2. Sistema Global de Navegación por Satélites (GNSS)

Transcripción

1 2. Sistema Global de Navegación por Satélites (GNSS) 2.1 Introducción. Los sistemas globales de posicionamiento asistidos por satélites están formados por tres partes: sector espacial, compuesto por satélites con relojes de buena precisión, que transmiten señales de radio; sector de control, formado por estaciones de monitorización y control de los satélites; y el sector de usuario, englobado por los receptores que determinan la localización del usuario final. Y sirven para que dispositivos electrónicos determinen su posición (longitud, latitud, y altitud) con errores de algunos metros ó incluso centímetros, y ofrecen una escala de tiempo atómico global. En la actualidad podemos hablar de cuatro sistemas: El Sistema Global de Posicionamiento con ayuda de Satélites de la constelación americana NAVSTAR (NAVigation System by Timing And Ranging) recibe el nombre de Sistema de Posicionamiento Global o GPS. Al Sistema de Navegación Global con Satélites rusos se le llama GLONASS. 4

2 El futuro sistema de navegación Europeo, GALILEO, parecido al GPS, pero con tecnología más fiable, y de uso más abierto. En principio el sistema Galileo iba a estar disponible en el El proyecto acumula ya tres años de retraso y no podrá comercializar sus primeros servicios hasta 2011, entre temores de que esa fecha pueda demorarse hasta 2014, entre otros motivos, por disensiones entre los países participantes. El sistema de navegación Beidou es un proyecto desarrollado por la República Popular de China para obtener un sistema de navegación por satélite. China está también asociada con el proyecto Galileo. Estos sistemas en la actualidad emplean Sistemas de Aumentación de la Precisión (SBAS) para mejorar sus precisiones. Existen en la actualidad tres iniciativas localizadas en tres continentes que emplean satélites geoestacionarios para este fin: EGNOS en Europa. WAAS en EEUU. MSAS en JAPÓN. Estos sistemas ofrecen datos de uno o más sistemas GNSS. Por ejemplo EGNOS utiliza las señales del GPS y del GLONASS y otros satélites geoestacionarios para mejorar la precisión, integridad y disponibilidad de datos para navegación. 2.2 Funcionamiento El funcionamiento de los sistemas de navegación por satélite se basa en la medida de las distancias existentes entre el receptor cuya posición se quiere determinar y un conjunto de satélites cuya posición se conoce con gran precisión. Este proceso es muy conocido en el entorno topográfico pues se conoce como Trilateración inversa 3D. Para medir estas distancias existen tres métodos: medida del desplazamiento Doppler, medida basada en retardos temporales o medida por pseudodistancias, y medidas basadas en diferencia de fase. 5

3 2.2.1 Tipos de medidas de distancias. a) Desplazamiento DOPPLER El desplazamiento Doopler es la variación aparente entre el valor de la frecuencia en función de la velocidad de acercamiento/alejamiento de la fuente emisora. Sí la fuente emisora de un tren de ondas: se acerca a un observador, entonces la frecuencia recibida es aparentemente mayor que la real. se aleja de un observador, entonces la frecuencia es menor. V ΔF = r Vo Siendo: Δ = Variación de frecuencia V r = Velocidad radial de alejamiento/ acercamiento V o = Velocidad propagación onda La cuenta Doppler no es muy precisa, ya que, la precisión la ofrece la rápida variación en las frecuencias recibidas, originada por rápidas variaciones de distancias. Debido a la altitud ( Km) y periodo (12 horas) de los satélites, la variación de la distancia en función del tiempo es lenta, ya que los satélites son aparentemente lentos. No obstante este sistema permite un posicionamiento rápido ya que siempre hay varios satélites a la vista, pero se trata de un posicionamiento impreciso, aunque es una buena base de partida para empezar con un posicionamiento por pseudodistancias. b) Pseudodistancias. La pseudodistancia se obtiene calculando el tiempo que tarda una señal electromagnética emitida por el satélite en llegar hasta el dispositivo receptor, multiplicando por la velocidad de la luz. 6

4 Para calcular el tiempo que tarda la señal del satélite hasta el receptor, el satélite emite un código mientras que el receptor genera una réplica exacta, dado que tiene en su memoria la estructura de este código. Entonces compara el código transmitido por ambos, y contrasta si están sincronizados. Figura 2.1. Códigos emitidos por el satélite y el receptor Ahora pues, el módulo receptor empieza a retardar la emisión de la señal del GPS hasta lograr la perfecta sincronización con la señal que viene del satélite, y el tiempo de retardo necesario para sincronizar ambas señales es igual al tiempo de viaje de la señal proveniente del satélite. Esta pseudodistancia no será la existente realmente, ya que, no se conoce el estado del reloj del receptor (el estado del reloj del satélite es conocido por el mensaje). c) Medida de fase (diferencia de fase). Permite la máxima precisión. La base del método es que se controla en fase una emisión radioeléctrica hecha desde el satélite con frecuencia conocida y desde posición conocida. Lo que se hace es observar continuamente la evolución del desfase entre la señal recibida y la generada en el receptor; el observable es el desfase, y éste cambia según lo hace la distancia satélite-receptor. Cuando llega a la antena la onda portadora habrá recorrido una distancia D, correspondiente a un cierto número entero N de sus longitudes de onda, más una cierta parte de longitud de onda Δφ. D = λ( N + Δϕ) 7

5 Figura 2.2. Medición del número de longitudes de onda. Para conocer el número de longitudes de onda (nuestra incógnita) se aplica un proceso de cálculo complejo. Hay que destacar una limitación muy importante del sistema y es que si por alguna causa se pierde la conexión con el satélite, la cuenta de ciclos se rompe y es necesario volver a comenzar. No obstante mediante un ajuste polinómico en postprocesado es posible restablecer la cuenta original. Como el Δφ se puede medir con una precisión del 1% y la longitud de onda de la portadora L1 es de 20 centímetros, la resolución en las mediciones puede llegar al orden de milímetros Cálculo de la posición del dispositivo receptor Aunque pueda parecer improbable, la idea general detrás del GPS es utilizar los satélites en el espacio como puntos de referencia para ubicaciones aquí en la tierra. Esto se logra mediante una muy, pero muy exacta, medición de la distancia de donde se encuentran los satélites. Para la resolución de la trilateración inversa necesitamos al menos las distancias a tres satélites, lo que nos permite triangular nuestra posición en cualquier parte de la tierra. Matemáticamente se necesitan cuatro mediciones de distancia a los satélites para determinar la posición exacta pues se debe añadir la incógnita del estado o retardo de reloj del receptor. 8

6 Figura 2.3. Localización con tres satélites, triángulo esférico de incertidumbre Si todo fuera perfecto, entonces las circunferencias cuyo radio es la distancia al receptor se interceptarían en un único punto. Pero con relojes no sincronizados en nuestros receptores y con menos precisión que los de los satélites, es necesaria una cuarta medición, efectuada como control cruzado, que no interceptará con los tres primeros. De esa manera el software de nuestro GPS detectará la discrepancia y atribuirá la diferencia a una sincronización imperfecta con la hora universal. Dado que cualquier discrepancia con la hora universal afectará a las cuatro mediciones, el receptor buscará un factor de corrección único que siendo aplicado a sus mediciones de tiempo hará que los rangos coincidan en un solo punto. Dicha corrección permitirá al reloj ajustarse nuevamente a la hora universal. Una vez que el receptor de GPS aplica dicha corrección al resto de sus mediciones, obtenemos un posicionamiento preciso. Pero, para que la triangulación funcione necesitamos saber no sólo la distancia sino que debemos conocer dónde están los satélites con toda exactitud. En tierra, el módulo receptor GPS tiene un almanaque programado que le informa donde está cada satélite en el espacio, en cada momento. Las órbitas básicas son muy exactas pero con el fin de mantenerlas así, los satélites son monitoreados de manera constante. Los errores que se controlan son los llamados errores de efemérides, o sea, los producidos por la evolución orbital de los satélites. Estos errores se generan por influencias gravitacionales del sol y de la luna y por la presión de la radiación solar sobre los satélites. Son errores generalmente muy sutiles pero si queremos una gran exactitud debemos tenerlos en cuenta. Estos 9

7 errores son enviados al receptor por el satélite en el código, con información sobre la órbita exacta del satélite. 2.3 GPS Conceptos El Sistema GPS fue creado por el Departamento de Defensa de los Estados Unidos (DoD) para constituir un sistema de navegación preciso con fines militares. Para ello, aprovecharon las condiciones de la propagación de las ondas de radio de la banda L en el espacio, así como la posibilidad de modular las ondas para que en ellas se pueda incluir la información necesaria que permita posicionar un objeto en el sistema de referencia apropiado. Este proyecto se hizo realidad entre los meses de febrero y diciembre de 1978, cuando se lanzaron los cuatro primeros satélites de la constelación NAVSTAR, que hacían posible resolver la incógnita de nuestra posición en la Tierra Sector espacial a) Constelación de satélites El sistema GPS esta compuesto por una red, en principio de 24 satélites ( de repuesto), aunque en la actualidad existen 27 satélites operativos, puesto que la vida de alguno ellos ha sido mayor que la prevista inicialmente. Están situados en una órbita a unos km de altitud media sobre el nivel del mar. Figura 2.4. Constelación NAVSTAR 10

8 La constelación está formada por seis planos orbitales, y en cada uno de ellos existe una órbita elíptica casi circular donde se alojan cuatro 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. modos: Los satélites de la constelación NAVSTAR son identificados de diversos Por su número NAVSTAR (SVN). Por su código de ruido pseudoaleatorio PRN (Pseudos Random Noise). En los códigos de transmisión existen características de ruido pseudoaleatorio traducidas en bits que identifican a cada satélite de la constelación. Por su número orbital. Un ejemplo sería el satélite 3D, que corresponde al satélite número tres del plano orbital D. En la actualidad 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 de su reloj es de segundos, mientras que los de rubidio es de segundos. 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 (Universal Time Cordinate) que define el Observatorio Naval de los Estados Unidos (United State Naval Observatory USNO) mediante relojes atómicos de hidrógeno cuya precisión es de 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 b) Estructura de las señales transmitidas Portadoras Como se ha comentado anteriormente, cada satélite posee 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 (1575,42 MHz) y se denomina L1 11

9 (λ de 19,05 cm); la segunda utiliza un factor de 120 (1227,60 MHz) y se denomina L2 (λ de 24,45 cm). 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 dos frecuencias permite determinar por comparación de los retardos diferentes, el retardo ionosférica, difícilmente predecible por otros sistemas. Códigos pseudoaleatorios Sobre las portadoras L1 y L2 se envía una información modulada compuesta por dos códigos y un mensaje con los parámetros orbitales del satélite y el estado del reloj interno, generados también a partir de la frecuencia fundamental correspondiente. El código C/A (Course/Adquisition) o S (Standard), está declarado de uso civil y libre adquisición. Es una moduladora a 1,023 Mhz que se repite cada milisegundo. El código P (Precise) modula directamente con la frecuencia fundamental de 10,23 MHz, y por último, el mensaje se modula entre las portadoras de los códigos a baja frecuencia 50 Hz. Sobre la L1 se transmiten los dos códigos, el C/A y el P, además de un mensaje. En la L2 solo se modula el mencionado mensaje y el código P. El código P es secreto y de uso militar, por eso puede ser cifrado. Cuando se presenta de forma encriptada se le llama código Y, y para su encriptación se utiliza el código W. Para que el receptor pueda determinar en qué momento ha empezado a recibirlo, el código contiene la palabra denominada HOW. Mensaje de Navegación (NAV DATA) El mensaje de navegación lo constituyen los siguientes elementos: Efemérides (son los parámetros de la órbita del satélite). Información del tiempo (horario) y estado del reloj del satélite. Modelo para la corrección de los errores del reloj del satélite. 12

10 Modelo para la corrección de los errores producidos por la propagación en la ionosfera y la troposfera. Información sobre el estado del satélite. Almanaque, que consiste en información de los parámetros de la órbita (constelación de satélites). Cada satélite envía una descripción completa de su órbita y sus datos de reloj (según la información ofrecida por las efemérides) y una guía de la órbita de los otros satélites (contenida en el almanaque). Los datos se transmite a un régimen binario de 50 bps y se tarda 12.5 minutos en enviar el mensaje completamente. COMPONENTE FRECUENCIA (MHz) Frecuencia Fundamental v o 10,23 Portadora L1 154 v o 1.575,42 Portadora L2 10 v o 1.227,60 Código P v o 10,23 Código C/A v o /10 1,023 Código W v o /20 0,5115 Mensaje de Navegación v o / Tabla de frecuencias para códigos Sector de control El segmento de control consiste en un sistema de estaciones de seguimiento localizadas alrededor de la Tierra. Para los satélites de la constelación NAVSTAR hay cinco estaciones oficiales de seguimiento: la estación maestra de control situada en Colorado Spring, y las secundarias de Ascensión, Diego García, Kwajalein y Hawai. La estación maestra de control que mide las señales procedentes de los satélites. Con esas señales se establecen modelos con los que se calculan los datos para el ajuste de órbita (efemérides) y correcciones de los relojes de cada satélite. La estación maestra envía las efemérides y correcciones de reloj a cada satélite. Caca satélite envía posteriormente subconjuntos de esas informaciones a los receptores de GPS mediante señales de radio. 13

11 Figura 2.5. GPS Control Todas las estaciones son monitoras, y se encargan de controlar el estado y posición de los satélites, recibir las señales transmitidas por los satélites y a partir de ellas obtener información para poder calcular las efemérides de los satélites. Esta información es transmitida a la estación maestra de control. Se emplea la banda S con canal ascendente a MHz y canal descendente a MHz. Figura 2.6. Situación de las estaciones de control GPS Sector de usuario Son los instrumentos utilizados para hallar coordenadas de un punto, hacer navegación o adquirir tiempo con precisión de oscilador atómico, usando las señales radiodifundidas desde los satélites NAVSTAR. Figura 2.7. Estructura básica de un receptor GPS 14

12 Componentes de un recepto GPS: Antena, con Amplificador de Bajo Ruido (LNA), para no degradar la sensibilidad. Receptor (traslada la señal a frecuencia intermedia, demodula y decodifica el mensaje de navegación). Microprocesador (calcula la posición y controla todos los procesos que debe realizar el receptor). Unidad de Control (permite la comunicación entre el usuario y el microprocesador). Almacenamiento de datos. 2.4 GLONASS (Global Orbiting Navifation Satellite System) GLONASS es un sistema de navegación por satélite iniciado por el Ministerio de Defensa de la Unión Soviética en los años 80. En los años 90 se notaba un gran progreso de la constelación GLONASS, pero debido a la situación política y consecuentemente económica de la Unión Soviética tras su desmembración, la constelación sufrió el comienzo de su colapso. En el resultado de un acuerdo entre EEUU y la antigua Unión Soviética, aparecieron equipos receptores de ambos sistemas, GPS y GLONASS, para favorecer el número de observables y mejorar la precisión pues en aquella época existían intervalos de tiempo en los que en el horizonte no se podían observar más de 4 satélites GPS, si por lo menos se disponía de 3 satélites GLONASS, el posicionamiento se mejoraba. Al igual que el sistema GPS, GLONASS está compuesto por tres sectores fundamentales: Espacial, de Control y de Usuarios. El Sector Espacial consta de 24 satélites distribuidos, en este caso, en tres planos orbitales, 8 satélites en cada uno de estos. La precisión del sistema es aproximadamente de unos 100 metros. También en este caso, un receptor necesita medidas de 4 satélites para poder calcular su posición: 3 incógnitas, procedentes de la posición (X,Y,Z) y la cuarta, debida a la falta de sincronización entre el reloj del receptor y la escala del tiempo del sistema. Al igual que en el sistema NAVSTAR GPS, existen dos señales de navegación: la señal de navegación de precisión estándar (SP, MHz) y la señal de navegación de alta precisión (HP, MHz). Ambas se encuentran sobre la Banda L. 15

13 GLONASS GPS Número de satélites 21+3 (9 operativos) 21+3 (28 operativos) Vehículo de lanzamiento Proton k/dm -2 Delta Satélites por lanzamiento 3 1 Planos orbitales 3 6 Inclinación de Órbita Altitud de Órbita km km Periodo de Órbita Efemérides 11:15:44 Pos/Vel/Acc 11:58:00 Keplerian 2.2. Tabla comparativa GPS y GLONASS 2.5 Galileo Galileo será un sistema navegación global de Europa basado en satélites, proporcionando un servicio de colocación global altamente exacto, garantizado bajo control civil. Será interoperable con GPS y GLONASS. Galileo proporcionará una precisión en tiempo real entorno a un metro. Y garantizará la disponibilidad del servicio bajo circunstancias extremas e informará a usuarios rápidamente si falla cualquier satélite. El segmento del espacio de Galileo abarcará una constelación de un total de 30 satélites medios de la órbita de la tierra (MEO), de los cuales 3 son repuestos. Cada satélite difundirá señales exactas del tiempo, el calendario astronómico y otros datos. La constelación basada en los satélites de Galileo se ha optimizado a las especificaciones nominales siguientes de la constelación: Órbitas circulares (altitud basada en los satélites de 23,222 km). Inclinación orbital de 56. Tres planos orbítales equidistantes. Nueve satélites operacionales, equidistantes en cada plano. Un satélite de repuesto (también el transmitir) en cada plano. 2.6 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. Según informaciones oficiales ofrecerá dos tipos de 16

14 servicios: el primero será abierto y podrá dar una posición con un margen de 10 metros de distancia, 0,2 metros por segundo de velocidad y 0, segundos de tiempo. El segundo servicio será autorizado solo para determinados clientes y ofrecerá servicios más precisos y con mayores medidas de seguridad. A diferencia de los sistemas GPS, GLONASS, y GALILEO, que ofertan posicionamiento global, Beidou 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 los satélites que son visibles. 2.7 Fuentes de error en las mediciones A pesar de los esfuerzos de los creadores del sistema GPS para hacerlo muy preciso, hay errores que no pueden ser totalmente eliminados pues una gran parte son aleatorios. El GPS diferencial ofrece una forma de corregir éstos. Las medidas de código y las medidas de fase se ven afectadas por errores sistemáticos y por ruido aleatorio. La precisión en posicionamiento absoluto que un usuario puede alcanzar con un receptor depende principalmente de cómo sus sistemas de hardware y software puedan tener en cuenta los diversos errores que afectan a la medición. Estos errores pueden ser clasificados en tres grupos: los errores relativos al satélite, los errores relativos a la propagación de la señal en el medio, y los errores relativos al receptor. a) Errores debidos a los satélites: Reloj interno. La medición del tiempo es crítica para el GPS. Aunque los satélites llevan relojes atómicos con osciladores de cesio o de rubidio, ningún reloj incluido el atómico es perfecto. Pequeñas imprecisiones en la medición del tiempo y en su sincronización tienen su reflejo en una determinación de posición menos exacta. Errores en los parámetros orbitales. Las efemérides transmitidas por los satélites tendrán asociado un error a causa de que es imposible predecir exactamente sus posiciones. Las órbitas que describen los satélites se encuentran a gran distancia de la Tierra y están libres de las perturbaciones producidas por la capa superior de la atmósfera, pero aun así, 17

15 todavía sufren ligeras desviaciones de las órbitas previstas y esto genera también error. b) Errores de propagación: Errores debidos a la atmósfera: Los satélites GPS envían la información a través de ondas electromagnéticas. La luz sólo se transmite a una velocidad constante en el vacío, en el mundo real la velocidad de estas ondas se ve afectada por las distintas capas de la atmósfera que debe atravesar hasta llegar a nuestros receptores. Figura 2.8. A mayor recorrido de las ondas por la atmósfera mayor será el retardo. Así pues, las partículas cargadas de la ionosfera y el vapor de agua de la atmósfera producen un retardo en la señal. Como la velocidad de propagación de la señal es crítica, para calcular la distancia este retardo se traduce en un error en la posición calculada. Algunos receptores añaden un factor de corrección suponiendo un tránsito típico por la atmósfera terrestre. Esto es una ayuda pero no es definitivo ya que la atmósfera varía según nuestra posición y de un momento a otro, por tanto, ningún modelo atmosférico puede compensar con precisión el retraso real. Este error sólo puede ser calculado con precisión por los equipos profesionales GPS bifrecuencia. 18

16 Error multitrayecto. El efecto multitrayecto o multipath es causado principalmente por múltiples reflexiones de la señal emitida por el satélite en superficies cercanas al receptor. Primero la antena recibe la señal directa y posteriormente las señales reflejadas. Estas señales reflejadas pueden interferir la señal directa produciendo ruidos en la recepción. Figura 2.9. Error multitrayecto Los buenos receptores incorporan software que evita que el GPS reciba las radiaciones con ángulos inferiores a un valor determinado. Disposición de los satélites: La geometría de los satélites visibles es un factor importante a la hora de conseguir altas precisiones en el posicionamiento de un punto. Dicha geometría cambia con el tiempo como consecuencia del movimiento orbital de los satélites. Un factor que mide la bondad de esta geometría es el denominado factor de dilución de la precisión DOP (Dilution Of Precision). Figura.10. Cálculo del DOP El valor del DOP puede ser interpretado geométricamente como el volumen del cuerpo formado por los satélites y el receptor. Cuanto mayor sea el volumen de este cuerpo mejor será la geometría, y por lo tanto menor será el valor del DOP, siendo el valor ideal la unidad. 19

17 El valor del DOP es el factor por el que debe ser multiplicado el error obtenido en las pseudodistancias para obtener el error final en el posicionamiento. Los valores de DOP más utilizados son los siguientes: GDOP: Dilución de precisión en posición y estado del reloj. PDOP: Dilución de precisión en posición. TDOP: Dilución de precisión en el estado del reloj. HDOP: Dilución de precisión en planimetría. VDOP: Dilución de precisión en altimetría. RDOP: Dilución de precisión relativa entre dos puntos. c) Error del reloj del receptor: Los relojes de los receptores no son perfectos y pueden introducir errores. La precisión del reloj del receptor GPS está en función de tipo de reloj que aloje, cuanto más caro más preciso. 20