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miércoles, mayo 30, 2007

El sistema Galileo (y van 4)

Uno de los lectores habituales, Serlio, me ha avisado de una noticia publicada en la web de Antena 3 (que por cierto, parece que han quitado), sobre el sistema Galileo, plagada de errores e imprecisiones. Recordaréis su trabajo guarda relación con el proyecto Galileo, y que gracias a él escribí tres artículos al respecto [1] [2] [3]. En la web aparece un vídeo y un resumen en texto del mismo. Lo que se oye en el vídeo es correcto, pero el resumen de texto... pues eso, carnaza de MalaCiencia.

El titular reza Galileo es el nuevo sistema de GPS utilizado por algunos aviones en nuestro país y luego más adelante explica que es algo así como un GPS para aviones. Y eso simplemente es una invención. Galileo no está especialmente diseñado para aviones, sino que al igual que el GPS, será un sistema de posicionamiento que podrá ser utilizado por cualquiera (viandantes, coches, barcos, y sí, también aviones). Lo que ocurre es que se han hecho unas pruebas con un avión. Pero no es algo que se esté utilizando, más que nada, por que Galileo está aun en pañales.

Más adelante se dice que las zonas oscuras desaparecen. Sin ser realmente un error, se omite la mención a las balizas, que sí se hace en el vídeo. Sin este dato, uno puede no saber a qué se refiere. Y aún así, no está de más una breve explicación. Veamos, como imaginaréis, los pilotos no se guían únicamente de forma visual. Los aviones modernos se guían por una serie de radiobalizas, dispuestas por tierra. Tenemos los NDB, que simplemente emiten una señal con un código que identifica a cada uno, y los VOR, que emiten también una señal con un código que los identifica, y además información sobre la dirección en la que viaja la señal (y por tanto, nos permite conocer en qué dirección se encuentra, sin necesidad de un receptor direccional). Es fácil deducir que existirán zonas donde por la orografía, distancia, condiciones atmosféricas o la propia curvatura de la Tierra (aunque la señal de los NDB es de baja frecuenica, y sigue dicha curvatura), existirán zonas donde no se reciba señal alguna de ninguno de estos aparatos. Esas zonas se llaman zonas oscuras, y serían el equivalente a las zonas sin cobertura de la telefonía móvil.

Bien, parece obvio que ese problema no debería existir con una red de satélites, ya que no hay nada que se interponga entre éstos y nosotros. ¿Nada? Bueno, sí, la propia Tierra. Ya comenté en otra ocasión que para recibir correctamente el servicio, necesitamos tener a la vista, sobre el horizonte, un número mínimo de satélites. Pero parece razonable pensar que con suficientes satélites, en las órbitas adecuadas, se puede dar cobertura a una superficie muchísimo mayor.

También se dice en otra parte: la señal de Galileo corregida por unos satélites especiales que son los Ecnos. Bueno, el sistema en cuestión se llama EGNOS (con «G» y en mayúsculas). No son únicamente satélites, sino que comprende también una red de estaciones terrenas, que son realmente la piedra angular del sistema (como veremos). Y además, no se utiliza para corregir la señal de Galileo. Como ya he dicho, el proyecto está aún en desarrollo, pero es que además, Galileo no se ha diseñado para ser compatible con EGNOS. El EGNOS se utiliza actualmente para corregir las señales de GPS y de GLONASS (que los rusos también tienen de eso). Serlio me explica en otro correo cómo funciona EGNOS, en detalle pero muy claro y sin demasiados tecnicismos, por lo que copio y pego directamente (lo que antes se llamaba «citar»):

A ver, la idea que hay detrás de EGNOS es la siguiente:

Cuando un receptor calcula su posición, esta posición tiene un margen de error que en el caso de GPS está en torno a los 20 metros. Este error se debe a varios factores, entre los cuales están el error en la posición transmitida del satélite (hay que tener en cuenta que la posición transmitida es una predicción de la trayectoria del satélite y por tanto sujeta a errores), el error en el reloj del satélite (no está bien sincronizado) o los retardos en la señal emitida desde el satélite debidos a efectos atmosféricos (ionosfera y troposfera).

Lo que se hace en EGNOS es disponer de unas estaciones (receptores) en tierra, de las cuales se conoce la posición con precisión milimétrica. Esta posición no se calcula con GPS (estaríamos como aquel que quería elevarse tirando de los cordones de sus zapatos) sino con técnicas geodésicas que, sinceramente, desconozco. Los receptores disponen entonces de dos posiciones: la verdadera y la que les está dando GPS en cada momento. Así pues, cada receptor conoce con total exactitud el error de GPS en ese punto de la tierra en cada instante.

Bueno, en realidad estos receptores son «tontos» y lo único que hacen es transmitir los datos recibidos de GPS a unos centros de cálculo, donde se combinan y procesan los datos que transmiten todos los receptores. Los algoritmos que se usan son bastante complicados, pero en el fondo de lo que se trata es de usar ese error conocido en cada estación y en cada momento, «separándolo» para deducir de ahí los errores en la órbita y en el reloj de cada satélite, y también se calcula un «mapa» ionosférico para poder corregir el retardo que produce esta capa de la atmósfera en la señal GPS.

Las correcciones de órbita y reloj de cada satélite y el mapa ionosférico se transmiten entonces a los usuarios vía los satélites geoestacionarios de que dispone el sistema. Así pues, un usuario cuyo receptor pueda trabajar con la señal EGNOS recibirá datos por un lado de GPS y por otro de EGNOS y calculará su posición con GPS aplicando las correcciones transmitidas en la señal EGNOS. El resultado es que mientras GPS da una precisión en torno a 20 metros, GPS+EGNOS da una precisión en torno a 2 metros.

Pero el motivo fundamental para el desarrollo de EGNOS no es la mejora en la posición. Uno de los problemas más importantes de GPS es que no hay ninguna garantía de que la posición calculada sea correcta, con ningún margen de error. Dicho de otra manera, es perfectamente posible que mi receptor GPS diga que estoy en Villabotijos de Arriba y resulta que estoy en Villabotijos de Abajo, 500 metros al sur. El receptor nunca me va a avisar de eso. Desde el punto de vista de las aplicaciones comerciales, esto es fatídico. Por ejemplo, se pretende usar GPS para cobrar el uso de peajes a los conductores. El sistema dice que has entrado en el peaje, pero tú dices que no, que no has entrado. Pues bien, el dueño del sistema de peaje no tiene ninguna manera de demostrar que lo has hecho, porque GPS no le da ninguna garantía en la posición calculada. Y no hablemos ya de aterrizaje de aviones por ejemplo, es perfectamente posible que GPS le diga al avión que está 100 metros más arriba o más al este de lo que realmente está, y el piloto no tiene ninguna manera de saber qué margen de error tiene el sistema en ese momento. Aterrizar así es de todo menos seguro.

Aquí es donde entra EGNOS. Además de las correcciones, EGNOS calcula unos parámetros mediante los cuales el usuario puede calcular el margen de error en la posición GPS con una cierta seguridad de que los datos son correctos. La probabilidad de que los datos estén mal y no lo sepamos es realmente baja: 10-7. Esto significa que si GPS (con las correcciones EGNOS) me dice que estoy en un cierto punto X, gracias a EGNOS sabré que la posición es correcta con un margen de 2 metros (o los que sean). Si EGNOS detecta que la información que proporciona no me puede garantizar esos 2 metros de error, me avisará de ello antes de, como mucho, unos 5 segundos, con una probabilidad menor que 10-7 de que no me avise. Esto significa que, por ejemplo, en un año, el margen de error calculado a partir de los datos dados por EGNOS será erróneo, como mucho durante unos 3 segundos. Es lo que se conoce como «Integridad» del sistema.

Se obtiene por tanto una garantía en la posición dada por GPS, y permite aplicar GPS en aplicaciones comerciales y críticas. Es sin duda el añadido más valioso que proporciona EGNOS, aunque a nivel de usuario llame más la atención lo de la mejora de la precisión.

El sistema EGNOS está completamente desarrollado, y según lo último que sé, funciona perfectamente en cuanto a prestaciones, pero hay algún problema en la integración de los sistemas que lo componen y «se cae» (deja de dar señales) cada no demasiado tiempo. Supongo que es cuestión de muy poco tiempo (meses) que se arreglen los problemas y esté completamente operativo.

Para usar el sistema EGNOS es necesario un receptor específico que lo soporte. Los receptores normales que venden para el coche (TomTom y cosas de esas) no lo soportan.

Al igual que EGNOS en Europa, existe un sistema prácticamente idéntico en EEUU, el WAAS, que lleva funcionando desde el 2003, y otro en Japón, el MSAS (del que desconozco más detalles). La única diferencia es que EGNOS proporciona correcciones para Europa, mientras que WAAS lo hace para Norteamérica y MSAS para Japón, pero son hasta tal punto compatibles que un receptor GPS+WAAS comprado en EEUU funcionará sin problemas con GPS+EGNOS en Europa o con GPS+MSAS en Japón, y viceversa. Esto es así porque la Organización de Aviación Civil Internacional (OACI, ICAO en inglés) ha estandarizado la frecuencia y las señales a enviar para cualquier sistema de aumentación basado en satélite (SBAS en inglés, EGNOS, WAAS o MSAS son ejemplos de tales sistemas) que quiera operar en aviación.

Otra cosa que me han contado sobre EGNOS, y en general sobre sistemas de navegación por satélite, es que es altamente improbable que nunca un avión comercial llegue a aterrizar usando exclusivamente un sistema de este tipo. Es probable que la OACI termine aceptando GPS+EGNOS o incluso Galileo como ayudas a la navegación aérea, pero como sistemas redundantes, es decir, que los aviones dispondrán de diversos sistemas de ayuda con el objetivo de usar unos si los otros dejan de funcionar adecuadamente. Te lo digo porque la noticia de Antena 3 invita a que vuele la imaginación de la gente (un avión aterrizando solo) y nunca se sabe, pero por lo visto eso no va a ser así al menos en las próximas décadas y, como he dicho antes, para aviones comerciales (otra cosa serán los militares con sus inventitos).

Para terminar, insistir en que EGNOS se desarrolló para funcionar con GPS cuando Galileo ni siquiera estaba diseñado y por tanto EGNOS no se diseñó para ser compatible con Galileo, y que el diseño y desarrollo de Galileo se ha hecho sin tener en cuenta la posible compatibilidad con EGNOS, por lo que Galileo y EGNOS serán incompatibles. Lo que sí es cierto es que Galileo se ha diseñado de forma que incorpore señal de integridad (lo que llamaba antes garantía) a nivel global, por lo que a priori no necesitaría un EGNOS para dar este servicio.

Bueno, mil gracias a Serlio.

Quisiera comentar una última reflexión, aunque no sea necesariamente mala ciencia. Se está empezando a utilizar el término GPS para denominar a cualquier sistema de posicionamiento por satélite, sea GPS o no. No olvidemos que GPS es un sistema concreto, desarrollado por EE.UU. Es algo similar a lo que sucede con palabras como «rotring» o «clinex», que en realidad son nombres de marcas comerciales, pero se utilizan para designar a los delineadores (¿se llaman así?) y pañuelos de papel, respectivamente, sean o no de dichas marcas (por cierto, la de los pañuelos, en realidad se escribe Cleenex Kleenex).

26 comentarios:

  1. Un pequeño inciso de MalaCiencia! Se dice Kleenex, con K! xD Me gusto el artículo, sigue así.

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  2. Pues yo creía que era Kleenex con K.

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  3. Yo también voto por Kleenex con K.

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  4. La denominación de los rotring es estilógrafos.

    Muy bueno el artículo.

    Saludos

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  5. Muy bueno el artículo como de costumbre, pero lo de "lo que antes se llamaba «citar»" me ha encantado :)

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  6. Efectivamente, parece que han eliminado la noticia. Después de rastrear cachés de Google y similares con poco éxito, finalmente he encontrado la noticia en esta página, hacia la mitad de la misma (bajo "GPS Y TRANSPORTE").

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  7. Me encanta tu blog. Es de lo mejor que hay por la red. Después de leerme todos los envios tengo ganas de más.

    Es muy bueno que existan blogs como este para que los que no tenemos gran conocimiento de la ciencia aprendamos un poco.

    Muchas gracias.

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  8. jesus navarro31 mayo, 2007 10:41

    Hola:

    Soy seguidor de tu blog, y aprovechando que tocas el tema, me atrevo con una pregunta. ¿Qué hay de cierto en lo de que, en caso de guerra, el ejército de EE.UU. podría alterar o falsificar la señal e incluso hacer inútiles los receptores GPS comerciales?

    Gracias

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  9. Muy bueno el articulo, leo tu blog asiduamente y me encanta. Por cierto, un diez para la explicación de Serlio detallada y sin entrar en tecnicismos.

    Respecto a llamar a todos los sistemas de navegación por satélite GPS es un error muy común y extendido. En realidad se deberia usar el termino GNSS (Global Navigation Satellite System).

    Al comentario de alterar la señal de GPS por el ejército de USA, decir que sí, que es possible y que ya se ha hecho. Existe una forma de degradar la señal conocido como SA (Selective Availability), que lleva desconectado bastante tiempo pero que siempre se podría volver a usar.

    Un saludo!

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  10. Jesús, si bien lo que cuenta stilghar sobre la SA es correcto, lo cierto es que es bastante improbable que los USA vuelvan a usarla, simplemente porque no lo necesitan. Tal como dijo el propio Clinton cuando anunció el fin de la SA:
    We have demonstrated the capability to selectively deny GPS signals on a regional basis when our national security is threatened.
    (Traducción libre: Hemos demostrado nuestra capacidad para denegar selectivamente la señal GPS de forma regional cuando nuestra seguridad nacional es amenazada.)

    Es decir, pueden oscurecer la señal de GPS donde quieran cuando quieran (no tengo ni idea de cómo lo hacen), mientras que con la SA, al ser una característica global, además de al enemigo, fastidiarían también a los sistemas civiles americanos, con lo cual por decirlo gráficamente se estarían pegando un tiro en un pie.

    Por otra parte están los sistemas de jamming, que consiste en transmitir en una zona señales en la misma frecuencia que GPS para interferirla, aprovechando que esta es bastante débil. De esta manera GPS deja de funcionar en esa zona.

    Parece ser que durante la (primera) guerra de Irak, los iraquíes utilizaron sistemas de jamming (¿rusos?) para que las tropas aliadas no pudieran usar GPS. No les sirvió de mucho, puesto que todos los sistemas fueron destruídos, uno de ellos... mediante un arma guiada por GPS. Al menos eso cuentan los americanos (al final de la noticia).

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  11. Tenéis razón con lo de Kleenex, con K. A mí lo que me sonaba mucho era lo de las dos "es".

    Ya está corregido

    La denominación de los rotring es estilógrafos.

    ¿Seguro? En la RAE lo ponen como sinónimo de estilográfica (la pluma), aunque sólo en algunos países latinoamericanos. Pero vamos, si tienes total certeza, yo me lo creo (la RAE no siempre tiene la razón, sobre todo en palabras técnicas).

    Lo de delineador me lo dijo en su día un profesor de dibujo técnico (cuando hacía BUP, es decir, hace... eh... bueno, da igual). Según la RAE eso es la persona que delinea, similar al delineante (aunque con algún matiz que se me escapa).

    En la Wikipedia lo he visto como "rapidógrafo", aunque nunca he oído esa palabra.

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  12. Sólo una pequeña corrección a lo de las ondas siguiendo la curvatura de la tierra.

    A ver. *Todas* las ondas electromagnéticas siguen caminos *rectos* desde su fuente de emisión, por lo que *no* se acoplan a la curvatura terrestre.

    Ahora bien, es cierto que existe el fenómeno de la difracción, por el cual una onda bordea un obstáculo. Por tanto, las ondas de radio largas (baja frecuencia) pueden "bordear" el horizonte y ser percibidas algo más allá del límite de horizonte visible desde el emisor. Pero ese "algo más allá" pueden ser unos kilómetros, como mucho centenares de kilómetros.

    Tal y como está expresada la frase, "aunque la señal de los NDB es de baja frecuenica, y sigue dicha curvatura", su significado es equívoco y puede llevar a engaño al lego, aunque estoy seguro de que el sentido que pretendía darle Alf es el que comento más arriba.

    Un saludo y sigue dando caña.

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  13. Mi padre es papelero desde hace 40 años y siempre los hemos llamado así. Otra cosa es que no venga recogida en el RAE la acepción.

    Saludos.

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  14. Sobre la geodesia, debido a mi trabajo, conozco un modo de obtener información con precisión milimétrica de la posición de estaciones terrestres. Intentaré ser breve:
    Con datos astronómicos recogidos con VLBA (una red de telescopios en EEUU) podemos obtener una precisión en la posición de los objetos astronómicos del orden de milisegundos de arco (a veces, incluso, microsegundos). Una técnica que se usa es obtener información de objetos cuya posición es altamente estable en el cielo. Si se observan variaciones en su posición, es indicativo de que realmente es la posición del telescopio la que se ha movido. Precisiones de microsegundos de arco en el cielo se traducen en milímetros en el suelo.

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  15. Cito: "Se está empezando a utilizar el término GPS para denominar a cualquier sistema de posicionamiento por satélite>"

    Pero GPS es mas corto :P

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  16. Manolo hay otro fenomeno a tener en cuenta y es que las ondas rebotan en la atmosfera http://historias-de-la-ciencia.bloc.cat/post/1052/107829

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  17. Mi padre es papelero desde hace 40 años y siempre los hemos llamado así.

    Entonces nada que objetar. Me lo apunto :-)


    Sobre que las ondas siguen la curvatura de la Tierra, efectivamente, era una simplificación.

    Las ondas electromagnéticas siempre viajan en línea recta, pero las de baja frecuencia (la llamada "onda corta"), rebotan en la ionosfera, y pueden "rodear" la Tierra (además del efecto de bordear obstáculos más pequeños que su longitud de onda).

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  18. Los profesionales del dibujo técnico se llaman delineantes. Y los rotring ya practicamente no se usan, han sido sustituidos por el ordenador.
    :)

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  19. Hace ya 10 años, en las clases de Introducción al Estudio de los Ecosistemas, recuerdo que al hablarnos del GPS, nos enseñaron también el sistema GPS Diferencial, que consiste en reducir al máximo el error del GPS mediante otro GPS situado en un punto geodésico del cual conocemos al detalle las coordenadas. ASí sabremos en todo momento el error que transmite el GPS. Funciona igual que el EGNOS, pero es un sistema casero que implica la ayuda de otra persona que controle el otro GPS en el punto geodésico.
    En fin, historietas de ecólogos de la década pasada.
    Saludos!

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  20. Alf, ¿entonces la señal de los NDB está en el rango de la onda corta? No lo deduje de tus palabras, por eso puse el comentario sobre la propagación en línea recta. Si lo hubiera sabido entonces hubiera supuesto que hacías referencia implícita al rebote en la ionesfera.

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  21. ¡Ay! Me he liado. He dicho que la baja frecuencia es onda corta, y no, es onda larga.

    Mirando en la Wikipedia, el rango de operación de un NDB está entre 190 kHz y 535 kHz (aunque se puede llegar a los 1,75 MHz. Eso es baja y media frecuencia, es decir, onda larga y onda media.

    Y la ionosfera no influye al estilo de la onda corta (alta frecuencia). No es por el rebote, sino que junto con la superficie terrestre, actua como guía de ondas (algo que estudié en su día, pero que me costó aprobar, y casi no me acuerdo ya).

    Ay, ay, ay. Confundir onda corta con baja frecuencia es una herejía para un teleco (aunque no sea de la especialidad de transmisión por ondas). Lo escribiré 100 veces y haré acto de contrición :-)

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  22. Respecto de rapidografo, viene de una marca comercial que se llamaba "rapidograf", competencia de "rotring".
    Respecto del gps diferencial, EGNOS es un sistema de GPS diferencial modificado; los equipos de GPS diferencial usan, en efecto, una estación base de posición conocida y transmiten las diferencias por radio al GPS diferencial (evidentemente lleva un receptor de radio).
    Otro método de corrección es el post-proceso, en el que se analizan los puntos medidos a posteriori, con un ordenador comparandolas variaciones en la "posicion" de un GPS fijo con el que hemos usado para las medidas.

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  23. que interesante pero no lo lei todo por que esta muy largo y tengo flojera leerlo.

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  24. ESTE TEXTO CUENTA CON INFORMACIÒN IMPORTANTE PERO ESTA MUY LARGO .Y SOLO AL QUE LE INTERESE PODRA LEERLO CON DETENIDA ATENCION.

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  25. En cuanto a lo del aterrizaje de un avión en automático, es posible desde hace mucho tiempo.
    Existe la navegación y aterrizaje por ILS. No recuerdo el significado de las siglas, pero, debido a las balizas y señales de pista, el avión puede situarse en la senda de planeo y aproximación a pista y conseguir aterrizar perfectamente. Cuando la visibilidad es nula en pista, se usa, y el piloto lo unico que hace es amoldar la velocidad del avión, pero esto último tambien se puede realizar en automático.

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  26. Un observación sobre este párrafo:
    "...en un año, el margen de error calculado a partir de los datos dados por EGNOS será erróneo, como mucho durante unos 3 segundos": Realmente, Es mucho más integro que esto. Creo que la cifra de 3 segundos la has obtenido dividiendo 10-7 por el número de segundos por año. Sin embargo, hay que entender que EGNOS está diseñado para la navegación aera, y por lo tanto, la famosa cifra de 10-7 hay que entenderla como 10-7 por maniobra aproximación de precisión (150 segundos). Eso nos da que sólo puede haber un fallo de integridad aproximadamente cada ... 47 años!

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