Presentación Curso GNSS

Agencia Bolivariana para Actividades Espaciales

Unidad de Observación Físico Territorial

Introducción a los

Sistemas Globales

de Navegación por

Satélite “GNSS”

1Introducción al GNSSabril de 2011

OBJETIVO

• Capacitar a servidores públicos y comunidades

en el uso de las tecnologías de

posicionamiento satelital para el levantamiento

preciso de información geoespacial.


Un Sistema Global de Navegación por Satélite (GNSS, en su acrónimo ingles) es

una constelación de satélites que transmite señales utilizados para el

posicionamiento y localización de un punto dado en cualquier parte del globo

terrestre, ya sea en tierra, mar o aire, con fines de navegación, transporte, geodesia,

agrícolas y otras actividades afines.

SISTEMA GLOBAL DE NAVEGACIÓN POR

SATÉLITE

Un sistema de navegación basado en satélites puede

proporcionar a los usuarios información sobre la posición

con una gran exactitud, en cualquier parte del mundo, las

24 horas del día y en todas las condiciones climatológicas.


SISTEMAS ACTUALES DE NAVEGACIÓN POR

SATÉLITE

Operado por los Estados Unidos

El sistema está formado por una constelación de 24 a 27

satélites a 20.000 Km de altura aproximada y localizados en

seis planos orbitales separados con una inclinación de 55°. El

número exacto de satélites varía en función de la política de

reemplazo que se aplica una vez transcurrida su vida útil.

NAVSTAR

Operado por Rusia

Conformado por una constelación de 24 satélites (21 activos

+ 3 satélites de reemplazo) situados en tres planos orbitales,

con 8 satélites en cada uno de ellos y siguiendo una órbita

inclinada de 64,8º con una altitud de 19.100 Km.

GLONASS


SISTEMAS DE NAVEGACIÓN POR SATÉLITE

EN PROYECTO

Unión Europea

Comprende una constelación de 30 satélites divididos en tres

órbitas circulares con 56° de inclinación y a una altitud de

aproximadamente 24.000 Km, que cubren toda la superficie

del planeta. El primer satélite experimental (GOIVE-A) fue

lanzado en diciembre de 2005 y el segundo (GIOVE-B) en el

2008. Se espera que el sistema esté completamente

operativo a partir de 2013. Este proyecto está liderizado por

la Agencia Espacial Europea ESA.

GALILEO

República Popular de China

Los funcionarios chinos en la demostración del espacio de

Toulouse, Francia han anunciado planes de desarrollar su

propio sistema de navegación basado en satélites.

A diferencia de los sistemas GPS, GLONASS y GALILEO,

que utilizan satélites en órbitas bajas y ofrecen servicio

global, Beidou usará satélites en orbitas geoestacionarias.

BEIDOU

5Introducción al GNSS abril de 2011

INTRODUCCIÓN AL GPS

El sistema de posicionamiento

global, G.P.S, es un Sistema Global

de Navegación por Satélites

(GNSS) desarrollado por el

Departamento de Defensa de los

Estados Unidos.

Constelación de satélites que

orbitan la Tierra transmitiendo una

señal de radio que al ser recibida

por un equipo electrónico

(receptor) permite calcular:

posición, velocidad y tiempo en

cualquier lugar del Planeta, de día o

de noche y en cualquier condición

climática.

Vista de un satélite GPS


El nombre oficial del sistema G.P.S es NAVSTAR, NAVigational

Satellite Timing And Ranging.

Desarrollado inicialmente por el Departamento de Defensa de los

Estados Unidos.

Primer bloque de satélites fué lanzado a comienzos del año 1978.

Operacional desde 1993.

Consta de +24 satélites de órbita terrestre media (± 20.000 Km).

El sistema opera las 24 H/día, los 365 días del año.

Disponible a nivel mundial. Opera en cualquier condición climática.

Diponible para usar en tierra, aire y mar.

REQUIERE VISIBILIDAD DIRECTA A LOS SATELITES

Sin costo para su uso, no hay pago se suscripciones !!

CARACTERÍSTICAS RESALTANTES


CARACTERÍSTICAS RESALTANTESConcebido para ofrecer un uso dual:

Civil

Militar

Algunos Usos:

Localización

Salvamento y rescate

Navegación

Seguimiento

Cartografía, Topografía, Geodesia

Medición del tiempo global

Recreación

Otros…


SEGMENTOS DEL SISTEMA GPSSEGMENTO ESPACIO

SEGMENTO DE CONTROL

SEGMENTO USUARIOS


Constelación GPS

+24 satélites (Space Vehicles o SVs)

20.200 Km altitud (12 h de período orbital)

6 planos orbitales (55° inclinación)

4 satélites en cada plano orbital (mínimo).

Detalles de los satélites GPS

Peso ~ 900 Kg

4 relojes atómicos en cada satélite

2,2m cuerpo, 7m con los paneles solares

extendidos

7-10 años de vida útil esperada

Los relojes operan en frecuencia

fundamental de 10,23 Mhz

SEGMENTO ESPACIO

Constelación de satélites GPS

Inclinación Orbital

Plano Ecuatorial


SEGMENTO CONTROLEl segmento de control estaba compuesto en sus orígenes por una

Estación de Control Maestro en Colorado Springs (EEUU), 5 Estaciones

de Observación equipadas con relojes atómicos y las Antenas de Tierra

distribuidas entre cinco lugares muy cercanos al ecuador terrestre.

En la actualidad se han anexado varias estaciones de rastreo: Australia,

Quito, Usno, Buenos Aires, Bahréin, Inglaterra.

Ubicación geográfica de las

estaciones que integran el

Segmento de Control del Sistema GPS


SEGMENTO CONTROL

Funciones del Segmento de Control:

Evaluar y controlar continuamente el

sistema satelital.

Determinar el tiempo del sistema

GPS.

Predecir las efemérides satelitales y el

comportamiento de los osciladores en

los satélites.

Actualizar periódicamente la

información de navegación para cada

satélite en particular (efemérides,

almanaques, etc...).

Receptor GPSEstación de Control

Satélite GPS

http://images.google.co.ve/imgres?imgurl=http://controleng.com/articles/blog/1180000318/20080208/AgGPS RTK BaseStation 900-450_014 copy.jpg&imgrefurl=http://www.controleng.com/blog/AIMing_for_Automated_Vehicles/14368-Any_color.php&usg=__rB6GwZ-6lnz9-22dBtVzlbbxjRE=&h=3718&w=2592&sz=570&hl=es&start=150&sig2=2k6zBPjnMSCryuXxkPWzsg&um=1&tbnid=dWZCFnxy2X6TfM:&tbnh=150&tbnw=105&prev=/images?q=rtk+gps&ndsp=18&hl=es&rlz=1I7GGLL_es&sa=N&start=144&um=1&ei=YQh3SqDvH97EmQexwqTKBg


SEGMENTO CONTROL

Estación de Control Maestro:

Transmite a los satélites:

Parámetros de predicción de

órbitas.

Correcciones a los relojes

atómicos de los satélites.

Modelos Ionosféricos.

Comandos a los satélites.

Estaciónes de Observación:

Funciones de seguimiento:

Reciben señales de los

satélites.

Capturan datos meteorológicos.

Transmiten datos a la estación

de control maestro.


SEGMENTO USUARIOS

El segmento de Usuarios comprende a cualquiera que reciba las señales

GPS con un receptor, determinando su posición, velocidad y tiempo

(PVT).

Barcos, automóviles, aviones

Dispositivos móviles

Teléfonos celulares

Equipos geodésicos y topográficos

Otros…


Segmento Espacio24+ Satélites

Transmisión de efemérides

actuales a los usuarios finales

Estaciones de Observación

Diego GarciaAscension IslandKwajaleinHawaiiColorado Springs

Colorado Springs

Centro de Control

Usuario final

FUNCIONAMIENTO


LA SEÑAL GPS

L1 frecuencia de 1.575,42 MHz y

longitud de onda de 19,05 cm.

L2 frecuencia de 1.227,60 MHz y

longitud de onda de 24,45 cm.

Banda de transmisión: Banda L (390 – 1.550 Mhz).

Frecuencia Fundamental: 10,23 Mhz.

Portadora L1: 1.575,42 Mhz

– Usuarios militares: código P.

– Usuarios civiles: código C/A.

– Mensaje de Navegación: 50 bps

Portadora L2 : 1.227,6 Mhz

– Solo usuarios militares: código P.


LA SEÑAL GPS

Cada satélite transmite un mensaje de navegación conteniendo:

elementos orbitales, datos del reloj, tiempo del sistema y mensajes de

estado. Adicionalmente se transmite el almanaque, que contiene

información aproximada de cada satélite activo.

Las señales viajan a la velocidad de la luz 300.000 Km/s.

Dos niveles de Servicios:

Standard Positioning Service (SPS) USUARIOS CIVILES

Precise Positioning Service (PPS) USUARIOS MILITARES

- Código C/A y SPS disponibles para usuarios civiles.

- PPS: solo para usuarios militares, incrementa la precisión usando el

código P.


RECEPTOR GPSUn receptor G.P.S, es un COMPUTADOR


Procesador:

Convierte los datos en una posición

tridimensional y almacena la información

obtenida.

Receptor:

Registra los datos transmitidos y calcula

la distancia receptor-satélite.

Antena:

Recibe la señal de los

satélites

RECEPTOR GPS


TIPOS DE RECEPTORES GPS


TIPOS DE RECEPTORES GPS


ALMANAQUE GPS******** Week 269 almanac for PRN-01 ********

ID: 01

Health: 000

Eccentricity: 0.5405902863

E-002Time of Applicability(s): 61440.0000

Orbital Inclination(rad): 0.9813845822

Rate of Right Ascen(r/s): -0.7577458489E-008SQRT(A)

(m 1/2): 5152.601074

Right Ascen at Week(rad): 0.3902550488E+000

Argument of Perigee(rad): -1.695816885

Mean Anom(rad): -0.1712506416E+001

Af0(s): 0.3681182861E-003

Af1(s/s): 0.3637978807E-011

week: 269

******** Week 269 almanac for PRN-03 ********

ID: 03

Health: 000

Eccentricity: 0.6181240082E-002

Time of Applicability(s): 61440.0000

Orbital Inclination(rad): 0.9281326789

Rate of Right Ascen(r/s): -0.8000333246E-008SQRT(A)

(m 1/2): 5153.644531

Right Ascen at Week(rad): -0.2857742542E+001

Argument of Perigee(rad): 0.554986085

Mean Anom(rad): -0.7420111497E+000

Af0(s): 0.5340576172E-004

Af1(s/s): 0.3637978807E-011

week: 269

Es enviado de forma individualcon mensajes de posición ytiempo.

Usado en los receptores GPSpara la predicción de todas lasórbitas de los satélites.

Válido por ~ 30 días


MENSAJE DE NAVEGACIÓN

Cada satélite transmite a Tierra un mensaje de navegación que contiene la

siguiente información:

Sistema de tiempo y valores de corrección de reloj.

Datos orbitales propios de alta precisión (efemérides).

Datos orbitales aproximadnos de todos los otros satélites (almanaque).

Salud, etc.

El mensaje de navegación es necesario para calcular la posición actual de los

satélites y para determinar el tiempo de viaje de la señal.

Los datos del mensaje se transmiten en forma lógica y agrupan las unidades

conocidas como conjuntos (frames). Cada conjunto es de 1500 bits de longitud y

tarda 30 segundos para se transmitido.


MENSAJE DE NAVEGACIÓN


DISTANCIA AL SATÉLITE


DISTANCIA AL SATÉLITE

Pseudodistancia


Señal recibida desde el satélite Ts

Señal patrón, generada en el receptor Tr

Reloj del Satélite GPS, Ts

Señal transmitida del código (C/A o P)

Reloj del

receptor

GPS Tr

P=c(Tr-Ts)

Pseudorango

Antena

D= v * t

DESFASE DE CÓDIGOS

Error de Sincronización 1ms Error en distancia 300 Km


¿CÓMO FUNCIONA EL GPS?

El sistema GPS utiliza el principio matemático de la triangulación o

trilateración.

El principio básico aplicado consiste

en utilizar los satélites en el espacio

para determinar las coordenadas de

puntos en tierra.

Esto se logra mediante una

medición exacta de nuestra

distancia a al menos 3 satélites, lo

que permite “triangular” una

posición en cualquier parte del

planeta.

La clave está en la medición

precisa del tiempo !!!!!


XTriangulación desde

satélites es la base

del sistema.

Para triangular, el GPS mide

distancias (pseudorangos) usando

el tiempo de viaje de una señal

de radio.

Para medir el tiempo

de viaje, se usan

relojes muy

precisos

12

3

4

5

Adicionalmente, para

determinar la distancia al

satélite, el usaurio necesita

conocer la posición del

satélite

Dado que la señal del satélite

viaja a través de la

Ionósfera y la atmósfera

terrestre, esta sufre un retrazo

(fuentes de error).

¿CÓMO FUNCIONA EL GPS?


DETERMINACIÓN DE LA POSICIÓN

b= desface o retardo de los relojes



Punto único

1 SatéliteEsfera

2 SatélitesCirculo

3 Satélites2 puntos sobre un

circulo


Precisión:

+/- X m error (horizontal)

+/- Y m error (vertical)


10°30’00’’ N -67°30’00’’ W

850 m.s.n.m

15:35:25


FUENTES DE ERROR

Las mediciones efectuadas con receptores GPS contienen errores. La

exactitud del posicionamiento absoluto GPS depende de dos factores:

La exactitud de la medición de pseudorangos (pseudodistancias).

La configuración espacial de los satélites usados.

Errores que afectan a la medición de la distancia Satélite - Receptor:

Error de efemérides.

Error de los relojes.

Errores atmosféricos.

Error de multicamino (Multipath).

Error propios de la medición, obstáculos.

Disponibilidad selectiva (S/A).


FUENTES DE ERRORError de efemérides:

Las órbitas transmitidas de los satélites son una extrapolación temporal y

esta es la principal causa del error de efemérides.

El efecto del error de efemérides en la medida de la pseudodistancia es

del orden de 1 a 3 metros.


FUENTES DE ERRORError de los relojes:

La Estación de Control Maestro calcula para cada reloj de los satélites los

coeficientes de corrección. Estos son dados a través del mensaje de

navegación.

La desincronización del reloj del receptor se introduce como nueva

incógnita. Ruido electrónico puede estar presente y afectar al reloj

(Cuarzo) de los receptores.

Error residual estimado: 10 nanosegundos 3 m en la pseudodistancia.


FUENTES DE ERRORErrores atmosféricos:

Cuando las señales atraviesan la atmósfera, la interacción entre el

campo electromagnético y los electrones libres, los átomos neutros y

moléculas modifica tanto la velocidad como la dirección de

propagación.

Estos se producen en dos zonas:

La Ionósfera

La Tropósfera

Espacio Vacio

Ionosfera

Troposfera

Perturbaciones de la Señal


FUENTES DE ERRORErrores atmosféricos:

– Ionósfera (uso de receptores doble frecuencia)

– Tropósfera (modelos analíticos)


Conocido como Multipath. Se produce cuando la antena del

receptor recibe simultáneamente la señal del satélite y un reflejo

de la misma producido en un objeto cercano.

FUENTES DE ERRORError multicamino:

Efectos Multipath en la Medición GPS

Para reducir este efecto se requiere disponer de antenas con planos de tierra y sobretodo poner un especial cuidado en el emplazamiento de la misma


FUENTES DE ERRORError por la geometría de observación

Buen GDOP

Pobre GDOP

Pobre GDOP


FUENTES DE ERRORError por la geometría de observación y/o obstáculos


FUENTES DE ERROR

Disponibilidad selectiva (SA):

Este concepto de Disponibilidad Selectiva (SA), consiste en alterarintencionadamente la señal de los satélites para controlar el uso civil delsistema. Era aplicado por el Departamento de Defensa de los EstadosUnidos. Se aplicaba sometiendo a los relojes del satélite a un procesoconocido como "dithering" (dispersión), que altera ligeramente el tiempoy la transmisión de las efemérides.

Produce una degradación en la precisión de la posición, y si bien el efecto SA está

desactivado desde el 1 de Mayo de 2000, deberá tenerse en cuenta de nuevo en

el caso de que volviera a activarse.

El factor SA afectaba a los usuarios civiles que utilizaban un soloreceptor GPS para obtener una posición absoluta. Los usuarios de

sistemas diferenciales no se veían afectados de manera significativapor este efecto.


FUENTES DE ERROR


MÉTODOS DE POSICIONAMIENTOSegún el Movimiento del Receptor:

1. Estático:

Se determina un único trío de coordenadas (X, Y, Z) directamente o (ΔX, ΔY, ΔZ) si el

posicionamiento es diferencial, de una antena a partir de una serie de observaciones realizadas

durante un periodo de tiempo en el que no se sufren desplazamientos superiores a la precisión

del sistema. Existe redundancia en la observación.

2. Cinemático:

Se determina el conjunto de coordenadas (X, Y, Z) directamente o (ΔX, ΔY, ΔZ) si el

posicionamiento es diferencial, en función del tiempo y la situación de la antena, la cual estará en

movimientos superiores a la precisión del sistema.


MÉTODOS DE POSICIONAMIENTOSegún el Sistema de Referencia:

1. Absoluto:

Se calcula la posición de un punto utilizando las medidas de pseudodistancias por código (C/A, P)

con un solo receptor. La precisión del método está en menos de 10 metros (en función del código

utilizado).

2. Relativo o Diferencial:

Es necesario observar al menos con dos equipos simultáneamente. Las mediciones se pueden

hacer por código o por fase. Se determina la distancia o incremento de coordenadas entre las

antenas de los receptores (diferencia de posición entre ellos). A este método se le suele

denominar diferencial. La gran ventaja de este método radica en que los errores de

posicionamiento, muy similares en ambos puntos, son eliminados en su mayor parte.


MÉTODOS DE POSICIONAMIENTOMétodo diferencial Post-proceso:

Método para determinar coordenadas con precisión métrica o sub-métrica. El

receptor fijo se ubica en modo estático sobre un punto de coordenadas conocidas,

mientras el receptor móvil, es el receptor en movimiento del cual se determinarán

las coordenadas en tiempo real.

Una estación permanente, red de estaciones o un equipo mono-usuario guarda

observaciones de la señales GPS y provee esta información al receptor móvil a través del

envío de un archivo al PC.

Un receptor móvil GPS guarda las señales de los satélites y posiciones sin corregir.

Los datos son cargados en un PC y se realiza el post-

proceso de las posiciones con la información de la

estación base y el equipo móvil.

Los archivos para la corrección pueden obtenerse por

internet, redes lan, etc

El post-proceso no permite obtener la posición con

precisión en tiempo real.


MÉTODOS DE POSICIONAMIENTOMétodo Diferencial en tiempo real (RTK):

Consiste en la obtención de coordenadas en tiempo real con precisión centimétrica

(1 ó 2 cm). Usualmente se aplica este método a posicionamientos cinemáticos,

aunque también permite posicionamientos estáticos. Es un método diferencial o

relativo.

Una equipo GPS recibe la señal GPS y provee esta información al receptor

móvil a través de un radioenlace.

Un receptor móvil GPS usa las señales de los satélites+ la información enviada

por el equipo base para calcular con precisión su posición actual.

La conectividad puede ser por radio modem

(integrado o no), celular, etc

La distancia entre la estación base y el móvil es

acotada.

La precisión lograda es del orden centimétrica.


CORRECCIÓN DIFERENCIAL

Postproceso:

Software de Post-Proceso.

No se requieren radios.

Tiempo Real:

Coordenada precisa en campo.

Enlace de Radio.


CORRECCIÓN DIFERENCIALPostproceso:

RTK:

10°30’00’’ N

-67°30’00’’ W

10°30’00’’ N

-67°30’00’’ W


Sistema de Aumento Basado en Satélites

Se conoce como SBAS al conjunto de sistemas de aumento desarrollados por

distintos países que se basan en el uso de satélites geoestacionarios para mejorar las

prestaciones de los actuales GPS y GLONASS.


DATUM Y SISTEMAS DE COORDENADAS

• Hay muchos datums y sistemas de

coordenadas en uso actualmente

• Referenciación incorrecta de

coordenadas al datum puede resultar en

errores de posición


DATUM GEODÉSICO

Define el tamaño y la forma de la

tierra

Usado como base para sistemas

de coordenadas

Variedad de modelos:

Tierra plana

Esférica

Elipsoidal

WGS 84 es el datum utilizado por

el sistema GPS


ONDULACIÓN GEOIDAL


SISTEMAS DE COORDENADAS

Basados en un Datum Geodésico

Describen localizaciones en dos o tres dimensiones (ie. X,Y,Z or X,Y)

De carácter Local y Global

Sistemas comunesCoordenadas Geodésicas (Lat, Long, h) (global)

Cartesianas ( X,Y,Z)

Proyectadas (ej. UTM)

Variedad de métodos de transformación


SISTEMAS DE COORDENADAS


COORDENADAS GEOGRÁFICAS

λ

= Latitud

λ = Longitud


USO DE PROYECCIONESEl sistema de coordenadas geográficas no representa una proyección y

se basa en arcos de meridianos y paralelos.

Se requiere reproyectar las mediciones a una proyección cartográfica.

En Venezuela una de las más comunes es la Proyección Universal

Transversal de Mercator (UTM).


PROYECCIÓN U.T.MU.T.M = Universal Transversal de Mercator

Rotación del cilindro en

incrementos de 6°

60 Zonas U.T.M con 6°

de ancho

Parámetros:

Falso Este: 500.000 m

Falso Norte: 0 m

Meridiano Central


PROYECCIÓN U.T.M

60Introducción al GNSS abril de 2011 60

Receptor GPS

Trimble Juno ST


Vista FrontalConector de Audífonos

Pantalla Táctil

Conector USB

Contactos

Mensajes

Micrófono

Calendario

Inicio

Botón de Dirección


Vista Lateral

Botón de EncendidoConector de

Antena Externa

Apuntador

Luz Indicadora

Botón de Bloqueo

Ranura para Memoria SD

Botón de Restauración


Vista Posterior

Corneta

Batería

Recargable

de Litio

Tapa de

Batería

Apuntador

Procesador

Samsung

300 MHz

64 MB

Memoria RAM

128 MB de

Memoria

Interna


Pantalla de Inicio

Indicador de Volumen

Indicador de Batería

Barra de Titulo

Pantalla de Inicio

Menú de Inicio

Barra de Menú

Icono Wi Fi

Icono Bluetooth

Icono de Orientación

Indicador de Conectividad


Vistas de Configuración


Realizar la configuración de:

Hora y Fecha

Proyección

Datum

Realizar el levantamiento de:

3 Waypoints de elementos resaltantes.

Realizar la verificación de las coordenadas

en Google Earth.

Laboratorio


Planilla de Recolección de Datos GPS

Proyecto:

Nombre del

Punto:

Tipo de

Instalación

Nombre de la

Unidad

Educativa

Fecha:

Características

del Punto:

Levantado

por:

Coordenadas Geográficas (Datum ) Coordenadas UTM

Latitud: Este:

Longitud: Norte

h: Elevación:

Datum: Zona UTM:

Datum:

Croquis de

DetalleFotografía

Acceso

Observaciones


Gracias

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