Avances Del GNSS en RTK

UNIVERSIDAD DEL ZULIA FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA DE INGENIERÍA GEODÉSICA DEPARTAMENTO DE GEODESIA SUPERIOR UNIDAD: GEODESIA POR SATÉLITES II

AVANCES DEL GNSS EN TIEMPO REAL

Br. Mónica Faría C.I. 21.355.359

Br. Jorge Gutiérrez C.I. 19.937.096

Maracaibo, mayo de 2013

Br. Carmen Rangel C.I. XXXXXXXX

Avances del del GNSS en en t iempo r eal eal Geodesia por satélites II

RESUMEN En los inicios del posicionamiento satelital se contó con varias constelaciones, donde cada una prestaba servicios de forma individual, por lo que se necesitaban dispositivos especiales que operaran con una constelación en específico, situación que no permitía heterogeneidad en el instrumental utilizado. De allí nace el deseo de integrar los sistemas, para lograr en cierta forma una estandarización que facilitaría el posicionamiento, creándose el GNSS (Global Navigation Satellite System), un sistema integrado que permite utilizar los datos satelitales de diversas constelaciones. Los dispositivos evolucionaron en su mayoría (hardware y software) y ahora se cuenta con receptores GNSS, al haber entonces tantos datos diseminados a nivel global se pretende utilizar la misma idea partiendo de la técnica RTK ( Real Real Time Kinematic), la cual requiere principalmente de correcciones transmitidas en tiempo real, lo cual aunado a la extensa cobertura del GNSS permite crear redes activas cuya labor es determinar y enviar de forma continua dichos parámetros de corrección. Dichas estaciones de referencia envían continuamente correcciones diferenciales a receptores que se encuentran cercanos a su área de trabajo (libre de error tanto ionosfericos como troposférico), se estudia un proyecto en especifico en el cual nos arroje información de los diferentes resultados que los diferentes métodos de correcciones de mediciones GNSS nos puedan arrojar.

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RESUMEN En los inicios del posicionamiento satelital se contó con varias constelaciones, donde cada una prestaba servicios de forma individual, por lo que se necesitaban dispositivos especiales que operaran con una constelación en específico, situación que no permitía heterogeneidad en el instrumental utilizado. De allí nace el deseo de integrar los sistemas, para lograr en cierta forma una estandarización que facilitaría el posicionamiento, creándose el GNSS (Global Navigation Satellite System), un sistema integrado que permite utilizar los datos satelitales de diversas constelaciones. Los dispositivos evolucionaron en su mayoría (hardware y software) y ahora se cuenta con receptores GNSS, al haber entonces tantos datos diseminados a nivel global se pretende utilizar la misma idea partiendo de la técnica RTK ( Real Real Time Kinematic), la cual requiere principalmente de correcciones transmitidas en tiempo real, lo cual aunado a la extensa cobertura del GNSS permite crear redes activas cuya labor es determinar y enviar de forma continua dichos parámetros de corrección. Dichas estaciones de referencia envían continuamente correcciones diferenciales a receptores que se encuentran cercanos a su área de trabajo (libre de error tanto ionosfericos como troposférico), se estudia un proyecto en especifico en el cual nos arroje información de los diferentes resultados que los diferentes métodos de correcciones de mediciones GNSS nos puedan arrojar.

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ÍNDICE GENERAL

RESUMEN ................................................... ......................................................................................................... .......................................................................... .................... 2 ÍNDICE GENERAL .............................................. ................................................................................................... ................................................................. ............ 3 ÍNDICE DE FIGURAS ...................................................................................... .......................................................................................................... .................... 5 SIGLAS Y ABREVIATURAS ................................................................. .............................................................................................. ............................. 6 INTRODUCCIÓN ................................................. ...................................................................................................... ................................................................. ............ 7

I.

GENERALIDADES ........................................................ ...................................................................................................... .............................................. 8 1.1.

Mediciones GNSS en tiempo real. ................................. ............... ................................... ................................... .................................... .................. 8

1.2.

Formato RTCM (Radio Technical Commision for Maritime Services) ............................. ................. ............ 9

II. NRTK (N etwork Real Ti me Ki nematic), Desarrollo y problemas .............................. 10 III. VRS (Vi r tual Ref Ref er ence Stati Station on ) ................................................................................. 12 3.1.

Funcionamiento ................................... .................. ................................... ................................... ................................... ................................... ......................... ........ 14

3.2.

Exactitudes .................................. ................. .................................. ................................... ................................... ................................... .................................. ................ 15

IV. FKP (F läche lächen-K n-K orr ektu r Parameter Parameter ), ), Funcionamiento ............................................ .............................................. 16 asterr Aux il iar y Conce Concept V. MAC (M aste ) ............................................................................... 18

5.1.

Funcionamiento ................................... .................. ................................... ................................... ................................... ................................... ......................... ........ 20

5.2.

Rendimiento ................................... .................. .................................. ................................... ................................... ................................... ............................... ............. 21

5.3.

i-MAC ( Individualized Individualized Master Auxiliary Auxiliary Concept Concept ) .......................................................... 22

VI. NTRIP (Network Network T r anspo ansporr t RTCM I ntern ntern et Protocol Protocol )............................................. ............................................... 23 6.1.

Funcionamiento ................................... .................. ................................... ................................... ................................... ................................... ......................... ........ 24

6.2.

Exactitudes .................................. ................. .................................. ................................... ................................... ................................... .................................. ................ 25

VII.PPP-RT VII. PPP-RT (Precise Precise Point Positi Positi onin g in Real Real Time T ime ) ..................................................... 25 7.1.

Funcionamiento ................................... .................. ................................... ................................... ................................... ................................... ......................... ........ 25

7.2.

Mensajes del SSR ................................... .................. ................................... ................................... ................................... ................................... ...................... ..... 26

7.3.

Exactitudes .................................. ................. .................................. ................................... ................................... ................................... .................................. ................ 27

VIII.

Estudio de casos ................................................................................................... 27

8.1.

Posicionamiento con VRS.................................. ................. .................................. ................................... .................................... ............................ .......... 28

8.2.

Posicionamiento con MAC ................................... ................. ................................... ................................... .................................... ......................... ....... 29 3

Avances del GNSS en t iempo r eal Geodesia por satélites II

8.3.

Posicionamiento con FKP ................................................................................................. 31

CONCLUSIONES ............................................................................................ .................. 33 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ............................................................................. 33

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ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1: Descripción del funcionamiento de la técnica VRS.............................................. 13 Figura 2: Unicación del rover , estaciones y centro procesador. ........................................... 14 Figura 3: Transmisión de posición del rover. ....................................................................... 14 Figura 4: Flujo de datos entre centro de procesamiento y rover . ......................................... 15 Figura 5: Representación de las correcciones a través de planos. ........................................ 16 Figura 6: Descripción del funcionamiento de la técnica MAC. ........................................... 19 Figura 7: Distribución de estaciones y rover para MAC. ..................................................... 21 Figura 8: Descripción del funcionamiento de la técnica i-MAC. ......................................... 22 Figura 9: Distribución de las redes y posición del rover . ..................................................... 28 Figura 10: Calidad del Posicionamiento de un receptor geodésico cuando se utiliza una corrección de VRS ........................................................................................................ 29 Figura 11: Calidad del Posicionamiento de un receptor geodésico cuando se utiliza una corrección de MAC ....................................................................................................... 30 Figura 12: Calidad del Posicionamiento de un receptor geodésico cuando se utiliza una corrección de VRS ........................................................................................................ 31

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SIGLAS Y ABREVIATURAS CPF: Central Processing Facility (Instalación de Procesamiento Central). DGPS: Differential Global Positioning System (Sistema de Posicionamiento Global Diferencial). FKP: Flächen-Korrektur Parameter (Parámetro de Corrección de Área). GNSS: Global Navigation Satellite System (Sistema Global de Navegación Satelital). GPRS: General Packet Radio Service (Servicio General de Paquete de Radio). GSM: Global System for Mobile Communication (Sistema Global para Posicionamiento Móvil). i-MAC: Individualized Master Auxiliary Concept (Concepto Auxiliar Maestro Individualizado). MAC: Master Auxiliary Concept (Concepto Auxiliar Maestro). NMEA: National Marine Electronics Association (Asociación Nacional de Electrónicos Marinos). NRTK : Network Real Time Kinematic (Red Cinemática en Tiempo Real). NTRIP: Network Transport RTCM Internet Protocol (Red de Transporte RTCM a través del Protocolo Internet). PPP-RT: Precise Point Positioning in Real Time (Posicionamiento de Punto Preciso en Tiempo Real). RINEX: Receiver INdependent Exchange (Intercambio Independiente del Receptor). RTCM: Radio Technical Commision for Maritime Services (Comisión Técnica de Radio para Servicios Marinos). RTK : Real Time Kinematic (Cinemático en Tiempo Real). SBAS: Satellite Based Augmentation System (Sistema de Aumentación Basado en Satélites). SSR : State Space Representation (Representación del Estado Espacial). VRS: Virtual Reference Station (Estación de Referencia Virtual). 6


INTRODUCCIÓN La constelación GNSS (Global Navigation Satellite System) es una muestra de la modernización y unificación de sistemas, a su vez esta se ha desarrollado más allá de tecnología e instrumentación, se ha integrado a redes activas, con el objetivo de prestar servicios de correcciones en tiempo real que faciliten la adquisición de posición en esta modalidad instantánea. De esta implementación se desprenden las redes RTK (NRTK) que basándose primeramente en los datos proporcionados por mediciones en GNSS y la vinculación de estas con las observaciones de rovers son las encargadas de generar dichas correcciones, las cuales son determinadas siguiendo técnicas diferenciales, distintas una de la otra. Estas técnicas son VRS (Virtual Reference Station), MAC ( Master Auxiliary Concept ), FKP ( Flächen-Korrektur Parameter ), NTRIP ( Network Transport RTCM Internet Protocol ) y PPP-RT ( Precise Point Positioning in Real Time), las cuales están íntimamente

relacionadas a redes activas y a servidores que diseminan las correcciones requeridas, partiendo de la determinación de errores, principalmente troposféricos e ionosféricos. Cada una de las técnicas genera niveles de precisión distintos dependiendo del tamaño de red con la que trabaje, haciendo que cada técnica se desarrolle de forma separada, aún cuando se basan en el mismo principio, pero utilizando otros fundamentos, configuraciones y modelos matemáticos. Finalmente los avances de la constelación GNSS nos brindaras una mayor confiabilidad al momento de realizar diferentes trabajos, ya sea de producción o post-procesado. En términos académicos estos avances benefician enormemente a la comunidad estudiantil al momento de realizar mediciones e investigaciones sobre las mediciones GNSS.

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I. GENERALIDADES 1. 1

Mediciones GNSS en tiempo real

La frase tiempo real, hace referencia a información que es obtenida en el instante exacto de ocurrencia de un fenómeno o acción; específicamente para el caso de mediciones GNSS significa obtener la posición precisa de uno o más puntos de interés en el mismo instante de la observación. Siendo necesario que el instrumento esté en capacidad de recibir información adicional a la transmitida por los satélites GNSS, es decir comunicarse con otra estación, red o satélite para recibir correcciones adicionales a las mediciones que realiza. Las mediciones en tiempo real, por su característica de rapidez para generar información, se prestan para trabajos de producción en masa puesto que el tiempo de medición se reduce, disminuyendo igualmente los costos y acelerando el paso del proyecto. Esta técnica se ha venido desarrollando con mayor auge durante los últimos años, dando lugar al posicionamiento RTK ( Real Time Kinematic), el cual se define como una representación estándar y clásica del posicionamiento en tiempo real, siendo su característica fundamental la resolución de ambiguedades a través de algoritmos robustos y sofisticados, aunque la determinación de dichas ambiguedades se ve sujeta a las características del entorno y distancias que separan la base del rover . Ya que al hablar de mediciones en tiempo real se hace mención a la transmisión de correcciones, a continuación se citan algunos de los medios que permiten la diseminación de las mismas: a) Sistemas de aumentación, SBAS, WAAS o EGNOS. b) Sistemas de radio, VHF o UHF, por ejemplo RTK c) Sistemas de suscripcion, Omnistar, CNAV d) Internet y Telefonía celular, Ntrip e) Redes activas:



FKP (Flächen-Korrectur-Parameter) 8




VRS (Virtual Reference Station)



MAX



I MAX



MAC

Para hacer posible la comunicación se han desarollado una serie de tecnologias, formatos y protocolos, que seran mencionados a continuacion.

1.2.

Formato RTCM ( Radio Techni cal Commi sion f or M ari tim e Ser vices )

Para realizar un posicionamiento satelital los instrumentos que intervienen (receptor GNSS), deben tener la capacidad de recibir y transmitir información en formatos propios de las casas fabricantes. Lo cual es un problema cuando se desea trabajar con instrumentación heterogénea, razón que impulsa la estandarización de los formatos, como es el caso de RINEX ( Receiver INdependent Exchange) para los datos manejados en post proceso. Para el caso de receptores GNSS sucede lo mismo, cada uno maneja un formato distinto por lo que se planteó un formato estándar utilizado para mediciones en RTK o DGPS. Este formato tiene la característica de que es capaz de manejar una gran cantidad de datos, puesto que en el caso del RTK se deben transmitir tanto correcciones como fases de código y portadoras, sin alterar la calidad de la transmisión ni el tiempo que esta requiere para propagarse. [ Germay y Canga, 2012]. El formato RTCM lleva su nombre porque fue propuesto por la Comisión Técnica de Radio de Servicios Marítimos ( Radio Technical Commision for Maritime Services), la cual es una institución creada en 1947 encargada de investigaciones y asesorías de las comunicaciones marítimas, pero es en 1983 cuando se crea una comisión especial para el diseño y creación del formato estándar RTCM. Desde su creación se han desarrollado nuevas versiones del RTCM para mejorar la transferencia de datos en velocidad, así como la integridad de los mismos. El formato dispone de 64 mensajes relacionados a distintos atributos [Hoyer, 2002].

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II. NRTK (Networ k Real Tim e Kinematic ) Es un posicionamiento muy común, no solamente en el ámbito académico, sino además en el campo profesional. En los últimos 10 años se han creado estaciones de referencia de operación continua (CORS) para apoyar al número creciente de usuarios. Estas redes ofrecen servicios para el posicionamiento NRTK generando una precisión en el posicionamiento a nivel centimétrico con una distancia promedio entre estaciones de 25-35 Km. De esta forma los servidores de redes RTK recolectan observaciones satelitales pertenecientes a la red CORS, efectúan cálculos y envían correcciones a los rover . [Petovello, et al., 2011] Para que el posicionamiento con NRTK sea posible, y los sesgos puedan ser predichos y transformados en correcciones se debe satisfacer tres condiciones: a) El conocimiento de la posición de las estaciones maestras (central) a nivel centimetrito. b) Una estación de control que pueda procesar en tiempo real todos los datos transmitidos por las estaciones de referencia. c) Una solución continua a la ambigüedad de las fases portadoras, aun cuando la distancia entre estaciones excede los 80 – 100 Km. [Dabove, et al., 2011] Este proceso se divide en cuatro (4) fases: a) Observar satélites en común: El rover y el servidor de la red (a través de estaciones de referencia) están observando a un conjunto común de satélites de forma simultánea. b) Resolver ambigüedades de la red: Utilizando un algoritmo apropiado, el servidor resuelve las ambigüedades de la red, y reduce los datos provenientes del satélite a esta ambigüedad común, tanto para las estaciones de la red como para el rover . c) Generar correcciones en tiempo real: El servidor genera y envía las correcciones en tiempo real, ya sea en una representación estándar o no estándar (ambigüedades).

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d) Producir soluciones en tiempo real: El rover utiliza las correcciones en tiempo real para determinar una solución instantánea. Estas cuatro fases son importantes porque permiten diferenciar los distintos métodos implementados para llevar a cabo el posicionamiento en tiempo real, y a su vez permite entender el funcionamiento del mismo, empleando las correcciones suministradas por estas redes particulares. [GlobalCores].

Desarrollo y problemas de NRTK Con el advenimiento de mejores tecnologías, tanto en la instrumentación terrestre como en la satelital, así como mejoras a nivel de software, se han marcado ciertos puntos relacionados al desarrollo de esta técnica, así como los problemas que traerían estas actualizaciones: a) El desarrollo e implementación de simulaciones han permitido concluir que en un futuro, el posicionamiento diferencial en tiempo real entre la estación y el rover generará casi instantáneamente una solución fija para las ambigüedades, prescindiendo de las NRTK. Sin embargo, estas redes seguirán siendo necesarias para determinar las correcciones por ionósfera. b) La distancia entre la estación y el rover tendrá un rango de 10 – 20 Km, y a su vez el espacio entre estaciones aumentará con la implementación de más frecuencias. Además el rover mejorará su capacidad para fijar soluciones. c) Con un mayor número de satélites observados por las estaciones de la red, se podrá determinar con mayor precisión los errores producidos por la troposfera. d) Aunque la calidad de la red aumente, el error multipath seguirá presente en el rover, aunque las estaciones tendrán la capacidad de modelarlo, dando más confianza a la estimación de otros sesgos. e) Con las nuevas constelaciones GNSS se reducirá el tiempo para determinar una solución fija, tanto en las estaciones como en los rover . Ahora bien, a pesar del desarrollo en las redes, las correcciones y los datos, sigue un problema, y es la calidad de la señal que transmite dichas correcciones, entre las estaciones y rover. Puesto que es difícil contar con un método de transmisión que funcione 11


perfectamente y que esté disponible, como es el caso de señales GPRS/GSM, cuya carencia se suele compensar con la utilización de señales de radio. Por lo comentado anteriormente, se propone una unificación entre NRTK y SBAS, especialmente para redes de gran extensión. Esta integración de ambos sistemas no requiere nueva tecnología o instrumentación, solamente el pago por la utilización de los satélites del sistema de aumentación. Otra solución que se ofrece es la utilización de subportadoras de señales de televisión. Por otra parte, una comunicación bidireccional vía Internet permitiría ofrece r (además de las correcciones usuales) información adicional que usualmente no se provee, donde las estaciones pueden transmitir, por ejemplo, el numero de saté lites que tienen solución fija, mapas de la medición, actualizaciones en tiempo real de dichos mapas, ondulaciones del geoide, e ntre otros. A su vez, el usuario receptor puede transmitir sus datos de medición, actualizar en tiempo real, informar la calidad de sus observaciones, y otros parámetros que mejore n la confiabilidad del posicionamiento en GNSS. [Dabove, et al., 2011].

III. VRS (Vi rtual Reference Station ) El concepto de VRS (Virtual Reference Station) está basado en una red de estaciones de referencia continuamente conectadas a un centro de control que recoge la información de todos los receptores y crea una base de datos viva de las correcciones de la región que engloba la red. VRS ofrece una nueva oportunidad para las redes de estaciones de referencia puesto que su propósito principal es reducir la distancia de la línea base entre el rover y la estación de referencia, con el fin de eliminar eficazmente los errores correlacionados espacialmente utilizando procesamiento diferencial, y para incorporar la corrección de errores obtenidos a partir de la red de estaciones de referencia. La característica primordial de esta tecnología es que elimina los errores ionosféricos y troposféricos. Estas correcciones son utilizadas para crear una estación de referencia virtual situada solo a unos metros de donde el rover está localizado, junto con los datos brutos del propio receptor rover , este interpreta y utiliza los datos exactamente igual que si los datos viniesen de una estación de referencia real situada al lado del equipo rover .

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Figura 1: Descripción del funcionamiento de la técnica VRS.

Cada estación de referencia está equipada con un receptor, antena, alimentación y un módem por el cual se comunica con el centro de control. Mientras todos los receptores están conectados en la red, el centro de control realiza varias tareas: a) Importar datos brutos y chequear la calidad. b) Almacenamiento de RINEX (Receiver INdependent Exchange) y RINEX comprimidos. c) Correcciones del centro de fase de la antena (soporta modelos relativos y absolutos). d) Estimación y modelado de errores sistemáticos. e) Generación de datos y crear posiciones virtuales de el receptor rover . f) Generación de correcciones RTCM para una posición virtual. g) Transmisión de datos RTCM al rover en el campo.

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3.1 Funcionamiento a) El servidor central recibe los datos de todas las estaciones de referencia (figura 2) para crear un modelado de la zona eliminando errores sistemáticos (ionosféricos y troposféricos) y un análisis en tiempo real de cada una de las estaciones de referencia.

Figura 2: Ubicación del rover , estaciones y centro procesador.

b) El receptor rover envía su posición aproximada (figura 3) al centro de control mediante el formato NMEA ( National Marine Electronics Association) el cual está disponible en la mayoría de los receptores del mercado.

Figura 3: Transmisión de posición del rover.

c) El centro de control acepta la posición y responde enviando correcciones RTCM al receptor rover . Tan pronto como se recibe, el rover calcula una posición DGPS ( Differential Global Positioning System) de calidad (Figura 4) que servirá para 14


actualizar su posición y enviarla de nuevo al centro de control. Esta posición tiene una precisión de 1 m lo que asegura que las distorsiones sean prácticamente iguales. Si el rover se desplaza a una distancia considerable en el mismo período de sesiones (es decir, sin necesidad de desconectar y volver a conectar) las correcciones pueden no ser apropiados para la nueva ubicación rover .

Figura 4: Flujo de datos entre centro de procesamiento y rover .

d) Esta técnica de creación de datos de estaciones de referencia virtuales es lo que da el nombre al concepto de “estaciones de referencia virtual (VRS)”. Utilizando esta

técnica es posible alcanzar un rendimiento centimétrico en mediciones RTK dentro de la red. De manera que con este método el rover no recibe las observaciones relacionadas con una estación de referencia real. Esto significa que la línea de base entre la estación de referencia virtual y el punto de medición no se puede volver a medir directamente [Amor y Luttenberger, 2011].

3.2 Exactitudes La precisión horizontal es de ±1 a 2 cm cuando las distancias entre las estaciones de referencia son de 50 a 70Km. Esta distancia depende de las propias características de la zona, por ejemplo en zonas con alta actividad ionosférica necesitaría una mayor densidad de estaciones en la red.

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IV. FKP (F lächen-K orr ektur Parameter ) La técnica FKP es otro enfoque que proporciona la información a partir de una red de estación base al rover . No se requiere un conocimiento preciso de la posición del rover para proporcionar la correcta información. Este crea parámetros de corrección de la zona representados como planos simples (gradiente Norte-Sur y Este-Oeste) que son válidos para un área limitada alrededor de una sola estación de referencia.

Funcionamiento En la figura 5 se ilustran cuatro estaciones de referencia y sus respectivos planos de corrección que se describen por los parámetros computarizados. El eje X define la longitud, el eje Y la latitud, mientras que el eje Z corresponde a la magnitud de la corrección que puede ser o bien para la fase o la pseudodistancia. El área de cada plano donde los parámetros correspondientes son válidos, se diferencia con un color para cada estación de referencia. De manera que el usuario que opera dentro de la red recibe los parámetros de la estación de referencia más cercana.

Figura 5: Representación de las correcciones a través de planos.

La superficie de corrección se define como paralela al elipsoide WGS84 a la altura de la estación de referencia. La aplicación de esta técnica es muy simple, se parte de cuatro (4) parámetros nombrados E0 , N0 , E1 , N1 pueden ser calculados considerando los retrasos

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geométricos e ionosféricos, utilizando una pocisión de referencia (ϕR , λ R ), posteriormente se pueden calcular los términos: δr 0 = 6.37 ( N0 (ϕ − ϕR )+E0 (λ − λ R )cosλ R ) Ecuación 1.

δr 1 = 6.37 ( N1 (ϕ − ϕR )+E1 (λ − λ R )cosλ R ) Ecuación 2.

Finalmenta la corrección de las fase portadoras son: δr f1 = δr 0 +(60/77) δ r 1 Ecuacion 3

δr f2 = δr 0 +(77/60) δ r 1 Ecuación 4.

En esta técnica, el servidor calcula la solución de red (parámetros de corrección de área) para reducir los errores dependientes de distancia. Esto significa que la solución de red no está optimizada para la posición del rover y podría limitar la solución RTK. Típicamente, los parámetros de corrección calculados en el servidor se basan en la suposición de que los errores dependientes distancia cambian linealmente entre estaciones de referencia. Sin embargo, los errores de interpolación se producirán en el móvil si los 17


verdaderos errores no son lineales. Esto puede dar como resultado una mala calidad de posición o problemas en la fijación ambigüedad. Cuando se emplea la técnica FKP hay dos vías de comunicación disponibles, de manera que el móvil también puede recibir las coordenadas de otras estaciones de referencia. Si se conoce la posición de la estación de referencia, el móvil puede seleccionar los parámetros FKP de la estación base más adecuados. En contraste con VRS, FKP se puede utilizar para instalaciones de radiodifusión. La comunicación bidireccional entre el móvil y la red no es obligatoria, pero para redes grandes diferencias en el acceso se requieren numerosos puntos. La ventaja de esto es que sólo se necesita un punto de acceso para cubrir toda la red. Esto es importante para los usuarios que cubren grandes regiones con diferente base de estaciones cercanas a la zona de trabajo. Los parámetros lineales del FKP tienen una gama limitada de 100 Km. Para distancias más largas tienen que ser aplicados polinomios de orden superior. Las investigaciones también han demostrado que las diferencias de altura extremas entre el usuario y la estación de referencia seleccionada podría causar una diferencia en los residuales observados, mientras que las incoherencias entre los modelos atmosféricos utilizados en las estaciones de referencia y los algoritmos del receptor móvil podrían inducir errores residuales. La técnica FKP está implementado en muchas redes RTK GNSS en todo el mundo, con eficacia probada [Zinas y Geomatics].

V. MAC (Master Auxiliary Concept) MAC fue propuesto para el grupo de trabajo RTCM SC104, para ser considerado como un estándar para los mensajes de corrección de NRTK. La red MAC envía datos crudos completos y coordina la información para una sola estación de referencia, la estación maestra. Para todas las demás estaciones de la red (o un subconjunto adecuado de estaciones), se envían los datos de ambigüedad-reducidas de cada estación de referencia, sin la necesidad de modelos de corrección estandarizados. Por lo tanto, se logra maximizar el uso de todos los datos de satélite para calcular la mejor solución RTK posible. 18


Junto con la técnica Estación de Referencia Virtual (VRS), es uno de los dos métodos RTK de red más comunes utilizados para la transmisión de los datos, que proporciona precisión centimétrica exactitud de posicionamiento para los usuarios. En contraste con el VRS, el MAC requiere una vía de comunicación. MAC utiliza algoritmos publicados para generar y enviar correcciones RTK de red y por lo tanto es un método estandarizado. Además, los datos siempre son

trazables hacia

estaciones de referencia reales [GlobalCores].

Figura 6: Descripción del funcionamiento de la técnica MAC.

Alternativamente, las diferencias de corrección óptimas pueden ser interpoladas para cualquier posición en la red y se utilizan para corregir los datos rover . La interpolación de las diferencias de corrección es posible, ya que comparten un nivel común ambigüedad entera. Dado que las observaciones crudas de la estación de referencia maestra están siendo parte de la secuencia de datos, equipos de difusión sin el conocimiento de cómo utilizar el RTK de red también puede funcionar en modo de línea de base normal. Esta es una gran ventaja sobre FKP y cualquier otra técnica. 19


El rover tiene la posibilidad de adaptarse a las condiciones atmosféricas imperantes utilizando un número adecuado de estaciones de referencia (por ejemplo, para modelar la actividad atmosférica a mayor escala). Esto significa que el rover puede asegurar que las soluciones RTK (posiciones y precisiones) son consistentes con la medición [GlobalCores].

5.1 Funcionamiento e) La Estación Central de Procesamiento (CPF) se encuentra preferiblemente en las oficinas del proveedor de servicios, y es donde la información de las estaciones de referencia en una época partiendo de una época base. Más de un CPF puede ser necesario, especialmente en los establecimientos de redes grandes con cientos de estaciones de referencia. La CFP se encarga de todos los procesos necesarios de la NRTK, tales como la retención de un nivel de ambigüedad común, junto con la generación de correcciones, transmisión de correcciones y comprobación de la integridad de datos. f) Una de las estaciones de referencia es predefinida o es seleccionada cuando es necesario, como la estación de referencia maestra. g) Las estaciones de referencia a muy largas distancias de los rover pueden experimenta condiciones atmosféricas totalmente diferentes. Por esa razón, no es útil utilizar todas las estaciones de referencia para generar correcciones para los rover .

h) Sub-redes o, utilizando una terminología diferente, grupos de red con soluciones incompatibles pueden tener que definirse para redes de gran extensión. i) El término "incompatible" se aplica al mantenimiento de un nivel de ambigüedad común que en el caso de las agrupaciones de red sólo se aplicará a un conjunto específico de las estaciones más bien, a través de toda la red GNSS. Si este es el caso, entonces se selecciona una estación maestra para cada una de las sub-redes y se le asigna un ID de sub-red, de modo que el receptor móvil sabe a cuál información debe vincularse. j) Una vez que se selecciona la estación de referencia maestra, los sitios restantes se denominan estaciones auxiliares.

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k) Las observaciones de la estación maestra y las estaciones auxiliares se combinan para obtener las diferencias y correcciones necesarias. Las observaciones de todas las estaciones de referencia se envían a la CPF, donde se generan y se transmiten a los usuarios rover en la red o área de sub-red la versión 3.1 tipos de mensajes RTCM. l) El receptor móvil puede calcular la influencia de la ionósfera, tropósfera y la órbita en su ubicación mediante combinaciones lineales de las estaciones de observaciones de referencia y posteriormente interpolar los resultados para su posición. Por lo que el rover debe tener mayor capacidad de procesamiento, d emanera que esta técnica no encaja con dispositivos obsoletos. Para redes muy extensas es posible transmitir datos de sub redes y aún así el posicionamiento efectuado por el rover sigue siendo preciso y rápido, además sus calculos son independientes de la sub red utilizada.

Figura 7: Distribución de estaciones y rover para MAC.

5. 2 Rendimiento MAC envía información adicional y necesita más rendimiento que una

estación de

referencia única. En comparación con otros métodos similares el nuevo estándar RTCM 21


V3.1 es bastante compacto. Se proporciona una reducción de rendimiento de alrededor de 70% en comparación con la versión anterior 2.3. Con MAC la información adicional sobre la estructura de la red se transmite que está ausente en los otros métodos. El rendimiento es variable de acuerdo a las actualizaciones elegidas de los diferentes mensajes requeridos. Con números razonables, tales como hasta 12 satélites visibles y 7 a 9 estaciones de referencia en cuestión, la cantidad de datos a transferir al sistema de campo tarda entre 2800 y 3200 bits por segundo.

5.3 I-MAC (Individualized Master Auxiliary Concept) Se desarrolló al mismo tiempo que MAC para apoyar a los receptores antiguos que no soportan las correcciones MAC. Los métodos de i-MAC y VRS son similares. Ambos están clasificados como individualizado que requieren que el rover para enviar una posición aproximada en el servidor, y las correcciones se obtienen al referirse a una única estación. El punto importante de la diferencia es que el método i-MAC genera correcciones para una estación de referencia real en lugar de una estación de referencia virtual. De manera que la relación entre el servidor y el rover para i-MAC y de la estación de referencia virtual se muestra en la figura.

Figura 8: Descripción del funcionamiento de la técnica i-MAC.

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VI. NTRIP (Network Tr ansport RTCM I ntern et Protocol ) Es una técnica que permite la transferencia de correcciones a través de Internet con la finalidad de permitir un fácil acceso y mejor flujo de datos GNSS provenientes de estaciones de referencia, haciendo de esta técnica cada vez más común debido a su disponibilidad, fácil instalación y acceso. El desarrollo de los sistemas de acceso a Internet móvil a través de GPRS (General Packet Radio Service) y GSM (Global System for Mobile Communication), proporciona un método rápido y confiable para la distribución de datos

GNSS en bruto o volver a transmitir correcciones diferenciales (DGPS / RTK) a un receptor en cualquier zona cubierta por una red de telefonía móvil. La generación de correcciones diferenciales se realiza directamente en un receptor GNSS o mediante un conjunto de observaciones procedentes de una red de observación continua. La técnica nace de las desventajas presentes en mediciones RTK, en cuanto a la distancia entre la estación de referencia y el rover , lo cual generalmente ocasiona problemas de comunicación para la emisión de correcciones entre ellos, lo que impulsó a los investigadores a desarrollar la manera de aumentar la cobertura de las correcciones, así como mejorar el medio de transmisión. El envío de los datos de corrección para mediciones en tiempo real se puede manejar directamente desde una única estación de referencia o todas las observaciones de varias estaciones de referencia utilizando una red y puede ser remitida a una Unidad Central (servidor) para su transformación, antes de la emisión. En ambos casos NTRIP proporciona un medio ideal para el transporte de los datos, funcionando de la siguiente manera: a) El flujo de datos es enviado a un servidor que hace posible el acceso de los mismos a través de Internet por medio del protocolo adecuado. b) Un usuario móvil puede acceder a los datos mediante Internet, a través de un teléfono móvil utilizando un programa cliente que accede a la dirección IP del servidor para proporcionar éstos al receptor GPS.

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c) La distancia entre la estación de referencia y el cliente se divide en dos, una que conecta la estación GPS con el servidor y la otra que conecta éste con el usuario; esta última es posible realizarla mediante tecnología móvil [Hoyer, 2011].

6.1 Funcionamiento a) NtripSource: Es una red de estaciones bases de referencia GNSS continuas, las cuales generan datos DGPS y RTK en formato RTCM en lugares específicos, de modo que el usuario tiene la opción de seleccionar el MountPoint que crea conveniente para la ejecución de su proyecto. donde se ofrece un listado de estos MountPoint disponibles. b) NtripServer : Está constituido por un computador conectado a Internet, que ejecuta el programa NtripServer , con la finalidad de enviar las correcciones de las observaciones del receptor

base, a una tercera instalación o al cliente en formato RTCM. c) NtripCaster . El NtripCaster es un importante organismo de radiodifusión integrado entre las fuentes de datos y el receptor de datos. Constituye el nodo distribuidor de las señales, por lo general es un programa ejecutado en un servidor situado idealmente en el centro de la red de manera que el NtripCaster recibe flujos de datos de NtripServer (generados por NtripSource). Este segmento certifica la calidad e integridad de los datos recibidos, así como la autenticidad de los usuarios a través de usuarios y contraseñas. d) NtripClient o NtripUser.

Es el programa que debe ser cargado por el usuario en un teléfono celular, colector de datos o computador con conexión a Internet, para poder acceder a la lista de MountPoints que se encuentran disponibles en el Caster o en una dirección IP específica en el caso de un caster local, y recibir las correcciones que envía la estación de referencia para ser aplicadas al rover [Germay y Canga, 2012].

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El enlace a internet se gestiona a través de equipos celulares, labor que se puede realizar empleando distintos tipos de conexiones, tal es el caso de: conexión Bluetooth entre el celular y el receptor GNSS, conexión Bluetooth entre el celular y el colector de datos, ó en algunos casos mediante un cable conectado desde el teléfono celular al puerto serial del receptor. Los receptores GNSS que soportan NTRIP, ya tienen el programa base NtripUser/NtripClient incorporado [Hoyer, 2011].

6. 2 Exactitudes La exactitud en las pocisiones obtenidas utilizando esta técnica evidentemente estarán condicionadas a la calidad de los datos GNSS, así como de las trnasmisión de las correcciones vía Internet. Claramente esto depende de factores meramente casuales, sin embargo, suponiendo que las condiciones fueron estables y que no hubo interferencias en la transmision (de datos y de correcciones), el NTRIP ofrece calidades submétricas mejores a los ± 50 cm. para correcciones diferenciales DGPS (recibiendo correcciones a los códigos) y calidades centimétricas para las soluciones GNSS (recibiendo correcciones a la fase de la portadora) [Hoyer, 2011].

VII. PPP-RT (Precise Point Positi onin g in Real Ti me ) Partiendo del procesamiento PPP, donde con un solo receptor, con unos datos integros y haciendo uso de modelos de corrección robustos y precisos, así como parámetros de corrección para órbitas y relojes, se desprende el PPP-RT. Después de la disponibilidad de la órbita precisa de satélites GNSS en tiempo real y productos de reloj desde algunas organizaciones, el interés de aplicar PPP en tiempo real es elevado, como un próximo método de generación de posición en tiempo real. Trabajar en tiempo real, es mucho más difícil que en el modo de post-procesado. Los temas críticos son la disponibilidad de medida de datos, en tiempo real, así como comunicaciones a través de enlaces inalámbricos, en un formato estándar (RTCM) que permita a los receptores del GNSS para operar fiablemente con mínimas limitaciones y con relativa facilidad [Rizos, et al., 2010].

7.1 Funcionamiento 25


Para la realización de este método, no se necesitan estaciones de referencia, puesto que el PPP es un posicionamiento absoluto por naturaleza, entonces se tiene: a) En el punto se sitúa el receptor, el cual debe estar conectado a un computador, y a su vez este debe tener establecida una conexión a Internet, ya que las correcciones serán transmitidas en tiempo real. b) El rover recibe la señal e instantáneamente comienza a generar las coordenadas del lugar; las cuales son de una calidad baja, semejante a un navegador. c) Mientras se recibe la señal el receptor va determinando las ambigüedades, y para alcanzar la mayor precisión se debe alcanzar la convergencia. d) Una vez que se tiene una solución fija, las correcciones transmitidas en tiempo real se aplican a las observaciones mejoradas, obteniendo coordenadas precisas. e) Las correcciones pueden ser ejecutadas en el computador o este puede ser sólo un enlace entre el receptor y las correcciones serían ejecutadas por el propio receptor. La transmisión de las correcciones no se hace necesariamente vía Internet utilizando un computador, todo depende del receptor, se puede incorporar una SimCard y utilizando un paquete de datos el rover será capaz de recibir las correcciones, además, si el mismo también recibe Internet inalámbrico, las correcciones también pueden ser transmitidas directamente.

7.2 Mensajes del SSR Las orbitas precisas y reloj pueden ser derivadas de correcciones de las efemérides transmitidas. El SSR (State Space Representation), ha diseñado un mensaje capaz de diseminar tales correcciones en tiempo real. Estos mensajes son:

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Tabla 1: Contenido de los mensajes del SSR.

Mensaje Contenido 1057

Correcciones orbitales para efemérides transmitidas GPS

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Correcciones de reloj para efemérides transmitidas GPS

1059

Sesgos de código GPS

1060

Correcciones combinadas de reloj y orbita GPS

1061

Rango de precisión del usuario GPS

1062

Correcciones de reloj para efemérides transmitidas GPS a alta velocidad

1063

Correcciones orbitales para efemérides transmitidas GLONASS

1064

Correcciones de reloj para efemérides transmitidas GLONASS

1065

Sesgos de código GLONASS

1066

Correcciones combinadas de reloj y orbita GLONASS

1067

Rango de precisión del usuario GLONASS

1068

Correcciones de reloj para efemérides transmitidas GLONASS a alta velocidad

7.3 Exactitudes Al referirse a un posicionamiento de tipo absoluto, donde no se pueden efectuar diferencias que permiten realizar correcciones, se sabe que la precisión no es tanto como se desea, puesto que en el caso de PPP post-procesado se maneja una exactitud de ±2 cm, pero al llevar a cabo este posicionamiento, ahora en tiempo real, es claro que los datos y correcciones son propensas a diversos factores que las afectarán en el campo real de medición, de donde se han obtenido posiciones con una variación de ±20 cm. Ahora bien, el PPP-RT está actualmente en un creciente auge, y se vienen desarrollando receptores de muy alta calidad, que permiten llevar a cabo este posicionamiento y tener resultados muy precisos.

VIII. Estudio de casos A continuación se presenta un experimento en el que se consta de tres redes distintas, diferenciadas por sus distancias entre estaciones. La primera red tiene una distancia entre 27


estaciones de 50 Km (red pequeña), la cual se compara con la red GNSS de Italia. Luego se tiene una red definida por distancias de 100 Km (red mediana en verde). La ultima (red grande en azul) tiene una distancia entre estaciones de 150 Km. En el experimento se utilizaron receptores de doble frecuencia GNSS de las compañías más importantes.

Figura 9: Distribución de las redes y posición del rover .

8.1 Posicionamiento con VRS Sin duda alguna el VRS es una de las técnicas más utilizadas para las correcciones en tiempo real, así como la más sencilla de utilizar por los receptores. La cual genera correcciones partiendo de los datos suministrados por la red CORE´s, por lo que se espera que la calidad de estas correcciones disminuya conforme aumenta la extensión de la red. Efectivamente, en el análisis se verifica que el error aumenta en ese sentido. Donde tenemos que el error planimétrico utilizando la red pequeña es menor a los 5 cm, pero al utilizar la red mediana y grande estos valores aumentan a 10 cm y 15 cm

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respectivamente. Ocurre un comportamiento similar con la elevación, con valores de 6 cm, 10 cm, y 25 cm para la red roja, verde y azul, respectivamente. Para el caso de la red mediana y grande se observa que a medida que aumenta el tiempo de medición los resultados son cada vez más exactos, como en el caso particular de la red azul (grande) donde luego de cinco (5) horas de medición desaparecen los valores atípicos. Esta tendencia en el comportamiento permitiría obtener precisión centimétrica con largos periodos de medición.

Ilustración 10: Calidad del Posicionamiento de un receptor geodésico cuando se utiliza una corrección de VRS: error planimétrico (arriba a la izquierda) y error de elevación (arriba a la derecha), promedio del error planimétrico (parte inferior izquierda) y del error de posicionamiento en tres dimensiones (parte inferior derecha).

8.2 Posicionamiento con MAC Estas correcciones utilizan una estación de referencia maestra y los datos suministrados por otras estaciones auxiliares, por lo que los valores no deben ser muy sensibles al utilizar redes de distintas extensiones. Mientras la distancia entre el rover y la estación maestra se 29


mantenga dentro del rango que permite una correcta diferenciación, la variación en la extensión de las redes producen variaciones menores. Esto se comprueba al observar en la figura el comportamiento del error planimetrico y altimétrico de la curva verde y roja, los cuales no incrementan mucho cuando se cambia de la red pequeña a la mediana. En este caso la calidad de la posición es similar, obteniendo 5 cm en planimetría y 10 cm en altura. Pero al cambiar a la red grande se observa un deterioro importante en las correcciones de MAC, esto se debe a que en este momento la distancia entre el rover y la estación maestra se ha salido del rango permitido, generando un error de 15 cm en planimetría y 25 cm en altura.

Ilustración 11: Calidad del Posicionamiento de un receptor geodésico cuando se utiliza una corrección de MAC: error planimétrico (arriba a la izquierda) y error de elevación (arriba a la derecha), promedio del error planimétrico (parte inferior izquierda) y del error de posicionamiento en tres dimensiones (parte inferior derecha).

El comportamiento de los promedios permite verificar un comportamiento similar entre la red pequeña y mediana. Pero se evidencia que el comportamiento al utilizar la red grande 30


no es constante, y que luego de ocho (8) horas de medición hay un desmejoro en la calidad del posicionamiento.

8.3 Posicionamiento con FKP Como es sabido con esta técnica se envían parámetros de corrección de área, lo cual es fiable para redes pequeñas pero al incorporarlo a redes de gran extensión re vuelve trivial su aplicación.

Ilustración 12: Calidad del Posicionamiento de un receptor geodésico cuando se utiliza una corrección de VRS: error planimétrico (arriba a la izquierda) y error de elevación (arriba a la derecha), promedio del error planimétrico (parte inferior izquierda) y del error de posicionamiento en t res dimensiones (parte inferior derecha).

Se puede observar un error en la posición de 10 cm, solamente al utilizar la red pequeña. Cuando se usa la red mediana y grande (verde y azul respectivamente) el promedio en el error de la posición excede los 20 cm. Algo similar sucede con la altura que pasa de tener un error de 15 cm (red pequeña) a tener 30 cm con las redes mediana y grande. Ahora, el comportamiento similar se tiene entre estas dos redes. Con respecto al error medio se 31


observa que se pueden alcanzar valores inclusive menores a los 5 cm, pero con extensas sesiones de medición.

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CONCLUSIONES Partiendo de la creación del GNSS se aprecia la trayectoria de la integración de los sistemas, que es la meta en el posicionamiento, aunado a obtener altas precisiones en el menor tiempo posible, traduciéndose en la implementación de mediciones en tiempo real en todos los campos posibles de la Geodesia. Las redes activas, al diseminar correcciones en tiempo real alrededor del mundo, dan paso a distintos caminos a seguir con dichos parámetros, de donde se derivan las técnicas VRS, MAC, FKP, NTRIP y PPP-RT, las cuales haciendo uso de distintas configuraciones y modelos matemáticos ajustados a sus requerimientos otorgan distintos productos. Actualmente el posicionamiento en tiempo real está creciendo, sobre todo a nivel de receptores, ahondando incluso en el delicado campo del PPP-RT, pero a pesar de este vertiginoso avance es importante resaltar que determinar posición en tiempo real tiene situaciones en contra ya que al medir en esta modalidad no se tiene un perfecto control de lo que se está haciendo, en el sentido de que no podemos revisas los datos, rechazar información deficiente y acciones similares que se manejan desde el control de una oficina de post-proceso. Es decir, los datos no pueden ser modelados con el objetivo deobtener un mejor resultado. El perfeccionamiento de esta técnica requiere la modernización de modelos de corrección ionosférica y troposférica, la actualización de softwares, y parámetros de corrección de la señal que transmite desde las estaciones de referencia, ya que es uno de los segmentos de la técnica en tiempo real que carece de control, y es de esta señal que depende la calidad final de los datos y el tiempo en que son recibidos los mismos.

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REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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Avances Del GNSS en RTK

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