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Ciudad de México (México)28-31 de Mayo de 2012

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Workshop SACCSAProblemática en las regiones CAR/SAM

PROYECTO REGIONAL DE COOPERACIÓN TÉCNICARLA/03/902 - RCC08

SACCSA(Solución de Aumentación para Caribe, Centro y Sur América)

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- Breve historia de la navegación satelital

- Navegación por satélite: Idea intuitiva

- Problemática de la región

- Prestaciones obtenidas en la actualidad

Indice

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BREVE HISTORIA DE LA NAVEGACIÓN

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Breve Historia de la Navegación por Satélite

– En 1519, Elcano y Magallanes completaron la primera vuelta a la Tierra solamente utilizando cartas de navegación, un globo terrestre, brújulas, cuadrantes, sextantes, etc.

– Mediante estos instrumentos y con una cierta habilidad podían estimar la velocidad del barco, dirección y latitud, pero no la longitud.

– Se tardaron al menos otros 250 años hasta que los navegantes fueron capaces de estimar la longitud en el mar. 200 años después es posible calcular , posición velocidad y tiempo con una gran precisión, sin esfuerzo y con un coste menor gracias a GPS.

– GPS representa una mezcla de tecnologías que maduraron simultáneamente a mitad del siglo XX. Estas tecnologías cumplen con el objetivo de determinar la posición por medio de la trilateración, o determinación de la posición a base de medir distancias a puntos conocidos.

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– A lo largo de la historia tres áreas científicas

aparentemente no relacionadas han constituido la

clave para determinar la posición, tanto en los

antiguos sistemas de navegación como en los

modernos:

• Geodesia

• Medición del tiempo

• Astronomía (en el pasado), astronáutica (en el presente)


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– Los avances del siglo XX• A principios del siglo XX dos inventos marcarán el

mundo de la navegación:

– El cruce en 1901 del Atlántico por una señal de radio

– En 1903 los hermanos Wright volaron con el primer aeroplano

• Desde entonces los aviones surcan los vuelos usando sistemas inerciales de navegación y radio ayudas

– Navegación Inercial:» Un giroscopio es una masa giratoria que

permite mantener una dirección fija en el espacio. Los sistemas inerciales de navegación montan tres giroscopios en tres direcciones espaciales y permiten determinar el movimiento de un vehiculo.

– Radionavegación:

» Las señales de radio viajan en el espacio libre en dirección recta y a la velocidad de la luz, el tiempo de propagación permite obtener información sobre la posición.

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– Métodos de Radionavegación:• Triangularización:

– Las ondas de radio viajan a la velocidad de la luz, luego midiendo el tiempo de viaje de una señal desde el transmisor al receptor se puede tener información sobre la distancia entre estos. Dada la distancia a tres emisores, en posiciones conocidas, el usuario puede determinar su posición. Estos métodos se denominan TOA (Time Of Arrival) y GPS es un sistema TOA.

• Posicionamiento Hiperbólico:

– Estos sistemas se basan en la medida de la diferencia de los tiempos de llegada de las señales provenientes de dos estaciones transmisoras. Los transmisores estan sincronizados pero no el usuario (receptor), el reloj del usuario mide las deferencias de tiempos, normalmente ms. Se necesitan al menos dos parejas de estaciones emisoras y el usuario se encontrara en la intersección de las dos hipérbolas. Estos sistemas se denominan TDOA (Time Difference Of Arrival) y ejemplos de estos sistemas son Loran y Omega.

• Posicionamiento Doppler:

– Se basan en el efecto doppler, un cambio en la frecuencia aparente de la señal recibida por un observador debido al movimiento relativo entre el emisor y el receptor. Transit es un ejemplo de estos sistemas


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– GPS:

• El éxito del Sistema Transit llevo a plantearse el desarrollo de un

nuevo Sistema de elevadas prestaciones, las principales decisiones de

diseño fueron:

– Sistema Activo o Pasivo: Pasivo

– Sistema de posicionamiento, doppler, hiperbólico o

triangularizacion: triangularizacion

– Señales de pulso o de onda continua: CDMA

– Frecuencia portadora: banda L

– Constelación de satélites y orbitas: 24-36 satélites en orbitas medias (MEO)

• El primer satélite GPS se lanzo en 1978

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– GPS: El desarrollo de cuatro tecnologías ha

permitido el éxito del Sistema GPS:

• Satélites estables en orbitas predecibles

• Relojes ultra estables

• Señales ‘spread spectrum’

• Circuitos integrados

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– GNSS:• GPS no es el único Sistema existente. Mientras

GPS se encontraba en desarrollo, la Unión Soviética emprendió el desarrollo de GLONASS, la constelación de 24 satélites transmitió señales en 1996 y desde entonces d¡fue decayendo para empezar a resurgir en los últimos años.

• El 1999 la Unión Europea decidió el desarrollo del Sistema Galileo, el primero civil, y que comenzará a operar entre el 2012 y el 2018

• China lanzo dos satélites en el año 2000 como parte de sus sistema de navegación experimental Beidou

• Los sistemas de navegación por satélite no solo se circunscriben al ámbito terrestre sino que existen estudios para ser desplegados en otros planetas como por ejemplo Marte.

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Sistemas actuales o en desarrollo:

– GPS

– GLONASS

– Galileo

– QZSS

– WAAS

– EGNOS

– GAGAN e IRNSS

– Beidou y COMPASS

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NAVEGACIÓN PORSATÉLITE: IDEA

INTUITIVA

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Navegación por satélite: Idea Intuitiva

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• Simplemente: relojes precisos orbitando alrededor de la tierra

– Estos relojes son capaces de transmitir

“marcas de tiempo” a través de señales

electromagnéticas

¿Qué es GNSS?

¿Qué es un receptor GNSS?

• Simplemente: ¡otro reloj!

– Este reloj es capaz de recibir las

“marcas de tiempo” transmitidas y

compararlas con su propio tiempo

– Esto permite medir el tiempo necesario

para la señal para cubrir la distancia

entre el satélite y el receptor.

Idea Intuitiva

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• El tiempo es distancia: las ondas electromagnéticas

viajan a la velocidad de la luz

• Si sabemos dónde estaba el satélite cuando la señal

fue transmitida:

– PROBLEMA SIMPLE DE TRIANGULACIÓN

¿Qué conseguimos entonces?

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El problema 2D con un reloj de usuario sincronizadocon el de los satélites

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Problemas• Los relojes de los usuarios no

están sincronizados1 con el tiempo

GPS

• Los relojes de los satélites no

están perfectamente sincronizados

entre ellos

• La posición de los satélites no se

conoce exactamente

• La señal se propaga de forma

distinta dependiendo del medio

– Ionosfera y Troposfera

• Proceso de recepción

– Ruido

• Un satélite adicional

es necesario para

sincronizar el reloj

del usuario (4

satélites para el

problema 3D)

• Errores de medida

(ver después)

1 un mínimo error de1ms implica un error de 300 Km! La sincronización

se requiere al niveldel ns (10-9 s)

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Efecto dela geometríaDOP

Efecto delerror en lamedida

¿De dónde provienenlos errores del usuario?Detalles después

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Observables

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Errores y Señales

• ¿Qué son errores y qué señales?– Lo que es un error para unas aplicaciones puede ser una señal para otras

• Los usuarios (clásicos) que quieren conocer la posición precisa del receptor deben compensar errores derivados de sincronización de relojes, atmósfera, ruido, etc.

• Usuarios interesados en la estimación de la ionosfera deben hacer desaparecer los términos geométricos!

• ¿Cómo eliminar los errores para conseguir las señales?– Los errores pueden ser quitados, suavizados, modelados, estimados, o

cualquier combinación de ellos.

• Eliminar errores: a través de diferenciación de datos algunos errores pueden ser cancelados: (e.g. datos iono-free usando medidas en dos frecuencias)

• Suavizado de errores: Procesado y Filtrado de datos (carrier-smoothedpseudoranges)

• Modelizado de errores: Información a priori de algunas contribuciones (e.g. retraso troposférico)

• Estimación de errores: La contribución del error puede ser estimada dentro del propio proceso de estimación de la posición (e.g. estimación del retrasodel reloj en paralelo a la estimación de la posición)

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Errores de medida

• Para el uso “clásico” de la navegación por satélite (cálculo de la posición de los usuarios), los errores más relevantes:

– Intrínseco al sistema:

• Sincronización de los relojes de los satélites

• Error en el conocimiento de la posición del satélite (error de efemérides)

– Propagación:

• Ionosfera:

– Modelo básico

– Usuarios bi-frecuencia

– Otras estimaciones

• Troposfera

– Recepción (usuario):

• Multipath

• Ruido en la recepción y proceso de correlación

Idea Intuitiva

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Prestaciones¿Cuáles son los factores clave de la precisión del GNSS ?

• Recordar:

– errores del usuario = errores de medida del pseudo-rango * DOP

• Una buena precisión requiere por tanto:

– Buena geometría de los satélites respecto al usuario (DOP pequeño)

– Errores de medida pequeños:

• Eliminar errores de propagación; en particular ionosfera: señales bi-frecuencia; modelos precisos

• Relojes de los satélites bien sincronizados

• Posición de los satélites conocida con precisión:

• “Tracking” preciso / minimizar efecto del multipath: Definición de la señal; receptores

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DESCRIPCION DE LA PROBLEMÁTICA

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La región CAR/SAM está localizada en la región ionosférica ecuatorial

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Fuentes principales de problemas asociadas a la ionosfera:• Grandes valores del retraso ionosférico dependiendo de la actividad solar.

• la presencia de la anomalía ecuatorial, que hace todavía más complejo el

modelado de la ionosfera e incluye fuertes gradientes.

• También existen burbujas ionosféricas que afectan a las prestaciones sobre

todo a la complejidad del modelado en sistemas SBAS y también en el caso

de utilizar tecnología GPS diferencial.

• la existencia en esta región de irregularidades de pequeña escala de la

densidad electrónica de la región ionosférica F. Dichas irregularidades dan

lugar a la aparición de centelleos en las señales recibidas

• las tormentas magnéticas en la ionosfera, aunque este efecto es global y

puede producirse a cualquier latitud. Efectos equivalentes a anomalía

ecuatorial

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Efectos en GNSS global (GPS):- Degradación de prestaciones de precisión (solución fase y código):

- Monofrecuencia:- Aumento significativo del error en posición respecto a latitudes medias.

- No se corrige la ionofera. Errores de navegación muy grandes. Hasta 30m

en máximo solar.

- modelos de GPS muy básicos para regiones ecuatoriales. Dejan

aproximadamente el 50% del error.

- Aumento de ruido y pérdida de señal debido a centelleo

- Bifrecuencia (L1/L2): - Aumento de ruido y Pérdida de señal debido a centelleo => Degradación

de prestaciones

- Aumento del DOP

- Aumento del error

- Indisponibilidad

- L2 mucho más vulnerable que L1

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PRESTACIONES

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Prestaciones Máximo Solar: Maracaibo – Venezuela (MRBA)

Análisis con escenario simulado (E2): Ionosfera máximo solar (datos reales)

SBAS: magicSBAS SACCSAObtenidos con magicGEMINI

Datos:• 1 dia de duración• Estación: Maracaibo-Venezuela (MRBA)

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PRECISIONGPS ONLY

GPS only error: Horizontal [-6:16 m] Vertical [0:30 m]

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PRECISIONGPS ONLY

GPS error: ~VPE: promedio 12m, 20m (95%)

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Prestaciones Actuales: Caribe

Análisis con datos reales con magicSBAS real timeObtenidos con magicGEMINIDatos:• 1 dia de duración (17/01/2012)• Estación: La Parguera, Puerto Rico (PRMI)

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PRECISION HORIZONTAL (N)


GPS ONLY

GPS only error: ~HPE: promedio 2,5m, 7m (95%), [-0.2,9m]

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PRECISION VERTICAL


GPS ONLY

GPS only error: ~VPE: promedio 4m, 12m (95%), [-4.5,18m]

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Prestaciones Actuales

GNSS es una tecnología de moda gracias a:• La evolución de la tecnología permite introducir en el mercado

terminales atractivos y de bajo coste

• La precisión actual de GPS permite proporcionar muchos servicios

Las aplicaciones GPS crecen:• Serviciós de Navegación

• Servicios de Localización

Pero… otros mercados de usuarios no están satisfechos• Principalmente lo que buscan es:

� Mejoras de precisión (por debajo de un metro, incluso centímetros o

milímetros)

� Fiabilidad

� Garantía de servicio

� Integridad

La solución a esos problemas: en el siguiente capítulo

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GraciasMarta Cueto Santamaría – GMV

[email protected]

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