Medición GPS
Instrumentación, metodologías y técnicas para obtener las coordenadas por medición con sistemas GNSS.
Contenido:
Introducción y principios básicos ►
Constitución del sistema GPS ►
Sistemas de medida y posicionamiento ►
Introducción y principios básicos
Las técnicas de posicionamiento o navegación global mediante la utilización de satélites artificiales, se denominan con el término GNSS (Global Navigation Satellite Systems), siendo el sistema GPS el más conocido de ellos.
Recuerda que el GPS uno de los sistemas GNSS.
Los sistemas GNSS proporcionan
● Posicionamiento mediante código autónomo. Un receptor único recibiendo la señal de los satélites es capaz de calcular su posición según las condiciones de observación con una precisión entre 5 y 10 metros. Si está asistido con información terrestre se denomina DGPS diferencial de código y podría llegar a obtener su posición con una precisión en torno a 1 m.
Recuerda un receptor único tiene una precisión entre 5 y 10 metros y si está asistido por DGPS tiene una precisión en torno a 1 m.
● Posicionamiento diferencial mediante correcciones diferenciales. Esta metodología de observación puede llegar a arrojar precisiones en torno al cm siempre respecto a otro u otros receptores situados de forma estática sobre la superficie terrestre. Es preciso la utilización de uno o varios receptores denominados:
FIJO: receptores situados de forma estática sobre la superficie terrestre
y el receptor denominado MÓVIL: receptor con el que medimos la posición deseada.
Recuerda la definición de los términos de FIJO y MOVIL.
La obtención de la posición podrá ser en Tiempo Real, para ello será preciso que el receptor MÓVIL esté conectado mediante algún dispositivo de comunicación (Radio, Telefonía, Internet por telefonía, etc) con el FIJO/S; o calculada posteriormente Posproceso en gabinete a partir del procesamiento de las observaciones registradas por los receptores FIJO/S y MÓVIL.
Recuerda para tener una precisión en torno al centímetro, siempre es respecto al receptor o receptores denominados FIJO.
Servicios de los sistemas GNSS
Son imprescindibles para:
● Transferencia precisa de tiempo
● Sistemas de guiado de vehículos (maquinaria agrícola y maquinaria de construcción)
● Combinado con sistemas inerciales, permiten la determinación de la posición y orientación de vehículos aerotransportados (cámaras en fotogrametría)
Parámetros de evaluación de los sistemas GNSS
Hay cuatro parámetros característicos para evaluar las prestaciones de estos sistemas:
● Disponibilidad de la señal. Exige que siempre el receptor reciba las señales de al menos cuatro satélites.
● Continuidad. La emisión de la señal no debe sufrir interrupciones.
● Precisión. El grado de incertidumbre de la posición que proporciona el sistema.
● Integridad. Veracidad de la información que proporciona el sistema, incluida la alarma cuando éste no funcione correctamente.
Principios básicos
● Posicionamiento por medición de distancias
Idea básica: Es una intersección inversa en el espacio en la que los satélites serán “vértices de coordenadas conocidas en órbita”. A partir de la medida del tiempo que transcurre en llegar la señal emitida de cada satélite a nuestro receptor, es posible calcular la distancia a cada uno de ellos aplicando
Distancia = Velocidad de la luz * Tiempo empleado
Conocida la distancia del receptor a los satélites es posible obtener la posición por trilateración.
● Error del tiempo
La medida del tiempo se realiza utilizando unos códigos generados por los satélites que dependen del tiempo, pero la medición está afectada por errores
○ Las ondas electromagnéticas viajan por el espacio a la velocidad de la luz atravesando varias capas de la atmosfera, esto produce que se desvíen del camino directo satélite-receptor, provocando que recorra una distancia más larga
○ Los relojes de los receptores no son tan precisos como los relojes atómicos de los satélites
Considerando un error en el reloj del receptor:
10-1 segundo de error = 30000 km de error
10-6 segundo de error = 300 m de error
○ Si los relojes de los satélites no están sincronizados con el reloj del receptor, se comete otro error en la medida del tiempo
Todos estos errores provocan que las esferas no se intersecten en un punto, resolviendo nuestra posición con un error o incertidumbre
● Posicionamiento de un punto aislado
Será necesario conocer 4 distancias satélite-receptor para determinar las 4 incógnitas de Longitud, Latitud, Altitud y tiempo (desviación reloj del receptor).
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Constitución del sistema GPS
En este apartado se va describir el sistema GPS por ser el de uso más generalizado. Aunque todos los sistemas GNSS tienen continuas modificaciones e implantaciones de nuevas tecnologías que provocan la entrada en el mercado de nuevos tipos de receptores, hasta la fecha, comparten la construcción primaria, permitiendo utilizar receptores antiguos.
Descripción del sistema
● GPS, Global Positioning System o Sistema de Posicionamiento Global.
● Diseñado y mantenido por el DoD (Departamento de Defensa de los EEUU).
● Diseñada de forma que garantiza “posicionamiento métrico en tiempo real en cualquier parte del planeta”.
● Si observamos con cielo despejado por encima de 5º sobre el horizonte (máscara de elevación) de nuestra posición, serán visibles y observables ocasionalmente 12 satélites.
● Posicionamientos:
○ Servicio de posicionamiento estándar (SPS). Permite a los receptores obtener posicionamiento mediante código autónomo.
○ Servicio de posicionamiento preciso (PPS). Emiten un mensaje cifrado, permitiendo al DoD la obtención del posicionamiento mediante código autónomo con mayor precisión.
Segmentos del sistema
El sistema está formado por 3 segmentos principales:
● Segmento Espacial, la constelación de satélites denominada NAVSTAR.
● Segmento de Control, opera y monitoriza el sistema GPS.
● Segmento Usuario, todos los receptores GPS y sus programas de proceso de datos.
Existe otro segmento más:
● Segmento terrestre, redes civiles permanentes de Estaciones de Referencia (ERGPS) organizadas en Centros de Análisis de datos y mantenimiento de archivos de datos (IGS)
Descripción breve de los segmentos:
● Segmento Espacial
○ Constituido por la constelación NAVSTAR de satélites GPS.
○ Está diseñada de forma que garantiza “posicionamiento métrico en tiempo real y en cualquier parte del planeta”.
○ Disponen de un mínimo de 24 satélites orbitando a 20180 km, en 6 órbitas casi circulares con 55º de inclinación con un código identificativo para cada satélite. Existen 4 satélites desactivados y disponibles como reserva “spares”. Permite una cobertura global de 4 a 8 satélites con una máscara de elevación de 15º a cualquier hora del día. Si la máscara se reduce a 5º, ocasionalmente serán visibles 12 satélites.
○ Los planos orbitales se definen con las letras A,B,C,D,E,F y en cada órbita los satélites con los números 1, 2, 3 y 4.
○ Período de rotación de los satélites alrededor de la tierra es de 12 horas sidéreas, siendo visibles 5 horas sobre el horizonte.
○ Satélite:
■ Son plataformas donde van 4 relojes atómicos u osciladores, ordenadores, equipo auxiliar necesario para operar el sistema, etc.
■ Se han ido lanzando en varios bloques denominados Bloque I, Bloques II, IIA, IIR, IIF, GPS III (2013).
■ Relojes y osciladores:
Fuente de la frecuencia, el patrón de generación de las portadoras L1 y L2.
Nuevas implementaciones:
Actualmente se está incluyendo la L5 que proveerá beneficios sobre todo en el cálculo de ambigüedades ya que supondrá un incremento de la redundancia en la observación, obteniendo una mayor capacidad para calcular líneas base más largas y en menor tiempo de ocupación.
Sobre las frecuencias emiten los códigos modulados C/A, P, W
El código L2C actualmente en implementación, no tiene beneficio para el usuario pero sí para los fabricantes, ya que resulta más sencillo reconstruir la portadora L2.
También emiten un mensaje de navegación, donde se especifica entre otros valores, la órbita teórica de los satélites.
● Segmento Control
○ Tiene por misión el seguimiento continuo de los satélites para determinar:
■ Parámetros orbitales de cada satélite y estado de sus relojes.
■ Calcular datos ionosféricos-troposféricos.
■ Hallados estos parámetros, emitirlos a los satélites para que éstos los transmitan al segmento usuario.
■ Maniobras, lanzamientos, reprogramaciones y desactivaciones.
○ Hay tres tipos de instalaciones:
■ Estación Maestra de Control (MCS). Está localizada en la base aérea de Falcon, en Colorado y es la responsable del control de la constelación:
Control de todos los satélites y solución de problemas.
Control del cumplimiento del estándar de posicionamiento GPS.
Actualización de los mensajes de navegación necesarios para mantener los requisitos de precisión del sistema.
■ Estaciones Monitoras (MS). Reciben en todo momento, la información transmitida por los satélites y la envían a la Estación Maestra donde se calculan las efemérides de los satélites.
■ Antenas Terrestres. Son instalaciones que funcionan bajo control de la (MCS) y se encargan de enviar las órdenes o datos a los satélites.
○ Otras estaciones monitoras:
■ La NIMA (National Imagery and Mapping Agency) apoya a la USAF en el control de la constelación de satélites NAVSTAR. Se encarga de procesar las efemérides de los satélites consiguiendo precisiones de 0.5-1 m.
● Segmento Usuario.
Se entiende por segmento usuario cualquier receptor o grupo de receptores GPS en tierra, mar, aire o en el espacio y el software o aplicación de explotación de los datos GNSS recogidos por el receptor.
Tiene muchas aplicaciones, entre otras:
○ Levantamientos topográficos y cartográficos
○ Geodesia, geodinámica y geofísica
○ Navegación terrestre, aérea, marina, etc.
Los receptores tienen como elementos imprescindibles:
○ Sección de radiofrecuencia
○ Microprocesador + firmware
○ Oscilador
○ Fuente de alimentación
y como accesorios
○ Interfaz de usuario (teclado, pantalla, etc.)
○ Memoria (interna o externa)
○ Dispositivo de puesta en estación (Jalón, trípode, etc.)
○ Puertos e comunicación
● Segmento Terrestre Independiente
Tiene por objetivo principal el obtener información precisa de la constelación con independencia del DoD sobre:
○Efemérides precisas
○Correcciones estados de los relojes
○Datos de ionosfera y troposfera
○Parámetros de rotación terrestre
Segmentos terrestres:
○Red IGS a nivel mundial
○Redes permanentes regionales (Europa-EUREF PN, España-ERGPS...)
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Otros sistemas GNSS
A parte del sistema GPS, se están desarrollando e implantando otros sistemas de posicionamiento o navegación global mediante la utilización de satélites artificiales, normalmente dependientes de países o continentes:
● GLONASS
● GALILEO
Hay otros sistemas de aumentación (se estudiarán en el Módulo II. Métodos de observación):
● EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay Service)
● WAAS (Wide Area Augmentation System): sistema regional estadounidense
● MSAS (Japón: sistema de aumentación)
● CWAAS (Canadá)
A continuación puedes ver una presentación realizada por 
donde muestra la evolución del pasado, presente y futuro de las constelaciones de satélites que conforman el GNSS
Todos estos sistemas comparten los mismos principios básicos de los sistemas GNSS, desarrollando cada uno de ellos nuevas tecnologías que van implementadas en cada nuevo lanzamiento.
Los receptores pueden tener identificaciones que puede inducir a pensar que estamos trabajando con otros sistemas GNSS, incluso mostrar en pantalla los satélites que podíamos estar utilizando de otras redes, pero realmente es posible que no lo esté utilizando, dejando la posibilidad de habilitar su uso mediante el pago del servicio. De igual forma los últimos modelos de receptores están preparados para recibir otras redes nuevas como COMPASS/BEIDOU, pero seguramente habrá que actualizar el firmware o incluso tener que comprar un nuevo equipo.
A continuación se van a detallar algunas características de los tres sistemas que tienen mayor similitud con el sistema GPS.
Concebido y administrado por las fuerzas espaciales rusas en respuesta al GPS.
● Segmento Espacial.
○ Constituido por la constelación GLONASS.
○ 24 satélites en 3 órbitas de 64.8º de inclinación a 19100 km de altitud con osciladores de Cs, y vida útil de 3 años
○ Sistema de tiempo GLONASS, llamado GLONASST
○ Precisión de navegación, la mitad que el GPS
○ Mejor precisión en Rusia con sistemas diferenciales
○ Transmite dos tipos de señales:
● Posicionamientos:
○ SP señal de navegación de precisión estándar. Permite a los receptores obtener Posicionamiento mediante código autónomo.
○ HP señal de navegación de alta precisión. Emiten un mensaje cifrado, permitiendo a las fuerzas armadas Rusas la obtención de la Posicionamiento mediante código autónomo con mayor precisión.
El sistema es compatible con otros sistemas GNSS, permitiendo implementar en las observaciones más satélites.
Más información sobre GLONASS en www.glonass-ianc.rsa.ru
Desarrollado por la agencia espacial europea (ESA), es un sistema civil independiente, abierto a la contribución de capital privado internacional.
Está prevista la puesta en marcha oficial para 2012 ó 2013, si bien sufre continuos retrasos, aunque han sido puestos en órbita los primeros satélites de la constelación.
La estrategia Europea se ha establecido en dos etapas:
● GNSS 1: EGNOS (sistemas de aumentación como se estudiará en el Módulo II. Métodos de observación)
● GNSS 2: GALILEO
Es complementario e interoperable con GPS y GLONASS, pretendiendo dar un nivel de prestaciones equivalentes al GPS.
● Arquitectura de Galileo.
A parte del segmento usuario, define tres componentes:
○ Componente global: elemento central de Galileo. Incluye los segmentos espacial y terrestre.
○ Componente regional: Red de estaciones monitoras y centro de control que proporcionan información de integridad válida para una región limitada y que se comunica por una vía segura con los satélites Galileo. Aplicaciones marítimas y aéreas de determinadas regiones o naciones.
○ Componente local: Sistemas con cobertura espacial limitada que permite servicios particulares (aeropuertos, puertos marítimos) o para aplicaciones especiales (geociencias).
● Segmento Espacial.
○ Previstos 27 satélites activos y 3 “de reserva” orbitando a 23600 km en órbita MEO (órbita media terrestre), distribuidos en 3 planos orbitales (9*3 + 3), con 56º de inclinación respecto al plano ecuatorial.
○ La constelación Galileo garantiza, sin satélites de repuesto y sin fallo de éstos, una cobertura mínima de 6 satélites en cualquier parte del mundo (máscara de elevación de 10º)
● Segmento Control.
○ Segmento de control terrestre (GCS) que controlará la constelación de satélites.
○ Segmento de misión terrestre (GMS) que operará los servicios de control de navegación y la determinación de la integridad.
● Segmento Usuario. Proporcionará distintos niveles de servicio.
La siguiente información es orientativa y puede variar respecto a los servicios finales de GALILEO.
○ Servicio Abierto (OS: Open Service): servicios de posición, navegación y tiempo para aplicaciones del mercado de masas. Señales de libre acceso L1F, E5a y E5b, dando unas prestaciones similares a las otras redes GNSS.
○ Servicio Comercial (CS: Commercial Service): dará servicios bajo garantía contractual proporcionando un valor añadido al OS. Señal adicional encriptada sobre E6C, que garantizará que la señal recibida no ha sido manipulada intencionadamente.
○ Servicios Safety of Life (Sol): cumplirá con los requisitos aeronáuticos, marítimos y ferroviarios. Proporcionará Integridad y autentificación incluyendo garantía de servicio. Datos de integridad disponibles a través de E5b y L1F.
○ Servicio Público Regulado (PRS: Public Regulated Service): aplicaciones dedicadas a seguridad europea y nacional, aplicaciones críticas o reguladas de importancia estratégica. Dos señales adicionales encriptadas: L1P y E6P. No será de uso civil.
○ Servicios de Búsqueda y Rescate (SAR: Search and Rescue): Permitirá la recepción y transmisión a tierra de los mensajes SAR, como la recepción de balizas de emergencia. Este es un servicio diferenciador respecto a las otras redes GNSS, al existir la posibilidad de enviar un mensaje de emergencia a la red de satélites de Galileo.
Sistema GNSS actualmente en implantación. Aunque inicialmente el ejército Chino ha sido el responsable del desarrollo, una nueva organización (CSNPC Centro de Proyectos de la Navegación por Satélite Chino) se hará cargo del desarrollo, construcción y gestión del proyecto Chino l.
Es complementario e interoperable con GPS, GLONASS y GALILEO.
● Segmento Espacial, constará de 35 satélites transmitiendo en cuatro frecuencias comprendidas entre 1195.14 y 1591.79 Mhz.
● Segmento Usuario, constará de un servicio preciso previa autorización, y un servicio estándar de uso libre de precisión 10 metros.
Es operativo en China desde 2009 y posteriormente tendrá cobertura global**********comparativo***********
Diferencial de Fase y los sistemas GNSS
En la revista TOPOGRAFÍA Y CARTOGRAFÍA de Enero-Febrero 2009. Vol. XXVI – Nº 150, Javier Peñafiel, Jorge Zayas, David Fernández, publicaron el artículo ‘Las nuevas constelaciones y señales GNSS: Futuro de la Topografía’. En este artículo mediante las pruebas realizadas al utilizar observables de GPS y de GPS + GLONASS, en observaciones de posicionamiento diferencial de fase, pusieron de manifiesto qué iban aportar los nuevos sistemas GNSS a los trabajos topográficos.
Test realizado en Suiza. El % indica el porcentaje de líneas bases resueltas con solución fijada.
Tal y como muestra en la tabla:
○ En una observación Estático con línea base >150 km, es decir con observaciones nocturnas, obteniendo datos meteorológicos y tiempos de observación de horas, la probabilidad de conseguir calcular la línea base en postproceso al combinar los sistemas es muy considerable.
○ En una observación cinemático con obstrucciones (por ejemplo el levantamiento de un trazado con un vehículo que pasa por zonas arboladas y pequeñas estructuras), es muy aconsejable combinar los sistemas para tener mayor garantía que la observación se va a poder utilizar, al tener mayor probabilidad de conseguir calcular las líneas base en postproceso.
○ En Estático rápido con malas condiciones de observación, como es el caso de observar bajo árboles poco frondosos que interrumpen continuamente la señal recibida de los satélites, vuelve a ser muy recomendable la combinación de sistemas GNSS.
○ Estático rápido con líneas bes inferiores a 2 km, aumenta sensiblemente la probabilidad del cálculo en postproceso. Estos porcentajes se pueden aplicar por similitud de condiciones de observación a una observación RTK, con la diferencia que la línea base la calculamos en el momento de observación.
Podemos deducir que el uso combinado de sistemas GNSS, incrementa el rendimiento de las observaciones en un 15% y cuanto peor son las condiciones de observación o más largas las líneas base, más sentido tiene usar sistemas combinados de GNSS.
En observaciones RTK, la combinación de los sistemas va a permitir tener mayor número de satélites sobre el horizonte, siendo de gran ayuda para poder trabajar en zonas con obstrucciones, como: zonas arboladas, junto a taludes altos, zonas urbanas, etc…
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Estructura de la señal GPS
Los GNSS sistemas comparten los mismos principios básicos, para comprender los fundamentos de estos sistemas lo vamos a realizar estudiando uno de ellos, el sistema GPS.
Como hemos comentado tiene un sector espacial, compuesta de satélites artificiales y cada uno de los satélites emite un mínimo de dos ondas y sobre ellas un código, que puede o no estar cifrado.
Características de la señal
● Frecuencias.
La señal GPS consta de dos portadoras en la banda L (de 1 a 2 GHz), usada principalmente porque el retardo ionosférico es notablemente menor que en otras bandas.
○ La portadora L1 en la frecuencia 1.575,42 Mhz (λ =19 cm)
○ La portadora L2 en la frecuencia 1.227,60 Mhz (λ = 24 cm)
Cada una de ellas, se obtiene como múltiplo de la frecuencia fundamental 10,23 Mhz que genera el oscilador del satélite.
Sobre ellas se envían moduladas 2 códigos seudo-aleatorios y el mensaje de navegación.
● Código.
Sobre las portadoras se modulan unos códigos que pueden ser de uso civil o estar encriptados. Actualmente se están implementando en los nuevos satélites otros códigos como el L2C. No obstante las explicaciones, se van a centran en los códigos operativos del sistema GPS:
○ El código C/A (Coarse-Acquisition Code) ó SPS (Standard Positioning Service)
Frecuencia de 1,023 Mhz y λ = 300 m
Disponible para uso civil
Modulado sobre la portadora L1 y omitido intencionadamente de L2
○ El código P o PPS (Precise Positioning Service)
Modulado con la frecuencia fundamental y λ = 30 m
Disponible para uso militar y usuarios autorizados
Modulada sobre L1 y L2
● Mensaje de Navegación.
Contiene los datos necesarios para que el usuario lleve a cabo los cálculos necesarias para la navegación. Modulado en baja frecuencia de 50 Hz.
Los datos que incluyen son:
○ Estado de los satélites.
○ Las efemérides de los satélites (órbita de referencia).
○ Almanaque de la constelación (posición aproximada de cada satélite).
○ Parámetros para calcular las correcciones al reloj del satélite.
○ Correcciones a la señal por retardos ionosféricos.
○ Mensajes especiales.
● Frecuencias y códigos: modulación
Las ondas portadoras L1 y L2 no transportan ningún tipo de información, pero sobre ellas se superponen los códigos.
Los códigos son binarios, de tal forma que cuando el valor cambia de -1 a +1, hay un cambio de fase de la portadora.
● Esquema de la señal
Tipo de receptores
Se pueden clasificar en función de la frecuencia que miden:
● Monofrecuencia. Utiliza sólo la frecuencia que tiene el código abierto de uso civil emitida por los satélites.
○ Más baratos y menos precisos.
○ En el caso del sistema GPS, obtienen la posición mediante la medida del código C/A sobre la L1. Asistidos de medida de Fase, permiten una posición más precisa de navegación.
○ Trabajando por el método diferencial:
■ La línea base máxima será de 15 km.
■ Los tiempos altos de ocupación (tiempo de observación sobre dos puntos a la vez) son mayores que con los receptores bifrecuencia.
■ Es necesario obtener la medición de la línea base en postproceso.
● Bifrecuencia. Utiliza la L1 y la L2 emitidas por los satélites GPS
○ Son más caros
○ Permiten obtener la posición mediante la medida del código C/A sobre la L1, asistido con medida de fase.
○ En modo diferencial para la medición de la línea base.
■ La longitud de la línea base puede ser más largas.
■ Tiempos cortos de ocupación.
■ Permiten obtener la medición de la línea base en RTK tiempo real.
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Medida del tiempo
Los sistemas GNSS necesitan definir el instante en que acontece un fenómeno, eligiendo una época inicial (origen) y una unidad de medida (escala). Se definen a continuación patrones de medida de tiempo sobre el que se ha definido el TGPS:
● Tiempo Universal (UT). Tiempo solar medio referido al Meridiano de Greenwich. No es uniforme en el tiempo al depender de la rotación terrestre. Estableciéndose el UT1 = UT corregido del movimiento del polo.
● Tiempo Atómico Internacional (TAI). Uniforme y continuo.
○ Origen en el año 1971
○ Unidad es el segundo de tiempo atómico SI
● Tiempo Universal Coordinado (UTC). Sistema de compromiso. No es una escala continua de tiempos.
○ Origen en el año 1975
○ Unidad SI
○ Para mantenerlo próximo al UT1, se introducen segundos intercalares cuando la diferencia con éste supera los 0.9 s.
El tiempo TGPS se define como:
● Su unidad es el SI
● Es de escala uniforme y continua en el tiempo
● Mantiene una desviación constante de 19 SI con el TAI
● Coincidió con el UTC en la época inicial de TGPS, a las 0 horas del 6 de enero de 1980. A partir de esa época la diferencia entre ambos no constante, y se relacionan a través de los segundos intercalares o diferencia entre el TGPS y el UTC.
● El TGPS se mide en
○ Semanas GPS, que corresponden a las semanas transcurridas desde el 6 de enero de 1980 a las 0h de UTC.
○ Día de semana, que corresponde a la numeración en días dentro de cada semana, siendo el 0 el domingo y el 6 el sábado.
Gracias al tiempo TGPS, el receptor puede medir el tiempo que trascurre desde que el satélite emite la señal hasta que son recibidas por él. Será necesario el seguimiento de al menos 4 satélites para despejar las 4 incógnitas del receptor (Longitud, Latitud, Altura y desfase de tiempo).
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Sistemas de medida y posicionamiento
Las medidas GPS pueden considerarse siempre como algún tipo de medida de distancias entre los satélites y el receptor, deducidas a partir de medidas de tiempo utilizando:
● Observables de código.
● Observables de fase.
Sobre las frecuencias se modulan unos códigos (nos basaremos en los códigos de uso civil no encriptados, C/A sobre L1). A partir de éstos es posible calcular el tiempo transcurrido entre la emisión del código por el satélite y la recepción del código por parte del receptor.
El proceso consiste en comparar el código que se recibe del satélite con un duplicado generado en el mismo instante por el receptor.
El desfase de tiempo necesario para alinear ambos códigos (el recibido con el generado), se denomina correlación, y corresponde al tiempo de propagación de la señal entre satélite y receptor.
Este retraso se convierte en distancia multiplicando por la velocidad de la luz
Distancia = Velocidad de la luz * Tiempo empleado
Las distancias calculadas a los satélites mediante correlación de código se denomina pseudodistancias, al estar afectadas de distorsiones atmosféricas y desviaciones del reloj del receptor.
Por tanto:
● Conocemos la posición de los satélites.
● Observamos pseudodistancias a 4 satélites.
● Podemos calcular las coordenadas del receptor (λ,φ,h)WGS84 y la desviación del reloj del receptor respecto del TGPS.
La precisión de las coordenadas obtenidas del receptor está en torno a 4-10 m
Considerando una posición inicial donde la distancia satélite-receptor y las ambigüedades N no son conocidas, se mide en esta posición la fase. Seguidamente se hace un seguimiento del movimiento del satélite evaluando los ciclos (número entero de longitudes de onda) y midiendo la fase.
Instantáneamente no se puede determinar la ambigüedad inicial N
Mediante la metodología diferencial, dos receptores observando a la vez sobre dos puntos de los que se desea conocer la línea base, (un receptor hace de FIJO y el otro receptor hace de MÓVIL), se obtiene N a través de distintos algoritmos de:
● Simples diferencias: 2 receptores observando al mismo satélite, eliminan o reducen los errores de los relojes de los satélites y gran parte de los errores orbitales.
● Dobles diferencias: 2 receptores observando a dos satélites, eliminan o reducen los errores de los relojes del receptor y de los satélites.
● Triples diferencias: 2 receptores observando a dos satélites en dos épocas distintas, eliminan la incógnita de las ambigüedades iniciales de ciclo No y no están afectadas por las pérdidas de ciclo.
● FARA.
● QIF...
Estos algoritmos necesitan datos de pseudodistancia y diferencias de fase de al menos dos receptores y varios satélites observando a la vez, durante un cierto intervalo de tiempo, donde la geometría de la constelación va cambiando.
Con estos algoritmos se obtiene N por cada satélite desde cada receptor y a partir de éstas la distancia entre receptores, es decir el posicionamiento relativo o diferencial de un punto denominado FIJO, respecto a otro punto denominado MÓVIL. Las coordenadas de un punto B se obtienen respecto a las del punto A de coordenadas conocidas, a partir del vector (Δλ,Δφ,Δh)WGS84 calculado entre ambos puntos.
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Errores en GPS y conceptos
Debido a la metodología utilizada por el sistema GPS, basada fundamentalmente en la medición de frecuencias emitidas por satélites artificiales a más 19.000 km, provoca que sean muchos los factores que empeoren la observación, acumulando errores que crean incertidumbre en la posición calculada.
Errores de los componentes
Una clasificación de los errores puede ser:
● Errores relativos al satélite
○ Incertidumbre en las efemérides (órbitas)
El receptor calcula a partir de las efemérides transmitidas. Estas transmiten entre otros datos la posición teórica de los satélites en el momento de la observación a partir de la órbita programada. Debido a las perturbaciones sufridas por los satélites en el espacio se desvían de la órbita programada, provocando a su vez errores en los cálculos realizados por los receptores.
En función del posible error en la órbita del satélite, en la tabla adjunta queda reflejado su incidencia en el cálculo de la base línea:
Hasta líneas bases superiores a 100 km, se puede considerar despreciable el error que provoca en el cálculo.
Para distancias superiores se deben utilizar las efemérides precisas. Estas son las orbitas reales recorridas por los satélites, calculadas por el centro de control con precisión por debajo del cm en posición horizontal y del orden del cm en posición vertical, publicadas a posteriori en internet.
○ Disponibilidad selectiva SA
Es una degradación intencionada de la señal, modificando la precisión de los datos transmitidos por el mensaje de navegación.
El DoD al descubrir la capacidad operativa que tenía el sistema GPS para sus enemigos (y usuarios civiles), generaba el SA con la intención que no fuera operativo el sistema, salvo para los departamentos autorizados del DoD con posibilidad de utilizar el código encriptado P.
Debido a necesidades operativas de las tropas del DoD, y ante la imposibilidad de dotarlos a todas del uso del código P, con el riesgo que pasara a manos enemigas, el SA fue desactivada el 2 de mayo del 2000.
A partir de esa fecha los usuarios civiles podían utilizar el sistema GPS con una incertidumbre en posicionamiento con código C/A de 4-10 m, en lugar de los 100 m con la SA activa.
Hasta la fecha actualmente no hay intención por el DoD de volver a activar el SA, puesto que dejaría sin servicio también a los usuarios civiles de su país. No obstante al tener más redes GNSS, su efecto estaría mitigado.
○ Anti-spoofing AS
Es el método de encriptación del código P, mediante el uso de otro código protegido y desconocido para el usuario, el código W que se añade al código P, de tal forma que el satélite transmite un código Y= P+W.
Solamente usuarios autorizados tiene acceso al código P.
● Errores de propagación de la señal
○ Retardo ionosférico
Es el error provocado por la distorsión de las señales emitidas por los satélites al atravesar la capa de la ionosfera.
Error introducido en el cálculo de la distancia del satélite al receptor puede ser en torno a 10 m.
El error se minimiza:
■ Cuando las señales recibidas de los satélites están próximas al cenit del receptor.
■ Cuando las observaciones se realizan por la noche, al disminuir la actividad ionosférica por no incidir los rayos solares en la ionosfera.
■ Al tener implantados los receptores modelos ionosféricos, además de los recibidos en la efemérides, pueden reducir a la mitad su incidencia.
■ Al utilizar receptores bifrecuencia, puesto que pueden determinar parcialmente el retardo ionosférico, al tener diferente incidencia en función de la longitud de onda.
○ Retardo troposférico
La troposfera contiene fundamentalmente vapor de agua, variando el índice de refracción en función de su temperatura, presión y cantidad de vapor de agua.
En ondas de radio > 15 GHz, la propagación no depende de la frecuencia y por tanto no puede distinguirse entre medidas de código y fase sobre las portadoras L1 y L2.
Se aplican modelos troposféricos : Hopfield, Hopfield modificado, Goad y Goodman, Black,… con el fin de mitigar su incidencia en los cálculos.
Para observaciones de grandes distancias, se toman datos meteorológicos para mejorar el cálculo del retardo troposférico.
● Errores de estación
Está causado por múltiples reflexiones de la señal emitida por el satélite en superficies cercanas a la antena. La consecuencia es que la señal recorre un camino más largo, además puede distorsionar la amplitud y forma de la onda.
El efecto depende de la frecuencia, por ello, las medidas de fase están menos afectadas que las de código, donde puede llegar a provocar un error de 1 m.
Para minimizar este error hay que:
○ Tomar la precaución de evitar realizar observaciones cerca de obstáculos.
○ Utilizar antenas protegidas con plano de tierra. Por su construcción, estas antenas evitan la recepción de señales por debajo del plano horizontal de éstas.
○ Utilizar antenas geodésicas tipo choke ring, (antenas de alto coste utilizadas en estudios geodésicos), que evitan la recepción de ondas reflejadas.
○ Utilizar máscaras de elevación que evitan la utilización de señales recibidas por debajo de un determinado ángulo que suelen proceder de reflexiones de la señal.
Parámetros DOP
Con el fin de tener un parámetro que pueda definir la bondad de la observación, se utiliza el parámetro adimensional DOP, dicho parámetro define la geométrica de la observación. Una buena configuración se establece para DOP’S < 6.
Se establecen los siguientes parámetros de control:
● HDOP. Incertidumbre en posición horizontal.
● VDOP. Incertidumbre en posición vertical.
● TDOP. Precisión transmitida en el tiempo.
● PDOP. Incertidumbre debido a la posición geométrica de los satélites.
● GDOP. Incertidumbre consecuencia de la posición geométrica de los satélites y de la precisión temporal. Es el más utilizado.
Es el ángulo de elevación sobre la horizontal de la antena, por debajo de éste el receptor no utiliza las señales recibidas.
Es un parámetro configurable, puesto que es un filtro realizado por los software.
El mínimo ideal es de 15º por encima de la horizontal de la antena. Por debajo de este ángulo, la señal recibida de los satélites está muy influenciada por la refracción atmosférica, por multipath y por interferencias de ondas terrestres.
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Métodos de observación
Vamos a ver cómo se mide con los sistemas GNSS y qué método de observación hay que aplicar en función del tipo de receptor, solución requerida y forma de cálculo.
Los métodos de observación con sistemas GNSS en función del tipo de posicionamiento son:
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