Explorando la Navegación Global por Satélite y su principal desafío: interferencias en GNSS

Los Sistemas de Navegación Global por Satélite (GNSS) han revolucionado nuestra forma de movernos, comunicarnos y operar en una variedad de sectores. Desde la navegación personal hasta la gestión de infraestructuras críticas, estos sistemas desempeñan un papel fundamental en nuestra vida diaria. Pero, ¿qué es exactamente el GNSS y cómo funciona? ¿Cuáles son sus aplicaciones y los desafíos que enfrenta?

Los Sistemas de Navegación Global por Satélite (GNSS por sus siglas en inglés, Global Navigation Satellite System), son un conjunto de constelaciones de satélites dedicadas a proporcionar servicios de posicionamiento y sincronización temporal a receptores ubicados en la tierra.

El origen de estas constelaciones se remonta a la década de 1960, cuando se realizaron las primeras pruebas, aunque su desarrollo y despliegue a gran escala se produjo en las últimas décadas del siglo XX y principios del siglo XXI.

El primer sistema de navegación global por satélite operativo fue el Sistema de Posicionamiento Global (GPS), desarrollado por el Departamento de Defensa de los Estados Unidos. Inicialmente concebido para fines militares, el GPS comenzó a ofrecer su señal para usos civiles en la década de 1980, lo que marcó el inicio de una revolución en la navegación y posicionamiento.

En la actualidad, se disponen de 4 constelaciones globales, y 7 constelaciones de aumentación/regionales. Las constelaciones globales dan servicio total a toda la tierra, mientras que las constelaciones regionales solamente a ciertas zonas (Europa, Norte América, etc.), estas últimas ayudan a incrementar la fiabilidad, prestaciones, y precisión de la solución proporcionada. Las principales características de las 4 constelaciones globales son:

¿Como funciona GNSS?

El cálculo de la solución de navegación a partir de la señal recibida por los satélites en órbita se realiza de la siguiente manera:

1. Recepción de señales: El receptor GNSS recibe señales de múltiples satélites.

2. Medición de tiempos de llegada: El receptor mide el tiempo que tarda cada señal en llegar desde los satélites hasta él. Dado que las señales viajan a la velocidad de la luz (y se conoce esta velocidad con precisión), el receptor puede calcular la distancia (comúnmente llamada pseudorango) desde cada satélite hasta su posición en función del tiempo de viaje de la señal. Esto puede hacerse ya que la forma de la señal recibida es conocida, no así su contenido.

3. Trilateración: Utilizando las distancias calculadas desde al menos tres satélites (cuatro, si además queremos obtener la solución de tiempo) el receptor puede determinar su posición mediante un proceso llamado trilateración. Mediante este proceso el receptor estima su posición a partir de la intersección de esferas o esferoides (las "esferas de distancia" desde cada satélite). El punto de intersección de todas las esferas es la ubicación estimada del receptor.

4. Corrección y cálculos adicionales: Además de calcular la posición mediante trilateración, el receptor GNSS también debe realizar correcciones adicionales para mejorar la precisión de la solución proporcionada. Estas correcciones permiten minimizar errores de reloj en los satélites, compensar el retraso atmosférico y tener en cuenta la relatividad general y especial.

5. Determinación de la solución final: Tras aplicar las correcciones pertinentes, el receptor proporciona la solución final de navegación, proporcionando valores de posición, velocidad y tiempo.

Aplicaciones de GNSS

Las aplicaciones de GNSS son diversas y abarcan una amplia gama de sectores y campos de actividad. Algunas de las aplicaciones más comunes incluyen:

• Navegación Personal: el uso más común de GNSS es en dispositivos de navegación personal, como pueden ser smartphones o navegadores en vehículos personales.

• Transportes: muy utilizado, no solamente para el posicionamiento de vehículos personales por carretera, sino también para la gestión en aviación, tráfico marítimo, y ferroviario.

• Logística: utilizado en el seguimiento de ubicación y monitoreo de activos.

• Geodesia y topografía: permite el análisis de precisión de cambios en el terreno, como pueden ser levantamiento/hundimiento de terrenos, cambios en la orografía, etc.

• Telecomunicaciones: proporciona servicios de sincronización entre las estaciones base de comunicaciones, ayudando a una gestión eficiente de las comunicaciones.

• Economía: proporciona sincronización temporal en las transacciones económicas mundiales.

• Infraestructuras y servicios clave: Empleado por los servicios de emergencias, seguridad, y defensa, así como para la sincronización en la gestión de la energía, como en el caso de centrales nucleares.

Algunas de las aplicaciones mencionadas arriba son consideradas como críticas, ya que un fallo en el servicio podría causar consecuencias desastrosas, tanto económicas como poner vidas en peligro.  Por este motivo, es de vital importancia un servicio de GNSS robusto.

Problemática de las Interferencias

Como hemos visto, los satélites GNSS se encuentran muy alejados de la superficie terrestre, en altitudes de alrededor de 20.000 km de distancia, lo que implica una gran atenuación de las transmisiones desde el espacio debido principalmente a las grandes distancias que la señal tiene que viajar para llegar a nosotros.

La señal en la tierra se recibe con una potencia aproximada de 1e-15 w, si 0.0000000000000001w. Es decir, la potencia recibida está muy por debajo del nivel de ruido. Estos niveles de potencia son comparables a la potencia recibida por una bombilla de uso doméstico, a una distancia de 20.000 km. Por lo tanto, estos sistemas son muy susceptibles a posibles interferencias, ya que cualquier transmisión dentro de la banda frecuencial operacional de GNSS podría afectar ostensiblemente el servicio GNSS. Estas interferencias pueden ser no-intencionadas (provenientes de otros sistemas o debidas al canal) o intencionadas (emitiendo deliberadamente en las bandas frecuenciales de GNSS).

En la actualidad, se han reportado numerosos casos de interferencias en GNSS. A continuación, se listan algunos ejemplos:

1. Interferencias provocando afectaciones en el servicio GNSS del aeropuerto de Newark (EEUU) provocadas por un conductor de camión utilizando un dispositivo de privacidad personal (link).

2. Interrupciones en el servicio GNSS en los aledaños del aeropuerto de Helsinki (link).

3. Interferencias detectadas a diario por aviones al sobrevolar los alrededores del Este de Europa, en los alrededores de zonas de conflicto bélico (link).

Como se puede observar, ofrecer un nivel alto de resiliencia a estas interferencias es clave para garantizar la disponibilidad global de los servicios ofrecidos por GNSS.

Las soluciones de Indra para transformar el futuro del sector espacial

En respuesta a estos desafíos, Indra, como líder mundial en consultoría y tecnología, ofrece soluciones innovadoras y especializadas para garantizar la seguridad y resiliencia en la navegación por satélite. Nuestra suite de soluciones para GNSS aborda estos desafíos de manera integral, proporcionando protección avanzada contra amenazas externas y garantizando la confiabilidad de las señales de posicionamiento en todo momento. Algunas de las características clave de nuestras soluciones incluyen:

• Detección y Mitigación de Interferencias: Nuestros sistemas utilizan algoritmos sofisticados y técnicas de procesamiento de señales para detectar y mitigar la interferencia en las señales GNSS, permitiendo a los usuarios mantener la precisión y la fiabilidad incluso en entornos hostiles.

• Autenticación de Señales: Implementamos mecanismos de autenticación de señales para verificar la legitimidad de las señales GNSS, protegiendo contra ataques de spoofing y garantizando la integridad de la información de posicionamiento.

• Resiliencia y Redundancia: Nuestras soluciones están diseñadas con redundancia incorporada y capacidad de conmutación automática entre sistemas GNSS y otras fuentes de posicionamiento, garantizando la continuidad operativa incluso en caso de fallos o interferencias.

• Monitoreo y Análisis en Tiempo Real: Ofrecemos herramientas avanzadas de monitoreo y análisis en tiempo real que permiten a los usuarios supervisar el estado de las señales GNSS y tomar medidas proactivas para mitigar cualquier amenaza potencial.

• Integración con Sistemas Existentes: Nuestras soluciones son altamente interoperables y pueden integrarse fácilmente con los sistemas GNSS y de posicionamiento existentes, minimizando los costos y el tiempo de implementación.

Ya sea que se trate de proteger infraestructuras críticas, optimizar operaciones comerciales o garantizar la superioridad en el campo de batalla, las soluciones de GNSS seguro de Indra ofrecen una defensa avanzada contra las amenazas emergentes en el espacio GNSS. Confía en nuestra experiencia y liderazgo tecnológico para asegurar la continuidad y la seguridad de tus operaciones en todo momento.

Indra, como líder innovador en el sector espacio, ha desarrollado la antena NavShield, una antena orientada a su uso en posicionamiento GNSS con capacidades de detectar, clasificar, mitigar, y localizar interferencias en las principales bandas de operación de GNSS. En el desarrollo de esta antena han participado más de cincuenta profesionales y expertos de distintas áreas de conocimiento dentro de Indra. Esta antena, con altas prestaciones anti-interferencia, es compatible tanto con Galileo como GPS, siendo la primera en su campo compatible con el Servicio Publico Regulado (PRS por sus siglas en inglés, “Public Regulated Service”) de Galileo. Todos los componentes empleados son embebidos en un chasis robusto y portable, proporcionando una solución compacta y eficaz que satisfaga los requisitos de nuestros clientes.

Rubén Morales

Ingeniero sénior en Espacio en Indra. PhD en Ingeniería de Telecomunicaciones por la Tampere University y la Universitat Autonoma de Barcelona. Recientemente, su tesis doctoral ‘Interference management and system optimization with GNSS and non-GNSS signals for enhanced navigation’ ha sido reconocida con el premio ‘Best PhD Thesis Award’ del IEEE AESS.