GPS: Constitución

1. GPS: Constitución • Segmento Espacial • Segmento de control • Segmento del usuario

2. Otros sistemas. Segmento Espacial: GPS GLONASS Constelación de 24 satélites ubicados en 6 órbitas con inclinación 55ª respecto del Ecuador Constelación de 24 satélites ubicados en 3 órbitas con inclinación 65ª respecto del Ecuador Cada órbita contiene 4 satélites a unos 20.180 km asegurando en cualquier punto y momento al me- nos 5 sat. observables con geometría favorable. Cada órbita contiene 8 satélites a unos 19.100 km asegurando en cualquier punto y momento al me- nos 5 sat. observables con geometría favorable. Todos los satélites emiten dos ondas portadoras en la banda L. L1 modulada por dos códigos(C/A y P) Y L2 modulada sólo por el código P. Todos los satélites transmiten el mismo código pero se diferencian en la frecuencia de la portadora Las efemérides transmitidas no reúnen las condiciones adecuadas para trabajos de gran precisión. Transmite efemérides precisas para trabajos de gran precisión con cálculo a posteriori.

3. Otros sistemas. Segmentos de control y usuario: GPS GLONASS Estación de control maestro en la Fuerza Aérea Schriever Estación de control maestro en Moscú. Integrado por 10 estaciones distribuidas en todo el Mundo. Integrado por 7 estaciones distribuidas en el territorio ruso. Datum: WGS84 hasta 2005 (Ahora ITRF) Datum: PZ90 Existen parámetros de transformación entre ambos sistemas de referencia Programa de mejoramiento (30 años): Se prevé la incorporación del código C/A a L2 para mejorar las prestaciones civiles. Se prevé adicionar el código M sobre L1 y L2 para uso militar. Se prevé la emisión de una nueva portadora L5 con frecuencia 1178 MHz, con un nuevo tipo de modulación para posicionamiento instantáneo de precisión. Se prevén innovaciones en arquitectura de los satélites y en el segmento de control.

4. Limitaciones de GPS y GLONASS • No satisfacen los requisitos de navegación exigidos por la aviación civil. Su uso adolece de restricciones y se limita a fases de vuelo menos exigentes. • Están bajo control militar, lo que no garantiza la disponibilidad del servicio en caso de conflictos bélicos. • No existe garantía legal sobre el funcionamiento de los sistemas. • No existe un marco de responsabilidad legal para casos de accidentes provocados por fallas de estos sistemas.

5. GNSS • GNSS-1: se basa en el máximo aprovechamiento posible de las constelaciones GPS y GLONASS, completadas con “sistemas de aumentación”. Las “aumentaciones” tienen como objetivo mejorar las prestaciones de GPS y/o GLONASS y posibilitar la definición de un marco legal e institucional de uso. Hay tres iniciativas: EGNOS (Europa), WAAS (U.S.A.) y MSAS (Japón). • GNSS-2: Sistema de navegación multimodal que contemple usuarios de todo tipo, de mejores prestaciones y bajo control civil.

6. PROGRAMA GALILEO • Constelación de 30 satélites que proveerán cobertura mundial. (previsto para 2011) • Independiente de GPS y GLONASS pero complementario e interoperable. • Abierto a la contribución de capital privado internacional. • Bajo control de autoridades civiles. • 3 niveles de servicio: • Acceso abierto dedicado al mercado masivo. • Acceso restringido dedicado a aplicaciones comerciales y profesionales que requieran mayor precisión. • Acceso restringido con exigencias críticas de seguridad para aviación civil.

7. (C/A) (P) Mensaje (Efemerides, etc.) L1 (19 cm) + = (P) L2 (24 cm) Onda portadora Código modulador Señal emitida

8. S pd dR Código transmitido d Código recibido r rango P retardo Código local r2 = (xs – xp)2 + (ys – yp)2 + (zs – zp)2 r = pd + d d = c (-dR) Tiempo (pd+d)2 = (xs – xp)2 + (ys – yp)2 + (zs – zp)2 Relación entre código C/A, tiempo y distancia • Código completo 1 milisegundo = 10 -3 seg 300.000 m • Un elemento 1 microsegundo = 10 -6 seg 300 m • Apreciación 10 nanosegundos = 10 -8 seg 3 m

9. Precisión del Posicionamiento (pd+d)2 = (xs – xp)2 + (ys – yp)2 + (zs – zp)2 Incógnitas: d xp yp zp Observación: pd Datos: xs ys zs Errores sistemáticos: • Efemérides y reloj del satélite: poca influencia para C/A. Mejora utilizando “efemérides precisas” • Atmósfera: gran influencia. Inevitable con un solo receptor. • Ondas reflejadas (multipath): evitar estacionamiento del receptor próximo a superficies reflectantes Errores accidentales: • Apelar a la sobreabundancia de observaciones y a la búsqueda del valor más probable por compensación. Factor de configuración (PDOP): • Prolongar las observaciones durante cierto tiempo para contar con distintas configuraciones.

10. MEDICION CON CODIGO C/A – PUNTO AISLADO POSICION REAL IONOSFERA 2 a 100 m POSICION TRANSMITIDA Error del reloj (1 m) Error de órbita (5 m) TROPOSFERA decímetros RUIDO 0,3 a 3 m Precisión del orden de 15 metros con un solo receptor, efectuando una sóla observación, con resultado instantáneo y en el 95% de los casos.

11. Posicionamiento diferencial: • Los errores en la propagación de la señal (ionosfera y troposfera) afectan de manera similar a dos estaciones no muy alejadas entre sí que utilizan los mismos satélites. • Los errores en cada satélite (reloj, órbita) son comunes para ambas estaciones. LA TECNICA DE CORRECCION DIFERENCIAL HACE USO DE ESTAS CARACTERISTICAS PARA ELIMINAR LAS INFLUENCIAS DE ESTOS ERRORES EN EL CALCULO DE LAS POSICIONES DE LA ESTACION “REMOTA” A PARTIR DE CONOCERLOS EN LA ESTACION “BASE”, DE LA QUE SE CONOCEN SUS COORDENADAS. QUEDAN LOS ERRORES PROPIOS DE CADA ESTACION, EL MULTIPATH Y LA CORRELACION DE CADA RECEPTOR. LA INCERTIDUMBRE EN LAS COORDENADAS DE LA ESTACION BASE SE TRASLADAN A LA REMOTA.

12. Precisiones (modo diferencial - código C/A)

13. Posicionamiento con fase: f1 = 154 . 10,23 Mhz = 1575,42 Mhz L1 l1 = 19,05 cm f2 = 120 . 10,23 Mhz = 1227,60 Mhz L2 l2 = 24,45 cm Ecuación de observación ideal:r = (N + f)l N: ambigüedad correspondiente a un satélite observado desde una estación a partir de una época f: Observable de fase r2 = (xj– xp)2 + (yj– yp)2 + (zj – zp)2 (xj , yj , zj): coordenadas del satélite j • PARA UNA EPOCA, UN RECEPTOR Y UN SATELITE SE TENDRA UNA ECUACION CON 4 INCOGNITAS: LAS COORDENADAS DEL RECEPTOR Y LA AMBIGÜEDAD N • SI SE OBSERVA OTRO SATELITE SE AGREGA OTRA ECUACION Y TAMBIEN OTRA INCOGNITA: LA AMBIGÜEDAD PARA ESE SATELITE. • PARA CONFORMAR UN SISTEMA DONDE EL NUMERO DE ECUACIONES SEA MAYOR O IGUAL AL NUMERO DE INCOGNITAS SE TENDRAN QUE REALIZAR OBSERVACIONES QUE CONTEMPLEN MAS DE UNA EPOCA.

14. Observable real: • Error de correlación o ruido: error accidental originado en el receptor al producir la correlación o alineación de fases y depende de la precisión con que el receptor es capaz de determinar f. (1% de l 2 mm) • Error en los relojes: diferencia de los relojes de receptor y satélite con el tiempo GPS • Refracción atmosférica: ionosfera y troposfera Ecuación de observación real:satélite j-ésimo, receptor i-ésimo y el instante t 1/lr i,j (t) = N i,j + fi,j (t) – fjDdi,j (t) – fjDA i,j (t) Algunos errores pueden modelarse e introducir un término correctivo en la ec. de observación Otros, mediante una adecuada combinación de las ec. de observación. Diferenciando entre receptores se eliminan los errores de los satélites y diferenciando entre Satélites se eliminan los errores de los receptores. Ecs. de dobles diferencias de fases proveen soluciones libres de errores sistemáticos originados en los satélites y en los receptores.

15. Consideraciones para posicionamiento relativo estático con fase: Cuando se utiliza el observable fase la precisión que se puede lograr es mucho mejor que la que se logra con el uso de códigos. Aparece el problema de las ambigüedades cuya resolución requerirá tiempos de observación mucho más prolongados y procedimientos de medición y cálculo más complejos. La ambigüedad inicial inherente a la medición con fase es un número entero y depende del par receptor – satélite. No habrá dependencia del tiempo siempre que no haya pérdida de señal durante la sesión. Dependiendo del tipo de ecuación de observación utilizada, las incógnitas son estimadas junto con las ambigüedades en un ajuste común. En esta aproximación los errores no considerados o mal modelados afectan a todas las incógnitas calculadas. Por eso en la primera aproximación las ambigüedades resultantes no serán números enteros sino reales y a las coordenadas obtenidas se las denomina “solución flotante”. La mayoría de los software comerciales utilizan las ecuaciones de dobles diferencias de fase donde las incógnitas son las coordenadas y las ambigüedades. En general se suelen calcular primero las ambigüedades enteras y se reemplazan en el sistema de ecuaciones quedando como incógnitas solo las coordenadas.

16. Posicionamiento relativo dinámico (con fase): • Método cinemático puro: en general se usa para relevamientos continuos (perímetro de un campo, • traza de una ruta, diversas aplicaciones aéreas y marítimas). • Se debe realizar un proceso de inicialización (calcular las ambigüedades iniciales antes de comenzar • el movimiento), por ejemplo, mediante una determinación estática ordinaria. • -Se debe efectuar el recorrido sin apagar el receptor manteniéndose las señales provenientes de al • menos cuatro satélites sin pérdidas de ciclos. • Método Stop & Go: en general se usa para determinar coordenadas de puntos discretos con gran • rapidez. • Se debe mantener la recepción continua de la señal, luego de determinar las ambigüedades • iniciales. En caso que la recepción se interrumpa se pueden recuperar las ambigüedades retornando • al punto anteriormente ocupado, evitándose así la reinicialización. • Si previamente se resuelven las ambigüedades el cálculo de las coordenadas es inmediato (similar • al caso de código). • Método OTF (on the fly): permite la resolución de ambigüedades en movimiento. Utiliza el llamado • filtro de Kalman. Permite estimar posiciones con precisión creciente, mientras el receptor está en • movimiento, hasta que la precisión lograda es tal que permite calcular las ambigüedades y de esa • manera poder computar las coordenadas definitivas. • El tiempo necesario para lograr determinar las ambigüedades se denomina “tiempo de refinamiento • o de convergencia”. Para receptores L1/L2/P es posible fijarlas en menos de dos minutos. Para • Receptores L1 el tiempo de refinamiento es 10 veces mayor.

17. Precisiones en el posicionamiento con fase: Modo estático: La tecnología disponible está en condiciones de apreciar la centésima parte de la fase completa (equivalente a una longitud de onda). Si se dispusiera de métodos de observación y cálculo adecuados para eliminar todas las otras fuentes de error que influyen en la medición se podría alcanzar una precisión del orden de los 2 mm. Para el método estático, con una sola frecuencia y dentro de un radio de 30 Km, con efecto multipath mínimo y con buen PDOP: s= +- (5 mm + 10-6 . D) D: distancia entre receptores En la medida que varían los métodos, tipos de receptor y distancias, varían también las precisiones. Método dinámico: Para distancias cortas, con PDOP < 4, 6 satélites visibles y efecto multipath mínimo: