Introducción a GNNS

Laboratorio de Astronomía, Geodesia y Cartografía Toma de datos con GPS. Validación y corrección diferencial

INTRODUCCIÓN A LOS GNSS

LABORATORIO DE ASTRONOMÍA, GEODESIA Y CARTOGRAFÍA

Raúl Páez Jiménez

Dpto. de Matemáticas. Facultad de Ciencias

Universidad de Cádiz

TOMA DE DATOS CON GPS. VALIDACIÓN Y CORRECCIÓN DIFERENCIAL

Introducción

Descripción de los Sistemas GNSS

Observables

Los Errores del Sistema

Métodos de Posicionamiento

Sistemas de aumentación

Redes Geodésicas Permanentes

Curso organizado por:

Índice:

1. Introducción.

2. Descripción de los sistemas GNSS.

3. Observables GPS.

4. Los Errores del Sistema.

5. Métodos de Posicionamiento.

6. Sistemas de aumentación.

7. Redes Geodésicas Permanentes.

Introducción


Observables






Bajo el acrónimo de GNSS (Global Navigation Satellite Systems) se

engloban todas las técnicas de posicionamiento mediante satélites.

¿Qué es un GNSS?

Se entiende por Sistemas Globales de Posicionamiento por Satélite (GNSS)

a sistemas pasivos de navegación basado en satélites emisores de

radiofrecuencias, que proporcionan un marco de referencia espacio-temporal

con cobertura global, independiente de las condiciones atmosféricas, de

forma continua en cualquier lugar de la Tierra, y disponible para cualquier

número de usuarios.

Introducción


Observables






Un poco de historia…

- 1920: Surge los orígenes de la radionavegación (LORAN). Se tarta del primer

sistema de navegación basado en la llegada diferenciada de señales de radio.

- 1959: Surge el primer sistema operacional basado en satélites (TRANSIT).

- 1968: El departamento de defensa de los EEUU establece un comité para

coordinar los esfuerzos de diversos grupos de navegación satelital.

- 1974: En Julio, el primer satélite de NAVSTAR-GPS fue lanzado.

- 1983: El gobierno de EEUU informa que el sistema GPS podrá ser utilizado por

las aeronaves civiles.

- 1991: El gobierno de EEUU ofrece el sistema de GPS a la comunidad

internacional sin costo durante los siguientes 10 años.

- 2001: En Mayo se elimina la “disponibilidad selectiva”.

Introducción


Observables






Sistemas GNSS actuales…

•El Sistema GPS: EEUU. Plena operatividad desde 1995. Inicialmente para uso

militar.

•El Sistema GLONASS: Rusia. Plenamente operativo en 2010. Inicialmente para

uso militar.

•El Sistema GALILEO: ESA (UE). De origen y control civil, con garantías de

servicio, precisión e integridad. Funcionamiento previsto para 2012.

Complementando a los sistemas GNSS:

•Sistemas de aumentación basados en satelitales (SBAS)

•Sistemas de aumentación terrestres (GBAS)

Introducción


Observables






Los sistemas GNSS tienen una estructura claramente definida: un segmento

espacial, un segmento de control y un segmento de usuarios.

Segmento Espacial

Compuesto por los satélites que forman el sistema, tanto de navegación

como de comunicación, así como las diferentes señales que envían y

reciben cada uno de los receptores.

Introducción


Observables





GPS GALILEO GLONASS


Segmento de Control

Formado por el conjunto de estaciones en tierra que recogen los datos de los

satélites y monitoriza el sistema GPS.

Introducción


Observables





Estación de control GALILEO en la

Guayana Francesa

Sala de control de una estación de

seguimiento GPS


Segmento de Usuario

Formado por todos los receptores GPS que reciben las señales del

segmento espacial y sus programas de procesado de datos.

Introducción


Observables






•33 satélites desplegados de los 24 necesarios. 31 operativos y 2 inactivos.

•6 planos orbitales.

•Inclinación orbital de 55º respecto al plano ecuatorial.

•Orbitas cuasicirculares a una altitud de unos 20200 km.

•Periodo orbital de 11h y 58m

Segmento Espacial del Sistema GPS (NAVSTAR)


Introducción


Observables





• 30 satélites en orbita terrestre media (MEO), de los cuales 3 estarán en

reserva.

• 3 planos orbitales equidistantes, con 9 satélites activos y 1 en reserva.

Segmento Espacial del Sistema GALILEO (WALKER)


• Inclinación orbital de 56°

• Orbitas circulares a una altitud de

23222 Km

•Periodo orbital de 14h

Introducción


Observables





•24 satélites (21 en activo y 3 satélites de repuesto)

•3 planos orbitales con 8 satélites cada uno

•Órbita elíptica muy excéntrica inclinadas 64,8º.


Segmento Espacial del Sistema GLONASS

•La constelación de GLONASS se mueve en

órbita alrededor de la tierra con una altitud

media de 19.100 Km.

•Tarda aproximadamente 11 horas y 15

minutos en completar una órbita.

Introducción


Observables





Relojes y osciladores de los satélites

Es la fuente de la frecuencia patrón que genera las señales de los satélites GNSS.

La precisión de un reloj, o más propiamente su estabilidad se mide sobre un

segundo y representa la dispersión de los valores de frecuencia o ancho de

banda.

Son fundamentales para establecer una escala de tiempo atómico precisa (GPS

Time).

El origen de la escala de tiempo GPS coincide con la UTC a las 0h del 6 de enero

de 1980. Actualmente la diferencia entre el tiempo GPS y el UTC es de 14

segundos.

Tipo de Oscilador Estabilidad Tiempo para perder 1 seg.

Cristal de Cuarzo 10-9 30 años

Rubidio 10-12 30.000 años

Cesio 10-13 300.000 años

Maser de Hidrógeno 10-14 30.000.000 años


Introducción


Observables





Tiene como misión el seguimiento continuo de todos los satélites de la

constelación con los siguientes objetivos:

•Determinar los parámetros orbitales de cada satélite y el estado de sus

osciladores.

•Enviar dicha información a los satélites para que éstos puedan transmitirlos a

los usuarios.

Existen tres tipos de

instalaciones:

•Estación Maestra de

Control.

•Estaciones de

seguimiento.

•Antenas Terrestres.

Segmento control del sistema GPS

Segmento de Control


Introducción


Observables






Esquema de funcionamiento de un Segmento de Control

Introducción


Observables





Constitución:

Cualquier receptor o grupo de receptores GPS en tierra, mar y aire.

Software de aplicación de explotación de datos GPS recogidos por el receptor.

•Antena receptora de GNSS: De cobertura hemiesférica omnidireccional. Puede ser

de muchas formas y materiales, dependiendo de las aplicaciones y del coste.

•Receptor: Es del tipo heterodino, basado en la mezcla de frecuencias que permite

pasar de la frecuencia recibida en la antena a una baja frecuencia para ser manejada

por la electrónica del receptor. Contiene un reloj muy estable.

Segmento de Usuario


Introducción


Observables





Elementos de un receptor


Introducción


Observables





La idea que hay detrás del GNSS es usar satélites en el espacio como puntos de

referencia, ya que su posición se conoce con una gran precisión, para calcular la

posición de un punto cualquiera en un espacio de coordenadas (X,Y,Z), partiendo

del cálculo de las distancias de dicho punto a un conjunto de satélites.

¿Cómo se puede medir la distancia a algo que está orbitando en el espacio?

Calculando cuánto

tiempo tarda la señal

enviada por el satélite

en llegar hasta nuestro

receptor.

¿Cuál es la base del posicionamiento con GNSS?

Distancia=Tiempo×Velocidad

Matemáticamente necesitamos al menos 4 satélites para determinar la posición

exacta

Introducción


Observables






El cálculo de la posición depende básicamente de dos parámetros que son

la posición del satélite y el reloj del mismo. Dicha información es recogida en

la señal enviada por el satélite hasta el receptor, siendo el proceso de cálculo

el siguiente:

1. La situación de los satélites es

conocida por el receptor con base en las

efemérides, parámetros que son

transmitidos por los propios satélites.

¿Cómo se realiza el cálculo de la posición?


Introducción


Observables





2. El receptor GNSS mide su distancia de los satélites, y usa esa información

para calcular su posición. Esta distancia se mide calculando el tiempo que la

señal tarda en llegar al receptor.


Introducción


Observables





3. Cada satélite indica que el receptor se encuentra en un punto en la

superficie de la esfera con centro en el propio satélite y de radio la distancia

total hasta el receptor.


Introducción


Observables





4. Son necesarios al menos cuatro satélites para obtener la posición. Con

tres satélites somos capaces de calcular la posición en tres dimensiones,

siempre y cuando calculemos las distancias exactas del receptor al satélite.


Introducción


Observables





Si los relojes de los satélites no están sincronizados con el reloj del receptor,

se comete cierto error en la medida del tiempo, y las tres esferas no

intersecarán en un punto.


Introducción


Observables





¿Para qué sirve el cuarto satélite?

Los relojes de los receptores no miden el tiempo tan preciso como los

relojes atómicos de los satélites.

Introducción


Observables






Esta sería la situación en el

plano (2D), pero la Tierra

tiene una dimensión más

(3D) y por tanto es necesario

un cuarto satélite para

calcular la tercera

coordenada.

Características de las señales GPS:•La señal GPS consta de dos portadoras en la banda L (1GHz a 2GHz):

oLa portadora L1 en la frecuencia 1575,4 Mhz.

oLa portadora L2 en la frecuencia 1227,6 Mhz.

•Cada portadora se obtiene como un múltiplo de la frecuencia fundamental

f0 = 10, 23 Mhz. L1= f0 x150 y L2= f0 x120

•Son señales de amplio espectro para asegurar las comunicaciones.

Introducción


Observables






Introducción


Observables





Estas señales nos proporcionan la información necesaria para

realizar estos cálculos.

Los observables GPS:

•Del código (pseudopdistancia):

o Código C/A (código de adquisición ordinaria) en la L1

o Código P (código preciso encriptado) en la L1

o Código P en la L2

•La fase de la portadora

o Diferencias de fase en la señal L1

o Diferencias de fase en la señal L2


Medición en código:Un código es un sistema para representar información y transmitirla. El código se

usa junto con las reglas que lo definen para transmitir información. La mayoría de

los códigos son binarios (0 y 1). La señal emite tres códigos: un código C/A (único

para cada satélite), un código P (encriptado) y el mensaje de navegación con la

información sobre la posición de los satélites.

Estos códigos están modulados sobre las señales portadores L1 y L2.


Introducción


Observables





¿Cómo se modula la señal?


Introducción


Observables





No hay correlación

Correlación parcial

Correlación completa

¿Cómo se identifica el satélite?


Introducción


Observables





¿Cómo se calcula el tiempo de viaje de la señal?

En un instante cualquiera, el satélite emite una determinada marca de tiempo, y el

receptor repite, simultáneamente, dicha marca de forma que, cuando le llega la señal que

ha emitido el satélite, las compara y determina el tiempo ∆t que ha tardado en recibirla.


Introducción


Observables





Observable: pseudodistancia por código


Introducción


Observables





Medición en fase:

Se mide el desfase entre la señal recibida desde el satélite y la generada por

el receptor.

Es necesario determinar las ambigüedades. (Número entero de longitudes de

onda –ciclos – que hay de desfase entre la señal observada y la generada en

el receptor).

Precisión en relativo esperada, es de varios centímetros.


Introducción


Observables





Observables: fase de la portadora


Introducción


Observables





Introducción


Observables





Mensaje de navegación:

Contiene los datos que necesita recibir el usuario para llevar a cabo los cálculos y

operaciones necesarias para la navegación.

•Información y corrección del reloj.

•Estado de los satélites.

•Efemérides del satélite.

•Correcciones a la señal por retardos

atmosféricos.

•Almanaque de toda la constelación.

•Se mide el retraso en la llegada de la

señal.


Introducción


Observables






Fuentes de errores del sistema GPS:

Disponibilidad selectiva: es un error introducido en la marca

de tiempo de la señal L1. Se eliminó en Mayo del 2000.

Anti-Spoofing: es una degradación intencionada del código P.

El efecto de la configuración geométrica de los satélites está expresado por un parámetro,

llamado dilución de la precisión (DOP). Su valor cuanto menor sea mejor, el valor ideal

es 1.

Geometría de los satélites.

Introducción


Observables






TIPOS DE ÓRBITA DISPONIBILIDAD OBTENCIÓN

Órbitas transmitidas Tiempo RealMensaje de

navegación

Órbitas finales 13 Días Centros de datos

Las emitidas forman parte del mensaje de navegación. La indeterminación en

la posición es de unos 20 a 50 metros. Son predichas para un período entre 12 y

36 horas

Las efemérides precisas son las que se usan en trabajos geodésicos. Son

obtenidas a partir de los datos registrados por estaciones permanentes

repartidas por todo el mundo.

Efemérides de los satélites

Introducción


Observables






Introducción


Observables






Efecto Multipath

Efecto ionosférico:

Puede ser tratado de dos formas:

• Utilización del modelo de ionosfera y parámetros asociados emitidos en el

mensaje del satélite para introducir la correspondiente corrección.

• Empleo de receptores de dos frecuencias L1 y L2 para eliminación de este

retardo.

Efecto troposférico:

La corrección troposférica, depende de las condiciones meteorológicas

existentes en la estación en el instante de la observación.

Propagación de la señal

Introducción


Observables






No es posible determinar el error temporal del oscilador del receptor,

formando parte de las incógnitas del modelo. No ocurre así con el error del

oscilador del satélite, pues la estación principal mediante un seguimiento

permanente de cada satélite, calcula el error del oscilador respectivo.

Debido a la utilización de sistemas de referencia acelerados ha de

tenerse en cuenta la teoría de la relatividad, si bien los efectos producidos

son muy pequeños. Los efectos relativistas influyen en la órbita de cada

satélite, la propagación de la señal y en los osciladores de los satélites y

de los receptores.

Errores de los osciladores

Errores relativistas

Introducción


Observables






Introducción


Observables






Posicionamiento Absoluto: Se calcula la

posición a partir de la trilateración de 4

satélites.

Posicionamiento Relativo: Se calcula

la posición de un receptor, móvil o fijo, a

partir de la posición de un fijo de

coordenadas ya conocidas.


Introducción


Observables






Características: Con un único receptor.

Observables: Suelen ser solo los

códigos, pero también se podrían utilizar

las diferencias de fase o ambas.

Receptores: pequeños, portátiles.

Precisión: entre 5 y 20 metros.

Aplicaciones: Excursionistas, barcos en

alta Mar, etc.

Posicionamiento absoluto por código (código+fase):

Introducción


Observables






Introducción


Observables





Características: Una estación de referencia fija y otro receptor

que puede ser móvil o fijo.

Ambos deben estar enlazados mediante radio módem o

internet.

Observables: Código o código y fase.

Posicionamiento relativo en tiempo real (RTK):

Receptores: suelen ser equipos

multi-frecuencia, más grandes y

mucho más caros.

Precisión: 1 a 10 cm.

Aplicaciones: Replanteos,

construcción, levantamiento de

carreteras, deslindes, modelos

digitales de terreno, etc.


Introducción


Observables





Este modo de posicionamiento consiste en el estacionamiento de

receptores que no varían su posición durante la etapa de observación.

Estático post-proceso:

Características: Método clásico

para grandes distancias.

Observables: Código y fase.

Receptores: Equipos multi-

frecuencia, más grandes y mucho

más caros.

Precisión: <5mm, dependiendo de

las distancias entre estaciones.

Aplicaciones: Control geodésico,

redes nacionales y continentales,

control de movimientos tectónicos,

control de deformación en

estructuras.


Introducción


Observables





Características: Una estación de referencia fija y otro receptor móvil.

Debe mantenerse el contacto con 4 satélites simultáneamente entre las dos

estaciones. Mediciones en intervalos preseleccionados: 1seg., 2seg.

Cinemático post-proceso:


Receptores: Equipos multi-

frecuencia, más grandes y mucho

más caros.

Precisión: 1 a 10 cm.

Aplicaciones: Levantamiento de

ejes de carreteras, batimetría,

determinación de la trayectoria de

objetos en movimiento, etc.


Características: Una estación de referencia fija y un receptor

móvil. El receptor móvil necesita un tiempo inicial en estático

para la inicialización (resolver una ambigüedad inicial en post-

proceso) .Debe mantenerse el contacto con 4 satélites.


Receptores: Equipos multi-frecuencia, más grandes y mucho

más caros.

Stop & Go post-proceso:

Introducción


Observables





Precisión: 1 a 10 cm

Aplicaciones: Levantamientos

taquimétricos en general,

determinación de superficies y

parcelaciones, control y evolución de

fenómenos y obras, modelos

digitales de terreno, obtención de

perfiles transversales.


•La precisión alcanzada dependerá del tipo de receptor que se utilice y del

campo de estudio.

•Los receptores conocidos como geodésicos alcanzan precisiones del orden

del centímetro en la determinación de la posición.

•Los receptores de navegación tienen una precisión de entre 5 y 20 metros.

Introducción


Observables






Introducción


Observables





Para mejorar la precisión de los sistemas GNSS, existen otros sistemas que

complementan a estos. Se clasifican en dos grupos:

Sistemas de aumentación basados en satélites (SBAS):

•WAAS: Estados Unidos, Administración General de Aviación.

•EGNOS: Agencia Espacial Europea.

•WAGE: Estados Unidos, Departamento de Defensa.

•MSAS: Japón, Ministerio de territorio, infraestructura y transporte.

•StarFire: Comercial, John Deere.

•Starfig DGPS System y OmniSTAR: Comercial, Fugro.

•QZSS: Propuesto por Japón.

•GAGAN: Propuesto por la India.

Sistemas de aumentación con base en tierra (GBAS):

•LAAS: Estados Unidos.

•GPS Diferencial: Redes regionales.

•A-GPS: GPS Asistido, empresas de telefonía móvil.


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Observables





Redes Permanentes GNSS:

IGS

RAP

EUREF

IGN


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