Post on 26-Sep-2018
Unidad Temática IXUnidad Temática IX
Introducción al Sistema de Introducción al Sistema de Posicionamiento GlobalPosicionamiento Global
Enrique Priego de los Santos
1. Introducción al sistema GPS o GNSSGeodesia espacial:
• 1º satélite artificial: SPUTNIK I (4 de octubre de 1957)
• Predecesor: sistema militar TRANSIT (1967)
• NAVSTAR GPS: sistema militar de radio navegación por satélite que provee a usuarios de coordenadas precisas de posicionamiento tridimensional e información sobre navegación y tiempo (1973)
• utilizado en Geodesia en 1983
• configuración final desde 1994
Profesor: Enrique Priego
2. Otros sistemas de posicionamiento global1. VLBI: Very Long Baseline Interferometry o Interferometría de muy
larga base: observación de fuentes radioastronómicas lejanas
Profesor: Enrique Priego
2. Otros sistemas de posicionamiento global2. SLR: Satellite Laser Ranging o Distancia láser a satélite
Profesor: Enrique Priego
3. Principio básico de funcionamiento del GPSDeterminación de distancias (mejor dicho, pseudodistancias)
satélite-receptor a través de la medición del tiempo
Profesor: Enrique Priego
3. Principio básico de funcionamiento del GPSTrilateración inversa en el espacio (conocidas las coordenadas de
al menos 3 satélites se determinan las coordenadas receptor)
Profesor: Enrique Priego
4. Constitución del sistema GPSTres sectores fundamentales: Espacial, Control, Usuario
Cuarto segmento Terrestre: ERGPS, IGS
4 1 Segmento espacial4.1. Segmento espacialConstelaciones de satélites:
• NAVSTAR (EUA)
• GLONASS (Rusia)
• EGNOS (Europa)• EGNOS (Europa)
• GALILEO (Europa)
• COMPASS (China)
Profesor: Enrique Priego
NAVSTAR GPS (NAVigation System with Time And Ranging)
Características orbitales:
• 6 órbitas casi circulares a 20180
4.1. Segmento espacial
6 órbitas casi circulares a 20180 km de altitud con 55º de inclinación
• 4 satélites por órbita (24)
• 4 satélites reserva (“spares”)
• Periodo de 12 horas
i i i i é i• Visibilidad de cada satélite: 5 h
• Configuración se repite 4 minutos antes cada día solar
Profesor: Enrique Priego
GLONASS (Global Navigation Satellite System)
En 1982, se lanzan los 3 primeros
En 2010, constelación de 24 satélites (21 en activo y 3
4.1. Segmento espacial
, ( ysatélites de repuesto)
Características orbitales:• 3 planos orbitales con 8 satélites cada uno • orbita inclinada de 64,8º con un radio de 25510 kilómetros
La constelación de GLONASS se mueve en órbita alrededor de la tierra con una altitud de 19.100 kilómetros (algo más bajo que el GPS) y tarda aproximadamente 11 horas y 15 minutos en completar una órbita.
Profesor: Enrique Priego
EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay Service)Está ideado como un complemento para las redes GPS y GLONASS para proporcionar una mayor precisión y seguridad en las señales.
Red de tres satélites geoestacionarios y red de estaciones terrestres que i i l l ñ l d GPS li l j d
4.1. Segmento espacial
monitorizan los errores en las señales de GPS y actualizan los mensajes de corrección.
Profesor: Enrique Priego
EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay Service)
4.1. Segmento espacial
Compuesto por 34 Estaciones de Referencia y de Supervisión de Integridad (RIMS) desplegadas para supervisar los satélites de las constelaciones GNSS
Profesor: Enrique Priego
GALILEO (Unión Europea)En 2011 habrá 30 satélites (27 de órbita media y 3 geoestacionarios)
• Centros de control terrestre: sincronización de los relojes de los satélites y las terminales en tierra
• Compatibilidad en radiofrecuencias de GPS, EGNOS, GLONASS y p , , yGALILEO para ser interoperables y compatibles entre sí.
Profesor: Enrique Priego
NAVSTAR GPSCobertura con 4 a 8 satélites por encima de cualquier horizonte de cualquier lugar de la Tierra
Máscara de elevación 10º: 10 satélites
4.1. Segmento espacial
Máscara de elevación 0º: 12 satélites
Bloques (satélites de diferente generación):
• Bloque I: 1978 – 1985, no queda ninguno
• Bloque II ( y II-A): 1986 – actualidad (accidente del transbordador Challenger)
• Bloque IIR: incrementar en 21 satélites
• Bloque IIF: tercera frecuencia L5 (duración 15 años)
• Bloque III: en proyecto (2009 – 2030)
Profesor: Enrique Priego
Orbitas de los satélites
NAVSTAR GPS
4.1. Segmento espacial
Profesor: Enrique Priego
Relojes u osciladores
NAVSTAR GPS
4.1. Segmento espacial
• Son la fuente de la frecuencia, patrón de generación de las frecuencias emisoras L1 y L2
• Tipos reloj:
• Bloque I: 400 kg, 4 oscilador de cristal de cuarzo (30 años), 3 de rubidio (30.000 años) y 3 de cesio (300.000 años)
• Bloque II: 800 kg, todos de cesio y de rubidio
• Bloque III: serán osciladores de máser de hidrogeno (30.000.000 años)
* Tiempo para perder un segundo
Profesor: Enrique Priego
Identificación del satélite
NAVSTAR GPS
4.1. Segmento espacial
• Número de orden de lanzamiento
• Número de orbita• Número de orbita
• Posición que ocupa en la órbita
• Número de catálogo NASA
• Año de lanzamiento, nº de lanzamiento en el año, letra según tipo
• Número IRON (Junta de Defensa Aérea Norteamericana)
Forma generalizada: PRN (ruido pseudo aleatorio)
Profesor: Enrique Priego
Señales transmitidas
NAVSTAR GPS
4.1. Segmento espacial
• Señales de navegación (códigos) y datos de navegación y sistema g ( g ) y g y(mensaje)
• Satélites transmiten en dos frecuenciasdos frecuencias portadoras en la banda L:
• L1L1: 154 * 10,23 = 1575,42 Mhz
•• L2L2: 120 * 10,23 = 1227.60 Mhz.
Profesor: Enrique Priego
Escala de tiempo
NAVSTAR GPS
4.1. Segmento espacial
Fenómeno periódico TiempoFenómeno periódico TiempoRotación terrestre Tiempo Universal
Tiempo Sidéreo
Revolución de la Tierra Tiempo Dinámico TerrestreTiempo Dinámico Baricéntrico
Osciladores atómicos Tiempo Atómico InternacionalTiempo Universal CoordinadoTiempo GPS
Profesor: Enrique Priego
Tiempo GPS
NAVSTAR GPS
4.1. Segmento espacial
• Unidad: segundo de tiempo atómico (SI)
• Mantiene una desviación de 19 segundos con el Tiempo Atómico• Mantiene una desviación de 19 segundos con el Tiempo Atómico Internacional
• Coincidió con el Tiempo Universal Coordinado el 6 de enero de 1980
Unidades derivadas del tiempo:
• JD: Día Juliano (nº días solares medios desde 1,5 enero de 4713 a.c.)
• MJD: Día Juliano Modificado (día juliano menos 2.400.000,5 días solares)
• DOY: Día de Año (nº día en el intervalo 1-365 o 1-366 en bisiesto)
• Semana GPS (semanas transcurridas desde el 6 de enero de 1980 a 0 h de TUC), semana GPS: 604.800 segundos internacionales
• Día de semana: 0 para domingo y 6 para sábadoProfesor: Enrique Priego
Disponibilidad
NAVSTAR GPS
4.1. Segmento espacial
• En 1990, y para preservar intereses militares, se degrada la precisión entorno a 100 m mediante la disponibilidad selectiva (SA)disponibilidad selectiva (SA)
• Se actúa sobre la información enviada en el mensaje
• El 1 de mayo de 2002 desaparece la SA
Profesor: Enrique Priego
4.2. Segmento de control
Estaciones de monitorización del sistema GPSEstaciones de monitorización del sistema GPS (5 estaciones terrestres)
• Realizan el seguimiento continuo de los satélites
• Calculan la posición precisa de los satélites
• Sincronización del tiempo de los satélites
• Transmiten datos: efemérides transmitidas (posiciones de los satélites) o parámetros orbitales de cada satélite, datos ionosféricos-troposféricos y estado de los relojes de los satélites
Profesor: Enrique Priego
4.2. Segmento control
Estaciones de seguimiento
Profesor: Enrique Priego
Estación Maestra de Control (MCS): base aérea de Falcon en Colorado Springs
• Monitorización y control de todos los satélites
• Mantenimiento y solución de problemas en satélites
4.2. Segmento control
Estaciones de seguimiento
Mantenimiento y solución de problemas en satélites
• Control del cumplimiento estándar de posicionamiento GPS
• Actualización de los mensajes de navegación
Estaciones Monitoras
• Reciben señales transmitidas por satélites y obtienen información para calcular con gran precisión las órbitas de los satélites g p
• Envían datos a la Estación Maestra (con los que calcula las efemérides)
Red global del IGS (International GPS Service)
• Productos IGS (efemérides precisas, marcos referencia, redes GPS, efemérides orbitales, parámetros rotación Tierra, …)Profesor: Enrique Priego
4.3. Segmento de usuario
Equipo receptor GPS
- En la actualidad, más de 100 receptores diferentes
- Tipo de observables capaz de registrar
- Capacidad de memoria
P t ñ- Peso, tamaño, consumo, …
Profesor: Enrique Priego
Componentes equipo receptor GPS:
1. Antena (preamplificación)
2. Sección de Radio Frecuencia (RF)
4.3. Segmento usuario
3. Microprocesador
4. Oscilador
5. Fuente de alimentación
6. Dispositivo de control
7. Dispositivo de almacenamiento
8. Accesorios: interfaz, memoria,
puesta en estación, puertos, …
Profesor: Enrique Priego
4.3. Segmento usuario
Objetivo: es el verdadero “sensor”
convertir señal electromagnética en señal eléctrica (con su preamplificador)
1. Antena y circuito de antena
Tipos:Tipos:
• MonofrecuenciaMonofrecuencia: portadora L1
• BifrecuenciaBifrecuencia: portadoras L1 y L2
Características:
• Omnidireccional
• Centro eléctrico próximo centro físico• Centro eléctrico próximo centro físico
• Orientación común
• Plano de tierra (evitar multitrayectoria)
• Señal preamplificada es conducida por cable blindado y longitud limitada (10 – 30 cm)
Profesor: Enrique Priego
4.3. Segmento usuario
2. Sección de radiofrecuencia (RF)
Objetivo: recoger señal eléctrica de satélites que llega desde la antena y seguirla en todo momento sin interrupciones mediante “canales”
Tipos:
• MulticanalMulticanal: seguimiento continuo, nº canales = nº satélites
•• Tiempo compartidoTiempo compartido: seguimiento secuencial (2 sg.)
•• MultiplexadoMultiplexado: seguimiento secuencial (1/200 sg.), un canal
Características:
• “Corazón” del receptor
• Discrimina la señal de cada satélite a través del código C/A único
• Elemento fundamental: “osciladores”Profesor: Enrique Priego
4.3. Segmento usuario
3. Microprocesador
Objetivo: controlar todo el sistema
Funciones:
• Calcular continuamente la posición (trilateración GPS)
• Permitir trabajar en tiempo real (navegación)
• Adquirir y procesar señal
• Decodificar el mensaje de navegación
• Calcular posiciones absolutas
• Obtener velocidades, rumbos, distancias
• Convertir datums o sistemas de referencia
Profesor: Enrique Priego
4.3. Segmento usuario
4. Oscilador
Objetivo: generar la frecuencia patrón o de referencia para el control del reloj y generar la réplica de códigos y longitudes de onda GPS
Funciones:
• Multiplicador o divisor de frecuencia
• Filtro para eliminar frecuencias no deseadas
• Mezclador de frecuencias
Características:
• Cuarzo (precisión 109)
• Frecuencia externa: cesio, rubidio, máser de hidrogeno
Profesor: Enrique Priego
4.3. Segmento usuario
5. Fuente de alimentación
• Aportar energía eléctrica a todos los componentes del receptor
6 Dispositivo de control6. Dispositivo de control
• Medio de comunicación con el receptor (teclado)
• Asigna parámetros de trabajo
• Diagnósticos, mensajes de funcionamiento
7 Dispositivo de almacenamiento7. Dispositivo de almacenamiento
• Registro de datos de navegación y observables
• Intercambiables o fijos
• Interfaces por descarga o almacenamiento directo en PC (data loging)Profesor: Enrique Priego
4.3. Segmento usuario
8. Dispositivos accesorios: Interfaz de usuario
Objetivo: garantizar la comunicación entre receptor y usuario (y viceversa)
Funciones a visualizar (1):
• Comprobación interna de arranque del receptor
• Satélites localizados (canal, acimut, elevación)
• Tiempo GPS (semana y día del año)
• Intensidad de la señal (SNR)
• Salud de los satélites
• Nº registros almacenados (épocas)
• Bondad de la geometría
• Pequeños cálculos con satélites y almanaque
• Gestión de archivos, sesiones, …Profesor: Enrique Priego
4.3. Segmento usuario
8. Dispositivos accesorios: Interfaz de usuario
Funciones a visualizar (2):
• Información de las fuentes de alimentación
• Información del software interno (firmware)
• Configuración puerto de comunicaciones y transmisión de datos
• Posición actual
• Dirección y velocidad
• Progreso de la observación
• Observación elegida: estática o dinámica, …
• Nombre, nº sesión, estación, archivo
Profesor: Enrique Priego
4.3. Segmento usuario
8.2. Memoria
• Almacenamiento de parámetros de configuración y archivos de datos
• Memoria externa (tarjetas, cintas) o interna (estado sólido)
• Memoria diferida (PC, dataloggers)
• Ejemplo: datos de 6 satélites tomados cada segundo ocupan 1,5 Mb/h
• Trípode + plataforma nivelante + plomada óptica
• Basada sobre pilar
8.3. Puesta en estación
• Incorporado a vehículo, aeronave o navío
8.4. Dispositivo de transmisión• Trasmitir en tiempo real: enlace de radio, radio-modem, RTK, DGPS
Profesor: Enrique Priego
Estación Total con GPS integrado4.3. Segmento usuario
Profesor: Enrique Priego
5. Señal GPS
Consiste en ondas electromagnéticas de la banda L (banda de amplio espectro donde el retardo ionosférico es menor)
Señal GPS consta de 2 portadoras:
P t d L1 (f i 1575 42 MH )• Portadora L1 (frecuencia 1575,42 MHz)
• Portadora L2 (frecuencia 1227,60 MHz)
Portadoras por si solas no aportan información, modulan 2 códigos y 1 mensaje:
• Código C/A (se modula en L1 y L2)
• Código P (se modula en L2)
• Mensaje de navegación
Profesor: Enrique Priego
6. Observables GPS
Observable GPS: medida de distancia obtenida por medida de tiempo o por diferencia de fase, compara señal recibida de satélite con la réplica generada por receptor
1. Observables de tiempo:
• Código C/A modulado sobre portadora L1
• Código P modulado sobre portadora L1
• Código P modulado sobre portadora L2
2. Observables de diferencia de fase:
• Diferencia de fase de la portadora L1 (Φ1)
• Diferencia de fase de la portadora L2 (Φ2)
Profesor: Enrique Priego
1. Pseudodistancias de código:
• Precisión: metros
• El receptor genera una réplica de la señal emitida por el satélite y compara ambas por correlación (PRN)
6. Observables GPS
p p ( )
• Se obtiene el desplazamiento de la señal que se corresponde con el tiempo que tarda la señal en llegar del satélite al receptor
• tS =lectura reloj satélite vía PRN,
• tR =lectura reloj receptor,
∆t = tR – tS∆t tR tS
pero ambos relojes tienen retardos y adelantos respecto al sistema de tiempos GPS,
∆t = (tR – δR) – (tS - δS)
Profesor: Enrique Priego
2. Pseudodistancias de fase:
• Precisión: centímetros y milímetros
• Diferencia de fase de la portadora recibida del satélite y la fase generada internamente por el oscilador del receptor
6. Observables GPS
g p p
• La distancia satélite–receptor esta relacionada con el nº entero de longitudes de onda (λ) y su fase (∆φ) :
D = c * ∆φ + λ * N
• N: Ambigüedad de ciclo inicial: incógnita
• se desconoce el nº entero de λ entre el satélite y el receptor
• …
Profesor: Enrique Priego
7. Fuentes de error en GPSElemento Fuente de error
Satélite
• Errores oscilador (reloj)• Errores efemérides (parámetros orbitales)• Disponibilidad selectiva (SA)Disponibilidad selectiva (SA)• Anti-Spoofing (AS)
Señal
• Refracción ionosférica• Refracción troposférica• Pérdidas de ciclos• Multipath• Errores oscilador (reloj)
Equipo receptor
Errores oscilador (reloj)• Errores coordenadas punto de referencia• Error estacionamiento• Incertidumbre de medida• Desfase centro antena
Profesor: Enrique Priego
8. Métodos de observación GPS
Variable Métodos
Clasificación general
Observable• Código (metros)• Código y fase (centímetros y milímetros)
Movimiento del receptor
• Estático (no se mueve, mas tiempo, mayor precisión)• Cinemático (se desplaza)• Posicionamiento absoluto (x,y,z)
Tipo de solución • Posicionamiento relativo o diferencial (∆x,∆y,∆z)
Disponibilidad de la solución
• Tiempo real• Post-proceso
Profesor: Enrique Priego
1. Posicionamiento absoluto por código (GNSS)
• Precisión: 4 – 10 metros
• Navegación autónoma
8. Métodos de observación GPS
Clasificación básica
Navegación autónoma
2. GPS diferencial por código (DGPS)
• Precisión: 0,5 – 5 metros
• Navegación costera, datos SIG, revisión cartografía, agricultura automatizada, maquinaria de obra civil, …
3. Posicionamiento diferencial de fase
• Precisión: 5 mm – 0,5 metros
• Geodesia, Topografía, Geodinámica, control deformaciones,…
Profesor: Enrique Priego
1. Posicionamiento absoluto con código
• 1 receptor
• Solución a partir de pseudodistancias en tiempo real
• Determina la posición en coordenadas absolutas y en el sistema de
8. Métodos de observación GPS
e e pos c ó e coo de d s bso u s y e e s s e dereferencia de los satélites
Profesor: Enrique Priego
8. Métodos de observación GPS
2. Posición relativo o diferencial (DGPS)
• 2 o más receptores (base y móvil) con observación simultanea
• Elimina errores satélites y minimiza retardos atmosféricos
•• Corrección diferencialCorrección diferencialCorrección diferencialCorrección diferencial
• equipo base: estación en punto de coordenadas conocidas a priori
• equipo móvil: punto desconocido a determinar
• se compara la diferencia de pseudodistancia o de coordenadas, obteniendo la corrección diferencial
i i l i i ( di• se transmiten esas correcciones por cualquier sistema (radio, RDS, GSM, RTK, ID, Internet.,...)
Profesor: Enrique Priego
8. Métodos de observación GPS
2. Posición relativo o diferencial (DGPS): Corrección diferencialCorrección diferencial
Corrección de pseudodistanciaCorrección de pseudodistancia
Fundamento: estación base genera una corrección para cada pseud. Fundamento: estación base genera una corrección para cada pseud. observada (PRC) y su variación con el tiempo (RRC); equipo movil observada (PRC) y su variación con el tiempo (RRC); equipo movil
li i b éli ili d l l i ióli i b éli ili d l l i ióaplica correcciones sobre satélites utilizados y calcula su posiciónaplica correcciones sobre satélites utilizados y calcula su posición
Corrección por posiciónCorrección por posición
Fundamento: se calcula la diferencia de latitud, longitud y altura Fundamento: se calcula la diferencia de latitud, longitud y altura elipsoidal en la estación base para aplicársela al móvilelipsoidal en la estación base para aplicársela al móvil
Profesor: Enrique Priego
8. Métodos de observación GPS
2.1. Posicionamiento relativo o diferencial con código
• Incógnitas: 3 coordenadas de los puntos y estado del oscilador de los receptores en cada época
• Método de cálculo: simples diferencias
Precisión decimétrica (repetiti idad de medida)• Precisión decimétrica (repetitividad de medida)
• Posibilidad de trabajar con 1 solo receptor (ERGPS + radio)
Profesor: Enrique Priego
8. Métodos de observación GPS
2.2. Posicionamiento relativo o diferencial con fase
• Método de mayor precisión (5 mm + 1ppm con código y fase)
• Geodesia y Topografía
• Determina posición receptor movil en relación receptor referenciareferencia
• Coordenadas de estación de referencia conocidas
• Se toman datos de 4 o más satélites en ambos receptores
• Elimina errores (satélites y receptores)
• Minimiza retardos atmosféricos
Profesor: Enrique Priego
8. Métodos de observación GPS
2.2. Posicionamiento relativo o diferencial con fase
Distintos métodos de posicionamiento diferencial (dependiendo de observables, instrumentación GPS y software de cálculo):
• Estático
• Estático rápido
• Semicinemático “Stop and Go”
• Cinemático
• Ambigüedades OTF “On the fly”
• Cinemático en tiempo real (RTK)
Profesor: Enrique Priego
• Origen, 3 direcciones fijas en el espacio y un sistema de medida
• Sistema de Referencia Terrestre Internacional (ICRS)
• Sistema de Referencia Terrestre Convencional (CTRS)
9. Sistemas de referencia GPS
Sistema de Referencia Terrestre Convencional (CTRS)
• GPS: World Geodetic System 1984 (WGS84)
• Marco de Referencia Terrestre Internacional (ITRF)
• Marco de Referencia Terrestre Europeo (ETRF)
Profesor: Enrique Priego