El posicionamiento en ambientes donde la señal de GPS está denegada o es débil puede ser un desafío hoy en día debido a nuestra dependencia de este método satelital de posicionamiento y a la posibilidad de que se limite el acceso a ellos. Desde el punto de vista militar, y más limitadamente en el civil, hoy en día existen diferentes alternativas que son útiles y operativas para poder conservar el posicionamiento, sin olvidar nunca que, desde el punto de vista marinero, la navegación astronómica siempre será una alternativa válida que hay que conservar, si bien no es útil para sistemas donde la necesidad de posicionamiento preciso, rápido y continuo es vital.
Introducción
En un mundo cada vez más dependiente de la tecnología, los sistemas de posicionamiento, navegación y sincronización temporal (PNT) se han convertido en pilares esenciales para una amplia gama de aplicaciones, desde la navegación aérea y marítima hasta las operaciones militares y la gestión de infraestructuras críticas. Sin embargo, la dependencia de los sistemas globales de navegación por satélite (GNSS), como el GPS, ha puesto de manifiesto vulnerabilidades significativas en entornos donde las señales satelitales pueden ser interferidas, denegadas o no están disponibles. Estas limitaciones, especialmente evidentes en conflictos modernos y zonas de crisis, han impulsado el desarrollo de tecnologías alternativas que garantizan operatividad y precisión en condiciones adversas.
Este artículo aborda los retos del posicionamiento y la navegación en ambientes sin GNSS, destacando soluciones innovadoras como los Sistemas de Navegación Inercial (INS) y las tecnologías PNT con unidades de distribución de datos (DDU). La negación de señales GNSS, ya sea por interferencias intencionadas (jamming), suplantación (spoofing) o limitaciones ambientales, representa un desafío crítico, particularmente en el ámbito militar, donde la precisión y la fiabilidad son esenciales para la navegación de plataformas y el funcionamiento de sistemas de armas. En este contexto, el artículo explora alternativas robustas como los sensores inerciales, que incluyen giroscopios de fibra óptica (FOG) y resonadores hemisféricos (HRG), capaces de proporcionar datos de posición y orientación sin depender de señales externas.
Estas tecnologías, combinadas con métodos como el posicionamiento astronómico, magnetómetros, redes celulares, Wi-Fi, Bluetooth y algoritmos de fusión de sensores, ofrecen soluciones complementarias que mitigan las limitaciones de los sistemas satelitales. Además, se destacan innovaciones como la astronomía robótica y la astrofotografía de alta resolución, que revitalizan técnicas tradicionales para adaptarlas a las necesidades modernas. Y, por supuesto, se concede la debida relevancia a los sistemas PNT avanzados, que integran posicionamiento, navegación y sincronización temporal de alta precisión, fundamentales para operar en entornos hostiles y, también, a la incorporación de unidades de distribución de datos (DDU) en plataformas navales permite una gestión eficiente de la información procedente de múltiples sensores, garantizando soluciones de navegación precisas y en tiempo real para sistemas de mando y control.
Estas tecnologías no solo son cruciales para mantener la operatividad en ausencia de GNSS, sino que también fortalecen la resiliencia frente a ciberataques y perturbaciones electrónicas, un aspecto vital en los conflictos actuales observados en regiones como Ucrania, Oriente Medio y otras zonas.
Alternativas y complementos al GPS
Sensores Inerciales
De entre todas las alternativas que pueden utilizarse para mantener el posicionamiento, cabe destacar en primer lugar los sensores inerciales, como acelerómetros y giroscopios, que pueden utilizarse para estimar la posición y orientación de un dispositivo en ausencia de señales de GPS.
Estos sensores miden cambios en la velocidad y la orientación angular del dispositivo a lo largo del tiempo. Más adelante se detallan los sistemas específicos como son el FOG (“Fyber Optics Gyro”) y el HRG (“Hemispherical Resonator Gyro”).
Ejemplos ya en uso hay muchos. Sin ir más lejos, los sistemas INS-FOG de Northrop Grumman, como el LN-200, se utilizan en submarinos de la Marina de los EE. UU. para navegación precisa en inmersiones profundas donde las señales GPS no están disponibles, en helicópteros e incluso en robots enviados al espacio. Para ello, este diseño combina giroscopios de fibra óptica con acelerómetros para mantener un seguimiento continuo de la posición durante misiones prolongadas.
Magnetómetros
Los magnetómetros miden el campo magnético terrestre y pueden utilizarse para determinar la orientación del dispositivo. Esta información puede combinarse con los datos de sensores inerciales para mejorar la precisión de la posición.
En cuanto a los ejemplos, tenemos que empresas como Honeywell han implementado su Magnetic Anomaly-Aided Navigation en aeronaves militares donde los magnetómetros comparan datos del campo magnético con mapas preexistentes para determinar la posición del avión en entornos con GPS denegado, como en zonas de conflicto con interferencias electrónicas.
Wi-Fi y Bluetooth
La detección de redes Wi-Fi y dispositivos Bluetooth en el entorno puede utilizarse para mejorar la precisión del posicionamiento. Al triangular la posición en función de las señales de múltiples puntos de acceso Wi-Fi o dispositivos Bluetooth conocidos, se puede estimar la ubicación del dispositivo. Estos sistemas también quedan a expensas de la recepción de señal y con las mismas vicisitudes de GPS denegados en ambientes Wi-Fi o Bluetooth denegados.
Redes móviles
Las torres de telefonía móvil y las redes celulares pueden utilizarse para estimar la ubicación del dispositivo. La triangulación de la señal de múltiples torres puede proporcionar una ubicación aproximada. Al igual que los sistemas anteriores, también a expensas de ambientes de telefonía denegados.
En operaciones urbanas, empresas como Rohde & Schwarz han desarrollado sistemas capaces de proporcionar posicionamiento a vehículos terrestres en áreas urbanas densas donde el GPS es interferido. Este sistema usa señales de torres 5G para complementar INS, ofreciendo una solución robusta en entornos con alta interferencia. Además, en Ucrania se ha visto cómo en determinadas ocasiones los drones atacantes empleados por las Fuerzas Armadas de dicho país aprovechaban las redes de telefonía rusas para el guiado final, beneficiándose de la infraestructura de su enemigo para mantener el control sobre sus vectores.
Sensores de Imágenes y Visión por Computadora
Las cámaras y los sensores de imágenes pueden utilizarse para reconocer características visuales en el entorno y ayudar en la estimación de la posición. En este caso, tenemos que equipos como el Vision Aided Navigation de Honeywell, probado en vehículos militares terrestres, utilizan cámaras ópticas e infrarrojas para comparar imágenes en tiempo real con mapas preexistentes, proporcionando posicionamiento preciso en entornos urbanos sin GPS.
Otros Sistemas de Posicionamiento por Satélite Alternativos
Otros sistemas de posicionamiento por satélite, como GLONASS, BeiDou o Galileo, pueden proporcionar señales en áreas donde la señal de GPS es débil, pero con las mismas limitaciones que este. Sin ir más lejos, Rusia ha ido completando su red GLONASS, logrando al menos capacidad de guiado hemisférica, mientras que la República Popular de China o la Unión Europea han conseguido hacer de BeiDou y Galileo alternativas fiables al GPS estadounidense.
Algoritmos de Fusión de Sensores
La combinación de datos de múltiples sensores utilizando algoritmos de fusión sensorial puede mejorar la precisión del posicionamiento en ambientes desafiantes. En este caso, se puede poner como ejemplo el sistema Assured PNT de BAE Systems, utilizado en vehículos como los M2 Bradley o en drones y municiones merodeadora y que es capaz de integrar datos de IMU, magnetómetros y radares Doppler mediante algoritmos de fusión para proporcionar navegación precisa en entornos GPS-denegados.
Mapas y Reconocimiento de Patrones
Utilizar mapas y la información sobre el entorno para predecir la posición del dispositivo basándose en patrones previos de movimiento. Por ejemplo, el sistema de navegación de Lockheed Martin para drones MQ-9 Reaper emplea reconocimiento de patrones basado en mapas digitales y sensores LiDAR para mantener la navegación en entornos sin GPS, como en misiones de reconocimiento en áreas con alta interferencia electrónica.
Posicionamiento astronómico
El posicionamiento astronómico es una técnica que utiliza observaciones celestes para determinar la posición geográfica de un punto en la Tierra. A lo largo de la historia, la navegación y la geolocalización han dependido en gran medida de las observaciones astronómicas. Aquí hay algunos conceptos clave y métodos asociados con el posicionamiento astronómico:
- Estrellas: La observación de estrellas es una de las formas más antiguas de navegación astronómica. Al medir la altitud angular de estrellas específicas en relación con el horizonte, se puede determinar la latitud del observador.
- Sol: La observación del sol también es fundamental para la navegación astronómica. La posición aparente del sol en el cielo varía a lo largo del día y del año. La altura del sol sobre el horizonte y su azimut pueden utilizarse para determinar la hora y la situación geográfica.
Es importante destacar que la efectividad de estas técnicas puede variar según el entorno específico y las condiciones climatológicas. En muchos casos, la combinación de varias de estas tecnologías en un sistema de posicionamiento integrado (como en sistemas de navegación inercial) puede proporcionar resultados más precisos y confiables.
Entre los múltiples ejemplos disponibles, se puede citar el sistema Celestial Aided Navigation, probado en vehículos terrestres militares desde 2021 y que utiliza rastreadores de estrellas para observar posiciones conocidas de satélites y estrellas, logrando una precisión de 30 metros en entornos sin GPS, ideal para operaciones nocturnas en áreas remotas.
Sistemas innovadores de posicionamiento astronómico
Hoy en día, además, se están desarrollando sistemas innovadores de posicionamiento astronómico ya que, aunque los sistemas modernos de posicionamiento, como el GPS y los navegadores inerciales, son ampliamente utilizados, la observación astronómica sigue siendo relevante en situaciones específicas.
Algunos enfoques innovadores y tecnologías emergentes relacionados con el posicionamiento mediante observación astronómica incluyen:
- Astronomía Robótica: Se están desarrollando sistemas robóticos que utilizan telescopios automatizados para observaciones astronómicas. Estos sistemas pueden calcular la posición de un punto específico en la Tierra al medir con precisión las coordenadas de estrellas y otros cuerpos celestes.
- Astrofotografía y Reconocimiento de Patrones: La astrofotografía de alta resolución y el reconocimiento de patrones pueden utilizarse para identificar estrellas y constelaciones en imágenes del cielo nocturno. Los algoritmos de visión por computadora pueden analizar estas imágenes para determinar la posición de un observador.
- Sensores CCD (Dispositivos de Carga Acoplada): Los sensores CCD son comúnmente utilizados en cámaras astronómicas para capturar imágenes de alta calidad del cielo. Estos sensores permiten mediciones precisas de la posición angular de estrellas y otros objetos celestes.
- Navegación Celestial en Tiempo Real: Algoritmos avanzados permiten la navegación celestial en tiempo real, donde los datos astronómicos se utilizan instantáneamente para calcular la posición actual. Esto puede ser útil en situaciones donde la recepción de señales de satélites GPS es limitada.
- Integración con Sensores Inerciales y Magnetómetros: La combinación de datos de sensores astronómicos con información de sensores inerciales y magnetómetros puede mejorar la precisión del posicionamiento, especialmente en entornos donde las condiciones atmosféricas pueden afectar las mediciones astronómicas.
- Telescopios Espaciales: El uso de telescopios espaciales, como los ubicados en satélites, puede proporcionar observaciones astronómicas desde ubicaciones privilegiadas en el espacio, mejorando la precisión de las mediciones.
- Desarrollos en Software Astronómico: La mejora continua en el software astronómico permite una mayor automatización en la identificación y medición de objetos celestes. Los programas de software avanzados pueden simplificar y acelerar el proceso de obtención de datos astronómicos para el posicionamiento.
- Redes de Telescopios: La creación de redes de telescopios interconectados puede facilitar la colaboración en la obtención y análisis de datos astronómicos. Esto puede mejorar la precisión y la redundancia en el posicionamiento basado en observaciones astronómicas.
Estas tecnologías innovadoras pueden no reemplazar completamente los sistemas de posicionamiento por satélite en entornos cotidianos, pero ofrecen soluciones innovadoras y complementarias, especialmente en situaciones donde la disponibilidad de señales de GPS es limitada o nula.
En definitiva, este repaso por la bibliografía y páginas especializadas nos indican que hoy en día, los GPS tienen y tendrán sistemas alternativos de posicionamiento útiles no solo para el posicionamiento global, sino para los sistemas específicos que necesiten un continuo y rápido posicionamiento absolutamente imprescindible en las aplicaciones militares.
Ejemplos de tecnologías actuales aplicables al mundo del posicionamiento y navegación en ambientes sin GNSS
En el ámbito militar, donde la fiabilidad es crucial para plataformas como submarinos, drones o vehículos terrestres, se necesitan soluciones que permitan operar sin depender de señales externas. En este sentido, existen alternativas como los sistemas INS-FOG y HRG ya que proporcionan navegación precisa en entornos hostiles. Otras, como los sistemas PNT con DDU integran datos de múltiples sensores para ofrecer soluciones robustas de posicionamiento y sincronización temporal.
En las próximas líneas procederemos a detallar las aplicaciones específicas de estas tecnologías. Además, abordaremos también los desafíos asociados a las mismas, desde los costos a la necesidad de una integración cuidadosa.
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