Autorizada la entrega del proyecto del alumno: Pierre Léonard LOS DIRECTORES DEL PROYECTO. María Carmen García-Alegre Sánchez. David Martín Gómez

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1 Autorizada la entrega del proyecto del alumno: Pierre Léonard LOS DIRECTORES DEL PROYECTO María Carmen García-Alegre Sánchez Fdo.:. Fecha:././ David Martín Gómez Fdo.:. Fecha:././ Roberto López Gómez Fdo.:. Fecha:././ VºBº Coordinador de proyectos Álvaro Sánchez Miralles Fdo.:. Fecha:././

2 UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI) INGENIERO PIERRE LÉONARD PROYECTO FIN DE CARRERA ANÁLISIS DE ERRORES Y PRESTACIONES DE SISTEMAS DE POSICIONAMIENTO GLOBAL CON CORRECCIÓN DIFERENCIAL STARFIRE AUTOR: PIERRE LÉONARD MADRID, JUNIO 2008

3 Resumen del proyecto Una de las utilizaciones más frecuentes de los satélites es el envío de datos de posicionamiento a cualquier vehículo. En este proyecto se trata de la precisión de diferentes sistemas de posicionamiento: los sistemas GPS (Global Positioning System) y StarFire. La agricultura es un oficio que se desarrolla mucho, en nuevas tecnologías y simplificación de la labor. Un segmento en desarrollo es la automatización de las maquinas agrícolas. Para poder funcionar solo, tienen que disponer de un sistema de posicionamiento muy preciso, para trabajar solas tan bien como el agricultor. Los receptores de posicionamiento funcionan mediante la recepción de señales de un conjunto de satélites. Se pueden dar muchas informaciones: la latitud, la longitud, la altitud, el número de satélites disponibles, el sistema utilizado, informaciones sobre el sistema geodésico utilizado, etc. Actualmente, el Instituto de Automática Industrial del CSIC está realizando numerosos estudios a favor de la conducción autónoma. Uno de los trabajos en actual desarrollo es la arquitectura de agentes AGRO-AMARA, implantada en el tractor DÉDALO. El tractor necesita un sistema de posicionamiento fiable con buenas prestaciones. 1

4 La finalidad de este trabajo es encontrar un modelo que estudie el dinamismo de una escena a partir de la fusión de los datos de dos sensores, uno láser y otro de visión. Este trabajo será posteriormente adaptado e implementado dentro de la arquitectura AGRO-AMARA, dotando de percepción al robot móvil. complejidad: El modelo desarrollado en el proyecto se divide en 6 etapas de menor Configuración y diálogo con el receptor: explica cómo configurar y utilizar los programas, a fin de obtener los datos necesarios para el estudio. Grabación de datos con receptores en funcionamiento sobre el tractor. Análisis y conversión de los datos para disponer de datos utilizables y coherentes. Trazado de gráficos pertinentes para saber hacer conclusiones interesantes en relación a los datos obtenidos. Análisis de cada característica de los gráficos. Conclusión sobre las ventajas y los inconvenientes de cada sistema de posicionamiento. 2

5 Agradecimientos Para realizar esto proyecto, mucha gente me ha ayudado, de diversas maneras. Por eso voy a dedicar este texto a ellos. Para empezar, quiero agradecer y a mis padres. Gracias a ellos para su confianza, amor y alegría, que me permiten de guardar el ánimo de ir sólo al fin de este cinco meses en un país que no es el mío. Dos personas muy importantes en mi proyecto son David Martin y Roberto López, que son directores del proyecto además que la Dra. María C. García-Alegre, para su ayuda, apoyo y comprensión con mis problemas personales. He de dar las Gracias también a la Dra. María C. García-Alegre que me permite de trabajar con ellos en el IAI. He de agradecérselo a mi novia y algunos amigos belgas, para guardar el contacto con migo y mantenerme al corriente de las noticias lluviosas del país hermoso que es Bélgica. Un agradecimiento particular a los personas de mi escuela en Bélgica: Mme Gravier, Mme Vetcour y Mr Godard que deben pasarlas negras durante mis años en Gramme. Y los últimos pero no los menores, gracias a todos mis nuevos amigos de ERASMUS: Pepe, Fabien, Julie, Colin, Julio, Katia, Tony, Nicolas, Oscar, Aldo, Thomas, y muchos otros. 3

6 Índice General 1. Introducción 2. Estado del arte 2.2. Introducción al sistema GPS 2.3. Introducción al sistema DGPS 2.4. Introducción al sistema StarFire 3. Análisis de escenarios 3.1. Problemática encontrada 3.2. Metodología utilizada 4. Tecnologías y lenguajes 4.1. El receptor GPS El sistema GPS Segmento espacio Segmento de control Segmento usuario El principio de funcionamiento Medida de la distancia de receptor al satélite Señal emitida Cálculo de la posición Desajuste del reloj del receptor Errores posibles Errores debidos a la ionosfera y la troposfera Consideración de la relatividad LR Los sistemas de posicionamiento con corrección El sistema DGPS Las técnicas diferenciales 4

7 El principio de funcionamiento DGPS Global de Alta Precisión: La solución STARFIRE Introducción StarFire Network SF-2500 G GPS-RTK (Muy Alta Precisión) 4.3. Ordenador industrial a bordo del robot móvil Introducción Características 4.4. Estación de trabajo para desarrolladores 4.5. Software Ashtech Evaluate HyperTerminal Microsoft Office Excell Diseño del modelo 5.1. Grabación de los datos 5.2. Conversión de los datos en datos utilizables 5.3. Utilización de los datos para trazar los gráficos Pruebas fijas Pruebas de líneas rectas 6. Diseño del modelo 6.1. Pruebas con el sistema GPS Pruebas fijas Pruebas de líneas rectas Prueba Prueba Prueba Prueba Conclusiones 6.2. Pruebas con el Sistema StarFire Pruebas fijas Punto Punto Punto 3 5

8 Punto Punto Conclusiones Pruebas de líneas rectas Prueba Prueba Prueba Prueba 4 7. Conclusiones 8. Referencias 6

9 Índice de figuras Figura 1 Tractor DEDALO Figura 1 - Primer satélite Figura 2 - Sistema geodésico WGS84 Figura 3 - Determinación de la posición con un satélite Figura 4 - Determinación de la posición con dos satélites Figura 5 - Determinación de la posición con tres satélites Figura 6 - Constelación de los satélites GPS Figura 7 - Mapa de los estaciones monitoras Figura 8 - Receptores GPS Figura 9 Señal emitida Figura 10 - Esquema de funcionamiento Figura 11 Error del multicamino Figura 12 Composición de la atmosfera Figura 13 - Influencia de la ionosfera Figura 14 El GPS 3100LR12 Figura 15 - Principio de funcionamiento del GPS diferencial Figura 16 En rojo, cobertura StarFire Figura 17 - SF-2050 Figura 18 - Kontron NotePAC A70 Figura 19 - Graba de datos de posicionamiento con el Hyperterminal Figura 20 - Parte del cuadriculado de la Tierra Figura 21 - Calculadora del IGN Figura 22 Dispersión de la coord. yutm (GPS), respecto a una localización fija Figura 23 - Dispersión de la coord. xutm (GPS), respecto a una localización fija Figura 24 - Dispersión yutm/xutm (GPS), respecto a una localización fija Figura 25 - Dispersión de la altitud (GPS), respecto a una localización fija 7

10 Figura 26 - Punto fijo. Máximas dispersiones (GPS) Figura 27 - Mapa de las pistas con las pruebas realizadas GPS sin corrección. Figura 28 Prueba 1. Dispersión de la coord. yutm (GPS), respecto a una línea recta Figura 29 Prueba 1. Dispersión de la coord. xutm (GPS), respecto a una línea recta Figura 30 Prueba 1. Dispersión yutm/xutm (GPS), respecto a una línea recta Figura 31 Prueba 1. Dispersión de la altitud (GPS), respecto a una línea recta Figura 32 Prueba 1. Máximas dispersiones (GPS) Figura 33 - Prueba 2. Dispersión de la coord. yutm (GPS), respecto a una línea recta Figura 34 - Prueba 2. Dispersión de la coord. xutm (GPS), respecto a una línea recta Figura 35 - Prueba 2. Dispersión yutm/xutm (GPS), respecto a una línea recta Figura 36 - Prueba 2. Dispresión de la altitud (GPS) Figura 37 - Prueba 2. Máximas dispersiones (GPS) Figura 38 - Prueba 3. Dispersión de la coord. yutm (GPS), respecto una línea recta Figura 39 - Prueba 3. Dispersión de la coord. xutm (GPS), respecto una línea recta Figura 40 - Prueba 3. Dispersión yutm/xutm (GPS), respecto una línea recta Figura 41 - Prueba 3. Dispersió de la altitud (GPS) Figura 42 - Prueba 3. Máximas dispersiones (GPS) Figura 43 - Prueba 4. Dispersión de la coord. yutm (GPS), respecto una línea recta Figura 44 - Prueba 4. Dispersión de la coord. xutm (GPS), respecto una línea recta Figura 45 - Prueba 4. Dispersión yutm/xutm (GPS), respecto una línea recta Figura 46 - Prueba 4. Dispersión de la altitud (GPS) Figura 47 - Prueba 4. Máximas dispersiones (GPS) Figura 48 - Mapa de las pistas con los puntos fijos Figura 49 Punto 1. Dispersión de la coord. yutm (StarFire), respecto a una localización fija Figura 50 - Punto 1. Dispersión de la coord. xutm (StarFire), respecto a una localización fija Figura 51 Punto 1. Dispersión yutm/xutm (StarFire), respecto a una localización fija Figura 52 - Punto 1. Dispersión de la altitud (StarFire) Figura 53 Punto 2. Dispersión de la coord. yutm (StarFire), respecto a una localización fija Figura 54 - Punto 2. Dispersión de la coord. xutm (StarFire), respecto a una localización fija Figura 55 - Punto 2. Dispersión yutm/xutm (StarFire), respecto a una localización fija Figura 56 - Punto 2. Dispersión de la altitud (StarFire) Figura 57 - Punto 2. Máximas dispersiones (StarFire) Figura 58 - Punto 3. Dispersión de la coord. yutm (StarFire), respecto a una localización fija Figura 59 - Punto 3. Dispersión de la coord. xutm (StarFire), respecto a una localización fija Figura 60 - Punto 3. Dispersión yutm/xutm (StarFire), respecto a una localización fija 8

11 Figura 61 - Punto 3. Dispersión de la altitud (StarFire) Figura 62 - Punto 3. Máximas dispersiones (StarFire) Figura 63 - Punto 4. Dispersión de la coord. yutm (StarFire), respecto a una localización fija Figura 64 - Punto 4. Dispersión de la coord. xutm (StarFire), respecto a una localización fija Figura 65 - Punto 4. Dispersión de la coord. yutm/xutm (StarFire), respecto a una localización fija Figura 66 - Punto 4. Dispersión de la altitud (StarFire) Figura 67 - Punto 4. Máximas dispersiones (StarFire) Figura 68 - Punto 5. Dispersión de la coord. yutm (StarFire), respecto a una localización fija Figura 69 - Punto 5. Dispersión de la coord. xutm (StarFire), respecto a una localización fija Figura 70 - Punto 5. Dispersión de la coord. yutm/xutm (StarFire), respecto a una localización fija Figura 71 - Punto 5. Dispersión de la altitud (StarFire) Figura 72 - Punto 5. Máximas dispersiones (StarFire) Figura 73 - Mapa de las pistas con las pruebas de líneas rectas con el sistema StarFire Figura 74 - Prueba 1. Dispersión en la coord. yutm (StarFire), respecto a una línea recta Figura 75 - Prueba 1. Dispersión en la coord. xutm (StarFire), respecto a una línea recta Figura 76 - Prueba 1. Dispersión yutm/xutm (StarFire), respecto a una línea recta Figura 77 - Prueba 1. Dispersión de la altitud (StarFire) Figura 78 - Prueba 1. Máximas dispersiones (StarFire) Figura 79 - Prueba 2. Dispersión en la coord. yutm (StarFire), respecto a una línea recta Figura 80 - Prueba 2. Dispersión en la coord. xutm (StarFire), respecto a una línea recta Figura 81 - Prueba 2. Dispersión yutm/xutm (StarFire), respecto a una línea recta Figura 82 - Prueba 2. Dispersión de la altitud (StarFire) Figura 83 - Prueba 2. Máximas dispersiones (StarFire) Figura 84 - Prueba 3. Dispersión en la coord. yutm (StarFire), respecto a una línea recta Figura 85 - Prueba 3. Dispersión en la coord. xutm (StarFire), respecto a una línea recta Figura 86 - Prueba 3. Dispersión en la coord. yutm/xutm (StarFire), respecto a una línea recta Figura 87 - Prueba 3. Dispersión de la altitud (StarFire) Figura 88 - Prueba 3. Máximas dispersiones (StarFire) Figura 89 - Prueba 4. Dispersión en la coord. yutm (StarFire), respecto a una línea recta Figura 90 - Prueba 4. Dispersión en la coord. xutm (StarFire), respecto a una línea recta Figura 91 - Prueba 4. Dispersión en la coord. yutm/xutm (StarFire), respecto a una línea recta Figura 92 - Prueba 4. Dispersión de la altitud (StarFire) Figura 93 - Prueba 4. Máximas dispersiones (StarFire) 9

12 Capitulo 1 Introducción La historia de la navegación, esencialmente relacionada a la historia de la civilización y a los descubrimientos geográficos, reconstituye las pocas de la conquista del mar por el hombre y explique sus razones: la atracción de la aventura y la afinación del riesgo, los imperativos geográficos que, desde la Antigüedad, tira hacia el mar los pueblos de las costas, la búsqueda del beneficio que ilustra el desarrollo de las marinas mercantes, la voluntad de expansión política cuyas las flotas de guerra constituyen el elemento privilegiado, y sobre todo los progresos de las tónicas que condicionan los grandes viajes marítimos. Entonces la historia de la navegación recubre la historia del navío y de su construcción, pero también se ata a seguir los progresos del arte de navegar y de dirigirse. En efecto, este trabajo tiene como tema general la manera de situarse y dirigirse. La tecnología de la localización fue revolucionada con la entrada de los sistemas utilizando los satélites. Gracias a los satélites, todo el mundo puede localizarse y dirigirse con un sistema del estilo del GPS. El Centro Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) en España, lleva desarrollando robots durante muchos años. Actualmente, se está trabajando en el desarrollo de una arquitectura de control para la generación de un comportamiento complejo de un robot móvil en un entorno dinámico y de exterior. Esta arquitectura se encuentra implantada sobre el tractor DEDALO (AGRO-AMARA). (REF ART L.García-Pérez et al. 2008) 10

13 Figura 94 - Tractor DEDALO El propósito de este proyecto consiste en la grabación de datos de la posición del tractor con diferentes sistemas de posicionamiento y en la análisis de estos datos. La primera grabación se basa en el sistema de posicionamiento GPS, y la segunda en el sistema StarFire. Por razones técnicas, no se pudo trabajar con un DGPS básico (problema de la red nacional DGPS). En el presente proyecto, se parte de un GPS sin corrección diferencial para tomar datos de posición fija y en movimiento. A partir de este punto y gracias a los datos extraídos del receptor GPS con software adecuado (Evaluate, Hyperterminal), se proceder a la trazado de gráficos para proceder posteriormente a la análisis de los datos para poder obtener la información referente a los errores típicos presentes en las pruebas. La grabación de los datos de un sistema StarFire nos permitir hacer una comparación de los diferentes sistemas, para saber el cual es el más adecuado para realizar la labor al cual se destina, es decir el seguimiento de líneas rectas de manera automatizada. 11

14 El trabajo se describe en esta memoria en sus 12 capítulos. La organización es la siguiente: Capitulo 1: Introducción Presenta la motivación para el desarrollo de este proyecto, as como el marco donde se sitia, los objetivos y la organización de la memoria; Capitulo 2: Estado del arte Muestra el estado del arte en posicionamiento en cualquier lugar, de sus orígenes hasta hoy. Capitulo 3: Análisis de escenarios El análisis de escenarios describe el escenario en el cual se va llevar a cabo el proyecto. Serán también descritos en este capitulo todos los problemas que hemos tenido. Serán especificadas las condiciones de ensayo. Capitulo 5: Tecnologías y software Enumera y narra cada una de las tecnologías y los lenguajes necesarios para poder llevar a cabo el proyecto. Dentro de las tecnologías, habla del GPS, del DGPS y del sistema StarFire. Capitulo 6: Diseño del modelo Muestra la metodología a utilizar para tomar los datos de un receptor GPS y StarFire. También muestra cómo interpretar estos datos correctamente. Capitulo 7: Experimentos En este capitulo se recogen informes sobre diferentes experimentos realizados con el modelo desarrollado en este proyecto. Capitulo 8: Conclusiones En este apartado se recogen las conclusiones obtenidas del desarrollo de este proyecto. Capitulo 9: Referencias 12

15 Este capitulo da la lista de los documentos utilizados para realizar el trabajo de investigación. Anexo A En este anexo se podrán ver cómo utilizar el software Ashtech Evaluate. Anexo B Este anexo es el manual de utilización del GPS 3100LR12. Anexo C Es una breva descripción de la gama SF-205de StarFire, con sus características especificas. Mi principal motivación de este trabajo es la participación en un proyecto en un centro de investigaciones que tiene la costumbre de trabajar con estudiantes. El IAI-CSIC (Instituto de Automática Industrial del Centro Superior de Investigaciones Científicas) me permitió eso. Este centro, permite a graduados y estudiantes en último curso el desarrollo e intervención en proyectos de investigación en sus instalaciones. Era una buena ocasión de mejorar mi español con términos técnicos y de observar cómo los profesionales de un otro país que el mío trabajan. El presente proyecto se integra en el proyecto de investigación y desarrollo de larga duración AGRO-AMARA que tiene por objetivo la investigación de modelos que permitirán la sustitución de las tareas que realiza un conductor por un sistema automático. El proyecto llamado Análisis de errores y prestaciones de sistemas de posicionamiento global con corrección diferencial StarFire, constituye la parte de 13

16 investigación de este proyecto (AGRO-AMARA) para dotar el tractor de un sistema de posicionamiento con las mejores prestaciones posibles. El objetivo del proyecto es el análisis de prestaciones de receptores GPS con corrección diferencial StarFire, para navegación de vehículos agrícolas en exterior. Se realizar un análisis comparativo de un receptor GPS sin corrección y el receptor de nueva generación con corrección StarFire. 14

17 Capitulo 2 Estado del arte 2.1. Introducción al sistema GPS El Global Positioning System, más famoso por su sigla GPS, es el principal sistema de posicionamiento por satélites mundial en nuestros días, y actualmente es el único totalmente operativo. Al principio, este sistema fue establecido por el Departamento de la Defensa de los Estados Unidos con el fin de que sus unidades militares conozcan, en todo momento, su posición exacta sobre la superficie terrestre. Este programa se inició en 1960 y en 1978 se envió al espacio el primer satélite GPS desde la base Air Force de Vandenberg. 15

18 Figura 95 - Primer satélite En 1983, Ronald Reagan, a continuación de la muerte de 269 pasajeros del vuelo 007 Korean Airlines derribado por la Unión Soviética, se comprometió a que los civiles pudieran acceder la tecnología GPS libremente una vez en funcionamiento. Una segunda serie de satélites se inició a partir de 1989 con el fin de construir una flota suficiente. En 1995 el número de satélites disponibles permitió utilizar la tecnología GPS permanentemente en todo el planeta, con una precisión limitada a una centena de metros para uso civil. En 2000, Bill Clinton confirma el interés de la tecnología con fines civiles y autoriza sin restricciones la difusión de señales GPS, lo que permite una precisión de unos diez metros y una utilización libre de la tecnología al público en general a partir de mediados Los Estados Unidos continuarán desarrollando su sistema con la sustitución y la incorporación de satélites, así como la disponibilidad de las señales GPS complementarias, de manera más precisa y simplificando los equipos de recepción. 16

19 Pero se descubrió que una de las señales transmitidas por los satélites podía ser recibida y explotada, y así un receptor podía conocer su posicionamiento sobre la superficie de la Tierra, con una precisión sin precedente, ya que era equipado de los circuitos electrónicos y softwares necesarios al tratamiento de las informaciones recibidas. Una persona provista de este receptor puede localizarse y orientarse sobre la tierra, sobre el mar, en el cielo o en el espacio en los alrededores de la Tierra. El sistema GPS ha conocido un gran éxito en el ámbito civil y engendrado un enorme desarrollo comercial en muchos ámbitos: navegación marítima o en coche, localización de camiones, excursiones, etc. También en el medio científico, se han desarrollado y explotado propiedades de las señales transmitidas para muchas aplicaciones: geodesia, transferencias de tiempo entre relojes atómicas, estudio de la atmósfera, etc. El GPS utiliza el sistema geodésico WGS84 (World Geodetic System). Es un sistema de coordenadas terrestres, basado sobre un geoide de referencia tomando la forma de un elipsoide de revolución. El WGS84 es un sistema de coordenadas basado en un modelo de la Tierra. Es definido por un conjunto de parámetros primarios y secundarios: Los parámetros primarios definen la forma del elipsoide de la Tierra, su velocidad angular, y su masa. Los parámetros secundarios definen un modelo detallado de la gravedad terrestre. Estos parámetros secundarios son necesarios porque el WGS84 se emplea no solamente para definir coordenadas, sino también para determinar las órbitas de los satélites de navegación GPS. El elipsoide de referencia del sistema WGS84 es el SGR 80 (Sistema Geodésico de Referencia). Las coordenadas enviadas por el GPS son latitud, longitud y altitud en el sistema WGS84. 17

20 Figura 96 - Sistema geodésico WGS84 El sistema GPS incluye al menos 24 satélites en órbita a km de altitud. Estos satélites transmiten continuamente en dos frecuencias, L1 (1575,42 MHz) y L2 (1227,60 MHz), una señal compleja constituida de datos digitales y de un conjunto de códigos pseudo-aleatorios, fechados precisamente gracias a su reloj atómico. Los datos digitales incluyen, en particular, efemérides utilizadas para calcular la posición de los satélites, así como informaciones sobre sus relojes internos. Los códigos son un código C/A (acrónimo de una coarse acquisition, adquisición gruesa de datos) a 1023 Mbit/s y con un período 1 ms, y un código P (de precisión) de 10,23 Mbit/s con un período de 280 días. El primero es de libre acceso, el segundo se limita a los usuarios autorizados, en general es encriptado. Los receptores comercializados en el dominio civil usan el código C/A. Pocos usuarios civiles especializados, como los organismos de geodesia, tienen acceso al código P. Por lo tanto, un receptor GPS que recoge las señales de al menos cuatro satélites, calculando el tiempo de propagación de estas señales entre satélites y él, 18

21 puede saber su distancia de ellos y, por triangulación, situar precisamente en tres dimensiones cualquier punto situado en la visibilidad de satélites GPS con una precisión de entre 15 y 100 metros para el sistema estándar. El GPS se utiliza para localizar vehículos de rodadura, buques, aviones, misiles y satélites operativos en órbita terrestre baja. Con sólo un satélite, se puede determinar solamente la distancia entre el satélite y el receptor: Figura 97 - Determinación de la posición con un satélite Con dos satélites, la intersección de las dos esferas forma un círculo: Figura 98 - Determinación de la posición con dos satélites Con un tercero satélite, uno o dos puntos: 19

22 Figura 99 - Determinación de la posición con tres satélites El receptor no tiene la hora precisa, el cálculo de la precisión conlleva una incógnita tiempo que sólo se puede resolver con el dato de un cuarto satélite En cuanto a la exactitud, es común tener una posición a unos 20 metros o menos. El GPS siendo un sistema desarrollado para los EE.UU. militar, una disponibilidad selectiva fue previsto: algunas informaciones, en particular las relativas al reloj de los satélites, pueden ser degradados voluntariamente y privar los receptores que no tienen códigos correspondientes a la precisión máxima. Durante muchos años, los civiles tenían acceso a una precisión reducida (más o menos 100 m). El 1 º de mayo de 2000, el Presidente Bill Clinton anunció que se ponga fin a esa degradación voluntaria del servicio. En algunos casos, sólo tres satélites pueden bastar. La ubicación en altura (eje Z) no es de golpe correcta, mientras que la longitud y la latitud (eje X e Y) son buenas todavía. Se puede contentarse con tres satélites, cuando se desarrolla sobre una superficie "plana" (océano, mar). Este tipo de excepción es especialmente útil para el emplazamiento de máquinas voladoras (aviones, etc.) que no pueden de todos modos confiar únicamente con el GPS, demasiado impreciso para darles su altura. Pero hay, sin embargo, un modelo mundial de geoide llamado "Earth Gravity Model 20

23 1996" o EGM96 asociado con el WGS 84 que permite, a partir de las coordenadas WGS 84, determinar la altura en relación al nivel medio del mar con una precisión de aproximadamente un metro. Los receptores GPS avanzados incluyen este modelo para proveer alturas más conformes con la realidad Introducción al sistema DGPS El Differential Global System (DGPS) es una mejora del GPS. Utiliza una red de estaciones fijas de referencia que transmite la diferencia entre las posiciones indicadas por los satélites y sus posiciones geográficas reales conocidas. En efecto el receptor recibe la diferencia entre las pseudo-distancias medidas por los satélites y los verdaderas pseudo-distancias y así puede corregir sus medidas de posiciones. El término DGPS puede aplicarse tanto a la técnica como a las implementaciones que utiliza. Por ejemplo el WAAS (Wide Area Augmentation System) de la FAA (Federation Aviation Administration) usa técnicas diferenciales para mejorar la precisión, transmiten las correcciones por satélite sobre la banda L. Algunos otros ejemplos de sistemas similares son el sistema europeo de complemento a la navegación geoestacionaria EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay Service), el sistema japonés MTSAT (Multifunctional Transport Satellites), el servicio de corrección DGPS canadiense y los sistemas comerciales StarFire y OmniSTAR. Este término se aplica también para hablar de sistemas que re-transmiten correcciones a partir de balizas en el suelo de alcance más corto. Por ejemplo, los guardacostas de los Estados Unidos, el USCG (United States Coast Guard), utiliza un sistema semejante y en Canadá se utilizan señales de gran longitud de onda comprendidas entre 285 khz y 325 khz. Estas frecuencias son las utilizadas para la radio marina, y son emitidas cerca de las principales vías navegables y los puertos. 21

24 Australia, utiliza un servicio similar para la navegación terrestre y aérea, en el cual, la señal es transmitido por estaciones radio AM comerciales. En los comienzos de la puesta en servicio del GPS, el ejército americano se preocupó de la posibilidad de que fuerzas enemigas utilizaran las señales GPS disponibles en el mundo entero para guiar sus propias armas. Para evitar esto, la señal principal fue deliberadamente deteriorada desplazando su señal de reloj en una cantidad aleatoria igual a una distancia cercana a 100 metros. Una conducción más precisa era posible, pero solamente para usuarios que conociesen las claves del descifrado adecuadas. Conocido con el nombre de disponibilidad selectiva o SA (Selective Availability), este sistema disminuye seriamente la utilidad de la señal GPS para fines civiles. Esto representa un problema para las agencias civiles que utilizaban diferentes sistemas de navegación radio como LORAN (Long Range Navigation) para la navegación marítima o VOR (VHF Omnidirectional Range) y NDB (Non- Directional Beacons) para la navegación aérea. Costaba millones dólares por año para el funcionamiento de estos sistemas, y se puede sustituirlos con pocos gastos por sistemas GPS. Sin embargo, la precisión ofrecida con el SA activo era simplemente demasiado mala para prever razonablemente esta sustitución. La solución más simple era desactivar el SA, pero el ejército rechazó las demandas de diferentes agencias (especialmente las de la FAA, del USCG y del DOT) por razones de seguridad. Durante la primera mitad de los años 80, varias agencias se imaginaron una solución al problema del SA. Dado que la señal SA no estaba modificada con frecuencia, el efecto del desfase sobre el posicionamiento era relativamente fijo. Este desfase sería uniforme sobre una zona extensa. De ahí la idea de que transmitiendo este desfase a los receptores GPS de la zona, se podría eliminar los efectos del SA, con lo que se obtendría como resultado medidas próximas a los resultados teóricos del GPS (alrededor de 15 metros). 22

25 Además otra fuente de errores importante en la posición dada por el GPS es la debida a los plazos de transmisión en la ionosfera que también se podía medir y corregir emitiéndolo así mismo a los receptores GPS. Esto permitió una mejora de la precisión de aproximadamente 5 metros, lo que era más que suficiente para las necesidades civiles. Los guardacostas americanos fueron los pioneros en utilizar el DGPS, incrementándose notablemente su uso durante últimos años 80 y al principio de la década de los 90. Estas señales se propagan en ondas sobre las frecuencias marítimas y pueden ser recibidas mediante receptores radio e introducirse en receptores GPS equipados de manera adecuada. Los principales proveedores de GPS proponían aparatos dotados de entradas DGPS, no solamente para las señales USCG, también para aparatos destinados a la navegación aérea recibiendo estas señales en frecuencia modulada o sobre bandas de frecuencias comerciales moduladas en amplitud. Se empezaron a emitir señales DGPS de calidad de manera limitada en 1996 y extendieron la red hasta cubrir la mayoría de los puertos de escala, así como la vía marítima de San Laurent en asociación con los guardacostas canadienses. Se elaboraron planes para extender el sistema al conjunto de los Estados Unidos, pero esto no iba a ser una tarea fácil. La calidad de las correcciones DGPS disminuía con el alejamiento y la mayoría de las emisoras importantes generalmente estaban agrupadas cerca de las ciudades. Esto significa que la cobertura por balizas GPS en el suelo sería reducida en las zonas débilmente pobladas, en particular en el midwest. Por otra parte, la FAA (y otras agencias) empezaron estudios para emitir las señales en todo el hemisferio a partir de satélites de comunicación en órbita geoestacionaria. Esto condujo a la creación de WAAS y a sistemas similares, aunque el término DGPS generalmente no se aplica a este tipo de sistemas. WAAS ofrece una precisión similar a las de redes DGPS basadas en estaciones en tierra del USCG 23

26 y la pregunta de saber si esos serán desactivados a medida que WAAS se vuelve totalmente operativo es objeto de debates. Desde la mitad de los años 90, estaba claro que el SA ya no tenía la utilidad para representar el papel que le era atribuido. El DGPS iba a volverlo ineficaz en los Estados Unidos, precisamente allí donde se consideraba que ya no se lo necesitaba. Además la experiencia durante la segunda Guerra del Golfo demostró que la utilidad generalizada de receptores civiles por los militares perjudicaba aún más a sus propias tropas que si el SA estuviese desactivado. Después de haber sufrido presiones durante numerosos años los operadores del GPS aceptaron desactivar el SA de manera permanente en el año Sin embargo, en ese momento el DGPS se transformaba en un sistema de precisión superior a la que incluso una señal GPS con SA desactivado podía generar. Hay algunas otras fuentes de errores que comparten las mismas características que el SA en el sentido que son idénticas sobre extensas zonas durante una duración razonable. Entre estas fuentes de error se encuentra las debidas a los efectos ionosféricos mencionados anteriormente así como errores en los datos de las efemérides de posición transmitidos por satélite y el desajuste de reloj de satélites. Según la suma de datos enviados en la señal de corrección del DGPS, la corrección de estos efectos puede reducir el error de manera significativa, las mejores implementaciones ofrecían precisiones menores de 10 cm. Además los continuos avances de los sistemas USCG y de sistemas desarrollados por la FAA, han permitido que numerosas empresas desarrollen sistemas DGPS comerciales que venden su señal (o receptores para esta señal) a usuarios que necesiten una mejor precisión que la precisión nominal de 15 metros provista por los GPS. Todos los GPS comerciales, incluyendo los GPS móviles, disponen ahora de entradas para datos DGPS y son numerosos los que soportan WAAS directamente. En cierta medida, la utilización de la tecnología DGPS es común en la mayor parte de las aplicaciones GPS. 24

27 2.3. Introducción al sistema StarFire A mediados de los años 90, Deere & Co desafió NavCom desarrollando una red de corrección GPS propia, global y económica capaz de proveer una mejor precisión que las tecnologías existentes. Respondiendo, NavCom implementó una red GPS de referencia totalmente redundante, mundial y bifrecuencial que era libre respecto a las fronteras regionales. También concibió nuevos algoritmos de tratamiento para permitir una compresión óptima de los datos de corrección GPS, para reducir las necesidades del ancho de banda y los costes de explotación. Lanzado globalmente en 1999, el StarFire Network que utiliza el sistema de satélites GPS, las bandas de frecuencias L y una red global de estaciones de referencia para proporcionar un posicionamiento de alta precisión en tiempo real. En 2001, NavCom hizo un acuerdo histórico con el Jet Propulsión Laboratory (JPL) de la NASA. Esta cooperación combinó la tecnología StarFire con la tecnología Real Time GISPSY de JPL para mejorar la capacidad de esta robusta red global. 25

28 Capitulo 3 Análisis de escenarios 3.1. Problemática encontrada El gran problema del proyecto fue sus objetivos finales. No disponía de mucho tiempo para realizar el trabajo, y tuvimos muchos problemas técnicos (el tiempo, Software y Hardware) que nos retrasaron. El proyecto inicial se basaba en el control borroso del tractor para optimizar el modulo Avanzar del tractor. Pero rápidamente se orienta hacia el análisis comparativo de los sistemas de posicionamiento disponibles, porque no se habría tenido el tiempo de desarrollarle completamente. Al principio, se analizan el posicionamiento con GPS sin corrección diferencial y con DGPS. Pero durante un periodo largo, el DGPS tenía muchos problemas que retardó considerablemente el desarrollo del proyecto. Finalmente, se comprobó que era el servicio nacional de corrección diferencial que no funcionaba. Entonces el sistema StarFire fue elegido para continuar a trabajar. Un último problema apareció el último día: el fichero en el cual tenía la versión casi terminada del proyecto no se podía abrir y perdí toda la compaginación. 26

29 3.2. Metodología utilizada Para el desarrollo del proyecto, se utiliza un modo operativo repetitivo: La puesta a punto del material. La grabación de los datos. La conversión de los datos en datos utilizables. El análisis de los valores de estos datos y la interpretación de los resultados. 27

30 Capitulo 4 Tecnologías y lenguajes 4.1. El receptor GPS El sistema GPS El sistema GPS se compone de 3 partes diferenciadas, llamadas segmentos: El segmento espacial. El segmento de control. El segmento usuario Segmento espacio En la actualidad se compone de una constelación de 31 satélites (NAVSTAR por Navigation Satellite Timing And Ranging). Estos satélites están dispuestos en 6 planos orbitales con una inclinación de aproximadamente 55º respecto al Ecuador, a razón de cuatro satélites en cada plano orbital. Siguen una órbita casi circular a una altura de a kilómetros que recorren en 11 horas, 58 minutos y 02 segundos, o sea un medio día sideral. Así, los satélites, vistos desde el suelo, adoptan la misma posición en el cielo después de un día sideral. La tecnología empleada por la constelación de satélites que componen el sistema GPS es lo suficientemente precisa como para definir posiciones exactas en cualquier lugar del mundo las 24 horas del día. Todos los satélites poseen un sistema de propulsión que permite mantener la posición de su órbita y el control de estabilidad mediante órdenes de radio desde tierra. 28

31 Figura Constelación de los satélites GPS Segmento de control Esta es la parte que ayuda a dirigir y supervisar el sistema. Se compone de 5 estaciones monitoras: Colorado, Hawái, Kwajalein, Ascensión y Diego García, de tres antenas terrestres: Ascensión, Diego García y Kwajalein, y de una estación de control experta situada en Colorado. Su función es actualizar la información transmitida por satélites (efemérides, parámetros de reloj) y el control de su funcionamiento efectivo. 29

32 Figura Mapa de los estaciones monitoras Segmento usuario Se encuentran las antenas y los receptores en tierra. Éstos reúnen a los usuarios civiles y militares que se limitan a recibir y utilizar la información de satélites (posición, velocidad y tiempo). El sistema no puede, por tanto, estar saturado: el número máximo de usuarios GPS es ilimitado. Figura Receptores GPS 30

33 4.1.2 El principio de funcionamiento El GPS funciona mediante el cálculo de la distancia entre un receptor GPS en la superficie de la Tierra y un grupo de satélites en el espacio. Las informaciones necesarias para calcular la posición de 31 satélites se transmiten al receptor con regularidad. El receptor puede, gracias al conocimiento de la distancia que le separa de los satélites, saber sus coordenadas Medida de la distancia del receptor al satélite Los satélites envían ondas electromagnéticas (microondas) que se propagan a la velocidad de la luz. Por tanto, al conocer la velocidad de la luz y sabiendo el tiempo que la onda tarda en recorrer el camino entre el satélite y el receptor GPS, se puede calcular la distancia entre ellos. Para medir el tiempo que tarda la onda en llegar al receptor GPS se compara la hora de la emisión incluida en la señal y la de la recepción de la onda emitida por el satélite. Esta medida, después de una multiplicación por la velocidad de la señal, ofrece una pseudo-distancia, comparable a una distancia, pero con un error de sincronización de los relojes del satélite y del receptor, y de degradación como las debidas al paso de la atmósfera Señal emitida Pueden distinguirse tres cadenas distintas de códigos pseudo-aleatorios: el código C/A (Coarse/Adquisition), el código P (Precisión Codo) y el código Y. El código C/A es el empleado en los receptores civiles, y posee una frecuencia de 1023 MHz. El código P posee una frecuencia diez veces superior a la del C/A, y el Y, que está encriptado, se envía en lugar del código P en el modo de operación AS (antiengaños). Este modo de operación es el encargado de proteger al sistema contra falsas transmisiones de datos. 31

34 Figura 103 Señal emitida Los satélites transmiten la información en dos frecuencias distintas. Así, la frecuencia portadora L1, correspondiente a 1575 MHz, transmite los códigos C/A y P, mientras que la frecuencia portadora L2, correspondiente a 1227 MHz, sólo transmite información militar y es modulada en código P. Además, una señal de navegación desde el satélite es transmitida con una frecuencia de 50 Hz en ambas frecuencias portadoras L1 y L2. Las estaciones monitoras establecen una medida de estas señales procedentes de los satélites GPS y la incorporan a los modelos orbitales de cada satélite. Estos modelos calculan los datos relativos a las órbitas de los satélites (efemérides), así como las correcciones en las desviaciones de los relojes de éstos. Por otro lado, la estación de control experta envía la información de efemérides y de las desviaciones de los relojes de los satélites GPS mediante señales de radio. El sistema GPS proporciona dos niveles de servicio: el Servicio de Posicionamiento Estándar (SPS, Standard Positioning Service) y el Servicio de Posicionamiento Preciso (PPS, Precise Positioning Service). El SPS es un servicio de posicionamiento en espacio y tiempo proporcionado por la frecuencia L1 de los GPS, que contiene el código C/A y los mensajes de 32

35 navegación. Aunque la frecuencia L1 contiene también el código P, éste no forma parte del SPS. El PPS es un servicio de alta precisión de posicionamiento en espacio, velocidad y tiempo únicamente accesible a los usurarios autorizados por el Departamento de Defensa de los Estados Unidos. Transmiten datos en código P en las frecuencias L1 y L2 de los GPS. Un preciso sincronismo es la clave para la medición de la distancia de modo que, como las señales de radio viajan a km/s, si un satélite y el receptor GPS estuvieran desincronizados una centésima de segundo, la distancia calculada tendría un error de km. Los satélites llevan a bordo cuatro relojes atómicos, dos de Cesio y dos de Rubidio, que funcionan con energía eléctrica. Los relojes atómicos deben su nombre a que emplean como metrónomo las oscilaciones de un átomo en particular. Ésta es la más estable y precisa referencia de tiempo conocida. Por el contrario, los receptores GPS, para reducir costes, llevan relojes de cuarzo menos precisos que los atómicos. Sin embargo, tomando como base la trigonometría, puede compensarse el desincronismo del reloj del receptor. Así, si tres mediciones perfectas sitúan a un punto en el espacio tridimensional, cuatro mediciones imperfectas pueden eliminar cualquier desviación del tiempo (siempre que la desviación sea constante) Cálculo de la posición Conociendo las posiciones de los satélites a la hora de emisión de señales, y las pseudo-distancias medidas (posiblemente corregidas con diversos factores relacionados con la propagación de la onda), el sistema receptor es capaz de resolver un sistema de ecuaciones cuyas cuatro incógnitas son la posición del receptor (latitud, longitud y altitud) y el desajuste de su reloj en comparación con el tiempo GPS. Este cálculo es posible tan pronto como se han hecho las medidas relativas a cuatro satélites. También, un cálculo es posible con tres satélites sólo si se conoce la altitud. Por otro lado, si más de cuatro satélites son visibles (a menudo el caso), el sistema de ecuaciones a resolver posee más de cuatro ecuaciones con 4 incógnitas, por tanto, la precisión del cálculo es mejorado y se puede estimar los errores en la posición y el tiempo. 33

36 Figura Esquema de funcionamiento La precisión de la posición obtenida depende, todos en igualdad de condiciones, de la geometría del sistema: si todos los satélites visibles están en un cono de bajo ángulo de observación, la precisión será a priori peor que en un amplio cono. Los efectos de la geometría del sistema de medida sobre la precisión se describen con un parámetro: el D.O.P. (Dilution Of Precision: la atenuación o la diminución de la precisión). El H.D.O.P. se refiere a la precisión horizontal, el T.D.O.P. a la precisión en el tiempo, el V.D.O.P. a la precisión de altitud. Por tanto, al disminuir el D.O.P. la precisión esperada mejora Desajuste del reloj del receptor La dificultad consiste en sincronizar los relojes del receptor y del satélite. Un error de una millonésima de segundo causa un error de 300 metros sobre la posición. El receptor no puede, por supuesto, beneficiarse de un reloj atómico como los satélites. Tiene que tener un reloj bastante estable, pero su hora no es, a priori, sincronizada con la de los satélites. Las señales de cuatro satélites al menos son necesarias para determinar este desajuste, ya que se necesita resolver un sistema de al menos cuatro ecuaciones 34

37 matemáticas con cuatro incógnitas que son las tres dimensiones más el desajuste del reloj del receptor con la hora GPS Errores posibles La mayoría de los receptores son capaces de mejorar sus cálculos utilizando más de 4 satélites (lo que proporciona medidas más exactas), quitando los satélites que emiten una señal que parece poco fiable o los satélites demasiado cercas de un otro para proporcionar una medida correcta. El GPS no es adecuado en todo tipo de situaciones, debido entre otros factores a la baja potencia de la señal emitida por los satélites NAVSTAR, propagación de la señal a través de la atmósfera que puede alterar la precisión de las medidas de localización, así como simples hojas de árboles que absorben parte de la señal. En definitiva, todos estos factores hacen que la medida pueda ser falseada. De la misma manera, el efecto cañón, especialmente sensible en las zonas urbanas, es la ocultación de un satélite por el relieve (un edificio, por ejemplo). También, otro error característico, es el del multipath o multicamino debido a las múltiples reflexiones de la señal en las superficies. Figura 105 Error del multicamino Errores debidos a la ionosfera y la troposfera Uno de los errores que más afectan a las señales radio empleadas por los GPS es el debido a la ionosfera y troposfera terrestre. 35

38 Figura 106 Composición de la atmosfera La ionosfera es una región de la atmosfera situada entre 60 y 800 km de altitud. La ionosfera está formada por una capa de partículas cargada eléctricamente que modifica la velocidad de las señales radio cuando la atraviesan. La mayor parte de los receptores GPS incluyen un algoritmo de corrección, pero durante los períodos de alta actividad solar, esta corrección no es lo suficientemente precisa. Para corregir este efecto con más precisión, algunos receptores de doble frecuencia utilizan el hecho que ambas frecuencias L1 y L2 de la señal del GPS no se ven afectadas de la misma manera y recalculan la verdadera perturbación. Figura Influencia de la ionosfera 36

39 Tras atravesar la ionosfera, las señales GPS entran en la troposfera terrestre, donde residen los fenómenos meteorológicos. La troposfera es la parte de la atmosfera terrestre situada entre la superficie del globo y una altitud entre más o menos 8 y 15 km, según la latitud y la época. La presencia de humedad y los cambios de presión en la troposfera modifican el índice de refracción n y, por tanto, la velocidad y dirección de propagación de la señal. La velocidad se ve disminuida por lo que el tiempo en llegar la señal al receptor GPS aumenta, y el receptor por tanto, calculará una posición errónea. Este tipo de errores son similares en magnitud a los causados por la ionosfera, pero sin embargo resulta más complicado realizar su corrección. Si el término referente a la distribución de la humedad relativa en la troposfera es ahora bien conocido, las perturbaciones causadas por la humedad necesitan, para ser corregidas, la medida del perfil exacto de vapor de agua en función de la altitud, información difícil a recolectar, excepto a través de medios muy caros como los LIDARS (Light Detection and Ranging), que sólo dan resultados incompletos. Los actuales receptores incluyen un modelo de corrección Consideración de la relatividad Además de la incertidumbre asociada al reloj del receptor, también son significativos lo errores relativistas que son explicados por las teorías especial y general de la relatividad. Según la teoría especial de la relatividad, el tiempo no transcurre de la misma manera en el sistema de referencia del satélite que respecto al del receptor, debido a que el satélite tiene una velocidad mayor con respecto al receptor. Por otro lado, la teoría general de la relatividad establece cuanto menor es la aceleración de la gravedad más rápido es el flujo del tiempo por lo que el flujo del tiempo en el satélite es mayor que en el receptor. El sistema toma en cuenta estos dos efectos relativistas en la sincronización de los relojes. Por ejemplo, las frecuencias emitidas se desplaza ligeramente (4,5 ppm) para ser recibidas en el suelo con su valor real. 37

40 LR12 El GPS utilizado es el modelo 3100LR12 de Fugro. Es un GPS con doce canales de recepción. El manual de utilización con sus características está en el Anexo B. Figura 108 El GPS 3100LR Los sistemas de posicionamiento con corrección El sistema DGPS Aunque no aparece en este proyecto para razones técnicas, se puede hablar del sistema DGPS que es el sistema más común de posicionamiento con corrección. 38

41 Las técnicas diferenciales El DGPS se basa en métodos deferenciales. En efecto, el posicionamiento que se desea determinar será en relación directa con el posicionamiento de la estación de referencia. Por lo tanto, los errores comunes a los dos puntos de observación serán eliminadas por simples técnicas diferenciales: diferencias simples, dobles y triples. Los errores corregidos son: los errores de desajuste de reloj, las efemérides, los efectos relativistas y los errores ionosféricos y troposféricos. La diferencia simple: Observando simultáneamente el mismo satélite en el mismo momento con dos receptores, se accede a dos pseudo-distancias que permiten calcular la diferencia entre ellas. Sea R=distancia calculada por los receptores d=distancia real dt=error de sincronización R 1 R 2 =d 1 d 2 +c(dt 1 dt 2 )+e iono1 e iono2 +e tropo1 e tropo2 +e ephe1 e ephe2 +e relat1 e relat2 +e resto Ahora mismo e iono1 =e iono2 así mismo para el error troposférico, la efeméride y el error relativista. Entonces los términos de errores comunes desparecen. La diferencia doble: Se observa, vía dos receptores, dos satélites simultáneamente, se puede efectuar una doble diferencia, es decir la diferencia de las diferencias simples efectuadas sobre cada satélite. Los errores propios a los satélites desparecen, pero también los errores debidos a los desajustes de relojes de los receptores. La diferencia triple: En este caso se observa simultáneamente vía dos receptores, dos satélites a dos momentos diferentes. La diferencia triple es el resultado de la diferencia de diferencias dobles correspondiente a cada momento. Además, considerando que las ambigüedades son constantes en el tiempo, éstas se pueden eliminar totalmente. 39

42 El principio de funcionamiento El principio de funcionamiento de los DGPS es muy sencillo. Un receptor GPS ubicado en una posición conocida de la Tierra calcula su posición según las distancias a los satélites. La diferencia entre la posición calculada y la verdadera ubicación del receptor GPS, que es conocida de antemano, representa el error de la medición. Este dato puede ser transmitido a otros receptores GPS cercanos (hasta 100 km) para efectuar así correcciones en sus medidas. Figura Principio de funcionamiento del GPS diferencial Esta metodología es correcta ya que la distancia entre el satélite y el receptor es muy superior a la que existe entre receptores GPS, por lo que las señales en esos receptores se verán afectadas prácticamente por los mismos errores. De esta forma, para aumentar la precisión de los datos recogidos, se aplican correcciones diferenciales obtenidas en uno o varios puntos de referencia. Se requiere, por tanto, una base capaz de generar correcciones diferenciales y un equipo de transmisión que las transporte hasta los usuarios. 40