sistemas gnss: funcionamiento, posicionamiento y precisión

Introducción. Descripción del Sistema GPSFuncionamiento del sistema GNSS

Métodos de PosicionamientoPrecisión y Errores

SISTEMAS GNSS:Funcionamiento, Posicionamiento y Precisión.

LABORATORIO DE ASTRONOMÍA, GEODESIA Y CARTOGRAFÍA

Dpto. de Matemáticas. Facultad de Ciencias

Especialización sobre la Red Andaluza de Posicionamiento: servicios y productos RAP

Laboratorio de Astronomía, Geodesia y Cartografía Curso de Especialización en la Red Andaluza de Posicionamiento



Contenido

1 Introducción. Descripción del Sistema GPSEl Segmento EspacialEl Segmento de ControlEl Segmento de Usuario

2 Funcionamiento del sistema GNSSConstitución del sistema GPSObservables GPS

3 Métodos de PosicionamientoPosicionamiento Absoluto por CódigoPosicionamiento Relativos de Código y Fase

4 Precisión y ErroresPrecisión del sistemasPrincipales Errores

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El Segmento EspacialEl Segmento de ControlEl Segmento de Usuario

Bajo el acrónimo de GNSS (Global Navigation Satellite Systems) seengloban todas las técnicas de posicionamiento mediante satélites

¿Qué es un GNSS?

Se entiende por Sistemas Globales de Posicionamiento (GNSS) a sistemaspasivos de navegación basado en satélites emisores de radiofrecuencias,que proporcionan un marco de referencia espacio-temporal con coberturaglobal, independiente de las condiciones atmosféricas, de forma continua encualquier lugar de la Tierra, y disponible para cualquier número de usuarios.

El Sistema GPS: EEUU, 29 satélites, 20.000 Km, órbitascuasicirculares. Plena operatividad desde 1995. El uso no militar estátolerado.

El Sistema GLONASS: Rusia, 24 satélites, 25.500 Km, órbitas elípticasmuy excéntricas. Nunca ha llegado a estar plenamente operativo debidoa problemas económicos y políticos.

El Sistema GALILEO: ESA (UE), 30 satélites, 23.600 Km. De origen ycontrol civil, con garantías de servicio, precisión e integridad.Está sóloen fase inicial de implementación.





Historia del GNSS

• Antecendetes: Sistemas de navegación LORAN y TRANSIT DOPPLER.

• A partir de 1973 se concibió el sistema GPS. Plena operatividad desde1995.• En los años 90, esta tecnología comienza a emplearse con fines civiles.

• El gobierno ruso no decide seguir adelante con GLONASS, por lo tanto lared de satélites pertenece de manera exclusiva a EEUU.

• Resto de países se centra en el desarrollo de centros de control yrecepción de las señales GPS. Elaboran sistemas de aumento.

• Capacidad de los EEUU para emitir la señal y distorsinarla. Autonomía delos EEUU. Europa empieza a plantear el sistema Galileo.

• Se han ido desarrollando sistemas de aumento como son EGNOS(Europa), WAAS (USA), MSAS (Japón).





Composición del Sistema GPS

El sistema GPS tiene una estructura claramente definida: un segmentoespacial, un segmento de control y un segmento de usuarios.

Segmento Espacial

Compuesto por los satélites que forman el sistema, tanto de navegacióncomo de comunicación, así como las diferentes señales que envían yreciben cada uno de los receptores.

Segmento de Control

Formado por el conjunto de estaciones en tierra que recogen los datos de lossatélites y monitoriza el sistema GPS.

Segmento de Usuario

Formado por todos los receptores GPS que reciben las señales delsegmento espacial y sus programas de procesado de datos.





Constituido por la constelación NAVSTAR de satélites GPS

Características

Diseñada de tal forma que garantice una cobertura global en cualquierparte del planeta.

Proporciona cobertura con 4 á 8 satélites por encima del horizonte.

Emiten señales en varias frecuencias.

Distintos bloques de satélites:

BLOQUE I: Prototipos iniciales(1978-1985). Fuera de uso.

BLOQUE II /IIA: Contiene cuatrorelojes atómicos: dos de Cesio, ydos de Rubidio.Incorpora unatécnica de encriptación.

BLOQUE IIR: Poseen osciladoresatómicos de Hidrógeno.

Bloque IIF: Son los actualessatélites.





Constelación

Desplegados en 6 planos orbitales casi circulares (A-F) y con unainclinación de 55o respecto a plano ecuatorial. Cada posición del satéliteen la órbita se identifica por un número.

Tienen una excentricidad de 0.02 y su semieje mayor mide 26700kilómetros, es decir están a una altitud de unos 20200 km.

El tiempo máximo de observación de un satélite es de hasta 4 horas ycuarto (15o sobre el horizonte).





Relojes y Osciladores

Es la fuente de la frecuencia patrón que genera las señales GPS. Laprecisión de un reloj, o más propiamente su estabilidad se mide sobre unsegundo y representa la dispersión de los valores de la frecuencia de banda.

Tipo de Oscilador Estabilidad Tiempo para peder 1 SegCristal de Cuarzo 10−9 30 años

Rubidio 10−12 30.000 añosCesio 10−13 300.000 años

Maser de Hidrógeno 10−14 30.000.000 años





Tiene como misión el seguimiento continuo de todos los satélites de laconstelación con los siguientes objetivos:

Determinar los parámetros orbitales de cada satélite y el estado de susosciladores.Enviar dicha información a los satélites para que éstos puedantransmitirlos a los usuarios.

Existen tres tipos de instalaciones:

Estación Maestra de Control.

Estaciones de seguimiento.

Antenas Terrestres.





Funcionamiento del sector de control





Constitución:

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

Software de aplicación de explotación de datos GPS recogidos por elreceptor.

•Antena receptora de GNSS: De cobertura hemiesférica omnidireccional.Puede ser de muchas formas y materiales, dependiendo de las aplicacionesy del coste.•Receptor: Es del tipo heterodino, basado en la mezcla de frecuencias quepermite pasar de la frecuencia recibida en la antena a una baja frecuenciapara ser manejada por la electrónica del receptor. Contiene un reloj muyestable.





Elementos de los receptores




Constitución del sistema GPSObservables GPS

Veamos el proceso que se da desde que se envía la información hasta quese recibe, y como se calcula el posicionamiento. Las explicaciones quesiguen están basadas en el sistema GPS (el fundamento del resto desistemas es similar)

El funcionamiento de un Sistema de Navegación por Satélite involucra losdistintos segmentos vistos anteriormente, de tal manera que se relacionanentre sí:

Segmento espacial: envía la señal que se recibe en los segmentos decontrol y usuario.

Segmento de control: recibe la señal del segmento de espacio,monitoriza y actualiza información enviando correcciones a los satélitessi es preciso.

Segmento de usuario: recibe información procedente del segmentoespacial y calcula su posición.





¿Cómo se calcula la posición?

El cálculo de la posición depende básicamente de dos parámetros que sonla posición del satélite y el reloj del mismo. Dicha información es recogida enla señal enviada por el satélite hasta el receptor, siendo el proceso de cálculoel siguiente:

1 La situación de los satélites es conocida por el receptor con base en lasefemérides, parámetros que son transmitidos por los propios satélites.






1 La situación de los satélites esconocida por el receptor con base enlas efemérides, parámetros que sontransmitidos por los propios satélites.

2 El receptor GNSS mide su distancia delos satélites, y usa esa informaciónpara calcular su posición. Estadistancia se mide calculando el tiempoque la señal tarda en llegar al receptor.






1 La situación de los satélites esconocida por el receptor con base enlas efemérides, parámetros que sontransmitidos por los propios satélites.


3 Cada satélite indica que el receptor seencuentra en un punto en la superficiede la esfera con centro en el propiosatélite y de radio la distancia totalhasta el receptor.





¿Cómo se calcula la posición?1 La situación de los satélites es

conocida por el receptor con base enlas efemérides, parámetros que sontransmitidos por los propios satélites.


3 Cada satélite indica que el receptor seencuentra en un punto en la superficiede la esfera con centro en el propiosatélite y de radio la distancia totalhasta el receptor.

4 Son necesarios al menos cuatrosatélites para obtener la posición, contres satélites somos capaces decalcular la posición en tresdimensiones.





Si los relojes de los satélites no estánsincronizados con el reloj del receptor,se comete cierto error en la medida deltiempo, y las tres esferas nointersectarán en un punto.

Los relojes de los receptores no midenel tiempo tan preciso como los relojesatómicos de los satélites.





Características de la señal

La señal GPS consta de dos portadoras en la banda L:La portadora L1 en la frecuencia 1575,4 Mhz.La portadora L2 en la frecuencia 1227,6 Mhz.

Cada portadora se obtiene como un múltiplo de la frecuenciafundamental f0 = 10, 23 Mhz.

Son señales de amplio espectro para asegurar las comunicaciones.





Medición en código

Un código es un sistema para representar información y transmitirla. Elcódigo 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, un código P y el mensaje de navegación.

Modo de trabajo

Compara el código generadopor el receptor y el generadopor el satélite.

Se mide la retraso en lallegada de la señal.

Precision

En modo absoluto 3 m y 15 m.

En modo relativo < 1 m.





Mensaje de navegación

Contiene los datos que necesita recibir el usuario para llevar a cabo loscálculos y operaciones necesarias para la navegación.

Información y corrección delreloj.

Estado de los satélites.

Efemérides del satélite.

Correcciones a la señal porretardos atmosféricos.

Almanaque de toda laconstelación.

Se mide la retraso en lallegada de la señal.





Medición en fase

Se mide el desfase ∆φ entre la señal recibida desde el satélite y lagenerada por el receptor.

Es necesario determinar las ambigüedades. (Número entero delongitudes de onda).

Precisión en relativo cm.





Pseudodistancia





Fase de la portadora




Posicionamiento Absoluto por CódigoPosicionamiento Relativos de Código y Fase

Formas de determinar mi posición:

Posicionamiento Absoluto

Se calcula la posición a partir de latriangulación de 4 satélites

Posicionamiento Relativo

Se calcula la posición de un receptor móvila partir de la posición de un fijo decoordenadas ya conocidas.





Tipos de Posicionamiento:





Características

Con un único receptor.

Observables: suelen ser loscódigos, pero también sepodrían utilizar las diferencias defase o ambas.

Los receptores utilizados sonpequeños, portátiles .

Consiste en la solución de unaintersección de todas lasdistancias satélite-receptor sobrela estación en un período deobservación.

Precisión:de 15 a 100 metros.

Aplicaciones:

• Excursionistas • Barcos en alta Mar.





RTK Real Time Kinematic (Tiempo Real)

Características

Una estación de referencia fijaque rastrea de modo continuocon capacidad de resolver lasambigüedades en tiempo real.

El otro receptor en unaplataforma móvil.

Ambos están enlazadosmediante un radio módem.

El segundo receptor obtiene suposición en tiempo real.

Gran precisión: 1-2 cm ± 1ppm.

Aplicaciones

• Replanteos. • Levantamiento de perfiles.• Levantamiento de carreteras, fronteras. Modelos digitales de terreno.





Estático (Post-Proceso)

Este modo de posicionamiento consiste en el estacionamiento de receptoresque no varían su posición durante la etapa de observación.

Características

Método clásico para agrandesdistancias.

Gran precisión: 5mm ± 1ppm.

Precisión de milímetro enlíneas cortas.

Tiempo de observación largos(proporcional a la longitud de lalínea.

Aplicaciones

• Control geodésico. • Redes nacionales y continentales.• Control de movimientos tectónicos. • Control de deformación enestructuras.





Cinemático (Post-Proceso)

Características

Una estación de referencia fijaque rastrea de modo continuo.

El otro receptor en unaplataforma móvil.

Mediciones en intervalospreselaccionados: 1seg. 2seg.

Precisión: 1 a 2 cm ± 1ppm.

Debe mantenerse el contactocon 4 satélites.

Aplicaciones

• Levantamiento de ejes de carreteras. • Batimetría.• Determinación de la trayectoria de objetos en movimiento.





Stop & Go (Post-Proceso)

Características

Una estación de referencia fijaque rastrea de modo continuo.

Receptor móvil en un jalón.

Parar sólo 2 ó 3 épocas en losdemás puntos

Precisión: 1 a 2 cm ± 1ppm.

Resolver una ambigüedadinicial en post-proceso

Debe mantenerse el contactocon 4 satélites.

Aplicaciones

Levantamientos taquimétricos en general, determinación de superficies yparcelaciones, control y evolución de fenómenos y obras, modelos digitalesde terreno, obtención de perfiles transversales.




Precisión del sistemasPrincipales Errores

La precisión alcanzada dependerá del tipo de receptor que se utilice ydel campo de estudio.

Los receptores conocidos como geodésicos alcanzan precisiones delorden del cm en la determinación de la posición.

Los receptores de navegación tienen una precisión 5-30 metros.





Profesores:Alberto SánchezAlejandro PérezBismarck Jigena

Juan A. FernándezRaúl Páez

Coordinador:Manuel Berrocoso


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