1. M Paz Holanda BlasJuan Carlos Bermejo OrtegaGPS & GLONASSAAAA DESCRIPCIN Y APLICACIONESMADRID 19980

2. PREFACIODesde que en 1957 el lanzamiento del Sputnik-1 supuso el comienzo de la era de los satlitesartificiales y su posterior uso en aplicaciones para el inters de la comunidad mundial, la tecnologa haavanzado en este aspecto de manera espectacular, y uno de los campos en los cuales se ha manifestadoespecialmente dicho avance, es en las aplicaciones que conciernen a las ciencias de la Tierra, y dentro deellas, de manera notable en el estudio de su forma y dimensiones (Geodesia), as como, en el estudio delos fenmenos fsicos que afectan y condicionan dicha forma y dimensiones (Geofsica). Dentro de los grupos de Sistemas de Geodesia Espacial, destacan la Constelacin NAVSTAR(Navegacin por Satlite en Tiempo y Distancia) y la Constelacin GLONASS (Sistema Global deNavegacin por Satlite). Ambas constelaciones fueron creadas por los Departamentos de Defensa de losEstados Unidos y Rusia, respectivamente, y sus principal cometido era poder posicionar un objeto en lasuperficie de la Tierra a travs de las seales emitidas en forma de ondas de radio por los satlites dedichas constelaciones, que dicho objeto procesaba en la superficie, determinando as su posicin con unaprecisin en funcin del tipo de informacin recibida, tiempo de recepcin y condiciones de la emisin. Este posicionamiento se produce sobre un sistema de referencia inercial cartesiano, que en elcaso de usar la constelacin americana NAVSTAR corresponde al sistema WGS-84, y en el caso de usarla constelacin rusa GLONASS corresponde al sistema PZ-90.A principios de los aos 80s, se empezaron a utilizar estos mtodos para aplicaciones de ndolecivil, tales como actividades de navegacin area, martima y terrestre, lo que supuso un importanteavance en la organizacin y el estado de los transportes y comunicaciones mundiales. La investigacin y el tratamiento de estos sistemas de posicionamiento por satlite, ha llevado enla actualidad a que sean utilizados para fines cientficos, destacando el estudio de la Atmsfera terrestre,de sus capas, fenmenos, y muy especialmente para el estudio de la Ionosfera, desconocida en muchosaspectos y con una gran influencia sobre los distintos fenmenos que ocurren en nuestro planeta. Pero quiz, las aplicaciones el las cuales estos sistemas han calado ms hondo son la Geodesia yla Topografa, a partir del descubrimiento de que dichos sistemas de posicionamiento podan aportar lasprecisiones requeridas para el desarrollo de estas ciencias y su aplicacin en el desarrollo deinfraestructuras, cartografa, dimensionamientos, sistemas de informacin geogrfica, estudios demovimientos y deformaciones, y para fines ms expeditos como la navegacin y el ocio. Es por ello que constituyen, hoy por hoy, unos de los sistemas de medida ms usados y conmayores expectativas de futuro. Este hecho los obliga a estar en continua evolucin para que lacomunidad mundial obtenga resultados cada vez ms satisfactorios. Pero es esta comunidad, y en concretolos profesionales de las materias afectadas, los que deben disponer de la documentacin y experienciasnecesarias para llegar a dominar estos mtodos de trabajo y obtener de ellos el mximo rendimiento. El objetivo de esta publicacin no es otro que orientar de forma bsica a los usuarios de estossistemas e invitar a los futuros usuarios a calar en su funcionamiento y posibilidades de desarrollo,abriendo el campo de la medida por satlite como una poderosa herramienta de trabajo, y que hoy porhoy, se est convirtiendo en el mtodo ms usado por su precisin y rapidez en los campos antesreseados, siendo este el motivo por el cual no debe pasar desapercibido por ninguno de nuestrosprofesionales.1 3. INDICE DE CONTENIDOSPREFACIO1CAPTULO I. INTRODUCCIN AL SISTEMA GPS 4 1. INTRODUCCIN. 4 2. DESCRIPCIN DEL SISTEMA.4 2.1. EL SECTOR ESPACIAL. 4 2.1.1. CARACTERSTICAS DE LOS SATLITES4 2.1.2. SEAL DE LOS SATLITES5 2.1.3. EL SISTEMA DE REFERENCIA. DATUM WGS-84. 6 2.2. EL SECTOR DE CONTROL. 7 2.3. EL SECTOR DE USUARIOS.7CAPTULO II. INTRODUCCIN AL SISTEMA GLONASS. 17 1. INTRODUCCIN. 17 2. DESCRIPCIN DEL SISTEMA.17 2.1. EL SECTOR DE CONTROL. 18 2.2. EL SECTOR ESPACIAL. 20 2.2.1. CARACTERSTICAS DE LAS SEALES. 21 2.2.2. MENSAJE DE NAVEGACIN.23 2.2.3. SISTEMA DE REFERENCIA. DATUM PZ-90. 23 2.3. EL SECTOR DE USUARIOS.24CAPTULO III. USO COMBINADO DE LOS SISTEMAS GPS Y GLONASS.25 1. INTRODUCCIN. 25 2. ESTUDIOS REALIZADOS SOBRE LA UTILIZACIN DE AMBOS SISTEMAS Y SU USO COMBINADO. 25 3. OBTENCIN DE LOS PARMETROS DE TRANSFORMACIN ENTRE PZ-90 Y WGS-84.27CAPTULO IV. LAS OBSERVABLES. 29 1. INTRODUCCIN. 29 2. MEDIDAS DE CDIGO.29 3. MEDIDAS DE FASE.30 4. COMBINACIN DE OBSERVABLES. 31CAPTULO V. CALIDAD Y BONDAD DE LAS OBSERVACIONES.34 1. INTRODUCCIN. 34 2. ERRORES RELATIVOS AL SATLITE.352.1. ERROR DEL RELOJ DEL SATLITE.352.2. ERRORES EN LOS PARMETROS ORBITALES. 35 2 4. 3. ERRORES RELATIVOS A LA PROPAGACIN DE LA SEAL. 36 3.1. REFRACCIN IONOSFRICA. 36 3.2. REFRACCIN TROPOSFRICA.38 3.3. DISPONIBILIDAD SELECTIVA. 39 3.4. PRDIDAS DE CICLOS. 39 3.5. EFECTO MULTIPATH. 39 4. ERRORES RELATIVOS AL RECEPTOR.40 4.1. ERROR DEL RELOJ.40 4.2. ERROR EN EL ESTACIONAMIENTO DE LA ANTENA.40 4.3. ERRORES EN LA MANIPULACIN DE LOS EQUIPOS.40 4.4. VARIACIN DEL CENTRO RADIOELCTRICO DE LA ANTENA. 41 5. DILUCIN DE LA PRECISIN. 41CAPTULO VI. PROCESAMIENTO DE DATOS.42 1. INTRODUCCIN. MODELO DE AJUSTE POR MMCC.42 2. CLCULO DE POSICIONAMIENTOS ABSOLUTOS.43 3. CLCULO DE POSICIONAMIENTOS DIFERENCIALES.44 3.1. CLCULO DEL POSICIONAMIENTO DIFERENCIALPOR CDIGO. 44 3.2. CLCULO DEL POSICIONAMIENTO DIFERENCIALPOR FASE. 46CAPTULO VII. MTODOS DE POSICIONAMIENTO. 52 1. POSICIONAMIENTO ABSOLUTO. 52 2. POSICIONAMIENTO DIFERENCIAL.53 ( Esttico, Reocupacin, Cinemtico Contnuo, Stop & Go, DGPS)CAPTULO VIII. TRABAJO EN TIEMPO REAL.58CAPTULO IX. CONSIDERACIONES FINALES. 60 1. PLANIFICACIN.62 2. OBSERVACIN.62 3. CLCULO.63BIBLIOGRAFA. 65 3 5. CAPTULO I. INTRODUCCIN AL SISTEMA GPS.1. INTRODUCCIN.El Sistema GPS (Sistema de Posicionamiento Global) fue creado por el Departamentode Defensa de los Estados Unidos (DoD) para constituir un sistema de navegacin preciso confines militares que sustituyeran al antiguo sistema utilizado, que no era otro que las medicionesDoppler sobre la constelacin Transit. Para ello, aprovecharon las condiciones de la propagacin de las ondas de radio de labanda L en el espacio, as como la posibilidad de modular las ondas para que en ellas se puedaincluir la informacin necesaria que permita posicionar un objeto en el sistema de referenciaapropiado.Este proyecto se hizo realidad entre los meses de febrero y diciembre de 1978, cuandose lanzaron los cuatro primeros satlites de la constelacin NAVSTAR, que hacan posible elsistema que resolvera la incgnita de nuestra posicin en la Tierra.A continuacin vamos a describir las generalidades del sistema GPS y suscaractersticas ms importantes. Para ello, debemos dividir el sistema en tres sectoresfundamentales y dependientes entre s, el sector espacial, el sector de control y el sector deusuarios.2. DESCRIPCIN DEL SISTEMA.2.1. EL SECTOR ESPACIAL. Este sector lo forman los satlites de la constelacin NAVSTAR (Navegacin porsatlite en tiempo y distancia). La constelacin est formada por seis planos orbitales, y en cadauno de ellos existe una rbita elptica casi circular donde se alojan los satlites regularmentedistribuidos. Los planos tienen una inclinacin de 55 respecto al plano del ecuador, y senombran como A, B, C, D, E y F. Cada rbita contiene al menos cuatro satlites, aunquepueden contener ms. Los satlites se sitan a una distancia de 20200 Km respecto delgeocentro, y completan una rbita en doce horas sidreas. Estos satlites son puestos enfuncionamiento por el Comando de las Fuerzas Areas Espaciales de U.S.A (AFSPC).Con estos fundamentos, se garantiza la presencia de al menos cuatro satlites sobre elhorizonte en todos los lugares de la superficie de la Tierra.2.1.1. CARACTERSTICAS DE LOS SATLITES.Los satlites de la constelacin NAVSTAR son identificados de diversos modos:- Por su nmero NAVSTAR (SVN).- Por su cdigo de ruido pseudoaleatorio (PRN). En los cdigos de transmisin existencaractersticas de ruido pseudoaleatorio traducidas en bits que identifican a cada satlite de laconstelacin.- Por su nmero orbital. Un ejemplo sera el satlite 3D, que corresponde al satlitenmero tres del plano orbital D.4 6. En la actualidad, a fecha Enero-98, existe un nmero de veintisiete satlites operativos,pertenecientes a los bloques IIA y IIR. Se disponen:- Cinco en los planos A, E y F.- Cuatro en los planos B, C y D.Todos disponen de osciladores atmicos de cesio, salvo los SVN 24, 27 y 31 que lotienen de rubidio. En el caso de los primeros la precisin es de 10-13 s, mientras que los derubidio es de 10-12 s. La frecuencia fundamental de emisin de estos osciladores es de 10,23MHz.El tiempo utilizado por el sistema GPS es un tiempo universal coordinado denominadoUTC(USNO) que define el Observatorio Naval de los Estados Unidos mediante relojesatmicos de hidrgeno. La unidad del tiempo GPS es el segundo atmico internacional y tienesu origen coincidente con el UTC a las cero horas del 6 de enero de 1980.As mismo, debemos aadir que los satlites disponen adems de:- Antenas emisoras de ondas de radio (banda L). Con ellas transmiten la informacin alusuario.- Antenas emisoras-receptoras de ondas de radio (banda S). Sirven para actualizar susituacin a travs del sector de control.- Paneles solares para disponer de la energa necesaria para su funcionamiento.- Reflectores lser para el seguimiento desde el sector de control.La vida de los satlites oscila entre los seis y diez aos, y es de resear que el msantiguo aun operativo tiene una edad de ocho aos y medio. El ms duradero fue el SVN-3 quedur trece aos y medio.2.1.2. SEAL DE LOS SATLITES.Los satlites de la constelacin NAVSTAR constan de un oscilador antes mencionadoque genera una frecuencia fundamental v0 de 10,23 MHz. A partir de esta frecuenciafundamental se generan dos portadoras en la banda L de radiofrecuencia, denominadas L1 y L2.Adems, existen dos formas de cdigo pseudoaleatorio que se modulan sobre estasportadoras, son los cdigos C/A y P, adems de un mensaje, que da la informacin de losparmetros orbitales del satlite y del estado del reloj. Los cdigos son una secuencia de +1 y -1, correspondientes a los valores binarios de 0 y 1 respectivamente.Los componentes de la seal y sus frecuencias son: COMPONENTE FRECUENCIA(MHz)Frecuencia Fundamentalv010,23Portadora L1 154v01.575,42Portadora L2 120 v0 1.227,60Cdigo P v010,23Cdigo C/Av0 /10 1,023Cdigo W v0 /200,5115Mensaje de Navegacin v0 /204.600 50 10 -6 5 7. El cdigo C/A (clear/access) se repite cada milisegundo, dando como resultado uncdigo de 1023 chips, siendo la longitud aproximada de cada chip de unos 300 m. Este cdigoest declarado de uso civil para todos los usuarios.El cdigo preciso P se compone de 2,35471014 bits y se repite aproximadamente cada266,4 das. Este cdigo lleva una palabra denominada HOW que indica en que momento delcdigo est cuando el receptor empieza a recibirlo, de este modo el receptor engancha el cdigoy empieza a medir. El cdigo P es secreto y de uso militar. Se origina a partir de la combinacinde dos secuencias de bits, generados a partir de dos registros. La longitud de cada chip es de 30m. Con el fin de proteger el cdigo P, ste se encripta usando un cdigo W, dando lugar alcdigo Y. Si el cdigo W est en curso se habla de que est conectado el A/S (Anti-Spoofing). El mensaje de navegacin es mandado por los satlites, y consta esencialmente deinformacin sobre el reloj de los satlites, parmetros orbitales (efemrides), estado de salud delos satlites y otros datos de correccin. El mensaje consta de 25 grupos de 1500 bits cada unoy divididos en cinco celdas. Cada grupo se transmite con una frecuencia de 50 Hz y tarda 30 s.Esto supone que el mensaje modulado completo sobre ambas portadoras tiene una duracin de12 min. 30 s. Por razones de ndole militar, se introduce un error intencionado en las efemridesradiodifundidas de los satlites, denominado Disponibilidad Selectiva (SA). Esto repercute enel posicionamiento sobre el sistema de referencia WGS84, ya que si la posicin de los satlitesque nos sirven de referencia est alterada nuestro posicionamiento no se va a realizar en dichosistema, sino que se va a efectuar en un sistema arbitrario, con un error mayor o menor enfuncin de la cantidad de SA que exista en ese instante. Este problema es importante enposicionamientos absolutos, ya que no podemos saber la posicin correcta. Sin embargo, enposicionamientos diferenciales nos afecta en posicin pero no en precisin, ya que la posicinrelativa de un punto respecto a una referencia (sus incrementos de coordenadas) no estafectada de este error.2.1.3. EL SISTEMA DE REFERENCIA. DATUM WGS-84.Las coordenadas, tanto de los satlites como de los usuarios que se posicionan con elsistema GPS, estn referidas al sistema de referencia WGS84 (Sistema Geodsico Mundial de1984). Estas coordenadas pueden ser cartesianas en el espacio respecto al centro de masas de laTierra (X, Y, Z) o geodsicas (, , h). El sistema tiene las siguientes caractersticas:- Origen en el Centro de Masas de la Tierra.- El eje Z es paralelo al polo medio.- El eje X es la interseccin del meridiano de Greenwich y el plano del ecuador.- El eje Y es perpendicular a los ejes Z y X, y coincidente con ellos en el Centro deMasas terrestre.- Las coordenadas geodsicas estn referidas a un elipsoide de revolucin con lassiguientes caractersticas:* Semieje mayor (a) : 6.378.137 m.* Inversa del aplanamiento (1 / ) : 298,257223563* Velocidad angular de rotacin () : 7.292.115 10 -11 rad / s. La transformacin de las coordenadas WGS84 a otro sistema de referencia, y viceversa,es posible con transformaciones tridimensionales de siete parmetros, ya sean calculadas6 8. (donde deberemos conocer al menos las coordenadas de tres puntos en ambos sistemas) oestablecidas por algn organismo con una gran base de datos. Para realizar una transformacincorrecta debemos definir el elipsoide al que queremos referir nuestras coordenadas, laproyeccin y la zona. A modo de ejemplo, si queremos transformar puntos con coordenadasWGS84 a coordenadas en el Datum oficial espaol, deberemos especificar que se trata delelipsoide Internacional de Hayford, proyeccin UTM_ED50 y zona 28,29, 30 31 (segn elhuso donde se encuentren los puntos).Existen otros tipos de transformaciones, como las bidimensionales, las de coordenadasplanas y altura, y aquellas en que se introducen modelos del Geoide (globales o zonales) con elfin de obtener alturas ortomtricas.2.2. EL SECTOR DE CONTROL.Este sector tiene como misin el seguimiento continuo de todos los satlites de laconstelacin NAVSTAR para los siguientes fines: - Establecer la rbita de cada satlite, as como determinar el estado de sus osciladores. - Hallados los parmetros anteriores, emitirlos a los satlites para que stos puedan difundirlos a los usuarios. De este modo, el usuario recibe la informacin de las efemrides de posicin de lossatlites y el error que se est produciendo en su reloj, todo ello incluido en el mensaje denavegacin. Las Estaciones de Control de la constelacin son fundamentalmente: - Colorado Springs (U.S.A.). Central de clculo y operaciones. - Ascensin (Atlntico Sur). - Hawai (Pacfico Oriental). - Kwajalein (Pacfico Occidental). - Diego Garca (Indico).Existen adems otras estaciones de seguimiento (lser, radar y pticas), cuyo fin es laobtencin de efemrides que no estn afectadas por la disponibilidad selectiva, denominadasprecisas, y que estn al alcance del usuario a travs de organismos cientficos como el IGS(International Geodinamic Service) o el NGS (National Geodetic Survey). Con ellas, tenemos laseguridad de posicionarnos en el sistema WGS84 con los errores tpicos del sistema.2.3. EL SECTOR DE USUARIOS.Este sector lo compone el instrumental que deben utilizar los usuarios para larecepcin, lectura, tratamiento y configuracin de las seales, con el fin de alcanzar losobjetivos de su trabajo. Los elementos son el equipo de observacin y el software de clculo,que puede ser objeto de uso tras la campaa de observacin, o bien realizable en tiempo real,donde se obtienen los resultados in situ.Equipo de observacin. Lo componen la antena, el sensor y la unidad de control ocontrolador. 7 9. - La antena de recepcin tiene la misin de recibir las radiaciones electromagnticasque emiten los satlites y transformarlas en impulsos elctricos, los cuales conservan lainformacin modulada en las portadoras. Se denomina centro radioelctrico de la antena alpunto que se posiciona en nuestra observacin. Dado que ste no suele coincidir con el centrofsico, es conveniente orientar todas las antenas de una misma observacin en la mismadireccin con el fin de que el error se elimine. - El sensor recibe los impulsos de la antena receptora, y reconstruye e interpreta loscomponentes de la seal, es decir, las portadoras, los cdigos y el mensaje de navegacin. Endefinitiva, lo que hace es demodular la seal original.El proceso es el siguiente, el sensor correla los cdigos, es decir, lo compara con unarplica que l mismo genera, y de este modo halla el tiempo que ha tardado en llegar la seal alreceptor, obteniendo la distancia al satlite multiplicando esa diferencia de tiempos por el valorde la velocidad de propagacin de las ondas en el vaco (aproximadamente unos 300.000Km/s). Como estas distancias estn afectadas de errores, se las denomina seudodistancias.Para obtener medidas de seudodistancia mediante diferencia de fase de las portadoras,el sensor reconstruye stas por modulacin bifase-binaria de los cdigos modulados en ellas.Las tcnicas de obtencin de los cdigos son, entre otras: - Correlacin estrecha. Se utiliza para reconstruir los cdigos C/A y P, ste ltimocuando no est encriptado.- Correlacin cruzada ms cuadratura. Esta tcnica se utiliza para desencriptar elcdigo P cuando el A/S est activado. Tambin recibe esta tcnica el nombre de P-codeadied. Se fundamenta en encontrar el cdigo W que es el responsable de que P no estdisponible para el usuarios. - Z-TrackingTM. Es otra tcnica para desencriptar el cdigo P. Para ello, utiliza dosfiltros de paso bajo para reducir el nivel de ruido. Hasta el momento, es la tcnica que menordegradacin produce en la seal (18 dB) y mejores resultados proporciona.Para reconstruir las portadoras se utiliza principalmente:- Cuadratura. Consiste en elevar la onda al cuadrado, limpiando dicha onda de toda lainformacin modulada en ella (cdigos y mensaje). Este mtodo tiene el inconveniente de quese produce un empeoramiento importante de la relacin seal/ruido por el aumento de steltimo, produciendo una degradacin importante en la seal. Debemos aadir que toda sealrecibida con una relacin seal/ruido menor de 30 no debe ser considerada como til ennuestros trabajos. - Reconstruccin a partir de los cdigos. Si por algunas de las tcnicas anterioreshemos conseguido acceder a los cdigos, podemos reconstruir las fases de las portadoras dondeestn modulados. La portadora L1 se puede reconstruir a travs del cdigo C/A y del cdigo P,mientras que la L2 slo a travs del cdigo P, ya que no contiene el C/A.El sensor tiene unos canales de recepcin, de doble seal si es un receptor bifrecuenciay de seal nica si es monofrecuencia. Cada canal recibe las seales de un satlite diferente, y8 10. dependiendo del nmero de canales obtendremos mayor o menor informacin en un momentodado. Los receptores disponen de un reloj u oscilador que sincroniza los tiempos de recepcin.Estos relojes suelen ser de cuarzo con una alta estabilidad, dando precisiones de 10 -7 s. Conellos se obtiene el desfase respecto al tiempo GPS. Este aspecto es el que supone el aadir unaincgnita en el clculo posterior, que no es otra que el estado del reloj en cada poca degrabacin. Es muy frecuente encontrar equipos de observacin en los cuales el sensor y la antenaforman un elemento nico, lo que facilita el paso de informacin y agiliza el proceso, evitandolos retardos que se producen en la transmisin por cable. - El controlador realiza las siguientes tareas: * Controlar el sensor. * Gestionar la observacin. * Almacenar los datos. En definitiva, con l vamos a marcar las pautas y modos de trabajo que consideremosoportunos en cada caso. Entre estas pautas destacan: * Tipo de observacin (esttica, stop & go, cinemtica, etc.). * Parmetros de la observacin (mscara de elevacin, modo de grabacin, determinacin de las pocas, datos meteorolgicos, etc.). * Estado y salud de los satlites. * Seguimiento de los mismos y calidad de la seal que transmiten. * Filtrado de observaciones y datos. * Definicin y atributos de los puntos de observacin. * Estados de aviso en conceptos de geometra y prdidas de ciclo. * Definicin del sistema de referencia. * Tiempos de observacin y actualizacin de tiempos. * Control del nivel energtico. * Posicin inicial y secuencial. * Etc. El buen manejo del controlador es fundamental en los procesos de observacin, ascomo el conocimiento y aplicacin de los parmetros adecuados en cada situacin o necesidad. Los datos suelen ser grabados en unidades independientes de memoria o tarjetas RAMPCMCIA, que varan desde los 512 Kbytes a los 4 Mbytes de capacidad. Tambin pueden seralmacenados directamente en un PC porttil conectado al receptor. Es muy importante controlar la capacidad de grabacin de datos y el tiempo deobservacin marcado. Estos son algunos ejemplos de almacenamiento por tiempo deobservacin en funcin del nmero de satlites y seales recibidas: 0,5 Mb 1 Mb2 Mb 4 Mb 6 satlites sobre L1 y L2 con pocas de 2 s.1 h.2 h.4 h.8 h. 6 satlites sobre L1 y L2 con pocas de 5 s.2,4 h. 4,8 h.9,6 h. 19,2 h. 6 satlites sobre L1 y L2 con pocas de 15 s. 7,2 h. 14,4 h. 28,8 h. 57,6 h.9 11. Tras la observacin se obtienen los siguientes datos: * Mensaje de navegacin. * Efemrides radiodifundidas por los satlites. * Datos meteorolgicos. * Almanaque de estado de los satlites. * Fichero de observacin.Estos datos pueden ser volcados en un ordenador para ser tratados con un software depost-proceso, o bien tratados in situ por el mismo controlador si ste dispone de un softwarede proceso y as obtener los resultados en tiempo real.El usuario debe saber que los datos citados anteriormente pueden ser transformados aun formato estndar independiente en modo ASCII para insertarlos y ser tratados por cualquiersoftware de proceso de datos GPS. Este formato es el denominado RINEX, que en la actualidadya figura como RINEX-2, con la posibilidad de incluir observaciones realizadas a travs de laconstelacin GLONASS.A continuacin se va a describir los distintos tipos de ficheros RINEX-2 para que elusuario pueda interpretar, tratar y modelar sus observaciones: 1.- Caractersticas del fichero de observacin: ETIQUETA DE CABECERADESCRIPCIN RINEX VERSION / TYPE- Versin de RINEX. - Tipo de fichero (O observ.) - Sistema de satlite: * G: GPS. * R: GLONASS. * T: NNSS Transit. * M: Mixto. PGM / RUN BY / DATE - Programa de creacin del fichero. - Agencia de creacin del fichero. - Da de creacin del fichero. COMMENT - Comentarios. MARKER NAME - Nombre del punto de observacin. MARKER NUMBER - Nmero del punto de observacin. OBSERVER / AGENCY - Nombre del observador y agencia. REC # / TYPE / VERS - Nmero de receptor, tipo y software. ANT # / TYPE- Nmero y tipo de antena.10 12. APPROX POSITION XYZ- Posicin absoluta aproximada del punto en la ltima poca.ANTENNA: DELTA H/E/N - Altura de antena y excentricidadesrelativas al este y al norte (m).WAVELENGTH FACT L1/2- Factores de para L1 y L2: * 1: Ciclo completo. * 2: Medio ciclo (cuadratura). * 0 en L2: Slo una frecuencia.- Nmero de satlites con estos factores.- Lista de PRNs satlites.# / TYPES OF OBSERV- Nmero de observables grabados. - Tipos de observables grabados. * L1,L2: Medidas de fase L1 o L2. * C1: Pseudodist. con C/A en L1. * P1,P2: Idem con P en L1 o L2. * D1,D2: Doppler en L1 o L2. * T1,T2: Transit IntegratedDoppler en 150 o 400 MHz. - Las unidades de las medidas son: * Fase: ciclos enteros. * Pseudodistancia: metros. * Doppler: Hz. * Transit: ciclos.INTERVAL - Intervalo de observacin (pocas) en s.TIME OF FIRST OBS -Tiempo de la primera poca de grabacin(ao, mes, da, hora, minuto y segundo).- Sistema de tiempo:* GPS: tiempo GPS.* GLO: tiempo UTC.TIME OF LAST OBS- Tiempo de la ltima poca de grabacin.La estructura es anloga a la anterior.LEAP SECONDS - Salto de segundos desde el 6-1-1980. Esrecomendable su uso con datos mixtos.END OF HEADER - Final de cabecera.OBS RECORD - Epoca (ao, mes, mes, da, min, seg). - Seal 0 (OK) 1 (falta de sincronismoentre la poca anterior y la actual. - Nmero de satlites en la poca actual. - Lista de PRNs en la poca actual. - Valores de las observables. - Desfase del reloj del receptor. 11 13. Ejemplo de fichero de observacin bifrecuencia para datos GPS:2OBSERVATION DATARINEX VERSION / TYPEOBSTORNXVersion 2.1 08-OCT-97 13:39 PGM / RUN BY / DATE OBSERVER / AGENCYBIFREMARKER NAMEBIFREMARKER NUMBER-30541 SR399 3.7 REC # / TYPE / VERS149231 internalANT # / TYPE4855544.6069 -308073.2051 4111359.4373 APPROX POSITION XYZ0.0000 0.00000.0000ANTENNA: DELTA H/E/N11 WAVELENGTH FACT L1/24 P1 L1P2 L2 # / TYPES OF OBSERV1997108 9460.000000TIME OF FIRST OBS END OF HEADER 97 10 8 9 4 55.0000000 0 7G14G16G15G29G 7G18G250.00000078920334437.585106858192.87049 20334432.09483266097.2954821069475.052110720842.32949 21069470.06786275958.6094821114179.659110955756.93548 21114174.58386459014.9424821615000.501113587593.78448 21614995.00888509788.3604821818293.814114655901.16948 21818288.97189342245.0314723855069.991125359245.22047 23855066.45397682506.7764624828116.724130472667.93945 0.0000.00040 97 10 8 9 5 0.0000000 0 7G14G16G15G29G 7G18G25 0.00000077420334920.310106860729.54049 20334914.78983268073.9134821068014.636110713167.72749 21068009.63786269978.3944821115965.620110965142.22548 21115960.55286466328.1244821616369.479113594787.93848 21616363.99588515394.1974821816559.604114646787.64448 21816554.73889335143.5724723851498.353125340476.07447 23851494.78097667881.4974624827247.528130468100.22145 0.0000.00040Ejemplo de fichero de observacin monofrecuencia para datos GPS:2OBSERVATION DATA RINEX VERSION / TYPEOBSTORNXVersion 2.1 08-OCT-97 13:40 PGM / RUN BY / DATEOBSERVER / AGENCYMONOFRE MARKER NAMEMONOFRE MARKER NUMBER095141SR261 3.52REC # / TYPE / VERS096446external without GP ANT # / TYPE4855541.2873-308058.4193 4111402.0074 APPROX POSITION XYZ0.00000.00000.0000ANTENNA: DELTA H/E/N 1 0WAVELENGTH FACT L1/2 2C1L1# / TYPES OF OBSERV199710 8 955.000000 TIME OF FIRST OBSEND OF HEADER 97 10 8 9 5 5.0000000 0 6G14G 7G15G16G18G29-0.00000065720335021.239 106861263.8674921816663.151 114647339.6644821116064.242 110965689.5474821068117.944 110713706.0514823851605.473 125341102.7424721616468.709 113595311.77348 97 10 8 9 5 10.0000000 0 6G14G 7G15G16G18G29-0.00000067820335456.952 106863553.5554921814882.551 114637982.5514821117802.817 110974826.8204812 14. Ejemplo de fichero de observacin monofrecuencia para datos combinados GPS /GLONASS:2 OBSERVATION DATA RINEX VERSION / TYPERINEX Version 2.1 08-OCT-97 13:40 PGM / RUN BY / DATE OBSERVER / AGENCYMONOFREMIXTO MARKER NAMEMONOFREMIXTO MARKER NUMBER5141S613.52REC # / TYPE / VERS446external without GP ANT # / TYPE4855541.2873 -308058.4193 4111402.0074 APPROX POSITION XYZ0.00000.0000 0.0000ANTENNA: DELTA H/E/N1 0WAVELENGTH FACT L1/22 C1 L1# / TYPES OF OBSERV 11LEAP SECONDS 199710895 5.000000TIME OF FIRST OBS END OF HEADER 97 10 8 9 5 5.0000000 0 9G14G 7G15G16G18G29R12R 3R1020335021.239 106861263.8674921816663.151 114647339.6644821116064.242 110965689.5474821068117.944 110713706.0514823851605.473 125341102.7424721616468.709 113595311.7734820335456.952 106863553.5554921814882.551 114637982.5514821117802.817 110974826.820482.- Caractersticas del fichero del mensaje de navegacin: ETIQUETA DE CABECERADESCRIPCIONRINEX VERSION / TYPE - Formato y tipo de fichero(N Naveg.)PGM / RUN BY / DATE- Nombre, agencia y da de creacin.COMMENT- Comentario.ION ALPHA - Parmetros ionosfricos A0-A3 del almanaque.ION BETA- Parmetros ionosfricos B0-B3 del almanaque.DELTA-UTC: A0,A1,T,W- Parmetros del almanaque para calcular el tiempo en el sistema UTC: * A0,A1: Trminos del polinomio. * T: Tiempo de referencia para datos UTC. * W: Nmero de la semana UTC de referencia.LEAP SECONDS - Error en el tiempo por el salto de segundoEND OF HEADER- Final de cabecera.13 15. OBS. RECORD Grupo 1 -Nmero PRN, ao,mes,da,hora,min.,sec.- Error del reloj del satlite (s).- Deriva del reloj del satlite (s/s).- Perodo de deriva (s -1).Grupo 2 - Edad de las efemrides (s).- Correccin Crs (m).- Diferencia media de movimiento (rad / s).- Anomala media (rad).Grupo 3 - Correccin Cuc (rad).- Excentricidad.- Correccin Cus (rad).- Raz cuadrada del semieje mayor (m1/2).Grupo 4 - Tiempo de las efemrides (segundos desemana GPS).- Correccin Cic (rad).- Nodo de longitud (OMEGA) (rad).- Correccin Cis (rad).Grupo 5 - Inclinacin (rad).- Correccin Crc (m).- Argumento del perigeo (omega) (rad).- Velocidad del nodo de longitud (OMEGADOT) (rad / s) .Grupo 6 - Velocidad de inclinacin (IDOT) (rad / s)- Cdigos en el canal L2.- Semana GPS.- Aviso de datos de cdigo P en L2.Grupo 7 - Precisin del satlite (m).- Salud del satlite (entrada MSB).- Retardo ionosfrico (TGD) (s).- Edad de los datos del reloj (s).Grupo 8 - Tiempo de transmisin del mensaje (s desemana GPS).- De repuesto / sin informacin.- De repuesto / sin informacin.- De repuesto / sin informacin.14 16. Ejemplo de fichero de navegacin de datos GPS: 2NAVIGATION DATA RINEX VERSION / TYPEEPHTORNXVersion 2.1 08-OCT-97 13:39 PGM / RUN BY / DATEEND OF HEADER14 97 10 8 9 59 60.0 0.228183344007D-04 0.341060513165D-12 0.000000000000D+000.590000000000D+02-0.460312500000D+02 0.431589386451D-08 0.123485942917D+01 -0.239536166191D-05 0.151082023513D-02 0.914372503757D-05 0.515376567459D+040.295200000000D+06 0.279396772385D-07 0.136000332260D+01 0.130385160446D-070.969519034508D+00 0.206718750000D+03 0.294364805951D+01-0.789104337429D-080.140720143871D-09 0.100000000000D+01 0.926000000000D+03 0.000000000000D+000.700000000000D+01 0.000000000000D+00-0.232830643654D-08 0.590000000000D+020.000000000000D+0016 97 10 8 9 59 44.0 0.310195609927D-04 0.159161572810D-11 0.000000000000D+000.820000000000D+02-0.466250000000D+02 0.445554260153D-08 0.109773916963D+01 -0.235624611378D-05 0.221713271458D-02 0.879168510437D-05 0.515362895393D+040.295184000000D+06 0.465661287308D-07 0.136628704583D+01 0.186264514923D-070.965927376055D+00 0.210343750000D+03 0.664243366688D-01-0.796533150549D-080.717887069235D-10 0.100000000000D+01 0.926000000000D+03 0.000000000000D+000.700000000000D+01 0.000000000000D+00-0.232830643654D-08 0.820000000000D+020.000000000000D+00 3.- Caractersticas del fichero de datos meteorolgicos: ETIQUETA DE CABECERADESCRIPCION RINEX VERSION / TYPE- Formato y tipo de fichero ( M met.). PGM / RUN BY / DATE - Programa, agencia y da de creacin. COMMENT - Comentario. MARKER NAME - Nombre de la estacin. MARKER NUMBER - Nmero de la estacin. # / TYPES OF OBS- Nmero y tipos de observacin grabados.* PR: presin (mbar).* TD: temperatura seca ( celsius). * HR: humedad relativa (%). SENSOR MOD/TYPE - Sensor de observacin meteorolgico: * Modelo. * Tipo. * Precisin. * Observable (PR, TD o HR). SENSOR POS XYZH - Posicin aproximada del sensor. * XYZ geocent. (ITRF o WGS84). * H elipsoidal. * Tipo de observable (PR,TD,HR). END OF HEADER - Final de cabecera.15 17. OBS. RECORD - Epoca en tiempo GPS (ao,mes,dia,hora,minuto y segundo). - Datos PR, TD y HR. Ejemplo de fichero de datos meteorolgicos: 2 METEOROLOGICAL DATARINEX VERSIONXXRINEXM V9.9AIUB 2-APR-97 00:10 PGM / RUN BY / DATEEJEMPLO DE FICHERO METEOROLOGICOCOMMENTA 1000MARKER NAME 3PR TD HR# / TYPES OF OBSMETEORO 234-655 0.2PR SENSOR MOD / TYPEMETEORO 234-655 0.2TD SENSOR MOD / TYPEMETEORO 234-655 3.0HR SENSOR MOD / TYPE 3333.33333.3 3333.3 345.1223 SENSOR POS / XYZHEND OF HEADER97 4 1 0 0 15988.0 15.288.097 4 1 0 0 30988.2 15.488.097 4 1 0 0 45988.2 15.288.3 Tipos de receptores. Fundamentalmente existen:- Navegacin. Reciben nicamente observables de cdigo (tiempos). Son losinstrumentos menos precisos, aunque su evolucin est siendo espectacular. Sus aplicacionesms comunes son la navegacin, catastro, GIS y levantamientos de escalas menores de 1/ 5000en los ms sofisticados.- Monofrecuencia. Reciben las observables de cdigo y fase de la portadora L1. Laprecisin de estos instrumentos ya es significativa, y son de aplicacin topogrfica y geodsicaen pequeas distancias (hasta 100 km).- Bifrecuencia. Reciben las observables de cdigo y fase de las portadoras L1 y L2. Laprecisin y el rendimiento son mucho mayores debido a la posibilidad de combinar los datos yformar en post-proceso combinaciones de observables que agilizan el clculo y eliminan loserrores de retardo atmosfrico. Estn indicados para trabajos de precisin y all donde elrendimiento y los buenos resultados requeridos sean mximos. 16 18. CAPTULO II. INTRODUCCIN AL SISTEMA GLONASS.El Sistema de Posicionamiento Global NAVSTAR no es el nico Sistema dePosicionamiento existente. El Sistema Ruso GLONASS es tambin operativo, y a pesar de queactualmente la constelacin no est completada, proporciona a los usuarios civiles unasprecisiones en el posicionamiento absoluto tpicamente mejores que las que proporciona elSistema GPS, debido a la aplicacin de la degradacin intencionada de la informacindenominada Disponibilidad Selectiva (SA).1. INTRODUCCION.A principios de los 70s, quiz como una respuesta al desarrollo del Sistema GPS, elantiguo Ministro de Defensa Sovitico desarroll el Global naya Navigatsionnaya SputnikovaSistema o Sistema Global de Navegacin por Satlite (GLONASS). El Sistema GLONASS essimilar al GPS en muchos aspectos, aunque como se ver tambin hay muchas diferencias.En el ao 1993, oficialmente el Gobierno Ruso coloc el programa GLONASS enmanos de Fuerzas Espaciales Militares Rusas (RSF). Este organismo es el responsable deldesarrollo de satlites GLONASS, de su mantenimiento y puesta en rbita, y certificacin a losusuarios. Este organismo opera en colaboracin con el CSIC (Coordinational ScientificInformation Center), el cual publica la informacin sobre GLONASS.Durante los 80s, la informacin acerca de GLONASS era escasa. No se saba mucho delas rbitas de los satlites ni de las seales usadas para transmisin de las seales denavegacin. Pero actualmente, gracias a estudios e investigaciones sobre este sistema, sedispone ya de gran cantidad de informacin acerca GLONASS. Los Rusos, a travs del RSF ydel CSIC publican el documento ICD (Interface Control Document). Este documento es similaren estructura al Segmento Espacial del sistema NAVSTAR GPS, donde se describe el sistema,sus componentes, estructura de la seal y el mensaje de navegacin para uso civil.La constelacin ha experimentado un gran progreso desde los aos 1994 y 1995. Losplanes de GLONASS son ofrecer dos niveles de servicio: El Channel of Standard Accuracy (CSA), similar al Standar Positioning Service (SPS) delSistema GPS, disponible para uso civil. El Channel of High Accuracy (CHA), similar al Precise Positioning Service (PPS) delSistema GPS, disponibble solo para usuarios autorizados.La Organizacin Internacional de Aviacin Civil (ICAO) acept formalmente en Julio1996, el uso de GLONASS/CSA para uso en aviacin civil, como ya se hizo en 1994 con elGPS/SPS. 17 19. 2. DESCRIPCIN Y CONSTITUCIN DEL SISTEMA.El Sistema GLONASS, al igual que el Sistema GPS, est formado por tres sectoresfundamentales: el Sector de Control, el Sector Espacial y el Sector Usuario.2.1. SECTOR DE CONTROL.El Sector de Control est formado por un Sistema Central de Control (SCC) en laregin de Mosc (Golitsyno-2) y una red de estaciones de seguimiento y control (CommandTracking Stations, CTS), emplazadas por todo el rea alrededor de Rusia. El Sector de ControlGLONASS, al igual que el de GPS debe seguir y vigilar el estado de sus satlites, determinarlas efemrides y errores de los relojes de los satlites, es decir, la diferencia entre el tiempoGLONASS y la escala de tiempo UTC(SU). Adems tambin deben actualizar los datos denavegacin de los satlites. Estas actualizaciones se realizan dos veces al da. Las estaciones de control (CTSs) realizan el seguimiento de los satlites y almacenanlos datos de distancias y telemetra a partir de las seales de los satlites. La informacinobtenida en las CTSs es procesada en el Sistema Central de Control (SCC) para determinar losestados de las rbitas y relojes de los satlites, y para actualizar el mensaje de navegacin decada satlite. Esta informacin es enviada a cada satlite por medio de las CTSs. Las CTSscalibran peridicamente los datos de distancias a los satlites mediante lser. Para ello, lossatlites GLONASS van provistos de unos reflectores especiales. La sincronizacin de todos estos procesos en el Sistema GLONASS es muy importante.Para conseguir esta sincronizacin, se dispone de un reloj atmico de hidrgeno de altaprecisin, el cual determina la escala de tiempo GLONASS. Los satlites GLONASS llevan abordo un reloj de cesio y se sincronizan respecto a la State Etalon UTC(CIS) en Mendeleevo,a travs de la escala de tiempo del sistema GLONASS. A todas estas estaciones de control debemos aadir otras estaciones de seguimiento quese utilizan para obtener los parmetros de transformacin del Sistema GLONASS PZ-90 alSistema GPS WGS-84, adems de la determinacin de las rbitas y observacin y anlisis delas anomalas de los satlites. Estos parmetros de transformacin se aplican cuando se trabajacon el sistema combinado GPS/GLONASS. Estas estaciones estn repartidas por todo elmundo y utilizan tcnicas lser, radar y pticas. Estos parmetros son calculados por mnimoscuadrados utilizando 9 das de datos de seguimiento.La calidad de las posiciones estimadas obtenidas a partir de GLONASS es comparablea la que se obtiene con GPS cuando la Disponibilidad Selectiva est desactivada. El valor delrms (URE) en la determinacin de las rbitas para GLONASS es de aproximadamente 10 m.El Gobierno de la Federacin Rusa ha declarado que GLONASS proporcionar a losusuarios civiles una precisin en toda la Tierra para el posicionamiento absoluto en tiempo realbasado en medidas de cdigo de unos 60 m en horizontal (99.7%) y de unos 75 m en vertical(99.7%). Los rusos han anunciado que no tienen previsto introducir ninguna medidaintencionada de degradacin de la precisin del sistema.18 20. Las estaciones de control de las Fuerzas Espaciales Rusas (RSF) publican unosboletines, llamados NAGUSs para los usuarios GLONASS con noticias, estado y anomalas delsistema, para as anunciar la inutilidad de alguno o varios satlites. Otras organizaciones, comoGLONASS Group del Laboratorio de Lincoln de Massachusetts o el DLR-DFD NeustrelitzRemote Sensing Ground Station en Alemania, tambin controlan la actividad de GLONASS.Las anomalas se producen cuando los parmetros que manda el satlite en su mensajede navegacin son incorrectos y el parmetro de salud indica que est sano. El resultado es unaincorrecta pseudodistancia y trae consigo posicionamientos incorrectos. Las anomalas delsistema se determinan por medio de las estaciones de control, que hacen uso del algoritmoRAIM. Esto consiste en receptores autnomos de seguimiento ntegro que detectan anomalasen la transmisin de datos, an figurando un buen estado de salud en los mensajes denavegacin y almanaques. Adems, si un receptor dispone de este algoritmo RAIM puededetectar fcilmente estas anomalas.Un ejemplo de una publicacin NAGU es la siguiente :1.STATUS Information GroupGLONASS Constellation Status (November 20, 1997) GLONASS Cosmos Plane/ Frequ.LaunchIntroStatus Outage number numberslot chann.datedatedate7582275 3/18 1011.04.9404.09.94 operating7602276 3/17 2411.04.9418.05.94 operating7612277 3/23 3 11.04.9416.05.94 withdrawn 29.08.977672287 2/12 2211.08.9407.09.94 operating7702288 2/14 9 11.08.9404.09.94 operating7752289 2/16 2211.08.9407.09.94 operating7622294 1/41220.11.9411.12.94 operating7632295 1/32120.11.9415.12.94 operating7642296 1/61320.11.9416.12.94 operating7652307 3/20 1 07.03.9530.03.95 operating7662308 3/22 1007.03.9505.04.95 operating7772309 3/19 3 07.03.9506.04.95 unusable 17.07.977802316 2/15 4 24.07.9526.08.95 operating7812317 2/10 9 24.07.9522.08.95 operating7852318 2/11 4 24.07.9522.08.95 operating7762323 2/96 14.12.9507.01.96 operating7782324 2/91114.12.95 spare7822325 2/13 6 14.12.9518.01.96 operating Note: All the dates (DD.MM.YY) are given at Moscow Time (UTC+0300)2.SUMMARY Information GroupSUBJ:GLONASS STATUS 20 NOVEMBER 971.SATELLITES, PLANES, SLOTS AND CHANNELSPlane 1/ slot: 01 02 03 04 05 06 07 08Channel: -- -- 21 12 -- 13 -- --Plane 2/ slot: 09 10 11 12 13 14 15 16Channel: 06 09 04 22 06 09 04 22Plane 3/ slot: 17 18 19 20 21 22 23 24Channel: 24 10 -- 01 -- 10 -- --2.CURRENT ADVISORIES (ADV) AND FORECASTS (FCST)INFORMATION IS REPEATED FOR ONE MONTH AFTER EVENT CONCLUDES.ALL THE DATES (DD.MM.YY) ARE GIVEN AT MOSCOW TIME (UTC+0300)A. FORECASTS19 21. NAGU-MSG.DATE-TIME-SL/CH-TYPE-SUMMARY101-971028-28.10.97-1100-10/09- FCST-OUTAGE 31.10/12.54-31.10/13.58B. ADVISORIESNAGU-MSG.DATE-TIME-SL/CH-TYPE-SUMMARY067-970717-17.07.97-1100-19/03-ADVS-UNUSABLE17.07/0350-UNFINISHED099-971017-17.10.97-1100-20/01-ADVS-UNUSABLE16.10/1550-16.10/1622100-971027-27.10.97-1100-12/22-ADVS-UNUSABLE26.10/0006-UNFINISHED102-971029-29.10.97-1100-04/12-ADVS-UNUSABLE28.10/1239-28.10/2054103-971029-29.10.97-1100-15/04-ADVS-UNUSABLE28.10/1349-29.10/0121104-971105-05.11.97-1100-12/22-ADVS-PUT INTOOPERATION 04.11/1900C. GENERAL: NO IMPACT, INFORMATIONAL PURPOSE ONLYNAGU-MSG.DATE-TIME-SL/CH-TYPE-SUMMARY 3.NAGU Information Group067-970717NOTICE ADVISORY TO GLONASS USERS (NAGU) 067-970717SUBJ:19/03 (777) UNUSABLE SINCE 17.07/0350 MT1.CONDITION: 19/03 (777) UNUSABLE SINCE 17.07/0350 MT(UTC+0300) UNTIL FURTHER NOTICE DUE TO MAINTENANCE2.USERS ARE REMINDED TO UPDATE ALMANACS IF NECESSARY3.POC:CSIC RSF AT +7-095-333-81-33099-971017NOTICE ADVISORY TO GLONASS USERS (NAGU) 099-971017SUBJ: 20/01 (765) UNUSABLE 16.10/1550-16.10/1622 MT1.CONDITION: 20/01 (765) WAS UNUSABLE SINCE 16.10/1550UNTIL 16.10/1622 MT (UTC+0300) DUE TO MAINTENANCE2.POC:CSIC RSF AT +7-095-333-81-33100-971027NOTICE ADVISORY TO GLONASS USERS (NAGU) 100-971027SUBJ:12/22 (767) UNUSABLE SINCE 26.10/0006 MT1.CONDITION: 12/22 (767) UNUSABLE SINCE 26.10/0006 MT(UTC+0300) UNTIL FURTHER NOTICE DUE TO MAINTENANCE2.USERS ARE REMINDED TO UPDATE ALMANACS IF NECESSARY3.POC:CSIC RSF AT +7-095-333-81-332.2. SECTOR ESPACIAL. El Sector Espacial est formado por la constelacin de satlites. La constelacincompleta se compone 24 satlites en tres planos orbitales, cuyo nodo ascendente es de 120 yargumento de latitud de 15. Cada plano contiene 8 satlites espaciados regularmente, conargumento de latitud de 45. Los planos estn inclinados 64,8 respecto al Ecuador. Lossatlites GLONASS se encuentran a una distancia de aproximadamente 19100 Km y se sitanen rbitas casi circulares con semieje mayor de aproximadamente 25510 Km, siendo el periodoorbital de 675,8 minutos, es decir , 11horas y 15 minutos. Esto garantiza, con la constelacincompleta, la visibilidad de un mnimo de 5 satlites en todo el mundo con adecuada geometra,es decir, la constelacin GLONASS proporciona una cobertura de navegacin continua y globalpara la ejecucin satisfactoria de observaciones de navegacin. Cada satlite transmite unaseal de navegacin de radiofrecuencia, conteniendo un mensaje de navegacin para losusuarios. Los planos se numeran del 1 al 3. Cada satlite, segn el plano en el que est, 1 ,2 3,se numera del 1 al 8, del 9 al 16 y del 17 al 24 respectivamente. 20 22. El primer satlite se lanz el 12 de Octubre de 1982, y el ltimo el 14 de Diciembre de1995. En este periodo de tiempo se han realizado un total de 27 lanzamientos (dos de ellosfallidos con fecha 24-4-1987 y 17-2-1988), poniendo en rbita un total de 73 satlites, de loscuales a fecha de Enero de 1998, slo 13 estn actualmente operativos, ms uno de repuesto. Ladistribucin de los satlites en sus planos viene dada por la siguiente tabla:TABLA 1. Planos, satlites y canales.Plano 1Satlite 0102 0304 05 0607 08Canal - - 2112- 13 --Plano 2Satlite 0910 1112 13 1415 16Canal0609 0422 06-04 22Plano 3Satlite 1718 1920 21 2223 24Canal24 --01- 10 -- Cada satlite GLONASS dispone de un pequeo reflector, que es usado para elseguimiento de los satlites por lser desde las estaciones de control. Existen 4 prototipos omodelos de satlite. El primer prototipo lo componen un total de 10 satlites que forman elBloque I, lanzados entre Octubre-82 y May-85. Otros 6 satlites del segundo prototipo formanel Bloque IIa, lanzados entre Mayo-85 y Septiembre-86. Un total de 12 satlites forman elBloque IIb del tercer prototipo, lanzados entre Abril-87 y Mayo-88, de los cuales seis seperdieron en los dos fallos anteriormente reseados por fallo del vehculo de lanzamiento. Elcuarto prototipo forma el Bloque IIv, constituido por 43 satlites, de los cuales se han lanzadola totalidad de ellos hasta la fecha de 14 de Diciembre de 1995.Cada subsiguiente generacin de satlites contienen equipamientos ms modernos ytienen un mayor periodo de vida. El Gobierno Ruso desarrolla un nuevo prototipo de satlitesque irn sustituyendo a los antiguos para formar la nueva Constelacin GLONASS-M. Los testcon los satlites GLONASS-M comenzaron en 1996. Las principales caractersticas de laConstelacin GLONASS-M son: - la esperanza de vida de los satlites ser de 5 aos, frente a los 3 aos de los satlites actuales. - transmisin del cdigo C/A en L2 para uso civil. - estabilidad en los relojes de 110-13 s frente a la actual de 510-13 s. - mejora de las precisiones de las efemrides. - capacidad del Sector de Control para establecer la mala salud de los satlites a los 10s de producirse el fallo. - transmisin instantnea del desfase entre las escalas de tiempo GPS y GLONASS. - reduccin del rms (URE) a 5 m frente al valor actual de 10 m.2.2.1. CARACTERSTICAS DE LAS SEALES GLONASS.21 23. Las descripciones de las seales GLONASS se refleja en los documentos ICD. Lossatlites GLONASS transmiten dos seales de ruido pseudoaleatorio. Los satlites GLONASSllevan a bordo relojes de atmicos de Cesio con un oscilador de frecuencia fundamental de 5MHz. A partir de esta frecuencia fundamental se pueden obtener o modular los cdigos C/A yP, de frecuencias 0.511 MHz y 5.11 MHz respectivamente. En la seal tambin se introduce unmensaje de 50 bits por segundo. La banda L1 funciona en la frecuencia 1602 + 0.5625 kMHz, donde k es el canal (0-24), lo genera un rango de frecuencias que van desde 1602 -1615.5 MHz. La banda L2 funciona en la frecuencia 1246 + 0.4375 k MHz, lo que genera unrango de frecuencias que van desde 1246 - 1256.5 MHz.Algunas transmisiones GLONASS crean interferencias con las seales astronmicas deradio, que usan las bandas de frecuencia de 1610.6 - 1613.8 y 1660 - 1670 MHz, quecorresponden a los canales GLONASS del 15 al 20. Adems, las transmisiones GLONASS defrecuencias superiores 1610 MHz tienen interferencias con las seales del servicio de satlitespara comunicaciones mviles en las frecuencias que van desde 1610 - 1626.5 MHz. Parasolucionar esto, y por la necesidad de minimizar las interferencias, las autoridades encargadasdel Sistema GLONASS decidieron reducir el nmero de frecuencias usadas (y por lo tanto elnmero de canales), y bajar el intervalo de frecuencias utilizadas. As, el sistema constar de 12canales de frecuencia, mas dos adicionales para los test de control. De esta forma la banda L1se encontrar entre 1598.0625 - 1604.25 MHz y la banda L2 se encontrar entre 1242.9375 -1247.75 MHz. Los actuales y futuros canales de frecuencias GLONASS se pueden resumir dela forma siguiente:* Frecuencias iniciales: fL1 = 1602 + 0.5625 k MHz (k = 0,....,24) fL2 = 1246 + 0.4375 k MHz (k = 0,....,24)* Hoy y hasta 1998: 1602 - 1608.8 MHz (canales 1 - 12) 1614.4 - 1615.5MHz (canales 22 - 24) 1246 - 1251.25 MHz (canales 1 - 12)1255.625 - 1256.5 MHz (canales 22 - 24)Los canales 15-20 no estn en uso y el ICD estipula el uso de los canales de frecuencia13, 14, y 21 en circunstancias excepcionales.* 1998-2005: 1602 - 1608.8 MHz (canales 0 - 12)1246 - 1251.25 MHz (canales 0 - 12)* A partir de 2005: 1598.1 - 1604.25 MHz (canales -7 - 4) 1242.9375 - 1247.75 MHz (canales -7 - 4)Los canales 5 y 6 sern utilizados para test de control.Pero la cuestin que se plantea es cmo introducir los 24 satlites de la constelacincompleta en slo 12 canales. Lo que se plantea es introducir dos satlites antipodales de unmismo plano en el mismo canal, esto es, satlites separados 180 de argumento de latitud, deforma que un usuario colocado en cualquier punto de la Tierra nunca recibir sealessimultneas de los dos satlites sitiados en el mismo canal. 22 24. GLONASS transmite el cdigo P en ambas bandas L1 y L2 y el cdigo C/A, demomento slo en la banda L1, pero est programado que la Constelacin GLONASS-M lotransmita tambin en la banda L2 para uso civil.El cdigo C/A tiene una longitud de 511 chips y se propaga con una velocidad de 511Kchips/s y por lo tanto con una repetibilidad de 1 milisegundo. El cdigo P tiene una longitudde 5.11106 chips y se propaga con una velocidad de 5.11 Mchips/s, cuya repetibilidad es de 1segundo. A diferencia de los satlites GPS, todos los satlites GLONASS transmiten losmismos cdigos. Esto es as porque en GLONASS la identificacin de los satlites se hace porla frecuencia de las portadoras y no por el PRN de los cdigos como se hace en GPS. Los errores que se pueden cometer en el posicionamiento absoluto de un punto con elcdigo C/A utilizando el Sistema GLONASS son de unos 60 m (99.7%) en horizontal y de unos75 m (99.7%) en vertical. Esta precisin es comparable a la que ofrece el Sistema GPS sin laDisponibilidad Selectiva.2.2.2. MENSAJE DE NAVEGACIN.El mensaje de navegacin se transmite con una velocidad de 50 bit/s y se modula juntocon los cdigos C/A y P. El mensaje de navegacin GLONASS del cdigo C/A divide losdatos en datos operacionales o inmediatos y datos no operacionales o no inmediatos. Los datosoperacionales son las efemrides, los parmetros de reloj y poca del reloj del satlite. Lasefemrides de los satlites se dan en trminos de posicin, velocidad, y vector de aceleracin dela poca de referencia. Los datos no operacionales comprenden el almanaque (o efemridesaproximadas) de la constelacin, junto con los estados de salud de todos los satlitesGLONASS. Los datos de salud de los satlites no tienen tiempo de actualizacin. Adems, enlos datos no operacionales hay un parmetro que indica la diferencia entre el sistema de tiempoGLONASS y el UTC, parmetro llamado c. Estos datos se determinan para el comienzo decada da. Los parmetros de efemrides son generalmente cargados en cada satlite una vez alda, junto con el parmetro c. El tiempo desde la ltima grabacin o actualizacin de los datosdel mensaje se determina por un parmetro En, que determina la edad de las efemrides endas. Los parmetros de reloj son grabados dos veces al da. El mensaje completo tiene unaduracin de 2 min. y 30 seg., pero las efemrides y la informacin de reloj se repite cada 30seg.Las autoridades GLONASS no han publicado hasta ahora los contenidos del mensajede navegacin del cdigo P. Sin embargo, se sabe que el mensaje completo dura 12 min. y quelas efemrides y la informacin de reloj se repite cada 10 seg.El Sistema GLONASS dispone de un sistema de tiempos y de un sistema de referenciapropio y distinto al de GPS. El tiempo GLONASS est referido al UTC(SU). El UTC(SU) sediferencia en unos microsegundos al UTC(BIPM). El NTFS (National Time and FrecuencyService) se encarga de que el desfase sea de un microsegundo o menos. Para ello, endeterminadas ocasiones se introduce un salto de unos segundos, a diferencia del tiempo GPSque no requiere de estos saltos.23 25. 2.2.3. SISTEMA RE FERENCIA. DATUM PZ-90. Las efemrides GLONASS estn referidas al Datum Geodsico Parametry Zemli 1990o PZ-90, o en su traduccin Parmetros de la Tierra 1990 o PE-90. Este sistema reemplaz alSGS-85, usado por GLONASS hasta 1993. El sistema PZ-90 es un sistema de referencia terrestre con coordenadas definidas de lamisma forma que el Sistema de Referencia Internacional Terrestre (ITRF). Las constantes yparmetros del PZ-90 se muestran en la siguiente tabla:TABLA 2. Parmetros del Datum PZ-90.Parmetro ValorRotacin de la Tierra 72.92115 10-6 rad/sConstante Gravitacional 398600.44 109 m3/s2Constante Gravitacional de la 0.35 109 m3/s2atmsferaVelocidad de la luz 299792458 m/sSemieje mayor del elipsoide 6378136 mAplanamiento del elipsoide1 / 298.257839303Aceleracin de la gravedad en 978032.8 mgalel Ecuador La realizacin del Sistema PZ-90 por medio de la adopcin de coordenadas deestaciones de referencia ha dado como resultado el desfase en el origen y orientacin de losejes, as como la diferencia en escala con respecto al ITRF y al Sistema WGS-84 tambin.2.3. SECTOR USUARIO. El Sistema GLONASS es un sistema militar y civil. Todos los usuarios militares yciviles constituyen el Sector Usuario. El desarrollo y diseo de nuevos receptores por parte delos fabricantes est en continua evolucin. Un equipo de recepcin de seales GLONASS, al igual que uno de GPS, est formadopor una antena y un receptor. La antena suele llevar un plano de tierra para evitar el efectomultipath, es decir, la recepcin de seales reflejadas en el suelo u otros objetos, que empeoranla precisin. Los receptores disponen de un reloj para sincronizar las seales recibidas.Existen dos generaciones de receptores GLONASS. La primera generacin contenan1,2 y 4 canales. La segunda generacin son ya mucho ms compactos y ligeros, incluyendo 5, 6y 12 canales, usados para aplicaciones civiles y capaces de operar con las dos constelacionesGPS/GLONASS. Fuera de Rusia, hay un nmero considerable de fabricantes e investigadores que handiseado y construido receptores GLONASS o GPS/GLONASS incluyendo doble frecuencia ycdigos C/A y P. Algunos de ellos eran prototipos desarrollados para ganar experiencia conGLONASS, y otros para aplicaciones especficas. Entre las principales marcas del receptores GLONASS o GPS/GLONASS seencuentran:24 26. - GEOTRACER 2404: 12 canales GPS y 12 canales GLONASS.- Magnavox: 8 canales GLONASS.- 3S Navigation: 12 canales GNSS para navegacin.- GG-24 Astech: 12 canales GPS y 12 canales GLONASS.- Sercel Scorpio 6001: 16 canales GPS/GLONASS. CAPTULO III. USO COMBINADO DE LOS SISTEMAS GPS YGLONASS.1. INTRODUCCIN.Los Sistemas GPS y GLONASS son sistemas autnomos, es decir, cada uno tiene supropio sistema de referencia y su propio sistema o escala de tiempo. Usan diferentes sistemasde referencia para expresar las posiciones de sus satlites, y por lo tanto, para determinar lasposiciones de los usuarios.Para poder utilizar los dos Sistemas de Posicionamiento por Satlite, GPS yGLONASS, es decir, recibir seales de los satlites de la constelacin GPS y de la constelacinGLONASS, es necesario establecer la relacin entre los sistemas de tiempo y sistemas dereferencia utilizados en los dos sistemas. El Sistema GPS utiliza el sistema de referencia WGS-84, mientras que el Sistema GLONASS utiliza el PZ-90. Los parmetros que definen los dossistemas de referencia son significativamente diferentes.Analizando las seudodistancias medidas a los satlites GLONASS y GPS los errorescometidos vienen expresados por el valor error URE o URE (User Range Error). Este errorcontempla los errores al predecir las efemrides, inestabilidades en el vehculo espacial, relojesde los satlites, efectos ionosfricos y troposfricos, efecto multipath, ruido de la seal, y paraGPS, la Disponibilidad Selectiva (SA). Todos estos errores en su conjunto se recogen en elvalor URE . El URE se define como la diferencia entre la seudodistancia y la distanciacalculada a partir de las posiciones dadas de los satlites, temiendo en cuenta slo los erroresde reloj y de deriva. Para GLONASS, el valor del URE es de URE 10 m, mientras que paraGPS sin SA es de URE 7 m, y con SA es de URE 25 m. La diferencia en los valores de UREde 7 a 10 m entre los Sistemas GPS y GLONASS, es atribuida principalmente a la falta decorreccin del efecto ionosfrico en GLONASS.2. ESTUDIOS REALIZADOS SOBRE LA UTILIZACIN DE AMBOS SISTEMAS YSU USO COMBINADO.El Laboratorio Lincoln de Massachusetts hizo un estudio de las precisiones que ofrecenambos sistemas de posicionamiento y las precisiones de su uso combinado, analizando lasprecisiones obtenidas en posicionamiento absoluto usando en cdigo C/A durante periodos de24 h. La precisin con GLONASS, obtenida en estas pruebas es mejor que los nivelesgarantizados por el Gobierno Ruso. Adems, la precisin con GLONASS es mejor que laobtenida con GPS debido a que la Disponibilidad Selectiva est activada. Sin embargo, si la SAestuviera desactivada, la precisin con GPS sera mejor que con GLONASS. Los siguientesvalores muestran los resultados obtenidos por el Laboratorio Lincoln en una de las pruebas25 27. realizadas para la obtencin de posiciones absolutas utilizando la constelacin GLONASS, laconstelacin GPS y su uso combinado GPS/GLONASS:* Posiciones estimadas con GLONASS:- Error horizontal (m): 10 (50%)21.2 (95%)26.8 (99%)- Error vertical (m) : 14.6 (50%)39.1 (95%)46.3 (99%)* Posiciones estimadas con GPS:- Error horizontal (m): 20.6 (50%)48.4 (95%)62.9 (99%)- Error vertical (m) : 26.7 (50%)81.7 (95%)105.1 (99%)* Posiciones estimadas con la combinacin GPS/GLONASS:- Error horizontal (m): 6.5 (50%)14.9 (95%)25.8 (99%)- Error vertical (m) : 16.7 (50%)41.8 (95%)49.5 (99%) Con la disponibilidad de receptores GPS/GLONASS, el usuario puede tener acceso aun sistema combinado de hasta 48 satlites (con la dos constelaciones completas). Con todosestos satlites, los trabajos en desfiladeros y otras localizaciones de visibilidad restringida, talescomo reas boscosas, etc., es mejorada debido a la posibilidad de mayor informacin de mssatlites. Adems, una mayor constelacin de satlites tambin mejora la ejecucin delposicionamiento diferencial en tiempo real, ya que, el tiempo menor de toma de datos, conrespecto a un posicionamiento diferencial calculado en post-proceso, se ve compensado por laobtencin de una mayor informacin de ms satlites. Pero eso no es todo, adems el tiempo deinicializacin para alcanzar precisiones de nivel centimtrico mejora en un factor de 3 a 6 conuna constelacin de 48 satlites.El posicionamiento posee una integridad mayor. Para un nivel de confianza de 99.9% elposicionamiento con GPS requiere una recepcin continua de 6 o mas satlites en susconstelacin de 24 satlites. Para el mismo nivel de confianza, usando GPS/GLONASS serequiere una recepcin continua de 7 satlites de los 48 de la combinacin. Las operaciones decdigo diferencial vienen a ser ms simples. Debido a que no existe una degradacin deliberadade la precisin, el trabajo con GLONASS diferencial requiere mucha menor cantidad de 26 28. correcciones. Es posible la deteccin del 100% de los fallos, tanto en disponibilidad de lossatlites, como en la calidad de la informacin que transmiten, gracias a la existencia de losRAIM (Receiver Autonomous Integrity Monitoring), que son receptores autnomos deseguimiento ntegro que utilizan unos algoritmos que detectan anomalas en la transmisin dedatos, an figurando un buen estado de salud en los mensajes de navegacin y almanaques. Las principales ventajas del uso combinado GPS/GLONASS son la mejora en lageometra de los satlites y la mitigacin de la Disponibilidad Selectiva. Las posiciones seestiman usando los parmetros de transformacin entre el sistema PZ-90 y el WGS-84.3. OBTENCIN DE LOS PARMETROS DE TRANSFORMACIN ENTRE PZ-90 YWGS-84. Los parmetros que definen los dos sistemas de referencia PZ-90 y WGS-84 sonsignificativamente diferentes. Para poder utilizar el sistema combinado GPS/GLONASS esnecesario el conocimiento de las posiciones de todos los satlites utilizados, satlites GPS yGLONASS, en el mismo sistema de referencia. Para ello, lo que se realiza es el paso de lasposiciones de todos los satlites GLONASS al sistema de referencia WGS-84, y as trabajar conla constelacin de los 48 satlites en un mismo sistema de referencia. Adems de la unificacindel sistema de referencia, es necesario establecer tambin la relacin entre los dos sistemas oescalas de tiempo utilizados. Esto se resuelve por medio de la informacin contenida en losmensajes de navegacin de cada uno de los sistemas, donde aparecen las diferencias entre lostiempos GPS o tiempos GLONASS con respecto al Tiempo Universal Coordinado.Para obtener las efemrides de los satlites GLONASS en el sistema WGS-84 esnecesario conocer los parmetros de transformacin de PZ-90 a WGS-84, para lo cual senecesita un cierto nmero de satlites GLONASS con coordenadas en ambos sistemas. Conestos satlites se calculan los parmetros de transformacin utilizando la tcnica de mnimoscuadrados, y se aplican al resto de satlites.Las coordenadas de los satlites GLONASS en PZ-90 aparecen en el mensaje denavegacin que mandan los satlites. La estimacin de las posiciones de los satlitesGLONASS en WGS-84 es realizada por una serie de estaciones de seguimiento que utilizantcnicas de medicin lser, radar y pticas para la determinacin de las rbitas. Estas estacionesestn localizadas por todo el mundo: * Tcnicas lser: Estados Unidos, Alemania, Austria, Finlandia, Latvia, Rusia,Ucrania,Uzbekistan, Japn y Australia. * Tcnicas rdar: Westford y Kwajalein. * Tcnicas pticas: Estaciones MOTIFF en Hawai y Estaciones GEODSS La determinacin de las rbitas se realiza utilizando un software de alta precisin queusa la tcnica de mnimos cuadrados. Las rbitas son calculadas usando nueve das de datos deseguimiento. Una vez que los parmetros orbitales son estimados, el programa genera vectoresde estado en intervalos de 30 minutos, correspondientes a las pocas de las efemridesGLONASS transmitidas. La calidad de la determinacin de las rbitas tras el clculo se estimapor un error rms de la posicin de los satlites del orden de 11 m. 27 29. Figura 1. Estaciones de seguimiento para el clculo de las rbitas de los satlites GLONASSen WGS-84. En el Laboratorio Lincoln de Massachusetts se calculan los parmetros detransformacin entre ambos sistemas. Se utiliza una red de receptores de referencia distribuidospor toda la superficie de la Tierra que obtienen las coordenadas de los satlites GLONASS enambos sistemas. Obtienen las posiciones de los satlites GLONASS en el sistema PZ-90 a partirde las efemrides transmitidas, y las coordenadas de los satlites GLONASS en WGS-84 apartir de la red de estaciones de seguimiento lser y sistemas radar. Se estiman los parmetrosde la transformacin por MMCC, obteniendo como resultado de la transformacin una rotacinalrededor del eje Z y una traslacin a lo largo del eje Y. Los parmetros de la transformacinresultantes se muestran en la siguiente figura :Figura 2. Transformacin de coordenadas de PZ-90 a WGS-84.Una vez que tenemos los parmetros de la transformacin del sistema PZ-90 al sistemaWGS-84 ya podemos tener las efemrides de todos los satlites GLONASS en el sistema WGS-84, y por lo tanto podremos utilizar el sistema combinado GPS/GLONASS.La mayor causa de error en la determinacin de los parmetros de transformacin seencuentra en las efemrides transmitidas. Para facilitar el uso combinado GPS/GLONASS, lasautoridades Rusas pretenden incluir en los nuevos mensajes de navegacin de los satlites de la 28 30. constelacin GLONASS-M, las diferencias entre los dos sistemas de tiempos y posiciones dereferencia.29 31. CAPTULO IV. LAS OBSERVABLES.1. INTRODUCCIN.Las observables del posicionamiento por satlite son fundamentalmente dos:- Observables de tiempo:* Cdigo C/A modulado sobre la portadora L1.* Cdigo P modulado sobre la portadora L1.* Cdigo P modulado sobre la portadora L2.- Observables de diferencia de fase de la portadora:* Diferencia de fase de la portadora L1, denominado 1.* Diferencia de fase de la portadora L2, denominado 2A partir de estas observables podemos calcular la distancia satlite-receptor, mediantela comparacin entre la seal que enva el satlite y la que genera el receptor. Pero estasdistancias estn afectadas por una serie de errores, por consiguiente se denominanseudodistancias. Adems con estas observables se pueden formar diferentes combinacionescomo las que mencionaremos ms adelante.2. MEDIDAS DE CDIGO.Llamamos tS al tiempo que marca el reloj del satlite cuando emite la seal y tR altiempo que marca el reloj del receptor cuando la recibe. Anlogamente, los desfases o erroresde los relojes con respecto a las Escales de Tiempo sern S y R. El valor del tiempo deemisin (tS), es transmitido en el cdigo que enva el satlite. La diferencia entre ambaslecturas de tiempo (t) es el tiempo que ha tardado la seal en llegar al receptor: t = tR tS = (tR R) (tS S) = (tR tS) + (S R) = t + donde t = tR tS y = S R. El error del satlite S lo podemos modelar por medio de unpolinomio con los coeficientes que son transmitidos del mensaje de navegacin. Por lo tanto,suponiendo conocido el valor de S y aplicada esta correccin al valor de tS , el valor de sernicamente el valor de R. El intervalo de tiempo t multiplicado por la velocidad a la queviaja la onda, es decir la velocidad de la luz, c, nos da lugar a la medida de seudodistancia: R = c t = c t(GPS) + c = + c La distancia es la distancia real existente entre el satlite en la poca tS y el receptoren la poca tR . La precisin de la seudodistancia derivada de las medidas de cdigo se evalanormalmente en un 1% la longitud del chip del cdigo. Sin embargo, recientes desarrollosdemuestran que es posible llegar a obtener precisiones de 0,1% la longitud del chip del cdigo. 30 32. 3. MEDIDAS DE FASE. La ecuacin de fase para ondas electromagnticas observada por un receptor es: t = f . dtt0Asumiendo que la frecuencia se mantiene constante, en el instante inicial se cumple que(t0)=0, y teniendo en cuenta el tiempo t , necesario para que la seal recorra la distanciageomtrica entre el satlite y el receptor, la ecuacin de fase queda:t =fdt = f . ( t - t )siendo:t =t0cy sustituyendo en la expresin anterior, tendremos : = f . ( t -)c Llamamos S(t) a la fase de la portadora recibida por el receptor con una frecuencia fS yR(t) a la fase de una portadora de referencia generada en el receptor con frecuencia fR. Elparmetro t es una poca en la escala de Tiempo del sistema. Para la poca inicial (comienzo dela observacin), se supone que t0 = 0. A partir de la ecuacin de fase anterior se obtiene:S(t) = fS t - fS - S0cR(t) = fR t - R0Las fases iniciales S0 y R0 son causadas por los errores de los relojes del satlite yreceptor: S0 = fS S R0 = fR R La diferencia de fase entre ambas ser: SR(t) = S(t) - R(t) = - fS- fS S + fR R + ( fS - fR ) t cEl satlite genera una onda en un instante y el receptor genera otra onda en ese mismoinstante y compara, por lo tanto el receptor debe generar una onda de la misma frecuencia a ladel satlite para poderlas comparar y medir la diferencia de fase entre ambas, por ello ladiferencia de fase es:fS = fR = fSR(t) = f S f cdonde = S RSi comenzamos la medicin en la poca t0, empezamos a medir diferencias de fase, peroel valor inicial del n entero de longitudes de onda (N) entre el satlite y el receptor no es 31 33. conocido. Sin embargo, el valor de N (tambin llamada ambigedad) es constante en el tiempoy despus de un tiempo continuado de observacin, la diferencia de fase para la poca t ser:t SR(t) = SR +Nt0donde SR (medible) es la fraccin de fase o lo que ha variado la fase desde t0 a t. Unainterpretacin geomtrica de esto es: S(t2)rbitaS(t1)SR SRS(t0)NNNSuperficieRSe considera que el valor inicial de la diferencia de fase es cero 0 = 0. Operando ysustituyendo en las expresiones anteriores, y expresando de forma arbitraria el valor de SRcomo - (para evitar los signos (-) en la expresin), se obtiene la ecuacin de medida de fase: 1c = + + donde = c / fMultiplicando toda la ecuacin por la longitud de la onda , pasaremos de una medidade fase en ciclos a una medida de fase en unidades de longitud. = + c + 4. COMBINACIN DE OBSERVABLES. Las combinaciones de observables que se puedan forman van a depender de la cantidadde observables que dispongamos, es decir, se podrn utilizar o no todas las observablesdependiendo del tipo de receptor que se utilice (navegador, monofrecuencia, bifrecuencia, etc.).Cuando disponemos slo de medidas de cdigo sobre las dos portadoras, es decir, P1 yP2, podemos formar una combinacin lineal de ambos cdigos que sea, por ejemplo la suma(P1+P2). Adems se podran formar otras combinaciones, de expresiones ms complicadas, quetienen la ventaja de suavizar la seal y reducir el ruido.Cuando disponemos slo de medidas de cdigo y fase sobre un portadora, es decir, C/Ao P, y L1, podemos formar una combinacin de medidas de cdigo y fase sobre una portadora.En este caso, el cdigo se utilizar para obtener una solucin aproximada del punto, mejor que32 34. la solucin de navegacin, y tomar sta para calcular las coordenadas aproximadas del puntoque se utilizarn en la ecuacin de fase.Cuando disponemos de medidas de cdigo y fase sobre las dos portadoras, es decir, detodos los observables podemos formar una gran combinacin de observables. Como en el casoanterior las medidas de cdigo nos ayudarn a obtener una solucin ms aproximada del punto,para luego trabajar con las medidas de fase. Una combinacin lineal de fases sobre L1 y L2, en su expresin general, se puededefinir como: = n1 1 + n2 2donde n1 y n2 son nmeros arbitrarios. Expresando el valor como fit, para lascorrespondientes frecuencias f1 y f2, tenemos: = n1 f1t + n2 f2t = f tLa frecuencia f ser, f = n1 f1 + n2 f2 , siendo = c / f , la longitud de la onda de lacombinacin lineal. En el caso de seales GPS, se pueden formar unas combinaciones sencillas de lasportadoras L1 y L2, como son: La banda estrecha (Ln): L1+L2 = L1 + L2Los coeficientes n1 y n2 son la unidadLa longitud de onda es L1+L2 = 10,7 cm La banda ancha (Lw): L1-L2 = L1 L2El coeficiente n1 = 1 y n2 = -1La longitud de onda es L1L2 = 86,2 cmUna ventaja que tienen estas dos combinaciones se produce a la hora del clculo de lasambigedades (N), ya que al pasar de las dos frecuencias L1 y L2 a una, ya sea la formando labanda ancha o la banda estrecha, el clculo de las ambigedades es ms sencillo, ya que sereduce el espacio de bsqueda de las ambigedades. Una combinacin lineal de fases que tiene unas caractersticas especiales e interesanteses la llamada combinacin libre de efecto ionosfrico, o ms comnmente conocida comoL3 o Lc. Esta combinacin se utiliza para eliminar en efecto ionosfrico, y los coeficientes n1 yn2 con los que se cumple esta condicin son :n1 = 1 elegido arbitrariamentefL2n2 = fL1Por lo tanto la expresin de L3 ser: 33 35. fL2 L3 =L1 L2fL1Esta combinacin tiene la gran ventaja de eliminar el efecto que produce la Ionosferasobre la seal que transmiten los satlites, pero por otro lado, con esta combinacin el valor Nde las ambigedades pierde su naturaleza de nmero entero, luego no se podr fijar el valorentero de las ambigedades y se tendr que trabajar con valores reales de ambigedad.La principal desventaja que tienen cualquiera de las combinaciones lineales de fases esque si asumimos cierto nivel de ruido en la medida de fases sobre las portadoras L1 y L2,entonces este nivel de ruido se incrementar para estas combinaciones. Este ruido se puedeevaluar aplicando la ley de propagacin de errores a partir del ruido de cada portadora. 34 36. CAPTULO V. CALIDAD Y BONDAD DE LASOBSERVACIONES.1. INTRODUCCIN.Al igual que cualquier observacin de topografa clsica, una observacin GPS oGLONASS est sometida a varias fuentes de error que se pueden minimizar o modelar segnlos equipos y metodologa de observacin que utilicemos. Un receptor determina las distanciasque hay entre su antena y las antenas de los satlites desde los cuales est recibiendo su seal.Basndose en estas distancias y en el conocimiento de las posiciones de los satlites, el receptorpuede calcular su posicin. Sin embargo, diversos errores afectan a la medida de la distancia ypor consiguiente se propagan al clculo de la posicin del receptor. Las medidas de cdigo y las medidas de fase se ven afectadas por errores sistemticos ypor ruido aleatorio. La precisin en posicionamiento absoluto que un usuario puede alcanzarcon un receptor depende principalmente de cmo sus sistemas de hardware y software puedantener en cuenta los diversos errores que afectan a la medicin. Estos errores pueden serclasificados en tres grupos: los errores relativos al satlite, los errores relativos a lapropagacin de la seal en el medio, y los errores relativos al receptor. ELEMENTO FUENTE DE ERROR SatliteErrores en el oscilador Errores o variaciones en los parmetros orbitales Propagacin de la sealRefraccin ionosfricaRefraccin troposfricaS/A. Disponibilidad SelectivaPrdidas de ciclosMultipath. Ondas reflejadas ReceptorErrores en el oscilador Error en las coordenadas del punto de referencia Error en el estacionamiento Error en la manipulacin del equipo Variacin y desfase del centro de la antenaFigura 1. Fuentes de error.Algunos de estos errores sistemticos pueden ser modelados e incluso eliminadosutilizando combinaciones apropiadas de los observables a partir de una o dos frecuencias, otrabajando en modo diferencial, utilizando dos receptores.En la medida de la calidad y bondad de una observacin van a influir o contribuir dostrminos: el URE y el DOP. El URE (User Range Error) es el error cometido en la medida dela seudodistancia por el usuario. Este error contempla los errores al predecir las efemrides,inestabilidades en el vehculo espacial, relojes de los satlites, efectos ionosfricos y 35 37. troposfricos, efecto multipath, ruido de la seal y para GPS, la Disponibilidad Selectiva (SA).Todos estos errores en su conjunto se recogen en el valor URE . El DOP o Dilucin de laPrecisin es la contribucin puramente geomtrica al error en el posicionamiento de un punto.Es un valor adimensional que da una idea de la solidez de la figura formada por el receptor ylos satlites que tiene a la vista. Analizando estos factores de error en su conjunto, el error en elposicionamiento de un punto viene expresado por :error rms de posicin = URE DOP2. ERRORES RELATIVOS AL SATLITE.2.1. ERROR DEL RELOJ DEL SATLITE.Este error es el desfase que tiene el reloj del satlite respeto al Tiempo GPS o respectoal Tiempo GLONASS. Los satlites llevan relojes atmicos con osciladores de cesio o derubidio, sin embargo ningn reloj, incluso el atmico es perfecto.Los errores en los osciladores de los satlites pueden eliminarse mediante lascorrecciones enviadas en el mensaje de navegacin que recibe el receptor, y que son calculadasy actualizadas por las estaciones de seguimiento. Para cada reloj de satlite se determina sudesfase para una poca inicial, y los coeficientes de la marcha o deriva del estado del reloj.Estos parmetros se graban en el correspondiente satlite y se incluyen en el mensaje denavegacin que manda el satlite. Pero aunque el receptor aplique las correcciones para el errordel reloj del satlite, sigue permaneciendo un pequeo error residual estimado en unos 10nanosegundos o menos, y que es debido a la imposibilidad de predecir exactamente la marchadel estado del reloj del satlite.2.2. ERRORES EN LOS PARMETROS ORBITALES. Para calcular su posicin, el receptor debe conocer las posiciones de los satlites. Lasestaciones de seguimiento registran datos de seudodistancia y medidas de fase que mandan a laEstacin de Control principal, donde con un sofisticado software se predicen las futurasposiciones orbitales de los satlites, es decir sus efemrides. stas son transmitidas en elmensaje de navegacin del satlite. Pero las efemrides transmitidas por los satlites tendrnasociado un error a causa de que es imposible predecir exactamente sus posiciones. El efectodel error de las efemrides transmitidas en la medida de la seudodistancia se obtieneproyectando el vector error de la posicin del satlite sobre el vector que une el satlite y elreceptor. Los errores en los parmetros orbitales se pueden eliminar trabajando con lasefemrides precisas de los das de observacin, donde aparecen las verdaderas posiciones de lossatlites.Para lneas base cortas, trabajando en modo diferencial con dos receptores, respecto alos mismos satlites de observacin, podemos eliminar todos los errores relativos a los satlites,ya que afectan de igual forma a ambos receptores. Para lneas base largas, el error del reloj delsatlite se elimina igual, ya que es independiente de la lnea base e igual en ambos puntos, perolos errores en los parmetros orbitales no se eliminan del todo, porque los errores que provocanen la seudodistancia a un satlite en un punto no son los mismos que los que se producen en elotro punto para el mismo satlite e instante. El error depende de la orientacin del vector errorde la posicin del satlite respecto de los vectores satlite-receptor para cada uno de los puntos.36 38. 3. ERRORES RELATIVOS A LA PROPAGACIN DE LA SEAL.La velocidad de propagacin de la seal es crtica para cualquier sistema de medida dedistancias. Esta velocidad multiplicada por el intervalo de tiempo en que se propag la sealnos da una medida de la distancia. Si una onda electromagntica se propaga por el vaco, suvelocidad de propagacin, sea cual sea su frecuencia es la velocidad de la luz (c). Sin embargo,en el caso de observaciones GPS o GLONASS, las seales deben atravesar las capas de laatmsfera hasta llegar al receptor posicionado sobre la superficie de la tierra. Las sealesinteraccionan con partculas cargadas, que provocan un cambio en la velocidad y direccin depropagacin, es decir, las seales son refractadas. Cuando la seal viaja por un medio que no esel vaco, sta sufre un retardo debido a que la velocidad de propagacin es menor, y a que latrayectoria aumenta su longitud al curvarse por refraccin, si el medio no es istropo.3.1. REFRACCIN IONOSFRICA. La Ionosfera es aquella regin de la atmsfera comprendida entre 100 y 1000 Km dealtitud, donde las radiaciones solares y otras radiaciones ionizan una porcin de las molculasgaseosas liberando electrones, que interfieren en la propagacin de ondas de radio.LaIonosfera es un medio disperso para ondas de radio, por lo tanto su ndice de refraccin esfuncin de la frecuencia de la onda. Tambin es funcin de la densidad de electrones, y enmenor grado, de la intensidad del campo magntico de la tierra.Este error es negativo para la medida de fase (se produce un avance de la portadora yse miden distancias ms pequeas), y positivo para las seudodistancias (se produce un retardo yse miden distancias ms largas), pero tienen el mismo valor absoluto. = + c + N - Iono(f) R = + c + Iono(f)El error es proporcional a la densidad de electrones (TEC-Total Electron Content) a lolargo del camino seguido por la seal, y est en funcin del cuadrado de la longitud de la onda(inversamente proporcional al cuadrado de la frecuencia de la portadora). Este error varaespacial y temporalmente, es decir, para cada punto segn su latitud y longitud, y momento dela observacin. Se pueden utilizar modelos ionosfricos, como el de Klobuchar (1986) queestablecen la distribucin del TEC, pero estas concentraciones de electrones son irregulares ypoco predecibles, por lo que cualquier modelo ionosfrico es slo una aproximacin. El TEC esfuncin del cambio constante en la ionizacin solar, de la actividad magntica, de los ciclos delas manchas solares, hora del da, lugar de observacin, y direccin del camino de la seal. Unaexpresin en primer orden de aproximacin para este retardo es: 40.3 A Iono =TEC = c f2 f2TEC => electrones por m3.( Valores observados de 1016 a 1019). 37 39. Debido a la dificultad de encontrar un modelo satisfactorio, se emplea un mtodo mseficiente para eliminar la refraccin ionosfrica que es la utilizacin de dos seales condiferentes frecuencias. Como el retardo depende de la longitud de la onda, ser distinto paracada frecuencia y podremos observar un retardo diferencial entre ambas, que ser mayor cuantomayor sea el retardo ionosfrico sufrido, siendo por tanto este deducible.Tambin se pueden utilizar combinaciones de las observables que por su naturalezaestn libres del efecto ionosfrico. Tal es el caso de la combinacin de fases llamadacombinacin libre de efecto ionosfrico, en la que partiendo de la siguiente expresin:L1,L2 = n1 L1 + n2 L2lo que se pretende es obtener qu valores deben tener los coeficientes n1 y n2 para que losvalores del efecto ionosfrico que sufren ambas portadoras sea eliminado. Desarrollando estaexpresin, se obtienen los valores de n1 y n2 para la combinacin libre de efecto ionosfrico,que quedara de la forma: fL2L1,L2 = L1 - L2 fL1 La eliminacin de la refraccin ionosfrica es la mayor ventaja de la combinacinlineal libre de efecto ionosfrico, pero el trmino libre de efecto ionosfrico no es del todocorrecto, ya que para su obtencin hay que considerar algunas aproximaciones. Estacombinacin libre de efecto ionosfrico tiene la desventaja de que si NL1 y NL2 son valoresenteros, la combinacin da un valor : N = n1NL1 + n2NL2 = NL1 - (fL2/fL1)NL2, que no es un valorentero, luego el concepto de fijar las ambigedades en este caso no se puede aplicar y este valorva a ser siempre un valor real.Si slo se registran medidas en una sola frecuencia, tanto en seudodistancias como enmedida de fase, entonces se tiene que emplear un procedimiento alternativo para eliminar elefecto ionosfrico. Normalmente se usan modelos empricos para corregir el efecto, en los quese modela el TEC en funcin del tiempo, lugar de observacin y direccin de la seal. En elmensaje de navegacin se incluyen unos parmetros para tal modelo. Usando este modelo sepueden llegar a reducir en un 50% los efectos de la Ionosfera. Actualmente, estamos saliendo de un mnimo en la actividad de las manchas solares (11aos de ciclo), por lo que las condiciones ionosfricas son ahora ms idneas. Pero dentro deunos 4 aos, estaremos cerca del mximo, y entonces los efectos de la Ionosfera en las sealessern mucho peores.El retardo ionosfrico depende del ngulo de elevacin del satlite, siendo menor en elcenit, y mayor cuando disminuye el ngulo de elevacin. En observaciones nocturnas, losniveles de TEC son menores que durante el da, lo que implica un menor error en laseudodistancia.Pero despus de la aplicacin del modelo emprico transmitido puede quedar algnerror ionosfrico residual que afectar principalmente a la componente altimtrica del punto y ala estimacin del error del reloj del receptor. Este error contribuye poco a la posicinplanimtrica cuando la concentracin de electrones encima del receptor es uniforme.38 40. 3.2. REFRACCIN TROPOSFRICA.La Troposfera es la ltima zona o capa de la atmsfera (hasta unos 80 Km, pero slo enlos ltimos 40 se producen retardos significativos), donde se produce retardo y donde lastemperaturas decrecen con el incremento de altura. El espesor de la Troposfera no es el mismoen todas las zonas. La presencia de tomos y molculas neutros en la Troposfera afecta a lasseales de propagacin electromagntica. El ndice de refraccin para un rea parcial esfuncin de su temperatura, de la presin de los gases secos y del vapor de agua. Esta atmsferaneutra es un medio no disperso con respecto a las ondas de radio de frecuencias superiores a 15GHz, por lo tanto, la propagacin es independiente de la frecuencia. Consecuentemente, no esnecesario distinguir entre medidas de cdigo y fase sobre las portadoras L1 y L2. La desventajaest en que no es posible eliminar la refraccin troposfrica con medidas en las dos frecuencias.El retardo troposfrico experimentado por una seal que va desde un satlite a un punto en lasuperficie, puede ser expresado en primera aproximacin por la siguiente integral a lo largo delcamino recorrido por la seal:Trop = ( n - 1 ) ds Se introduce la aproximacin de que la integral se realiza a lo largo del camino seguidopor la seal. Usualmente, en lugar del ndice de refraccin se utiliza la refractancia:NTrop = 10-6 (n - 1)Trop = 10-6 NTrop dsLa integral puede ser evaluada conociendo el ndice de refraccin, o puede seraproximada por funciones analticas. Pero lo ms normal es utilizar aproximaciones basadas enmodelos atmosfricos simplificados. Algunos de estos modelos son: el modelo de Hopfield(1969), modelo de Saastamoinen (1972), modelo de Hopfield modificado, Goad y Goodman(1974), Black (1978), Robinson (1986), etc.En la mayora de los casos, se considera por separado la componente seca y lacomponente hmeda :NTrop = NdTrop + NwTropdonde la componente seca resulta de la atmsfera seca y la componente hmeda del vapor deagua.Se puede mejorar el clculo del retardo troposfrico tomando datos meteorolgicos enel lugar de observacin. A diferencia de la componente seca, la componente hmeda variaespacialmente y temporalmente. La componente seca es la causante de un 90% del totaldel retardo y puede ser obtenido con precisin de algunos milmetros a partir de medidas depresin en superficie. La componente hmeda es funcin del vapor de agua a lo largo delcamino de la seal. El gradiente trmico admite modelacin con precisin aceptable, pero el principalproblema est en la forma de modelar el vapor de agua, que tiene una irregular distribucin. Elsimple uso de medidas meteorolgicas en superficie no puede dar la precisin alcanzable con39 41. los radimetros de vapor de agua. Estos instrumentos miden la radiacin basal que se recibedesde el espacio en la direccin de la observacin, y son capaces de medir el contenido devapor de agua en la atmsfera. El retardo se puede evaluar en 1.9-2.5 m en la direccin cenital e incrementaaproximadamente con la cosecante del ngulo de elevacin, llegando a ser de 20-28 m a unos5.El efecto del retardo ionosfrico y el troposfrico debido al vapor de agua sobre lasemisiones de la banda radioelctrica es menor cuanto mayor sea la frecuencia, o cuanto menorsea la longitud de la onda. La refraccin ionosfrica y troposfrica puede ser eliminadatrabajando en modo diferencial, pero esto es slo cierto para lneas base pequeas, donde lasmedidas de distancias satlite-receptor se ven afectadas de igual forma por la refraccin. Deotro modo, ya vimos que la refraccin ionosfrica puede ser eliminada utilizando una adecuadacombinacin de datos en doble frecuencia.3.3. DISPONIBILIDAD SELECTIVA.La Disponibilidad Selectiva supone una alteracin o manipulacin de la informacinque los satlites de la constelacin GPS envan a los usuarios en su mensaje de navegacin,manipulacin que realiza el Departamento de Defensa de los Estados Unidos (DoD). Se actasobre los estados de los relojes y parmetros orbitales. Trabajando con posicionamiento relativoo diferencial se puede eliminar este error.3.4. PRDIDAS DE CICLOS.Las prdidas de ciclos suponen un salto en el registro de las medidas de fase, producidopor alguna interrupcin o prdida de la seal enviada por el satlite. Estas prdidas de ciclospueden ser causadas por la obstruccin de la seal del satlite debido a la presencia de rboles,edificios, puentes, montaas, etc. Esta causa es la ms frecuente, pero tambin pueden serdebidas a una baja SNR (calidad seal-ruido) debido a unas malas condiciones ionosfricas,efecto multipath, receptores en movimiento, o baja elevacin del satlite. Otra causa puede serun fallo en el software del receptor, que conduce a un procesamiento incorrecto de la seal.Una ltima causa de prdida de ciclo, aunque suele darse en raras ocasiones, es aquella debidaa un mal funcionamiento del oscilador del satlite. La deteccin de una prdida de ciclo y su reparacin requiere la localizacin del salto ydeterminacin de su tamao. La deteccin se lleva a cabo por medio de un chequeo o test decantidad, estos test pueden ser medida de la fase en bruto, combinaciones de fase,combinaciones de cdigo y fase, etc. Una vez determinado el tamao de la prdida de ciclo, lareparacin se hace corrigiendo a todas las observaciones de fase siguientes para este satlite ysu portadora, segn una cantidad fija. El software interno del receptor es capaz (in situ) dedetectar y corregir las prdidas de ciclo.3.5. EFECTO MULTIPATH.El efecto multipath o multicamino es causado principalmente por mltiples reflexionesde la seal emitida por el satlite en superficies cercanas al receptor. Estas seales reflejadas 40 42. que se superponen a la seal directa son siempre ms largas, ya que tienen un tiempo depropagacin ms largo y pueden distorsionar significativamente la amplitud y forma de la onda.Este efecto puede ser considerablemente reducido eligiendo puntos de estacin protegidos dereflexiones (edificios, vehculos, rboles, etc.), es decir, evitar las superficies reflectantes en lasproximidades del receptor; y por un apropiado diseo de la antena, como es la utilizacin deplanos de tierra, que reducen las interferencias de seales con baja elevacin o incluso conelevacin negativa, que son las que provocan el multipath, en otras palabras, se intenta reducirla intensidad de las seales secundarias y aislar a la seal directa. El efecto multipath dependede la frecuencia de la portadora. Por lo tanto, las medidas de fase se vern menos afectadas quelas medidas de cdigo, donde el efecto multipath puede alcanzar hasta el nivel de metro.satlite seal reflejada seal directasuperficie reflectanteFigura 2. Efecto Multipath.4. ERRORES RELATIVOS AL RECEPTOR.4.1. ERROR DEL RELOJ.Cuando un receptor recibe una seal de un satlite, en ese momento su reloj internotendr un desfase o error con respecto a la Escala de Tiempo. Este error afectar a todas lasmedidas de seudodistancias realizadas para cada poca.Los errores en los osciladores de los receptores los podemos eliminar trabajando conposicionamiento relativo por medidas de fase, planteando las ecuaciones de dobles diferencias.4.2. ERROR EN EL ESTACIONAMIENTO DE LA ANTENA.Los errores en el estacionamiento de la antena tienen menos influencia y las exigenciasde estacion