UNIVERSIDAD NACIONAL DEL NORDESTE FACULTAD DE HUMANIDADES

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José Ignacio Fidalgo Carmona
hace 5 años
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1 UNIVERSIDAD NACIONAL DEL NORDESTE FACULTAD DE HUMANIDADES CARRERA DE POSGRADO ESPECIALIZACIÓN EN TECNOLOGÍAS DE LA INFORMACIÓN GEOGRÁFICA (TIG) Módulo II Tema 2: Los Sistemas de Posicionamiento Global Profesor: Agrim. Sergio Cimbaro

2 Introducción al Sistema GNSS

GNSS Sistema Global de Navegación por Satélite Obtener las coordenadas de puntos medidos sobre la superficie terrestre, referidas a un Marco de Referencia Global.

3 GNSS Sistema Global de Navegación por Satélite Obtener las coordenadas de puntos medidos sobre la superficie terrestre, referidas a un Marco de Referencia Global. Medición de distancias a satélites, cuyas coordenadas son conocidas, permite calcular la coordenada incógnita. Distintas constelaciones de satélites: GPS, GLONASS, GALILEO.

4 Introducción al GPS Segmento espacial: Constelación de 24 satélites + 8 de backup Segmento de control: 18 estaciones Segmento de usuario: Explotación de datos GPS

Segmento Espacial 32 satélites Altura de órbita de 20.

5 Segmento Espacial 32 satélites Altura de órbita de Km 6 planos orbitales Inclinación de 55º Período orbital de 12 horas sidéreas

6 Constelación

7 Representación de los planos orbitales

9 Conceptos sobre órbitas

10 Problema de los dos cuerpos

11 Problema de los dos cuerpos Tierra - Satélite

12 Elementos de la órbita

13 Leyes de Kepler

14 Leyes de Kepler

15 Parámetros orbitales

18 Rotaciones de la órbita del satélite

19 Órbita del satélite La órbita y ubicación de los satélites se calcula mediante parámetros orbitales

20 Anomalías

21 Anomalías

22 Anomalías

23 Segmento de Control 18 estaciones

24 Segmento de Control Cubrimiento inicial

25 Segmento de Control Cubrimiento actual

26 Segmento de Control Comunicación bidireccional con los satélites (Master Station). Cálculo de parámetros orbitales y correcciones y envío desde las estaciones de control a los satélites para su posterior transmisión a los usuario del sistema. Datos HACIA el Satélite Datos DESDE el Satélite

27 Segmento de Control Productos Efémerides transmitidas (cada 2 hs.) Datos inosféricos-troposféricos Estado de los relojes de los satélites (sincronización de tiempo)

28 Segmento de Usuario Cualquier equipo de medición que esté recibiendo datos de la señal GPS para posicionarse.

29 Segmento de Usuario

30 Receptores GPS Diversos tamaños: Desde el tamaño de un reloj al tamaño de un rack Diferentes precios: Desde los 100 u$d aprox., hasta varios miles de dólares, según precisión, interfaz, capacidades, etc.

31 Receptores GPS ELEMENTOS IMPRESCINDIBLES Antena Sección de Radiofrecuencia Microprocesador + Firmware Oscilador Fuente de Alimentación ELEMENTOS ACCESORIOS Interfaz de usuario Memoria Dispositivos de puesta en estación Puertos de comunicación ELEMENTOS ACCESORIOS Dispositivo de retransmisión Conexión frecuencia externa Salida de tiempo 1 PPS Oscilador

32 Antenas GPS VERDADERO SENSOR Tiene por objeto convertir la radiación electromagnética procedente de los satélites en señal eléctrica Poseen un dispositivo que amplifica la señal recogida, para que luego ésta sea interpretada en la etapa de Radiofrecuencia CUÁL ES LA ADECUADA? Precisión y uso Capacidades Tamaño Precio

33 Posicionamiento con el Sistema GPS

34 Señal GPS Portadoras L1 L2 Códigos C/A P Mensaje de Navegación

35 Señal GPS - Portadoras Frecuencia fundamental f 0 = 10.23Mhz Portadora L1 Frecuencia f = Mhz (154 f 0 ) l= 19.0cm Transporta los códigos C/A, P1 y el mensaje de navegación Portadora L2 Frecuencia f = Mhz (120 f 0 ) l= 24.4cm Transporta el código P2

36 Señal GPS - Códigos C/A Course Adquisition Frecuencia f = 1.023Mhz ( f 0 /10) l= 300m Código P Frecuencia f = 10.23Mhz ( f 0 ) l= 30m

37 Principio de procesamiento de la Señal GPS

38 Código PRN (Pseudo Random Noise )

39 Correlación de códigos PRN

40 Correlación de códigos PRN

41 Distancia Satélite-Receptor

42 Pseudodistancia de código Satélite-Receptor

43 Pseudodistancia de código Satélite-Receptor

44 Pseudodistancia de código Satélite-Receptor

46 Pseudodistancia de código Satélite-Receptor

47 Pseudodistancias de fase

48 Pseudodistancias de fase

49 Pseudodistancias de fase

50 Pseudodistancias de fase

51 Pseudodistancias de fase

52 Pseudodistancias de fase

53 Modelo Matemático Procesamiento con fase F j i (t) = (1/l) r j i (t) + N j i + f J Dd j i (t) F i j (t) = (1/l) r i j (t) + N i j + f J d j (t) - f J d i (t) l Longitud de onda r Distancia medida N Número de ambigüedades f Frecuencia de la onda portadora

54 POSICIONAMIENTO DIFERENCIAL Simples Diferencias r A j (t)= (1/l) F A j (t) + N A j + f J d j (t) - f J d A (t) r B j (t)= (1/l) F B j (t) + N B j + f J d j (t) - f J d B (t) r AB j (t)= (1/l) F AB j (t) + N AB j - f J d AB (t)

55 POSICIONAMIENTO DIFERENCIAL Dobles Diferencias r AB j (t)= (1/l) F AB j (t) + N AB j - f J d AB (t) r AB k (t)= (1/l) F AB k (t) + N AB k - f k d AB (t) r AB jk (t)= (1/l) F AB jk (t) + N AB jk

56 POSICIONAMIENTO DIFERENCIAL Triples Diferencias r AB jk (t 1 )= (1/l) F AB jk (t 1 ) + N AB jk r AB jk (t 2 )= (1/l) F AB jk (t 2 ) + N AB jk r AB jk (t)= (1/l) F AB jk (t 1-2 )

57 POSICIONAMIENTO CON GPS MODOS AUTÓNOMO DIFERENCIAL ESTÁTICO CINEMÁTICO DGPS TIEMPO REAL (RTK)

58 Posicionamiento Autónomo Precisión entre 8m y 12m. Un solo receptor trabajando con el código C/A modulado en la portadora L1. Posicionamiento en tiempo real.

59 Posicionamiento Autónomo Z S3 Z S1 S2 S4 D4 Z P D3 D2 D1 S1 P Y P 0 Y S1 Y X P X X S1

60 Posicionamiento Autónomo D 1

61 Posicionamiento Autónomo En general: D = v. t (M.R.U.) Para una onda en el vacío: D = c. t Para la medición GPS: Distancia receptor-satélite Errores de los relojes del satélite y receptor (incógnita) D = c * ( t + t ) Velocidad de la luz 0.07s Km/s

62 Posicionamiento Autónomo Errores de los relojes del satélite y receptor (D).

63 Posicionamiento Autónomo Con 4 satélites 1 Ecuación 1 Satélite, S 1 1 Dato medido, t 1 3 Datos conocidos, 4 Incógnitas, 4 Ecuaciones 4 Incógnitas Sistema Compatible Determinado 1 Solución (X p, Y p, Z p, t)

64 Posicionamiento con GPS autónomo (GDOP) GDOP (Geometric Dilution of Precision) PDOP (Position Dilution of Precision), 3D HDOP (Horizontal Dilution of Precision), Latitud y Longitud VDOP (Vertical Dilution of Precision), Altura TDOP (Time Dilution of Precision), Tiempo

65 Posicionamiento con GPS autónomo (GDOP)

66 Posicionamiento Diferencial Consiste en dos receptores que miden en forma simultánea. Se calcula con mucha precisión el vector que separa los dos receptores GPS. Uno de los puntos debe tener coordenada conocida MARCO DE REFERENCIA Resolución de ambigüedades

67 Posicionamiento con GPS Diferencial

68 Medición Diferencial Estática 2 Ó MÁS RECEPTORES FIJOS MIDIENDO EN FORMA SIMULTÁNEA NECESIDAD DE UN PUNTO CON COORDENADAS CONOCIDAS RESOLUCIÓN DE AMBIGÜEDADES SOLUCIÓN DEL VECTOR FIJA FLOTANTE

69 Medición Diferencial Estática

70 Medición Diferencial Cinemática 2 Ó MÁS RECEPTORES MIDIENDO EN FORMA SIMULTÁNEA, UNO FIJO. NECESIDAD DE UN PUNTO CON COORDENADAS CONOCIDAS RESOLUCIÓN DE AMBIGÜEDADES SOLUCIÓN DEL VECTOR FIJA FLOTANTE

71 Medición Diferencial Cinemática

72 Fuentes de error en el posicionamiento SISTEMÁTICOS Ley física Se corrigen Afecta la exactitud ERRORES Prob. de conocerlos ACCIDENTALES Se pueden mejorar Campana de Gauss

73 Clasificación de errores ERRORES SISTEMÁTICOS ERRORES EN EL SATÉLITE Y CONFIGURACIÓN ORBITAL ERRORES EN LA PROPAGACIÓN DE LA SEÑAL GPS ERRORES EN EL RECEPTOR GPS ERRORES ACCIDENTALES RUIDO PROPIO DE LA MEDICIÓN SATELITAL

74 Fuentes de error SATÉLITE: Error del reloj Errores Orbitales PROPAGACIÓN DE LA SEÑAL: Refracción Ionosférica Troposférica RECEPTOR: Error del reloj Variación del centro de antena Multitrayectoria

75 Relojes en el sistema GPS RUBIDIO seg RELOJES EN SATÉLITES Error seg CESIO seg HIDRÓGENO seg 1 segundo en 3 millones de años RELOJ EN EL RECEPTOR CUARZO seg Error seg 1 segundo en 300 años

76 Errores orbitales RADIODIFUNDIDA EFEMÉRIDES SATELITAL PRECISA CAMPO DE GRAVEDAD TERRESTRE (ANOMALÍAS) ACELERACIÓN DEBIDAS AL SOL Y LA LUNA PRESIÓN DE LA RADIACIÓN SOLAR

77 Propagación de la señal Retardo Ionosférico

78 Variación del centro de fase de la antena PUNTO RECEPTOR SEÑAL GPS CENTRO ELÉCTRICO DE LA ANTENA CENTRO ELÉCTRICO CENTRO GEOMÉTRICO CAUSAS CONFIGURACIÓN SATELITAL CAMBIANTE VARIACIONES EN LA INTENSIDAD DE LA SEÑAL GPS COMPENSACIÓN DEL ERROR ORIENTACIÓN DE LAS ANTENAS AL NORTE GEOGRÁFICO

80 Error por multitrayectoria (Multipath)

82 Pérdida de ciclos en la señal GPS DISCONTINUIDAD EN LA RECEPCIÓN DE LA SEÑAL GPS OBSTRUCCIONES (NATURALES Y ARTIFICIALES) CAUSAS ERROR MULTIPATH DÉBIL SEÑAL GPS (BAJA ALTURA SATELITAL) CONSECUENCIA ERROR EN LA DETERMINACIÓN DE LA DISTANCIA RECEPTOR - SATÉLITE

83 Terminología utilizada en GPS Sesión: Lapso de medición entre 2 receptores al mismo tiempo. Intervalo de Registro: Cada cuanto tiempo se graban las observaciones. Época: Intervalo de registro contado como unidad. Ángulo de máscara: Ángulo desde el horizonte que define a partir de donde comienzan a observarse los satélites.

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