fundamentos de los sistemas globales de posicionamiento y

Tema 9:
FUNDAMENTOS DE LOS SISTEMAS GLOBALES DE POSICIONAMIENTO Y
NAVEGACIÓN POR SATÉLITE (GNSS: GPS, GALILEO,…)
Referencias de ampliación:
-Núñez, Valbuena, Velasco (1992) “GPS, la nueva era de la Topografía”. Ed. Ciencias Sociales, Madrid
-Leick, A. (1995) “GPS Satellite Surveying” J. Wiley & Sons. Nueva York.
-Logsdon T. (1992) “The NAVSTAR Global Positioning System” Ed. Van Nostrand, Reinhold.
-Herring T.A. (1996) “El sistema global de posicionamiento” Investigación y Ciencia, Abril
-Ashkenazi, V. (1994) “El GPS y los mapas”, XX Congreso Int. De la F.I.G., Melbourne
-Tutorial: www.colorado.Edu/geography/gcraft/notes/gps/gps.html
-Tutorials: www.topconps.com/gpstutorial, www.trimble.com/gps www.leica-geosystems.com/gps
-Revista: www.gpsworld.com (con links a las principales casas fabricantes de receptores GPS).
-Sitios con información de servicios DGPS: www.icc.es (Rasant) y www.geo.ign.es (Record)
INDICE
I. INTRODUCCION
II. FUNDAMENTOS DEL SISTEMA
1. SECTORES o SEGMENTOS
2. MEDIDAS BASICAS QUE HACEN LOS RECEPTORES y tipos de posicionamiento
III. PROCEDIMIENTO (METODOS DE OPERACION)
Clasificación de los métodos de operación
Planificación
Post-proceso:
IV. TIPOS DE RECEPTORES
V. PRECISIONES
VI. APLICACIONES
I. INTRODUCCION
Sistema de radionavegación y posicionamiento con aplicaciones muy variadas, desde expeditas hasta medida de bases y
puntos geodésicos y topográficos. Permite obtener la posición de puntos (Long. /Latitud/Cota ó coordenadas UTM p.e.)
a partir de registros de ondas electromagnéticas emitidas por varios satélites orbitando.
Precedentes: sistemas de navegación LORAN y TRANSIT DOPPLER
A partir de 1973 se concibió el sistema GPS. La puesta en órbita de los satélites y fase de pruebas se extendió desde 1978
hasta 1994. El sistema GPS de los EUA está en condiciones de plena operatividad desde 1995.
El uso no militar está tolerado. En la última década se ha aplicado a Geodesia y Topografía, compitiendo y complementado
con los métodos de levantamiento convencionales.
Sistemas “paralelos”:
• GLONASS, iniciado con pocos años de diferencia por la extinta URSS, nunca ha llegado a estar plenamente operativo
debido a problemas económicos y políticos. Actualmente tiene menos de la mitad de la constelación “arriba”. Existen
algunos receptores “duales”: pueden usar la señal GLONASS además de la señal GPS. Son más caros.
• GALILEO: Será (?) el sistema Europeo de navegación por satélite, de origen y control civil, con garantías de servicio,
precisión e integridad. Sin embargo está sólo en fase inicial de implementación. Si todo fuera bien, estaría operativo en
el 2008-2010.
• CHINA ha lanzado 2 satélites geoestacionarios GNSS a partir de Octubre 2000 (enfoque militar)
Existen hoy en día (2001) unos 4 millones de receptores del sistema GPS, unos pocos millares de unidades del sistema
GLONASS (no tienen cobertura global las 24 h), y unos pocos receptores que combinan gps+glonass.
⇒ las explicaciones que siguen están basadas en el sistema GPS (el fundamento del resto de sistemas es similar)
II. FUNDAMENTOS DEL SISTEMA
1. SECTORES o SEGMENTOS
A) Sector Espacial: Constelación NAVSTAR, + 24 satélites a 20200Km
Satélite de la
Constelación NAVSTAR
Ondas electromagnéticas enviadas por los satélites
GPS: Portadoras (L1 ó L2), moduladas según dos
códigos pseudoaleatorios (C/A, “Coarse Acquisition”,
y P, “Precise code”):
B) Sector de Control: 5 estaciones de seguimiento.
Controlan posición y funcionamiento. Calculan las
“Efemérides”, que son enviadas a los satélites, y las correcciones.
C) Sector Usuario: Antena+Receptor+accesorios.
De diversos tipos y precisiones.
(realmente lo único propiedad del usuario civil)
2. MEDIDAS BASICAS QUE HACEN LOS RECEPTORES y tipos de POSICIONAMIENTO
Son los denominados “observables”, fundamentalmente de 2 tipos: Fase de la portadora y Códigos.
a) Posicionamiento por medida de Pseudodistancias a partir del código.
Multilateración tridimensional. Basada en los códigos. Rápido, pero no máxima precisión.
Las “distancias” se obtienen gracias a la correlación emisión/recepción basada en los códigos
b) Por medida de Fase de las portadoras (L1 y L2)
Algoritmos algo más complejos. Observaciones más lentas. Máxima precisión. Se mide durante cierto tiempo los
desfases ∆φ. Siguiendo a varios satélites. Se ha de determinar el entero N (“resolver la ambigüedad”).
c) Combinaciones de ambos tipos de observables.
III. PROCEDIMIENTO (METODOS DE OPERACION)
a) Según el nº de equipos:
1 receptor: posicionamiento absoluto (poco preciso)
2 ó más receptores: posicionamiento relativo (o diferencial)
b) Según movimiento de equipos: Estático
Cinemático
Variantes y Combinaciones: Estático-rápido, pseudo-cinemático, Stop & Go...
c) Según cuando obtiene solución: Tiempo real
Postproceso
Un sistema de GPS diferencial (DGPS) interesante (operativo en muchos puntos de Europa y del mundo):
RASANT = Radio Aided SAtellite Navigation Technique
MÉTODOS GPS MÁS USADOS EN GEODESIA, CARTOGRAFÍA Y TOPOGRAFÍA (relativo, fase):
• METODO “FAST-STATIC” o ESTÁTICO RÁPIDO (postproceso) (≥4 sv’s, 8 A 20 minutos).
• METODO “REAL TIME KINEMATIC” O CINEMÁTICO EN TIEMPO REAL (≥4 sv’s, ≥5 sv’s para inicializar)
Planificación de las observaciones: importante para seleccionar las “ventanas” con nº y disposición de satélites más idóneos
(sólo necesario en aplicaciones de precisión). Factores D.O.P. (Dilution Of Precision): PDOP, GDOP...
Post-proceso: sólo necesario para alguno de los procedimientos más precisos (p.e. estático).
Transmisión de las observaciones a un PC y procesado con un software especial (algoritmos específicos,
promediados y filtrados espacio-temporales, ajuste de redes...)
IV. TIPOS DE RECEPTORES
Posible clasificación simplificada: ver tabla
V. PRECISIONES
Problemas groseros:
Pérdida de señal por obstáculos (edificios o bosque p.e.)
Rebotes (multipath)
Otros factores que influyen en la precisión:
Retardos sistemáticos debidos a la ionosfera y a la troposfera o a meteorología
Precisión de las órbitas calculadas (Efemérides). Selective Availability (S/A)
Nº y disposición de satélites y receptores (DOP)
Calidad de los equipos
Tipo de observación y duración
Considerar la ondulación del geoide-elipsoide
Precisiones típicas: ver tabla
TIPO
Geodésicos
Topográficos
Topografía expedita o
peq.escala,ó navega.
precis.
Navegación
VI. APLICACIONES
Miden por
Fase(2 ó más equipos)
>>
Pseudodist. (2 ó más eq.)
Pseudodist. (1 equipo.)
Precisión típica
5mm+1ppm
10mm+2ppm
0.8 a 5 m
Precio aprox ‘96
+-10Mpts(2eq.2frec.)
3 a 6 Mpts(2eq.1frec.)
1 a 2 Mpts(2eq.1frec.)
C/A: sin S/A: 10-40m
0.05 a 0.5 Mpts(1eq.1frec.)
con S/A: 50 - 100m
(P code (militar): 1 a 10m)
La S/A ha sido “discontinuada” a partir del 2 Mayo 2000
(cualquier actividad que precise determinar la posición de puntos)
Geodesia y Topografía:
Establecimiento y densificación de redes geodésicas. Ventajas respecto métodos clásicos
Estudios geodinámicos, geofísicos y sísmicos. Control de movimientos de laderas y estructuras.
Determinación del Geoide
Puntos de apoyo para fotogrametría, y posicionado del avión durante el vuelo de toma.
Puntos de apoyo para imagen satélite.
Ingeniería, Obra Civil y Topografía:
Inventario de carreteras (u otras redes de servicios, teléfonos, gas...) para Sist. Información Geográfica
Establecer linderos municipales, catastrales, recursos naturales (zonas forestales, cultivos...)
Localización de sondeos, afloramientos, yacimientos…
Establecer bases de replanteo en obras lineales largo recorrido
Establecer bases de replanteo en obras especiales (p.e. accesos túneles)
Realización de batimetrías con la ayuda de una sonda para la profundidad.
Ubicación de plataformas petrolíferas en el mar.
Navegación:
Por Tierra/mar/aire. Pesca
Control de redes o flotas de vehículos: camiones, buses, trenes, barcos, bomberos y ambulancias...
Guiado de vehículos sobre cartografía en C-map (“navegadores”)
Militares
etc.
Tipos típicos de receptores:
Aplicación para batimetrías:
• el GPS da la posición del barco (X,Y, opcionalmente Z),
• la profundidad o “sonda” antiguamente se obtenía manualmente (“escandallo”) y actualmente con una sonda digital o
“ecosonda”.