Presentacin de PowerPoint

Introduccin a los Sistemas Globales de Navegacin por SatliteCarlos Duarte9 de junio de 2016

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ContenidoQu son los sistemas globales de navegacin por satlite?

Cmo funcionan?

El GPS

Errores y exactitud

Otros sistemas GNSS

Mejoras en la exactitud de los GNSS*

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Introduccin*

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Los sistemas globales de navegacin por satlite ofrecen servicios de posicionamiento y tiempo a travs de constelaciones satelitales

Actualmente estn en operacin, los siguientes sistemas GNSSGPSGLONASS Galileo BeiDou

Cmo funciona un GNSS?

Arquitectura de los sistemas GNSSLos sistemas GNSS consisten de 3 subsistemas principales:

Segmento espacialSegmento de controlSegmento de usuario*

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Segmento espacial Segmento de control Segmento de usuario

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Segmento espacialConsiste de una constelacin de satlites que actan como puntos de referencia.

Los satlites contienen relojes muy precisos. Transmiten peridicamente seales de tiempo y mensajes con su posicin adems de otra informacin relevante que usan los receptores para determinar sus coordenadas.

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Segmento de controlEl segmento de control est constituido por una red de:

Estaciones maestras de controlEstaciones de monitoreoEstaciones de inyeccin de datos

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Segmento de usuarioEl segmento de usuario consiste en el equipo que determina la posicin del usuario a partir de las seales que recibe del segmento espacial.*

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El segmento de usuario est constituido por

ReceptorAplicaciones

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GPS (Global Positioning System) o NAVSTAR es el primer Sistema GNSS en operacin

Inicialmente desarrollado para fines militares. Abierto a uso civil en 1983.Inici operaciones a finales de la dcada de los 70s

Varias generaciones de satlites o bloques en operacin*

10El Sistema GPS

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El segmento de control del GPS consiste de una estacin maestra de control, una estacin maestra de respaldo y estaciones de monitoreo distribuidas alrededor del mundo.

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11Segmento de control

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Constelacin GPS

6 planos orbitales

Inclinacin55o

4 satlites por plano

Altura 20,200 Km

Periodo 12 h

Estructura de las seales GPSLos satlites GPS transmiten ondas electromagnticas

La ondas portadoras transportanCdigos para estimar la distancia entre el receptor y el satliteMensaje de navegacin con la posicin del satlite

Estructura de las seales GPSFrecuencia de las portadoras: Banda L, el grupo de frecuencias entre 1 y 2 MHz

L1 1575.42 MHzUsos civilesL2 1227.60 MHzUsos militares y receptores de doble frecuencia. Aumenta la exactitud a travs de medir el retraso debido a la ionsferaNueva frecuencia L2C para aplicaciones civiles en los Bloques IIR-M y II-FL5 1176.45 MHzAplicaciones de seguridad de vida. Contenida en las ltimas generaciones de GPS: Bloques II-FL3 1381.05 MHzUso reservado

Transmisin de la informacinEl sistema GPS utiliza modulacin BPSK

Cada vez que hay un cambio en el nivel lgico de la informacin, la portadora cambia de fase 180 grados

Estructura de las seales GPS

L1 transmite un mensaje de navegacin y el cdigo de adquisicin aproximada C/A (Coarse Acquisition). Este cdigo es pblico.L1 y L2 transmiten el cdigo de precision P. Su uso es restringido.*

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Estructura de las seales GPSCdigos de ruido pseudoaleatorio (PRN)Son seales binarias repetitivas que tienen propiedades parecidas al ruidoSu periodo de repeticin puede ser muy grandeSirven para identificar a cada uno de los satlites de la constelacin GPS y estimar la distancia al receptor (pseudorango)Cada satlite emite un cdigo distinto. Los cdigos son ortogonales entre si

Cdigo de Adquisicin Aproximada (C/A)

Modulado nicamente por la portadora L1Un cdigo PRN nico por cada satliteRapidez de transmisin 1.023 Mchips/SegundoLongitud del cdigo: 1023 bitsPeriodo de repeticin del cdigo 1 msLongitud de un chip: 293 mDisponible a todos los usuarios

Cdigo PPermite mayor precision que el C/AModulado por las dos portadoras L1 y L2El cdigo se puede encriptar con el cdigo secreto W para generar el cdigo YEl cdigo P tiene una rapidez de 10.23 Mchips/seg 10 veces ms rpido que el cdigo C/ASu longitud es muy larga: 2.35 x 10 14 dgitos binariosSu periodo es de 266 das, dividido entre 38 segmentos de 7 das cada unoCada satlite transmite una porcin nica de una semana que se reinicia el domingo a las 0:00 horasLongitud de un chip: 29.3 m

Relacin entre los cdigo C/A y P

Cdigo P10.23 Mchips/seg

Cdigo C/A1.023 Mchips/seg1023 bits por satlite1 msec

6x10 12 bits por satlite7 das293 metros

Estructura de las seales GPS

PortadoraL1: 1575.42 MHz

PRN: cdigo C/ALongitud: 1,023 chipsFrecuencia: 1.023 Mchips por segundoPeriodo de repeticin: 1 ms

Mensaje de navegacinFrecuencia de transmisin: 50 HzDuracin de un 1 bit: 20 ms

Informacin trasmitidaPortadora con modulacin BPSK

Estructura de las seales GPSMensaje de navegacinEstatus (salud) del satliteTiempo del satlite y seales de sincronizacinDatos precisos de la rbita del satlite (Efemrides)Datos aproximados sobre las rbitas de todos los satlites (Almanaque)Correcciones para calcular el tiempo de trnsito de la sealDatos de la ionsferaTarda 12.5 minutos en transmitirseA travs del mensaje de navegacin, el receptor conoce la posicin y el tiempo de cada satlite en el momento de la transmisin

Estructura del mensaje de navegacin GPS

Mensaje de navegacin del GPSSub Marco 1: Correccin del reloj y estado de salud del satliteSub Marcos 2 y 3: Efemrides del satliteSub Marco 4: Parmetros del modelo ionosfrico, tiempo UTC, parte del almanaque, Sub Marco 5: Contiene datos del almanaque y el estatus de la constelacin. Se requieren 25 marcos para completer el almanque

Los SubMarcos 1,2, y 3 se transmiten en cada marco, es decir, se repiten cada 30 segundos. El contenido de los submarcos 4 y 5 son communes a todos los satlites.

Modulacin de la seales GPS

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Determinacin de la distancia al satlite

c= 299,792,458 m/sd= tp*cEl receptor mide el tiempo que tarda en llegar la seal desde cada satlite.La exactitud en la medicin del tiempo es crucial.

1 microsegundo= 300 m1 ns= 30 cm

Relojes atmicosCada satlite GPS lleva varios relojes atmicos que se sincronizan peridicamente entre ellos y con relojes en tierra.Su precisin tpica es de un 1 nanosegundoEn la medicin del tiempo se corrigen efectos por Relatividad EspecialRelatividad General

Clculo de la posicin del receptor

El receptor conoce la posicin del satlite en el momento que envi la seal, a travs del mensaje de navegacin.

P1(x1,y1,z1)P2(x2,y2,z2)P3(x3,y3,z3)d1d2d3

Clculo de la posicin del receptor

Si consideramos que el reloj tiene un error con respecto al tiempo de los satlites, agregamos una incgnita ms, por lo que necesitamos una observacin adicionalCon la informacin de 4 satlites, el receptor puede calcular su posicin

Exactitud de los receptores GPSCdigo C/AGrado civil12- 40m CEP1 a 5m con correccin diferencial

Cdigo PGrado militar 1cm CEP

15m

CEP Error circular probable

50% de las mediciones caen dentro de un crculo de longitud dada

Fuentes de error GNSSEfectos de la ionsfera 5 metros

Posicin de los satlites 2.5 metrosReloj de los satlites 2 metros

Multitrayectoria 1 metro

Efectos de la tropsfera 0.5 metro

Clculo y redondeo 1 metro

PropagacinAntes de llegar al receptor, las seales GPS pasan por la atmsfera y sufren cambios en su trayectoria

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IonsferaTropsfera

RefractadaReflejadaDirecta

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PropagacinLa ionsfera es la principal causa de los errores en la estimacin del tiempo de propagacin.

Se encuentra entre 70 y 1000 km sobre la superficie terrestre

Sus electrones libres influencian la propagacin de las ondas electromagnticas

El retraso causado por la ionsfera depende de la frecuencia. Se puede conocer y compensar utilizando dos frecuencias.

La tropsfera, contribuye a retrasos que dependen de la temperatura, la presin y la humedad.

Los errores debidos a la propagacin en la tropsfera se pueden corregir a travs de modelar su comportamiento.

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Cuando los satlites estn en la misma region delcielo, la incertidumbre en el clculo de la posicinaumenta.DistributionDilucin de la precisin (DOP)

Satlites LegadoSatlites ModernizadosBLOQUE IIABLOQUE IIRBLOQUE IIR(M)BLOQUE IIFGPS III0 EN OPERACIN12 EN OPERACIN7 EN OPERACIN12 EN OPERACINEN PRODUCCINCdigo C/A en la frecuencia L1 para usos civilesCdigo de precisin P(Y) en las frecuencias L1 y L2 para usuarios militaresVida til de 7.5 aosLanzados entre 1990 y 1997El ltimo decomisionado en 2016Cdigo C/A en L1Cdigo P(Y) en L1 y L2Monitoreo de relojes abordoVida til de 7.5 aosLanzados entre 1997 y 2004Contienen todas las seales legadoSegunda seal civil en L2 (L2C)Nuevo cdigo militar M resistente a interferenciasNiveles de potencia flexibles para las seales militaresVida til de 7.5 aosLanzados entre 2005 y 2009Todas las seales del Bloque IIR(M)Tercera seal civil en la frecuencia L5 (L5)Relojes atmicos avanzadosMejoras en la exactitud, intensidad y calidad de la sealVida til de 12 aosLanzados entre 2010 y 2016Todas las seales del Bloque IIFCuarta seal civl L1 (L1C)Mejoras en la confiabilidad, exactitud e integridad de la sealNo Disponibilidad Selectiva11+ satlites: reflectores laser; carga til para bsqueda y rescateVida til de 15 aosPara lanzarse en 2016

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Adems del GPS, el GLONASS est en total funcionamiento.

Hay otros dos sistemas que estn en proceso de desarrolloGalileo (Unin Europea)BeiDou (China)

Asimismo, hay otros dos sistemas que estn en etapas iniciales de desarrolloIRNSS (India)QZSS (Japn)

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36Otros sistemas GNSS

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El Sistema GLONASS contiene 24 satlites que transmiten en 12 frecuencias distintas.

Los satlites antpodas se encuentran en el mismo plano orbital pero estn separados 180 grados, por lo que no interfieren sus seales entre si.

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37GLONASS

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Mejora la exactitud a travs de utilizar un receptor GNSS fijo cuya posicin es conocida para transmitir correcciones a otros receptores.

La estacin de referencia trabaja al revs. En vez de calcular su posicin, usa su posicin para calcular tiempos.

Con este mtodo se pueden lograr exactitudes del orden de centmetros.

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38GNSS diferencial

Receptor estacionario de referencia

Transmisin de correcciones(va radio, por ejemplo)Usuario

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Los Sistemas Aumentados Basados en Satlites (SBAS) se utilizan cuando los receptores estn dispersos en una rea muy grande

SBAS utiliza satlites geosncronos para aumentar la exactitud del sistema GNSS

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39Sistemas Aumentados Basados en Satlites

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Las estaciones de referencia reciben las seales GNSS y las reenvan a la estacin maestra

La estacin maestra calcula las correcciones

Las correcciones se transmiten a satlites geoestacionarios

Los satlites geoestacionarios difunden la correccin*

40Sistemas Aumentados Basados en Satlites

Satlite GeoestacionarioConstelacin GNSSEstacin maestraEstacin de referenciaUsuario

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Hay dos niveles de servicio:Gratuitos, proporcionados por el gobiernoComerciales

Servicios gratuitosWide Area Augmentation System (WAAS - Norte Amrica)European Geostationary Navigation Overlay Service (EGNOS)CDGPS (Canad y Estados Unidos Continentales)MTSAT Satellite Based Augmentation System (MSAS - Japn)GPS-Aided GEO Augmented Navigation system (GAGAN India)Satellite Navigation Augmentation System (SNAS China)*

41Sistemas Aumentados Basados en Satlites

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Algunos servicios comerciales:OmniSTAR, VERIPOS y StarFireOmniSTAR es un servicio de suscripcin que transmite correcciones diferenciales en frecuencias de banda L cercanas a la de GPSOmniSTAR proporciona tres niveles de servicio:VBS, exactitud horizontal submtricaXP, exactitud decimtricaHP, exactitud subdecimtricaOmniSTAR tiene cobertura casi globalhttp://www.omnistar.com

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42Sistemas Aumentados Basados en Satlites

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ConclusionesLos sistemas GNSS son esenciales para el funcionamiento de nuestra sociedadActualmente est en una rpida evolucin con el surgimiento de otros sistemas adems del GNSS y el GLONASSLa disponibilidad de las seales GNSS abre muchas oportunidades de desarrollo:Nuevos receptoresSistemas aumentadosNuevas aplicaciones

Muchas gracias!

Carlos DuarteAgencia Espacial Mexicanawww.educacionespacial. aem.gob.mxwww.haciaelespacio.orgwww.ustream.tv/channel/hacia-el-espacio@haciaespacioAEM@KarlozDuarte

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