Francisco González Añón

Jefe del Programa GALILEO en EADS CASA Espacio

Desde la más remota antigüedad, los seres humanos se han hecho dos preguntas básicas en sus movimientos a lo largo de nuestro planeta:

• ¿Dónde nos encontramos?
• ¿Qué dirección debemos de seguir para llegar al punto deseado?

Para responder a estas dos preguntas, el hombre ha desarrollado diversos métodos, asociados en cada caso a los medios de que disponía en la época. Los diferentes sistemas de navegación desarrollados a lo largo de la historia habría que asociarlos a tres técnicas distintas:

• La Navegación Astronómica
• La Radionavegación basada en el uso de estaciones radioeléctricas terrestres.
• Y por último, la navegación por satélite.

Navegación Astronómica

Inicialmente, los navegantes debían de basarse en referencias visibles desde el mar, es decir, tenían que conocer las costas y todos sus detalles: perfil, escollos, etc. Cuando la costa no era visible, estimaban su rumbo observando el cielo: en nuestras latitudes, el Sol a mediodía, en su máxima elevación sobre el horizonte, definía el sur y, durante la noche la bóveda celeste parecía girar alrededor de una posición próxima a una estrella que hoy en día es la estrella Polar de la constelación de la Osa Menor.

Este método de observación del firmamento permitió la navegación a estima, donde a partir de un punto conocido de la costa se determinaba la posición en función de la distancia recorrida y del rumbo seguido.

A partir del siglo XII, con el descubrimiento de la brújula, la navegación a estima se independizó de la observación del firmamento, permitiendo que las navegaciones se alejaran de las costas.

Sin embargo, los importantes errores propios de la navegación a estima sólo se pudieron reducir a partir de la determinación de la Latitud, entendida como la elevación de la polar sobre el plano del horizonte durante la noche (u observando la elevación máxima del Sol al mediodía). Para esta medida fue fundamental que existiera el astrolabio, con el que Colón midió la latitud de Cuba con un error de 5°.

Ahora bien, nos falta otro dato para posicionarnos sobre la superficie terrestre: la Longitud. Esta puede obtenerse por diferencia, en un mismo instante, entre la hora local del observatorio de referencia y la del punto cuya longitud se quiere medir. El procedimiento más obvio es el cronómetro, pero evidentemente los relojes de la antigüedad o no existían o tenían tan poca precisión que hacía inviable el procedimiento.

Para poder determinar la longitud en tiempo real era preciso utilizar un evento celeste que fuese observable desde la nave y se pudiese predecir con antelación. Este método fue el usado por Colón en su segundo viaje a América, que midió la hora local de un eclipse de Luna y la comparó con el valor previsto por el observatorio de Nuremberg para dicha ciudad, cometiendo un error de 23° en su estimación.

A partir de 1725, los catálogos detallados de distancias angulares entre la Luna y estrellas zodiacales en función de la hora permitieron determinar la longitud con una precisión de medio grado, equivalente a unas treinta millas sobre el Ecuador.

Finalmente, a partir de 1760, los cronómetros consiguieron una precisión tal que permitió la terminación de la longitud con mayor simplicidad, hasta 1923 en que la radio permitió emitir las señales horarias.

Radionavegación

Llamamos radionavegación a la determinación de la posición del usuario mediante la utilización de señales radioeléctricas emitidas por estaciones terrestres. Se pueden clasificar dependiendo del principio en que se basan para determinar dicha posición:

• Determinación de la dirección de la que procede una señal enviada por un emisor de posición conocida.
• Determinación del tiempo transcurrido desde la emisión de la señal por un emisor hasta su llegada al receptor, y a partir de ello, hallar la distancia entre ambos.
• Determinación de la diferencia entre los tiempos de llegada de impulsos emitidos simultáneamente por dos estaciones y, a partir de ella, la diferencia de distancias del usuario a las mismas.

Las primeras radiobalizas (Non Directional Beacons NDB’s) se instalaron en la costa americana durante la 1ª Guerra Mundial. Emitían una señal de identificación en código Morse, y a miles de millas, los marinos podía determinar su posición tomando como referencia la señal procedente de dos o más estaciones.

Finalizada la 2ª Guerra Mundial, se creó la OACI (Organización de Aviación Civil Internacional) que implantó el VOR (Very High Frequency Omnidirectional Radio Ranging), lo que permite determinar la posición de cualquier aeronave con una precisión de 1°.

A la segunda de las categorías indicadas pertenecen los DME’s (Distance Measurement Equipment), en los que una estación de tierra, generalmente asociada en su posición a un VOR, responde a una señal enviada por el avión, quien al recibirla determina la distancia a la misma.

Existen otros sistemas como el Loran (Long Range Aid to Navigation) o el OMEGA, pero en cualquier caso ninguno de ellos permite que las aeronaves puedan seguir rutas directas desde le origen hasta su destino, si no es a través de una aerovía, definida por la localización de los VOR’s.

Es evidente que el volumen de tráfico aéreo actual –por mencionar sólo uno de lo usuarios de los sistemas de navegación por satélite- requiere nuevos sistemas de localización, con una precisión que los sistemas tradicionales no son capaces de garantizar, sin reducir los niveles de seguridad existentes.

Sistemas de Navegación por Satélite. Orígenes

Los sistemas de navegación por satélite aparecen durante los últimos veinte años, y suponen un salto cualitativo respecto a la radionavegación más moderna. Sus características de cobertura mundial, precisión, disponibilidad en todo instante y coste, lo convierten en el sistema ideal para reemplazar a los sistemas tradicionales de navegación terrestre, marítima, aérea o incluso espacial. Actualmente, solo existen dos sistemas: el norteamericano GPS y el ruso GLONASS.

El GPS lo financió el Departamento de Defensa americano, y lo desarrolló la empresa Boeing durante la guerra fría, inicialmente para utilización exclusiva del Gobierno y en particular de sus Fuerzas Armadas. Las aplicaciones militares son múltiples, y por mencionar sólo algunas, citaremos la localización de aeronaves o submarinos, unidades de tropas, el guiado activo de misiles, etc. Por tanto su control es exclusivo del Departamento de Defensa, que en cada momento puede decidir el ámbito de uso para los equipos no autorizados o reducir la precisión de los mismos, por medio de la degradación de la señal emitida por sus 24 satélites, que sólo puede ser descodificada por los receptores adecuados. Otra característica de este sistema en cuanto a su uso civil se refiere, es que no se garantiza, la precisión de la medida que en cada momento se está recibiendo.

Después del trágico derribo del Jumbo coreano sobre territorio ruso en 1983, la administración Reagan anunció que parte de las capacidades operacionales del GPS, podrían ser accesibles al uso civil. Esto podría ayudar a evitar que errores de navegación, tales como el que permitió que el Jumbo coreano se saliera de su ruta, sucedieran de nuevo.

Como consecuencia de esta facilidad para su utilización, y los esfuerzos realizados por lo fabricantes de receptores de GPS para miniaturizarlos, reduciendo el consumo de potencia de los mismos, así como el tiempo necesario para obtener su primera localización después de su conexión, han permitido un desarrollo acelerado de las aplicaciones civiles. A esto debemos añadir que, a partir de mayo 2000 el gobierno americano ha reducido algunas de las degradaciones que imponía a la señal recibida por los receptores comerciales, con lo que actualmente se puede obtener una precisión de aproximadamente metros metros horizontalmente. Existen receptores
GPS a partir de 120 euros.

Por su parte, el sistema ruso GLONASS, también tiene un origen militar, pero actualmente su capacidad operativa es limitada como consecuencia de las restricciones presupuestarias del gobierno ruso, que no han permitido reemplazar al ritmo adecuado los satélites obsoletos o averiados, con lo que actualmente la constelación apenas cuenta con la mitad de sus satélites en condiciones operacionales. Sin embargo, el gobierno ruso pretende, corregir esta situación en los próximos años, lanzando nuevos satélites para restablecer las condiciones óptimas de funcionamiento. A estos problemas hay que añadir la dificultad de encontrar receptores comerciales compatibles con esta constelación.

Sistemas de Navegación por Satélite. Cómo funciona

En el espacio hay tres coordenadas que deben ser determinadas: x,y,z. Por tanto necesitamos resolver tres ecuaciones independientes para hallar las tres incógnitas.

Podemos usar las distancias medidas desde tres satélites para construir las tres ecuaciones que necesitamos. Pero tenemos una incógnita extra –el error del reloj (clock bias) de nuestro receptor, que denominamos terror. Debido a esta incógnita, necesitamos un cuarto satélite, y una cuarta ecuación.

La fuente de la señal no necesita ser estacionaria, siempre que podamos predecir su posición y localización en todo momento. Afortunadamente, las órbitas de los satélites alrededor de la tierra son muy predecibles ya desde que Johannes Kepler descubrió las leyes y ecuaciones necesarias para describir los movimientos de los cuerpos pesados –la Luna alrededor de la Tierra, los planetas alrededor del Sol, etc.

Las órbitas de los satélites por tanto son conocidas, y ellos emiten un conjunto de información orbital conocido como efemérides, que nos indica dónde encontrar cada satélite en un momento dado. Nuestro receptor lee esta efemérides o almanaque y guarda esa información en una memoria no volátil, de forma que no se borre cuando apaguemos el receptor.

Supuesta conocida la posición de dichos satélites en el momento de efectuar la medición y la distancia del usuario a cada uno de ellos, se deduce que éste se encuentra en la intersección de las esferas con centro en cada uno de los satélites y radio la distancia entre ellos y el observador.

El receptor determina la distancia a cada satélite a partir del tiempo que tarda en llegar la señal emitida por el satélite. Midiendo la diferencia de tiempo entre el momento de su emisión y su llegada al receptor, y multiplicando por la velocidad de transmisión, podemos determinar la distancia entre ambos.

Para determinar el tiempo transcurrido, el satélite transmite una señal codificada que incluye en su información, el instante exacto en que fue emitida. La precisión de dicho parámetro es conseguida en el caso del GALILEO gracias a disponer cada satélite de cuatro relojes atómicos (dos de hidrógeno pasivo MASER y dos de rubidio RAFS).

Finalmente, es necesario que el receptor disponga de un reloj, que permita determinar el instante de llegada de la señal. Ahora bien, el reloj del receptor ni es tan preciso como los relojes atómicos de que dispone el satélite, ni está perfectamente sincronizado con los de los satélites, por lo que existe un error, que aunque fuera sólo de una millonésima de segundo, se calcula fácilmente que se traduce en un error de medición de:

Si a estos errores añadimos los debidos a la transmisión de la señal a través de la troposfera e ionosfera, así como el provocado por el ruido en el receptor, podemos concluir que, a pesar de los algoritmos de corrección que se añaden a las señales, la precisión máxima que se puede obtener con el GPS estándar es del orden de 100 metros en la posición horizontal.

Hay que recurrir a sistemas de mejora como el DGPS (diferencia de área local) que básicamente consisten en conocer con gran precisión la localización de una estación fija terrestre, que tras recibir las señales emitidas por los satélites, las compara con las que corresponderían a su posición exacta, determinando por tanto las correcciones que hay que introducir en las señales emitidas por los satélites.

Este sistema se puede ampliar para que sea válido en grandes áreas –por ejemplo toda Europa- llamados GPS diferenciales de área extensa, actualmente en desarrollo en EE. UU. (sistema WAAS), Japón (sistema MSAS) o Europa (sistema EGNOS).

Para ello se hace uso de una red de estaciones terrestres, que identifica por separado las distintas fuentes de error.

El programa Galileo

El objetivo último del programa Galileo es que Europa consiga disponer de un sistema, que bajo su exclusiva soberanía y control civil asegure un mercado en constante evolución, para la determinación de la posición, navegación y medida del tiempo. El Galileo ofrecerá tanto señales de acceso libre como de acceso controlado, con el fin de satisfacer una amplia variedad de demandas para diferentes grupos de usuarios.

1. El GALILEO aportará ventajas para los ciudadanos: Los sistemas GPS y el GLONASS existentes son gestionados por las autoridades militares, que pueden interrumpir las señales cuando lo desean, por ejemplo en caso de crisis. Además, adolecen de deficiencias graves, por ejemplo:
   • Ausencia de garantía y de compromiso de responsabilidad por parte de sus operadores, con las consecuencias imaginables, por ejemplo, en el caso de un accidente aéreo.
   • Fiabilidad no total: Los usuarios, por ejemplo, no son informados inmediatamente de eventuales errores, la transmisión es aleatoria, en particular en las ciudades y en las regiones en latitudes extremas.
   • La precisión es mediocre para las aplicaciones que exigen un posicionamiento rápido.
2.  El GALILEO es un servicio complementario al GPS. El hecho de disponer de dos servicios y por tanto de dos señales, refuerza su fiabilidad. El GALILEO incluye el segmento espacial así como la red de infraestructura de control en tierra, incluyendo los sistemas de mejora local o regional allí donde se requiera. Los requerimientos para las diferentes aplicaciones, así como los aspectos comerciales y de seguridad imponen tres tipos diferentes de servicios:
   1. Servicios de Propósito General
   2. Servicios Comerciales
   3. Servicios de Utilidad Pública

Los servicios de Propósito General proveerán navegación y tiempo con una  recisión mejor que los servicios existentes actualmente y serán aplicables a un amplio rango de aplicaciones como la aviación, marina, transporte por carretera, industria así como uso personal. Estará disponible para cualquiera que disponga de un receptor de GALILEO sin necesidad de ninguna autorización.

Los Servicios Comerciales proveerán servicios de valor añadido, previo pago de una tasa. Por ello, harán uso de los servicios de propósito general más datos encriptados que le darán un valor añadido. Esta opción incluirá servicios garantizados, avisos de integridad de la señal, así como mejoras para las correcciones de los retrasos ionosféricos, lo que permitirá la determinación de la posición con extrema precisión.

Por último, los servicios de Utilidad Pública proveerán, con alta precisión y certificación, señales utilizables para servicios de seguridad y otras aplicaciones críticas. Su acceso será controlado por medio de la encriptación de la señal, y entre sus aplicaciones más inmediatas habría que mencionar la aviación civil, el transporte ferroviario y por carretera, el control de sustancias peligrosas, control de aduanas, aplicaciones humanitarias, etc.

Una nueva aplicación de servicio público consistente en una antena SAR (Search and Rescue o Búsqueda y Salvamento) se ha añadido a la carga de pago de los satélites. Permitirá que los afectados por una situación de emergencia, puedan enviar una señal de socorro, que los localiza en su posición instantáneamente y les devuelve, a través del receptor Galileo integrado, la confirmación de que su petición de ayuda ha sido recibida (cosa que actualmente no sucede).

En la tabla I se detallan las características de cada uno de lo servicios disponibles. Los siguientes datos nos dan un idea de la importancia tanto económica como técnica que va a tener el programa GALILEO para Europa:

1. Aspectos Económicos:
   • Aproximadamente 3.300 M€ para el desarrollo y despliegue del sistema, (esto es equivalente al coste de unos 100 km de tren de alta velocidad)
   • Aproximadamente 6.000 M€ para el sistema completo incluyendo los costes de operación durante 12 años. Estos costes ha de ser compartidos por los 15 estados miembros de UE en 20 años.
   • Nuevos trabajos: La UE estima en al menos 100.000 nuevos puestos de trabajo se podrían crear hasta el 2020.
   • Beneficios Económicos: 74.000 M€ en 20 años de acuerdo con los estudios de la Comisión Europea.
2. Las características técnicas del Segmento espacial del sistema Galileo son las siguientes:
   • 30 satélites que dan una vuelta a la Tierra aproximadamente en 12 horas (el GPS cuenta con 24 satélites).•
   • Altitud: 23.616 Km
   • 3 planos orbitales con 10 satélites en cada uno y 56º de inclinación. (El GPS consta de 6 planos orbitales de 4 satélites en cada uno, y una inclinación algo menor, por lo que su cobertura en las latitudes extremas está menos garantizada que con el GALILEO).
   • Tiempo de vida de los satélites: > 15 años.
   • Tiempo de vida del sistema: > 20 años.
   • Peso de cada satélite: 625 Kg.
   • Dimensiones de los satélites: 2,7 ¥ 1,2 ¥ 1,1 m3
   • Potencia: 1.500 W
   • Transmisión continua de señales para integridad y medida de la distancia.
   • Contacto regular con estaciones de tierra para actualizar los datos de integridad (cada 100 minutos).
   • La integridad de datos, que son transmitidos por algunos satélites seleccionados, pueden ser actualizados cada segundo si se requiere.
3. Lanzadores:
   • Tres Ariane 5 con 8 satélites cada uno.
   • Tres Soyuz con 2 satélites cada uno.
   • Ambos lanzadores liberan los satélites directamente en su órbita final, con lo que estos no precisan un sistema de propulsión autónomo. Sólo llevan sistema de control de actitud.
4. Infraestructura terrestre: (Ver figura 2)
   • 5 estaciones (Up-link ULS) distribuidas para realimentar con datos de navegación y control a los satélites.
   • 12 estaciones distribuidas para órbita y sincronización (OSS), que reciben señales para la determinación de la órbita y parámetros del reloj.
   • 2 Centros de control para control y navegación de satélites.
   • 12 estaciones (Up-link) para integridad de la señal: 3 en Europa y 9 en otros continentes.
   • Estaciones que monitorizan la integridad de la señal recibida por los usuarios: 23 en Europa y 29 en otros continentes.
   • 2 centros de control para el cálculo de la integridad de la información.
   • Otras estaciones de tierra locales para incremento de la precisión, disponibilidad, continuidad e integridad (por ejemplo los aeropuertos).

¿Cuáles son las posibles aplicaciones del GALILEO?

Los destinatarios del GALILEO son los ciudadanos europeos, tanto en su actividad profesional como privada. Las oportunidades económicas, sociales y ambientales son enormes, como es fácil de demostrar:

El transporte: Mejora de la seguridad y comodidad, seguimiento permanente de pasajeros y mercancías y una mejora en los modos de transporte para servicios de puerta a puerta.

Por carretera: En un futuro muy próximo, todos los coches –y no sólo los más caros como ocurre actualmente– irán equipados con receptores GALILEO lo que permitirá al conductor conocer en todo momento donde se encuentra y cuál es el camino más corto y rápido para llegar a su destino. Las economías de escala harán que estos equipos sean cada vez mas baratos. El sistema permitirá gestionar mejor una flota de vehículos, así como localizar un vehículo robado, incluso si está oculto en un garaje, cosa imposible con el actual GPS.

Por avión: La gestión del tráfico aéreo constituye un reto importante dado su constante crecimiento y las condiciones de seguridad exigibles. El GALILEO será más fiable, interoperable y complementario de los sistemas actuales y paliará la inexistencia de un control aéreo adecuado en determinadas partes del mundo.

Por mar: Teniendo en cuenta que el 80% de los accidentes marítimos se deben a errores humanos, GALILEO facilitará información continua y precisa sobre la posición y ruta de los buques y reforzará los medios de búsqueda y salvamento tanto comercial como de recreo.

Por ferrocarril: Las aplicaciones son numerosas: control de tráfico, seguimiento de vagones y mercancías, señalización, etc.

Y mucho más: puede servir de herramienta de vigilancia geodésica en el urbanismo, construcción de puentes y carreteras. La mejora de los sistemas de información geográfica puede servir para gestionar mejor los suelos para la agricultura, protección del medio ambiente, seguimiento de materiales peligrosos, etc.

¿Cómo se financia el GALILEO?

Dada la actual política de los Estados Unidos de proveer la señal básica del GPS libre de coste, sería ilusorio imaginar que el sistema GALILEO pueda desarrollarse y utilizarse bajo financiación del sector privado. Como ocurre con otras grandes infraestructuras en Europa, una importante financiación pública es necesaria. Esto es imprescindible principalmente en las fases de investigación básica, validación del concepto, desarrollo y despliegue de la constelación.

Por lo tanto, después de un periodo de incertidumbre política, en la que algunos países mostraban serias reticencias al programa, en parte debido a las sutiles –o no tan sutiles- presiones norteamericanas que no ven con buenos ojos la existencia de un competidor que ponga en peligro su práctico monopolio actual, así como las implicaciones comerciales que posee, la Unión Europea ha alcanzado finalmente un acuerdo de financiación el pasado mes de marzo que comparte los costes entre la Agencia Espacial Europea (ESA) y los países de la Unión Europea estableciendo asimismo las bases para una futura participación privada en la financiación, una vez demostrada la funcionalidad del sistema.

¿Cuál es la posición española en el GALILEO?

Desde un principio, tanto la industria como el Gobierno español, a través de los Ministerios afectados y el CDTI (Centro de Desarrollo Tecnológico e Industrial) han apoyado sin reservas el proyecto GALILEO, tratando de conseguir que el papel que juegue España en un proyecto de esta envergadura, esté al nivel de nuestro papel en Europa, y de la financiación pública a la que España se ha comprometido (del orden del 11%).

Asimismo, se considera necesario la participación de la Administración española en los órganos de Gestión y Control del programa, sirviendo España como polo de expansión para Iberoamérica y Norte de África. Así, industrialmente las empresas y entidades más representativas del sector Espacial, es decir EADS CASA Espacio, GMV, INDRA, SENER, Alcatel Espacio, Hispasat y AENA, se han agrupado formando un consorcio llamado Galileo Sistemas y Servicios que, como interlocutor único ha negociado y finalmente acordado su integración en el consorcio Galileo Industries (GaIn) que compuesto a su vez por las tres más grandes compañías europeas: Astrium, Alenia y Alcatel Space, desarrollará tanto los segmentos espacial como terrestre del GALILEO.

En el Segmento Vuelo EADS CASA Espacio, desarrollará las estructuras, control térmico, antena de navegación, así como los Dispensadores que servirán para poner en órbita varios satélites simultáneamente, a través de los correspondientes lanzadores.

Otras empresas como GMV o INDRA tendrán un papel muy activo en el Segmento Tierra, o en la fase operacional.

¿Finalmente: cuál es la Planificación del programa?

Una vez alcanzados los acuerdos políticos que han desbloqueado el programa y su financiación, en los próximos meses va a comenzar la fase de desarrollo completa, que incluye:

• La terminación de los programas ya en marcha tendentes a validar las tecnologías que se utilizarán, relacionadas con los segmentos espacial y terrestre.
• El diseño de los segmentos espacio, tierra y del usuario del GALILEO.
• Desarrollo, integración y ensayo de la base de la constelación compuesta por un satélite experimental (GSTB-V2) (que debe de estar en órbita a finales de 2004), seguida de la Fase de Validación en Órbita (IOV) compuesta por tres o cuatro satélites operacionales, así como el correspondiente Segmento de Tierra, que han de demostrar el correcto funcionamiento del sistema en una versión reducida. Estos han
  de estar en vuelo alrededor del 2006.
• Entre el 2006 y el 2008, una vez demostrado el correcto funcionamiento del IOV, se lanzarán lo restantes satélites hasta completar el total de treinta, que deberán de completar la fase de despliegue a finales del 2008, comenzando en esa fecha la fase operacional para los diferentes tipos de usuarios.
• Posteriormente, se deberán de ir reemplazando aquellos satélites que hayan completado su ciclo de vida o sufrido alguna avería, de tal forma que el sistema mantenga su operatividad completa al menos durante veinte años.

Conclusiones

La oportunidad histórica que tiene España de incorporarse desde sus comienzos, a un programa de esta envergadura, con múltiples aplicaciones para todos los ciudadanos y teniendo una participación muy relevante, similar en orden de magnitud a la que van a tener países como Francia, Alemania o Italia, por esta vez no se va a desaprovechar.

Asimismo, la participación industrial e institucional, si se confirman las actuales perspectivas, será un hecho histórico que afianzará nuestra independencia tecnológica, y añadirá relevancia institucional a nuestro país en el contexto europeo.

Todos los que estamos directa o indirectamente involucrados en el GALILEO,
contemplamos el programa como un reto, pero a la vez con la esperanza de alcanzar un hito en el desarrollo tecnológico y espacial de nuestros países, tal y como ocurrió hace años en otros programas como el AIRBUS o el ARIANE, en los que muchos no creían y que el tiempo ha demostrado su éxito.