FUNDAMENTOS DEL GPS Y APLICACIONES CON NAVEGADORES Julio Hernández Blanco

Transcripción

1 Índice del tema Tema 14: Sistemas de posicionamiento global Introducción Constituyentes del sistema GPS El segmento espacial El segmento de control El segmento de usuario Fundamento del sistema GPS Constelación Navstar y sistema Galileo.

2 Métodos de operacionales de satélites y receptores Fuentes de error en el sistema Precisión del GPS Aplicaciones de los GPS Topográficas Ingeniería agroforestal Ingeniería civil Navegación Principales aplicaciones agronómicas y forestales

3 INTRODUCCIÓN

4 Antecedentes remotos del sistema GPS En 1957 se inicia la carrera espacial con el lanzamiento del Sputnik Sistema TRANSIT: Inicio en satélites No se podía utilizar en aviones

5 Algunas fechas importantes Sistema de referencia cartesiano: GPS-NAVSTAR: WGS-84 GLONASS: PZ inicio del sistema GPS-NAVSTAR (Navigation System Time And Ranging-Global Position System) por el Departamento de defensa de los EEUU 1978 lanzamiento de los primeros 4 primeros satélites

6 Concepto del sistema GPS Permite posicionar un objeto en la superficie de la Tierra a través de las señales emitidas en forma de ondas de radio por los satélites Se determina la posición con una precisión en función del tipo de información recibida, tiempo de recepción y condiciones de la emisión. Constelación GPS-NAVSTAR: conjunto de satélites que mandan las señales de los GPS.

7 FUNDAMENTOS DEL GPS Y APLICACIONES CON NAVEGADORES Constelación GPS-NAVSTAR

8 Otros sistemas de posicionamiento Sistema Galileo Sistema soviético-ruso GLONASS Sistemas RDSS: se radiodetermina la posición de los usuarios mediante un canal bidireccional que comunica estación y receptor Utilizan satélites geoestacionarios: siempre están situados sobre el mismo punto de la superficie terrestre Lo explotan compañías privadas

9 La universalización del sistema GPS A principio de los 80 se empiezan a usar para aplicaciones civiles Es un sistema de los más usados y CON MAYORES PERSPECTIVAS DE FUTURO Su utilización como navegadores en los coches es un pequeño botón de muestra La revolución de la agricultura de precisión

10 FUNDAMENTO DEL SISTEMA GPS

11 Definición El NAVSTAR-GPS es un sistema de navegación por satélite diseñado para proporcionar la posición, velocidad y tiempo de forma instantánea en la mayor parte de la superficie terrestre a cualquier hora y bajo cualesquiera condiciones atmosféricas. El sistema se basa en medir la distancia que nos separa de los satélites

12 Base del sistema (I) La base de todo el sistema es una medición exhaustiva de la distancia que nos separa de los satélites. La explicación es sencilla: si sabemos que nos encontramos a Km. de un satélite determinado, está claro que estaremos situados dentro de la superficie de la esfera que, con centro en el satélite, tiene un radio de Km.

13 Base del sistema (II) Si disponemos de las distancias a dos satélites, las posibilidades se reducen, y nos encontraremos dentro de la circunferencia de intersección entre las dos esferas que tienen centros en cada uno de los satélites y radio las distancias a cada uno de ellos respectivamente. Por último, si disponemos además de la distancia a un tercer satélite, nuestra posición estará determinada por la intersección de la tercera esfera con la circunferencia anterior (intersección de las dos primeras esferas).

14 Base del sistema (III) Intersecciones de esferas

15 Señales enviadas por los satélites

16 CONSTITUYENTES DEL SISTEMA GPS

17 Los 3 sectores constituyentes Sector espacial: los satélites Sector de control: estaciones de seguimiento en tierra de los satélites Sector de usuario: los receptores individuales

18 El sector espacial 27 satélites GPS-Navstar (24+3) Completa operatividad desde 1993 Nuevos lanzamientos para sustituir satélites averiados y renovar la constelación

19 El sector espacial

20 El sector espacial Los 24 satélites están distribuidos en 6 planos orbitales (cada uno de ellos con4 satélites en una órbita prácticamente circular, a Km. De altitud. Estos 6 planos están igualmente espaciados entre sí en 60º y forman un ángulo de unos 55º con el plano definido por el Ecuador. Esto permite que sobre el horizonte de cualquier lugar de la Tierra puedan verse simultáneamente entre 6 y 12 satélites.

21 El sector espacial Evolución del número de satélites GPS

22 El sector de control Está formado por cinco estaciones centrales de seguimiento que controlan los satélites En la central se calcula la posición, los estados de los relojes y la información que transmite cada uno de ellos Centros espaciados por el Globo Evolución a redes independientes por continentes

23 El sector de usuario El sector de usuario comprende los instrumentos utilizados para hallar coordenadas de un punto, hacer navegación o adquirir tiempo con precisión de oscilador atómico, usando las señales radiodifundidas desde los satélites NAVSTAR. El equipo esencial está formado por antena y receptor unidos mediante un cable o directamente

24 El sector de usuario

25 El sector de usuario

26 Constelación Navstar y sistema Galileo Paralelamente a la difusión mundial del sistema GPS- NAVSTAR, varios países europeos investigaban la posibilidad de un sistema de posicionamiento independiente de los norteamericanos. En la cumbre de Barcelona (2002), los jefes de estado y de gobierno de los países miembros de la UE decidieron la puesta en marcha del sistema de posicionamiento europeo denominado Galileo. Actualmente está en la fase de desarrollo de los satélites, no habiéndose lanzado todavía al espacio ninguno de los que formarán la futura constelación

27 MÉTODOS OPERACIONALES DE SATÉLITES Y RECEPTORES

28 Los métodos Método absoluto Método diferencial: Post proceso En tiempo real: Satélites geoestacionarios Sistemas basados en FM Estación base propia

29 El método absoluto El método de posicionamiento absoluto se basa en la obtención de los códigos de pseudodistancia: C/A (Course/Adquisition), también llamado S (Standard), y el código P (Precise). Estos códigos son generados por satélites y receptores de modo que se puede medir fácilmente la distancia entre los satélites captados y la antena del receptor. Las precisiones varían pero pueden ser de decenas de metros.

30 El método diferencial El método de posicionamiento diferencial es aquel en el que las posiciones absolutas obtenidas por un receptor móvil son corregidas por otro receptor fijo, estacionado en un punto de coordenadas de referencia. La corrección se puede realizar en post-proceso, una vez obtenidos los datos, o bien en tiempo real.

31 Corrección post-proceso Se recalculan las posiciones halladas corrigiendo los errores respecto a los datos obtenidos por el receptor fijo en un punto de coordenadas conocidas Barato Necesidad de una estación cercana Errores de 1-5 m. dependiendo del receptor y del sistema empleado

32 Satélites geoestacionarios Empresas privadas (Omnistar, Accqpoint, Racal) emplean satélites geoestacionarios para difundir las correcciones diferenciales. Las señales diferenciales GPS se envían desde una estación en tierra hasta un transpondedor situado en el satélite. Este método permite dar cobertura a zonas muy extensas. Por su propia naturaleza de gran cobertura es en la actualidad la mejor fuente de correcciones. Ofrece precisiones por debajo del metro, con un buen receptor GPS, y el error no es función de la distancia a la estación base, lo cual significa una importante ventaja sobre los otros sistemas. Además es insensible al multisenda.

33 Sistemas basados en FM Las correcciones diferenciales se emiten sobre la banda lateral de emisoras de FM Económico Radio 2 Problemas de cobertura

34 Estación base propia Cualquier usuario puede instalar su propia estación base y un sistema de radio que transmita la corrección en tiempo real. La principal ventaja de este sistema es que el propietario tiene completo control del sistema, aunque debe asumir el coste de puesta en marcha y mantenimiento de la estación. Existe error en función de la distancia.

35 Sistema bifrecuencia

36 Sistema bifrecuencia

37 FUENTES DE ERROR EN EL SISTEMA

38 Fuentes de error en el sistema Inestabilidad del reloj del satélite. Propagación anormal de la señal (velocidad de propagación no es constante). También recibe el nombre de retraso ionosférica y atmosférico. Efecto multipath o multisenda, que se produce cuando las señales no van directamente del satélite al receptor, sino que se desvían y sufren varios rebotes antes de alcanzar su objetivo.

39 Fuentes de error en el sistema Disponibilidad selectiva (SA). Interfiere con el SPS (estandar positioning service). Así no se obtienen precisiones mayores de 100m. Actualmente este error interferido por el DoD está eliminado en la mayoría de los receptores. El anti Spoofing (AS). El DoD puede convertir el código P, utilizado para el posicionamiento preciso (PPS) en código Y (P+W). de esta forma, en un determinado momento, puede restringirse por completo el acceso al código P, excepto determinados centros militares autorizados.

40 Fuentes de error en el sistema GDOP (Geometric Dilution Of Precision): depende de la geometría de los satélites en el momento del cálculo de la posición. No es lo mismo que los 4 satélites estén muy separados (mejor precisión) que los satélites estén más próximos (menor precisión).

41 FUNDAMENTOS DEL GPS Y APLICACIONES CON NAVEGADORES Fuentes de error en el sistema Mala GDOP Buena GDOP

42 FUNDAMENTOS DEL GPS Y APLICACIONES CON NAVEGADORES Fuentes de error en el sistema Buena GDOP - Mala visibilidad

43 Precisión del GPS La utilización del GPS con fines geodésicos ha pasado por gran cantidad de pruebas y experimentos para asegurar su precisión y efectividad. Se ha llegado a obtener errores de 10-6 D, esto es, de 1 cm. por kilómetro al volver a medir bases. Esta exactitud lo convierte en un método adecuado para el control de redes geodésicas, y dados los avances y su menor costo, para su utilización con fines topográficos convencionales.

44 Aplicaciones de los GPS Topográficas Geodesia Levantamientos Ingeniería agroforestal Caminos Agricultura de precisión Cartografía temática Regadío Ingeniería civil Carreteras y autopistas Navegación Tierra, mar y aire Orientación

45 Aplicaciones agronómicas Replanteos Ingeniería rural (obras, trazados de caminos, movimientos de tierra) AGRICULTURA DE PRECISIÓN

46 Agricultura de precisión Agricultura de precisión es el término utilizado para describir la meta del aumento de la eficiencia en la administración de la Agricultura. Es una tecnología en desarrollo que modifica las técnicas existentes e incorpora otras nuevas para producir un nuevo conjunto de herramientas a ser manejadas por el usuario.

47 Algunos conceptos GPS (Sistema de posicionamiento global) SIG, GIS (Sistema de Información Geográfica) MIS (Sistema de información de apoyo a las decisiones) VRA (Técnicas de tasa variable)

48 Tipos de variabilidad Variabilidad espacial: se ocupa de los cambios a lo largo del terreno de cultivo. Variabilidad temporal: muestra los cambios de un año a otro. Variabilidad predictiva: discrepancia entre los valores predichos y los actuales.

49 Agricultura tradicional vs Agricultura de precisión Agricultura Tradicional Aplicación de pesticidas Trata todo el campo de cultivo como una superficie uniforme con necesidades similares. Factor humano para decidir dónde aplicar los pesticidas. Aplicación de abonos La cantidad de abono a aplicar se determina por medio de la composición de diferentes muestras del terreno: al final requiere una aplicación uniforme de lo que se cree una buena estimación de la cantidad apropiada (se trata de una media). Mapas de rendimiento Sólo es posible sospechar que unas zonas producen más que otras; un estudio detallado supondría un elevado esfuerzo y muchas horas de trabajo. Decidir si una zona del terreno produce por encima de los costes es una labor arriesgada. Agricultura de Precisión Gracias al tratamiento de imágenes aéreas, junto con las técnicas de digitalización, GPS y GIS, puede elaborarse un mapa del terreno con diferentes zonas detalladas, pudiendo prescribir la cantidad exacta de pesticida a aplicar en cada zona, según sus necesidades. Empleo de GPS para indicar a los sensores dónde descargar los pesticidas, y en qué cantidad, gracias a los mapas previamente elaborados. Permite una aplicación específica según las necesidades de cada región, con dos métodos:?empleo de DGPS para dividir el terreno según una rejilla, con celdas de tamaño determinado por el usuario, posibilitando el acceso preciso a un punto concreto de cada celda, recoger una muestra y aplicar el abono estimado para cada celda.?empleo de fotografías aéreas. Éstas se digitalizan, georreferencian, y basándose en sus características se determina la cantidad de abono a aplicar en cada punto exacto del terreno. DGPS se encargará posteriormente de dar cada coordenada al vehículo de abono, as í como la cantidad a aplicar. Durante la cosecha, mediante la combinación de DGPS y sensores de grano, es posible recopilar los datos necesarios para elaborar un mapa preciso y detallado del rendimiento del cultivo. Las técnicas de variabilidad temporal junto con los mapas de rendimiento y los costes variables permiten tomar una decisión adecuada acerca de qué zonas sería mejor no cultivar, ya que producen gastos.

50 Aplicaciones forestales Incendios Inventario forestal Plagas y enfermedades

51 Gracias por su atención