Calibración de Equipos de Rastreo Satelital GNSS

Calibración de Equipos de Rastreo Satelital GNSS José Samuel Ramirez Herrera Laboratorio de Longitud y Ángulo 19 de mayo de 2016

01. Y... Qué es GNSS?

Sistema Global de Navegación por Satélite Un Sistema Global de Navegación por Satélite (Global Navigation Satellite System, GNSS) es una constelación de satélites que transmite rangos de señales utilizados para el posicionamiento y localización en cualquier parte del globo terrestre, ya sea en tierra, mar o aire. Estos permiten determinar las coordenadas geográficas y la altitud de un punto dado.

Comparativa de los GNSS GPS GLONASS Galileo BeiDou BeiDou-1 NAVIC QZSS Global Positioning System Globalnaya Navigatsionnaya Sputnikovaya Sistema Galileo BeiDou Navigation Satellite System BeiDou Navigation Satellite System Navigation with Indian Constellation Quasi-Zenith Satellite System Alcance Global Global Global Global Regional Regional Regional País EUU Rusia Unión Europea China China India Japón Satélites 32 28 30 35 35 7 4 Estado Operativo Operativo En desarrollo En desarrollo En desarrollo En desarrollo En desarrollo

Aplicaciones de los GNSS Por la naturaleza del sistema, las aplicaciones prácticas de los GNSS son diversas, estas incluyen: Navegación: automóviles, aeronaves, barcos y botes, maquinaria pesada, ciclismo, deportes al aire libre, etc. Agrimensura y mapeo: agrimensura, cartografía, geología y geofísica, arqueología, etc. Uso militar en municiones guiadas. Referencia en tiempo. Servicios de comunicación móviles. Servicios de localización en emergencias. Rastreo. Otros.

02. Pero... Cómo saben donde estoy ubicado?

Operación de un GNSS El principio de funcionamiento consiste en: El receptor GNSS recibe una señal del satélite y mide su distancia al mismo, empleando el tiempo que la onda tarda en llegar, dado que la señal del satélite viaja a velocidad conocida. Cada satélite indica que el receptor se encuentra en un punto en la superficie de una esfera con centro en el propio satélite y de radio igual a la distancia total hasta el receptor. Son necesarios al menos cuatro satélites para calcular la intersección de las esferas y obtener la posición puntual mediante el uso de la geometría. Solo harían falta tres satélites para la ubicación pero con el cuarto se eliminan los errores de sincronismo de los relojes.

Operación de un GNSS

Operación de un GNSS

03. Y el control metrológico... Cómo se realiza?

Problemática del Control Metrológico de Receptores GNSS Debido a la versatilidad en las aplicaciones de los receptores GNSS, actualmente su uso se ha vuelto cotidiano en diversos sectores, tales como: Minería, agrícola. Ingeniería civil, cartografía. Seguridad. Rastreo vehicular. Sin embargo no se realiza un control metrológico de estos equipos, lo cual puede conllevar a dudas sobre sus resultados, sobre todo cuando estos están vinculados a controles fiscales (impuestos, multas, etc) o transacciones comerciales. A nivel regional, los institutos nacionales de metrología también se encuentran en la búsqueda de métodos estandarizados para su control.

03. La solución??

Búsqueda de un Método de Calibración de Receptores GNSS Existe una posible solución al problema del control metrológico de los receptores GNSS, pero para ello se debe hacer un pequeño viaje República de China (Taiwan)

Calibración de Receptores GNSS El National Measurement Laboratory (NML) de Taiwan, ha desarrollado un método de calibración de receptores GNSS. Este método se basa en la comparación contra un patrón el cual ha sido ubicado en una estación fija GNSS. Este método se encuentra publicado en el apéndice C del Acuerdo de Reconocimiento Mutuo (MRA, Mutual Recognition Arrangement) del Comité Internacional de Pesos y Medidas (CIPM, Comité international des poids et mesures). Es decir: tiene validez internacional.

Capacidad de Medida y Calibración Para Receptores GNSS del NML (Aprobado el 11 de agosto de 2015)

Calibración de Receptores GNSS: Detalles del Método Para llevar a cabo esta tarea se utiliza un Sistema de Medición GNSS compuesto de líneas de base ultra cortas, cuyas bases de calibración tienen coordenadas referenciadas al ITRF (International Terrestrial Reference Frame). El sistema está ubicado en el techo de uno de los ambientes del NML. Allí existen dos estaciones permanentes IGS (International GNSS Service) que operan de manera continua y 05 soportes de calibración. La separación de las estaciones y los soportes es de 48 m. La principal función del sistema de calibración GNSS es determinar las coordenadas ITRF. Dado que los receptores GNSS utilizan una base de tiempo para determinar la posición sobre la tierra, la frecuencia interna del patrón de trabajo GNSS es medida, y por ende trazable a la unidad de tiempo. La calibración se realiza colocando el equipo a calibrar en una de las bases y registrando su medición por un lapso de 8 horas; luego se procede a reemplazar este equipo por un patrón de trabajo y se mide al menos la misma cantidad de tiempo.

Sistema de Medición GNSS 2 m 2,4 m 2,4 m 2,6 m OFICINAS 4,5 m ESTACIONES PERMANENTES IGS Soporte para calibración

Sistema de Medición GNSS: Trazabilidad Unidad del SI: segundo Patrón de frecuencia de Cesio Valor de referencia del patrón de trabajo GNSS Indicación del instrumento a calibrar Patrón internacional de tiempo Se utiliza el tiempo de viaje de las señales entre los receptores y los satélites para determinar la posición geográfica Se compara la indicación del instrumento a calibrar con la indicación del patrón de trabajo

Análisis de la Incertidumbre de la Estación Permanente Componente Determinación Repetibilidad de la Medición Centrado y Nivelado Se obtiene data de 04 estaciones de rastreo del IGS durante 60 días. Se calculan las coordenadas 3D de la estación permanente y se analiza la desviación estándar en los ejes X, Y y Z Se utiliza un equipo de centrado forzado con un error máximo de 0,5 mm Frecuencia del Receptor GNSS El receptor GNSS es parte de la estación permanente y su frecuencia es trazable al patrón de tiempo. Offset de la Antena Órbita del Satélite Corrección por Retraso Atmosférico Coordenadas de la Estación GNSS El error del offset y variación de la antena es 0,1 mm luego de corrección La precisión de la órbita final del IGS es mejor a 5 cm y esta data se obtiene de la web del IGS. El error de la órbita del satélite para posicionamiento GNSS es alrededor de 0,003 x 10-6 x D, donde D es la distancia de la estación permanente a las estaciones de rastreo del IGS, alrededor de 2200 km. El error es aproximadamente 0,002 x 10-6 x D, donde D es la distancia de la estación permanente a las estaciones de rastreo del IGS, alrededor de 2200 km. La repetibilidad de las coordenadas de las estaciones de rastreo del IGS son como máximo 6 mm.

Análisis de la Incertidumbre de la Red de Distancias Ultracortas Componente Repetibilidad de la Medición Determinación Las coordenadas del soporte de calibración se miden con un patrón de trabajo GNSS por 02 semanas. La data se procesa en dos sesiones. Centrado y Nivelado Misma descripción que el caso anterior Offset de la Antena Misma descripción que el caso anterior Órbita del Satélite Misma descripción que el caso anterior. El D es 48 m. Corrección por Retraso Atmosférico Misma descripción que el caso anterior. El D es 48 m.

Ejemplo de Incertidumbre de la Estación Permanente Componente Valor estimado ( a ) Divisor ( b ) Incertidumbre estándar ( c ) = ( a ) / ( b ) Coeficiente de Sensibilidad ( d ) Componente de Incertidumbre ( e ) = ( c ) * ( d ) Repetibilidad de la Medión 3,1 mm 1 3,1 mm 1 3,1 mm Centrado y Nivelado 0,5 mm 1,73 0,3 mm 1 0,3 mm Frecuencia del Receptor GNSS 6,4 mm 1,73 3,7 mm 1 3,7 mm Offset de la Antena 0,1 mm 1,73 0,1 mm 1 0,1 mm Órbita del Satélite 6,6 mm 1,73 3,8 mm 1 3,8 mm Corrección por Retraso Atmosférico Coordenadas de la Estación GNSS 4,4 mm 1,73 2,5 mm 1 2,5 mm 6,0 mm 1,73 3,5 mm 1 3,5 mm Incertidumbre Combinada 7,5 mm

Ejemplo de Incertidumbre de la Red de Distancias Ultracortas Componente Valor estimado ( a ) Divisor ( b ) Incertidumbre estándar ( c ) = ( a ) / ( b ) Coeficiente de Sensibilidad ( d ) Componente de Incertidumbre ( e ) = ( c ) * ( d ) Repetibilidad de la Medición 0,6 mm 1 0,6 mm 1 0,6 mm Centrado y Nivelado 0,5 mm 1,73 0,3 mm 1 0,3 mm Offset de la Antena 0,1 mm 1,73 0,1 mm 1 0,1 mm Orbita del Satélite 0,0 mm 1,73 0,0 mm 1 0,0 mm Corrección por Retraso Atmosférico 0,0 mm 1,73 0,0 mm 1 0,0 mm Incertidumbre Combinada 0,7 mm

04. En resumen...

Conclusiones e ideas finales Los sistemas de navegación por satélites son ampliamente usados y tienen diversas aplicaciones, y para su uso se emplean receptores GNSS. No existe a nivel regional en los Institutos Nacionales de Metrología ni en el país un control metrológico adecuado de esos equipos. A nivel mundial sólo dos países tienen métodos reconocidos: China y Taiwan. Estos métodos se basan en la comparación con estaciones permanentes IGS y receptores GNSS de trabajo. La trazabilidad de la medición está dada a través del patrón de la unidad de tiempo, con lo cual se puede calibrar los receptores GNSS.

Gracias