CORRECCION DE ERRORES EN GPS
Técnicas de corrección diferencial de GPS (DGPS) El fundamento del posicionamiento diferencial es la c orrección de los errores de desajuste de los relojes de los satélites en una posición mediante los errores medidos en una posición conocida, para ello, un receptor de referencia o estación base calcula las correcciones para cada satélite. Debido a que los pseudo-rangos deben d eben ser corregidos antes del cálculo de la posición, las implementaciones de DGPS requieren que el receptor de referencia inclua un soft!are que le permita seguir todos los satélites "isibles calcular las correcciones de los pseudosrangos de cada uno de ellos. Estas correcciones son transmitidas a los receptores remotos quienes deben ser capaces de aplicarlas indi"idualmente a cada satélite que se esté utili#ando para el cálculo de la posición. $plicar una simple corrección sobre la posición desde el receptor base al receptor recep tor remoto en un rango de distancias utili#able tiene limitaciones a que ambos receptores deben utili#ar el mismo conjunto de satélites para el cálculo de la posición además deben tener la misma GD%P &imposible para posiciones distintas' para ser afectados de forma idéntica por los errores de d esajuste de reloj.
GPS diferencial por código (Navegación) (as correcciones diferenciales deben ser utili#adas en tiempo real, con técnicas de postprocesado. (as correcciones en tiempo real pueden ser transmitidas por radio-enlaces. (a Guardia costera de los Estados )nidos mantiene una red estaciones diferenciales transmite correcciones DGPS mediante radiobali#as proporcionando cobertura gran parte de la costa estadounidense. (as correcciones DGPS se suelen suelen transmitir usando el formato estándar *+ *+ &*adio +ecnical +ecnical ommission arine'. (as correcciones pueden ser grabadas para reali#ar un postprocesado. ucos organismos p/blicos pri"ados graban estas correcciones para distribuirlas por medios electrónicos. electrónicos. E0isten ser"icios pri"ados de corrección DGPS que utili#an subportadoras de banda 1 comercial, enlaces "2a satélite o emisoras pri"adas para aplicaciones a tiempo real.
Para eliminar la disponibilidad selecti"a & otros errores de sincronismo', las correcciones diferenciales deben ser calculadas en la estación de referencia aplicadas en el receptor
remoto con un inter"alo menor que el tiempo de "ariación de S$. (os tiempos medios de actuali#ación de las correcciones suele ser inferior a los "einte segundos. El sistema DGPS elimina los errores comunes a la estación de referencia los receptores remotos, no aplicándose a los errores de multicamino o ruido de receptor. (os errores tienden a ser comunes cuando los receptores están pró0imos &menos de 344 5m'. (a precisión del sistema DGPS usando código 6$ con se7ales SPS.
GPS diferencial por desfase de portadoras (igilancia) +odos los sistemas de seguimiento de fase son diferenciales, necesitando tanto en receptor de referencia como en el remoto reali#ar el seguimiento simultáneo de la fase de la portadora. Para poder estimar el n/mero de ciclos de la portadora en el receptor de referencia en los receptores remotos, deben estar suficientemente cercanos para asegurar que la diferencia de los respecti"os retardos ionosféricos es menor que la longitud de onda de la portadora. Esto implica que normalmente las medidas GPS basadas e n seguimiento de fase de portadora deben ser tomadas con una distancia inferior a los 845m entre la estación de referencia el receptor remoto. Se necesita soft!are especial para procesar las medidas diferenciales de seguimiento de fase de portadora. (as técnicas de procesado 9inemático en tiempo real &*+5' obtienen una precisión de 3 cm con un receptor remoto mó"il.
Trans!isión "oraria en !odo co!#n uando se transmite información oraria de un punto a otro, mediante el uso de técnicas diferenciales pueden conseguirse precisiones en torno a los 34 ns sobre distancias de :444 5m.
SISTE$% R%S%NT& Correcciones diferenciales en Espa'a
Introdcción El ;nsitut artogr
>? de forma oficial. En realidad, se an estado transmitiendo correcciones diferenciales con *$S$=+ desde =o"iembre de 3>>@ sin interrupción. En estos momentos *$S$=+ cubre el >4A del territorio de atalu7a. En el resto Espa7a e0iste un proecto de colaboración entre *adio =acional de Espa7a &*=E:' el ;nstituto Geográfico =acional &;G=, dependiente del inisterio de 1omento' para la implementación del sistema *$S$=+ a tra"és de la red de repetidores de *=E, este proecto se encuen tra actualmente en plena e0pansión encontrándose a implantado en más del B4A del territorio nacional. )suarios equipados de receptores GPS con capacidad de usar correcciones de las obser"aciones de código 6$ podrán determinar las coordenadas de puntos sobre prácticamente todo el territorio espa7ol con una precisión de asta 3 m en tiempo real. *$S$=+ es una abre"iatura de *adio $ided Satellite =a"igation +ecnique utili#a el sistema *DS &*adio Data Sstem' de las emisoras 1 como sistema de transmisión de datos. En particular, la implementación de *$S$=+ en atalu7a se reali#a por med io de la emisora ataluna /sica en cua banda subportadora *DS se transmiten las correcciones generadas en una de las estaciones GPS permanentes del ; situada en el recinto de las instalaciones del +G en Cellmunt de Segarra. En las transmisiones a tra"és de *=E se utili#a el segundo canal del ente, *adio lásica 1 de *=E, las correcciones son calculadas en (a asa de la *adio &adrid' retransmitidas a todos los repetidores a tra"és del satélite ispasat, produciendo un retraso en la llegada de 8.@ segundos. *$S$=+ es un estándard europeo de radiodifusión de correcciones diferenciales que, en estos momentos, está desplegado en los (nder alemanes, en atalu7a como se a indicado anteriormente se está implementando. %tros organismos del resto de Europa están anali#ando la posible e0tensión de *$S$=+ a otras regiones estados. *$S$=+ a sido desarrollado por el ($=*F &(andes"ermessungsamt =ordreinFestfalen' por la FD* &Fest Deutsce *undfun9' con "ocación de ser un ser"icio DGPS de acceso p/blico, gratuito cuos formatos estén abiertos a prácticamente cualquier institución o empresa que desee integrar soluciones de posicionamiento o na"egación DGPS. El ; el ;G= an adaptado la tecnolog2a *$S$=+ a los protocolos de comunicaciones *DS utili#ados por el +G *=E a la configuración particular de la red de repetidores 1 del +G de *=E. El equipo para reali#ar posicionamiento DGPS con *$S$=+ consiste en un receptor GPS con capacidad input *+ S-34B un receptor *$S$=+. )n receptor *$S$=+ es un receptor de radio 1 con capacidad *DS capacidad de descompresión de datos *$S$=+. )n receptor *$S$=+ puede ser adquirido en el mercado o puede ser construido después de aber obtenido la correspondiente licencia de los in"entores del sistema. &omo a se a indicado, *$S$=+ a sido dise7ado con "ocación de ser"icio p/blico gratuito'.
El despliegue de *$S$=+ impulsado por el ; el ;G=, as2 como iniciati"as similares e incluso más ambiciosas en otros pa2ses europeos, en =orteamérica en Hapón, son una muestra del tipo de acti"idades que las agencias geodésicas oficiales ofrecerán en el futuro. En particular, a es clara la tendencia a ampliar los ser"icios ofrecidosI de la red geodésica a las estaciones permanentes, a los ser"icios de suministro de datos on-line, al apoo a la na"egación terrestre, etc.
or!ato RTC$ En 3>J8 el ).S. ;nstitute of =a"igation &;%=' solicitó el desarrollo por parte de la *adio +ecnical ommission for aritime Ser"ices &*+' de un co njunto de recomendaciones para la transmisión de correccciones diferenciales a los usuarios del sistema GPS . *+ estableció el Special ommitee =o. 34B &S-34B' con el nombre de Differential =a"star GPS Ser"ice. El primer borrador con un conjunto de recomendaciones sobre protocolos, inter"alos de transmisión definición sobre la información que de ber2a ser transmitida apareció en =o"iembre de 3>J@. Posteriormente se an efectuado ligeras modificaciones de los formatos de transmisión apareciendo la "ersión :.4 en Enero de 3>>4, mientras que en Enero de 3>>B apareció la "ersión :.3 . En la tabla sigiente aparecen los diferentes tipos de mensajes definidos en la "ersión :.3. $ctualmente se está trabajando para definir mensajes que contengan correcciones diferenciales para los satélites de la constelación G(%=$SS &sistema ruso similar al GPS'. El formato de datos *+ S-34B &o simplemente *+' para la transmisión de correcciones diferenciales GPS se a constituido como u n estándard defacto en toda la comunidad de receptores GPS, de manera que la práctica totalidad de receptores GPS que pueden trabajar en modo diferencial aceptan correcciones diferenciales en formato *+.
3.:.8.B.@.?.K.J.>.34.33.-
TIPO $ENS%*E C+RRENT ST%T+S TIT,E 1i0ed Differential GPS orrections 1i0ed Delta Differential GPS orrections 1i0ed *eference Station Parameters *etired Sur"eing 1i0ed onstellation Lealt 1i0ed =ull 1rame 1i0ed Ceacon $lmanacs +entati"e Pseudolite $lmanacs 1i0ed Partial Satellite Set Differencial orrections *eser"ed P-ode Differential orrections &all' *eser"ed 6$-ode (3, (: Delta orrections
3:[email protected]?.3K.3J.3>.:4.:3.::-@J.@>.?4-?8.-
*eser"ed Pseudolite Station Parameters +entati"e Ground +ransmitter Parameters *eser"ed Sur"eing $u0iliar essage *eser"ed ;onospere &+ropospere' essage 1i0ed Special essage +entati"e Epemeris $lmanac +entati"e )ncorrected arrier Pase easurements +entati"e )ncorrected Pseudorange easurements +entati"e *+5 arrier Pase orrections +entati"e *+5 Pseudorange orrections )ndefined +entati"e Proprietaressage *eser"ed ultipurpose )sage
Tipos de mensajes definidos por RTCM SC-104 Versión 2.1
Difsión de correcciones diferenciales v-a RDS El sistema *adio Data Sstem &*DS' es un estándard eu ropeo para la transmisión de datos a los receptores 1. Entre la información transmitida "2a *DS tenemosI no mbre de la emisora, tipo de programa, información orariaM (a información *DS se transmite en subportadoras inaudibles &@K 9L#' de los canales de 1 comercial. (as condiciones de recepción de las se7ales *DS son idénticas a las de recepción del programa de radio. Gran parte de las autoradios tienen capacidad para decodificar la información *DS que se transmite juntamente con los programas comerciales de 1.
Caracter-sticas del siste!a R%S%NT *$S$=+ es un sistema de radiodifusión de correcciones diferenciales calculadas por el ;G= el ; en estaciones de referencia equipadas con receptores GPS. (as correcciones están basadas en el formato estándard *+ se en"2an a tra"és del sistema *DS que incorpora la se7al de *adio lásica 1 &*=E:' ataluna /sica a sus emisiones. (as frecuencias en las que pueden sintoni#arse *=E: ataluna /sica dependerán del centro emisor más cercano. (a información transmitida por el sistema *$S$=+ consta de los mensajes *+ tipo 3, :, 8, @, > 3?. En la estación de referencia el programa *$S*E1 reformatea comprime las correcciones diferenciales generadas por el receptor GPS en formato *+, de manera que puedan inectarse en los codificadores *DS de las emisoras 1. (a información *DS se distribue en grupos, el sistema *$S$=+ utili#a los grupos @ $ o el 33 $. ada uno de estos grupos tiene una capacidad /til de 8K bits. (a compresión efectuada por *$S$=+ permite transmitir las correcciones diferenciales de un satélite en un sólo grupo *DS. El usuario recibe la información *DS a tra"és de un receptor 1 con"encional, a partir de las
correcciones de cada satélite contenidas en los grupos *DS junto con información adicional sobre los tiempos de referencia el programa *$S5%C; se encarga de regenerar las correcciones diferenciales en formato *+. (a estructura de las correcciones diferenciales transmitidas por *$S$=+ permite que la información sobre los tiempos de referencia de los mensajes *+ &conocida como #-count' pueda ser transmitida a menor "elocidad que las correcciones diferenciales propiamente dicas. $l estar las correcciones diferenciales de un satélite contenidas en un sólo grupo *DS, el sistema adquiere una gran robuste# frente a interferencias. Si se obser"an K satélites, el mensaje en formato *+ ocupa B:4 bits, si se transmitiese directamente en formato *+ se necesitar2an 3: grupos *DS. Si se perdiese uno de estos 3: grupos debido a interferencias, entonces no ser2a posible inectar el mensaje recibido a un receptor GPS. En el sistema *$S$=+ la corrección de estos K satélites es transmitida en sólo K g rupos *DS, en caso de perderse alg/n grupo, entonces *$S5%C; regenerar2a un mensaje en formato *+ conteniendo las correcciones diferenciales de los restantes ? satélites.
+tili.ación del siste!a R%S%NT (a utili#ación del sistema *$S$=+ por parte de los usuarios requiere un receptor de radio 1 con capacidad *DS juntamente con un receptor GPS que admita correcciones diferenciales en el formato estándard *+. El receptor de radio *DS debe ser cap a# de e0traer la información de las correcciones diferenciales GPS de entre toda la información que se transmita en el sistema *DS &como se a indicado anteriormente las correcciones diferenciales, a diferencia de los otros datos transmitidos, están incluidas en los grupos @ $ u 33 $'. 1inalmente, el usuario deberá utili#ar el programa *$S5%C; para reconstruir el mensaje en el formato *+. Este mensaje reformateado puede inectarse directamente en el receptor GPS con capacidad diferencial. )na "e# se an inectado las correcciones diferenciales al receptor GPS, el propio receptor a se encargará de utili#arlas para proporcionar un posicionamiento de precisión. En la práctica el usuario utili#ará receptores integrados *$S$=+. $ctualmente e0isten en el mercado di"ersos receptores integrados *$S$=+ con precios a partir de [email protected] pta. (os receptores integrados *$S$=+ act/an a modo de caja negra, tienen una entrada para una antena 1 una salida *S:8: para las correcciones diferenciales en formato *+. (os receptores integrados se componen de un sintoni#ador 1 con capacidad *DS junto con un procesador que reformatea las correcciones diferenciales de la forma se7alada anteriormente de forma totalmente automática transparente para el usuario. (os receptores integrados *$S$=+ pueden sintoni#arse a una frecuencia predeterminada o escanear todo el espectro en busca de emisoras que incluan *$S$=+ en su información *DS. Para aumentar la robuste#, algunos receptores *$S$=+ tienen la posibilidad de incorporar un segundo sintoni#ador 1 para mejorar la calidad de recepción de la información *DS. 1inalmente podemos remarcar que también e0iste la posibilidad de disponer de receptores integrados *$S$=+-GPS, en este caso las correccioness diferenciales *+ se aplican automáticamente al receptor GPS integrado en el equipo, obteniéndose directamente posiciones GPS en modo diferencial.
Precisión del siste!a R%S%NT (a precisión que puede obtenerse utili#ando el sistema *$S$=+ depende de una serie de factoresI calidad de las correcciones diferenciales, geometr2a de los satélites, edad de las correcciones diferenciales, distancia a la estación de referencia finalmente la calidad del equipo del usuario. Se puede encontrar un estudio e0austi"o de la operati"idad del sistema *$S$=+ en el proecto fin de carrera de Segarra,H., esa,H., N$n>?. )tili#ando obser"aciones de código de calidad el sistema *$S$=+ permite el posicionamiento diferencial en tiempo real con una precisión submétrica en planimetr2a ligeramente peor en altimetr2a.
Calidad de las correcciones diferenciales GPS (a precisión de las correcciones diferenciales generadas en la estación de referencia dependerá de la calidad de las obser"aciones de código reali#adas por el receptor GPS de referencia junto con la precisión en la determinación de sus coordenadas. (as coordenadas de la antena de la estación de referencia del sistema *$S$=+ an sido calculadas con muca precisión a partir de datos de estaciones permanentes del ;GS &;nternational GPS Ser"ice for Geodnamics' de efemérides de precisiónR además, el receptor de referencia utili#ado por el sistema *$S$=+ &+rimble B444SS;' sua"i#a las obser"aciones de código con obser"aciones de la portadora (3, lo que permite la generación de correcciones diferenciales altamente precisas.
Geo!etr-a de los satélites El efecto que la posición relati"a entre el receptor del usuario los satélites obser"ados tiene en la precisión obtenida, "iene determinado por los factores D%P &Dilution of Precision'. De forma general, puede decirse que factores D%P altos impiden un posicionamiento de precisión, mientras que factores D%P bajos permiten un posicionamiento de precisión.
Edad de las correcciones diferenciales (as correcciones diferenciales no son constantes en el tiempo. Seg/n "aa aumentando la edad de las correcciones diferenciales aplicadas, los errores de posicionamiento irán aumentando. $l disponer el sistema *$S$=+ de una capacidad de 8 grupos *DS por segundo se puede asegurar que los usuarios dispondrán de las correcciones diferenciales de todos los satélites con un retardo de unos :-8 segundos dependiendo del n/mero de satélites obser"ados. $s2 pues, podemos concluir que no a una pérdida de precisión debido al tiempo de transmisión de las correcciones diferenciales.
Distancia a la estación de referencia
(as obser"aciones de satélites GPS se "en afectadas por una serie de erroresI troposféricos, ionosféricos, órbitas de los satélites, relojes de los satélitesM El posicionamiento diferencial GPS &DGPS' se basa en que estos errores adquieren una magnitud similar en puntos cercanos. Por tanto, a medida que nos alejamos de la estación de referencia los errores que afectan a las obser"aciones del usuario diferirán de los errores que afectan a las obser"aciones de la estación de referencia. Emp2ricamente se a demostrado que la precisión se degrada del orden de 4.:-4.Bm63445m, por tanto, al estar la estación de referencia situada en el centro de atalu7a &Cellmunt de Segarra' el error debido a la distancia entre el usuario la estación de referencia será siempre inferior a 4.8-4.?m.
Calidad del e/ipo del sario (a precisión de las obser"aciones GPS efectuadas por el usuario es otro factor importante en el posicionamiento GPS-*$S$=+. Si se reali#an obser"aciones en #onas afectadas por rebotes de se7ales &multipat' o se utili#an receptores GPS que reali#an obser"aciones de código de baja calidad, la precisión obtenida será sensiblemente inferior.
+tili.ación ópti!a del siste!a R%S%NT 0 representación so1re cartograf-a Para un uso óptimo del GPS, para representar correctamente las coordenadas as2 obtenidas sobre la cartograf2a, debemos tener en cuenta las diferencias entre el sistema de referencia FGSJB -el propio del GPS- el sistema ED@4 -el u tili#ado en el estado espa7ol-. En atalu7a la diferencia total entre e l sistema de referencia FGSJB el sistema ED@4 es de unos 3K@ m. El ; dispone de los parámetros necesarios para reali#ar la transformación entre los sistemas de referencia. Estos parámetros están calculados de manera local, de tal forma que su "alor es óptimo para atalu7a. (os parámetros de transformación pueden obtenerse llamando a la CCS del ;, Geofons &+eléfonoI >8-B:? K? ?@' o ser proporcionados por el Ser"icio de Geodesia del ;, en un futuro pró0imo estarán disponibles "2a internet &ttpI66!!!.icc.es'. +ambién debemos tener en cuenta las diferencias entre las cotas elipsoidales- las que se obtienen del GPS- las ortométricas -las que se representan en los mapas-. El conjunto de estas diferencias es el llamado geo ide. En atalu7a se dispone de un geoide local, el )C>3, que puede obtenerse en la tienda del ; por un precio simbólico, o bien llamando a Geofons. En el sistema FGSJB la diferencia entre cotas elipsoidales cotas ortométricas en la #ona de atalu7a "ar2a entre B>.@m i @@m. Para un apro"ecamiento má0imo del GPS es necesario, pues, combinar los datos del receptor de trabajo con los datos de un receptor de referencia, para poder trabajar en modo diferencial &DGPS', los parámetros de transformación entre los sistemas FGSJB ED@4 los datos del geoide. En la imagen anterior puede obser"arse la representación sobre cartograf2a de la traectoria de un receptor *$S$=+6GPS después de aplicarse las transformaciones mencionadas en el apartado anterior. El maor problema para el uso de posicionamiento diferencial GPS en ciudades son las obstrucciones de los satélites GPS causadas por los edificios. $unque la
readquisición de la se7al GPS es mu rápida, "er imagen inferior donde se representa la posición de un receptor mó"il cada segundo, en algunas #onas los edificios pueden pro"ocar "alores D%P mu altos e incluso la imposibilidad de posicionamiento al disponer de un n/mero insuficiente de obser"aciones de satélites. En los casos en que sea necesario un posicionamiento de precisión continuo en #onas urbanas deber2a complementarse el sistema *$S$=+6GPS con sensores adicionales &giróscopos odómetros'. ol"er
