SISTEMAS GNSS: Funcionamiento, Posicionamiento y Precisión.

Transcripción

1 SISTEMAS GNSS: Funcionamiento, Posicionamiento y Precisión. LABORATORIO DE ASTRONOMÍA, GEODESIA Y CARTOGRAFÍA Dpto. de Matemáticas. Facultad de Ciencias Especialización sobre la Red Andaluza de Posicionamiento: servicios y productos RAP

2 Contenido Introducción. Descripción del Sistema GPS 1 Introducción. Descripción del Sistema GPS El Segmento Espacial El Segmento de Control El Segmento de Usuario 2 Constitución del sistema GPS Observables GPS 3 Posicionamiento Absoluto por Código Posicionamiento Relativos de Código y Fase 4 Precisión del sistemas Principales Errores kk

3 El Segmento Espacial El Segmento de Control El Segmento de Usuario Bajo el acrónimo de GNSS (Global Navigation Satellite Systems) se engloban todas las técnicas de posicionamiento mediante satélites Qué es un GNSS? Se entiende por Sistemas Globales de Posicionamiento (GNSS) a sistemas pasivos de navegación basado en satélites emisores de radiofrecuencias, que proporcionan un marco de referencia espacio-temporal con cobertura global, independiente de las condiciones atmosféricas, de forma continua en cualquier lugar de la Tierra, y disponible para cualquier número de usuarios. El Sistema GPS: EEUU, 29 satélites, Km, órbitas cuasicirculares. Plena operatividad desde El uso no militar está tolerado. El Sistema GLONASS: Rusia, 24 satélites, Km, órbitas elípticas muy excéntricas. Nunca ha llegado a estar plenamente operativo debido a problemas económicos y políticos. El Sistema GALILEO: ESA (UE), 30 satélites, Km. De origen y control civil, con garantías de servicio, precisión e integridad.está sólo en fase inicial de implementación.

4 El Segmento Espacial El Segmento de Control El Segmento de Usuario Bajo el acrónimo de GNSS (Global Navigation Satellite Systems) se engloban todas las técnicas de posicionamiento mediante satélites Qué es un GNSS? Se entiende por Sistemas Globales de Posicionamiento (GNSS) a sistemas pasivos de navegación basado en satélites emisores de radiofrecuencias, que proporcionan un marco de referencia espacio-temporal con cobertura global, independiente de las condiciones atmosféricas, de forma continua en cualquier lugar de la Tierra, y disponible para cualquier número de usuarios. El Sistema GPS: EEUU, 29 satélites, Km, órbitas cuasicirculares. Plena operatividad desde El uso no militar está tolerado. El Sistema GLONASS: Rusia, 24 satélites, Km, órbitas elípticas muy excéntricas. Nunca ha llegado a estar plenamente operativo debido a problemas económicos y políticos. El Sistema GALILEO: ESA (UE), 30 satélites, Km. De origen y control civil, con garantías de servicio, precisión e integridad.está sólo en fase inicial de implementación.

5 Historia del GNSS Introducción. Descripción del Sistema GPS El Segmento Espacial El Segmento de Control El Segmento de Usuario Antecendetes: Sistemas de navegación LORAN y TRANSIT DOPPLER. A partir de 1973 se concibió el sistema GPS. Plena operatividad desde En los años 90, esta tecnología comienza a emplearse con fines civiles. El gobierno ruso no decide seguir adelante con GLONASS, por lo tanto la red de satélites pertenece de manera exclusiva a EEUU. Resto de países se centra en el desarrollo de centros de control y recepción de las señales GPS. Elaboran sistemas de aumento. Capacidad de los EEUU para emitir la señal y distorsinarla. Autonomía de los EEUU. Europa empieza a plantear el sistema Galileo. Se han ido desarrollando sistemas de aumento como son EGNOS (Europa), WAAS (USA), MSAS (Japón).

6 Composición del Sistema GPS El Segmento Espacial El Segmento de Control El Segmento de Usuario El sistema GPS tiene una estructura claramente definida: un segmento espacial, un segmento de control y un segmento de usuarios. Segmento Espacial Compuesto por los satélites que forman el sistema, tanto de navegación como de comunicación, así como las diferentes señales que envían y reciben cada uno de los receptores. Segmento de Control Formado por el conjunto de estaciones en tierra que recogen los datos de los satélites y monitoriza el sistema GPS. Segmento de Usuario Formado por todos los receptores GPS que reciben las señales del segmento espacial y sus programas de procesado de datos.

7 Composición del Sistema GPS El Segmento Espacial El Segmento de Control El Segmento de Usuario El sistema GPS tiene una estructura claramente definida: un segmento espacial, un segmento de control y un segmento de usuarios. Segmento Espacial Compuesto por los satélites que forman el sistema, tanto de navegación como de comunicación, así como las diferentes señales que envían y reciben cada uno de los receptores. Segmento de Control Formado por el conjunto de estaciones en tierra que recogen los datos de los satélites y monitoriza el sistema GPS. Segmento de Usuario Formado por todos los receptores GPS que reciben las señales del segmento espacial y sus programas de procesado de datos.

8 Composición del Sistema GPS El Segmento Espacial El Segmento de Control El Segmento de Usuario El sistema GPS tiene una estructura claramente definida: un segmento espacial, un segmento de control y un segmento de usuarios. Segmento Espacial Compuesto por los satélites que forman el sistema, tanto de navegación como de comunicación, así como las diferentes señales que envían y reciben cada uno de los receptores. Segmento de Control Formado por el conjunto de estaciones en tierra que recogen los datos de los satélites y monitoriza el sistema GPS. Segmento de Usuario Formado por todos los receptores GPS que reciben las señales del segmento espacial y sus programas de procesado de datos.

9 Composición del Sistema GPS El Segmento Espacial El Segmento de Control El Segmento de Usuario El sistema GPS tiene una estructura claramente definida: un segmento espacial, un segmento de control y un segmento de usuarios. Segmento Espacial Compuesto por los satélites que forman el sistema, tanto de navegación como de comunicación, así como las diferentes señales que envían y reciben cada uno de los receptores. Segmento de Control Formado por el conjunto de estaciones en tierra que recogen los datos de los satélites y monitoriza el sistema GPS. Segmento de Usuario Formado por todos los receptores GPS que reciben las señales del segmento espacial y sus programas de procesado de datos.

10 El Segmento Espacial El Segmento de Control El Segmento de Usuario Constituido por la constelación NAVSTAR de satélites GPS Características Diseñada de tal forma que garantice una cobertura global en cualquier parte del planeta. Proporciona cobertura con 4 á 8 satélites por encima del horizonte. Emiten señales en varias frecuencias. Distintos bloques de satélites: BLOQUE I: Prototipos iniciales ( ). Fuera de uso. BLOQUE II /IIA: Contiene cuatro relojes atómicos: dos de Cesio, y dos de Rubidio.Incorpora una técnica de encriptación. BLOQUE IIR: Poseen osciladores atómicos de Hidrógeno. Bloque IIF: Son los actuales satélites.

11 El Segmento Espacial El Segmento de Control El Segmento de Usuario Constelación Desplegados en 6 planos orbitales casi circulares (A-F) y con una inclinación de 55 o respecto a plano ecuatorial. Cada posición del satélite en la órbita se identifica por un número. Tienen una excentricidad de 0.02 y su semieje mayor mide kilómetros, es decir están a una altitud de unos km. El tiempo máximo de observación de un satélite es de hasta 4 horas y cuarto (15 o sobre el horizonte).

12 El Segmento Espacial El Segmento de Control El Segmento de Usuario Relojes y Osciladores Es la fuente de la frecuencia patrón que genera las señales GPS. La precisión de un reloj, o más propiamente su estabilidad se mide sobre un segundo y representa la dispersión de los valores de la frecuencia de banda. Tipo de Oscilador Estabilidad Tiempo para peder 1 Seg Cristal de Cuarzo años Rubidio años Cesio años Maser de Hidrógeno años

13 El Segmento Espacial El Segmento de Control El Segmento de Usuario Tiene como misión el seguimiento continuo de todos los satélites de la constelación con los siguientes objetivos: Determinar los parámetros orbitales de cada satélite y el estado de sus osciladores. Enviar dicha información a los satélites para que éstos puedan transmitirlos a los usuarios. Existen tres tipos de instalaciones: Estación Maestra de Control. Estaciones de seguimiento. Antenas Terrestres.

14 Funcionamiento del sector de control El Segmento Espacial El Segmento de Control El Segmento de Usuario

15 El Segmento Espacial El Segmento de Control El Segmento de Usuario Constitución: Cualquier receptor o grupo de receptores GPS en tierra, mar y aire. Software de aplicación de explotación de datos GPS recogidos por el receptor. Antena receptora de GNSS: De cobertura hemiesférica omnidireccional. Puede ser de muchas formas y materiales, dependiendo de las aplicaciones y del coste. Receptor: Es del tipo heterodino, basado en la mezcla de frecuencias que permite pasar de la frecuencia recibida en la antena a una baja frecuencia para ser manejada por la electrónica del receptor. Contiene un reloj muy estable.

16 Elementos de los receptores El Segmento Espacial El Segmento de Control El Segmento de Usuario

17 El Segmento Espacial El Segmento de Control El Segmento de Usuario

18 Constitución del sistema GPS Observables GPS Veamos el proceso que se da desde que se envía la información hasta que se recibe, y como se calcula el posicionamiento. Las explicaciones que siguen están basadas en el sistema GPS (el fundamento del resto de sistemas es similar) El funcionamiento de un Sistema de Navegación por Satélite involucra los distintos segmentos vistos anteriormente, de tal manera que se relacionan entre sí: Segmento espacial: envía la señal que se recibe en los segmentos de control y usuario. Segmento de control: recibe la señal del segmento de espacio, monitoriza y actualiza información enviando correcciones a los satélites si es preciso. Segmento de usuario: recibe información procedente del segmento espacial y calcula su posición.

19 Cómo se calcula la posición? Constitución del sistema GPS Observables GPS El cálculo de la posición depende básicamente de dos parámetros que son la posición del satélite y el reloj del mismo. Dicha información es recogida en la señal enviada por el satélite hasta el receptor, siendo el proceso de cálculo el siguiente: 1 La situación de los satélites es conocida por el receptor con base en las efemérides, parámetros que son transmitidos por los propios satélites.

20 Cómo se calcula la posición? Constitución del sistema GPS Observables GPS 1 La situación de los satélites es conocida por el receptor con base en las efemérides, parámetros que son transmitidos por los propios satélites. 2 El receptor GNSS mide su distancia de los satélites, y usa esa información para calcular su posición. Esta distancia se mide calculando el tiempo que la señal tarda en llegar al receptor.

21 Cómo se calcula la posición? Constitución del sistema GPS Observables GPS 1 La situación de los satélites es conocida por el receptor con base en las efemérides, parámetros que son transmitidos por los propios satélites. 2 El receptor GNSS mide su distancia de los satélites, y usa esa información para calcular su posición. Esta distancia se mide calculando el tiempo que la señal tarda en llegar al receptor. 3 Cada satélite indica que el receptor se encuentra en un punto en la superficie de la esfera con centro en el propio satélite y de radio la distancia total hasta el receptor.

22 Cómo se calcula la posición? 1 La situación de los satélites es conocida por el receptor con base en las efemérides, parámetros que son transmitidos por los propios satélites. 2 El receptor GNSS mide su distancia de los satélites, y usa esa información para calcular su posición. Esta distancia se mide calculando el tiempo que la señal tarda en llegar al receptor. 3 Cada satélite indica que el receptor se encuentra en un punto en la superficie de la esfera con centro en el propio satélite y de radio la distancia total hasta el receptor. 4 Son necesarios al menos cuatro satélites para obtener la posición, con tres satélites somos capaces de calcular la posición en tres dimensiones. Constitución del sistema GPS Observables GPS

23 Constitución del sistema GPS Observables GPS Si los relojes de los satélites no están sincronizados con el reloj del receptor, se comete cierto error en la medida del tiempo, y las tres esferas no intersectarán en un punto. Los relojes de los receptores no miden el tiempo tan preciso como los relojes atómicos de los satélites.

24 Características de la señal Constitución del sistema GPS Observables GPS La señal GPS consta de dos portadoras en la banda L: La portadora L1 en la frecuencia 1575,4 Mhz. La portadora L2 en la frecuencia 1227,6 Mhz. Cada portadora se obtiene como un múltiplo de la frecuencia fundamental f 0 = 10, 23 Mhz. Son señales de amplio espectro para asegurar las comunicaciones.

25 Medición en código Introducción. Descripción del Sistema GPS Constitución del sistema GPS Observables GPS Un código es un sistema para representar información y transmitirla. El código se usa junto con las reglas que lo definen para transmitir información. La mayoría de los códigos son binarios (0 y 1). La señal emite tres códigos: un código C/A, un código P y el mensaje de navegación. Modo de trabajo Compara el código generado por el receptor y el generado por el satélite. Se mide la retraso en la llegada de la señal. Precision En modo absoluto 3 m y 15 m. En modo relativo < 1 m.

26 Mensaje de navegación Constitución del sistema GPS Observables GPS Contiene los datos que necesita recibir el usuario para llevar a cabo los cálculos y operaciones necesarias para la navegación. Información y corrección del reloj. Estado de los satélites. Efemérides del satélite. Correcciones a la señal por retardos atmosféricos. Almanaque de toda la constelación. Se mide la retraso en la llegada de la señal.

27 Medición en fase Introducción. Descripción del Sistema GPS Constitución del sistema GPS Observables GPS Se mide el desfase φ entre la señal recibida desde el satélite y la generada por el receptor. Es necesario determinar las ambigüedades. (Número entero de longitudes de onda). Precisión en relativo cm.

28 Pseudodistancia Introducción. Descripción del Sistema GPS Constitución del sistema GPS Observables GPS

29 Fase de la portadora Introducción. Descripción del Sistema GPS Constitución del sistema GPS Observables GPS

30 Posicionamiento Absoluto por Código Posicionamiento Relativos de Código y Fase Formas de determinar mi posición: Posicionamiento Absoluto Se calcula la posición a partir de la triangulación de 4 satélites Posicionamiento Relativo Se calcula la posición de un receptor móvil a partir de la posición de un fijo de coordenadas ya conocidas.

31 Posicionamiento Absoluto por Código Posicionamiento Relativos de Código y Fase Tipos de Posicionamiento:

32 Posicionamiento Absoluto por Código Posicionamiento Relativos de Código y Fase Características Con un único receptor. Observables: suelen ser los códigos, pero también se podrían utilizar las diferencias de fase o ambas. Los receptores utilizados son pequeños, portátiles. Consiste en la solución de una intersección de todas las distancias satélite-receptor sobre la estación en un período de observación. Precisión:de 15 a 100 metros. Aplicaciones: Excursionistas Barcos en alta Mar.

33 Posicionamiento Absoluto por Código Posicionamiento Relativos de Código y Fase Características Con un único receptor. Observables: suelen ser los códigos, pero también se podrían utilizar las diferencias de fase o ambas. Los receptores utilizados son pequeños, portátiles. Consiste en la solución de una intersección de todas las distancias satélite-receptor sobre la estación en un período de observación. Precisión:de 15 a 100 metros. Aplicaciones: Excursionistas Barcos en alta Mar.

34 RTK Real Time Kinematic (Tiempo Real) Posicionamiento Absoluto por Código Posicionamiento Relativos de Código y Fase Características Una estación de referencia fija que rastrea de modo continuo con capacidad de resolver las ambigüedades en tiempo real. El otro receptor en una plataforma móvil. Ambos están enlazados mediante un radio módem. El segundo receptor obtiene su posición en tiempo real. Gran precisión: 1-2 cm ± 1ppm. Aplicaciones Replanteos. Levantamiento de perfiles. Levantamiento de carreteras, fronteras. Modelos digitales de terreno.

35 RTK Real Time Kinematic (Tiempo Real) Posicionamiento Absoluto por Código Posicionamiento Relativos de Código y Fase Características Una estación de referencia fija que rastrea de modo continuo con capacidad de resolver las ambigüedades en tiempo real. El otro receptor en una plataforma móvil. Ambos están enlazados mediante un radio módem. El segundo receptor obtiene su posición en tiempo real. Gran precisión: 1-2 cm ± 1ppm. Aplicaciones Replanteos. Levantamiento de perfiles. Levantamiento de carreteras, fronteras. Modelos digitales de terreno.

36 Estático (Post-Proceso) Posicionamiento Absoluto por Código Posicionamiento Relativos de Código y Fase Este modo de posicionamiento consiste en el estacionamiento de receptores que no varían su posición durante la etapa de observación. Características Método clásico para agrandes distancias. Gran precisión: 5mm ± 1ppm. Precisión de milímetro en líneas cortas. Tiempo de observación largos (proporcional a la longitud de la línea. Aplicaciones Control geodésico. Redes nacionales y continentales. Control de movimientos tectónicos. Control de deformación en estructuras.

37 Estático (Post-Proceso) Posicionamiento Absoluto por Código Posicionamiento Relativos de Código y Fase Este modo de posicionamiento consiste en el estacionamiento de receptores que no varían su posición durante la etapa de observación. Características Método clásico para agrandes distancias. Gran precisión: 5mm ± 1ppm. Precisión de milímetro en líneas cortas. Tiempo de observación largos (proporcional a la longitud de la línea. Aplicaciones Control geodésico. Redes nacionales y continentales. Control de movimientos tectónicos. Control de deformación en estructuras.

38 Cinemático (Post-Proceso) Posicionamiento Absoluto por Código Posicionamiento Relativos de Código y Fase Características Una estación de referencia fija que rastrea de modo continuo. El otro receptor en una plataforma móvil. Mediciones en intervalos preselaccionados: 1seg. 2seg. Precisión: 1 a 2 cm ± 1ppm. Debe mantenerse el contacto con 4 satélites. Aplicaciones Levantamiento de ejes de carreteras. Batimetría. Determinación de la trayectoria de objetos en movimiento.

39 Cinemático (Post-Proceso) Posicionamiento Absoluto por Código Posicionamiento Relativos de Código y Fase Características Una estación de referencia fija que rastrea de modo continuo. El otro receptor en una plataforma móvil. Mediciones en intervalos preselaccionados: 1seg. 2seg. Precisión: 1 a 2 cm ± 1ppm. Debe mantenerse el contacto con 4 satélites. Aplicaciones Levantamiento de ejes de carreteras. Batimetría. Determinación de la trayectoria de objetos en movimiento.

40 Stop & Go (Post-Proceso) Posicionamiento Absoluto por Código Posicionamiento Relativos de Código y Fase Aplicaciones Características Una estación de referencia fija que rastrea de modo continuo. Receptor móvil en un jalón. Parar sólo 2 ó 3 épocas en los demás puntos Precisión: 1 a 2 cm ± 1ppm. Resolver una ambigüedad inicial en post-proceso Debe mantenerse el contacto con 4 satélites. Levantamientos taquimétricos en general, determinación de superficies y parcelaciones, control y evolución de fenómenos y obras, modelos digitales de terreno, obtención de perfiles transversales.

41 Stop & Go (Post-Proceso) Posicionamiento Absoluto por Código Posicionamiento Relativos de Código y Fase Aplicaciones Características Una estación de referencia fija que rastrea de modo continuo. Receptor móvil en un jalón. Parar sólo 2 ó 3 épocas en los demás puntos Precisión: 1 a 2 cm ± 1ppm. Resolver una ambigüedad inicial en post-proceso Debe mantenerse el contacto con 4 satélites. Levantamientos taquimétricos en general, determinación de superficies y parcelaciones, control y evolución de fenómenos y obras, modelos digitales de terreno, obtención de perfiles transversales.

42 Precisión del sistemas Principales Errores La precisión alcanzada dependerá del tipo de receptor que se utilice y del campo de estudio. Los receptores conocidos como geodésicos alcanzan precisiones del orden del cm en la determinación de la posición. Los receptores de navegación tienen una precisión 5-30 metros.

43 Precisión del sistemas Principales Errores

44 Precisión del sistemas Principales Errores

45 Precisión del sistemas Principales Errores Profesores: Alberto Sánchez Alejandro Pérez Bismarck Jigena Juan A. Fernández Raúl Páez Coordinador: Manuel Berrocoso