Calibración de receptores de GPS para referencias de Tiempo y Frecuencia

Transcripción

1 Calibración de receptores de GPS para referencias de Tiempo y Frecuencia Raúl Fernando Solís Betancur CENAMEP AIP

2 Agenda HISTORIA DEL SISTEMA DE POSICIONAMIENTO GLOBAL CARACTERÍSTICAS IMPORTANTES APLICACIONES RECEPTORES TRAZABILIDAD CALIBRACIÓN REFERENCIAS

3 HISTORIA DEL SISTEMA DE POSICIONAMIENTO GLOBAL Desarrollado por el departamento de defensa de Estados Unidos. Desarrollado en base al sistema de guía del programa de misiles Trident (submarinos con misiles con carga nuclear). Trasformado en sistema de navegación con su primer prototipo lanzado en Acceso a servicios por civiles en Constelación con capacidad completa en Se desconecta la Disponibilidad Selectiva en Inicio de modernización de la constelación en 2005.

4 CARACTERÍSTICAS IMPORTANTES GPS es el acrónimo de Global Positioning System. Una red que posee nominalmente 24 satélites (realmente poseen 31 satélites en el espacio). Altura cerca de km de altitud con 6 órbitas con 55 grados de inclinación. Poseen relojes atómicos de rubidio y cesio de manera redundante. Compuesto por tres segmentos: espacio, control y usuario. Compuesto por dos bandas L de trabajo (L1 = MHz y L2 = MHz). Sus relojes atómicos son corregidos por efectos relativísticos de la gravedad (compensación fraccional de frecuencia de x10-10 ).

5 CARACTERÍSTICAS IMPORTANTES Para localización y corrección del reloj del receptor, se requiere poder observar 4 satélites. Es administrado y controlado por USNO (observatorio naval de Estados Unidos), el cual define UTC(USNO). El tiempo GPS es constantemente ajustado para que siga a UTC(USNO). Debido a la tecnología, no todos los satélites y receptores en tierra pueden darle seguimiento al UTC (diferencias de hasta 15 segundos en algunos casos). Como la posición de los satélites se conoce, los efectos del usuario son los que principalmente afecta encontrar su posición.

6 CARACTERÍSTICAS IMPORTANTES 70 GPS before and after SA Deactivation 10 minute averages of all satellites in view 50 nanoseconds MJD

7 APLICACIONES Militares. Civiles: Logística y Transporte. Telecomunicaciones. Servicios de emergencias. Localización. Geodesia. Tiempo y Frecuencia. Aplicaciones científicas. Estados Unidos invierte cerca de mil millones anuales en mantenimiento, pero el beneficio económico generado es de cerca de 70 mil millones.

8 APLICACIONES El GPS, desde el punto de vista civil, se puede agrupar en dos categorías de aplicaciones: Localización de un punto en un plano (2D) o en el espacio (3D) y su velocidad de desplazamiento. Transferencia de señales de Tiempo y Frecuencia. Los receptores GPS empleados para la transferencia de señales de tiempo y frecuencia son empleados como referencias en estructuras que requieran sintonizar y sincronizar sus sistemas con fuentes muy exactas. Metrología, telecomunicaciones, distribución de energía, estampado de tiempo, etc., son algunas de sus aplicaciones más demandantes.

9 RECEPTORES Los receptores GPS empleados como referencias en Tiempo y Frecuencia se pueden catalogar: Disciplinados: Emplean algoritmos de control y corrección que ajustan un oscilador local con la frecuencia y el tiempo de la constelación GPS. Transferencia de señales de Tiempo y Frecuencia. Este tipo de aplicación de GPS es la que hoy estudiaremos como poder calibrarla. Ambos casos se consideran como sistemas de una vía (One way). Constelación GPS Medio Usuario (Receptor)

10 RECEPTORES Los receptores disciplinados (GPSDO) emplean algoritmos para procesar las señales de los satélites para generar señales de referencia. Estos algoritmos combinan todos los satélites vistos y disciplinan un oscilador local (cuarzo o rubidio). Son afectados comúnmente por: Posicionamiento de la antena: en el espacio, la luz demora 3.34 ns en recorrer un metro, en el medio puede llegar hasta casi 5 ns. Vista de los satélites: Generan saltos en la continuidad de la frecuencia y variaciones en la duración del intervalo de tiempo Calibración de los cables y receptor GPS: afecta directamente la transferencia del intervalo de tiempo y las señales horarias.

11 RECEPTORES Si los satélites observados están muy cerca, la posibilidad de realizar correcciones es baja. Si los satélites están muy separados entre sí, la posibilidad de realizar las correcciones es elevada. Esto aplica también para los receptores de posicionamiento. Esto es conocido en ingles como Dilution of Presicion (DoP). Un buen posicionamiento, requiere un cielo despejado y con muchos satélites dispersos.

12 RECEPTORES Los GPSDO pueden generar señales mediante la corrección constante de un oscilador local.

13 RECEPTORES O pueden generar señales de referencia mediante la síntesis de estas señales.

14 RECEPTORES En ambos casos, los GPSDO emplean una sola frecuencia (regularmente L1) pero pueden ver múltiples satélites. A corto plazo, la estabilidad es asociada al oscilador local, y la estabilidad a mediano y largo plazo es asociada a GPS. Las señales que comúnmente genera son: Intervalo de tiempo: Conocidos como señales de 1 PPS, con una variación no mayor a un sigma de 100 ns con respecto a UTC(USNO). Frecuencia: Son salidas de señales de frecuencia de 5 MHz ó 10 MHz. En algunos casos dan señales de salida de 1544 MHz ó 2048 MHz para telecomunicaciones. Señal horaria: Dan el tiempo GPS (corregido localmente para estar cerca de UTC).

15 RECEPTORES Los receptores empleados para transferencia de tiempo, emplean un sistema de observación que adquiere la diferencia de tiempo local con cada satélite GPS visto en el tiempo determinado. La transferencia de tiempo ocurre cuando se puede comparar cada uno de los satélites vistos (vista común, common view) con el reloj bajo calibración, y el laboratorio de calibración con su propio sistema. Y también se puede estimar el promedio observado en un momento dado (todos en vista, all in view)

16 RECEPTORES Se tienen dos usuarios, A y B, y se realizan las observaciones del mismo satélite. Se registra cada una de las diferencias: Usuario A GPS Usuario B GPS Los datos son intercambiados y se realizan las operaciones de extracción de información: [(Usuario A GPS) (Usuario B GPS)] Errores comunes se cancelan Queda la diferencia de Usuario A Usuario B

17 RECEPTORES Este tipo de receptor es muy empleado para la comparación internacional que define el UTC y para calibrar relojes atómicos que no pueden moverse de donde están. Su única función es comparar las señal de intervalo de tiempo generada por los relojes atómicos en tierra y la señal de los relojes atómicos en los satélites. Es un receptor muy susceptible a errores en: Calibración de cables locales. Calibración del cable y de la antena GPS. Calibración del retraso interno del receptor GPS por banda. Posicionamiento de la antena.

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21 RECEPTORES No está de mas en mencionar los receptores GPS para posición. Estos pueden emplear características de los GPSDO (que comúnmente se emplean en sistemas de bajo costo) o los de transferencia de tiempo (que permiten un mejor posicionamiento y acceso a exactitud). El costo de los receptores GPS van desde un par de decenas de dólares hasta cerca de 2 millones de dólares (exclusivos para uso militar). Esto es debido al acceso de las bandas de frecuencia (L1 y L2) en las formas de Adquisición Aproximada (C/A) o código y de la portadora. Empleo de antenas especializadas (control multi recorrido, antenas tipo Choke ring, controladas termicamente, etc.)

22 RECEPTORES Fuente de Error Ionósfera (< 1000 km) Tropósfera (< 20 km) Errores típicos en un receptor común Error típico 1 5 m (una frecuencia, modelo de emisión) m Órbitas GPS Relojes en los GPS Multi-recorrido (entorno libre) Ruido del receptor 2.0 m (RMS) 2.0 m (RMS) m Código m Portadora m (RMS) código 1 2 mm (RMS) Portadora

23 TRAZABILIDAD A pesar de que la constelación GPS está constantemente corregida a UTC(USNO), esto no implica que tenga la constelación trazabilidad a UTC. La trazabilidad se logra a través de Institutos Nacionales de Metrología. Tanto como USNO como el sistema GPS no cumplen con lo indicado en la norma ISO para asegurar trazabilidad (USNO es un organismo miliar y GPS está en el espacio, si hay un problema a quien se le dirige el reclamo?). La trazabilidad de estos receptores se logra calibrando los receptores bajo lo estipulado en la norma ISO Y Qué se calibra en un receptor GPS?

24 CALIBRACIÓN La calibración de los GPSDO se dan tanto en su oscilador local como en el oscilador disciplinado a GPS y sus componentes más importantes: Magnitudes a calibrar: Intervalo de Tiempo y Frecuencia. Calibración con sistema enganchado a GPS y desenganchado (free running) de GPS. Calibración de los retrasos introducidos por el cable de la antena. La calibración de los receptores para transferencia de tiempo se da en su capacidad de adquirir las señales en las bandas observadas: Magnitudes a calibrar: Intervalo de Tiempo. Calibración con sistema enganchado a una referencia atómica local. Calibración de los retrasos introducidos por el cable de la antena.

25 CALIBRACIÓN Las referencias empleadas para calibrar los receptores son las siguientes: GPSDO: Se emplea una referencia atómica de cesio que realice el UTC de manera local. Receptor para transferencia de tiempo: Se emplea otro receptor de transferencia de tiempo calibrado para calibrar los retrasos del conjunto GPS en cada una de sus bandas (L1 y L2). Además se emplea un reloj de cesio que realice localmente el UTC para calibrar el retraso del sistema (diferencia de tiempo entre la entrada y la salida).

26 CALIBRACIÓN El tiempo empleado para calibrar los receptores son las siguientes: GPSDO: Se requiere un tiempo promedio para su calibración de cerca de 15 días. Receptor para transferencia de tiempo: se requiere un tiempo promedio para su calibración de 6 días. La duración del GPSDO se debe principalmente a la caracterización del oscilador local hasta un día (se requieren por lo menos 5 datos de un día) tanto en enganche como desenganche, como un tiempo de 5 días para estimar la estabilidad de la diferencia entre el tiempo del GPS y el UTC.

27 CALIBRACIÓN Para ambos casos, las principales fuentes de incertidumbre son: Posicionamiento de la antena. Cables empleados. Condiciones ambientales (tanto al interior del laboratorio como al exterior al laboratorio). Procesamiento del sistema. Coherencia de la señal de frecuencia. Patrón de referencia empleado. No todas las fuentes pueden eliminarse, pero se pueden controlar al incrementar el periodo de observación y la cantidad de datos empleados para realizar el análisis

28 CALIBRACIÓN Se realiza la calibración de la diferencia de tiempo entre el intervalo de tiempo generado por el receptor GPS y el UTC(k) que posee un instituto de metrología.

29 CALIBRACIÓN Se realiza la calibración del oscilador local tanto disciplinado a GPS como sin estar disciplinado. Esto es debido a que el receptor GPS tiene la posibilidad de trabajar de esta manera (empleando sus algoritmos de corrección).

30 CALIBRACIÓN Los receptores GPS empleados para transferencia de tiempo, se calibran realizando una comparación directa con otro receptor para transferencia de tiempo que haya sido calibrado y empleando la misma referencia atómica.

31 CALIBRACIÓN También debe estimarse su retraso al momento de procesar la comparación de la señal de 1 PPS de entrada con la de la salida del receptor.

32 CALIBRACIÓN Todo lo anterior también aplica a un receptor de posición, pero es un poco más difícil debido a lo que se busca calibrar: Posición en el plano (eje X y eje Y): Horizontal Datum. Altura (eje Z): Vertical Datum. Velocidad de adquisición (relacionado con la velocidad de desplazamiento). Y hay que conocer los modelos empleados para generar el geoide (ya que el planeta Tierra ni siquiera es cercano a redondo) : International Terrestrial Reference Frame (ITRF). World Geodetic System 84 (WGS84). Etc.

33 CALIBRACIÓN Hay Institutos Nacional de Metrología que han presentado sus propias soluciones para posicionamiento: Empleo de monolitos ubicados (X, Y, Z) y distribuidos en grandes distancias. Comparación directa con receptores que generan archivos en formato RINEX (Receiver INdependent EXchange). Para la determinación de velocidad emplean combinaciones en tierra: Comparación directa con velocímetros de vehículos calibrados. Comparación con radares de velocidad. Conteo del tiempo recorrido entre dos puntos conocidos. Para cualquier caso, solo el conocer todas las bandas y códigos GPS da acceso a mediciones sub milímetro y de precisión en velocidad. Pero los instrumentos en tierra son siempre mucho más exactos.

34 CONCLUSIONES Los receptores GPS han podido lograr sincronizar al mundo mediante el acceso de señales de alta exactitud, de manera muy barata. Los receptores GPSDO son excelentes alternativas para laboratorios de metrología en general que presten servicios de calibración de un alto nivel con el menor costo de inversión posible (comparado con un reloj atómico local). Deben ser calibrados por un instituto que posea relojes atómicos de cesio con realizaciones locales del UTC para asegurar el mejor desempeño de la calibración y su trazabilidad. Calibrar receptores GPS para tiempo y frecuencia regularmente requiere las mejores habilidades por parte de los metrólogos y laboratorios involucrados. Calibrar receptores GPS para determinar posición y velocidad requiere un trabajo combinado de diferentes áreas.

35 REFERENCIAS Imágenes extraídas de WikiCommons: National Institute of Standards and Technology: SIM Time and Frequency Working Group:

36 Gracias