Satelite bidezko kokapen-sistema askotarikoak

Zubizarreta Arano, Xabier

Fraunhofer IIS-ko Satelite Hargailuen departamentuko ikertzailea (Nurenberg, Alemania)

Duela urte gutxi arte, iparrorratz eta mapen beharrik gabe, satelite bidez orienta zitezkeen bakarrak gobernu-erakundeak ziren. Baina geroz eta esparru gehiagotara ari dira iristen satelite bidezko kokapen-teknologiak. Arraroa da gaur egun GPS gabeko mugikorrik aurkitzea merkatuan. Baina GPS amerikarra al da satelite bidezko nabigazioa eskaintzen duen sistema bakarra? Dudarik gabe, Gerra Hotzaren testuinguruan, errusiarrak izan ziren aurrenak lehia horretan sartzen, beren GLONASS sistemaren bidez; baina, gaur egun, beste hamaika herrialdek dute beren satelite bidezko nabigazio-sistema.

satelite-bidezko-kokapen-sistema-askotarikoak
1. irudia. Trilaterazioaren printzipioa esplikatzen duen irudia.

A puntutik B puntura modu eraginkorrean bidaiatzeko, derrigorrezkoa da haien kokapena zehazki jakitea. Helburu hori lortu nahian dabil gizadia duela bi mila urtetik. XVI. eta XVII. mendeetako komertzio eta kolonizazioaren eta XX. mendeko gerra hotz eta beroen ondorioz, puntu horiek milimetro mailako zehaztasunez jakitera iritsi gara gaur egun. Horretarako, beharrezkoak izan dira matematika, astronomia eta erlojugintzako aurrerapenak.

Nabigazio egoki baterako, aurrena beharrezkoa da erreferentzia- edo koordenatu-sistema bat ezartzea. Antzinako greziarrek bazekiten Lurra esferikoa zela, eta, antza denez, haren tamainaren ideia hurbil bat ere bazuten. Aldaketa gutxirekin, gaur egunera iritsi da haien erreferentzia-sistema: latitude- eta longitude-sistema, alegia.

Latitudea definitzea eta neurtzea erraza izan zen; izan ere, erreferentzia natural bat zegoen, ekuatorea, eta bi poloak 90°-ko distantzia berera zeuden ekuatorearekiko. Hori guztia neurtzea erraza zen iparrizarrari esker. Longitudea neurtzea, ordea, zailago gertatu zen, ez baitzen neurketarako inolako erreferentzia naturalik. Longitudea neurtzeko sistemak sortzea izan zen XVII. eta XVIII. mendeetako hainbat zientzialari eta artisauren lana. Longitudea zehaztasunez jakitea estuki lotuta zegoen denbora neurtzearekin, Lurrak 24 orduan 360°-ko itzulia ematen baitu, alegia, orduko 15°. Hartara, bi tokitako ordu lokalen arteko aldea jakiterik bada, haien arteko longitude-diferentzia ere jakin daiteke.

John Harrison (1693-1776) arotz britainiarrak, 1761ean, 20.000 liberako saria —dirutza zen garai hartan— irabazi zuen, orduraino asmatu zen erlojurik zehatzena sortzeagatik. Erlojuak 27 kg pisatzen zuen, eta egunean segundo bakarreko akatsa eragiten zuen. Konparazio baterako, mila urte igaro beharko lirateke gaur egungo erlojuek daramaten kuartzozko kristalak segundo bateko akatsa eragiteko. Harrisonen kronografoari esker, longitudea zehaztasun onargarriarekin neurtzea lortu zen lehen aldiz historian.

XX. mendean, bestalde, nabigazioaren mundua zeharo eraldatu zuen irrati-gailu eta irrati-uhinen aurkikuntzak. Berehala jabetu ziren irrati-uhinak abiadura jakin batean hedatzen zirela. Zoritxarrez, berriro ere, denbora neurtzearen kontua suertatu zen arazo nagusia. Izan ere, irrati-uhinen hedapen-abiadura bizkorra zela medio, gero eta erloju zehatzagoak behar ziren zehaztasun nabariko neurketak egiteko. Funtsean, k transmisio-estazioaren kokapena (x k ,y k ,z k ) eta transmisio-unea zehazki jakinez gero, erraza litzateke haren eta hartzailearen arteko distantzia kalkulatzea (d k ). Horrenbestez, trilaterazio deituriko prozedurari esker, hartzailearen kokapena (x,y,z) kalkula daiteke, gutxienez 3 transmisio-puntu eta -une jakinez gero.

 ,(x−x1)2+(y−y1)2+(z−z1)2 = d1

 ,(x−x2)2+(y−y2)2+(z−z2)2 = d2

 ,(x−x3)2+(y−y3)2+(z−z3)2 = d3

Jakina, horretarako, denbora zehaztasunez neurtzea gakoa da. Gainera, hartzaileak irrati-uhinak jaso behar ditu, eta, horretarako, behar-beharrezkoa da transmisio-puntuak une oro eskura edo, hobe esanda, ikusgai izatea. 1957an, Sobietar Batasunak Sputnik 1 satelitea orbitan jarri zuen unean bertan, mundu osoko zientzialariak jabetu ziren Lurraren inguruko orbita baino toki aproposagorik ez zegoela une orotan eta toki orotan eskuragarri leudekeen transmisoreak ezartzeko. 60ko hamarkadako espazioko lehiaren ostean, GPS sistema ezaguna garatzen hasi ziren estatubatuarrak, baina 1995 arte ez zen erabilgarri izan eta 7 urte gehiago igaro ziren, harik eta Clintonen gobernuak militarren zehaztasun handiko seinalea publiko egin zuen arte. Handik gutxira, errusiarrak sartu ziren lehian, baina ez zuten lortu GLONASS sistema % 100 erabilgarri izatea 2011 arte.

Nahiz eta Estatu Batuak eta Sobietar Batasuna izan aitzindariak satelite bidezko kokapen-sistemetan, gaur egun, hainbat espazio-agentzia eta gobernu ari dira euren sistema propioa eraikitzeko urratsak ematen. Besteak beste, 2000. urtean, Galileo sistema garatzen hasi zen ESA (Europar Espazio Agentzia). Nahiz eta hasiera batean 2008rako erabilgarri izan behar zuen eta mundu mailan 4 m-ko zehaztasuna eskaini behar zuen (GPSa baino 10 aldiz hobea), proiektuko kide ziren estatuen tirabira politikoak eta Estatu Batuetako gobernuaren presioa direla medio, garapen-fasean dago oraindik. ESAren azken iragarpenen arabera, 2020rako erabilgarri izatea espero da.

Txinak ere hainbat urrats eman ditu BeiDou deituriko sistemarekin. 2006an garatzen hasi ziren sistema hori, eta, dagoeneko, guztiz erabilgarria da Asia-Pazifikoko zonaldean. Japoniak eta Indiak ere beren sistema propioak dituzte, QZSS (Ia-Zenit Nabigazio Sistema) eta IRNSS (Indiar Eskualdeko Satelite bidezko Nabigazio Sistema), hurrenez hurren; nolanahi ere, sistema autonomoak izan beharrean, beste sistemen «laguntzaile» gisa baino ez dute funtzionatzen. Esate baterako, japoniar QZSSak seinale sendoagoa eskaintzen du ingurune jakin batzuetan. Konstelazioko satelite guztiak gorapen-angelu handi batean daude une oro, hargailuaren gainetik, eta hortik datorkio bere izena. Hala, eraikinek oztopatutako hedapen-bideak ekiditea lortzen da, eta garbi iristen da GPS seinalea Japonian horren ohiko diren hiri-arroiletara.

Espazio-agentzien aurreikuspenak uste bezala betetzen badira, ohiko sistemak hobetu eta sistema berriak abian jarriko dira urte gutxiren buruan. Hala, nabigazio-sistemen satelite-kopuruak gorakada nabaria izango du.

2. irudia. Galileo satelitearen irudikapen artistikoa. Arg. J. Huart/ESA

Nahiz eta gaur egun eskura dauden satelite-sistemak horren ugariak eta desberdinak izan, antzeko funtzionamendua dute guztiek, aurretiaz aipaturiko trilaterazioarena, alegia. Normalean, sateliteek, beren kokapena kalkulatzeko, Kepler orbita izaten dute eta denboraren parametroa duen mezua igortzen dute. Mezu hori luzera eta maiztasun jakin bateko PRN (zarata pseudoaleatorioa) seinale zikliko batekin modulatzen da. PRN seinaleak frekuentzia-domeinuan zarata zuriaren antzeko espektroa duen arren, aurretiaz ezarritako sekuentzia jakin bat jarraitzen du. Hartara, korrelazio bidez, seinalea PRN kodearen zein unetan jasotzen den kalkula daiteke. PRN kodeko unea denbora-unearekin erlazionatzen duen parametroak ere igortzen ditu sateliteak. Beraz, igortze-denbora eta hartze-denborak jakinda, berehala jakiten da seinaleak zer distantzia bidaiatu duen: d bidaiatua = (t hartzea - t igortzea ) x c, non c argiaren abiadura baita.

Alabaina, bi arazo nagusi ditu metodo honek: aurrena, nahiz eta sistema jakin bateko sateliteen erloju guztiak zehazki sinkronizatuak egon, satelitearen erlojua eta hartzailearen erlojua ez daude sinkronizatuta. Gainera, sateliteetako rubidiozko erloju atomikoen zehaztasuna ez dago konparatzerik gure mugikorrek duten kuartzozko erlojuarekin. Arazo horren konponbidea, ordea, erraza da. Trilaterazioaren prozedurari beste aldagai bat eransten zaio, hartzaile eta igorlearen arteko denbora-aldea erakusten duena (dt). Beraz, kasu horretan, gutxienez lau satelite baliatu behar ditugu:

 ,(x−x1)2+(y−y1)2+(z−z1)2 +δt= d1

 ,(x−x2)2+(y−y2)2+(z−z2)2 +δt= d2

 ,(x−x3)2+(y−y3)2+(z−z3)2 +δt= d3

 ,(x−x4)2+(y−y4)2+(z−z4)2 +δt= d4

Bigarren arazoa, aldiz, konplexuagoa da. Izan ere, orain arte seinalearen hedapena uniforme eta konstantetzat jo dugu. Errealitatean, ordea, hainbat fenomenok alda dezakete seinalearen hedatze-bidea. Esate baterako, lurrazaletik 100 km eta 600 km bitarte aurkitzen den atmosferako geruza, ionosfera deitua, eguzki-erradiazioaren ondorioz ionizatutako partikulaz osatuta dago. Karga elektriko horrek aldatu egiten ditu irrati-uhinen abiadura eta hedapen-bidea. Bestetik, lurrazaletik gertuen dagoen atmosferaren zatian, troposferan, Lurraren atmosferaren masaren % 80 metatzen da. Gehienbat ur lurruna da, eta lurrunak ere airearen errefrakzio-indizea eta, beraz, uhinen hedapen-bidea aldatzen ditu. Azkenik, lurrazalean bertan, islapenak, bide anitzeko hedapenak (multi-path propagation) eta bideko oztopoek ere seinalea desbideratzen dute. Efektu horiek xehetasunez modelatzeko zailtasuna da satelite bidezko nabigazio-sistemaren zehaztasunaren errore-iturri nagusia.

3. irudia. Sateliteen eskuragarritasuna hiri-arroiletan.

Errore horiek neurri handi batean zuzendu daitezke DGPS sistema erabiliz (Mundu mailako Kokapen Sistema Diferentziala). Sistema horiek lurreko neurketa-estazio batzuetan oinarritzen dira. Neurketa-estazioek euren posizioa kalkulatzen dute GPS sistemako sateliteak edo satelite propioak erabiliz, eta beren kokapena aurretiaz zehatz-mehatz badakitenez, kalkulatutako kokapenaren eta kokapen errealaren arteko aldea kalkulatzen dute. Ondoren, efektu atmosferikoen errorea zenbatu daiteke, eta irrati bidez transmititu, interesatu dakiokeenari. Sistema horren bitartez, kokapen-zehaztasuna 10 m-tik 0,2 m ingurura hobetzea lortu daiteke. Zer esanik ez, DGPSaren erabiltzaile nagusiak abiazioaren alorretik, kartografiatik eta esparru militarretik datoz. Herrialde edo erakunde bakoitzak bere DGPS sistema propioa darabil, adibidez: WAAS estatubatuarra, EGNOS europarra, GAGAN indiarra, MSAS japoniarra eta SDCM errusiarra.

Beraz, bistan dago eskura dauden sistema guztiak erabiltzera joko dela etorkizunean, hainbat satelite-sistema batera erabiltzeko gaitasuna duten hargailuen bitartez. Hargailu horiek abantaila ugari eskaintzen dituzte. Adibidez, zerbitzu fidagarriagoa eskaintzen da, zenbait satelite-sistema, nahita edo nahigabe, erabili ezin geldituko balira ordezko beste hainbat hautabide izango bailirateke. Esan gabe doa, satelite-kopurua handituz gero, hargailua eraginkorra izango litzatekeen zonaldea ere zabalagoa izango litzateke. Gainera, sistema anitzetara egokituta egoteaz gain hainbat frekuentziatako seinalea jasotzeko ahalmena balu hargailuak, interferentziekiko sendoagoa izango litzateke. Bestalde, esan beharra dago halako hargailuek alde txarrik ere badutela; izan ere, konplexutasun handiagoa izateaz gain, satelite-sistema guztiak ez dira bateragarriak izateko pentsatu. Hau da, batzuetan, bi sistemen sateliteen kokapena oso antzekoa dela-eta eskaintzen duten hobekuntza edo informazioa erredundantea izan daiteke.

Satelite anitzeko hargailuak ezin izan dira duela gutxi arte praktikoki garatu, GPSa baitzen sistema erabilgarri bakarra. Azken urteetan, ordea, GLONASS eta BeiDou merkatura zabaldu izana lagungarri izan da halako hargailuak ager daitezen. Esate baterako, Apple eta Samsung-en azken mugikor-modeloek GPS + GLONASS bidezko kokapena eskaintzen dute, eta Xiaomi fabrikatzaileak —zeina gorabidean baitoa— BeiDou sistema gehitu dio binomio horri bere azken modeloetan.

4. irudia. Hainbat nabigazio-sistemak eskaintzen duten satelite-kopuruaren bilakaera. Iturria: Hiroaki Tateshita.

Non gauden jakitea betidanik izan da gizakion nahia eta beharra. Garai batean ezjakintasunean galduta egotetik, gure kokapena edonon eta edonoiz azkar eta zehatz jakitera igaro gara. Azken hamarkadetan, gainera, satelite bidezko kokapen-teknologiek gorakada itzela izan dute. Beste behin ere ikusi da nazio eta erakunde anitzen elkarlanari esker aurrerapen nabariak izan daitezkeela esparru zientifiko, tekniko zein sozialean ere.

Bibliografia

Bonet, B.; Alcantarilla, I.; Flament, D.; Rodriguez, C. & Zarraoa, N.: "The benefits of multi-constellation GNSS: reaching up even to single constellation GNSS users"In Proceedings of the 22nd International Technical Meeting of The Satellite Division of the Institute of Navigation, 2009, S. 22-25.
Borre, K.; Akos, D. M.; Bertelsen, N.; Rinder, P. & Jensen, S. H.: A software-defined GPS and Galileo receiver: a single-frequency approach. Springer, 2007.
"GPSWorld: Interchangeability Accomplished" In GPS World (2014).
"GPSWorld: Galileo: A Constellation of One?" In GPS World (2014).
Misra, P. & Enge, P.: "Global Positioning System: Signals, Measurements and Performance Second Edition". Lincoln, MA: Ganga-Jamuna Press. 2006.
Montenbruck, O.; Steigenberger, P. & Hauschild, A.: "From China with Love - The BeiDou Navigation System" In Satellite Navigation Seminar TUM., 2013.
Ruegamer, A.; Foerster, F.; Stahl, M. & Rohmer, G.: "A Flexible and Portable Multiband GNSS Front-end System" In ION GNSS 2012, 2012.
Someswar, G. M.; Rao, T. S. C. & Chigurukota, D. R.: "Global Navigation Satellite Systems and Their Applications" In International Journal of Software and Web Sciences (IJSWS) (2013), S. 17-23.
http://gpsinformation.net/main/altitude.htm.

          

Idatzi zuk zeuk Gai librean atalean

Gai librean aritzeko, bidali zure artikulua aldizkaria@elhuyar.eus helbidera
Hauek dira Gai librean atalean Idazteko arauak


Gehitu iruzkin bat

Saioa hasi iruzkinak uzteko.

Webgune honek cookieak erabiltzen ditu zure nabigazio-esperientzia hobetzeko. Nabigatzen jarraitzen baduzu, ulertuko dugu cookie horien erabilera onartzen duzla. Ezeztatuz gero, ezingo duzu webgune honetan nabigatu. Onartu
Informazio gehiago
Babesleak
Gipuzkoako Foru Aldundia
MAIER Koop. Elk.
KIDE Koop. Elk.
ULMA Koop. Elk.
EIKA Koop. Elk.
LAGUN ARO Koop. Elk.
FAGOR ELECTRÓNICA Koop. Elk.