Informe DEL GPS Diferencial PDF

Preview

Summary

UNIVERSIDAD NACIONAL JORGE BASADREGROHMANNINSTITUTO DE INFORMATICA YTELECOMUNICACIONES – ITELTRABAJO - INFORME“SISTEMA DE POSICIONAMIENTO GLOBAL (GPS)DIFERENCIAL”CURSO:TOPOGRAFÍA ELECTRÓNICADOCENTE:W. SERGIO ALMANZA QUISPEESTUDIANTE:SOTO CÁRDENAS JONATHANCICLO:I TARDEFECHA DE ENTREGA:09 DE JUNIO DEL...

Description

UNIVERSIDAD NACIONAL JORGE BASADRE GROHMANN INSTITUTO DE INFORMATICA Y TELECOMUNICACIONES – ITEL TRABAJO - INFORME “SISTEMA DE POSICIONAMIENTO GLOBAL (GPS) DIFERENCIAL” CURSO: TOPOGRAFÍA ELECTRÓNICA DOCENTE: W. SERGIO ALMANZA QUISPE ESTUDIANTE: SOTO CÁRDENAS JONATHAN CICLO: I TARDE FECHA DE ENTREGA: 09 DE JUNIO DEL 2015 TACNA – PERÚ 2015

UNIVERSIDAD NACIONAL JORGE BASADRE GROHMANN

INSTITUTO DE INF ORMÁTICA Y TELECOMUNICACIONES ITEL

INTRODUCCIÓN Hoy en día, la tecnología da para mucho. Cada vez más, nos maravillamos de los avances que se dan en el campo tecnológico y electrónico. Uno de ellos, que no lleva mucho tiempo en funcionamiento, es el Sistema de Posicionamiento Global o GPS (Global Positioning System). La funcionalidad de éste sistema, es netamente de ubicación de objetos. Tanto aéreos como terrestres. El sistema GPS, funciona por medio de 24 satélites (conocidos como NAVSTAR), que constantemente están dando la vuelta a la órbita terrestre. Estos 24 satélites, rodean la tierra en seis diferentes direcciones. Esto ocurre, para que puedan tener una mejor cobertura del globo. Ahora, cada satélite, logra dar dos vueltas a la tierra por día. Otra variable, que facilita y ayuda a lograr una mayor precisión al sistema GPS. Este sistema como tal, está operativo desde fines de la década de los 70`. Claro, que su uso inicial, fue estrictamente militar. Varios años tuvieron que pasar, para que el servicio se adaptara al público en general. Los satélites o NAVSTAR, se comunican constantemente con los dispositivos GPS, que están ubicados en la tierra. Los satélites transmiten información propia de ellos, que número son, la posición de ellos y con la confirmación de la hora en que se envía el mensaje. Hora que corr4esponde a la zona que está surcando. Y acá está la gracia del GPS, éste compara la hora en que fue recibido el mensaje, con la hora en que fue enviado. Con ello calcula donde está el satélite. Luego con el resto de los satélites, se realiza una triangulación hacia el dispositivo en tierra, con lo que se puede saber dónde se está exactamente. Por lo que el dispositivo

9 de Junio del 2015

2

UNIVERSIDAD NACIONAL JORGE BASADRE GROHMANN

INSTITUTO DE INF ORMÁTICA Y TELECOMUNICACIONES ITEL GPS en tierra, recibirá las coordenadas de longitud, latitud y altitud. Aparte del servicio anexo de dirección de viaje o ruta. Es por ello que cuando un automóvil, posee un GPS, el piloto puede conocer el camino más corto a casa o cómo se llega a una dirección. Ya que los sistemas GPS terrestres, poseen en la memoria, los planos de las ciudades en que funcionan. Con respecto a la señal en que funcionan los GPS, los satélites transmiten dos tipos de señales, la LI y la L2. Los GPS que pertenecen a los civiles, utilizan la señal LI.

9 de Junio del 2015

3

UNIVERSIDAD NACIONAL JORGE BASADRE GROHMANN

INSTITUTO DE INF ORMÁTICA Y TELECOMUNICACIONES ITEL

SISTEMA DE POSICIONAMIENTO GLOBAL (GPS) DIFERENCIAL 1. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DEL GPS El SPG o GPS (Global Positioning System: sistema de posicionamiento global) o NAVSTAR-GPS1 es un sistema global de navegación por satélite (GNSS) que permite determinar en todo el mundo la posición de un objeto, una persona o un vehículo con una precisión hasta de centímetros (si se utiliza GPS diferencial), aunque lo habitual son unos pocos metros de precisión. El GPS funciona mediante una red de 24 satélites en órbita sobre el planeta tierra, a 20.200 km, con trayectorias sincronizadas para cubrir toda la superficie de la Tierra. Cuando se desea determinar la posición, el receptor que se utiliza para ello localiza automáticamente como mínimo tres satélites de la red, de los que recibe unas señales indicando la identificación y la hora del reloj de cada uno de ellos. Con base en estas señales, el aparato sincroniza el reloj del GPS y calcula el tiempo que tardan en llegar las señales al equipo, y de tal modo mide la distancia al satélite mediante "triangulación" (método de trilateración inversa), la cual se basa en determinar la distancia de cada satélite respecto al punto de medición. 1.1. MEDICIÓN DE LAS DISTANCIAS: El sistema GPS funciona midiendo el tiempo que tarda una señal de radio en llegar hasta el receptor desde un satélite y calculando luego la distancia a partir de ese tiempo.

Las ondas de radio viajan a la velocidad de la luz: 300.000 km/s en el vacío. Así, si podemos averiguar exactamente cuando recibimos esa señal de radio, podremos calcular cuánto tiempo ha empleado la señal en llegar hasta nosotros. Por lo tanto, solo nos falta multiplicar ese tiempo en segundos por la velocidad de la luz (300.000 km/s) y el resultado será la distancia al satélite. La clave de la medición del tiempo de transmisión de la señal de radio, consiste

9 de Junio del 2015

4

UNIVERSIDAD NACIONAL JORGE BASADRE GROHMANN

INSTITUTO DE INF ORMÁTICA Y TELECOMUNICACIONES ITEL en averiguar exactamente cuando partió la señal del satélite. Para lograrlo se sincronizan los relojes de los satélites y de los receptores de manera que generen la misma señal exactamente a la misma hora. Por tanto, todo lo que hay que hacer es recibir la señal desde un satélite determinado y compararla con la señal generada en el receptor para calcular el desfase. La diferencia de fase será igual al tiempo que ha empleado la señal en llegar hasta el receptor

2. GENERALIDADES DE LOS SATELITES: 2.1. DATUM: Un datum está constituido por una superficie de referencia geométricamente definida, habitualmente un elipsoide, dado por la longitud, latitud, y altura, y un punto fundamental en el que la vertical del geoide y al elipsoide sea común. La altimetría se refiere al geoide como altura H. Es evidente que como el geoide es una superficie irregular, sólo coincidente con el elipsoide al menos en el punto fundamental del datum elegido, habrá que tener en cuenta la separación del geoide y elipsoide, u ondulación del geoide. Estableciéndose la expresión h=N+H. Del sistema del satélite podemos obtener h, pero sin una buena carta del geoide no podremos conocer N ni calcular H que es el valor que necesitaremos para trabajar topográfica y geodésicamente. Desde el punto de vista de las coordenadas de los satélites no se complica demasiado el problema, pues solo hay que añadir a las fórmulas que daban su

9 de Junio del 2015

5

UNIVERSIDAD NACIONAL JORGE BASADRE GROHMANN

INSTITUTO DE INF ORMÁTICA Y TELECOMUNICACIONES ITEL posición en el sistema inercial los parámetros de rotación terrestre antes mencionados; en cualquier caso las coordenadas del satélite seguirán siendo variables en función del tiempo. Desde este sistema de referencia podemos pasar a otros, como al elipsoide, por ejemplo, mediante un proceso matemático, obteniendo longitud, latitud y altura, una vez conocida la orientación y situación de la superficie de referencia definida por el datum. Si conocemos la altura del geoide N sobre el elipsoide, podremos manipular altitudes ortométricas sobre el geoide, que son las que queremos usar normalmente porque son directamente mensurables.

2.2. SEGMENTO USUARIO: Hablando de la utilización del GPS como instrumento topográfico este segmento comprende los siguientes elementos (equipo de campo): 2.2.1. Antena: Componente que se encarga de recibir y amplificar la señal recibida por los satélites.

2.2.2. Receptor: Recibe la señal recogida por la antena y decodifica esta para convertirla en información legible.

9 de Junio del 2015

6

UNIVERSIDAD NACIONAL JORGE BASADRE GROHMANN

INSTITUTO DE INF ORMÁTICA Y TELECOMUNICACIONES ITEL 2.2.3. Terminal GPS o Unidad de Control: Ordenador de campo que muestra la información transmitida por los satélites y recoge todos datos útiles para su posterior cálculo, de aplicaciones Topográficas.

2.3. D.O.P. (Dilution of Precision): Es la contribución puramente geométrica a la incertidumbre de un posicionamiento. Es un valor adimensional descriptivo de la "solidez" de la figura observable constituida por los satélites. Su valor ideal es 1, si la geometría empeora, el valor aumenta, llegándose a producir un "outage" o situación en la que, aunque haya sobrados satélites a la vista, deba suspenderse la observación porque el DOP llegue a exceder de un cierto valor preestablecido, como 6, limite habitualmente empleado. El DOP es un factor por el que debe ser multiplicado el error obtenido en las determinaciones

de

distancias

a

los

satélites

para

establecer

el

correspondiente error de posicionamiento.

Los DOPs más utilizados son: * GDOP: tres coordenadas de posición y estado del reloj. * PDOP: tres coordenadas de posición. * HDOP: dos coordenadas de posición planimétrica. * VDOP: solo la altitud.

9 de Junio del 2015

7

UNIVERSIDAD NACIONAL JORGE BASADRE GROHMANN

INSTITUTO DE INF ORMÁTICA Y TELECOMUNICACIONES ITEL * TDOP: solo estado del reloj.

2.4. MÁSCARAS DE ELEVACIÓN: Es el ángulo de elevación mínimo que tendrán los satélites para que recibamos señal de estos. Este ángulo es configurable y se considera como el mínimo ideal de 15º de elevación, ya que por debajo de este ángulo, la señal recibida de los satélites, está muy influenciada por la refracción atmosférica.

9 de Junio del 2015

8

UNIVERSIDAD NACIONAL JORGE BASADRE GROHMANN

INSTITUTO DE INF ORMÁTICA Y TELECOMUNICACIONES ITEL 2.5. ESCALA DE TIEMPO: Para definir el tiempo usado en el sistema GPS se empezará por la definición del Tiempo Universal UT. El UT en el tiempo solar medio referido al meridiano de Greenwich. El UT0 es el tiempo universal deducido directamente a partir de observaciones estelares y considerando la diferencia entre día universal y sidéreo de 3 minutos 56,555 segundos. El UT1 es el UT0 corregido de la componente rotacional inducida por el movimiento del polo. El UT2 es el UT1 corregido por variaciones periódicas y estacionales en la velocidad de rotación de la Tierra. Esta escala es equivalente a la Greenwich Mean Time GMT. El tiempo universal coordinado UTC es un tiempo atómico uniforme, cuya unidad en el segundo atómico. Es básicamente igual al UT2, al que se aproxima muchísimo mediante correcciones llamadas segundos intercalares (leap second) que son sucesivos incrementos de un segundo, motivados por la variación de la velocidad de rotación de la Tierra.

3. HISTORIA: Cuando primer GPS estaba siendo puesta en servicio, el ejército estadounidense estaba preocupado por la posibilidad de que las fuerzas enemigas utilicen las señales GPS disponibles a nivel mundial para guiar sus propios sistemas de armas. Originalmente, el gobierno pensó que la "adquisición aproximada" (/ A C) de la señal sería sólo de alrededor de 100 metros de exactitud, pero con mejores diseños del receptor, la precisión real fue de 20 a 30 metros. A partir de marzo de 1990, para evitar proporcionar tal exactitud inesperada, la C / A de la señal transmitida en la frecuencia L1 (1575.42 MHz), se degradó deliberadamente mediante la compensación de su señal de reloj por una cantidad aleatoria, equivalente a alrededor de 100 metros de distancia.

9 de Junio del 2015

9

UNIVERSIDAD NACIONAL JORGE BASADRE GROHMANN

INSTITUTO DE INF ORMÁTICA Y TELECOMUNICACIONES ITEL Esta técnica, conocida como “disponibilidad selectiva” o SA, para abreviar, degrada seriamente la utilidad de la señal de GPS para usuarios no militares. Orientación más precisa posible para los usuarios receptores GPS de frecuencia dual, que también recibieron la frecuencia L2 (1227, 6 MHz), pero la transmisión L2, destinada a uso militar, fue encriptada y sólo estaba disponible para los usuarios autorizados con las claves de cifrado.

Esto presentaba un problema para los usuarios civiles que dependían de radionavegación con sistemas como LORAN, VOR y NDB sistemas que cuestan millones de dólares cada año para mantener. El advenimiento de un sistema de navegación global por satélite (GNSS) podría proporcionar mucho mejor precisión y el rendimiento a una fracción del costo. La precisión inherente a los S / A de la señal era sin embargo demasiado pobres para hacer este realista. El ejército recibió múltiples peticiones de la Administración Federal de Aviación (FAA) , Guardacostas de Estados Unidos (USCG) y el Departamento de Transporte de Estados Unidos (DOT) para establecer S / A a un lado para permitir el uso civil del GNSS, pero se mantuvo firme en su objeción razones de seguridad.

A mediados de 1980, un número de agencias han desarrollado una solución al "problema” de la SA. Dado que la señal SA fue cambiando poco a poco, el efecto de su desplazamiento en el posicionamiento fue relativamente fijo - es decir, si el desplazamiento que compensan era "100 metros hacia el este", sería verdad sobre un área relativamente amplia.

Esto sugirió que la difusión de este desplazamiento a los receptores GPS locales podría eliminar los efectos de la SA, resultando en mediciones más cerca de un rendimiento teórico del GPS, a unos 15 metros. Además, otra fuente importante de errores en un punto de GPS debido a los retrasos de transmisión en la ionosfera, que también podrían ser medidos y corregidos en la emisión. Esto ofreció una mejora de unos 5 metros de exactitud, más que suficiente para la mayoría de las necesidades civiles.

9 de Junio del 2015

10

UNIVERSIDAD NACIONAL JORGE BASADRE GROHMANN

INSTITUTO DE INF ORMÁTICA Y TELECOMUNICACIONES ITEL

La Guardia Costera de Estados Unidos fue uno de los defensores más agresivos del sistema DGPS, experimentando con el sistema sobre una base cada vez más amplia a través de la década de 1980 y principios de 1990. Estas señales se transmiten por marinos en frecuencias de onda larga , lo que podría ser recibidos en existentes radioteléfonos y se alimenta a los receptores GPS convenientemente equipadas. Comenzaron el envío de señales DGPS "calidad de producción" de forma limitada en 1996, y rápidamente se expandieron la red para cubrir la mayoría de los puertos de llamada, así como la de Saint Lawrence Seaway en colaboración con la Guardia Costera Canadiense . Los planes se pusieron en marcha para ampliar el sistema a través de los EE.UU, pero esto no sería fácil. La calidad de las correcciones DGPS general cayó con la distancia, y grandes transmisores capaces de cubrir grandes superficies tienden a

9 de Junio del 2015

11

UNIVERSIDAD NACIONAL JORGE BASADRE GROHMANN

INSTITUTO DE INF ORMÁTICA Y TELECOMUNICACIONES ITEL agruparse cerca de las ciudades. Esto significaba que las áreas de menor población, sobre todo en el medio oeste y Alaska, tendrían poca cobertura por GPS terrestre.

A partir de noviembre 2013 sistema DGPS nacional del USCG comprendía 85 sitios de transmisión que proporcionaban la doble cobertura a casi toda la costa de Estados Unidos y por vías navegables interiores, incluyendo Alaska, Hawai y Puerto Rico. Además, el sistema ofrece la cobertura de uno o dos a la mayoría de la parte interior de Estados Unidos. En lugar de ello, las FAA comenzaron a transmitir las señales a través de todo el hemisferio de los satélites de comunicaciones en órbita geoestacionaria. Esto llevó a la Wide Area Augmentation System (WAAS) y sistemas similares, aunque éstos generalmente no son referidos como DGPS, o alternativamente en toda la zona de DGPS. WAAS ofrece una precisión similar a las redes DGPS basados en tierra de la USCG. A mediados de la década de 1990, estaba claro que el sistema de SA ya no era útil en su función pretendida a ser. El DGPS sería ineficaz sobre los EE.UU, precisamente donde se consideró más necesario. Además, la experiencia durante la Guerra del Golfo demostró que el uso generalizado de los receptores civiles por las fuerzas de Estados Unidos significaba que dejar SA encendido se pensaba hacer

9 de Junio del 2015

12

UNIVERSIDAD NACIONAL JORGE BASADRE GROHMANN

INSTITUTO DE INF ORMÁTICA Y TELECOMUNICACIONES ITEL daño a los EE.UU. más que si estuviera apagado. Después de muchos años de presión se dió una orden ejecutiva por el presidente Bill Clinton para conseguir SA apagado permanentemente en 2000. Sin embargo, en este punto el DGPS había evolucionado hasta convertirse en un sistema para proporcionar más precisión que incluso una SA no-señal GPS podría ofrecer individualmente. Hay varias otras fuentes de error que comparten las mismas características que SA en cuanto a que son los mismos en grandes áreas y por cantidades "razonables" de tiempo. Estos incluyen los efectos ionosféricos mencionados anteriormente, así como los errores en los datos de efemérides posición del satélite y la deriva de reloj en los satélites. Dependiendo de la cantidad de datos que se envían en la señal de corrección DGPS, la corrección de estos efectos puede reducir el error de manera significativa, las mejores implementaciones que ofrece una precisión de menos de 10 cm. Además de continuos despliegues de los sistemas patrocinados USCG y la FAA, un número de vendedores han creado servicios DGPS comerciales, la venta de su señal (o receptores para ella) para usuarios que requieren mayor precisión que los 15 metros nominales ofertas GPS. Casi todas las unidades de GPS comerciales, incluso unidades de mano, ahora ofrecen entradas de datos DGPS, y muchos también apoyan WAAS directamente. Hasta cierto punto, una forma de DGPS es ahora una parte natural de la mayoría de las operaciones de GPS. 3.1. DGPS EN TIEMPO REAL: En tiempo real DGPS se produce cuando la estación base calcula y transmite las correcciones para cada satélite a medida que recibe los datos. La corrección es recibida por el receptor móvil a través de una señal de radio si la fuente es con base en tierra o por medio de una señal de satélite si se basa satélite y se aplica a la posición que está calculando. Como resultado, la posición de muestra y se registra en el fichero de datos del receptor móvil GPS es una posición diferencialmente corregida.

9 de Junio del 2015

13

UNIVERSIDAD NACIONAL JORGE BASADRE GROHMANN

INSTITUTO DE INF ORMÁTICA Y TELECOMUNICACIONES ITEL 4. GPS DIFERENCIAL O DGPS: El DGPS (Differential GPS), o GPS diferencial, es un sistema que proporciona a los receptores de GPS correcciones de los datos recibidos de los satélites GPS, con el fin de proporcionar una mayor precisión en la posición calculada.

El GPS diferencial es una forma de hacer más preciso al GPS. El DGPS proporciona mediciones precisas hasta un par de metros en aplicaciones móviles, e incluso mejores en sistemas estacionarios. Esto implica el que sea un sistema universal de medición, capaz de posicionar cosas en una escala muy precisa.

El DGPS opera mediante la cancelación de la mayoría de los errores naturales y causados por el hombre, que se infiltran en las mediciones normales con el GPS. Las imprecisiones provienen de diversas fuentes, como los relojes de los satélites, órbitas imperfectas y, especialmente, del viaje de la señal a través de la atmósfera terrestre. Dado que son variables es difícil predecir cuales actúan en cada momento. Lo que se necesita es una forma de corregir los errores reales conforme se producen. El fundamento radica en el hecho de que los errores producidos por el sistema GPS afectan por igual (o de forma muy similar) a los receptores situados próximos entre sí. Los errores están fuertemente correlacionados en los receptores próximos.

9 de Junio del 2015

14

UNIVERSIDAD NACIONAL JORGE BASADRE GROHMANN

INSTITUTO DE INF ORMÁTICA Y TELECOMUNICACIONES ITEL El concepto ya está funcionando algún tiempo y se ha utilizado ampliamente en la ciencia e industria. Hay una norma internacional para la transm...