Métodos de observación gps

TEMA 10
METODOS DE
OBSERVACIÓN

VII Curso GPS en Geodesia y Cartografía - AECI - Cartagena de Indias, Colombia - 5 - 16 Junio 2006 1

Clasificación de los métodos de observación

La elección del método dependerá fundamentalmente de:

Equipo disponible
Precisión final que se quiere alcanzar
Relación de costes

Se puede hacer una amplia clasificación en función de muchas
variables. Una clasificación tradicional sería:

En función del observable utilizado
Código (metros)
Código y Fase (centímetros, milímetros)

En función del movimiento del receptor

Estático, receptores no móviles (mayor precisión y tiempo)
Cinemático, receptor se desplaza durante la observación
Hibridos, combina los dos anteriores

En función del tipo de solución

Posicionamiento absoluto: coordenadas de un punto aislado, X,
Y, Z.
Posicionamiento relativo o diferencial: coordenadas de un punto
con respecto a otro, ∆X, ∆Y, ∆Z.

En función de la disponibilidad de la solución

Tiempo Real, cálculo y solución en campo.
Post-proceso, cálculo y solución a posteriori, en oficina.


En un amplio sentido de la palabra, estas técnicas se pueden clasificar
en tres clases, mezclando los conceptos anteriores:

1.-Navegación autónoma = Posicionamiento Absoluto por código,
empleando sólo un receptor simple. Precisión: 5 – 10 m (sin SA).

Aplicaciones: navegación

2.- GPS Diferencial por Código = DGPS, exige corrección (a las
pseudodistancias o a las coordenadas). Precisión 0,5 – 5 m.

Aplicaciones: Navegación costera, adquisición de datos para
SIG, inventarios georreferenciados, revisión de cartografía de
escalas medias (1:10.000, 1:25.000, 1:50.000), agricultura
automatizada, movimientos de maquinaria de obra civil, …

3.- Posicionamiento Diferencial de Fase, Precisión 0,1 m - 5 mm.

Aplicaciones: Geodesia, Topografía, Geodinámica, control de
deformaciones, control preciso de maquinaria automática...

Posicionamiento absoluto con código

Es la técnica más sencilla empleada por los receptores GPS para
proporcionar instantáneamente al usuario la posición y/o tiempo.

Un único receptor: solución de una intersección inversa de todas
las pseudodistancias receptor-satélite sobre el lugar de estación en
un período de observación dado.

Precisión nominal: 5 m (sin SA).

La medida y la solución directas en t real o por solución MMCC.

Posición en coordenadas absolutas y en el sistema de referencia
al que están referidos los satélites.

Receptores de bajo coste (sólo código) para navegación o
aplicaciones con poca exigencia de precisión.


Posicionamiento Relativo o Diferencial

Dos receptores (al menos) están simultáneamente observando
satélites comunes, para establecer las ecuaciones de simples y dobles
diferencias.

De los dos, uno de ellos ha de estar en un punto de coordenadas
conocidas o bien asignarle unas aleatorias, pero consideradas fijas.

Se determinan los incrementos de coordenadas.

Ventaja: eliminación de errores, especialmente el retardo
ionosférico y troposférico, si consideramos de la misma magnitud en el
mismo instante de observación en puntos no muy alejados.

Dentro de este método, múltiples combinaciones en función del
observable, movimiento o no de los receptores, etc.


GPS Diferencial - DGPS
Posicionamiento Relativo o
Diferencial
• Si se usa sólo código, la
precisión en la distancia está
entre 0.5 m y 5 m
• Elimina el error de los satélites
• Minimiza los retardos
atmosféricos
• También se puede utilizar en
Post-proceso ó Tiempo real,
Estático o Cinemático
Baselinea o Vec
tor GPS
A B


GPS Diferencial - Fundamento

Estación Base
Posición GPS

Vector diferencia entre
Posición verdadera y
posición GPS
Vector diferencial Posición
obtenido en la GPS
Estación Base y
aplicado a la
posición del Móvil
Posición
verdadera
(conocida)
Posición
verdadera
(corregida) Móvil

GPS Diferencial

El equipo móvil en el punto desconocido que se quiere
determinar.

Ambos deben observar los mismos satélites.

El equipo base calcula el error:
- función de los datos recibidos y la posición conocida

Las ‘correcciones diferenciales’ de la base se aplican a la posición
del móvil.
– El método es tanto más preciso cuanto mas iguales sean las
condiciones de ambos equipos (limitado por la distancia a la
base).


GPS Diferencial

Se eliminan:
– Errores de reloj SV
– Error orbital
– SA
Se disminuye:
– Efecto de la ionosfera 10 veces
– Efecto de la troposfera 2 veces
Se mantiene:
– Multipath y ruido del receptor


Tipos GPS Diferencial
Según tipo de corrección aplicada:
- Pseudodistancias
- Coordenadas
Según el proceso:
- Directa
- Inversa
Según disponibilidad o no instantánea:
- Post-proceso
- Tiempo real
Según observable:
- Código (tradicionalmente DGPS)
- Transmisión de diferencia de fase (RTK)

(En general, combinación de varias)

Tipos de Corrección Diferencial
• Corrección de pseudodistancia
– La "estación base" genera una corrección para cada una de las
pseudodistancias observadas (PRC - Pseudo Range Correction) y
su variación con el tiempo (RRC Range Rate Correction), época a
época, para los satélites observados.
– El equipo móvil aplica estas correcciones sobre los satélites que
esté utilizando para calcular su posición. Este es el método más
correcto.
• Corrección por posición
– Se utiliza cuando la estación móvil y base no observan la misma
constelación.
– Se calcula la diferencia de latitud, longitud y altura elipsoidal en la
"estación base" para aplicársela al móvil.
– Es el método más sencillo pero tiene el incoveniente de que sólo si
en la base y el el móvil se usan los mismos satélites (constelación
idéntica) puede considerarse correcta.


Tipos de Corrección Diferencial

• Corrección diferencial directa
– Proceso normal. La estación móvil recoge las correcciones
diferenciales y las aplica sobre sus observaciones obteniendo
su posición corregida
• Corrección diferencial inversa
– Se suele aplicar en control de flotas.
– Los datos recogidos por los distintos móviles se envían a un
centro de control que dispone de correcciones diferenciales (o
las obtiene mediante una "estación base") y las aplica a todos
ellos obteniendo su posición corregida.
– En este tipo de tecnología el móvil suele desconocer su
posición corregida.


Corrección a Postproceso

Punto Punto a
conocido levantar

Corrección en Tiempo Real

Punto Punto que se quiere
conocido levantar

POSICIONAMIENTO DIFERENCIAL: DGPS

Dos grandes grupos: con código y con fase (mayor o menor
precisión).

Posicionamiento relativo o diferencial con código (DGPS)

Resolviendo sistemas en simples diferencias, donde las
incógnitas son las tres coordenadas de los puntos y el estado de
reloj de los receptores en cada época.

Los resultados obtenidos con este método de posicionamiento
son excelentes (~ 1 m), incluso con distancias mayores de 200
Km.


Las aplicaciones más comunes del DGPS con código son:

Navegación de precisión.

Levantamientos y apoyo para cartografías de escalas menores
de 1/5000.

Confección y actualización de sistemas de información
geográfica.

Todo trabajo en general que no requiera precisiones < 1 m.


DGPS con medidas de código

La medida de código en una estación base A desde el satélite j en una
época t0 puede ser modelada como:
(1)
R A (t 0 ) = ρ A (t 0 ) + ∆ρ A (t 0 ) + ∆ρ j (t 0 ) + ∆ρ A (t 0 )
j j j

donde:

• ρ A (t 0 ) es la medida geométrica de pseudodistancia.
j

• ∆ρ A (t 0 ) es el error de la medida dependiente de la estación base
j

terrestre así como de la posición del satélite (efectos de
refracción...).
• ∆ρ j (t 0 ) es el error dependiente únicamente del satélite (por
ejemplo, error del reloj del satélite).
• ∆ρ A (t 0 ) es el error dependiente únicamente del receptor (por ej.
error del reloj del receptor, multipath...).


La corrección a la pseudodistancia para el satélite j en la época t0 es
definida por la relación:

PRC j (t 0 ) = ρ A (t 0 ) − R A (t 0 ) = − ∆ρ A (t 0 ) − ∆ρ j (t 0 ) − ∆ρ A (t 0 )
j j j
(2)

la cual puede calcularse a partir de la medida geométrica real ρ A (t 0 )
j

obtenida a partir de la posición conocida de la estación de referencia y las
j
efemérides transmitidas y R A (t 0 ) es la cantidad medida.
Además de la corrección a la pseudodistancia PRCj(t0), se calcula en la
estación base también su derivada con el tiempo RRCj(t0).
Ambas correcciones están referidas a la época de referencia t0 y son
transmitidas a la estación B (“rover” o móvil) en tiempo real.

En B la corrección a la pseudodistancia es predicha para la observación en
la época t usando la relación:

PRCj(t) = PRCj(t0) + RRCj(t0) (t – t0) (3)

donde la cantidad (t – t0) es conocida como “latencia”.

Es evidente que la precisión que se puede conseguir se incrementa para
pequeñas variaciones de las correcciones de pseudodistancia y cuanto
más pequeña sea la latencia.

Considerando la expresión general (1) para el punto B y la época t, la
medida de pseudodistancia de código puede ser modelada como:

RBj (t ) = ρ Bj (t ) + ∆ρ Bj (t ) + ∆ρ j (t ) + ∆ρ B (t ) (4)

Aplicando la corrección a la pseudodistancia predicha PRCj (t) a la
expresión (3) a la medida de pseudodistancia en el punto B, resulta:

R Bj (t ) CORR = R Bj (t ) + PRC j (t ) (5)

o bien sustituyendo (4) en la corrección a la pseudodistancia según
(2) y (3), respectivamente se llega a:

[ ]
R Bj (t ) CORR = ρ Bj (t ) + ∆ρ Bj (t ) − ∆ρ A (t ) + [∆ρ B (t ) − ∆ρ A (t )]
j
(6)

donde los errores dependientes del satélite se han cancelado.


Para distancias moderadas entre la base y el rover, los errores satélite-
receptor están altamente correlados.
Por ello, la influencia de los errores orbitales radiales y la refracción
son reducidos considerablemente.
Despreciando esos errores, la ecuación (6) se simplifica a:

R Bj (t ) CORR = ρ Bj (t ) + ∆ρ AB (t )

Siendo:

∆ρ AB (t ) = ∆ρ B (t ) − ∆ρ A (t )

Si no existe error por multipath, este término se convierte en el error
de reloj del receptor, en términos de distancia, queda:

∆ρ AB (t ) = cδ AB (t ) = cδ B (t ) − cδ A (t )


Variación de la corrección de la pseudodistancia (PRC y RRC)

70
57 60
50
40
50
464849 464909
30

m etros
20
10
0
-10
-20
-30
-40
462600
462752
462904
463056
463208
463360
463512
463664
463816
463968
464120
464272
464424
464576
464728
464880
465032
465184
465336
465488
465640
465792
465944
466096
Segundo GPS

PRC RRC


Variación de la corrección de la pseudodistancia
(PRC y RRC) S/A des.

2
1
0
-1
-2
-3
-4
-5
-6
-7
462600
462651
462702
462753
462804
462855
462906
462957

463008
463059
463110
463161

463212
463263
463314
463365
463416
463467
463518

463569
463620
463671
463722
PRC
RRC x 50


Posicionamiento GPS Diferencial de Fase

• Posición del receptor móvil B en
relación con el receptor
referencia A
– Las coordenadas de la estación
de referencia A son conocidas
– Se recogen datos de 4 o más
satélites en ambos receptores
• Elimina el error de los satélites y
los receptores
• Minimiza los retardos
atmosféricos
• Precisión 5 mm + 1 ppm con
Baselinea o Vec
código y fase tor GPS
A B
• Post-proceso ó Tiempo real,
Estático o Cinemático

Posicionamiento Diferencial de Fase
Estático
• Método clásico para grandes distancias y el que ofrece mayor
precisión: 5mm + 1ppm en la longitud de la baselinea o vector
GPS
– Medida baselinea a baselinea con observaciones de una o
más horas, cerrando figuras geométricas
– El t de observación es proporcional a la longitud de la linea

• Aplicaciones
– Controles Geodésico en zonas amplias
– Redes Nacionales o Continentales
– Movimientos Tectónicos - Geodinámica
– Ajustes de redes de la máxima precisión


Estático Rápido

• Observación en periodos cortos de tiempo (minutos) sin exceder
una cierta longitud máxima de baselinea (20 km).
• Utiliza unos algoritmos simplificados de resolución de la
ambigüedad inicial.
• Precisión 10mm +1ppm

• Aplicaciones
– Levantamientos de Control, Inventarios, GIS, levantamientos
de detalle. Reemplaza a las poligonales y las pequeñas
triangulaciones locales.
– Ventajas: Rapidez, facilidad, eficiencia.
– Ideal para pequeñas distancias


Para una mayor redundancia de observaciones se disminuyen los
intervalos de medida que se usan normalmente en el estático (de 15,
20 o 30 segundos se suele pasar a 1 o 3 segundos).

La ventaja del método es que es sencillo, rápido y preciso.

No requiere mantener el contacto con los satélites entre estaciones y
la precisión final está en 10 mm± 1 ppm, haciéndolo ideal para redes o
levantamientos en pequeñas distancias.

Se suelen distinguir dos modalidades a su vez dentro de este:
a) Modo estático rápido ocupando sólo una estación.
b) Modo estático rápido reocupando una segunda estación al
cabo de más o menos una hora.

Es en el modo a) donde se requiere de técnicas rápidas de
resolución de ambigüedades, como por ejemplo combinación de código
y portadora en receptores de código P de doble frecuencia o métodos
de búsqueda de ambigüedades con 6 o más satélites.

Dependiendo del tipo de receptor y cobertura de satélites, basta
con t de observación de 8 minutos.

En el método b) cada estación tiene que ser ocupada
nuevamente después de un intervalo de t entre 50 y 120 min,
siendo el t de obs de una estación más corto, unos 3 o 4 min.

La idea básica radica en el hecho de que se requieren datos de
una configuración geométrica diferente para resolver (asegurar)
las ambigüedades.


Se considera a ambos conjuntos de datos como un solo conjunto
con un cycle slip intermedio, que puede ser fijado con técnicas de
triples y dobles dif.

Sin embargo, la fijación de un salto de ciclo con un lapso mayor
de 30 min funciona sólo si se dispone de una alta calidad de datos
(nivel bajo de ruido y efectos bajos de multipath) y si ocupaciones
repetidas de las estaciones son exactamente las mismas (buen
estacionamiento).

A estos métodos también se les suele llamar pseudocinemáticos.


Estático Rápido
• Paso 1
– Estacionar receptor referencia en la estación “BASE” de
coordenadas conocidas
– Instalar una nueva estación “Ref2” con otro receptor
7 6
5
Ref3

4
3
Ref2
BASE

2 1

Estático Rápido
• Paso 2
– Usar las estaciones “BASE” y “Ref2” como Estaciones de
Referencia
– Con un tercer receptor estacionar en los puntos 1,2,3,4 y 5
6
7
5
Ref3

4
3
Ref2
BASE

2 1

Estático Rápido
• Paso 3
– Cuando se llega al límite de distancia del método se cambian las
referencias
– Estacionar el receptor referencia en un punto ya levantado: “4”
– Establecer una nueva estación “Ref3” con un receptor móvil
6
7
5
Ref3

4
3
Ref2
BASE

2
VII Curso GPS en Geodesia y Cartografía - AECI - Cartagena de Indias, Colombia - 5 - 1 Junio 2006
16 32

Estático Rápido
• Paso 4
– Usar las estaciones “4” y “Ref3” como Estaciones Referencia
– Con la tercera unidad, levantar las estaciones 3, 5, 6 y 7

7 6

5
Ref3

4
3
Ref2
BASE

2 1

Método "Stop and Go" o semicinemático

Con el receptor móvil se realiza una parada de unas pocas épocas,
después nos dirigimos al siguiente punto y actuamos de igual modo.

El procedimiento se mantendrá hasta completar el trabajo o hasta
sufrir una pérdida de señal que obligue a inicializar otra vez.

Precisión del método: entre 1 y 5 cm (dependiendo L1 o L1&L2).

Se hace una resolución de ambigüedades inicial en el punto (de
coordenadas conocidas o no), y a partir de ahí, nos vamos moviendo al
resto de los puntos.

Se puede considerar que no hay ninguna diferencia entre los
métodos estáticos y los cinemáticos cuando se han resuelto y guardado
las ambigüedades: la medición cinemática puede ser entendida como
"la transferencia de ambigüedades de una estación a otra".


Stop and Go (Parar y Seguir)
• Paso 1: Modo Stop
– Antes de empezar hay que resolver la
ambigüedad inicial
– Existen tres variantes para resolverla:
• Inicialización Estática
• Inicialización en un punto conocido,
inicializador
• Antena Swap
Inicialización
Estática
del receptor móvil =
Resolución de
Estación Referencia
Ambigüedad Inicial en
Postproceso

Stop and Go
• Paso 2: Modo Go
– Una vez se han recogido suficientes datos para
resolver las ambigüedades, se puede empezar
a mover el receptor sin desconectarlo

Receptor móvil
Estación Referencia Inicializado


Stop and Go Receptor
móvil
• Desarrollo: Modo Go
4 5
– Resueltas las ambigüedades se comienza a
visitar los puntos a levantar
3
– Se tiene que mantener el seguimiento continuo
de al menos 4 satélites
– Cada punto requiere sólo una época
– Si se pierde el seguimiento hay que volver a 2
reinicializar
• Aplicaciones 1
– Levantamientos de
Detalle en areas abiertas

Estación Referencia


Antes de empezar hay que resolver la ambigüedad inicial. Existen
tres variantes para resolverla:

-Inicialización Estática, en un punto cualquiera con una pequeña
observación estática.

-Inicialización en un punto conocido, inicializador, de menor
periodo de tiempo.

- Cambio de antena (antenna swapping): se situan dos receptores
en dos estaciones cercanas. Una estación es de coordenadas
conocidas, puesto que es la estación de referencia. La segunda se
selecciona arbitrariamente. Se observan datos comunes
aproximadamente un minuto. Después se intercambian las
antenas, manteniendo la fijación de fase de los satélites
observados y nuevamente se recolectan datos durante un minuto.

La mayoría de los fabricantes incluyen estos tres posibles métodos de
inicialización.

El método semicinemático o "stop and go" es muy eficiente en
áreas abiertas, donde no se espere pérdida de señal.

En caso de pérdida de señal y no poder ser recuperada, se tiene
que empezar nuevamente con la medición con un paso nuevo de
inicialización, el receptor móvil tiene que volver a la última marca
coordenada de la medición.

Es esencial que en tal caso, el receptor avise de la pérdida de
señal.

Quizás este método haya perdido validez y uso debido a la
aparición en los últimos años de equipos RTK (Real Time
Kinematic), con mucha más versatilidad en el funcionamiento y con
un rendimiento muy superior en topografía.


Cinemático normal
• Paso 1: Modo Stop
– Inicialización estática del receptor móvil
• Inicialización
• Baselínea conocida, inicializador
• Swap de antenas


Cinemático normal
• Paso 2: Modo Movimiento
– Una vez hay suficientes datos para resolver
ambigüedades, el receptor se puede mover
– Mantener seguimiento al menos a 4 satélites
– El receptor móvil registra datos con un intervalo
especificado
– Si hay pérdida de seguimiento, hay que volver a
reinicializar

2
23
23

23
2
23

23

2
23
23
23
23

2
23

23
2
23

23
2
23

23
23
23
3:

3
3:

3:
3:
3:

:
:

:

:1
:1
:1

:1
:
:
:

:1

:
:

:
:
:

:
:

1
10
10

10

1
10
10

10
10
1
10

10
10
10
10

10
10
0:

0
0:
0:

0:
0:
0:

0:
0:
0:

:
:

:
:
:

:26
:16

:24
:
:14

:16

: 2
:22
:12

:12

3
30
2
27
18
1

2
28
20

18
1
1

14
1

2
20
8

4
0

6


Cinemático

• Levantamiento continuo
• Requiere planeamiento minucioso para evitar
obstáculos a los satélites
• Hay que mantener seguimiento continuo a 4 satélites
• Apto para
– areas abiertas y despejadas de vegetación
– trabajos no críticos
• Necesita inicialización del equipo móvil
– 5-10 minutos parado para resolver
posteriormente ambigüedades en postproceso


Método cinemático con resol N en mov: OTF

Para muchos objetivos es necesario det las coordenadas precisas de
la trayectoria del receptor GPS móvil a lo largo de la trayectoria.

Ej: levantamiento de la traza de una carretera para actualización de
cartografía o vuelo cinemático FGM (det coord centros de proyección).

No se puede aceptar una ruptura de la conexión sin la posibilidad de
recuperación de la pérdida de la relación de fase de la señal o
ambigüedades, mientras la antena se halle en movimiento.

Es necesario un método independiente de la técnica de inicialización
estática que incluya la capacidad de recuperar la pérdida de fase y de
resolver ambigüedades durante el movimiento: resolución de
ambigüedades en movimiento o "on the fly" (OTF).

La precisión llega a ser de unos 10 cm e incluso mejor en
condiciones muy favorables de configuración de sat, sin multipath...

Resolución de Ambigüedades en
Movimiento (OTF: On the Fly)
• Paso 1: Modo Movimiento
– Si se mantiene seguimiento a un mínimo de 5 satélites en
L1 y L2 durante un cierto intervalo de tiempo mientras el
receptor se va moviendo, se pueden resolver las
ambigüedades posteriormente
23
:
10
:12



Resolución de Ambigüedades en Movimiento (OTF)

• Modo Movimiento
– Si se pierde seguimiento por algún obstáculo, se podrá
resolver nuevamente ambigüedades si se vuelve a
registrar suficiente cantidad de datos con 5 satélites en L1
y L2, una vez recuperada la señal

23
23
23
23
23
23

23
23
23
23

23 0 : 2
23 0 : 2
23
23
23
23
23
23
23
23

:1
:1
:1
:1
:1
:1

:1
:1
:1
:1

:1
:1
:1
:1

:1
:1
:1
:1
:1
:1

0:
0:

0:
0:
0:
0:
0:
0:
0:
0:
0:
0:

0:
0:
0:
0:
0:
0:

30
30
26
26
27
27
24
24
16
16
18
18

22
22
14
14
12
12


8
8

Resolución de Ambigüedades en Movimiento (OTF)

• Trayectorias en áreas abiertas con pocas obstrucciones o de
difícil inicialización.
• No requiere inicialización estática
• Puede capturar los mismos elementos que el cinemático
• Si perdiéramos SVs se reinicializaría al volver a recuperar 5
• Precisión del orden del cm
• Aplicaciones:
– Vuelos fotogramétricos
– Levantamientos de carreteras
– Levantamientos hidrográficos


Cinemático en Tiempo Real (RTK)
Proporciona mayor eficacia, versatilidad, precisión y rendimiento para todo
tipo de trabajos de topografía.

Es una forma de obtener los resultados una vez procesadas las
observaciones (aun en t real).

El procesamiento de estas observaciones puede ser realizado con un
software post-proceso, previa inserción de los datos de observación
necesarios, ya sea en campo o en gabinete.

El cálculo puede ser realizado de forma inmediata a la recepción de las
observaciones y ser efectuado por la unidad de control, obteniendo las
coordenadas en el instante, es decir, en tiempo real.

Transmisión de las diferencias de fase de un receptor a otro en t real a
través de radio-modem.


Se incorporan los algoritmos de cálculo de los software post-
proceso, o parte de ellos, a los controladores para este tipo de
aplicaciones.
Permite edición de datos de un levantamiento en campo, replanteo,
y todo tipo de labores en los cuales sea necesario el conocimiento de
las coordenadas de los puntos en tiempo real.


Inconvenientes:

Imposibilidad de chequear los ficheros de observación.

La limitación de los radiomodem de emisión y transmisión de datos:
licencias de frecuencias y potencias de señal permitidas. Un equipo que
funcione con 0,5 w, que está permitido por las autoridades, está
limitado a un radio de acción de unos pocos Km (7-8 Km con
seguridad), lo que limita el rendimiento del trabajo. Sin embargo, con
potencias de señal mayores se puede llegar a trabajar en radios de
hasta 50 km.

Limitación en las correcciones de tipo atmosférico.

Limitación en los procesos de transformación de coordenadas

Pobre tratamiento e información estadística.

Escasa manipulación de los parámetros de cálculo.

Las ventajas compensan y con creces estos ligeros inconvenientes que no
lo son tanto en labores de topografía (pequeñas distancias, datum
locales, etc), que es donde más arraigo tienen estos equipos.


Fases del trabajo en tiempo real con módulo RTK.

Equipo de trabajo mínimo: dos equipos de observación (sensor y
antena), dos radio-modem (transmisor y receptor) y un controlador en la
unidad móvil con un software de proceso de datos.

Estacionamiento del equipo de referencia (sensor, antena y
radiomodem transmisor), fijo.

El radiomodem transmisor transmite sus datos de observación por
radio al receptor incorporado en el equipo móvil, que a su vez
almacenará en la unidad de control.

El controlador calcula la posición del móvil en tiempo real.

En ocasiones la inicialización es muy rápida y con una fiabilidad muy
alta, pero conviene comprobar las coordenadas obtenidas sobre un
punto conocido para verificar que la inicialización ha sido correcta.


Actualmente, los equipos RTK son de doble frecuencia, pero también
se pueden utilizar receptores que únicamente colectan L1.
Los procedimientos RTK para resolución de ambigüedades siguen un
procedimiento que suele ser:
1. Definir un área de búsqueda basado en una solución
aproximada.
2. Chequear estadísticamente todas las posibles soluciones
dentro de ese área.
3. Seleccionar la mejor solución entre todas de acuerdo a
criterios estadísticos, por ejemplo, criterio de mínima
varianza.
4. Validar la solución elegida de acuerdo a criterios estadísticos
o por comparación con la segunda solución mejor candidata.


DGPS con medidas de fase
Recordamos que la ecuación de observaciones de fase, en ciclos,
puede escribirse como:

1
Φ ij (t ) = ρ i j (t ) + N i j + f j ∆δ i j (t )
λ

donde:

• ρ i (t ) es la pseudodistancia para medidas de fase que mide el
j

receptor (parte entera ciclos + fase propiamente dicho).
• λ es la longitud de onda.
j
• N i es la ambigüedad de fase, independiente de t y es un
número entero.
j
• f es la frecuencia de la señal del satélite.
• ∆δ i (t ) es el error de reloj combinado satélite-receptor.
j


Si generalizamos esa expresión, la medida (esta vez en términos de
distancia) en la estación base A en la época t0 puede ser modelada
como:
λΦ A (t 0 ) = ρ A (t 0 ) + ∆ρ A (t 0 ) + ∆ρ j (t 0 ) + ∆ρ A (t 0 ) + λN A
j j j j

donde, por analogía con el modelo de código:
• ρ A (t 0 )
j
es la d geométrica sat – rec en la estación base A.
• ∆ρ A (t 0 ) es el conjunto de errores dep. del conjunto sat – rec.
j

• ∆ρ (t 0 ) son los errores dependientes del satélite.
j

• ∆ρ A (t 0 ) son los errores dependientes del receptor.

Consecuentemente, la corrección a la medida de fase en la época de
referencia t0 será:

PRC j (t 0 ) = ρ A (t 0 ) − λΦ A (t 0 ) = −∆ρ A (t 0 ) − ∆ρ j (t 0 ) − ∆ρ A (t 0 ) − λN A
j j j j

Como vemos, la formulación de las correcciones a las medidas de
fase en la estación A así como la aplicación de las correcciones
predichas a la fase observada en la estación “rover” B se lleva a cabo
exactamente igual que en el caso de las medidas de código.

Y la medida de fase corregida:

λΦ B (t ) CORR = ρ Bj (t ) + ∆ρ AB (t ) + λN AB
j j

donde ∆ρ AB (t ) = ∆ρ B (t ) − ∆ρ A (t )
j
y el término N AB son las simples diferencias de ambigüedades de fase.

Si se elimina el multipath, el término ∆ρ AB (t ) simboliza el error de reloj
combinado satélite – receptor, que, escalado a distancia sería:

∆ρ AB (t ) = cδ AB (t ) = cδ B (t ) − cδ A (t )
El posicionamiento en el punto B (rover) es mejorado con la
pseudodistancia de fase corregida λΦ B (t) CORR
j


La configuración básica para DGPS con medidas de fase es idéntica
que para posicionamiento cinemático con medida de fase.

Evidentemente, las aplicaciones más precisas de DGPS son estas,
en las que se realizan medidas de fase y en las que se hace una
resolución de ambigüedades inicial en t real en la estación base.

Esto se suele hacer con las denominadas técnicas OTF (On-The-Fly)
de resolución de ambigüedades, en las que son necesarios al menos
5 satélites comunes en la base y en el rover.

Si la latencia es prácticamente cero, el diferencial DGPS con fase es
lo que se denomina RTK (Real Time Kinematic).


Tiempos de observación

• Estático
Longitud Número de Tiempo
GDOP Precisión
Línea Satélites Observación
= =
< 6
20 - 50 Km > 4 2 - 3 hr. 5 mm + 1ppm
= =
< 6
50 - 100 Km > 4 min. 3 hr. 5 mm + 1ppm
=
> 100 Km > 4 < 6
= min. 4 hr. 5 mm + 1ppm

• Estático-Rapido
Longitud Número de Tiempo
GDOP Precisión
Línea Satélites Observación
=
0 - 5 Km > 4 =
< 5 5 - 10 min 5 - 10 mm + 1ppm
= 4 =
5 - 10 Km > < 5 10 - 15 min 5 - 10 mm + 1ppm
=
10 - 20 Km > 4 < 5
= 10 - 30 min 5 - 10 mm + 1ppm


Tiempos de observación
• Stop and Go
– Para fijar las ambigüedades se realiza con un estático rápido. Si
es con punto conocido, se inicializa con pocos segundos.

• Cinemático
– Para fijar las ambigüedades se realiza con un estático rápido. El
levantamiento se realiza en movimiento.
Intervalos de observación
Método Intervalos típicos

Estático 15 - 30 seg.
Estático-Rápido 3 -5 seg.
Stop and Go 1 - 5 seg.
Cinemático, OTF 1 seg. o más


Precisiones esperables
CARACTERÍSTICAS DE LOS MÉTODOS DE TRABAJO CON GPS
Método Núm. Tiempo de Precisión típica Otras característica
mín. observación
Satéls
Estático 4 De minutos a horas 5 mm + 1 ppm Límite 15 Km para una
frecuencia. Sin límite con
dos
Es t á t ic o - 4 5-20 minutos 1cm + 1 ppm
Rápido
Cinemático 4 2 épocas 2 cm + 2 ppm Lí m i t e 15 Km .
Reinicialización si hay
pérdida de señal
Cinemático 4 2 épocas 2 cm + 2 ppm Límite 10 Km. Enlace por
en tiempo radio. Reinicialización si hay
real RTK pérdida de señal
Difer encial 2D: 3 1 posición/segundo Asistido de fase: < 1m Recepción de correcciones
DGPS 3D: 4 Sin fase: 1-4 m diferenciales o postproceso
Autónomo 1D: 2 1 posición/segundo Con SA: 100 m Sólo se necesita un receptor
2D: 3 Sin SA: 4-10 m
3D: 4

Metodología vs. Aplicación
TIPO DE APLICACIÓN DEL GPS
Levantamientos de Control
Levantamientos Topográficos
Replanteos
Posicionamiento rápido de precisión
Levantamientos para SIG
Navegación
MÉTODO DE TRABAJ O
GPS Estático
GPS Estático-Rápido
GPS Cinemático
GPS Cinemático en tiempo real
GPS Diferencial
GPS Autónomo
Aplicación de uso principal del procedimiento
VIIProcedimient o auxiliar o de apoyo - Cartagena de Indias, Colombia - 5 - 16 Junio 2006
Curso GPS en Geodesia y Cartografía - AECI para la aplicación 59

Precisiones en GPS


SERVICIOS DGPS

Numerosas instituciones públicas están instalando servicios públicos
de posicionamiento DGPS a través de la emisión de correcciones
diferenciales de estaciones permanentes GPS por diferentes
medios.
Dentro de estos servicios, según el tipo de correcciones envíadas, el
nivel de precisión y sobre todo, el ámbito de cobertura, podemos
distinguir dos variantes:

• redes WADGPS de satélites.
• correcciones de redes locales.


WADGPS
Bajo la denominación de redes WADGPS (Wide Area Differential GPS) se
agrupan los sistemas que proveen correcciones diferenciales a los
usuarios a partir de satélites geoestacionarios.
Las correcciones troposféricas e ionosféricas son las que normalmente
se transmiten en forma de parámetros de corrección de coordenadas.


EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay Service)
EGN

Para el ámbito de la Unión Europea se dispondrá a principios de 2006
del sistema EGNOS, que transmite correcciones diferenciales e
ionosféricas, así como otros servicios de aumentación e integridad a
través de satélites geoestacionarios.
Desarrollado por las principales agencias aeronáuticas de Europa bajo
la dirección de la ESA (Agencia Espacial Europea).
El sistema está compuesto por tres segmentos:

• Segmento espacial
• Segmento terrestre
• Segmento usuario (receptores EGNOS)


Esquema de funcionamiento de EGNOS

El sistema EGNOS proporcionará las siguientes funciones, que
constituyen las aumentaciones requeridas para complementar las
prestaciones de la constelación GPS/GLONASS:

• Telemetría / GEO Ranging (R-GEO): Transmisión de señales GPS
desde tres satélites geoestacionarios (INMARSAT III AOR-E,
INMARSAT III IOR y el ARTEMIS). Al aumentar el número de satélites
de navegación, aumentará la disponibilidad, continuidad y precisión.

• Integridad / GNSS Integrity Channel (GIC): Distribución de
información de integridad. Esto aumentará la integridad del servicio de
seguridad GPS/GLONASS/EGNOS de navegación hasta el nivel
requerido para la aviación civil (no precisión).

• Precisión / Wide Area Differential (WAD): Distribución de
correcciones diferenciales. Esto incrementará la exactitud del servicio
GPS/GLONASS/EGNOS de navegación y las prestaciones en general
hasta alcanzar el nivel exigido para aproximaciones de categoría I.


Con el desarrollo de estas funciones, se pueden identificar tres niveles
de servicio en la utilización del GPS/GLONASS más EGNOS:

NIVEL 1: Nivel preoperacional. Consistirá en la transmisión de
señales similares al GPS desde los satélites GEO (telemetría). Con el
aumento del número de satélites disponibles se incrementará la
disponibilidad.
NIVEL 2: Suministro del servicio de telemetría y de integridad
(mediante la emisión de información de integridad). El aumento de
integridad permitirá que el servicio cumpla los requerimientos de la
aviación civil.
NIVEL 3: Suministro del servicio de telemetría, integridad y precisión
(mediante la emisión de correcciones diferenciales).


Extensión de EGNOS para Latinoamérica

Los satélites INMARSAT–III, AOR-E e HISPASAT (todavía no incluido
en el sistema EGNOS) tienen cobertura sobre Latinoamérica, por lo
que sería posible recibir ambas señales en esa región.
Asimismo, existe la posibilidad de recibir la señal del satélite AOR-W
(perteneciente al sistema WAAS estadounidense), en un principio
interoperable con las señales europeas.

AOR-E
(E GNOS )

A OR-W
(W A A S ) IOR
(E GNOS )

HIS P A S A T


La posible extensión de EGNOS a Latinoamérica se realizaría
mediante el despliegue en esa región de estaciones terrestres
específicas.
Se ha llevado a cabo un estudio preliminar para determinar el
número y localización de estaciones RIMS necesarias para
proporcionar un servicio NPA (aproximaciones de no-precisión) en
Latinoamérica.
Suponiendo doble cobertura de satélites geoestacionarios en el área
de servicio latinoamericana (INMARSAT-III, AOR-E e HISPASAT2B),
se necesitarían 6 RIMS para proporcionar un servicio de esas
características. corroborar los resultados obtenidos.
Similar a EGNOS, en América del Norte se dispone de WAAS (Wide
Area Augmentation System), de la Administración Federal de Aviación
(FAA).
WAAS es un sistema de aumentación denominado SBAS (Satellite-
Based Augmentation System) basado en las correcciones generadas
en 25 estaciones terrestres y su diseminación vía satélite.


Mensajes RTCM
Aunque la mayor parte de fabricantes desarrollaron su propio formato
para la transmisión de correcciones diferenciales, el formato está
estandarizado desde 1985, de acuerdo a la propuesta de la Radio
Technical Commission for Maritime Services, Comité 104.
El estándar es conocido como formato RTCM.
Hay 64 tipos de mensajes disponibles, aunque la mayoría aún no han
sido definidos. Se definirán, por ejemplo, para satélites
geoestacionarios, GALILEO, etc.
Actualmente se está ya en la versión 3.0.
- La versión 2.0 incluye mensajes para hacer posible la
corrección a las pseudodistancias y variación con el tiempo a
la corrección de éstas.
- La versión 2.1 contiene además tipos para las correcciones
a las medidas de fase.


Formato de RTCM
• El formato de los mensajes consiste en secuencias de palabras de
30 bits.
• Los últimos 6 bits en cada palabra son los bits de paridad.
• Cada mensaje comienza con dos palabras cabecera.
• La primera palabra es fija y contiene lo que se denomina
preámbulo (preamble), el tipo de mensaje, y el identificador de la
estación de referencia.
• La segunda palabra contiene la marca de tiempo en forma de
cuenta Z, el número de secuencia, la longitud de mensaje y la salud
de la estación de referencia.
• En algunos mensajes hay una tercera palabra.
• Los mensajes 1-17 estaban disponibles en la versión 2.0,
• Los mensajes 18-21 contienen cabeceras de 3 palabras, fueron
añadidos en la versión 2.1 y tienen como propósito el
posicionamiento RTK (Real Time Kinematic, Cinemático en Tiempo
Real) de aplicación en receptores que admitan esta técnica.
• Los mensajes GLONASS se incluyeron en la versión 2.2.


NÚMERO
ESTADO
DE TÍTULO
ACTUAL
MENSAJE
1 Fixed Differential GPS Corrections
2 Fixed Delta Differential GPS Corrections • Los mensajes 18 y 19
3 Fixed Reference Station Parameters contienen la observación de
4 Retired Surveying fase y código en la estación
5 Fixed Constellation Health
de ref. y son los
6 Fixed Null Frame
7 Fixed Beacon Almanacs
fundamentales para
8 Tentative Pseudolite Almanacs posicionamiento relativo.
Partial Satellite Set Differencial
9 Fixed
Corrections
• Los mensajes 20 y 21
10 Reserved P-Code Differential Corrections (all) contienen las correcciones a
11 Reserved C/A-Code L1, L2 Delta Corrections las correspondientes
12 Reserved Pseudolite Station Parameters medidas, y sirven por tanto,
13 Tentative Ground Transmitter Parameters
para RTK.
14 Reserved Surveying Auxiliary Message
15 Reserved Ionosphere (Troposphere) Message • Los mensajes 1 y 2 son los
16 Fixed Special Message que se utilizan en DGPS
17 Tentative Ephemeris Almanac
Uncorrected Carrier Phase
(código).
18 Tentative
Measurements
Uncorrected Pseudorange
19 Tentative
Measurements
20 Tentative RTK Carrier Phase Corrections
21 Tentative RTK Pseudorange Corrections
22-58 Undefined
59 Tentative Proprietary Message
60-63 Reserved Multipurpose Usage


Formas de transmisión de correcciones diferenciales en
DGPS. Ejemplos en el Instituto Geográfico Nacional.

Las instituciones públicas deben suministrar servicios públicos de DGPS
en diferentes modalidades y medios de transmisión.

1. DGPS sobre radio analógica (RDS): proyecto RECORD.

El proyecto RECORD (Red Española de CORrecciones Diferenciales)
consiste en la difusión de correcciones diferenciales GPS a través de la
subportadora no audible RDS (Radio Data System, Sistema de Datos en
Radio) de las emisoras de Radio Nacional de España (RNE).

La corrección diferencial GPS de código, obtenida a partir del observable
de pseudodistancia suavizada con fase, se dispone en formato RTCM
SC104.

A continuación, es comprimida en formato RASANT 2.6 (Radio Aided
Satellite Navigation Technique).

En este formato se envía a RNE y lo incorpora a la señal FM.

Un receptor FM/RDS/RASANT descomprime y proporciona las
correcciones originales RTCM SC04 integrables en la gran mayoría de
receptores GPS.

• El sistema tiene monitorización integrada. Para ello se ha instalado en
el IGN un triple equipo GPS (2RS+IM) asegurando la fiabilidad,
continuidad e integridad de las correcciones.
• Las correcciones diferenciales en formato RTCM se generan y
comprimen en el IGN, donde son enviadas a RNE.
• En RNE se integran en el servidor RDS encargado de transmitir y
mezclar las distintas tramas RDS.
• Desde RNE se inyectan en el satélite Hispasat y se difunden a los
centros emisores.
• Las distintas emisoras FM difunden las correcciones diferenciales que
reciben de Hispasat según el esquema de la figura.

Los potenciales usuarios para la explotación del sistema necesitan un
receptor FM/RDS/RASANT.
Este receptor sintoniza la emisora más adecuada, eligiéndola entre toda
la banda o de una tabla programable residente en el receptor y, realiza
la decodificación de RASANT a formato RTCM utilizable por la mayoría
de los receptores o sensores GPS.


2. DGPS sobre radio digital (DBS).
Se han realizado con éxito pruebas de transmisión de correcciones
diferenciales mediante radio digital DAB (Digital Audio Broadcasting)
utilizando el canal de datos no asociado al audio (NPAD), enviando
mensajes RTCM de código (Tipo 1) y de fase RTK (tipos 18 al 21).
Los test realizados con baselínea cero y equipos de doble frecuencia
con capacidad de determinar ambigüedades sin inicialización (OTF)
muestran una calidad centimétrica en el posicionamiento.


La gran incógnita en esta forma de transmisión es saber el éxito de la
radio digital en los usuarios. La tecnología está disponible, pero no se han
lanzado al mercado masivamente los equipos receptores de radio digital.
Ventajas de este sistema:
• Calidad de audio comparable a la de un CD.
• La señal no sufre atenuación.
• No sufre interferencias debido al multipath.
• Equipos de radio más amigables.
• Los programas tienen más información integrada,no solo audio.
• Es posible añadir información de terceros.
El protocolo de transferencia MOT (Multimedia Object Transfer protocol)
permite difundir:
• Datos generales: MIME/HTTP
• Imágenes: JPG,GIF,JFIF y BMP
• Texto (ASCII, ISO 646,ISO 8859-1)
• HTML (ISO 8859-1)
• Multimedia: MPEG (ISO/IEC 13522), Java
• Archivos genéricos (TDC Transparent Data Channel)

Las aplicaciones dentro de nuestro campo son innumerables:
• transmisión de cartografía en tiempo real.
• transmisión de correcciones diferenciales en fase (permitiendo
el posicionamiento centimétrico)
• levantamientos y replanteos en tiempo real apoyados en
cartografía o en SIG interactivamente,
• datos de alerta, como información sísmica incluyendo
cartografía, información de prensa, parámetros del sismo, etc.


3. DGPS sobre Internet (DGPSIP): proyecto EUREF-IP.
(http://igs.ifag.de/euref_realtime.htm)

Con el incremento de capacidad de transmisión de Internet se han
desarrollado aplicaciones para la transmisión continua de datos.
Las aplicaciones DGPS sobre Internet, aunque requieren un flujo continuo
de datos, no necesitan un ancho de banda muy grande.
La subcomisión EUREF de la AIG ha puesto en marcha el proyecto
EUREF-IP: transmisión de datos brutos GPS y correcciones diferenciales
de código y fase en formato RTCM.
La recepción de correcciones diferenciales se realiza a través de cualquier
equipo que tenga acceso a Internet: ordenador, PDA con GPRS, etc.
El ancho de banda requerido para aplicaciones de código se cifra en unos
50 bytes/segundo mientras que en fase (RTK) unos 500 bytes/segundo.
(las aplicaciones usuales de teleconferencia o Internet-Radio necesitan
unos 5-20Kbit/segundo).


• Diseminación de datos GPS (DGPS) en forma de correcciones
diferenciales para posicionamiento preciso y navegación RTCM con
mensajes 1-3 para DGPS y 18/19 o 20/21 para RTK.
• Es posible difundir cualquier “stream” de datos sin limitación alguna; en
la actualidad se están transmitiendo tanto correcciones GPS como
EGNOS, datos brutos, efemérides ultra-rápidas o incluso datos sísmicos.
• NTRIP es la tecnología para transferir datos GNSS (por ejemplo
correcciones RTCM) mediante redes de Internet o de telefonía móvil.
• Los test realizados no muestran una pérdida significativa de
prestaciones comparado con el uso de otros medios de transporte.
• El software NTRIP se ha desarrollado dentro de EUREF bajo licencia
GNU y en la actualidad existe un grupo de trabajo dentro del comité 104
de RTCM entre cuyos fines se encuentra hacer de NTRIP un estándar
internacional.
• En el mercado hay multitud de software (libre o comercial) para la
transmisión de correcciones a través de Internet.


En las pruebas, se resolvieron ambigüedades, en tan sólo 18 segundos.
Muchos receptores ya incorporan en sus menús el protocolo NTRIP.
15 Estaciones de la ERGPS tienen implementado EUREF-IP.
Existe un caster en el IGN de dirección 80.38.104.84.
Programa cliente en http://igs.ifag.de/ntrip_down.htm (GNSS Internet Radio).


Más información:
http://igs.ifag.de Proyecto NTRIP


Para acceder a los datos se puede descargar el programa cliente
disponible para varias plataformas (Linux, Windows o Windows CE) en
http://igs.ifag.de/ntrip_down.htm y escoger de la lista de servidores.
Existen multitud de implementaciones comerciales en receptores GPS
que ya incorporan NTRIP en el propio menú del receptor.
Se han realizado diversos test, tanto en modo dinámico como estático,
con excelentes resultados.
Ejemplo significativo: se fijaron ambigüedades estando a 22 km de la
referencia y en tan solo 18 segundos, utilizando un receptor GPS de
doble frecuencia conectado a un teléfono móvil GPRS.

DistRef E Dif N Dif h Dif #SV Tiempo E Dif N Dif h Dif #SV Tiempo Punto
5015 -0.008 0.006 0.028 10 429 -0.020 -0.111 0.197 10 51 BM5
10403 0.003 0.008 0.046 6 105 0.247 0.299 0.768 6 541 BM10
10403 0.014 0.023 0.022 8 357 0.147 -0.369 0.036 8 82 BM10
14649 -0.014 0.055 0.008 5 460 0.286 0.051 1.000 5 192 BM15
14649 -0.041 0.034 0.010 9 374 -0.009 0.073 0.442 9 8 BM15
20493 0.010 -0.008 0.020 7 362 -0.464 -0.304 -3.164 7 11 VILLE
20640 0.007 0.021 0.021 9 134 -0.745 0.283 -0.163 8 89 VILLT
27568 Nofix 0.156 -0.493 0.342 8 600 Lomo
Solución fija Solución flotante


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