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UAV Navigation en profundidad: Reinicio de semanas del GPS

INTRODUCCIÓN

1.   El Sistema de Posicionamiento Global (GPS) está diseñado de tal manera que desde cualquier punto de la superficie del planeta, al menos cuatro satélites de la constelación del GPS son siempre visibles.

2.   El sistema GPS se basa en la posición conocida de estos satélites en el espacio, además de señales de tiempo precisas (basadas en relojes atómicos estables) que transmiten a la superficie de la Tierra. Sin embargo, los relojes de los receptores típicos del GPS son menos precisos y el error que acumulan, por pequeño que sea, debe corregirse para que mantengan la precisión de la posición.

3.   Cada satélite GPS informa sobre su posición y la hora actual precisa a intervalos regulares. Estas señales se transmiten como ondas electromagnéticas y, por lo tanto, viajan a la velocidad de la luz. Por lo tanto, la posición puede ser calculada por triangulación entre al menos tres satélites y un receptor.

4.   Aunque el GPS se utiliza principalmente como sistema de posicionamiento, también puede utilizarse como referencia temporal precisa para sistemas críticos como la red eléctrica, las comunicaciones y el mercado financiero.

REINICIO SEMANAL DEL GPS

5.   La hora del GPS (GPST) se determina a partir de un conjunto de relojes compuestos por los relojes atómicos de cesio y rubidio dentro de las estaciones terrestres del GPS y los relojes atómicos a bordo de los satélites del GPS.

6.   Al igual que la UTC, la hora GPS es una media ponderada de la hora, pero con dos diferencias: El GPST está disponible en tiempo real, además de ser un tiempo continuo sin segundos intercalares. Está dirigido para estar lo más sincronizado posible con el UTC. Por ejemplo, en los últimos años la desviación del UTC fue de unos 10 ns. Desde enero de 2009 la diferencia entre UTC y GPST fue de aproximadamente 15 segundos.

7.   Esta diferencia de tiempo se transmite en el mensaje de datos de navegación del GPS, para que cada receptor pueda calcular el UTC.

8.   La constelación GPS también transmite a cada receptor el número de semanas que han pasado desde el inicio del sistema.

9.   La primera época del GPST comenzó a medianoche entre el sábado 5 de enero y el domingo 6 de enero de 1980; por lo tanto, a las 00:00:00 UTC del 6 de enero de 1980.

10.   El GPST se define como un número de semana junto con el número de segundos desde el comienzo de la semana, ya que se reinicia cada domingo a las 00:00 horas. Esto permite la traducción correcta de la fecha y la hora a un formato amigable: día, mes, año y hora.

11.   Como la semana del GPS está representada por 10 bits en el mensaje de navegación, esto limita el número de semanas a un rango de 0 a 1023, lo que equivale a 1024 semanas en total.

12.   Por lo tanto, la primera vez que se sobrepasó esta cifra y se restableció la semana 0 tuvo lugar entre el 21 y el 22 de agosto de 1999. La próxima vez que el contador llegue a la semana 1023 será el 6 de abril de 2019.

La semana que comienza a las 0000 horas de GPS en

El número de la semana del GPS emitido por los satélites

8 de agosto de 1999 1022
15 de agosto de 1999 1023
22 de agosto de 1999 0
29 de agosto dde 1999 1
24 de marzo de 2019 1022
31 de marzo de 2019 1023
07 de Abril de 2019 0
14 Abril de  2019 1

Ref: U.S. Naval Observatory

13.   Este fenómeno se conoce como "Reinicio de semanas del GPS" y puede provocar erroresel fracaso de en los equipos inferiores que no están adecuadamente preparados.

SOLUCIÓN DEL SISTEMA DE UAV NAVIGATION

14.   Los receptores GPS utilizados dentro de los sistemas de UAV Navigation están diseñados para superar el problema de reinicio de semana de GPS. El problema se resuelve asumiendo que cada número de semana subsiguiente debe ser mayor que el número de la semana que se utiliza como referencia.

15.   Esta semana de referencia para el reinicio está codificada en el firmware del producto y se establece un número de semanas antes del envío del producto y su firmware a un cliente. Además, este valor puede ser actualizado por el piloto automático si es necesario.

16.   Los receptores GPS utilizados por UAV Navigation en sus productos devolverán la fecha correcta por 20 años (1024 bits / 52 semanas/bits) a partir de la compilación del firmware.

17.   El siguiente es un ejemplo de cómo funciona esto en la práctica:

  • Supongamos que el número de referencia establecido en el receptor GPS es 1524.
  • Como se explicó anteriormente, el sistema GPS se reinició en 1999, por lo que esta semana fue transmitida por los satélites como 500 y corresponde a una semana del año 2009.
  • En este caso, si el receptor capta un número de semanas en un rango entre 500 y 1023, este número se interpretará como semanas entre 1524 y 2047, por lo que la semana estará entre los años 2009 y las primeras semanas de 2019 (abril de 2019). Si, por el contrario, recibe transmisiones con números de semanas del 0 al 499, se representarán como el número de semanas del 2047 al 2546 por lo que la semana corresponderá a un año del 2019 al 2029.
  • Si el número recibido es 625, el año representado será entre 2009 y 2019; para ser precisos, la semana 21 del año 2011:

625 = 500 + 125 [rango 500 a 1023]

113 = 52 (semanas/año) + 52 (semanas/año) + 21 (semanas/año)

  • Sin embargo, si el número recibido es 426, el año será entre 2019 y 2029; para ser precisos, la semana 10 del año 2027:

426 = 52 (semanas/año) x 8 + 10 (semanas/año)

2019 + 8 = 2027

 

 

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18.   UAV Navegación utiliza una semana en el año 2014 como referencia, por lo que el fenómeno de reinicio de la semana del GPS no causará problemas hasta el 2034 como muy pronto.

SUMARIO

19.   La aplicación del GPS en el sistema de UAV Navigation es robusta y está bien diseñada; ofrece protección contra el efecto de reinicio de la semana del GPS.

20.   Otros productos de calidad inferior de fabricantes competidores podrían no contar con esa protección y podrían fallar el 6 de abril de 2019.

21.   La protección contra este problema se ha incorporado en los productos de UAV Navigation hasta el año 2034. Sin embargo, la Compañía seguirá desarrollando soluciones innovadoras y proporcionando sistemas robustos en los que los fabricantes de plataformas puedan confiar mucho más allá de esa fecha.


 

 

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About

UAV Navigation is a privately-owned company that has specialized in the design of flight control solutions for Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) since 2004. It is used by a variety of Tier 1 aerospace manufacturers in a wide range of UAV - also known as Remotely Piloted Aircraft Systems (RPAS) or 'drones'. These include high-performance tactical unmanned planes, aerial targets, mini-UAVs and helicopters.