Información geográfica SITNA en dispositivos móviles offline (con TwoNav) 2. Introducción al posicionamiento mediante GPS

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1 Información geográfica SITNA en dispositivos móviles offline (con TwoNav) 2. Introducción al posicionamiento mediante GPS Esta obra se ofrece bajo una licencia Creative Commons Reconocimiento- NoComercial-SinObraDerivada 3.0 España. Jorge Luis Iribas Cardona Índice Sistema de coordenadas y de referencia utilizado por el sistema GPS Origen e historia del sistema GPS: NAVSTAR Fundamentos del método de geo-posicionamiento Servicios del sistema GPS. Tipos de Medición Precisión del sistema GPS. Fuentes de error Otros sistemas de posicionamiento: GLONASS, Galileo, Beidou,... La utilidad GPS-Status 1

2 Índice Sistema de coordenadas y de referencia utilizado por el sistema GPS Origen e historia del sistema GPS: NAVSTAR Fundamentos del método de geo-posicionamiento Servicios del sistema GPS. Tipos de Medición Precisión del sistema GPS. Fuentes de error Otros sistemas de posicionamiento: GLONASS, Galileo, Beidou,... La utilidad GPS-Status Sistema de coordenadas y de referencia utilizado por el sistema GPS Cuál es la forma de la Tierra? 2

3 Sistema de coordenadas y de referencia utilizado por el sistema GPS Cuál es la forma de la Tierra? EL GEOIDE Sistema de coordenadas y de referencia utilizado por el sistema GPS GEOIDE: (de geo Tierra, y oide forma) Es la forma física de la Tierra definida por la superficie equipotencial del campo gravitatorio terrestre que coincidiría con la superficie de los mares en reposo. Nivel Medio del Mar. ELIPSOIDE: Es la forma matemática que mejor se ajusta al Geoide. TERRENO: Superficie topográfica. 3

4 Sistema de coordenadas y de referencia utilizado por el sistema GPS Sistema de coordenadas y de referencia utilizado por el sistema GPS El GPS utiliza un Sistema de Coordenadas Geodésico cuya superficie de referencia es un elipsoide de forma que las coordenadas de cada punto son únicas y no varían con el tiempo Es un sistema geocéntrico y emplea el elipsoide WGS84 o Sistema Geodésico Mundial de Un punto sobre la superficie de La Tierra, puede ser definido utilizando su Latitud, su Longitud y su Altitud Elipsoidal Sin embargo, el método empleado por el GPS para definir la posición de un punto consiste en el uso de Sistema de Coordenadas Cartesiano, empleando las distancias sobre los ejes X, Y y Z desde el origen o centro del elipsoide 4

5 Sistema de coordenadas y de referencia utilizado por el sistema GPS Proyección cilíndrica Proyección cónica Proyección acimutal Sistema de coordenadas y de referencia utilizado por el sistema GPS La proyección UTM 5

6 Sistema de coordenadas y de referencia utilizado por el sistema GPS ED50 (European Datum 1950): Elipsoide: Internacional (Hayford) Semieje mayor = y achatamiento (1/f) = 297 Datum: Postdam. ETRS89 (European Terrestrial Reference System 1989): Elipsoide: GRS80 Semieje mayor = y achatamiento (1/f) = Datum: Geocéntrico. Existen expresiones y datos oficiales para la transformación entre ambos. GPS (se puede decir que es, a niveles topográficos, igual al ETRS89): Elipsoide: WGS84 Semieje mayor = y achatamiento (1/f) = Datum: Geocéntrico. En ambos casos la proyección utilizada es la Universal Transversa de Mercator (UTM) en el huso 30 y en la zona Norte y el origen de altitudes es el nivel medio del mar en el mareógrafo de Alicante. El ETRS89 será el único oficial a partir del 1 de enero de 2015 (RD 1071/2007) Sistema de coordenadas y de referencia utilizado por el sistema GPS El problema de las alturas Las altitudes medidas con GPS están referidas a la superficie del elipsoide WGS84, por tanto, son Alturas Elipsoidales Las altitudes de los mapas existentes están referidas al nivel medio del mar (geoide), por tanto, son Alturas Ortométricas Este problema se resuelve mediante el uso de modelos geoidales para convertir las alturas elipsoidales en alturas ortométricas (EGM2008, Ibergeo2005). En Navarra la altura elipsoidal es aproximadamente 50 metros más alta que la altura ortométrica (entre 48 y 52 metros) En áreas donde se tengan muchas alturas en ambos sistemas se pueden emplear parámetros de transformación para crear un modelo de corrección de alturas en esa zona más preciso. 6

7 Índice Sistema de coordenadas y de referencia utilizado por el sistema GPS Origen e historia del sistema GPS: NAVSTAR Fundamentos del método de geo-posicionamiento Servicios del sistema GPS. Tipos de Medición Precisión del sistema GPS. Fuentes de error Otros sistemas de posicionamiento: GLONASS, Galileo, Beidou,... La utilidad GPS-Status Origen e historia del sistema GPS: NAVSTAR GPS es la abreviatura de Global Positioning System, sistema de posicionamiento global. Posicionamiento: sirven para determinar las posición mediante el envío de información que permite calcular nuestras coordenadas Global: el cálculo de esta posición se puede realizar en cualquier lugar de la superficie de la Tierra, si se recibe la señal de los satélites NAVSTAR es acrónimo de Navigation System with Time And Ranking, sistema de navegación con tiempo (horas) y telemetría. 7

8 Origen e historia del sistema GPS: NAVSTAR Reseña histórica - El GPS fue diseñado con fines militares a partir del año Tras la Segunda Guerra Mundial, el Departamento de Defensa de los Estados Unidos buscó una solución al problema de determinar una posición absoluta y precisa sobre cualquier punto de la superficie de la Tierra y en cualquier momento - Se desarrollaron proyectos y experimentos (Transit, Timation, Loran, Decca, etc) de determinación de posiciones, limitados en precisión y funcionalidad. - Se concibió un sistema formado por 24 satélites en órbita media, que diera cobertura global y continua. La empresa ROCKWELL (California) se llevó uno de los contratos más importantes de su época, con el encargo de 28 satélites por (ciento setenta mil millones) de pesetas. - El primer satélite se lanzó en 1978, y se planificó tener la constelación completa ocho años después. Unido a varios retrasos, el desastre de la lanzadera Challenger paró el proyecto durante tres años. Por fin, en diciembre de 1983 de declaró la fase operativa inicial del sistema GPS. Origen e historia del sistema GPS: NAVSTAR Reseña histórica -El objetivo del sistema GPS era ofrecer a las fuerzas de los EE.UU. la posibilidad de posicionarse (disponer de la posición geográfica) de forma autónoma o individual, de vehículos o de 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 EE.UU., 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 su espacio aéreo. Ello llevó a la administración Reagan a ofrecer a los usuarios civiles cierto nivel de uso de 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. inimaginables unos años atrás. Además suponía un gran liderazgo tecnológico originando un vertiginoso mercado de aplicaciones. - Desde 1984, con muy pocos satélites en órbita, aparecieron tímidamente fabricantes de receptores GPS destinados al mundo civil (Texas Instruments y Trimble Navigation). - Posteriormente otras casas comerciales se fueron sumando a esta iniciativa sobre todo debido a la evolución de las técnicas interferométricas, es decir, de posicionamiento relativo ha permitido llegar a aplicaciones civiles de precisiones centimétricas en tiempo real. 8

9 Origen e historia del sistema GPS: NAVSTAR Reseña histórica - Hoy en día el GPS supone un éxito para la administración y economía americana no interesando a nadie que se reduzca la inversión en el sistema, sino todo lo contrario. La política de la administración de EE.UU. es mantener coste 0 para el usuario el sistema GPS, potenciar sus aplicaciones civiles a la vez que se mantiene el carácter militar. - Las aplicaciones disponibles se orientan a principalmente a sistemas de navegación y aplicaciones cartográficas: topografía, cartografía, geodesia, sistema de información geográfica (GIS), mercado de recreo (deportes de montaña, náutica, expediciones de todo tipo, etc.), patrones de tiempo y sistemas de sincronización, aplicaciones diferenciales que requieran mayor precisión además de las aplicaciones militares y espaciales. - En cuanto al reparto del mercado los más importantes son la navegación marítima, la aérea y, cada vez más, la terrestre. Índice Sistema de coordenadas y de referencia utilizado por el sistema GPS Origen e historia del sistema GPS: NAVSTAR Fundamentos del método de geo-posicionamiento Servicios del sistema GPS. Tipos de Medición Precisión del sistema GPS. Fuentes de error Otros sistemas de posicionamiento: GLONASS, Galileo, Beidou,... La utilidad GPS-Status 9

10 Constelación GPS Compuesta como mínimo de 24 satélites distribuidos en 6 órbitas (55º de inclinación respecto al ecuador terrestre) a una altitud media sobre la tierra de km. Cada satélite completa una vuelta a la tierra sobre su órbita en 11 h. 58 m. (12 horas sidéreas) y tiene una vida útil teórica de 7,5 años. Los satélites GPS que actualmente están orbitando pertenecen a tres diferentes bloques según su diseño: bloque I, bloque II y bloque IIR. Están previstos los nuevos diseños IIF y III a partir del año 2014 Frecuencias GPS Los satélites GPS emiten dos frecuencias en la banda L (empleada para transmisiones de radio) L1 y L2. Los últimos satélites lanzados ya incorporan una tercera señal civil L5 Fundamentos del método de geo-posicionamiento Fundamento: Fundamentos del método de geo-posicionamiento Determinación de la posición de la antena receptora en un sistema de referencia cartesiano e inercial a la Tierra mediante la terna de coordenadas {X, Y, Z}, resolviendo la intersección de tres esferas centradas en la posición de los satélites que emiten la señal Para ello es necesario: - Conocer la posición de los satélites en el momento de emitir la señal. -Medir la distancia entre cada uno de los satélites y la antena receptora. Este paso depende de la calidad del GPS que tengamos. Se pueden medir las distancias por: - Pseudodistancia del código C/A (longitud de onda de aprox. 100 metros): La pseudodistancia es el resultado de multiplicar la velocidad de la luz por el desplazamiento temporal necesario para alinear (correlar) una réplica del código GPS generado en el receptor, con la señal procedente del satélite GPS. - Pseudodistancia del código P (longitud de onda de 30 metros): igual que el anterior pero mucho más preciso. Es sólo de uso militar. -Por diferencia de fases: es el más preciso. Consiste en resolver el número N de longitudes de onda (ambigüedades) desde que sale la señal del satélite hasta que se recibe en el equipo GPS. Se emplea en posicionamientos relativos con 2 o más receptores. 10

11 Fundamentos del método de geo-posicionamiento Enlace Para resolver este problema el sistema consta de: - Segmento Espacial - Segmento de Control - Segmento de los usuarios Índice Sistema de coordenadas y de referencia utilizado por el sistema GPS Origen e historia del sistema GPS: NAVSTAR Fundamentos del método de geo-posicionamiento Servicios del sistema GPS. Tipos de Medición Precisión del sistema GPS. Fuentes de error Otros sistemas de posicionamiento: GLONASS, Galileo, Beidou,... La utilidad GPS-Status 11

12 Servicios del sistema GPS. Tipos de Medición Empleando la misma señal e información que llega desde los satélites a los receptores GPS se pueden aplicar distintas metodologías de posicionamiento Posicionamiento Absoluto Se suele denominar solución de navegación (los receptores se denominan navegadores) y emplean únicamente la información de los códigos C/A ó P. Se obtiene coordenadas absolutas del punto de observación Posicionamiento Relativo Consiste en observar simultáneamente con al menos dos receptores GPS. Las coordenadas obtenidas en el punto de observación son relativas respecto de un punto de coordenadas conocidas donde ha de estacionarse uno de los receptores. Los métodos de observación más destacados son el estático, el estático rápido y el cinemático. Servicios del sistema GPS. Tipos de Medición Posicionamiento Diferencial Se emplea fundamentalmente en aplicaciones de tiempo real. Consiste en la incorporación de correcciones a las coordenadas o los observables GPS de la solución de navegación Se puede clasificar según el observable que es corregido en DGPS para la corrección de código y RTK (Real Time Kinematic) para la corrección de la fase de la portadora La corrección empleada puede provenir de: Satélites geoestacionarios tipo EGNOS (Europeo), WAAS (americano), MSAS (japonés) y GAGAN (Indio) Redes GNSS de Geodesia Activa que emiten correcciones bajo los protocolos RTCM y vía Internet usando protocolos NTRIP Estaciones de referencia que emiten correcciones vía radio 12

13 Servicios del sistema GPS. Tipos de Medición Las precisiones en el posicionamiento mediante técnicas GPS pueden llegar a ser del orden de los pocos milímetros Las precisiones varían con el tiempo por lo cual para evaluar la precisión de una medida GPS, ésta debería repetirse en momentos distintos del día y en condiciones ionosféricas distintas Además de las condiciones variables, también influirá en la precisión el tipo de equipos/observables empleados y la metodología de observación - Navegador de código en tiempo real: m. - Navegador de código en tiempo real con EGNOS: 1 5 m. - Equipos bifrecuencia geodésicos en postproceso: 1 cm. - Equipos bifrecuencia geodésicos en tiempo real con correcciones DGPS: m. - Equipos bifrecuencia geodésicos en tiempo real con correcciones RTK: 1-5 cm. - Equipos monofrecuencia SIG en tiempo real con correcciones RTK: m. - Equipos bifrecuencia SIG en tiempo real con correcciones RTK: m. Índice Sistema de coordenadas y de referencia utilizado por el sistema GPS Origen e historia del sistema GPS: NAVSTAR Fundamentos del método de geo-posicionamiento Servicios del sistema GPS. Tipos de Medición Precisión del sistema GPS. Fuentes de error Otros sistemas de posicionamiento: GLONASS, Galileo, Beidou,... La utilidad GPS-Status 13

14 Precisión del sistema GPS. Fuentes de error Existen diferentes fuentes de error que degradan la posición GPS. Las principales fuentes que provocan los errores de posicionamiento son: 1. Retrasos ionosféricos 2. Errores en el reloj del Satélite y del Receptor 3. Efecto Multitrayectoria 4. Dilución de la Precisión 1. Retrasos ionosféricos Al pasar la señal del satélite a través de la ionosfera, su velocidad puede disminuir (efecto similar a la refracción producida al atravesar la luz un bloque de vidrio) por lo que es posible la introducción de un error en el cálculo de la distancia, ya que la velocidad de la señal se ve afectada. La ionosfera no introduce un retraso constante en la señal. Existen diversos factores que influyen en el retraso producido por la ionosfera. Precisión del sistema GPS. Fuentes de error a. Elevación del satélite Las señales de satélites que se encuentran en un ángulo de elevación bajo se verán más afectadas que las señales de satélites que se encuentran en un ángulo de elevación mayor. Esto es debido a la mayor distancia que la señal tiene que viajar a través de la atmósfera b. La densidad de la ionosfera está afectada por el Sol Durante la noche, la influencia ionosférica es mínima. Durante el día, el efecto de la ionosfera se incrementa y disminuye la velocidad de la señal. La densidad de la ionosfera varía, además, con los ciclos solares (actividad de las manchas solares) y con los efectos de la actividad solar que determina variaciones en el campo magnético terrestre 14

15 Precisión del sistema GPS. Fuentes de error 2. Errores en los relojes de los satélites y del receptor Los relojes de los satélites son atómicos y por tanto el error que pueden provocar es despreciable frente al error de los relojes que portan los receptores. Además, el error en el reloj de los receptores varía con el tiempo de modo que debe incluirse como una incógnita más a la hora de resolver el posicionamiento 3. Errores de Multitrayectoria El error de multitrayectoria se presenta cuando el receptor está ubicado cerca de una gran superficie reflectora, tal como un lago o un edificio. La señal del satélite no viaja directamente a la antena, sino que llega primero al objeto cercano y luego es reflejada a la antena, provocando una medición falsa. Se corrige mediante el uso de antenas especialmente diseñadas para ello. Precisión del sistema GPS. Fuentes de error 4. Dilución de la Precisión La Dilución de la Precisión (DOP) es una medida de la calidad de la geometría de los satélites y está relacionada con la distancia entre los estos y su posición en el cielo. El DOP puede incrementar el efecto del error en la medición de distancia a los satélites Se pueden calcular diferentes tipos: VDOP Proporciona la degradación de la exactitud en la dirección vertical HDOP Proporciona la degradación dela exactitud en la dirección horizontal PDOP Proporciona la degradación de la exactitud en posición 3D GDOP Proporciona la degradación de la exactitud en posición 3D y en tiempo La mejor manera de minimizar el efecto del GDOP es observar tantos satélites como sean posibles por encima de 15º sobre el horizonte 15

16 Índice Sistema de coordenadas y de referencia utilizado por el sistema GPS Origen e historia del sistema GPS: NAVSTAR Fundamentos del método de geo-posicionamiento Servicios del sistema GPS. Tipos de Medición. Precisión del sistema GPS. Fuentes de error. Otros sistemas de posicionamiento: GLONASS, Galileo, Beidou,... La utilidad GPS-Status Otros sistemas de posicionamiento: GLONASS, Galileo, Beidou,... Los sistemas GNSS (Global Navigation Satellite Systems) son sistemas de posicionamiento mundial por satélite Existen cuatro sistemas GNSS GPS GLONASS GALILEO BEIDOU 16

17 Otros sistemas de posicionamiento: GLONASS, Galileo, Beidou,... GLONASS (siglas rusas: ГЛОНАСС; ГЛОбальная НАвигационная Спутниковая Система; Global'naya Navigatsionnaya Sputnikovaya Sistema) es un Sistema Global de Navegación por Satélite (GNSS) desarrollado por la Unión Soviética siendo hoy administrado por el Ministerio de Defensa de la Federación Rusa. GLONASS Consta de una constelación de 31 satélites (24 en activo, 3 satélites de repuesto, 2 en mantenimiento, uno en servicio y uno en pruebas) situados en tres planos orbitales con 8 satélites cada uno y siguiendo una órbita inclinada de 64,8. La constelación de GLONASS se mueve en órbita alrededor de la tierra con una altitud de km, algo más bajo que el GPS ( km), y tarda aproximadamente 11 horas y 15 minutos en completar una órbita. Los tres primeros satélites fueron colocados en órbita en octubre de El sistema fue pensado para ser funcional en el año 1991, pero la constelación no fue terminada hasta diciembre de 1995 y comenzó a ser operativo el 18 de enero de GLONASS utilizó inicialmente el sistema geodésico ruso PZ-90 que era sensiblemente diferente al WGS84. En septiembre de 2007, el sistema fue adaptado y actualizado al llamado PZ-90.02, que está de acuerdo con el sistema ITRF2000, que se ajusta como WGS 84. Otros sistemas de posicionamiento: GLONASS, Galileo, Beidou,... Galileo es un sistema global de navegación por satélite (GNSS) desarrollado por la Unión Europea (UE), con el objeto de evitar la dependencia de los sistemas GPS y GLONASS. Al contrario de estos dos, será de uso civil. El sistema se espera poner en marcha en 2018 después de sufrir una serie de reveses técnicos y políticos para su puesta en marcha. GALILEO El sistema Galileo estará formado por una constelación mundial de 30 satélites en órbita terrestre media distribuidos en tres planos inclinados con un ángulo de 56 hacia el ecuador, a km de altitud. Se van a distribuir diez satélites alrededor de cada plano y cada uno tardará 14 horas para completar la órbita de la Tierra. Cada plano tiene un satélite de reserva activo, capaz de reemplazar a cualquier satélite que falle en ese plano. Los dos primeros satélites europeos de navegación, GIOVE-A y B, fueron lanzados en los años 2005 y 2008, respectivamente, con el objetivo de reservar las frecuencias asignadas por la Unión Internacional de Telecomunicaciones (UIT) y de probar en órbita la tecnología desarrollada para la nueva constelación. A finales de 2012 se lanzaron dos nuevos satélites con los que se validará el diseño de Galileo tanto en el espacio como en la Tierra. Debido a la crisis económica europea se supone que el proyecto sufrirá retrasos en su programación. 17

18 Otros sistemas de posicionamiento: GLONASS, Galileo, Beidou,... Beidou es un proyecto desarrollado por la República Popular de China para obtener un sistema de navegación por satélite. "Beidou" es el nombre chino para la constelación de la Osa Mayor. La primera generación, BeiDou-1, ya esta operativa desde el 2000 y es un sistema de posicionamiento por satélite local dando servicio a China y a sus países vecinos. La segunda generación, también llamada Compass o BeiDou-2, será un sistema de posicionamiento global con un funcionamiento similar al GPS. BEIDOU A diferencia de los sistemas GPS, GLONASS, y GALILEO, que utilizan satélites en órbitas bajas y ofrecen servicio global, la primera generación, Beidou-1 usa satélites en órbita geoestacionaria. Esto implica que el sistema no requiera una gran constelación de satélites, pero limita su cobertura sobre la tierra a la visible por los satélites, China en este caso. Otra gran diferencia de BeiDou-1 es que calcula las coordenadas únicamente con dos satélites y una estación en tierra. Esto implica la necesidad de enviar una señal desde el dispositivo remoto, cosa que no es necesaria con GPS o GLONASS. Se prevé que Compass, la segunda generación, cuente con entre 12 y 14 satélites entre 2011 y Para 2020, ya plenamente operativo deberá contar con 30 satélites. De momento (abril 2011), ya tienen 8 en órbita. China está también asociada con el proyecto Galileo, el cual no es todavía operacional. Índice Sistema de coordenadas y de referencia utilizado por el sistema GPS Origen e historia del sistema GPS: NAVSTAR Fundamentos del método de geo-posicionamiento Servicios del sistema GPS. Tipos de Medición. Precisión del sistema GPS. Fuentes de error. Otros sistemas de posicionamiento: GLONASS, Galileo, Beidou,... La utilidad GPS-Status 18

19 La utilidad GPS-Status GPS Status & Toolbox es una aplicación gratuita que trabaja en el sistema operativo Android y que podemos descargar de Google Play. La última versión es la y existe una versión pro que permite alguna mejora que en nuestro caso no es necesaria. El GPS Status es una herramienta muy buena para arrancar nuestro GPS del dispositivo móvil sobre todo si llevamos tiempo sin encenderlo o la última vez que lo hicimos estabamos en una posición muy lejana a la actual La utilidad GPS-Status Rumbo Burbuja nivel Brujula Norte verdadero Error estimado en la posición Campo magnético / Declinación Velocidad Altitud Coordenadas en el SGR elegido Batería Enlace Orientación Verde satelite fijo. Sin relleno no recibe señal y amarillo recibe señal pero no fijado Nº de satélites fijados / Nº total de sat. visibles Aceleración Última hora de posición fijada Dilución de la precisión Propaganda 19

20 La utilidad GPS-Status Una vez descargada del Market la aplicación la abrimos. Si no tenemos el GPS habilitado en nuestro móvil nos lleva a la pantalla para que lo habilitemos. Automáticamente entra en la pantalla que llama de estado y comienza a buscar los satélites. Damos al botón Menu de nuestro móvil y se nos abren cuatro opciones. De ellas la más importante para nosotros es la de Herramientas Administrar el estado del A-GPS. Nos abre una pantalla explicativa y nos dice que necesitamos conexión de datos y que si queremos comenzar de 0 (caso de estar en una posición muy alejada de la última que se observó) demos a Restablecer. Una vez efectuado ese paso, sólo si es necesario, le damos a Descargar y vuelve a la pantalla principal. A-GPS o agps fue desarrollado e introducido para mejorar el funcionamiento del sistema GPS. El acrónimo A-GPS deriva de los términos ingleses Assisted Global Positioning System, es decir, GPS asistido, y se suele usar en teléfonos y dispositivos móviles. El desarrollo de A-GPS fue acelerado por requerimiento del servicio de emergencias E911 (similar al 112 europeo) estadounidense, el cual requiere la posición de un teléfono móvil en caso de que realice una llamada de emergencia. Descarga los datos necesarios para inicializar más rápidamente el GPS en la posición que nos encontremos (la saca de la posición triangulada de las antenas de telefonía móvil). Curso INAP: Información geográfica SITNA en dispositivos móviles offline (con TwoNav) 2. Introducción al posicionamiento mediante GPS Gracias por vuestra atención Jorge Luis Iribas Cardona jiribasc@navarra.es 20