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Sistema GPS

Como el mundo dejó de perderse

•QUÉ ES EL GPS?

•¿CÓMO FUNCIONAN LOS GPS?

•APLICACIONES

QUE ES GPS?

Se conoce como sistema de posicionamiento global

¿Dónde estoy ubicado sobre la tierra?Observador

¿QUÉ ES GPS?

COMPONENTES DEL SISTEMA:

• Segmento de Control

• Segmento Espacial

• Segmento Usuario

Segmento de Control(estación de control)

Segmento del Usuario(receptores)

Segmento Espacial(satélites)

¿QUÉ ES GPS?

¿QUE ES GPS?

SEGMENTO DE CONTROL / MONITOREO

• 10 Estaciones en todo el mundo monitoreadas por el Ministerio de Defensa de U.S.A.

• Todas desarrollan funciones de Monitoreo

• Reciben las señales de los satélites

• Capturan Datos Meteorológicos

• Transmiten Datos a Estación Maestra de Control

¿QUE ES GPS?

SEGMENTO DE CONTROL / MONITOREO

• Estación Maestra de ControlTransmite a los satélites:

• Parámetros de predicción de Orbitas

• Correcciones en los relojes de los satélites (atómicos)

• Modelos de la Ionosfera

• Comandos a los satélites

¿QUE ES GPS?

SEGMENTO DE ESPACIO

24 Satélites en constelación:

• 6 planos con rotación de 60° en longitud y una inclinación respecto al plano del ecuador en 55º

• 4 Satélites por cada plano

• Orbitas muy elevadas:

• 20,183 Km Aprox.

• Una revolución cada 12 horas sidéreas

¿QUE ES GPS?

SEGMENTO ESPACIAL

¿QUE ES GPS?

Cada satélite contiene relojes atómicos de alta precisión y transmiten constantemente señales de radio utilizando un código único de identificación

Señal de radio

La señal GPS

Los satélites transmiten constantemente en dos ondas portadoras que viajan a la velocidad de la luz. Dichas ondas portadoras se derivan de la frecuencia fundamental (10.23 MHz), generada por un reloj atómico muy preciso.

La portadora L1 ⇒ frecuencia de 1575.42 MHz y longitud de onda de 19.05 cm.

La portadora L2 ⇒ frecuencia de 1227.60 MHz y longitud de onda de 24.45 cm.

Las ondas portadoras están diseñadas para llevar los códigos binarios C/A y P en un proceso conocido como modulación. Modulación significa que los códigos están superpuestos sobre la onda portadora.

La señal GPS

• Cada satélite transmite señales en ambas frecuencias, siendo éstas, las señales de navegación (códigos), y los datos de navegación y sistema (mensaje). Los códigos que se modulan en la señal son:

• El Código C/A modula a una frecuencia de 1.023MHz (10.23/10). Tiene una duración de un milisegundo y su longitud de onda es de aproximadamente 300 m. El código C/A se transmite actualmente sólo por medio de la frecuencia portadora L1.

• El Código P o Código de Precisión modula a una frecuencia de 10.23MHz. La secuencia de este código es de 267 días y su longitud de onda es de 29.31 cm. Se les ha asignado a los distintos satélites porciones de siete días.

Mensaje de navegación

El conjunto completo de datos está subdividido en cinco subconjuntos de seis segundos de duración cada uno, lo que hace que el conjunto completo tiene un ciclo de tiempo de 30 segundos. En ellos podemos encontrar:

Subconjunto 1: Datos de los parámetros de los relojes de los satélites.

Subconjuntos 2 y 3: Datos de las efemérides (info. satélite) transmitidas.

Subconjuntos 4 y 5: Datos del almanaque y parámetros Ionosféricos.

Los subconjuntos 4 y 5 no se repiten cada 30 segundos. Ambos subconjuntos contienen 25 páginas que aparecen sucesivamente. Cada página contiene los datos de almanaque de un satélite, de tal modo que se dispone del contenido total de información cada 12.5 minutos.

Tiempo del Sistema GPS

El tiempo del sistema GPS es una escala atómica de tiempo definida por el reloj principal de la Estación Central de Control.

Se caracteriza por: ⇒ el número semanal.

⇒ el número de segundos transcurridos desde el comienzo de la semana actual

La época inicial de GPS es el 6 de enero de 1980 a las 0 horas de UTC. En ese momento coincidieron los tiempo GPS y UTC.

¿QUE ES GPS?

SEGMENTO USUARIO

Receptores Civiles y

Militares localizados en

tierra, mar ó aire.

La utilización en

aplicaciones civiles

es cada día más extensa

y con mayores precisiones.

¿CÓMO FUNCIONAN LOS GPS?

Además de la medida la distancia, es necesario saber la posición de los Satélites para cada instante

6

4

1

2 5Se corrigen los errores atmosféricos

3

El sistema se basa en la trilateración con los satéli-tes.

Para la trilateraciónlos GPS miden la dis-tancia usando la veloci-dad de la luz.

Para medir la distancia se necesitan relojes precisos y cuatro satélites

Se obtiene así una solución navegada

Trilateración

Una medida nos da la posición sobre la superficie de una esfera

Estamos localizados en cualquier punto sobre esta esfera

19,000km

Trilateración

Una segunda medida nos localiza en la intersección de dos esferas.

La intersección de dos esferas es un circunferencia

20,000km

19,000km

Trilateración

Una tercera medida nos acerca a dos puntos únicos

20,000 km

19,000 km

La intersección de tres esferas genera dos puntosUna de las soluciones es absurda

21,000 km

Distancia al Satélite

Las señales de radio viajan a la velocidad de la luz

Se calcula midiendo el tiempo de viaje de las señales de radio.

D t= tiempo entre la emisión de la señal emitida por el satélite y la llegada de esta señal al receptor

c= velocidad de la luz

D= distancia entre el satélite y el receptor en un instante determinado

D = Dt x c

Distancia al Satélite

D t= tiempo entre la emisión de la señal en el satélite y la llegada al receptor.

El D t se mide en función del reloj del receptor

por lo tanto el D t tiene un error

D tverdadero = D t medido + e t

e t es el error entre el reloj del receptor y el tiempo GPS

D = D t medido * c + e t * cEsto se denomina Pseudodistancia

Relojes

Con relojes adelantadosPosición desfasada porque el reloj está adelantado

5 seg. Medida incorrecta

7 seg. Medida incorrecta

Se necesitan relojes muy precisos Es necesario utilizar relojes

precisos para medir el tiempo de viaje

Los Satélites tienen relojes atómicos

• Los receptores GPS necesitan relojes consistentes (pero son de cuarzo)

• Adicionando un cuarto Satélite se eliminan el error del reloj del receptor.

Se necesitan relojes muy precisos ?

cctzzyyxxD taparente ×+×∆=−+−+−= ε12

12

12

11 )()()(


22

22

22 )()()(


32

32

33 )()()(


42

42

44 )()()(

El GPS es un buen posicionador y un buen reloj

Dilution of Precision (DOP)

Situación real-Círculos inexactosEl punto que representa la posición es realmente un cuadrado

4 secs 6 secs

Incierto

Incierto


Empeora con ciertos ángulos

El cuadrado aumenta si los satélites están cerca.


• Geometría de los Satélites

• Indica la calidad de la medida

• Puede ser expresado en diferentes dimensionesLas mas conocidas

GDOP PDOP HDOP

Las menos

VDOP TDOP

Disponibilidad Selectiva

• El gobierno de U.S.A. puede introducir errores

• Cuando ellos lo hacen, ésta es la mayor fuente de error

• Las correcciones diferenciales eliminan este error

• Post-proceso

• RTCM-Tiempo real

Fuentes de error

Metros

Disponibilidad Selectiva

Atmósfera

Receptores

Efemérides

Relojes

0 20 40 60 80 100

Otros errores

•Efecto multicaminoeste error es difícil de determinar y es el que genera los peores problemas al medir con GPS dado que no se manifiesta al medir (error traicionero)

Otros errores

Ingreso de “ruido en la señal GPS o relación señal / ruido

Aparece al tener elementos que distorsionan la señal. Este error se puede mitigar tratando de quitar o atenuar las fuentes de ruido, además siempre es posible filtrarlo

También aparece en satélites que están muy bajos respecto al horizonte.

Tormentas solares.

Se Pueden Conseguir Distintas Precisiones

Depende de lo Siguiente

• Tipo de receptor

• Posición relativa de los satélites

• Tiempo de mediciones

• Uso de GPS Diferencial

GPS Autónomo

Aprox.100 m

12 m

Existe un antes y un después del 2000

Diferencial GPS (DGPS) RTCM

• Una estación DGPS o red de estaciones, generan una corrección en los observables GPS y provee esta información al receptor móvil.

• Un receptor móvil GPS usa las señales de los satélites + la información de la corrección para calcular con precisión su posición actual.

• Las correcciones DGPS en tiempo real pueden transmitirse desde un satélite o desde una estación terrestre.

• La conectividad puede ser por radio modem (integrado o no), celular, etc

• En general, el uso de señales correctoras DGPS requieren una subscripción paga.

Diferencial GPS (DGPS) Post proceso

• Una estación comunitaria, red de estaciones o un equipo monousuario guarda observaciones de la señales GPS y provee esta información al receptor móvil a traves del envio de un archivo al PC.

• Un receptor móvil GPS guarda las señales de los satélites y posiciones sin corregir

• Los datos son cargados en un PC y se realiza el postproceso de las posiciones con la infomación de la estación base y el equipo movil

• Los archivos para la corrección pueden obtenerse por internet, redes lan, etc

• El postproceso no permite obtener la posicion con precision en tiempo real

Diferencial GPS Tiempo Real (RTK)

• Una equipo GPS recibe la señal GPS y provee esta información al receptor móvil a traves de un radioenlace.

• Un receptor móvil GPS usa las señales de los satélites + la información enviada por el equipo base para calcular con precisión su posición actual.

• La conectividad puede ser por radio modem (intregrado o no), celular, etc

• La distancia entre la estacion base y el movil es acotada

• La precision lograda es del orden centimétrico

Receptores DGPS

<2m

Estación Base

Receptores DGPS sub-métricos

<1mEstación Base

Tiempo real cinemático RTK (para topografía)

<1cm

Estación Base RTK

GPS para Geodesia

<1/2 cm

Estación Base

Precisión:

90 m2m

1m12m 1/2cm

1cm

Antes del 1/05/2000

después del 11/09/2001

+

Una idea de la Corrección Diferencial

• Capture datos en un lugar - determine errores

• Cada error se marca de acuerdo con el tiempo GPS.

Base

Tiempo, t

t+1

.

+++++

+ +

Una idea de la Corrección Diferencial

• El móvil incurre en los mismos errores

• Aplique el error de la Base en la dirección opuesta

+

Móvil

Tiempo, t

t+1

?+++++

+ +

Corrección Diferencial

Postproceso:• Software de Post-Proceso

• No se requieren radios

Tiempo Real• Coordenada precisa en campo

• Enlace de Radio

Post-Proceso

Receptor Basex,y,z conocidos Receptor portátil

Post-Proceso

S 3 3 ° 2 3 ’ 2 7 . 2 2 5 8O 5 6 ° 0 2 ’ 15 . 15 5 3

Equipo Base

Equipo Móvil

Tiempo Real

CmN 3 7 ° 2 3 ’ 2 7 . 2 2 5 8W 12 2 ° 0 2 ’ 15 . 15 5 3

Base

Radio Enlace

Datums &Transformación de Datums Los elipsoides se utilizan para

producir el mejor acomodamiento en áreas específicas sobre la tierra

• El Datum es un elipsoide de referencia fijo.

• Las transformaciones de Datum describen la localización relativa entre ellos.

Elipsoide acomodado a Uruguay

Elipsoide acomodado a Canadá

Geoide

Geoide, Separación del Elipsoide y Modelos Geoidales

El geoide es una superficie no uniforme

• El modelo geoidal brinda valores N en un área determinada

• En pendientes planas es similar la separación geoidal

h

N

Terreno

GeoideDatum

h: Altura Ortométrica

N: Separación Geoide-elipsoide

Diagrama Completo

Diagrama de flujo GPS Típico

Elipsoide GPSWGS-84: Latitud, Longitud, y Altura Elipsoidal

Transformación de Datum

Elipsoide LocalLatitud local , Longitud local, y Altura Elipsoidal

Proyección

Coord. LocalesNorte, Este y altura Elipsoidal

TransformaciónPlana

Ajuste de Alturas

Coordenadas Locales Norte, Este

Altura CoordenadasLocalesAltura Ortométrica

El cálculo se puede hacer en cualquier sentido

Aplicaciones

•Navegación

•Control de flotas y vehículos (AVL)

•Sistemas de información geográfica (SIG)

•Cartografía

Aplicaciones

•Apoyo fotogramétrico y de imágenes satelitales

•Relevamientos topográficos

•Geodesia

Aplicaciones

•Agricultura de Precisión

•Calculo de área y rutas

Aplicaciones

•Diversión y Deportes

•Control de tiempo

•Otros

• Y así es como funciona

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