Ventajas de la nueva constelación GPS III

¡Eso fue entonces, esto es ahora! Cuando sean manejados por un nuevo sistema de control terrestre, los satélites GPS III ofrecerán el triple de precisión y ocho veces más de capacidad de antiatasco que los satélites que actualmente componen la constelación GPS de la Fuerza Aérea de los Estados Unidos. Los usuarios militares y civiles obtendrán amplios beneficios.

Todo cambió para el posicionamiento, navegación y cronometraje espacial alrededor del mundo el 23 de diciembre de 2018. O tal vez no lo hizo. Las innovaciones anunciadas por el lanzamiento del primer satélite GPS III tardarán años en producirse. Aquí tabulamos los avances que la tercera generación traerá sobre el GPS hasta la fecha, y revisamos el cronograma para su llegada real.

Aunque estas nuevas capacidades existen -en concepto- en el espacio, no pueden aprovecharse en tierra (o en el aire, o en el mar) hasta que un número suficiente de satélites GPS III adicionales se hayan unido a la constelación, y hasta que un nuevo sistema de control terrestre entre en funcionamiento. Esto ocurrirá -quizás- en 2023. En ese momento se desatará el talento de los satélites.

“A medida que más satélites GPS III se unan a la constelación, brindará un mejor servicio a un menor costo a una tecnología que ahora está totalmente entretejida en el tejido de cualquier civilización moderna”, declaró el teniente general John Thompson, comandante del Centro de Sistemas de Misiles y Espacio de la Fuerza Aérea de Estados Unidos y oficial ejecutivo de programas de la Fuerza Aérea para el espacio.

Las numerosas actualizaciones del GPS III deberían hacer que el servicio sea más fiable y preciso para los civiles, más seguro contra los que quieren atascar a los usuarios militares y más ciberseguro para todos.

Hablando de nuestra generación

Las constelaciones de GPS han crecido a través de seis grandes iteraciones desde 1978. El sexto, GPS IIF, aumentó durante los años 2010 a 2016. Esos 12 satélites están diseñados para durar 12 años. Algunas de sus características notables incluyen la capacidad de recibir cargas de software, una mejor resistencia a las interferencias y una mayor precisión.

El GPS III, la séptima generación, lanzará nueve satélites más para unirse al SV01 que ya se encuentra en el espacio. El lanzamiento del GPS III SV02 está previsto para julio de este año, el SV03 para finales de 2019 y el SV04 para 2020. La carga útil final III debería aumentar en 2023. A partir de ese momento, la siguiente era del GPS IIIF toma el relevo.

¿Cuánto tiempo, cuánto tiempo? “Las proyecciones sobre el tiempo que la constelación actual (seguirá siendo) plenamente capaz han aumentado en casi dos años hasta junio de 2021, lo que proporciona un cierto margen para compensar cualquier retraso adicional de los satélites”, informó la Oficina de Contabilidad del Gobierno a finales de 2017.

Esto proporcionó un cierto margen de tiempo para el lanzamiento del primer satélite GPS III, pero no redujo el deseo de lanzarlo tan pronto como el cohete propulsor estuviera disponible.

Las nuevas aves introducirán nuevas capacidades para satisfacer las mayores demandas de los usuarios militares y civiles: una vez completada, la constelación GPS III aportará una precisión tres veces mayor y una capacidad de antiatasco hasta ocho veces superior. La vida útil de las naves espaciales se extenderá a 15 años, un 25 por ciento más que la de los últimos satélites GPS y el doble de la vida útil original de los satélites más antiguos en órbita en la actualidad.

La nueva señal civil L1C emitida por GPS III es una señal interoperable con otros sistemas globales de navegación por satélite internacionales, como Galileo, que mejora la conectividad de los usuarios civiles.

Con el tiempo, el GPS III actualizará toda la capacidad del código M -llevado a bordo de los IIR-Ms y IIFs pero aún no completamente implementado- en apoyo de las operaciones de los combatientes. La capacidad del código M de GPS III excede la de GPS IIR-M y GPS IIF.

GPS III completará el despliegue de la señal civil L2C y las capacidades de señal de seguridad de vida L5 que comenzaron con los satélites \GPS IIR-M y GPS IIF.

Por último, el GPS III mejorará la integridad: la capacidad del satélite para detectar y emitir alertas con su propia precisión reducida, en caso de que ocurra ese fenómeno.

Encendido de la señal militar. Las señales codificadas con código M serán hasta ocho veces más potentes que las actuales. Esto los hace más confiables, pero también permite que los satélites superen los esfuerzos para interferir sus señales.

Otras señales también ofrecen una mayor potencia de señal en la superficie de la Tierra. L1 y L2: -158,5 dBW para la señal de código aC/A y -161,5 dBW para la señal de código P(Y). L5 será -154 dBW.

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Características de la familia. Las generaciones más recientes de la constelación GPS. IIR, IIR-M y III fueron producidos por Lockheed Martin, mientras que IIF fue construido por Boeing. Un satélite GPS IIA sigue en funcionamiento, con 25 años de antigüedad (la vida útil del diseño era de 7,5 años). Todos los satélites transportan cargas útiles de Harris Corporation. (Fuente del gráfico: Lockheed Martin y Boeing Co.)

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L2C, la segunda señal GPS abierta, después de L1 C/A, ha estado disponible en todos los nuevos satélites GPS desde el primer lanzamiento del IIR-M en 2005. L5, la tercera señal GPS abierta, estuvo disponible con el primer lanzamiento de IIF en 2010. Ahora L1C, la cuarta señal GPS abierta, se une a la banda, transmitiendo desde cada nuevo satélite GPS, comenzando con el reciente lanzamiento de GPS III.

El primer satélite GPS III está en proceso de comprobación y prueba que podría durar hasta 18 meses antes de entrar en servicio. “Después de su lanzamiento el 23 de diciembre, el GPS III SV01 completó con éxito la elevación de su órbita y el despliegue de todas sus antenas y paneles solares.

El 8 de enero, la carga útil de navegación del satélite comenzó a emitir señales de navegación”, dijo Johnathon Caldwell, vicepresidente de sistemas de navegación de Lockheed Martin. “Las pruebas en órbita continúan, pero las capacidades de la carga útil de navegación han superado las expectativas y el satélite está operando completamente sano”.

Probando, probando. Utilizando el programa Back-to-Basics de la Fuerza Aérea, que incluía prototipos y simulaciones tempranas, Lockheed Martin desarrolló el GPS III con un enfoque que incluía rigurosos certificados de calidad de construcción, pruebas de componentes y pruebas a nivel de sistema.

El amplio proceso de verificación y validación de las necesidades aseguró que se cumplieran más de 30.000 requisitos. La calificación funcional del sistema incluye la verificación del rendimiento en múltiples pruebas ambientales, incluyendo el vacío acústico, térmico (TVAC) y el espectro electromagnético.

“Consideramos que el vacío térmico es el estándar de oro para probar cualquier satélite antes de que entre en operación”, escribió en GPS World en diciembre el coronel Steve Whitney, director de la Dirección de GPS. “Realmente está poniendo el arte a prueba. Cuando pasa por las pruebas, el satélite está encendido. Está funcionando. Está expuesto al calor y al frío y a la presión cero mientras el satélite está en funcionamiento. La duración total de la prueba de vacío térmico de principio a fin es de unos 70 días.

Prueba como si volaras. Desde el momento en que se lanza y la secuencia de despliegue, lo probamos como si fuera real. Menos el temblor, el satélite cree que está siendo lanzado. Mientras tanto, nuestra gente está examinando los datos y su salud. TVAC es un gran hito para que un satélite lo atraviese y no tenga problemas”.

Hasta la fecha, más del 90 por ciento de las piezas y materiales para los 10 satélites GPS III han sido recibidos de más de 250 compañías aeroespaciales en 29 estados.

Cerebro del grupo

El primer GPS III
EL PRIMER satélite GPS III estaba completamente ensamblado y entró en el flujo de una sola línea de SV cuando los técnicos de Lockheed Martin integraron su módulo de sistema, núcleo de propulsión y cubierta de antena. (Foto: Lockheed Martin)

Harris Corporation es un subcontratista de Lockheed Martin para el desarrollo y la producción de unidades de datos de misión (MDU) GPS III y transmisores para la sección espacial GPS. Seis han sido entregados.

La MDU de Harris, junto con los estándares de frecuencia atómica y el equipo transmisor de banda L, forman el elemento de carga útil de navegación. La MDU cumple la misión principal del satélite GPS: la generación de las señales y datos de navegación de forma continua.

La MDU controla la generación de señales de temporización precisas utilizadas para las señales de navegación mientras distribuye las señales de temporización a otros componentes del satélite.

Esta MDU es 70 por ciento digital. Los próximos en llegar, a bordo de los satélites GPS IIIF, serán totalmente digitales.

Cuando se le preguntó sobre las ventajas de una carga útil totalmente digital, Jason Hendrix, director del programa PNT de Harris Corporation, dijo a GPS World en abril de 2018: “Las ventajas y la diferencia del 30 por ciento son la parte del sistema de cronometraje. Estamos pasando del cronometraje manual y analógico al digital para ofrecer más flexibilidad a la Fuerza Aérea. Es una buena opción tener que reprogramar en órbita y quizás mejorar las capacidades deseadas en el futuro”.

Vivir mejor, vivir más tiempo

La mayor duración de la misión es una de las mejoras clave que ofrece GPS III con respecto a las que se encuentran actualmente en servicio. Los vehículos espaciales 1-10 tienen una vida útil planificada de 15 años, un 25 por ciento más larga que la de sus predecesores. Esto plantea la pregunta: “¿Cuánto tiempo debe vivir un satélite en el espacio, con una innovación tecnológica que se produce casi anualmente?

La avanzada tecnología de carga útil proporciona una respuesta parcial. Lockheed Martin y Harris apuntan a nuevas capacidades de carga útil con flexibilidad incorporada para adaptar los satélites en órbita a los avances tecnológicos, así como a los cambios en las misiones. Según Harris, la carga útil de navegación completamente digital proporcionará la capacidad de cambiar y actualizar los satélites de forma incremental a lo largo de la vida útil de la misión.

A finales de 2017, Lockheed anunció una asociación con NEC Corporation para introducir la inteligencia artificial para el aprendizaje de computación en órbita. La compañía promocionó avances significativos en los procesadores y un cambio hacia antenas, matrices y transmisores de próxima generación para impulsar una mayor flexibilidad, capacidad y resiliencia de los satélites.

Desde cero

GPSIII con código M
El M-Code de GPS IIIF puede ser transmitido desde una antena direccional de alta ganancia en un haz de luz concentrado y de alta potencia, además de una antena gran angular, de tierra completa. (Vía: Lockheed Martin)

Las actualizaciones militares del GPS III requieren nuevas estaciones de control terrestre, un esfuerzo de reemplazo llamado OCX que ha sufrido repetidas demoras y aumentos de costos, debido a la complejidad de la programación y a las modificaciones de los requisitos. La nueva señal militar resistente a interferencias no estará disponible hasta que el nuevo y complejo sistema de control terrestre esté disponible, y eso no se espera hasta 2022 o 2023.

Las consideraciones sobre el retraso y los costes se debieron en parte a la plena aplicación de todas las normas de seguridad de la información del Departamento de Defensa 8500.2 “Defense in Depth” sin exenciones, lo que le confiere el nivel más alto de protección de la ciberseguridad de todos los sistemas espaciales del Departamento de Defensa.

Los entregables para GPS OCX se dividen en tres bloques. La entrega del bloque 0 tuvo lugar en otoño de 2017, lo que le permitió apoyar el lanzamiento de diciembre. La entrega del Bloque 1 tendrá lugar en 2021, proporcionando plena capacidad operativa para controlar tanto los satélites y señales heredados como los modernizados. El Bloque 2, entregado simultáneamente con el Bloque 1, añade el control operativo del L1C y el código M modernizado.

En 2018, escribió el Coronel Whitney de la Dirección de GPS, “Hemos utilizado activamente el sistema (del Bloque 0) en una variedad de ejercicios, eventos de entrenamiento, pruebas de compatibilidad y eventos de preparación para el lanzamiento. También completamos una revisión integral de la seguridad del sistema para demostrar nuestra disposición a iniciar las operaciones.

El sistema está listo para funcionar. Seguimos trabajando en el desarrollo del sistema OCX Block 1 y estamos terminando la codificación inicial del sistema a principios de 2019, lo que nos llevará a nuestra campaña de integración y pruebas”.

Dados los retrasos en OCX, “la Dirección está trabajando activamente en dos mejoras importantes para salvar la brecha”, continuó Whitney. “El primero es la modificación de las Operaciones de Contingencia GPS III (COps) que permitirá al 2º Escuadrón de Operaciones Espaciales (2SOPS) comandar y controlar la familia de vehículos GPS III en un estado de misión que se corresponde con las señales heredadas de hoy en día para todos los usuarios de todo el mundo.

La segunda modificación es el uso temprano del código M (MCUE), que permite a 2 SOPS hacer operativas las señales de navegación militar (código M) del GPS modernizado para el guerrero”.

Antes del lanzamiento de diciembre, OCX se sometió a rigurosas evaluaciones de vulnerabilidad de ciberseguridad que probaron la capacidad del sistema para defenderse contra amenazas cibernéticas tanto internas como externas. GPS OCX evitó la transmisión de datos de navegación y temporización corruptos en todas las pruebas, lo que reforzó la preparación del programa para GPS III.

“Hemos construido una defensa por capas e implementado todos los requisitos de seguridad de información para el programa en este sistema”, dijo Dave Wajsgras, presidente de Raytheon Intelligence, Information and Services. “La amenaza cibernética siempre cambiará, así que hemos creado OCX para evolucionar y asegurarnos de que siempre esté funcionando con este nivel de protección”.

La nueva carga útil de navegación de Harris ofrece una transición suave al uso de OCX. La carga útil de los primeros 10 satélites GPS III ha sido verificada para asegurar su compatibilidad con OCX, por lo que los mismos comandos OCX se adaptarán perfectamente al diseño completamente digital de Harris, minimizando los riesgos de integración y los costes asociados.

Según la GAO, “la capacidad de emitir una señal a través de satélites y un sistema de tierra y equipos de usuario para recibir la señal, tomará por lo menos una década una vez que los servicios sean capaces de desplegar receptores militares de equipos de usuario GPS (MGUE) en cantidades suficientes”. La edición de abril de 2019 de GPS World revisará la implementación del código M en todas las plataformas del Departamento de Defensa de los Estados Unidos.

El futuro no ha terminado todavía

En la primavera de 2018, Lockheed Martin presentó una propuesta para el programa GPS III Follow On (GPS IIIF), que añadirá capacidades mejoradas a los satélites. El nuevo hardware -una antena direccional de alta ganancia- dirige las señales en un haz puntual a un área limitada, pero hace estallar la señal a alta potencia para uso estratégico por parte de los militares.

Enlaces entre satélites. Los satélites del bloque IIIF llevarán catadióptricos láser para permitir el seguimiento de la órbita independientemente de las señales de radio de los satélites, lo que a su vez permitirá desentrañar los errores de reloj de los satélites de los errores de efemérides.

Una característica estándar de GLONASS, que se incluye en el sistema de posicionamiento Galileo, y que se voló como un experimento en dos satélites GPS más antiguos, 35 y 36.

En septiembre de 2018, la Fuerza Aérea seleccionó a Lockheed Martin para construir hasta 22 satélites adicionales bajo el programa GPS IIIF.

Traducido desde: GPSWorld

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