unidad temática ix introducción al sistema de...

Unidad Temática IXUnidad Temática IX

Introducción al Sistema de Introducción al Sistema de Posicionamiento GlobalPosicionamiento Global

Enrique Priego de los Santos

1. Introducción al sistema GPS o GNSSGeodesia espacial:

• 1º satélite artificial: SPUTNIK I (4 de octubre de 1957)

• Predecesor: sistema militar TRANSIT (1967)

• NAVSTAR GPS: sistema militar de radio navegación por satélite que provee a usuarios de coordenadas precisas de posicionamiento tridimensional e información sobre navegación y tiempo (1973)

• utilizado en Geodesia en 1983

• configuración final desde 1994

Profesor: Enrique Priego

2. Otros sistemas de posicionamiento global1. VLBI: Very Long Baseline Interferometry o Interferometría de muy

larga base: observación de fuentes radioastronómicas lejanas


2. Otros sistemas de posicionamiento global2. SLR: Satellite Laser Ranging o Distancia láser a satélite


3. Principio básico de funcionamiento del GPSDeterminación de distancias (mejor dicho, pseudodistancias)

satélite-receptor a través de la medición del tiempo


3. Principio básico de funcionamiento del GPSTrilateración inversa en el espacio (conocidas las coordenadas de

al menos 3 satélites se determinan las coordenadas receptor)


4. Constitución del sistema GPSTres sectores fundamentales: Espacial, Control, Usuario

Cuarto segmento Terrestre: ERGPS, IGS

4 1 Segmento espacial4.1. Segmento espacialConstelaciones de satélites:

• NAVSTAR (EUA)

• GLONASS (Rusia)

• EGNOS (Europa)• EGNOS (Europa)

• GALILEO (Europa)

• COMPASS (China)


NAVSTAR GPS (NAVigation System with Time And Ranging)

Características orbitales:

• 6 órbitas casi circulares a 20180

4.1. Segmento espacial

6 órbitas casi circulares a 20180 km de altitud con 55º de inclinación

• 4 satélites por órbita (24)

• 4 satélites reserva (“spares”)

• Periodo de 12 horas

i i i i é i• Visibilidad de cada satélite: 5 h

• Configuración se repite 4 minutos antes cada día solar


GLONASS (Global Navigation Satellite System)

En 1982, se lanzan los 3 primeros

En 2010, constelación de 24 satélites (21 en activo y 3


, ( ysatélites de repuesto)

Características orbitales:• 3 planos orbitales con 8 satélites cada uno • orbita inclinada de 64,8º con un radio de 25510 kilómetros

La constelación de GLONASS se mueve en órbita alrededor de la tierra con una altitud de 19.100 kilómetros (algo más bajo que el GPS) y tarda aproximadamente 11 horas y 15 minutos en completar una órbita.


EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay Service)Está ideado como un complemento para las redes GPS y GLONASS para proporcionar una mayor precisión y seguridad en las señales.

Red de tres satélites geoestacionarios y red de estaciones terrestres que i i l l ñ l d GPS li l j d


monitorizan los errores en las señales de GPS y actualizan los mensajes de corrección.


EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay Service)


Compuesto por 34 Estaciones de Referencia y de Supervisión de Integridad (RIMS) desplegadas para supervisar los satélites de las constelaciones GNSS


GALILEO (Unión Europea)En 2011 habrá 30 satélites (27 de órbita media y 3 geoestacionarios)

• Centros de control terrestre: sincronización de los relojes de los satélites y las terminales en tierra

• Compatibilidad en radiofrecuencias de GPS, EGNOS, GLONASS y p , , yGALILEO para ser interoperables y compatibles entre sí.


NAVSTAR GPSCobertura con 4 a 8 satélites por encima de cualquier horizonte de cualquier lugar de la Tierra

Máscara de elevación 10º: 10 satélites


Máscara de elevación 0º: 12 satélites

Bloques (satélites de diferente generación):

• Bloque I: 1978 – 1985, no queda ninguno

• Bloque II ( y II-A): 1986 – actualidad (accidente del transbordador Challenger)

• Bloque IIR: incrementar en 21 satélites

• Bloque IIF: tercera frecuencia L5 (duración 15 años)

• Bloque III: en proyecto (2009 – 2030)


Orbitas de los satélites

NAVSTAR GPS



Relojes u osciladores

NAVSTAR GPS


• Son la fuente de la frecuencia, patrón de generación de las frecuencias emisoras L1 y L2

• Tipos reloj:

• Bloque I: 400 kg, 4 oscilador de cristal de cuarzo (30 años), 3 de rubidio (30.000 años) y 3 de cesio (300.000 años)

• Bloque II: 800 kg, todos de cesio y de rubidio

• Bloque III: serán osciladores de máser de hidrogeno (30.000.000 años)

* Tiempo para perder un segundo


Identificación del satélite

NAVSTAR GPS


• Número de orden de lanzamiento

• Número de orbita• Número de orbita

• Posición que ocupa en la órbita

• Número de catálogo NASA

• Año de lanzamiento, nº de lanzamiento en el año, letra según tipo

• Número IRON (Junta de Defensa Aérea Norteamericana)

Forma generalizada: PRN (ruido pseudo aleatorio)


Señales transmitidas

NAVSTAR GPS


• Señales de navegación (códigos) y datos de navegación y sistema g ( g ) y g y(mensaje)

• Satélites transmiten en dos frecuenciasdos frecuencias portadoras en la banda L:

• L1L1: 154 * 10,23 = 1575,42 Mhz

•• L2L2: 120 * 10,23 = 1227.60 Mhz.


Escala de tiempo

NAVSTAR GPS


Fenómeno periódico TiempoFenómeno periódico TiempoRotación terrestre Tiempo Universal

Tiempo Sidéreo

Revolución de la Tierra Tiempo Dinámico TerrestreTiempo Dinámico Baricéntrico

Osciladores atómicos Tiempo Atómico InternacionalTiempo Universal CoordinadoTiempo GPS


Tiempo GPS

NAVSTAR GPS


• Unidad: segundo de tiempo atómico (SI)

• Mantiene una desviación de 19 segundos con el Tiempo Atómico• Mantiene una desviación de 19 segundos con el Tiempo Atómico Internacional

• Coincidió con el Tiempo Universal Coordinado el 6 de enero de 1980

Unidades derivadas del tiempo:

• JD: Día Juliano (nº días solares medios desde 1,5 enero de 4713 a.c.)

• MJD: Día Juliano Modificado (día juliano menos 2.400.000,5 días solares)

• DOY: Día de Año (nº día en el intervalo 1-365 o 1-366 en bisiesto)

• Semana GPS (semanas transcurridas desde el 6 de enero de 1980 a 0 h de TUC), semana GPS: 604.800 segundos internacionales

• Día de semana: 0 para domingo y 6 para sábadoProfesor: Enrique Priego

Disponibilidad

NAVSTAR GPS


• En 1990, y para preservar intereses militares, se degrada la precisión entorno a 100 m mediante la disponibilidad selectiva (SA)disponibilidad selectiva (SA)

• Se actúa sobre la información enviada en el mensaje

• El 1 de mayo de 2002 desaparece la SA


4.2. Segmento de control

Estaciones de monitorización del sistema GPSEstaciones de monitorización del sistema GPS (5 estaciones terrestres)

• Realizan el seguimiento continuo de los satélites

• Calculan la posición precisa de los satélites

• Sincronización del tiempo de los satélites

• Transmiten datos: efemérides transmitidas (posiciones de los satélites) o parámetros orbitales de cada satélite, datos ionosféricos-troposféricos y estado de los relojes de los satélites


4.2. Segmento control

Estaciones de seguimiento


Estación Maestra de Control (MCS): base aérea de Falcon en Colorado Springs

• Monitorización y control de todos los satélites

• Mantenimiento y solución de problemas en satélites

4.2. Segmento control

Estaciones de seguimiento

Mantenimiento y solución de problemas en satélites

• Control del cumplimiento estándar de posicionamiento GPS

• Actualización de los mensajes de navegación

Estaciones Monitoras

• Reciben señales transmitidas por satélites y obtienen información para calcular con gran precisión las órbitas de los satélites g p

• Envían datos a la Estación Maestra (con los que calcula las efemérides)

Red global del IGS (International GPS Service)

• Productos IGS (efemérides precisas, marcos referencia, redes GPS, efemérides orbitales, parámetros rotación Tierra, …)Profesor: Enrique Priego

4.3. Segmento de usuario

Equipo receptor GPS

- En la actualidad, más de 100 receptores diferentes

- Tipo de observables capaz de registrar

- Capacidad de memoria

P t ñ- Peso, tamaño, consumo, …


Componentes equipo receptor GPS:

1. Antena (preamplificación)

2. Sección de Radio Frecuencia (RF)

4.3. Segmento usuario

3. Microprocesador

4. Oscilador

5. Fuente de alimentación

6. Dispositivo de control

7. Dispositivo de almacenamiento

8. Accesorios: interfaz, memoria,

puesta en estación, puertos, …



Objetivo: es el verdadero “sensor”

convertir señal electromagnética en señal eléctrica (con su preamplificador)

1. Antena y circuito de antena

Tipos:Tipos:

• MonofrecuenciaMonofrecuencia: portadora L1

• BifrecuenciaBifrecuencia: portadoras L1 y L2

Características:

• Omnidireccional

• Centro eléctrico próximo centro físico• Centro eléctrico próximo centro físico

• Orientación común

• Plano de tierra (evitar multitrayectoria)

• Señal preamplificada es conducida por cable blindado y longitud limitada (10 – 30 cm)



2. Sección de radiofrecuencia (RF)

Objetivo: recoger señal eléctrica de satélites que llega desde la antena y seguirla en todo momento sin interrupciones mediante “canales”

Tipos:

• MulticanalMulticanal: seguimiento continuo, nº canales = nº satélites

•• Tiempo compartidoTiempo compartido: seguimiento secuencial (2 sg.)

•• MultiplexadoMultiplexado: seguimiento secuencial (1/200 sg.), un canal

Características:

• “Corazón” del receptor

• Discrimina la señal de cada satélite a través del código C/A único

• Elemento fundamental: “osciladores”Profesor: Enrique Priego


3. Microprocesador

Objetivo: controlar todo el sistema

Funciones:

• Calcular continuamente la posición (trilateración GPS)

• Permitir trabajar en tiempo real (navegación)

• Adquirir y procesar señal

• Decodificar el mensaje de navegación

• Calcular posiciones absolutas

• Obtener velocidades, rumbos, distancias

• Convertir datums o sistemas de referencia



4. Oscilador

Objetivo: generar la frecuencia patrón o de referencia para el control del reloj y generar la réplica de códigos y longitudes de onda GPS

Funciones:

• Multiplicador o divisor de frecuencia

• Filtro para eliminar frecuencias no deseadas

• Mezclador de frecuencias

Características:

• Cuarzo (precisión 109)

• Frecuencia externa: cesio, rubidio, máser de hidrogeno



5. Fuente de alimentación

• Aportar energía eléctrica a todos los componentes del receptor

6 Dispositivo de control6. Dispositivo de control

• Medio de comunicación con el receptor (teclado)

• Asigna parámetros de trabajo

• Diagnósticos, mensajes de funcionamiento

7 Dispositivo de almacenamiento7. Dispositivo de almacenamiento

• Registro de datos de navegación y observables

• Intercambiables o fijos

• Interfaces por descarga o almacenamiento directo en PC (data loging)Profesor: Enrique Priego


8. Dispositivos accesorios: Interfaz de usuario

Objetivo: garantizar la comunicación entre receptor y usuario (y viceversa)

Funciones a visualizar (1):

• Comprobación interna de arranque del receptor

• Satélites localizados (canal, acimut, elevación)

• Tiempo GPS (semana y día del año)

• Intensidad de la señal (SNR)

• Salud de los satélites

• Nº registros almacenados (épocas)

• Bondad de la geometría

• Pequeños cálculos con satélites y almanaque

• Gestión de archivos, sesiones, …Profesor: Enrique Priego


8. Dispositivos accesorios: Interfaz de usuario

Funciones a visualizar (2):

• Información de las fuentes de alimentación

• Información del software interno (firmware)

• Configuración puerto de comunicaciones y transmisión de datos

• Posición actual

• Dirección y velocidad

• Progreso de la observación

• Observación elegida: estática o dinámica, …

• Nombre, nº sesión, estación, archivo



8.2. Memoria

• Almacenamiento de parámetros de configuración y archivos de datos

• Memoria externa (tarjetas, cintas) o interna (estado sólido)

• Memoria diferida (PC, dataloggers)

• Ejemplo: datos de 6 satélites tomados cada segundo ocupan 1,5 Mb/h

• Trípode + plataforma nivelante + plomada óptica

• Basada sobre pilar

8.3. Puesta en estación

• Incorporado a vehículo, aeronave o navío

8.4. Dispositivo de transmisión• Trasmitir en tiempo real: enlace de radio, radio-modem, RTK, DGPS


Estación Total con GPS integrado4.3. Segmento usuario


5. Señal GPS

Consiste en ondas electromagnéticas de la banda L (banda de amplio espectro donde el retardo ionosférico es menor)

Señal GPS consta de 2 portadoras:

P t d L1 (f i 1575 42 MH )• Portadora L1 (frecuencia 1575,42 MHz)

• Portadora L2 (frecuencia 1227,60 MHz)

Portadoras por si solas no aportan información, modulan 2 códigos y 1 mensaje:

• Código C/A (se modula en L1 y L2)

• Código P (se modula en L2)

• Mensaje de navegación


6. Observables GPS

Observable GPS: medida de distancia obtenida por medida de tiempo o por diferencia de fase, compara señal recibida de satélite con la réplica generada por receptor

1. Observables de tiempo:

• Código C/A modulado sobre portadora L1

• Código P modulado sobre portadora L1

• Código P modulado sobre portadora L2

2. Observables de diferencia de fase:

• Diferencia de fase de la portadora L1 (Φ1)

• Diferencia de fase de la portadora L2 (Φ2)


1. Pseudodistancias de código:

• Precisión: metros

• El receptor genera una réplica de la señal emitida por el satélite y compara ambas por correlación (PRN)

6. Observables GPS

p p ( )

• Se obtiene el desplazamiento de la señal que se corresponde con el tiempo que tarda la señal en llegar del satélite al receptor

• tS =lectura reloj satélite vía PRN,

• tR =lectura reloj receptor,

∆t = tR – tS∆t tR tS

pero ambos relojes tienen retardos y adelantos respecto al sistema de tiempos GPS,

∆t = (tR – δR) – (tS - δS)


2. Pseudodistancias de fase:

• Precisión: centímetros y milímetros

• Diferencia de fase de la portadora recibida del satélite y la fase generada internamente por el oscilador del receptor

6. Observables GPS

g p p

• La distancia satélite–receptor esta relacionada con el nº entero de longitudes de onda (λ) y su fase (∆φ) :

D = c * ∆φ + λ * N

• N: Ambigüedad de ciclo inicial: incógnita

• se desconoce el nº entero de λ entre el satélite y el receptor

• …


7. Fuentes de error en GPSElemento Fuente de error

Satélite

• Errores oscilador (reloj)• Errores efemérides (parámetros orbitales)• Disponibilidad selectiva (SA)Disponibilidad selectiva (SA)• Anti-Spoofing (AS)

Señal

• Refracción ionosférica• Refracción troposférica• Pérdidas de ciclos• Multipath• Errores oscilador (reloj)

Equipo receptor

Errores oscilador (reloj)• Errores coordenadas punto de referencia• Error estacionamiento• Incertidumbre de medida• Desfase centro antena


8. Métodos de observación GPS

Variable Métodos

Clasificación general

Observable• Código (metros)• Código y fase (centímetros y milímetros)

Movimiento del receptor

• Estático (no se mueve, mas tiempo, mayor precisión)• Cinemático (se desplaza)• Posicionamiento absoluto (x,y,z)

Tipo de solución • Posicionamiento relativo o diferencial (∆x,∆y,∆z)

Disponibilidad de la solución

• Tiempo real• Post-proceso


1. Posicionamiento absoluto por código (GNSS)

• Precisión: 4 – 10 metros

• Navegación autónoma


Clasificación básica

Navegación autónoma

2. GPS diferencial por código (DGPS)

• Precisión: 0,5 – 5 metros

• Navegación costera, datos SIG, revisión cartografía, agricultura automatizada, maquinaria de obra civil, …

3. Posicionamiento diferencial de fase

• Precisión: 5 mm – 0,5 metros

• Geodesia, Topografía, Geodinámica, control deformaciones,…


1. Posicionamiento absoluto con código

• 1 receptor

• Solución a partir de pseudodistancias en tiempo real

• Determina la posición en coordenadas absolutas y en el sistema de


e e pos c ó e coo de d s bso u s y e e s s e dereferencia de los satélites



2. Posición relativo o diferencial (DGPS)

• 2 o más receptores (base y móvil) con observación simultanea

• Elimina errores satélites y minimiza retardos atmosféricos

•• Corrección diferencialCorrección diferencialCorrección diferencialCorrección diferencial

• equipo base: estación en punto de coordenadas conocidas a priori

• equipo móvil: punto desconocido a determinar

• se compara la diferencia de pseudodistancia o de coordenadas, obteniendo la corrección diferencial

i i l i i ( di• se transmiten esas correcciones por cualquier sistema (radio, RDS, GSM, RTK, ID, Internet.,...)



2. Posición relativo o diferencial (DGPS): Corrección diferencialCorrección diferencial

Corrección de pseudodistanciaCorrección de pseudodistancia

Fundamento: estación base genera una corrección para cada pseud. Fundamento: estación base genera una corrección para cada pseud. observada (PRC) y su variación con el tiempo (RRC); equipo movil observada (PRC) y su variación con el tiempo (RRC); equipo movil

li i b éli ili d l l i ióli i b éli ili d l l i ióaplica correcciones sobre satélites utilizados y calcula su posiciónaplica correcciones sobre satélites utilizados y calcula su posición

Corrección por posiciónCorrección por posición

Fundamento: se calcula la diferencia de latitud, longitud y altura Fundamento: se calcula la diferencia de latitud, longitud y altura elipsoidal en la estación base para aplicársela al móvilelipsoidal en la estación base para aplicársela al móvil



2.1. Posicionamiento relativo o diferencial con código

• Incógnitas: 3 coordenadas de los puntos y estado del oscilador de los receptores en cada época

• Método de cálculo: simples diferencias

Precisión decimétrica (repetiti idad de medida)• Precisión decimétrica (repetitividad de medida)

• Posibilidad de trabajar con 1 solo receptor (ERGPS + radio)



2.2. Posicionamiento relativo o diferencial con fase

• Método de mayor precisión (5 mm + 1ppm con código y fase)

• Geodesia y Topografía

• Determina posición receptor movil en relación receptor referenciareferencia

• Coordenadas de estación de referencia conocidas

• Se toman datos de 4 o más satélites en ambos receptores

• Elimina errores (satélites y receptores)

• Minimiza retardos atmosféricos



2.2. Posicionamiento relativo o diferencial con fase

Distintos métodos de posicionamiento diferencial (dependiendo de observables, instrumentación GPS y software de cálculo):

• Estático

• Estático rápido

• Semicinemático “Stop and Go”

• Cinemático

• Ambigüedades OTF “On the fly”

• Cinemático en tiempo real (RTK)


• Origen, 3 direcciones fijas en el espacio y un sistema de medida

• Sistema de Referencia Terrestre Internacional (ICRS)

• Sistema de Referencia Terrestre Convencional (CTRS)

9. Sistemas de referencia GPS

Sistema de Referencia Terrestre Convencional (CTRS)

• GPS: World Geodetic System 1984 (WGS84)

• Marco de Referencia Terrestre Internacional (ITRF)

• Marco de Referencia Terrestre Europeo (ETRF)


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