Notas

Esquema

Conceptos Sencillos de GPS

CONFERENCISTAS MECINCA    CHACAO

Repaso  de GPS En Cualquier Lugar de La Tierra  y  en  todo momento  el  GPS  nos  ofrece: Posición Precisa Tiempo Horario Exacto Posibilidad de Navegación

Repaso  de  GPS Observaciones Astronómicas Estrellas con posiciones orbitales conocidas Angulos a tres o más estrellas Triangulación

SATELITE  GPS

El Receptor GPS y sus categorias dentro de la aplicación comunmente asignada: Geodésicos Replanteo de Obra Civil Topográficos Cartografia  y  SIG De Navegación Aerea De Navegación Maritima Orientación General en tierra

Repaso  de  GPS Constelación de Satélites GPS 24 están operativos 6 planos orbitales 4 satélites por plano Separación por plano - 60 degrees Inclinación Orbital - 55 degrees

Repaso  de  GPS Constelación de Satélites (cont) Situada a 20.000 km sobre la tierra Periodo Orbital de 12 horas Siderales Transmisión Contínua de la Señal Covertura de 24 horas en cualquier lugar de la tierra

Repaso  de  GPS Se conoce la posición       Distancia  al Satélite de la órbita (efemérides)         (pseudo-range) Triangulación    Posición

GPS Estructura de la Señal Dos Portadoras en la Banda L L1 - 1575.42MHz L2 - 1227.60 MHz Dos códigos para el tiempo Código C/A  - 1.023 MHz Código P - 10.23 MHz Mensaje de Navegación -50bps

GPS

GPS Se conoce la posición del satélite(efemérides) Las señales del satélite contienen datos de efemérides El Efemérides  nos define la posición del satélite en el espacio

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GPS La  Posición conocida del      Satélite(efemérides) Es Monitoreada por  D.O.D. Colorado Springs, Hawaii, Ascension, Diego Garcia, Kwajalein Los Satélites envían sus efemérides Y reciben Correcciones

GPS Distancia al  Satelíte (pseudo-rango) Distancia = Velocidad  x Tiempo Velocidad = Velocidad  de la Luz ( 3x108 m/s ) El Tiempo es determinado por la diferencia  entre la señal recibida y su tiempo de transmisión

GPS Medición por Código El Tiempo se basa en los relojes del Satélite y del Receptor Las Señales de Alta Velocidad  requieren  de relojes  atómicos Exactos El Satélite y el Receptor generan los mismos Códigos

GPS Pseudo-rango El prefijo “pseudo-”  se usa porque se necesita  aplicar una corrección al valor del rango,  debido a que los relojes del satélite y del receptor no están completamente  sincronizados, i.e. el rango está cesgado  por un vias en el reloj. Los errores del reloj deben ser determinados y compensados,  porque un error de un microsegundo generará un error de rango de 300 metros.

GPS Medición de la Fase de Portadora Medición muy precisa (<2mm) Ambiguedad a nivel de una longitud completa de onda

GPS Mediciones Doppler Se Observan los cambios de frecuencia Causados por el movimiento relativo Cambia con la distancia

GPS Triangulación Triangula el efemérides  y los datos del pseudorango de múltiples satélites para determinar la posición Se necesitan  4 satélites para determinar una posición tridimensional. Similar al problema  topografico de Pothenot

GPS Triangulación Intersección de señales GPS para obtener una posición

Errores GPS Principales fuentes de Error en GPS Geometría de los Satélites Retardos Atmosféricos Relojes Imprecisos Orbitas de Satélites no precisas SA--- Selectividad  Disponible Ambiguedad de Ciclos de Onda Ruido en la Medición Multireflección de la Señal

Errores  GPS Geometría de los Satélites Referida como Dilución de la Precisión (DOP) Valores Altos de DOP significa posiciones menos precisas Se puede optimizar la geometría de los Satélites mediante una planificación adecuada de las horas de observación y/o por selección manual de los satélites

Errores  GPS Retardo  Atmosférico Las señales GPS sufren retardos al pasar por la Ionosfera y la Troposfera Métodos para  eliminar los  errores causados por la  atmósfere  GPS  Diferencial - Toma datos en una posición conocida durante el levantamiento y se procesan junto a los datos de la medición Determinación de las demoras mediante un modelo matemático de la Ionosfera  - tomando la temperatura, humedad, presión de vapor, etc. Rastreo de ambas frecuencias (L1 y L2) - lo que requiere de receptores de doble-frecuencia

Errores  GPS Falta de exactitud en los Relojes Errores en el reloj del Satélite Se corrige con los ajustes que DoD realiza y mediante el  pos-procesamiento Errores en el reloj del Receptor Se corrige usando cuatro satélites y pos-procesamiento

Errores GPS Imprecisión en las Orbitas de los Satélites Efemérides erróneas causan Error de Posición Los Ajustes que realiza DOD corrigen la fluctuación Orbital

Errores  GPS Diponibilidad  Selectiva ( S A ) DoD  induce en forma aleatoria errores en los efemérides y en el reloj con propósitos de seguridad  nacional El GPS Diferencial  reduce significativamente los errores por  SA

Errores GPS

Errores GPS Ruido en la Medición Causado generalmente por otras ondas de radio El Ruido puede ser reducido  a través de la suavización de la onda portadora

Errores  GPS Multireflección Ocasionado por materiales  reflectivos a la señal, cómo planchas metálicas, agua o edificios Las señales indirectas  son responsables por errores en el  pseudo-rango Planos de tierra grandes, y una buena planificación ayuda a reducir la multireflección

Métodos de Posicionamiento

Metodología  GPS Métodos  de        Posicionamiento Posicionamiento Puntual Diferencial:   Estático   Cinemático   Estático Rápido   Pseudo-Cinemático   Cinemático en Tiempo Real

Metodología  GPS Posicionamiento  Puntual Mínimo de 4 satélites (3D) Calcula la posición Resuelve los desplazamientos del reloj Exactitud civil  7 m  - 15 m Operación con un sólo receptor

POSICIONAMIENTO DIFERENCIAL

Metodología  GPS  GPS  Diferencial   con Codigo C/A - DGPS Estación Base y Rover(s) con calidad Cartográfica Los Receptores típicamente usan sólo observaciones de  Código para calcular con precisión métrica  y submétrica. Los tiempos típicos de ocupación van desde algunos segundos hasta varios minutos. RTCM es una opción que provee correcciones submétricas  diferenciales en tiempo real

Metodología  GPS GPS Diferencial  con FASE  PORTADORA Precisión Civil  típica :  milimetros Las coordenadas conocidas en la Base  se usan para  determinar los errores  locales en los  pseudo-rangos y fase, para eliminarlos de las observaciones del Rover

Metodología GPS  Topografía  Estática La ambiguedad de la  fase portadora se resuelve para obtener precisiones  mejores que el centímetro No necesita visibilidad entre estaciones Las lineas-base entre receptores se pueden usar para realizar ajuste de Red

Metodología GPS Topografía  Estática Dos o más receptores  de calidad  topográfica, con al menos uno de ellos  en un punto conocido Los Receptores típicamente usan observaciones de fase-portadora  y de código Los tiempos de ocupación suelen ir desde 15 minutos  hasta  varias  horas

Variedad de diseños  según las tecnologías empleadas:

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Diferentes   modelos  de  Receptores GPS

CINEMATICO DIFERENCIAL

CINEMATICO DIFERENCIAL (fase Portadora) RESUELVE  AMBIGUEDADES  AL COMIENZO  DEL  TRABAJO  por : Ajuste de  la Línea de Base Por Intercambio de Antenas o Por Arranque Estático  El receptor Base y el Rover deben mantener contínuamente enganchada la señal de al menos cuatro  satélites comunes

Metodología  GPS Levantamiento Cinematico ( cont ) Si en el transcurso de movimiento entre estaciones se pierde la conección de al menos cuatro satélites comunes con la estación Base, entonces se necesita Recalibrar el instrumento, se suele hacer revisitando el último punto levantado Los tiempos de ocupación suelen ser de 1 minuto La ambiguedad de la fase-portadora se soluciona y se obtienen precisiones del orden del centímetro

POSICIONAMIENTO  DIFERENCIAL (DGPS) en  Tiempo REAL,      RTCM vers. 2.02    El  estándar de la  Navegación  MARINA. Transmite las Correcciones de cada Satélite  desde la Estación de  Referencia via  radio Frecuencia de corrección cada 2-3 segundos Precisión típica  de 0.6  a  2 metros. También en el mensaje 18 puede operar cómo RTK con precisión centimétrica.

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Estación Marina de Referencia Antena Choke Ring y Receptor de Integridad

Estaciones de Referencia 1)  CGRS System (Z12) 2)  Z-FX CORS System (ZFX) 3)  CGBS Base Station System (G12) 4)  Z-18 Reference Station System (Z-18) 5)  GG-24 CORS System (GG-24) 6)  Marine Reference Station System (Z12) 7)  Integrity Monitoring System (Super C/A)

Receptores de Doble Frecuencia, equipados con Z-Tracking Eliminan Errores por Refracción Ionosférica Control Geodésico Estaciones  de Referencia Topografia Rápida y Precisa Control  Preciso de Obra Civil : Presas, Carreteras, Puentes.....

Sistema  Ashtech-Ashtech de  Tiempo Real con PNAV y filtro de Kalman. Z-Tracking ==> No importa Anti-Spoofing 1 cm Horizontal con DOS segundos de observacion Vert: 2cm Dinamico en  Helicop.  o Jet:  2 cm Hor.,  3cm Vert.

Z-Surveyor  ---    Receptor  Geodesico  de  Doble  Frecuencia   RTK  y Autointegrado Doble frequency GPS 10 Hz RTK 5 mm +- 1ppm 3 sigma>99.9% integer reliability

Metodología  GPS Estática Rápida  Se logran precisiones  sub-centimétricas con ocupaciones de 5 minutos, usando receptores de doble frecuencia, en forma similar a la Estática Precisa.  Cinematico en Tiempo Real  --  RTK El receptor base envía las correcciones via Radio Modem, y con ocupaciones de dos segundos se logran precisiones de 1 cm. en horizontal, y 2 cm. en vertical. Los receptores de éste tipo suelen estar equipados con  OTF ( Calibración al Vuelo )

ON-THE-FLY (OTF) Sistema  Ashtech     ( Ashtech Precision  Inside) Se activa  el Z-Tracking si el AS está ON  Comienza el Filtro Predictor de Kalman a cargar información. En sólo 10 segundos de arrancar el receptor, incluso a bordo de un carro, helicóptero, o avión tendremos precisiones centimétricas en horizontal y cota en full movimiento   Este es el verdadero estado de la technología GPS----  ASHTECH- Magellan

Instalación  de    RTK Se instala la base en un punto Adecuado El Rover o Remoto en el punto desconocido Se asume que los errores son comunes Radio link transfiere las correcciones Se aplican y se determina la posicion en forma sub-centimetrica.

Husky   o  Controlador  de Mano        Las operaciones  se realizan en esta pequeña pero poderosa  Computadora.

Metodología GPS On-the-Fly   OTF ( Calibración al Vuelo) Cálculo de la ambiguedad mientras el vehículo está en movimiento.  No necesita intercambio de antena, brújula, ni ninguna referencia para comenzar a medir.

ESTACIONES   VIRTUALES  DE  REFERENCIA

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GG-RTK  es la única opción cuando tenemos Limitaciones por Visibilidad de Satélites

PREGUNTAS COMUNES Se deben  usar mediciones Diferenciales ? Qué formatos de datos se usan ? Debo usar ayudas para observaciones de la altura (Cota) ? Se usan los satélites con baja elevación ? Qué computadores utilizo para el postproceso ?

Requerimientos de  Precisión

Metodología  GPS Precisión A - Receptores con observación de fase

Metodología GPS Precisión B - Receptores con observación de fase portadora sin resolución de la ambiguedad

Metodología  GPS Precisión C - Receptores de  pseudo-rango y suavización de fase

Metodología GPS Precisión D - Pseudo-rangos con código C/A

Metodología  GPS Precisión E - Posicionamiento puntual  con código P o  código Y

Datums y Proyecciones de Mapas

Datums y Proyecciones de Mapas

Datums y Proyecciones de Mapas

Datums y Proyecciones de Mapas

CONVENCIONES  DEL  SISTEMA TERRESTRE    CT Origen coincide con el centro de masas

ELIPSOIDE  DE       REFERENCIA Modelo de superficie matemática que define la forma y tamaño de la tierra aproximándose al Geoide Definida por: Semieje mayor, menor, achatamiento Tres (3) parámetros de Orientación de los ejes Tipos: Ej: WGS84 , Hayford 1924

Datums y Proyecciones de Mapas

SISTEMA  DE  CORDENADAS ELIPSOIDALES Un Sistema elipsoidal en 3D definido por Un elipsoide (usualmente de revolución) El plano ecuatorial del elipsoide Un plano meridiano a través de eje polar

CORDENADAS GEOIDALES Altural geoidal [h]: Distancial perpendicular del elipsoide al punto Latitud geoidal [F]: Angulo entre el plano Ecuatorial Longitud geoidal [l]:  Angulo entre el plano meridional en referencia y el plano meridional normal

DEFINICION DEL GEOIDE UNA SUPERFICIE DE GRAVEDAD EQUIPOTENCIAL BORDEA  EL PROMEDIO DEL NIVEL DEL MAR SOBRE LOS OCEANOS Y BAJO LOS CONTINENTES ALTURA ORTOMETRICA NO TIENE QUIEBRES PRONUNCIADOS

ELIPSOIDES LOCALES El datum regional esta diseñado para que el elipsoide se acomode al geoide en una región deseada aunque no se ajuste a toda la tierra

COORDENADAS ELIPSOIDALES   Y  GEOIDALES

DATUM LOCAL

DETERMINACION DEL GEOIDE Si la altura [H] es conocida en la posición N= h - H Métodos Gravimétricos Modelos Publicados Ej: Modelos OSU91.

Algunas  Pantallas  de Programas de   Pos Proceso SpectrumGIS Spectrum Survey

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Módulo  de  Planificación Satélites a la vista:

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Manejador  de  Datos Realiza  la  transformacion de Datum:     WGS84 ==> CANOA Realiza  transformacion de Coordenadas:      Geograficas ==>UTM Exporta Datos a los  GIS y CAD mas  populares del mercado: AutoCad,Intergraph,ArcInfo,Erdas.

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Hydra Monitoring Software  El   Software   de   Monitoreo   HYDRA   entrega monitoreo y deteccion de movimiento, en Tiempo Real,  de  mediciones  Estaticas  y  Cinematicas.

Que es el Software de Monitoreo HYDRA? Hydra es un programa Windows para monitoreo en Tiempo Real Entrega alta precision en monitoreo Estatico  y Cinematico

Como trabaja HYDRA ??? Hydra contiene varias “rutinas” GPS que precesan los datos en Tiempo Real Las “rutinas”  de Hydra pueden procesar datos de muchos receptores de Doble y Simple frecuencia, en forma simultánea El resultado es un sistema que rápida, y confiablemente entrega resultados indicando si existe MOVIMIENTO

En que aplicaciones puedo utiliza HIDRA ??? Puentes Represas Edificios Volcanes Sismologia Misiles Mineria

Monitoreo en Tiempo Real

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Sistemas funcionando Long Valley caldera - United States Geological Survey Hawaiian Volcano Observatory  United States Geological Survey Condor Earth Technologies

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Pantallas Hydra Real-time

Desplazamientos      en  Tiempo  Real

Ratas     de  medicion  en   Tiempo Real

Arquitectura Real-time de Hydra

Modulo    GBSS   Tiltmeter  ---- Medidor de Inclinacion Acepta datos  en tiempo real desde GBSS Programa Eficiente de  32 bit multitasking and multithreaded Grafica and procesa Tiltmeter data en Tiempo  Real Provee de Informacion en Tiempo Real sobre  la deformacion del monumento-antena Provee de informacion sobre deformacion estructural de puentes, presas y volcanes

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GBSS Real-time Data Streaming Tilt Module

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