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Articulo de referencia

Bloque III del GPS

{{Cite web |date=18 January 2023 |title=Sixth GPS III Satellite Built By Lockheed Martin Launches As Part Of Constellation Modernization |url=https://news.lockheedmartin.com/202...

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El Bloque III del GPS (anteriormente Bloque IIIA ) consta de los diez primeros satélites GPS III , que se utilizan para mantener operativo el Sistema de Posicionamiento Global Navstar. Lockheed Martin diseñó, desarrolló y fabricó la plataforma de pruebas de satélites GPS III (GNST) y los diez satélites del Bloque III. [ 5 ] El primer satélite de la serie se lanzó en diciembre de 2018. [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]

Historia

El Sistema de Posicionamiento Global (GPS) de Estados Unidos alcanzó su plena capacidad operativa el 17 de julio de 1995, [ 9 ] completando así sus objetivos de diseño originales. Los avances tecnológicos y las nuevas exigencias sobre el sistema existente impulsaron el esfuerzo por modernizar el sistema GPS. En el año 2000, el Congreso de Estados Unidos autorizó dicho esfuerzo, conocido como GPS III .

El proyecto incluye nuevas estaciones terrestres y nuevos satélites, con señales de navegación adicionales tanto para usuarios civiles como militares, y tiene como objetivo mejorar la precisión y la disponibilidad para todos los usuarios.

Raytheon obtuvo el contrato del Sistema de Control Operacional GPS de Próxima Generación (OCX) el 25 de febrero de 2010. [ 10 ]

El primer satélite de la serie estaba previsto para su lanzamiento en 2014, [ 11 ] pero importantes retrasos [ 12 ] lo pospusieron hasta diciembre de 2018. [ 6 ] [ 13 ] El décimo y último lanzamiento tuvo lugar el 21 de abril de 2026, completándose en menos de 8 años. [ 14 ] [ 15 ]

Si bien continuó con el esquema de nombres de satélites convencional en uso oficial, el Centro de Sistemas Espaciales y de Misiles de la Fuerza Espacial de los Estados Unidos también comenzó a nombrar extraoficialmente a cada satélite Block III en honor a un explorador famoso, navegante o un líder notable relacionado con la aviación/espacio. [ 16 ] Los 10 vehículos espaciales GPS III (SV) tienen los siguientes nombres: SV01 (SVN-74): Vespucci (Amerigo); SV02 (SVN-75): Magellan (Ferdinand); SV03 (SVN-76): Henson (Matthew), navegante del almirante Peary: posiblemente la primera persona en estar en el Polo Norte geográfico; SV04 (SVN-77): Sacagawea; SV05 (SVN-78): Armstrong (Neil); SV06 (SVN-79): Earhart (Amelia); SV07 (SVN-80): Sally (Ride); SV08 (SVN-81): Katherine Johnson, matemática de la NASA; SV09 (SVN-82): Onizuka (Ellison); SV10 (SVN-83): Lamar (Heddy). [ 17 ] El número "SVN" fue creado por la Fuerza Aérea (ahora Fuerza Espacial) para registrar históricamente los satélites GPS de la constelación GPS en el orden en que fueron adquiridos por el Gobierno (no lanzados). [ 18 ]

Desarrollo

El GPS III SV-01 en las instalaciones de procesamiento de GPS III de Lockheed Martin en Colorado, tras el exitoso acoplamiento del núcleo.

Los satélites Block III utilizan la estructura de la plataforma satelital A2100M de Lockheed Martin . Los tanques de propulsor y presurizador son fabricados por Orbital ATK con materiales compuestos ligeros y de alta resistencia. [ 19 ] Cada satélite llevará una antena con 8 elementos de antena desplegables JIB (tipo Jack-in-the-Box), todos diseñados y fabricados por Northrop Grumman Astro Aerospace. [ 20 ]

Ya retrasado significativamente más allá del lanzamiento previsto del primer satélite en 2014, [ 11 ] el 27 de abril de 2016, SpaceX , en Hawthorne, California , recibió un contrato de precio fijo de US$82,7 millones para servicios de lanzamiento para entregar un satélite GPS III a su órbita prevista. El contrato incluía la producción del vehículo de lanzamiento, la integración de la misión y las operaciones de lanzamiento para una misión GPS III, que se realizarían en Hawthorne, California; la Estación de la Fuerza Aérea de Cabo Cañaveral , Florida ; y McGregor, Texas . [ 21 ] En diciembre de 2016, el Director de la Dirección de Sistemas de Posicionamiento Global de la Fuerza Aérea de los EE. UU. anunció que el primer satélite se lanzaría en la primavera de 2018. [ 22 ] En marzo de 2017, la Oficina de Contabilidad General de los EE. UU. declaró: "Los problemas técnicos con el satélite GPS III y el sistema de control y verificación de lanzamiento OCX Block 0 se han combinado para poner en riesgo la fecha de lanzamiento prevista para marzo de 2018 para el primer satélite GPS III". [ 23 ] Los retrasos fueron causados ​​por varios factores, principalmente debido a problemas encontrados en la carga útil de navegación. [ 12 ] [ 24 ] Otros retrasos en la fecha de lanzamiento fueron causados ​​por la necesidad de pruebas y validación adicionales de un cohete SpaceX Falcon 9 que finalmente lanzó el satélite el 23 de diciembre de 2018. [ 25 ] [ 26 ] El 22 de agosto de 2019, el segundo satélite GPS III fue lanzado a bordo de un cohete Delta IV . [ 27 ]

El 21 de septiembre de 2016, la Fuerza Aérea de los Estados Unidos ejerció una opción de contrato de 395 millones de dólares con Lockheed Martin para los vehículos espaciales Block III noveno y décimo, que se esperaba que estuvieran disponibles para su lanzamiento en 2022. [ 28 ]

Historial de lanzamiento

Los 10 satélites GPS Block III ya han sido lanzados. Nueve están actualmente operativos, mientras que el tercero se encuentra en fase de puesta en marcha posterior al lanzamiento.

Nuevas señales de navegación

Nivel 2 civil (L2C)

Uno de los primeros anuncios fue la adición de una nueva señal de uso civil que se transmitiría en una frecuencia distinta a la frecuencia L1 utilizada para la señal de adquisición gruesa (C/A) GPS existente. Finalmente, esta se conoció como la señal L2C porque se transmite en la frecuencia L2 (1227,6  MHz). Puede ser transmitida por todos los satélites del bloque IIR-M y de diseño posterior. El plan original establecía que hasta que el nuevo sistema OCX (Bloque 1) estuviera en funcionamiento, la señal consistiría en un mensaje predeterminado ("Tipo 0") que no contiene datos de navegación. [ 51 ] El OCX Bloque 1 con los datos de navegación L2C estaba programado para entrar en servicio en febrero de 2016, [ 52 ] [ 53 ] pero se retrasó hasta 2022 o más tarde. [ 54 ]

Como resultado de los retrasos de OCX, la señal L2C se desacopló del cronograma de despliegue de OCX. Todos los satélites capaces de transmitir la señal L2C (todos los satélites GPS lanzados desde 2005) comenzaron a transmitir mensajes de navegación civil preoperacional (CNAV) en abril de 2014, y en diciembre de 2014 la Fuerza Aérea de los EE. UU. comenzó a transmitir cargas CNAV diariamente. [ 51 ] [ 55 ] A octubre de 2017, L2C se transmitía desde 19 satélites; para junio de 2022 había 24 satélites transmitiendo esta señal. [ 51 ] La señal L2C permanece en estado preoperacional con 25 vehículos espaciales transmisores en diciembre de 2025. [ 56 ] La señal L2C tiene la tarea de proporcionar una mayor precisión de navegación, proporcionar una señal fácil de rastrear y actuar como una señal redundante en caso de interferencia localizada.

El efecto inmediato de transmitir dos frecuencias civiles desde un mismo satélite es la capacidad de medir directamente, y por lo tanto eliminar, el error de retardo ionosférico de dicho satélite. Sin esta medición, un receptor GPS debe utilizar un modelo genérico o recibir correcciones ionosféricas de otra fuente (como un Sistema de Aumento Basado en Satélites ). Los avances tecnológicos en los satélites y receptores GPS han convertido el retardo ionosférico en la principal fuente de error en la señal C/A. Un receptor capaz de realizar esta medición se denomina receptor de doble frecuencia. Sus características técnicas son:

  • L2C contiene dos secuencias PRN distintas:
    • CM (por Civilian Moderate length code) tiene una longitud de 10.230 bits y se repite cada 20 milisegundos .
    • CL (por Civilian Long length code) tiene 767.250 bits y se repite cada 1.500 milisegundos (es decir, cada 1,5 segundos).
    • Cada señal se transmite a 511.500 bits por segundo ( bit/s ); sin embargo, se multiplexan para formar una señal de 1.023.000 bits/s.
  • CM se modula con un mensaje de navegación de 25 bits/s con corrección de errores hacia adelante , mientras que CL no contiene datos modulados adicionales.
  • La secuencia CL larga y sin datos proporciona una protección contra la correlación aproximadamente 24 dB mayor (~250 veces más fuerte) que L1 C/A.
  • Las características de la señal L2C proporcionan  una recuperación de datos 2,7 dB mayor y  un seguimiento de portadora 0,7 dB mayor que la señal L1 C/A.
  • La potencia de transmisión de las señales L2C es 2,3  dB menor que la de la señal L1 C/A.
  • En una aplicación de frecuencia única, L2C tiene un 65% más de error ionosférico que L1.

Se define en IS-GPS-200. [ 57 ]

Militar (código M)

Un componente clave del proceso de modernización fue el diseño de una nueva señal militar denominada código M, con el fin de mejorar la resistencia a las interferencias y el acceso seguro a las señales GPS militares. El código M se transmite en las mismas frecuencias L1 y L2 que utiliza el código militar anterior, el código P(Y). La nueva señal está diseñada para concentrar la mayor parte de su energía en los extremos (lejos de las portadoras P(Y) y C/A existentes). A diferencia del código P(Y), el código M es autónomo, lo que significa que los usuarios pueden calcular su posición utilizando únicamente la señal del código M. Los receptores del código P(Y) normalmente deben primero sincronizarse con el código C/A y luego transferir la señal para sincronizarse con el código P(Y).

A diferencia de los diseños GPS anteriores, el código M se transmite mediante una antena direccional de alta ganancia , además de una antena de gran angular (que cubre toda la Tierra). La señal de la antena direccional, denominada haz puntual , se dirige a una región específica (de varios cientos de kilómetros de diámetro) y aumenta la intensidad de la señal local en 20  dB (10 veces la intensidad del campo de voltaje, 100 veces la potencia). Como consecuencia de tener dos antenas, para los receptores dentro del haz puntual, el satélite GPS aparecerá como dos señales GPS que ocupan la misma posición.

Si bien la señal de código M de cobertura terrestre completa está disponible en los satélites Block IIR-M, las antenas de haz puntual no estarán disponibles hasta que se desplieguen los satélites Block III. Al igual que las otras nuevas señales GPS, el código M depende de OCX —específicamente del Block 2— que estaba programado para entrar en servicio en octubre de 2016, [ 53 ] [ 58 ] pero que se retrasó hasta 2022, [ 59 ] y esa fecha inicial no reflejó los retrasos de dos años en el lanzamiento del primer satélite previstos por la GAO. [ 60 ] [ 61 ]

Otras características del código M son:

  • Los satélites transmitirán dos señales distintas desde dos antenas: una para cubrir toda la Tierra y otra en un haz puntual.
  • Modulación de portadora con desplazamiento binario .
  • Ocupa un ancho de banda de 24 MHz .
  • Utiliza un nuevo mensaje de navegación MNAV, que se presenta en paquetes en lugar de en formato de trama, lo que permite cargas útiles de datos flexibles.
  • Existen cuatro canales de datos efectivos; se pueden enviar datos diferentes en cada frecuencia y en cada antena.
  • Puede incluir FEC y detección de errores.
  • El haz puntual es aproximadamente 20  dB más potente que el haz que cubre toda la Tierra.
  • Señal de código M en la superficie terrestre: –158 dBW para antena de cobertura terrestre total, –138 dBW para antenas de haz puntual.

Seguridad de la vida (L5)

La señal Safety of Life es de uso civil y se transmite en la frecuencia L5 (1176,45  MHz). En 2009, un satélite WAAS realizó las primeras transmisiones de prueba de la señal L5. El SVN-62 , el primer satélite GPS del bloque IIF, comenzó a transmitir la señal L5 de forma continua el 28 de junio de 2010.

Como resultado de los retrasos en el cronograma del segmento de control del GPS III, la señal L5 se desacopló del cronograma de despliegue del OCX. Todos los satélites capaces de transmitir la señal L5 (todos los satélites GPS lanzados desde mayo de 2010) [ 62 ] comenzaron a transmitir mensajes de navegación civil preoperacional (CNAV) en abril de 2014, y en diciembre de 2014 la Fuerza Aérea comenzó a transmitir cargas CNAV diariamente. [ 63 ] La señal L5 se considerará completamente operativa una vez que al menos 24 vehículos espaciales estén transmitiendo la señal, lo que actualmente se proyecta que ocurra en 2027. [ 62 ]

A partir del 10 de julio de 2023, L5 se transmite desde 17 satélites, después de la eliminación del bloque IIF, SVN-63. [ 64 ]

  • Mejora la estructura de la señal para un rendimiento superior.
  • Mayor potencia de transmisión que la señal L1 o L2C (~3  dB, o el doble de potente).
  • Mayor ancho de banda, lo que se traduce en una ganancia de procesamiento diez veces superior.
  • Códigos de propagación más largos (10 veces más largos que los utilizados en el código C/A).
  • Ubicada en la banda de Servicios de Radionavegación Aeronáutica , una banda de frecuencia disponible en todo el mundo.

La CMR-2000 añadió un componente de señal espacial a esta banda aeronáutica para que la comunidad aeronáutica pueda gestionar las interferencias en L5 de forma más eficaz que en L2. Está definido en IS-GPS-705. [ 65 ]

Nuevo nivel de licencia civil L1 (L1C)

L1C es una señal de uso civil, que se transmitirá en la misma frecuencia L1 (1575,42  MHz) que contiene la señal C/A utilizada por todos los usuarios actuales de GPS.

La transmisión de L1C comenzó cuando el Bloque 1 del Segmento de Control (OCX) del GPS III entró en funcionamiento, previsto para 2022. [ 54 ] [ 22 ] La señal L1C alcanzará su estado operativo completo cuando se transmita desde al menos 24 satélites del Bloque III del GPS, previsto para finales de la década de 2020. [ 66 ]

  • La implementación proporcionará código C/A para garantizar la compatibilidad con versiones anteriores.
  • Se garantiza un aumento de 1,5  dB en la potencia mínima del código C/A para mitigar cualquier incremento del nivel de ruido.
  • El componente de señal que no es de datos contiene una portadora piloto para mejorar el seguimiento.
  • Permite una mayor interoperabilidad civil con Galileo L1.

Se define en IS-GPS-800. [ 67 ]

mejoras

Mayor potencia de señal en la superficie terrestre:

  • Código M: −158 dBW / −138 dBW.
  • L1 y L2: −157 dBW para la señal de código C/A y −160 dBW para la señal de código P(Y).
  • L5 será de −154 dBW.

Investigadores de The Aerospace Corporation confirmaron que el método más eficiente para generar la señal de código M de alta potencia implicaría abandonar la cobertura terrestre completa, característica de todas las señales de enlace descendente de los usuarios hasta ese momento. En su lugar, se utilizaría una antena de alta ganancia para producir un haz puntual direccional de varios cientos de kilómetros de diámetro. Originalmente, esta propuesta se consideró como una modificación para los satélites Block IIF planificados. Tras un análisis más detallado, los responsables del programa se percataron de que la incorporación de una gran antena desplegable, junto con los cambios necesarios en el segmento de control operativo, suponía un reto demasiado grande para el diseño del sistema existente. [ 68 ]

  • La NASA ha solicitado que los satélites del Bloque III lleven retroreflectores láser . [ 69 ] Esto permite rastrear las órbitas de los satélites independientemente de las señales de radio, lo que permite separar los errores del reloj del satélite de los errores de las efemérides . Esta, una característica estándar de GLONASS , se incluirá en el sistema de posicionamiento Galileo y se incluyó como experimento en dos satélites GPS más antiguos (satélites 35 y 36). [ 70 ] Se incluirán en los satélites del Bloque IIIF. [ 71 ] Estos se instalaron posteriormente en los satélites SV 09 y 10. [ 72 ]

El SV10 llevará un terminal de comunicaciones ópticas desarrollado por el fabricante aeroespacial alemán Testat-Spacecom. De tener éxito, esta tecnología podría mejorar la precisión y la eficiencia del sistema de navegación utilizado por miles de millones de personas en todo el mundo. [ 74 ]

Segmento de control

El Segmento de Control Operacional (OCS) del GPS, que consta de una red mundial de centros de operaciones satelitales, antenas terrestres y estaciones de monitoreo, proporciona capacidades de Comando y Control (C2) para los satélites GPS Bloque II. [ 75 ] La última actualización del OCS del GPS, el Plan de Evolución Arquitectónica 7.5, fue aceptada operativamente en 2019. [ 76 ]

Segmento de control operativo de próxima generación (OCX)

En 2010, la Fuerza Aérea de los Estados Unidos anunció planes para desarrollar un segmento de control moderno, una parte fundamental de la iniciativa de modernización del GPS. El OCS continuará funcionando como sistema de control terrestre oficial hasta que el nuevo sistema, el Sistema de Control Operacional GPS de Próxima Generación (OCX), esté completamente desarrollado y en funcionamiento. [ 77 ]

Las funcionalidades de OCX se están entregando a la Fuerza Aérea de los Estados Unidos en tres fases distintas, conocidas como "bloques". [ 78 ] Los bloques de OCX están numerados del cero al dos. Con cada bloque entregado, OCX adquiere funcionalidad adicional.

En junio de 2016, la Fuerza Aérea de los Estados Unidos notificó formalmente al Congreso que los costos proyectados del programa OCX habían aumentado por encima de los 4250 millones de dólares, superando así las estimaciones de costos base de 3400 millones de dólares en un 25 %, lo que se conoce como una brecha crítica de Nunn-McCurdy . Entre los factores que llevaron a la brecha se incluyen la "ingeniería de sistemas inadecuada al inicio del programa" y la "complejidad de los requisitos de ciberseguridad en OCX". [ 79 ] En octubre de 2016, el Departamento de Defensa certificó formalmente el programa, un paso necesario para permitir que el desarrollo continuara después de una brecha crítica. [ 80 ]

En julio de 2021, se habían completado todas las instalaciones de las estaciones de monitoreo OCX. [ 81 ] Se espera que las estaciones de monitoreo OCX pasen a operar a principios de 2023, y la Fuerza Espacial de EE. UU. espera completar la aceptación operativa de todo el sistema OCX en 2027. [ 81 ]

El 17 de abril de 2026, el programa fue cancelado oficialmente por el ejecutivo de adquisiciones de defensa del Pentágono. La razón aducida fue que los problemas del programa habían resultado insuperables y que el costo proyectado había aumentado hasta casi igualar el costo de la flota de satélites GPS, alcanzando casi los 8 mil millones de dólares. En su lugar, la Fuerza Espacial modernizará el sistema de control existente. [ 82 ]

OCX Bloque 0 (lanzamiento y comprobación para el Bloque III)

El bloque OCX 0 proporciona el subconjunto mínimo de capacidades OCX completas necesarias para respaldar el lanzamiento y la verificación temprana en órbita del bus de la nave espacial en los vehículos espaciales GPS III. [ 22 ]

El Bloque 0 completó dos eventos de pruebas de ciberseguridad en abril y mayo de 2018 sin que se encontraran nuevas vulnerabilidades. [ 83 ]

En junio de 2018, el Bloque 0 realizó su tercer ensayo de lanzamiento integrado exitoso con GPS III. [ 83 ]

La Fuerza Aérea de los Estados Unidos aceptó la entrega del OCX Block 0 en noviembre de 2017 y lo utilizó para prepararse para el primer lanzamiento del GPS en diciembre de 2018. [ 84 ]

A mayo de 2022, OCX Block 0 ha brindado soporte exitoso para el lanzamiento y la verificación de GPS III SV 01–05. [ 85 ]

OCX Bloque 1 (funciones del GPS III civil)

OCX Block 1 es una actualización de OCX Block 0, momento en el que el sistema OCX alcanza la Capacidad Operativa Inicial (IOC). Una vez desplegado Block 1, OCX podrá, por primera vez, comandar y controlar los satélites GPS Block II y Block III, además de admitir la capacidad de comenzar a transmitir la señal civil L1C. [ 22 ]

En noviembre de 2016, la GAO informó que el Bloque 1 de OCX se había convertido en la causa principal del retraso en la activación de la misión PNT del GPS III. [ 86 ]

El Bloque 1 completó la iteración final de la Revisión Crítica del Diseño (CDR) en septiembre de 2018. [ 83 ] El desarrollo del software del Bloque 1 está programado para completarse en 2019, después de lo cual el software del Bloque 1 se someterá a 2,5 años de pruebas del sistema. [ 83 ]

OCX Bloque 2 (funciones militares GPS III, monitoreo de señal civil)

OCX Block 2 actualiza OCX con las funciones avanzadas de código M para usuarios militares y la capacidad de monitorear el rendimiento de las señales civiles. [ 78 ] En marzo de 2017, el contratista reorganizó su cronograma de entrega de OCX para que Block 2 se entregara a la Fuerza Aérea simultáneamente con Block 1. [ 87 ] En julio de 2017, se anunció un retraso adicional de nueve meses en el cronograma. Según el cronograma del programa de julio de 2017, OCX se entregará a la Fuerza Aérea de los EE. UU. en abril de 2022. [ 59 ] Los bloques 1 y 2 de OCX se entregaron finalmente a la Fuerza Espacial de los EE. UU. el 1 de julio de 2025. [ 88 ]

OCX Block 3F (lanzamiento y verificación para Block IIIF)

OCX Block 3F actualiza OCX con la capacidad de realizar lanzamientos y comprobaciones para satélites Block IIIF. [ 89 ] [ 81 ] Se espera que los satélites Block IIIF comiencen a lanzarse en 2026.

El contrato OCX Block 3F, valorado en 228 millones de dólares, fue adjudicado a Raytheon Intelligence and Space el 30 de abril de 2021. [ 90 ] A septiembre de 2024, está previsto que se entregue a la Fuerza Espacial de EE. UU. en 2026. [ 91 ]

Operaciones de contingencia

Las Operaciones de Contingencia del GPS III ("COps") son una actualización del Segmento de Control Operacional del GPS, que permite al OCS proporcionar funciones de Posicionamiento, Navegación y Sincronización (PNT) del Bloque IIF desde los satélites GPS III. [ 22 ] El esfuerzo de Operaciones de Contingencia permite que los satélites GPS III participen en la constelación GPS, aunque de forma limitada, sin tener que esperar hasta que el Bloque 1 del OCX entre en funcionamiento (previsto para 2022).

La Fuerza Espacial de los Estados Unidos adjudicó el contrato de Operaciones de Contingencia de 96 millones de dólares en febrero de 2016. [ 92 ] Las Operaciones de Contingencia fueron aceptadas operativamente en abril de 2020. [ 76 ]

Calendario de despliegue

El 17 de abril de 2026, el programa OCX fue cancelado oficialmente por el ejecutivo de adquisiciones de defensa del Pentágono, y se utilizará un OCS modificado. [ 82 ] Alrededor de 2025, el cronograma era:

Véase también

Referencias

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