daitezke. [39] [40] Hori ere erabil daiteke sarbidean, geografikoki lotuta dauden dei-planoei mugak ezartzeko.

Nazioarteko erregulazioa 
Telekomunikazioen Nazioarteko Batasunak (ITU) honela definitzen du irrati-nabigazioko satelite bidezko zerbitzua: "irrati-determinazioko satelite bidezko zerbitzua, irrati-nabigaziorako erabiltzen dena. Zerbitzu honek funtzionatzeko beharrezkoak diren lotura feeder-ak ere izan ditzake ".

RNSS zerbitzu segurutzat hartzen da, eta interferentzietatik babestu behar den nabigazioaren funtsezko zatitzat.

Sailkapena 
ITU Irrati Erregelamenduak (1. artikulua) honela sailkatzen ditu irrati-komunikazioko zerbitzuak:

 Irrati-determinazio zerbitzua (1.40. artikulua)

 Erradiodeterminazio-satelite bidezko zerbitzua (1.41. artikulua)

 Irrati-nabigazio zerbitzua (1.42. artikulua)
 Irrati-nabigazioko satelite bidezko zerbitzua (1.43. artikulua)
 Itsas nabigazioko zerbitzua (1.44. artikulua)
 Itsas erradionabigazioa, satelite bidezko zerbitzua (1.45. artikulua)
 Aeronautikako irrati-nabigazio zerbitzua (1.46 artikulua)
 Irrati-nabigazio aeronautikoa-satelite bidezko zerbitzua (1.47 artikulua)

RNSSen erabileraren adibideak

 Handitu GNSS sistema.
 Mendeko zaintza automatikoa – Emisioa
 BeiDou satelite bidezko nabigazio sistema (BDS)
 GALILEO, Europako GNSS
 Posizionamendu Sistema Globala (GPS), GPS diferentzialarekin (DGPS)
 GLONASS
 NAVIC
 Quasi-Zenith Satelite Sistema (QZSS)

Maiztasunak esleitzea

Irrati-frekuentzien esleipena ITU Radio Erregelamenduko (2012ko edizioa) 5. artikuluaren arabera egiten da.

Espektroen erabileran harmonizazioa hobetzeko, zerbitzu-esleipen gehienak maiztasunen esleipen eta aprobetxamenduen taula nazionaletan txertatzen dira, dagokion herri-administrazioaren erantzukizunaren barruan. Esleipenak hauek dira:

 Primarioak: letra larriz idatzita adierazten dira.
 bigarren mailakoak: letra txikiz adieraziak.
 erabilera esklusiboa edo partekatua: administrazioen erantzukizunaren barruan.

Erreferentziak

Kanpo estekak 

Satelite bidezko nabigazio sistemak