Impreso en los talleres del Centro de Ayudas a la Enseñanza de la Armada (CAE).

Transcripción

1 ESCUELA DE HIIDROGRAFÍÍA ARMADA ESPAÑOLA NOCIONES DE G.P.S. APLICACIONES EN HIDROGRAFÍA M aanu ee l Gom aa P aavón CÁD IIZ 2008

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3 ESCUELA DE HIDROGRAFÍA ARMADA ESPAÑOLA M aanu ee l Gom aa P aavón Subo ff i cc i aa l Hidi rróg rr aa ffo P rro ff ee sso rr d ee G eeod ee ss i aa y Topo gg rr aa ff í aa CAD IIZ 2008

4 Manuel Goma Pavón. Suboficial Higrógrafo. Profesor de Geodesia y Topografía. Escuela de Hidrografía de la Armada. Impreso en los talleres del Centro de Ayudas a la Enseñanza de la Armada (CAE). Impreso en España

5 PROLOGO DEL AUTOR El presente libro esta realizado con el objeto primordial de orientar a los alumnos de la Escuela de Hidrografía de la Armada en el entendimiento de los sistemas de posicionamiento global. En líneas generales se ha pretendido hacer un manual lo mas útil posible para que el alumno comprendan el manejo de los equipos y de los datos generados por ellos. Este libro es una recopilación de varios trabajos realizados, bajo la supervisión del autor, como profesor de Geodesia y Topografía, por distintos cursos de acceso al Cuerpo de Suboficiales Hidrógrafos, como trabajos de fin de curso en la asignatura de Geodesia: Manual de G.P.S. ASTEC XII Sargento alumno Don José David León Martín. Practicas asignatura Geodesia Sargentos alumnos Doña. Susana López Jiménez y Don Rafael Cortejosa Díaz a los que se añadieron correcciones, apuntes del autor y resúmenes de innumerables artículos existentes sobre el tema. Se ha intentado realizar un libro de consulta sobre el tema del posicionamiento por medios espaciales para todos los cursos que se imparten en la escuela de Hidrografía, el resultado de este esfuerzo es el presente libro, basado en el plan de estudio vigente en la Escuela de Hidrografía ajustándose fielmente al programa aprobado en la DIGEREM, en la instrucción número 34/2002, del Subsecretario de Defensa y temario publicado en el B.O.D. núm., 54 de fecha 18 de Marzo de Si a través de las páginas del presente manual, el alumno encuentra la solución de algunos problemas suscitado por el manejo de los G.P.S., se habrá conseguido con creces la finalidad perseguida con su publicación. Agradecer la colaboración de los Suboficiales Hidrógrafos Don José Antonio Sánchez Moreno, Don Jesús Gálvez Julvez, Don Manuel Asencio Barbacil y Don José Laureano Arroyo Sánchez.

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7 CAPITULO I.- GENERALIDADES SOBRE EL G.P.S. 1.-Introduccion... I Descripción del sistema... I El sector espacial. I Características de los satélites.. I Señal de los satélites. I Mensaje de navegación.. I Datos almanaque I Efemérides transmitidas.. I Efemérides precisas I Calculo de la posición de un satélite G.P.S. I Calculo del tiempo. I El sector de control. I El proceso de actualización.. I El sector usuarios. I La antena.. I El sensor I El controlador.. I Tipos de receptores. I Introduccion al sistema Glonass.. I Descripción del sistema.. I El sector control I El sector espacial. I El sector del usuario.. I Características de la señal Glonass.. I Mensaje de navegación.. I El tiempo del sistema Glonass I El sistema de referencia Datum PZ-90. I Uso combinado de los sistemas G.P.S. y Glonass I Introduccion al sistema Galileo I-37 CAPITULO II POSICIONAMIENTO CON G.P.S. 1.- Introducción II Principio del funcionamiento II Medición de distancia Satélite-Receptor II La pseudodistancia.. II-6 3.-Correcciones a la pseudodistancia... II El error orbital.. II El reloj del satélite.... II Corrección relativista.. II Retardos instrumentales Satélites/Receptor. II Retardo troposfericos.. II Retardo ionosférico.. II Multipath.. II Factores de precisión en las medidas. II-12

8 4.1.- Dilución de la precisión II Ejemplo de la dilución de la precisión. II-22 CAPITULO III MÉTODOS DE POSICIONAMIENTO 1.- Tipos o métodos de posicionamiento III Por referencia del posicionamiento.. III Por movilidad del receptor.. III Técnicas de posicionamientos G.P.S III Técnicas de posicionamientos por códigos. III Técnicas de posicionamientos por portadoras. III Estático III Cinemático (basado en la portadora).. III Pseudos-Cinemático.. III Trabajo en tiempo real. III Archivos Rinex. Archivos de intercambio de información G.P.S III Base del formato Rinex. III Formato Rinex III Archivo Rinex de navegación III Características del archivo de navegación. III Archivos Rinex de observación III Características del archivo observación. III El sistema de referncia Datum WGS-84. III Aplicaciones de los G.P.S.. III-32 CAPITULO IV EL G.P.S. EN EL INSTITUTO HIDROGRÁFICO 1.- El G.P.S. en la sección de geodesia.. IV El problema de las coordenadas en distintos sistemas de referencias IV Sistema de referencia local. IV Sistema de referencia global.. IV-4 2.-Solución al problema... IV-5

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11 CAPITULO I GENERALIDADES SOBRE EL G.P.S.

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13 CAPITULO I GENERALIDADES SOBRE EL G.P.S. 1.- INTRODUCCION Desde que en 1957 el lanzamiento del Sputnik 1 supuso el comienzo de la era de los satélites artificiales y su posterior uso en aplicaciones para el interés de la comunidad mundial, la tecnología ha avanzado en este aspecto de manera espectacular, y uno de los campos en los que se ha manifestado especialmente dicho avance, es en las aplicaciones que conciernen a las ciencias de la Tierra, y dentro de ellas, de manera notable el estudio de su forma y dimensiones (Geodesia) así como, en el estudio de los fenómenos físicos que afectan y condicionan dicha forma y dimensiones (Geofísica). Dentro de los grupos de Sistemas de Geodesia Espacial, destacan la Constelación NAVSTAR (navegación por satélite en tiempo y distancia) y la constelación GLONASS (sistema global de navegación por satélite). Ambas constelaciones fueron creadas por los departamentos de Defensa de los EE.UU. y la URSS, respectivamente y su principal cometido era poder posicionar un objeto en la superficie de la tierra, a través de las señales emitidas en forma de ondas de radio por los satélites de dichas constelaciones, que dicho objeto procesaba en la superficie, determinando así su posición con una precisión en función del tipo de información recibida, tiempo de recepción y condiciones de la emisión. Este posicionamiento se produce sobre un sistema de referencia que en el caso de usar la constelación americana NAVSTAR corresponde al sistema WGS-84 y en el caso de usar la constelación rusa corresponde al sistema PZ-90. Cuando la Unión Soviética puso en órbita el primer satélite artificial de la Tierra, se observaba como un punto brillante, que se movía lentamente entre los astros que I-1

14 servían de punto de referencia para los navegantes. Pronto surgió una idea, pasar de la navegación estelar a la por satélite.un grupo de científicos soviéticos, dirigidos por el académico V. Kotélnikov, ofrecieron utilizar el método Doppler para determinar parámetros de las órbitas de los satélites. Al principio de los 60 los departamentos de defensa, transportes y la agencia espacial norteamericana (DoD, DoT y NASA respectivamente) tomaron interés en desarrollar un sistema para determinar la posición basado en satélites. El sistema debía cumplir los requisitos de globabilidad; abarcando toda la superficie del globo; continuidad, funcionamiento continuo sin afectarle las condiciones atmosféricas; altamente dinámico, para posibilitar su uso en aviación y precisión. Esto llevó a producir diferentes experimentos como el Timation y el sistema 621 B en desiertos simulado diferentes comportamientos. Así el GPS entró en servicio en 1965, el Departamento de Defensa de los Estados Unidos lo implemento con el objeto de obtener en tiempo real la posición de un punto en cualquier lugar de la tierra. Este sistema surgió debido a las limitaciones del sistema TRANSIT que en la década de los 70 proporcionaba posicionamiento usando métodos Doppler. La principal desventaja de este último era la no disponibilidad de satélites las 24 horas del día. El sistema TRANSIT estaba constituido por una constelación de satélites en órbita polar baja, a una altura de 1074 Km. Tal configuración conseguía una cobertura mundial pero no constante. La posibilidad de posicionarse era intermitente, pudiendo acceder a los satélites cada 1.5 h. El cálculo de la posición requería estar siguiendo al satélite durante quince minutos continuamente. TRANSIT trabajaba con dos señales en dos frecuencias, para evitar los errores debidos a la perturbación ionosférica. El cálculo de la posición se basaba en la medida continua de la desviación de frecuencia Doppler de la señal recibida y su posterior comparación con tablas y gráficos. El error de TRANSIT estaba entorno a los 250 m. Su gran aplicación fue la navegación de submarinos y de barcos. I-2

15 El 3 de marzo de 1978, la URSS puso en marcha el satélite Cosmos 1000, dando inicio al sistema de navegación cósmica nacional TSICADA destinado a localizar a los barcos en cualquier lugar del océano. Con este esquema de satélites, se pueden obtener datos, en el ecuador cada 72 minutos y conforme aumentan las latitudes con más frecuencia se obtienen los datos de posicionamiento hasta llegar a una latitud de aproximadamente 50º N, donde las órbitas se cruzan, que los datos de los satélites se reciben ininterrumpidamente. El uso de este sistema, proporcionaba, hace unos años, el ahorro del orden de unos rublos al año, por barco, en la URSS. En plena guerra fría los norteamericanos no podían permitir que los rusos fuesen a la vanguardia de las posiciones de los barcos en altamar, con lo que deberían dar un gran y definitivo salto en los sistemas de posicionamientos en navegación y que dejara a los rusos definitivamente por detrás en la alta tecnología. Finalmente Estados Unidos concibió un sistema formado por 24 satélites en órbita media, que diera cobertura global y continua, la constelación NAVSTAR. ROCKWELL (California) se llevó unos de los contratos más importantes de su época, con el encargo de 28 satélites. El primer satélite se lanzó en 1978, y se planificó tener la constelación completa ocho años después. Unidos a varios retrasos, el desastre de la lanzadera Challenger paró I-3

16 el proyecto durante tres años. Por fin, en diciembre de 1983 se declaró la fase operativa inicial del sistema GPS. El objeto del sistema GPS era ofrecer a las fuerzas de Estados Unidos, la posibilidad de posicionarse (disponer de la posición geográfica) de forma autónoma o individual, de vehículos o armamento, con un coste relativamente bajo, con disponibilidad global y sin restricciones temporales. La iniciativa, financiación y explotación corrieron a cargo del Departamento de Defensa de los Estados Unidos, el GPS se concibió como un sistema militar estratégico. En 1984 un vuelo civil de Korean Airlines fue derribado por la Unión Soviética al invadir por error el espacio aéreo. Ello llevó a la administración Reagan a ofrecer a los usuarios civiles cierto nivel de uso del GPS, llegando finalmente a ceder el uso global y sin restricciones temporales, de esta forma se conseguía un retorno a la economía de los EE.UU. inimaginable años atrás. Además suponía un gran liderazgo tecnológico originando un vertiginoso mercado de aplicaciones. La seguridad obtenida en la posición la degrada intencionalmente el DoD (Departament of Defense) de los EE.UU. por motivos bélicos. En marzo de 1996, la Casa Blanca informó que entre cuatro a diez años se quitaría esta restricción denominada disponibilidad selectiva con lo que la precisión para un receptor domestico alcanzaría errores menores de 20 m. La contrapartida rusa al G.P.S. lleva el nombre Global Navigation Satellite System (GLONASS) y es operacional desde el 18 de Enero de 1996, día en el que los 24 satélites estaban operativos y en comunicación al mismo tiempo. I-4

17 De los 24 satélites, distribuidos en tres planos orbitales inclinados 64.8º a Km. de altitud y periodo 11h. 15min. sólo funcionan 14. Mantiene muchas similitudes con el sistema americano tanto en su fundamento como en su utilización, pero no da cobertura a toda la tierra. A pesar de que la constelación no está completa, proporciona a los usuarios civiles unas precisiones en el posicionamiento absoluto típicamente mejores que las que proporciona el sistema GPS. A pesar del beneficio que supone la ausencia de perturbación en la señal GLONASS, la incertidumbre sobre su futuro ha limitado su demanda. La Agencia Europea del Espacio (ESA) está apunto de iniciar el viejo proyecto de una constelación europea de posicionamiento y navegación por satélite, que recibe el nombre de Galileo. El primero de los ingenios funcional será puesto en órbita en Sin necesidad de correcciones posteriores, es decir, en tiempo real, se alcanzaran muy altas precisiones instantáneas, entorno a un metro o incluso por debajo de este. Como sistema civil, además, los satélites Galileo serán enormemente más baratos que los GPS, dado que no incluirán funciones especiales sólo destinadas al uso militar. La ESA asegura que la constelación Galileo estará permanentemente operativa, aunque haya conflictos bélicos que involucren a las naciones occidentales, cosa que no queda garantizada por los sistemas GPS. I-5

18 Las órbitas de los satélites Galileo están diseñadas para ser prácticamente circulares, los satélites que serán 30 cubrirán distintos ángulos en tres órbitas distintas a casi Km de distancia de la Tierra, con una inclinación de 56º sobre el plano del ecuador. Resulta de enorme interés la unificación de las constelaciones GPS y GLONASS de cara a los usuarios. Si en lugar de 24 satélites por red se pudiera contar, a un mismo tiempo, con los 48 de ambas, la velocidad, la precisión y la fiabilidad de los resultados en cualquier situación aumentarían de un modo nada despreciable. Los aparatos que captan las señales de ambas constelaciones permiten mezclar los satélites. Pero lo último sería la unificación que propone un proyecto denominado GNSS (global navigation satellite system). Para que esta iniciativa prospere deben adecuarse a unas normas comunes, pasando a utilizar el mismo sistema de referencia y el mismo sistema de tiempo DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA. El sistema GPS se divide en tres sectores fundamentales y dependientes entre sí, que son: el Sector Espacial, el Sector de control y el Sector de Usuarios. I-6

19 EL SECTOR ESPACIAL. Este sector lo forman los 24 satélites de la constelación NAVSTAR, mas 3 de repuesto en caso de que alguno de los principales quede inoperativo o necesite ser reparado. La constelación está formada por seis planos orbitales, y en cada uno de ellos existe una órbita elíptica casi circular donde se alojan los satélites regularmente distribuidos. Los planos tienen una inclinación de 55º respecto al plano del ecuador, y se nombran como A, B, C, D, E y F. Cada órbita contiene al menos cuatro satélites, aunque pueden contener más. Los satélites se sitúan a una distancia de Km. respecto del Geocentro, y completan una órbita en doce horas sidéreas. Estos satélites son puestos en funcionamiento por el Comando de las Fuerzas Aéreas Espaciales de USA (AFSPC). Con estos fundamentos, se garantiza la presencia de al menos cuatro satélites sobre el horizonte en todos los lugares de la superficie de La Tierra CARACTERÍSTICAS DE LOS SATÉLITES. A los satélites de la constelación NAVSTAR (Navigation Satellite Timing And Ranging), que se encuentran orbitando alrededor de la Tierra, se les conoce con el nombre de vehículos espaciales SV (Space Vehicles) y se les identifican de diversos modos: - Por su número NAVSTAR (SVN). - Por su código de ruido pseudo-aleatorio (PRN). En los códigos de transmisión existen características de ruido pseudo-aleatorio traducidas en bits que identifican a cada satélite de la constelación. I-7

20 - Por su número orbital. Un ejemplo sería el satélite 3D, que corresponde al satélite número tres del plano orbital D. Hasta la actualidad, ha habido tres generaciones de satélites, los Blok I (actualmente inoperativos), Blok II (19 satélites) y los Blok IIR (8 satélites) haciendo un total de 27 satélites operativos, pertenecientes a los bloques IIA y IIR. Su distribución por planos es la siguiente: cinco en los planos A, E y F y cuatro en los planos B, C y D. Blok I Blok IIR Blok 2F Todos disponen de osciladores atómicos de cesio, salvo los SVN 24, 27 y 31 que lo tienen de rubidio. En el caso de los primeros la precisión es de s, mientras que los de rubidio es de s. La frecuencia fundamental de emisión de estos osciladores es de 10,23 MHz. El tiempo utilizado por el sistema GPS es un tiempo universal coordinado denominado UTC (USNO) que define el Observatorio Naval de los Estados Unidos I-8

21 mediante relojes atómicos de hidrógeno. La unidad del tiempo GPS es el segundo atómico internacional y tiene su origen coincidente con el UTC a las cero horas del 6 de enero de Así mismo, debemos añadir que los satélites disponen además de: - Antenas emisoras de ondas de radio (banda L). Con ellas transmiten la información al usuario. - Antenas emisoras-receptoras de ondas de radio (banda S). Sirven para actualizar su situación a través del sector de control. - Paneles solares para disponer de la energía necesaria para su funcionamiento. - Reflectores láser para el seguimiento desde el sector de control. La vida de los satélites oscila entre los seis y diez años, y es de reseñar que el más antiguo aun operativo tiene una edad de ocho años y medio. El más duradero fue el SVN-3 que duró trece años y medio. I-9

22 SEÑAL DE LOS SATÉLITES. Cada satélite va provisto de un reloj-oscilador que provee una frecuencia fundamental de 10,23 MHz, sobre la que se estructura todo el conjunto de la señal radiodifundida por el satélite. El satélite emite información sobre dos portadoras, la primera es el resultado de multiplicar la fundamental por 154 ( MHz) y se denomina L1. La segunda, utiliza un factor de 120 ( MHz) y se denomina L2. El término "L" viene determinado porque los valores usados están en la banda L de radiofrecuencias que abarca desde 1 GHz a 2 GHz (1000 a 2000 MHz). El poder utilizar las 2 frecuencias permite determinar por comparación de sus retardos diferentes, el retardo ionosférico, difícilmente predecible por otros sistemas. Los componentes de la señal son: Portadora L1 y Portadora L2 Las señales Ll y L2 modulan y transportan información que podríamos clasificar en 3 niveles: I-10

23 Las principales características en el nivel de Onda Portadora son las siguientes: El sistema de modulación de las señales Ll y L2 es del tipo: BPHK (BiPhase ShíftKeying). Este método es uno de los más adecuados si se desea calcular a partir de la señal la distancia recorrida desde el satélite al receptor (Ranging Measurementes) Sobre estas dos portadoras se envía una información modulada compuesta por dos Códigos y un mensaje, generados también a partir de la frecuencia fundamental correspondiente. Un primer código denominado C/A (course /adquisition) o S (standard), es una moduladora con la frecuencia fundamental dividida por 10 o sea de 1,023 MHz. El segundo código llamado P (precise) modula directamente con la frecuencia fundamental de 10,23 Mhz y por último el mensaje se envía con la bajísima frecuencia moduladora de 50 Hz. La señal Ll se modula con dos códigos de distancia con ruido pseudo-aleatorio (PRN): Código de precisión o código P que puede encriptarse para uso militar Código Burdo/Adquisición o código C/A que no se encripta I-11

24 Como puede observarse, L1 transporta las dos secuencias numéricas: Código C/A, y Código P (Y). La señal L2 en cambio transporta una única secuencia numérica seleccionable de entre las tres siguientes: Código C/A, Código P, Código P (Y). La mayoría de los receptores civiles utilizan el código C/A para obtener información del sistema GPS. El DoD de los EE.UU. tiene la facultad de degradar en cualquier momento la precisión del GPS mediante la Disponibilidad Selectiva (SA). Esta degrada el código C/A hasta el punto de que los receptores civiles errarían en el cálculo de la posición de un punto singular en una desviación de hasta 100 metros. El error introducido por la Disponibilidad Selectiva se elimina casi completamente mediante la corrección diferencial, que aumenta la precisión de la posición hasta 5 metros. Sus efectos se eliminan cuando se emplean receptores topográficos para calcular líneas de base relativas. Todos los satélites emplean el mismo sistema y las mismas frecuencias portadoras. Se plantea entonces la cuestión de si las señales de distintos satélites interfieren entre si en el receptor. La respuesta es que sí. Sin embargo, la forma en la que se han generado las secuencias binarias permite recuperar los datos de cada satélite de forma individual, conociendo y empleando una clave asociada a cada uno de ellos. Este método de acceso a un canal de comunicación se conoce como CDMA (Code División Múltiple Access). La figura ilustra gráficamente este concepto. I-12

25 DSS. Direct Secuence SpreadSpectrum. Modulador de espectro disperso por secuencia directa - Código C/A El código Burdo/Adquisición (C/A) es un código de ruido pseudo-aleatorio (PRN) que se emite a una frecuencia de 1023 MHz. Este código se repite cada milisegundo. Las ecuaciones para la decodificación del código C/A son conocidas y no están clasificadas, así que el código C/A está disponible para aplicaciones civiles. El código C/A es utilizado por muchos receptores civiles para aplicaciones de navegación y cartografía. -Código P El código P es un segundo código de ruido pseudo-aleatorio (PRN) que se modula en las señales GPS. Se emite a una frecuencia de MHz. Esta señal se repite cada 267 días. El ciclo de 267 días se divide en 38 segmentos de 7 días. Seis de estos segmentos se reservan para fines operativos o no se utilizan. Cada uno de los restantes segmentos de siete días se asignan a diferentes satélites, de manera que cada satélite tiene asociado un código distinto. Este código lleva una palabra denominada HOW que indica en que momento del código está cuando el receptor empieza a recibirlo, de este modo el receptor engancha el código y empieza a medir. Las ecuaciones para la decodificación del código P son conocidas y no están clasificadas, así que el código P I-13

26 está disponible para aplicaciones civiles. Las mediciones con código P sirven para ayudar al procesamiento de los trabajos topográficos por el método Estático-Rápido del GPS. -Código Y El código Y puede considerarse como una versión encriptada del código P. En realidad, es un código PRN similar al código P y puede utilizarse en lugar de éste. Las ecuaciones para la decodificación del código Y están clasificadas y sólo son conocidas por los usuarios autorizados. Por consiguiente, si las autoridades militares de los EE.UU. deciden activar el código Y (denominado a veces "código P encriptado"), los usuarios no militares no podrán utilizar ni el código P ni el código Y. Si el código Y está en curso se habla de que está conectado el A/S (Anti-Spoofing). Los códigos consisten en una secuencia de dígitos binarios o bits (ceros y unos). La modulación de las portadoras con éstos códigos general un ruido electrónico que, en principio, no sigue ninguna ley y parece aleatorio, pero en realidad sus secuencias están establecidas mediante unos desarrollos polinómicos, este fenómeno se conoce con el término ruido seudo- aleatório (Pseudo Random Noise, PRN), y tiene la característica de que puede correlarse con una réplica generada por otro instrumento. Los códigos son una secuencia de +1 y -1, correspondientes a los valores binarios de 0 y 1 respectivamente. Los componentes de la señal y sus frecuencias son: COMPONENTE vo FRECUENCIA(MHz) Frecuencia Fundamental v0 10,23 Portadora L1 154 v ,42 Portadora L2 120 v ,60 Código P v0 10,23 Código C/A v0 /10 1,023 Código Y v0 /20 0,5115 Mensaje de Navegación v0 / Cada uno de éstos códigos posee una configuración particular para cada uno de los satélites y constituye el denominado PRN característico, con el que se identifica a los satélites en el sistema GPS. I-14

27 El sistema que se utiliza en GPS para modular los códigos binarios se denomina Modulación Binaria por Cambio de Fase o modulación binaria bifase. El mensaje modulado sobre ambas portadoras tiene una duración de 12 m. y 30 s. debido principalmente a su longitud y su baja velocidad de transmisión. La información que contiene viene referida a: Precisión y estado del satélite (salud, en terminología GPS), ya que los satélites pueden encontrarse "sanos" o "enfermos" (inoperantes). Antigüedad de la información y de las efemérides radiodifundidas. Almanaque y el estado de los relojes. Un modelo ionosférico, para el cálculo de los retardos. Información UTC (tiempo-hora universal). Dos claves: - TLM, de telemetría, por si la órbita del satélite sufre alguna manipulación desde tierra. HOW, que da acceso, para los usuarios autorizados, al código P. Por razones de índole militar, se introduce un error intencionado en las efemérides radiodifundidas de los satélites, denominado Disponibilidad Selectiva (SA). Esto repercute en el posicionamiento sobre el sistema de referencia WGS84, ya que si la posición de los satélites que nos sirven de referencia está alterada nuestro posicionamiento no se va a realizar en dicho sistema, sino que se va a efectuar en un sistema arbitrario, con un error mayor o menor en función de la cantidad de SA que exista en ese instante. Este problema es importante en posicionamientos absolutos, ya que no podemos saber la posición correcta. Sin embargo, en posicionamientos diferenciales nos afecta en posición pero no en precisión, ya que la posición relativa de un punto respecto a una referencia (sus incrementos de coordenadas) no está afectada de este error MENSAJE DE NAVEGACIÓN: El mensaje de navegación es mandado por los satélites, y consta esencialmente de información sobre el reloj de los satélites, parámetros orbitales (efemérides), estado de salud de los satélites y otros datos de corrección. I-15

28 Consta de 25 grupos de 1500 bits cada uno y divididos en cinco celdas. Cada grupo se transmite con una frecuencia de 50 Hz y tarda 30 s. Esto supone que el mensaje modulado completo sobre ambas portadoras tiene una duración de 12 min. y 30 s. Por razones de índole militar, se introduce un error intencionado en las efemérides radiodifundidas de los satélites, denominado Disponibilidad Selectiva (SA) de la que hablaremos en el apartado de errores. Tres sistemas de datos están disponibles para la determinación de los vectores de posición y velocidad de los satélites en un marco terrestre de referencia para cualquier instante. Estos sistemas son: datos del almanaque, efemérides transmitidas, y efemérides precisas. Los datos se diferencian en su exactitud y en que están disponibles en tiempo real o después del evento DATOS DEL ALMANAQUE El propósito del almanaque es el de proveer al usuario de datos menos exactos para facilitar la búsqueda de los satélites por parte del receptor o para las tareas de planificación tales como el cálculo de las máscaras de la visibilidad del horizonte. El almanaque es transmitido por el mensaje de los satélites y esencialmente contiene parámetros de la representación de la órbita, parámetros de corrección de los relojes del satélite, y otras informaciones EFEMÉRIDES TRANSMITIDAS Están basadas en observaciones de cinco de las estaciones de monitoreo del segmento de control del sistema GPS. Estas estaciones reciben permanentemente las señales emitidas por los satélites y envían las observaciones a la Estación de Control Maestro, quien se encarga de calcular las órbitas de los satélites. Para el cálculo orbital se realiza el razonamiento inverso al del cálculo de la posición del receptor. Se invierten los papeles que cumplen la posición del receptor, que pasa a ser el dato conocido en lugar de la incógnita a determinar y la posición del I-16

29 satélite, que pasa a ser la incógnita a determinar en lugar del dato conocido. Todas las estaciones poseen una ubicación perfectamente conocida y es con respecto a ellas que se determinan las posiciones de los satélites GPS. Estas estaciones determinan el marco de referencia utilizado por el GPS, denominado WGS84 (World Geodetic System 1984). Con todas las observaciones colectadas a lo largo de 7 días por las estaciones de rastreo, la estación de control maestro calcula la órbita de los satélites GPS. Esta órbita refleja el movimiento de los satélites en el período que fue realizado el cálculo y no el movimiento presente. La estación de control maestro utiliza las órbitas calculadas para predecir órbitas que describan el movimiento de los satélites en el futuro. Luego estas órbitas predichas son enviadas desde tierra a los satélites. De esta manera, cuando se realizan observaciones, es el mismo satélite quien le transmite al usuario la órbita que describe su propio movimiento en el momento de la observación. Estas órbitas se definen a través de los elementos keplerianos de las mismas, con parámetros adicionales de perturbación. Los parámetros se refieren a una época de referencia dada toe para las efemérides y toc para el reloj, teniendo validez por un lapso de tiempo de más o menos dos horas antes y dos horas después de la época de referencia. Por lo tanto, se obtiene la representación de la trayectoria satelital a través de una secuencia de distintas órbitas de Kepler disturbadas. Cada 120 minutos, se transmite un grupo de datos nuevos, lo cual ocasiona pequeños saltos que se pueden distinguir al superponer las distintas representaciones. Estos saltos pueden alcanzar algunos decímetros de altura. La I-17

30 precisión de las coordenadas de los satélites a partir de las efemérides transmitidas es generalmente de 1 a 3 m EFEMÉRIDES PRECISAS Las efemérides precisas son determinadas por el International GPS Service (IGS), en base a los datos recogidos por sus estaciones de referencia GPS distribuidas por todo el globo terrestre. El IGS calcula dos tipos de soluciones: Una primera solución rápida (código igr) se calcula al finalizar cada día, una vez los Centros de Análisis de Datos del IGS han recogido, de todas las estaciones de referencia, los datos GPS registrados por las mismas durante el día anterior. Esta solución rápida igr está disponible 17 horas después del final del día correspondiente (24h UTC), y tiene una precisión que el propio IGS estima en mejor que 5 cm. en cada una de sus tres componentes geocéntricas (X,Y,Z). La solución final de las efemérides de precisión que procesa el IGS (código igs), resulta de una combinación ponderada entre todos sus Centros de Análisis, siendo su actualización semanal y no está disponible hasta 13 días después de concluida la semana GPS, a las 24 horas UTC de cada sábado. Las efemérides precisas se encuentran en archivos diarios (de 0:00 a 23:45 UTC) en el formato ASCII universal SP3 que contiene las posiciones geocéntricas X, Y, Z, así como las correcciones a sus relojes en intervalos de 15 minutos. Las posiciones están referidas al Marco de Referencia Terrestre Internacional (ITRF). Se encuentran disponibles para los usuarios en: CALCULO DE LA POSICIÓN DE UN SATELITE GPS El usuario del sistema GPS debe tener acceso en tiempo real a las posiciones satelitales y al tiempo del sistema satelital para resolver tareas de navegación. Esto es posible por medio de la información orbital, es decir por medio del mensaje de navegación, que está contenido en la señal de los datos (efemérides transmitidas). En este mensaje se encuentran parámetros que describen la orbita satelital y el estado del I-18

31 reloj del satélite. En base a esto, se calculan las coordenadas X, Y, Z del satélite referidas al sistema geodésico mundial WGS84 en tiempo real. Los parámetros que describen la órbita de un satélite son (parámetros de Kepler referidos a una época de referencia t oe ): A = semieje mayor de la órbita. e = excentricidad de la órbita. i o = ángulo de inclinación de la órbita. Ω o = ascensión recta del nodo ascendente. ω = argumento del perigeo. M o = anomalía media. Ω o,i o ubican el plano orbital. ω determina la órbita en el plano orbital (ubica el perigeo). A, e determina la forma de la órbita. M o sirve para ubicar la posición del satélite a la época de referencia. Estos parámetros están incluidos en las efemérides transmitidas. Otros parámetros que se transmiten con la señal GPS son: PARÁMETROS DE TIEMPO: t oe = tiempo de referencia para los parámetros de las efemérides (s). t oc = tiempo de referencia para los parámetros del reloj del satélite (s). a o, a 1, a 2 = coeficientes polinomiales de corrección del reloj del satélite. I-19

32 PARÁMETROS DE PERTURBACIÓN: n = Diferencia de la moción media de los valores computados ( rad/s). Ω = tasa de la ascensión recta (rad/s). i = tasa de la inclinanción (rad/s). Cus = Amplitud del término de corrección armónico del seno del argumento de latitud (rad). Cuc = Amplitud del término de corrección armónico del coseno del argumento de latitud (rad). Cis = Amplitud del término de corrección armónico del seno del ángulo de inclinación (rad). Cic = Amplitud del término de corrección armónico del coseno del ángulo de inclinación (rad). Cis = Amplitud del término de corrección armónico del seno del ángulo de inclinación (rad). Crs = Amplitud del término de corrección armónico del seno del radio orbital (rad). Crc = Amplitud del término de corrección armónico del coseno del radio orbital (rad) CALCULO DEL TIEMPO El tiempo del sistema GPS es una escala de tiempo atómica. Se caracteriza por el número semanal y el número de segundos transcurridos desde el comienzo de la semana actual; por lo tanto el tiempo GPS puede variar entre 0, al comienzo de una semana y , al final de una semana. La época inicial de GPS es el 6 de enero de 1980 a las 0 horas de UTC. Es por eso que la semana GPS comienza a medianoche del sábado (tiempo universal). En ese momento coincidieron los tiempo GPS y UTC. El tiempo del sistema GPS es una escala continua de tiempo definida por el reloj principal de la Estación Central de Control. Los segundos desplazados en la escala de tiempo UTC y la desviación en el reloj de la Estación indican que las escalas de tiempo UTC y GPS no son idénticas. Esta diferencia es controlada continuamente por el segmento de control y se la transmite a los usuarios en el mensaje de navegación. I-20

33 Debido errores de frecuencia constantes e irregulares de los osciladores satelitales, difiere el reloj del satélite respecto al tiempo del sistema GPS. El tiempo del satélite individual t SAT se corrige para obtener el tiempo t del sistema GPS: t = t = a + a ( t t ) + a ( t t ) 2 t SAT t SAT SAT 0 1 Las coordenadas cartesianas X k, Y k, Z k se calculan para una época dada t (tiempo GPS), referidas a un sistema convencional terrestre. El tiempo t k necesario para éstos cálculos es el transcurrido desde la época de referencia t oe de los parámetros de las efemérides: oc 2 oc t = t k t oe EL SECTOR DE CONTROL. Este sector tiene como misión el seguimiento continuo de todos los satélites de la constelación NAVSTAR para los siguientes fines: - Establecer la órbita de cada satélite, así como determinar el estado de sus osciladores. - Hallados los parámetros anteriores, emitirlos a los satélites para que éstos puedan difundirlos a los usuarios. De este modo, el usuario recibe la información de las efemérides de posición de los satélites y el error que se está produciendo en su reloj, todo ello incluido en el mensaje de navegación. La fuerza aérea norteamericana (USAF) es responsable del segmento de control, que se encarga de: Planificar el sistema y lanzar nuevos satélites. Efectuar tareas de mantenimiento (P.ej comprobar los paneles solares, los relojes internos, etc) I-21

34 Medir las posiciones de los satélites y predecir sus órbitas. Medir y ajustar los relojes atómicos. Analizar las señales emitidas. Transmitir los datos y las correcciones a los satélites. El control de la constelación está formado por una serie de estaciones en tierra: una Estación de Control Principal (MCS), una serie de Estaciones de Control (MS) y Ground Antennas (GA). Estas estaciones están repartidas a lo largo de la superficie terrestre y próxima al ecuador. Las Estaciones de Control utilizan un receptor especial GPS que efectúa un seguimiento pasivo de todos los satélites a la vista. La información obtenida es procesada en la Estación de Control Principal para determinar los valores de hora y efemérides de los satélites y para actualizar el mensaje de navegación de cada satélite. Esta información actualizada es transmitida a los satélites a través de las GA. Estaciones componentes del Sector de Control Las Estaciones de Control de la constelación Navstar son 5: 1. - Colorado Springs (U.S.A.). Central de cálculo y operaciones Hawai (Pacífico Oriental) Ascensión (Atlántico Sur) Diego García (Indico) Kwajalein (Pacífico Occidental). I-22

35 Existen además otras estaciones de seguimiento (láser, radar y ópticas), cuyo fin es la obtención de efemérides que no estén afectadas por la disponibilidad selectiva, denominadas precisas, y que están al alcance del usuario a través de organismos científicos como el IGS (International Geodinamic Service) o el NGS (National Geodetic Survey). Con ellas, tenemos la seguridad de posicionarnos en el sistema WGS-84 con los errores típicos del sistema Las estaciones terrestres poseen dos relojes atómicos de cesio referenciados al sistema de tiempo del GPS. De forma continua, calculan las posiciones y la hora de todos los satélites que tenga a la vista. Estos cálculos se efectúan con una precisión extrema, teniéndose en cuenta incluso el estado de la atmósfera y su influencia en la refracción de las señales. Con estos datos, se calculan las órbitas y las correcciones temporales para los siguientes 210 días. Estos resultados se envían a los satélites cada 30 días I-23

36 EL PROCESO DE ACTUALIZACIÓN Las medidas de pseudodistancia PR brutas y el mensaje de navegación que llegan a la MCS, a través de las MS, son examinados por si presentan aberraciones que afecten a su utilización. Si no presentan problemas, la MCS utiliza estas medidas de pseudodistancia PR para corregir las derivas de los satélites y sus datos de efemérides. Estos nuevos datos, así calculados, son comparados con los que transmite cada satélite, al usuario, a través del mensaje de navegación. La diferencia entre los datos calculados y los que se estaban transmitiendo, son los errores en distancia para cada uno de los satélites en órbita. Este dato es transmitido desde la MCS a los satélites para que estos los envíen en tiempo real al usuario. Cuando, desde la MCS, se observan errores groseros en estas diferencias para algún determinado satélite se genera una predicción de datos de deriva y efemérides para ese satélite. Aunque esto no ocurra, se genera este conjunto de datos una vez al día. Estas predicciones se introducen en los subgrupos 1, 2 y 3 de cada grupo del mensaje de navegación (se describen en capitulo anterior) y en los datos de almanaque y estado de salud de todos los satélites de la constelación. Se tiene así una información actualizada lista para ser inyectada a los satélites. La MCS completa su proceso de actualización enviando la nueva información a las GA que la transmiten a los satélites a través del enlace Control-Espacio. Una vez que los satélites reciben la actualización, reemplazan, en sus bancos de memoria, la actualización anterior por la nueva y comienzan a transmitirla a través del mensaje de navegación. Esta nueva transmisión proporciona datos mucho más precisos de posicionamiento ya que los errores en distancia se hacen prácticamente nulos. Las transiciones producidas por la actualización del mensaje de navegación tiene lugar sin que el usuario se dé cuenta de ello ya que son procesadas internamente por el receptor y no produce interrupción en su funcionamiento. I-24

37 Las estaciones terrestres poseen dos relojes atómicos de cesio referenciados al sistema de tiempo del GPS. De forma continua, calculan las posiciones y la hora de todos los satélites que EL SECTOR DE USUARIOS. Este sector lo compone el instrumental que deben utilizar los usuarios para la recepción, lectura, tratamiento y configuración de las señales, con el fin de alcanzar los objetivos de su trabajo. Los elementos son el equipo de observación y el software de cálculo, que puede ser objeto de uso tras la campaña de observación, o bien realizable en tiempo real, donde se obtienen los resultados in situ. Equipo de observación: Lo componen la antena, el sensor y la unidad de control o controlador LA ANTENA La antena de recepción tiene la misión de recibir las radiaciones electromagnéticas que emiten los satélites y transformarlas en impulsos eléctricos, los cuales conservan la información modulada en las portadoras. Se denomina centro radioeléctrico de la antena al punto que se posiciona en nuestra observación. Dado que éste no suele I-25

38 coincidir con el centro físico, es conveniente orientar todas las antenas de una misma observación en la misma dirección con el fin de que el error se elimine. La señal debe llegar a la antena mediante visual directa. Estas señales no pueden recogerse, con la antena, dentro de un edificio ni bajo el agua. Incluso un denso follaje producido por arboledas puede impedir la correcta recepción de la señal. Las nubes y la lluvia no afectan de forma significante en la recepción, pero una capa de hielo o nieve que cubra la antena si la afectará. Como regla general, si se puede visualizar, desde la antena, la porción de cielo donde se encuentra un satélite, su señal podrá ser recibida por esa antena. La última función que realiza la antena antes de enviar la señal recibida al receptor, es la de amplificarla en la cantidad suficiente para compensar las pérdidas en el cable. Esta amplificación es requerida siempre que la distancia entre la antena y el receptor sea mayor de 2 metros. Distintos tipos de antena EL SENSOR El sensor recibe los impulsos de la antena receptora, y reconstruye e interpreta los componentes de la señal, es decir, las portadoras, los códigos y el mensaje de navegación. En definitiva, lo que hace es remodular la señal original. El proceso es el siguiente, el sensor correla los códigos, es decir, lo compara con una réplica que él mismo genera, y de este modo halla el tiempo que ha tardado en llegar la señal al receptor, obteniendo la distancia al satélite multiplicando esa diferencia de tiempos por el valor de la velocidad de propagación de las ondas en el vacío (aproximadamente unos Km/s). Como estas distancias están afectadas de errores, se las denomina seudodistancias. I-26

39 Para obtener medidas de seudodistancia mediante diferencia de fase de las portadoras, el sensor reconstruye éstas por modulación bifase-binaria de los códigos modulados en ellas. Las técnicas de obtención de los códigos son, entre otras: - Correlación estrecha. Se utiliza para reconstruir los códigos C/A y P, este ultimo cuando no esta encriptado. - Correlación cruzada más cuadratura. Esta técnica se utiliza para desencriptar el código P cuando el anti-spoofing (A/P)esta activado. Se fundamenta en encontrar el código W que es el responsable de que el código P no este disponible para el usuario. - Z-TrackingTM. Es otra técnica para desencriptar el código P. Para ello utiliza dos filtros de paso de bajo para reproducir el nivel de ruido. Hasta el momento, es la técnica que menor degradación produce en la señal y mejores resultados proporciona. Para reconstruir las portadoras se utiliza principalmente: - Cuadratura. Consiste en elevar la onda al cuadrado, limpiando dicha onda de toda la información modulada en ella (códigos y mensajes). Este método tiene el inconveniente de que se produce un empeoramiento de la relación señal/ruido por el aumento de este ultimo, produciendo una degradación importante en la señal. Debemos añadir que toda señal recibida con una relación señal/ruido menor de 30 no debe ser considerada como útil en nuestros trabajos. - Reconstrucción a partir de los códigos. Si por algunas de las técnicas anteriores hemos conseguido acceder a los códigos, podemos reconstruir las fases de las portadoras donde están modulados. La portadora L1 se puede reconstruir a través de código C/A y del código P, mientras que la L2 solo a través el código P, ya que no contiene el C/A El sensor tiene unos canales de recepción, de doble señal si es un receptor bifrecuencia y de señal única si es monofrecuencia. Cada canal recibe las señales de un satélite diferente, y dependiendo del número de canales obtendremos mayor o menor información en un momento dado. Los receptores disponen de un reloj u oscilador que sincroniza los tiempos de recepción. Estos relojes suelen ser de cuarzo con una alta estabilidad, dando precisiones de 10-7 s. Con ellos se obtiene el desfase respecto al tiempo GPS. Este aspecto es el que I-27

40 supone el añadir una incógnita en el cálculo posterior, que no es otra que el estado del reloj en cada época de grabación. Es muy frecuente encontrar equipos de observación en los cuales el sensor y la antena forman un elemento único, lo que facilita el paso de información y agiliza el proceso, evitando los retardos que se producen en la transmisión por cable. Actualmente existen mas de 100 modelos de receptores en el mercado para diferentes propósitos (navegación, topografía, geodesia, ubicación de flotas de vehículos, etc, etc. y diferentes características técnicas y tecnologícas CONTROLADOR El controlador realiza las siguientes tareas: - Controlar el sensor. - Gestionar la observación. - Almacenar los datos. En definitiva, con él se marcan las pautas y modos de trabajo que consideremos oportunos en cada caso. Entre estas pautas destacan: - Tipo de observación (estática, stop & go, cinemática, etc.). - Parámetros de la observación (máscara de elevación, modo de grabación, determinación de las épocas, datos meteorológicos, etc.). - Estado y salud de los satélites. - Seguimiento de los mismos y calidad de la señal que transmiten. - Filtrado de observaciones y datos. - Definición y atributos de los puntos de observación. - Estados de aviso en conceptos de geometría y pérdidas de ciclo. - Definición del sistema de referencia. - Tiempos de observación y actualización de tiempos. - Control del nivel energético. - Posición inicial y secuencial, etc. I-28

41 El buen manejo del controlador es fundamental en los procesos de observación, así como el conocimiento y aplicación de los parámetros adecuados en cada situación o necesidad.. Es muy importante controlar la capacidad de grabación de datos y el tiempo de observación marcado. Estos son algunos ejemplos de almacenamiento por tiempo de observación en función del número de satélites y señales recibidas: 0,5 Mb 1 Mb 2 Mb 4 Mb 6 satélites sobre L1 y L2 con épocas de 2 s. 1 h. 2 h. 4 h. 8 h. 6 satélites sobre L1 y L2 con épocas de 5 s. 2,4 h. 4,8 h. 9,6 h. 19,2 h. 6 satélites sobre L1 y L2 con épocas de 15 s. 7,2 h. 14,4 h. 28,8 h. 57,6 h. Tras la observación se obtienen los siguientes datos: - Mensaje de navegación. - Efemérides radiodifundidas por los satélites. - Datos meteorológicos. - Almanaque de estado de los satélites. - Fichero de observación. Estos datos pueden ser volcados en un ordenador para ser tratados con un software de post-proceso, o bien tratados in situ por el mismo controlador si éste dispone de un software de proceso y así obtener los resultados en tiempo real. El usuario debe saber que los datos citados anteriormente pueden ser transformados a un formato estándar independiente en modo ASCII para insertarlos y ser tratados por cualquier software de proceso de datos GPS. Este formato es el denominado RINEX, que en la actualidad ya figura como RINEX-2, con la posibilidad de incluir observaciones realizadas a través de la constelación GLONASS TIPOS DE RECEPTORES. Fundamentalmente existen: - Navegación. Reciben únicamente observables de código (tiempos). Son los instrumentos menos precisos, aunque su evolución está siendo espectacular. Sus I-29

42 aplicaciones más comunes son la navegación, catastro, GIS y levantamientos de escalas menores de 1/ 5000 en los más sofisticados. - Monofrecuencia. Reciben las observables de código y fase de la portadora L1. La precisión de estos instrumentos ya es significativa, y son de aplicación topográfica y geodésica en pequeñas distancias (hasta 100 km). - Bifrecuencia. Reciben las observables de código y fase de las portadoras L1 y L2. La precisión y el rendimiento son mucho mayores debido a la posibilidad de combinar los datos y formar en post-proceso combinaciones de observables que agilizan el cálculo y eliminan los errores de retardo atmosférico. Están indicados para trabajos de precisión y allí donde el rendimiento y los buenos resultados requeridos sean máximos. 2.-INTRODUCCION AL SISTEMA GLONASS A principios de los 70s, quizá como una respuesta al desarrollo del Sistema GPS, el antiguo Ministro de Defensa Soviético desarrolló el Sistema Global de Navegación por Satélite (GLONASS). El Sistema GLONASS es similar al GPS en muchos aspectos, aunque como se verá también hay muchas diferencias. En el año 1993, oficialmente el Gobierno Ruso colocó el programa GLONASS en manos de Fuerzas Espaciales Militares Rusas (RSF). Este organismo es el responsable del desarrollo de satélites GLONASS, de su mantenimiento y puesta en órbita, y certificación a los usuarios. Este organismo opera en colaboración con el CSIC (Coordinational Scientific Information Center), el cual publica la información sobre GLONASS. Durante los 80s, la información acerca de GLONASS era escasa. No se sabía mucho de las órbitas de los satélites ni de las señales usadas para transmisión de las señales de navegación. Pero actualmente, gracias a estudios e investigaciones sobre este sistema, se dispone ya de gran cantidad I-30