ppi 201502ZU4659
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ISSN 0254-0770 / Depósito legal pp 197802ZU38
UNIVERSIDAD DEL ZULIA
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DE LA FACULTAD DE INGENIERÍA
REVISTA TÉCNICAREVISTA TÉCNICA
“Buscar la verdad y aanzar
los valores transcendentales”,
misión de las universidades en
su artículo primero, inspirado
en los principios humanísticos.
Ley de Universidades 8 de
septiembre de 1970.
“Buscar la verdad y aanzar
los valores transcendentales”,
misión de las universidades en
su artículo primero, inspirado
en los principios humanísticos.
Ley de Universidades 8 de
septiembre de 1970.
VOLUMEN ESPECIAL 2020 No.1
Rev. Téc. Ing. Univ. Zulia. Volumen Especial, 2020, No. 1, pp. 03-55
Rev. Téc. Ing. Univ. Zulia. Volumen Especial, 2020, No. 1, 48- 55
Development of a method to determine the location of a
nanosatelite using ADS-B
Sergey Frolov1 ,Olga Chadrina*2 , Evgeny Titenko1 ,Aleksey Shitov1 ,
Khanis Andrey3 , Teterin Dmitry4 ,Gorbunov Andrey1
1Research Institute of Radioelectronic Systems, Southwest State University,305040, Kursk, Russian Federation.
2Facultad Ciencias de la Ingeniería e Industrias, Universidad UTE, Quito, Ecuador
3Department of Information Security, Southwest State University
4JSC Aviaavtomatika named after V.V. Tarasov, 305040, Kursk, Russian Federation
*Autor Contacto: olga.chadrina@ute.edu.ec
https://doi.org/10.22209/rt.ve2020a07
Recepción: 31/10/2019 | Aceptación: 31/01/2020 | Publicación: 01/03/2020
Abstract
The methods used to determine the position of the Cubesat, have important disadvantages, especially when they
are in areas without coverage, which is an inconvenience especially for the control. An alternative method is to determine the
position of the Cubesat using the ADS-B sensors installed on aircraft and ships; that is, a method that uses mobile references
and that are also available all the time. This work allows to ensure that the Cubesat effectively determine their position
using the location transmitted by the aircraft, using a signal triangulation method. The calculations show that the proposed
method is viable and that the accuracy can be improved by adding new reference sources and narrowing the area of signal
intersection.
Keywords: Aircraft, ADS-B;Earth; Nanosatellite; Cubesat
Desarrollo de un método para determinar la ubicación de un
nanosatelite utilizando ADS-B
Resumen
El método para calcular las coordenadas aproximadas de ubicación del Cubesat, utilizando los datos históricos
regla general, las desviaciones en los cálculos están asociadas con la alta velocidad del vuelo a lo largo de toda la órbita, la
2) y la dependencia simultanea de la
desarrollar un método que permita determinar la posición del Cubesat, mediante la recepción de la posición de aeronaves
y buques que utilizan ADS-B. Los cálculos demuestran el método y algoritmo propuestos pueden calcular no solamente la
orbitales enviados desde las estaciones radar para determinar la posición de un Cubesat.
Palabras clave: Aeronaves,ADS-B; Tierra; Nanosatélite; Cubesat
Rev. Téc. Ing. Univ. Zulia. Volumen Especial, 2020, No. 1, pp. 03-55
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Método para determinar la ubicación de un nanosatelite utilizando ADS-B
Introducción
La aparición de los nanosatélites del tipo
Cubesat representa el desarrollo natural de la tecnología
aeroespacial. El lanzamiento de los Cubesat en
comparación con otros satélites o estaciones espaciales es
más económico [1].
Entre las áreas prometedoras de aplicación
de los Cubesat, se encuentran las relacionadas con la
teledetección de la Tierra, el monitoreo a territorios y
Sin embargo, las naves espaciales modernas y
los Cubesat tienen limitadas capacidades para evaluar y
cantidad limitada de ciclos carga/descarga de las baterías,
las limitaciones de peso hacen que la carga útil lanzada al
espacio, no permita resolver las tareas de teledetección
las restricciones de masa y tamaño de los Cubesat, no
permiten que se implemente un sistema de estabilización
activo, por esta razón no pueden determinar su ubicación
a partir de los mapas de estrellas del cielo, o de imágenes
impuestos al diseño y funcionamiento determinan que
los sistemas de control de los Cubesat, adquieran mayor
importancia, ya que deben garantizar la determinación
continua de su propia ubicación y además determinar las
seguimiento.
Para determinar la posición de un Cubesat, se
utiliza diferentes métodos, algoritmos y/o combinaciones
entre ellos, que requieren altos niveles de cálculo
computacional. La mayoría utilizan coordenadas de
que son proporcionados por las Estaciones Terrenas de
es la precisión al momento de determinar la ubicación
del Cubesat, ya que las operaciones computacionales
más pesadas se realizan en los computadores de las
ETC. Sin embargo, estos métodos y algoritmos tienen
un inconveniente importante, que está asociado con las
limitaciones de transmisión de los datos, lo cual está a su
vez determinado por la ubicación orbital del Cubesat, ya
tierra.
El método para calcular las coordenadas
aproximadas de ubicación del Cubesat, utilizando los
bastante alto; ya que no considera las características
las desviaciones en los cálculos están asociadas con la alta
velocidad del vuelo a lo largo de toda la órbita, la limitada
2) y la dependencia simultanea de
de la tierra y la del Cubesat en el espacio.
Uno de los métodos alternativos para determinar
las coordenadas del Cubesat en el espacio es el sistema
los sensores colocados en los aviones.
ADS-B es un sistema de información y
medición que permite a los pilotos en la cabina de la
observar el movimiento de las aeronaves y recibir datos
de navegación aérea, en un computador sin utilizar los
radares tradicionales.
ADS-B no está diseñado directamente para
resolver el problema de triangulación, el formato del
campo “trek” en los sistemas ADS-B es de 5 dígitos, lo cual
considerando que la propagación de la señal emitida
por las aeronaves es omnidireccional, estas pueden ser
captadas por los dispositivos electrónicos del Cubesat
y servir como base para resolver el un problema de
Aplicado el problema de triangulación
•
y buques; cuya posiciónes transmitida por el
sistema ADS-B;
• Se desconoce el momento exacto en el cual, las
señales ADS-B son enviadas
•
lo referente a la emisión de paquetes de datos
desde los sensores ADS-B, mientras que el
Cubesatse considera pasivo.
• El cálculo del cambio de ubicación para la
triangulación se realiza a bordo del Cubesat;
•
sincronización.
Un Cubesat puede estar compuesto por diversos
módulos [3] siendo de principal interés el módulo de
Control [4], ya que dependiendo de las acciones de control
realizadas [5] se puede dividir en:
1) Control de la maniobra del Cubesat, es decir,
el cambio de posición y velocidad simultánea,
cambiando la magnitud y la dirección del vector
principal de fuerzas externas;
2) Corrección de la trayectoria del Cubesat, es
decir, el cambio en el vector de fuerzas externas
es pequeño y los motores se encienden por un
corto tiempo;
3) Inhibición del Cubesat, es decir, la formación
de un vector de fuerzas externas con el signo
opuesto, sin cambiar la posición del Cubesat en
el espacio;
Rev. Téc. Ing. Univ. Zulia. Volumen Especial, 2020, No. 1, pp. 03-55
50 Sergey Frolov y col.
En la Figura 1 se presenta, el método que
permite determinar la ubicación de los Cubesat, utilizando
aeronaves y buques [6], [7], [8].
Este enfoque permite determinar las
coordenadas de posición de Cubesat, realizando
operaciones trigonométricas bastante sencillas, por
en determinar las coordenadas de posición del Cubesat
utilizando tres o más puntos de referencia.
Figura 1. Método para posicionamiento de un Cubesat
La necesidad de obtener información de forma
territorios, determina la necesidad de desarrollar métodos
y algoritmos especiales para los sistemas de control de
los Cubsat, mismos que proporcionen adecuadamente
las coordenadas de posicionamiento, permitan la
estabilización del Cubesat durante los períodos de
con la correspondiente orientación en el espacio.
del estudio fue desarrollar un método que permita
determinar la posición del Cubesat, mediante la recepción
de la posición de aeronaves y buques que utilizan ADS-B.
Materiales y Métodos
La particularidad del método de triangulación
esferas con radios proporcionalmente iguales a la potencia
perdida, en el espacio comprendido entre el Cubesat y la
aeronave. Conociendo las distancias y coordenadas de los
posible determinar la región de ubicación del Cubesat en
el espacio.
Para determinar la región donde se encuentra el
Cubesat, es necesario calcular las regiones de intersección
de 3 o más esferas de forma interactiva. Después, se deben
La construcción de esta región se realiza secuencialmente,
considerando las intersecciones de dos en dos esferas y
superponiendo sus regiones intersecadas entre sí.
Para encontrar los límites de la región de
intersección de las esferas, primero se debe determinar el
área de la intersección y la cantidad de ángulos, que será
el área mínima de intersección, y cuyos vértices de las
esquinas serán los puntos de restricción de la región de
ubicación del Cubesat.
Figura 2.Área de ubicación del Cubesat con tres puntos
de referencia
Las proporciones geométricas para determinar
presentan en la Figura 3. Dos esferas se intersecan en los
puntos P4 y P5, cuyas coordenadas se deben calcular.
Los puntos P1y P2
con los puntos P4, P5 forman un cuadrilátero con lados r1 y
r2 y diagonales(h1 + h2) y(a + b).
Figura3. Esquema de intersección de esferas
Rev. Téc. Ing. Univ. Zulia. Volumen Especial, 2020, No. 1, pp. 03-55
51
Método para determinar la ubicación de un nanosatelite utilizando ADS-B
Inicialmente de determina la distancia entre los
centros de las esferas, es decir entre los puntos P1y P2,
d = a + b
Si: d>r1+r2 entonces no existe solución, porque
las esferas no se intersecan.
Si: d=r1, o d=r2 entonces no existe solución,
porque una esfera se encuentra dentro de la otra.
Luego considerando [11] se analizan dos
triángulos,
∆
P1P4P3 y
∆
P3P4P
Utilizando la igualdad d = a + b se obtiene la
siguiente expresión en función de a, Ecuación 3.
El segmento h1 , 2
Para encontrar los puntos de intersección, el
punto P4
y 6):
De forma analógica se escribe para el punto P5
De esta forma, a partir de operaciones
trigonométricas básicas, se obtuvieron las coordenadas de
dos puntos de la región de ubicación del Cubesat. Con cada
nueva esfera se realizan estos cálculos y se forma el área
Figura 2).
Luego en base al método para determinar el área
total del polígono a partir de la intersección de todas las
esferas.
En la Figura 4, se presenta un algoritmo para
determinar la ubicación del Cubesat, determinada por
la intersección de esferas cuyos centros se consideran
coordenadas de aeronaves.
Figura 3. Algoritmo para determinarla ubicación del
Cubesat
Rev. Téc. Ing. Univ. Zulia. Volumen Especial, 2020, No. 1, pp. 03-55
52 Sergey Frolov y col.
Resultados y Discusión
étodo
propuesto, se calcula la ubicación del Cubesat, utilizando
los método: de triangulacióndirecta [13], el cual se
presenta en la Tabla 1 y los cálculos que se obtienen con
el método de triangulación inversa [14] presentado en la
Tabla 2.
Tabla 1. Cálculo de la ubicación del Cubesatsegún el
método de triangulación directa.
№ X1,Y1 X2,Y2 α β Coordenadas del Cubesat
xp1 yp1
1 3 4 5 2 15 25 3,89 2,45
2 1 2 5 4 15 24 3,83 2,57
3 2 1 4 4 15 17 2,80 1,80
4 2 3 5 3 26 30 3,62 2,21
5 0 2 5 3 20 30 3,29 1,50
6 2 1 4 4 27 18 3,37 1,70
7 2 2 5 5 12 7 3,30 2,80
Valores promedio 3,4 2,1
Tabla 2. Cálculo de la ubicación del Cubesat según el
método de triangulación inversa.
№ X1,Y1 X2,Y2 X3,Y3 α β
Coordenadas del Cubesat
xp2 yp2
1 3 4 5 2 1 1 15 16 3,70 2,90
2 1 2 5 4 -3 -2 10 55 2,60 2,10
3 2 1 4 4 -2 -4 35 35 2,40 0,62
4 2 3 5 3 3 0 90 89 2,90 1,60
5 0 2 5 3 3 0 83 84 3,40 0,23
6 2 1 4 4 6 5 105 16 4,90 2,60
7 2 2 5 5 4 0 25 30 3,18 3,28
Valores promedio 3,3 2,0
por el método de triangulación directa e inversa, son
muy similares entre sí, lo cual indica que ambos métodos
ubicar el Cubesat.
En la Tabla 3 se presenta los resultados utilizando
el método la intersección de esferas, se puede apreciar que
con este método se obtiene adicionalmente tres puntos, de
las posibles coordenadas del Cubesat lo cual da una mayor
es que se utilizaria la informacion de otras aeronaves sin
esperar la informacion de las ETC.
En la Figura 4, se presenta el área de
método
las coordenadas calculadas a partir del método de
triangulación directa, y con la x, se muestra las coordenadas
calculadas a partir del método de triangulación inversa.
Figura 4. Posición calculada del Cubesat según las Tablas
1,2 y 3.
De la Figura 4, se puede evidenciar que las
coordenadas calculadas mediante los métodos de
triangulación directa e inversa se encuentran en el
área obtenida mediante el método de intersección de
esferas, lo que indica la posibilidad de utilizar el método
para determinar la posicion del Cubetsat a partir de las
coordenadas de las aeronaves.
La característica geométrica del método de
intersección de esferas, que contiene los puntos de las
aplicabilidad del método desarrollado.
Cuando se cumple el criterio experimental,
que el área de intersección deba ser superior al 70%,y
se superponen n esferas, la precisión del cálculo de la
posición del Cubesat aumentará al reducir el área de
intersección de todas las esferas.
El método desarrollado complementado con un
algoritmo de búsqueda de intersección de esferas, se basan
en cálculos computacionales básicos, en comparación con
los cálculos necesarios para los métodos de triangulación
el uso de estemétodo para determinar las coordenadas de
posición de un Cubesat.
Por lo tanto, queda demostrado el desarrollode
un método y algoritmo para calcular la ubicación de un
Cubesat, basado en información suministrada por los
sensores de referenciasmóviles, como aeronaves y buques.
Rev. Téc. Ing. Univ. Zulia. Volumen Especial, 2020, No. 1, pp. 03-55
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Método para determinar la ubicación de un nanosatelite utilizando ADS-B
Tabla 3. Ubicación del Cubesat según el método de intersección de esferas.
№X1,Y1 R1 X2,Y2 R2 X3,Y3 R3
Región de ubicación del Cubesat
A B C
X1.1 Y1.1 X2.2 Y2.2 X3.3 Y3.3
1 3 4 2 5 2 2 1 1 3 3,26 2,98 3,77 2,15 3,00 2,00
2 1 2 4 5 4 3 4 1 2 4,92 2,77 4,87 1,00 2,51 2,33
3 2 1 2 4 4 2 5 1 3 2,51 2,67 2,67 2,89 2,28 2,98
4 2 3 2 5 3 3 5 0 3 2,40 1,50 3,99 2,83 2,67 1,11
5 0 2 4 5 3 3 3 0 3 2,00 2,83 3,91 2,86 3,63 0,33
6 2 1 2 4 4 3 5 1 2 3,01 1,17 3,50 2,23 4,00 1,00
7 2 2 2 5 5 4 4 0 3 1,41 0,41 3,74 2,93 3,82 1,18
Valores promedio de las coordenadas de los puntos limite A, B, C 2,8 2,0 3,8 2,4 3,1 1,6
Conclusión
El método y algoritmodesarrollados permiten
determinar la posicion del Cubesat, a partir de las
estos areonaves o buques, siempre y cuando sus señales
emitidas sean captadas por la electrónica del Cubesat.
El método y algoritmo propuestos permiten
calcular además de la posición del Cubesat, también
determinar su trayectoria. Esta circunstancia permitirá a
las estaciones radar para determinar la posición de un
Cubesat.
Agradecimiento
Agradecemos al Ministerio de Educación y
Ciencia de la Federación de Rusia, Proyecto 9.2108.2017 /
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REVISTA TECNICA
DE LA FACULTAD DE INGENIERIA
UNIVERSIDAD DEL ZULIA
www.luz.edu.ve
www.serbi.luz.edu.ve
www.produccioncientica.luz.edu.ve
Esta revista fue editada en formato digital y publicada
en Febrero de 2020, por el Fondo Editorial Serbiluz,
Universidad del Zulia. Maracaibo-Venezuela
Volumen Especial, 2020, No. 1, pp. 03 - 55_________________
