SERVICIO DE EXTENSIÓN DE POSICIONAMIENTO RTK TRIMBLE XFILL

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1 SERVICIO DE EXTENSIÓN DE POSICIONAMIENTO RTK TRIMBLE XFILL HOJA DE INFORMACIÓN TÉCNICA TRIMBLE SURVEY DIVISION WESTMINSTER, COLORADO, EE.UU. Septiembre de 2012 RESUMEN Trimble xfill es un nuevo servicio que extiende el posicionamiento RTK durante varios minutos cuando no está disponible el flujo de correcciones RTK. Las correcciones de Trimble xfill se transmiten por satélite, por lo que generalmente están disponibles en las zonas dentro de cobertura siempre que haya constelaciones GNSS visibles. Los topógrafos con acceso al servicio Trimble xfill se beneficiarán de una productividad de campo mejorada. En este documento se describen Trimble xfill y sus aplicaciones prácticas. Survey Division, Westmoor Drive, Suite #100, Westminster, CO 80021, Estados Unidos 2012, Trimble Navigation Limited. Reservados todos los derechos. Trimble y el logo del mapamundi y el triángulo son marcas comerciales de Trimble Navigation Limited, registradas en los Estados Unidos y en otros países. Todas las otras marcas comerciales son propiedad de sus respectivos titulares. NP ESP (10/12)

2 INTRODUCCIÓN En esta hoja de información técnica se describe el nuevo servicio de extensión de posicionamiento RTK Trimble xfill y se examinan los distintos aspectos de esta potente mejora en la medición RTK que aumenta tan significativamente la productividad en el campo. Durante los períodos en que se pierde el enlace radial con el flujo de correcciones provenientes de una estación base convencional simple o una red RTK de estaciones de referencia virtuales (VRS), Trimble xfill ofrece una tecnología que permite continuar midiendo puntos durante breves períodos con precisiones de nivel topográfico. De esta manera, no solo se elimina la ausencia de posicionamiento sino que además se posibilita la entrada breve en una zona sin señal de radio de referencia pero visible a las constelaciones GNSS. Para lograr posicionamiento centimétrico con las señales GNSS, Trimble xfill proporciona un flujo de correcciones especializado emitido por satélites de banda L, que se genera usando tecnología Trimble Real time extended (RTX). Por lo tanto, en este documento se va a ofrecer una visión general de la tecnología Trimble RTX antes de centrarnos en los detalles particulares de Trimble xfill. TECNOLOGÍA TRIMBLE RTX La tecnología de posicionamiento RTX recientemente desarrollada por Trimble, combina una variedad de técnicas innovadoras que ofrecen a los usuarios posicionamiento centimétrico en tiempo real en cualquier lugar de (o próximo a) la superficie terrestre. Este nuevo método de posicionamiento se basa en la generación y envío de correcciones satelitales precisas (órbita, relojes, y sesgo del sistema) a escala global mediante enlaces de satélites de banda L o por Internet. La infraestructura general del sistema puede verse en el organigrama esquemático de la Figura

3 Figura 1. Infraestructura de tecnología de posicionamiento Trimble RTX Los datos de las estaciones de monitoreo distribuidas por todo el globo son registrados y transmitidos por Internet a los centros de operación. Estos (rodeados de un cuadro de guiones rojos en la Figura 1) son redundantes a fin de asegurar una disponibilidad de datos del sistema muy alta (~100%). Si hay un requerimiento operacional, la fuente del flujo de correcciones puede conmutar automáticamente entre los centros de operación redundantes y/o los servidores de los centros de procesamiento. Dentro de los centros de operación, se usan servidores de comunicación redundantes para transmitir los datos de observación de la red a los servidores de procesamiento de datos. Estos servidores acogen los procesadores de red los cuales generan datos de órbitas, relojes de satélite y modelos precisos que corrigen los errores de las observaciones, y que tienen validez en cualquier ubicación del mundo. Los datos precisos de los satélites generados por los procesadores de red son comprimidos en mensajes compatibles con el formato CMRx (desarrollado específicamente para la transmisión de información satelital que sea compatible con el posicionamiento RTK), Trimble RTX, y Trimble xfill. Los mensajes entonces se enrutan a cualquiera de las estaciones de enlace de subida al satélite, o se ponen a disposición de los usuarios en Internet (por ejemplo, mediante teléfonos celulares GPRS). La red de estaciones de monitoreo Trimble RTX comprende actualmente unas 100 estaciones distribuidas por todo el mundo, tal como se muestra en la Figura

4 Figura 2. Distribución de la red de estaciones de monitoreo de Trimble RTX TRIMBLE XFILL: EL CONCEPTO La introducción de la tecnología Trimble xfill permite a los receptores Trimble R10 (que realizan operaciones de medición RTK con una estación base o con un sistema VRS) beneficiarse de las características fundamentales de la tecnología Trimble RTX. En la actualidad la mayoría de los sistemas RTK dependen de las comunicaciones por radio o por teléfono celular (a través de Internet) para recibir correcciones de una estación de referencia. En este caso, la estación de referencia puede tratarse de una única estación física con la que estén familiarizados los topógrafos GNSS, por ejemplo una línea base RTK simple tradicional, o puede ser una estación virtual VRS, que genera datos derivados de una red de receptores. Aunque el espaciamiento entre nodos de red suele ser de 40 a 70 kilómetros, los datos VRS "parecen" originarse a partir de una posición virtual establecida cercana al receptor móvil en el momento en que se inicia la medición. En la Figura 3 se ilustran estos dos tipos de flujos de correcciones RTK. 4

5 Figura 3. Fuentes de corrección posibles para la mayoría de los sistemas RTK: una única estación de referencia física o la estación virtual VRS La tecnología Trimble xfill ayuda a los sistemas RTK estándares en el evento de que se pierda la conexión con las fuentes de corrección principales: la estación de referencia o un flujo de correcciones VRS. En la Figura 4 se muestra un caso típico de pérdida de conexión radial, que ilustra la obstrucción de las señales de radio a causa de un edificio. La pérdida de recepción de las señales ocurre en las ubicaciones de los receptores móviles donde el edificio se encuentra entre el usuario y el transmisor de radio de la estación de referencia, lo que bloquea la señal con efectividad y suspende el posicionamiento RTK. Puede ocurrir lo mismo cuando el usuario VRS se traslada a una zona donde hay un edificio alto o colinas que bloquean la comunicación con la torre de telefonía celular activa. 5

6 Figura 4. RTK Pérdida de recepción de las señales a causa de un edificio que obstaculiza las señales de radio RTK Actualmente la tecnología Trimble RTX potencia los servicios de posicionamiento autónomos independientes para diversas aplicaciones que no son de topografía. Trimble xfill, que es una característica estándar del Trimble R10, no es un servicio de posicionamiento independiente sino que, a diferencia de este, usa la infraestructura RTX para extender los métodos de medición estándares RTK y VRS. En la Figura 5 se puede ver la multitud de flujos de correcciones GNSS disponibles en este momento para los usuarios de Trimble RTK con la introducción de la tecnología Trimble xfill. 6

7 Figura 5. Hay una multitud de flujos de correcciones GNSS para los usuarios Trimble RTK con tecnología Trimble xfill En las zonas con cobertura satelital Trimble RTX, el receptor Trimble R10 con Trimble xfill opera con la entrada simultánea de correcciones de una estación base, flujos de correcciones VRS y flujos de datos RTX. En el evento de que se pierdan las correcciones, como el caso ilustrado en la Figura 4; las correcciones Trimble RTX proporcionarán un mecanismo para mantener el posicionamiento RTK de alta precisión basándose simplemente en las observables GNSS del receptor móvil. Esto "rellena el vacío" causado por la pérdida del flujo de correcciones principales (de ahí el nombre de la característica: "xfill"). En la Figura 6 se ilustra el comportamiento previsto de un receptor Trimble R10 en este mismo escenario. 7

8 Figura 6. Comportamiento previsto del receptor R10 usando tecnología Trimble xfill Como las correcciones Trimble RTX son transmitidas por un enlace independiente (señales de satélites de banda L en lugar de la radio de la estación base), generalmente están disponibles cuando faltan las correcciones de la estación base. Las señales de las radios terrestres a menudo son bloqueadas, dejando una buena vista de los satélites GNSS y de las señales de los satélites de banda L Trimble xfill. Las capacidades multi GNSS del Trimble R10 mejoran aún más la posibilidad de rastrear suficientes satélites para la operación Trimble xfill en entornos con sombra. El receptor puede proporcionar posiciones RTK de forma continua mientras atraviesa la zona de sombra radial. El receptor móvil recibe continuamente la señal Trimble RTX siempre que mantenga una visual con el satélite de banda L. Por ello, la señal está disponible para mantener el procesamiento de datos RTK ininterrumpidamente. En resumen, la tecnología Trimble xfill permite a los topógrafos que usan el Trimble R10 extender radicalmente su productividad en zonas donde la recepción de las señales de corrección principales sea mala. Esto se hace maximizando la disponibilidad del sistema cuando la señal Trimble RTX está disponible. 8

9 CÓMO FUNCIONA? Para entender cómo funciona Trimble xfill, sería útil revisar los principios de RTK diferencial, es decir, los sistemas de estación base tradicional y estación virtual VRS. Al combinar los datos de la estación de referencia con los datos GNSS del receptor móvil durante el procesamiento GNSS, se supone que los errores observados en ambos extremos de un vector son muy parecidos. Estos errores comunes están en función de los errores del reloj, del satélite, los errores de la órbita del satélite, los efectos de la atmósfera y los sesgos de la medición. Y como estos errores son bastante uniformes entre el móvil y la estación de referencia, al combinar ambos conjuntos de mediciones se eliminan en su mayoría. Los errores residuales resultantes generalmente son tan pequeños que permiten un posicionamiento con precisión relativa a nivel centimétrico, tal como se ilustra en la Figura 7. Figura 7. Modelado del error RTK diferencial con una estación base o con VRS La tecnología Trimble xfill es capaz de generar posiciones RTK con niveles de precisión parecidos a los de la medición RTK diferencial tradicional ya que aborda la misma fuente de errores pero lo hace de una forma o enfoque muy diferente. Esto se debe a que los datos del receptor móvil solo están disponibles una vez que se suspende el enlace de radio. Los errores del reloj del satélite, de la órbita y los sesgos de medición que elimina el procesamiento RTK diferencial estándar son de hecho modelados y transmitidos como parte del flujo de correcciones de Trimble RTX. Estos errores residuales se convierten en cantidades conocidas que pueden ser adecuadamente tenidas en cuenta al procesar las medidas del receptor móvil. Los errores atmosféricos se resuelven con algoritmos específicamente desarrollados para el sistema Trimble RTX, reduciendo cualquier efecto residual a un nivel aceptable para las aplicaciones de posicionamiento GNSS de alta precisión. Como resultado, en total, el procesamiento de datos Trimble RTX proporciona un modelo de los errores residuales de las observaciones satelitales comparable al obtenido con la medición RTK diferencial, tal como se ilustra en la Figura 8. Aunque las diversas fuentes de errores son modeladas en lugar de ser canceladas con respecto a errores similares sufridos por el receptor de referencia, la calidad provista por los algoritmos del procesador Trimble RTX (mostrados en la Figura 1) es tan alta, que la precisión final de las posiciones xfill es sistemática con la obtenida por procesamiento RTK diferencial tradicional. 9

10 Figura 8. Modelado del error con Trimble RTX El flujo de correcciones satelitales de banda L Trimble RTX genera correcciones de tan alta calidad que el enfoque del modelado de errores es proporcional a la medición RTK diferencial tradicional. Por ello, es posible usar Trimble xfill para apoyar la operación RTK durante el período de pérdida de datos de la estación de referencia sin comprometer los niveles de precisión requeridos en las aplicaciones de medición, tal como puede verse en la Figura 9. Figura 9. Pérdida de datos de referencia con Trimble xfill Los errores residuales finales son causados principalmente por los efectos locales en el receptor móvil, tales como los errores por multi trayectoria. Estos efectos son comunes entre las diferentes fuentes de correcciones. 10

11 ASPECTOS DEL RENDIMIENTO Uno de los beneficios más importantes de Trimble xfill es que está disponible de manera instantánea en cuanto se pierde la señal RTK. No hay demora a causa de, por ejemplo, una corta convergencia de fase parecida a la que ocurre al iniciarse RTK por primera vez. Trimble xfill está disponible para apoyar la medición RTK en el instante en que se pierde el flujo de correcciones principal, rellenando así ininterrumpidamente los vacíos que hubieran ocurrido de no estar disponible. Trimble xfill está disponible tan pronto como la primera posición RTK regular sea notificada al iniciar la medición. Los distintos usuarios de RTK operan con marcos de referencia (sistemas de coordenadas) diferentes. Aunque todos los cálculos y generación del flujo de correcciones en Trimble RTX están basados en el Marco de Referencia Terrestre Internacional de 2008 (ITRF08), el procesamiento de Trimble xfill proporciona coordenadas que están en el mismo marco de referencia que la solución RTK que está siendo apoyada, ya se derivan de una estación base o de un sistema VRS. No obstante, para garantizar el mejor rendimiento, debe elegirse un marco de referencia RTK cercano al ITRF08 (o WGS84). Para información adicional consulte la hoja de datos técnicos del sistema Trimble R10. En lo que respecta al rendimiento de precisión, Trimble xfill puede generar resultados de posicionamiento con una precisión horizontal prevista de RTK + 10 mm/minuto a nivel de Distancia RMS (DRMS). (Véase la Tabla 1. Características de Trimble xfill más adelante en esta hoja de información técnica.) El rendimiento real dependerá de la visibilidad de satélites, la geometría y los errores por multi trayectoria del receptor móvil. Una vez activada la tecnología Trimble xfill, el crecimiento de errores es lento y principalmente de comportamiento lineal y estará representado por un aumento de las precisiones notificadas. Por ello, no se necesita un procedimiento de campo especial. Si la fuente de correcciones principales no puede restablecerse (estación base o VRS), cuando la precisión exceda la tolerancia especificada por el usuario para el modo de medición requerido (por ejemplo, cinemática continua, topo o punto de control), se dejarán de guardar puntos automáticamente. En cuanto la fuente de correcciones se reanude, incluso por un segundo, las precisiones se restablecerán efectivamente al nivel notificado antes de cambiar a Trimble xfill (dependiendo de los cambios de visibilidad de satélites). Incluso la recepción de radio muy esporádica puede tener poco impacto en las precisiones RTK notificadas. Puede haber dificultades, pero solo en los períodos más largos de pérdida de conexión. En la actualidad, el Trimble R10 continuará proporcionando posicionamiento Trimble xfill durante 5 minutos tras la pérdida de conexión RTK. El rendimiento óptimo requiere también un rastreo continuo de las señales GNSS, lo que puede no ser posible cuando las señales sean bloqueadas al mismo tiempo que la transmisión de correcciones principales. Esto puede ocurrir, por ejemplo, al operar el equipo muy cerca de edificios. Siempre se agregan nuevos satélites a la solución de posiciones de Trimble xfill, y los que experimentan interrupciones de rastreo y saltos de ciclo vuelven a ser introducidos en la solución. Sin embargo, la pérdida temporal de señales GNSS puede empeorar la precisión si se debilita la geometría de los satélites. Esto se conoce generalmente como un aumento de la Dilución de Precisión de Posición (PDOP), y afecta a todos los métodos de posicionamiento GNSS (no es específico a Trimble xfill). 11

12 Cuando el número de satélites rastreados sea inferior a cuatro, la solución Trimble xfill se interrumpirá hasta que se restablezca el enlace de radio y puedan verse cinco satélites. (El número puede depender de la combinación de satélites GNSS rastreados cuando haya menos de cinco satélites GPS disponibles.) Esto es parecido a la medición RTK estándar, que requiere un mínimo de cuatro satélites. Sin embargo, el motor de procesamiento de Trimble HD GNSS integrado en el sistema Trimble R10 asegurará una convergencia rápida que permita conseguir posiciones con precisión de nivel topográfico una vez que haya cinco satélites visibles. Los gráficos de errores de posición en las Figuras 10 y 11 muestran el comportamiento real obtenido durante un ensayo con Trimble xfill realizado en la etapa de desarrollo. Cada gráfico contiene exactamente 5 minutos de posicionamiento VRS seguido de 5 minutos de xfill habiendo desconectado el flujo de correcciones principal. En estos ejemplos puede observarse la deriva gradual de la posición tan característica de xfill acompañada por un aumento de las precisiones informadas. Obsérvese que la versión actual del firmware del receptor R10 limita la duración de xfill a 5 minutos para adaptarse a los umbrales de precisión de medición típicos usados con Trimble Access en una variedad de entornos de campo. Figura 10. Ejemplo de error de posicionamiento horizontal durante la extensión de medición RTK con Trimble xfill 12

13 Figura 11. Ejemplo de error de posicionamiento vertical durante la extensión de medición RTK con Trimble xfill 13

14 USO DE TRIMBLE XFILL CON TRIMBLE ACCESS Y TRIMBLE BUSINESS CENTER Trimble xfill se aplica a las mediciones RTK realizadas con un receptor Trimble R10 y el software de campo Trimble Access. Cuando se pierde el flujo de correcciones RTK, Trimble Access conmuta automáticamente de RTK a Trimble xfill. El usuario observa una transición inmediata e ininterrumpida. Cuando la tecnología Trimble xfill está activada, Trimble Access muestra "xfill" en la barra de estado junto con las precisiones estimadas, tal como se muestra en la Figura 12. Figura 12. Trimble Access muestra "xfill" cuando Trimble xfill está activada La medición de puntos está disponible hasta que los valores de precisión exceden las tolerancias definidas por el usuario. Una vez que las precisiones exceden estos valores, Trimble Access deja de visualizar una marca de verificación verde y pasa a visualizar una "x" roja, lo que indica que la medición de puntos ha dejado de estar disponible. En ese momento, el usuario necesita restablecer el flujo de correcciones RTK para poder seguir midiendo. Trimble Access guarda las observaciones de Trimble xfill como vectores RTK. Los usuarios pueden entonces importar estas observaciones al software de oficina Trimble Business Center tal como se muestra en la Figura 13, donde se pueden ajustar los puntos de Trimble xfill con relación a la estación base o red RTK junto con los otros puntos RTK. 14

15 Figura 13. Observaciones de Trimble xfill en el software de oficina Trimble Business Center CONCLUSIÓN Trimble xfill es una nueva tecnología desarrollada por Trimble que permite a los usuarios de sistemas RTK beneficiarse del servicio satelital de banda L Trimble RTX. Los métodos tradicionales usados por el procesamiento RTK diferencial son mejorados con un modelado avanzado y un cálculo de los errores GNSS fundamentales, tales como cambios en la órbita del satélite, sesgo del reloj, y errores del sistema. Disponible por primera vez en el receptor Trimble R10, la tecnología Trimble xfill puede superar firmemente los períodos de pérdida de conexión a Internet o enlace radial, que constituyen la causa principal de la reducción de correcciones RTK. Se proporciona un posicionamiento continuo a la vez que se mantiene la precisión de nivel topográfico durante muchos minutos. No hay demoras cuando Trimble xfill se activa automáticamente. Se posibilitan los períodos de extensión de medición Trimble xfill para aplicaciones menos exigentes. La recepción de radio esporádica que puede ocurrir en muchos entornos de campo ya no afectará el flujo de trabajo en el campo resultando en un menor tiempo de inactividad y una máxima productividad. Las características de Trimble xfill se resumen en la Tabla

16 Tabla 1. Características de Trimble xfill Características de Trimble xfill Tiempo de operación de la fuente de correcciones RTK principal (una estación base, VRS) antes de que se active Trimble xfill Tiempo de convergencia una vez que se activa Trimble xfill Tiempo de pérdida de conexión máximo (de la fuente de correcciones principales ) Precisión horizontal típica 1 Precisión vertical típica 1 Una única medida con la precisión requerida Cero 5 minutos RTK mm/minuto RMS RTK mm/minuto RMS Marco de referencia El mismo que la fuente de correcciones RTK principal Notas acerca de la tabla: 1. Los valores de precisión dependen de la disponibilidad de satélites GNSS. El posicionamiento xfill termina cuando la radio ha estado inactiva durante 5 minutos. 2. RTK se refiere a la última precisión obtenida antes de la pérdida de la fuente de corrección e inicio de xfill. 16