Introduccion a sistemas de medida con GPS.ppt

3 Leica Geosystems Mexico
•Descripción del Sistema GPS
•Clasificación Según su Aplicación
•Ventajas del Sistema GPS
•Limitaciones del Sistema GPS
Introducción al Sistema GPS

Global Positioning System
Sistema de Posicionamiento Global
Sistema puesto en servicio (1978 ) y administrado por el Departamento de
Defensa de los E. U. A. Usa la constelación NAVSTAR ( NAVigation
System Time And Range ) Sistema de Navegacion que proporciona tiempo
y distancia y sirve para proveer al usuario de información de alta
precisión de:
· Navegación
· Ubicación exacta en 3D
· Tiempo (Sincronización)
Descripción del Sistema GPS
GPS

Constelación de 32 Satélites.
• 28 Satélites disponibles,
• 4 Satélites de Reserva,
• Ubicados en 6 planos orbitales,
• 55° de inclinación,
• Angulo de separación 60°,
• 20,200km de altura orbital,
• 12 horas de período orbital,
• Visibles entre 4 y 5 horas,
• Vida Útil de 7.5 años,
• Relojes atómicos de
Cesio-Rubidio,
• Precisión nona segundos
0.000 000 001 seg.
Componentes del Sistema GPS
Segmento Espacial:
Ecuador
55°

Estado Actual 2 – Agosto – 2007.

5 Estaciones de Rastreo
y monitoreo para realizar
la corrección de los relojes
de los satélites y de las
efemérides.
1. Colorado Springs
2. Ascensión
3. Diego García
4. Kwajailen
5. Hawaii
Componentes del Sistema GPS.
Segmento Control:

Componentes del Sistema GPS.
Segmento Usuario:
Recibe las señales de los satélites y las utiliza para calcular la posición de un
punto o móvil.
Controlador:
Manipula y Muestra los Datos del Receptor.
Receptor:
Registra los datos transmitidos, calcula la distancia
receptor-satélite y almacena toda la Información.
Antena:
Recibe la señal de los satélites.

D = V x T
Mediciones de GPS con Código.
(Pseudo-Rangos o Pseudo-Distancias)
La Distancia es calcula por la diferencia de
tiempo entre la velocidad de transmisión
de la señal de GPS.
Distancia = Velocidad X Tiempo
D= V x T
T = 10:25:30.1212-10:25:30.1901
T = 0.0689 seg.
D = 300,000 Km/seg. X ( 0.0689 seg. )
D = 20,670 Km.
Vel. de Transmisión:
300,000 Km/seg.
10:25:30.1212
10:25:30.1901

Xll
Vl
Principio GPS: Distancia
Xll
Vl
Xll
Vl
Xll
Vl
Distancia = Tiempo de Viaje x Velocidad de la Luz

Estamos ubicados en algún lugar de una esfera de radio R1
R1
Principio GPS: Posición de Puntos
R2
2 esferas se intersectan formando un círculo
R3
3 esferas se intersectan en un punto (Latitud, Longitud y Altura)

Mediciones de GPS con Fase Portadora.
La Distancia es calcula por medio del
numero de ciclos recibidos y estos son
multiplicados por la longitud de onda.
Long. de Onda en L1 = 19 cm.
Long. de Onda en L2 = 24 cm.
Distancia = No. de ciclos X Long. De Onda
D= No. Ciclo x L O
Ejemplo:
No. De ciclos recibidos = 108,235,169
D = 108,235,169 x 0.19
D = 20,564.682 Km.
No. de ciclos
recibidos
10:25:30.1212
10:25:30.1901

Cada satélite GPS transmite varias señales
La señal comprende dos ondas portadoras (L1 and L2) y dos códigos (C/A en L1 y P o Y
tanto en L1 como en L2) así como el mensaje orbital del satélite
Frecuencia
Fundamental
10.23 MHz
x 154
x 120
L1
1575.42 MHz
L2
1227.60 MHz
Código C/A
1.023 MHz
Código P
10.23 MHz
Código P
10.23 MHz
÷ 10
50 BPS Mensaje del Satélite
Estructura de la Señal GPS

D = V (DT)
Seudo Distancias (Código)
 Cada satélite transmite una señal única que se repite
aproximadamente cada 1 mseg.
 El receptor compara una señal generada internamente con la
señal recibida
 A partir de la diferencia de tiempo (dT) se puede determinar la
distancia
 El reloj del receptor debe estar sincronizado con el reloj del
satélite
DT
Código recibido
del satélite
Código
generado por
el Receptor
Distancia a partir de Observaciones de Código

D = c DT + lN
DT
Fase Recibida
del Satélite
Fase Generada
por el Receptor
Distancia a partir de Observaciones de Fase
Observaciones de fase
 La longitud de onda es de 19 cm en L1 y 24 cm en L2
 El receptor compara una fase autogenerada con la fase
recibida
 El número de longitudes de onda es desconocido
cuando se enciende el receptor (ambigüedad de fase
portadora)
 Mientras se rastrea el satélite, un cambio en la distancia
se puede apreciar (la ambigüedad de fase portadora
permanece constante)

Posicionamiento Puntual
X=
Y=
Z=
Coordenadas en sistema WGS-84
X=
Y=
Z=
X=
Y=
Z=
X=
Y=
Z=
X=
Y=
Z=

P = Posición Verdadera
 En teoría la posición de un punto
puede tener una exactitud de 10 a 20
metros utilizando el código C/A
Posicionamiento Puntual
P
20 m

Desafortunadamente
GPS no trabaja en un laboratorio
Trabaja en un mundo real el cuál tiene una serie de
fuentes de error

Modelo del reloj del Satélite
El tiempo es una parte muy crítica para el GPS, y aún cuando
son usados relojes atómicos, estos estan sujetos a pequenas
imprecisiones de tiempo, y estas imprecisiones se traducen en
errores de posición.
Incertridumbres en la Órbita
La posición de los satélites en el espacio es también una parte
importante, ya que esta es el inicio de todos los cálculos.
Se desvía un poco de sus órbitas predefinidas.
Fuentes de Error: Error en los Satelites

 Los satélites GPS transmiten vía ondas de radio la
información de su tiempo y se asume que estas
senales de radio viajan a la velocidad de la lúz.
 Estas senales deben viajar a través de las diversas
capas que forman parte de la atmosfera.
 Al pasar dor las diferentes capas, la senal sufre
retrazos.
 Estos retrazos se traducenen un error en el cálculo de
la distancia entre el satélite y el receptor
19,950 Km
200 Km
Ionósfera
50 Km
Tropósfera
Fuentes de Error: Errores en la Observacion

 La Ionósfera
Fuentes de Error: Errores en la Observacion

Fuentes de Error: Prediccion de la Radiacion Solar.

 Cuando la senal GPS llega a la superficie de la
Tierra, esta puede reflejarse en varios objetos.
 Primero la antena recibe la senal directamente, un
poco mas tarde recibe la senal que ha sido reflejada
en alguna obstrucción.
Fuentes de Error: Multi-Trayectoria.

0
100
200
300
400
Metros
User Equivalent Range Errors (UERE)

Posicionamiento Diferencial
X=
Y=
Z=
X=
Y=
Z=
X=
Y=
Z=
X=, Y=, Z=
X=
Y=
Z=
X=
Y=
Z=

GPS Diferencial.
Se determina una posición a partir de otra conocida.
GPS Diferencial
Línea Base Línea Base
Punto a medir
Punto conocido
X, Y , Z
Punto a medir

Angulo de Corte (Angulo de Elevación)
10 ° 10 °

 Es un indicador de la incertidumbre de una posición con respecto a la
geometría de los satélites
 Es un indicador de la fuerza de la figura formada por los satélites
rastreados en el momento de la medición
 GDOP (Geométrica)
 Inlcuye Lat, Lon, Altura y Tiempo
 PDOP (Posición)
 Incluye Lat, Lon y Altura
 HDOP (Horizontal)
 Incluye Lat y Lon
 VDOP (Vertical)
 Incluye altura sólamente
GDOP Bueno
Pérdida de Precisión (DOP) - 1/2

 Es un indicador de la incertidumbre de una posición con respecto a la
geometría de los satélites
 Es un indicador de la fuerza de la figura formada por los satélites
rastreados en el momento de la medición
 GDOP (Geométrica)
 Inlcuye Lat, Lon, Altura y Tiempo
 PDOP (Posición)
 Incluye Lat, Lon y Altura
 HDOP (Horizontal)
 Incluye Lat y Lon
 VDOP (Vertical)
 Incluye altura sólamente
GDOP Pobre
Pérdida de Precisión (DOP) - 2/2

GPS Diferencial.
Posición relativa
entre dos o más
estaciones GPS.
•Elimina los errores
en los relojes y en
las efemérides.
•Elimina los efectos
atmosféricos.
GPS Direfencial

•Diferencial en Post - Proceso
•Solución u obtención de las coordenadas en
proceso posterior.
•Diferencial en Tiempo Real
•Obtención de las coordenadas al instante.
GPS Diferencial
GPS Direfencial

Post Proceso
GPS Diferencial
GPS Direfencial

Programa de Pos - proceso:
•Cálculo de la posición.
•Métodos diferenciales.
•Transformación de Coordenadas.
•Exportación / Importación de datos.
•Ajuste de Redes.
GPS Diferencial
Post Proceso
GPS Direfencial

GPS RTK
Antena:
Recibe la señal de los satélites.
GPS Diferencial de Tiempo Real
Radio módem:
Establece el radio enlace entre las estaciones.
Controlador:
Manipula y Muestra los Datos del Receptor.
Receptor:
Registra los datos transmitidos, calcula la distancia
receptor-satélite y almacena toda la Información.

Precisión (línea base):
0.50m a 1m. (superior a 100km)
GPS Diferencial de Tiempo Real de Código
La Estación de Referencia:
• Ubicada en un punto conocido
• Rastreo de todos los satélites disponibles.
• Calcula las correcciones de las coordenadas.
• Mediante el radio enlace transmite los valores de las
correcciones de las coordenadas.
La Estación móvil:
• Recibe los valores de las correcciones mediante el
radio enlace..
• Aplica los valores de corrección para dar su posición
correcta.
GPS Direfencial

GPS Diferencial de Tiempo Real de Fase
Precisión (línea base):
1cm a 2 cm + 2ppm. (hasta 10km)
La Estación de Referencia:
• Ubicada en un punto conocido
• Rastreo de todos los satélites disponibles.
• Mediante el radio enlace transmite las mediciones GPS
y las coordenadas de la estación de referencia.
La estación móvil:
• Recibe las mediciones GPS y las coordenadas de la
estación base mediante el radio enlace.
• La estación móvil se hace cargo del cálculo para la
solución de ambigüedades.
GPS Direfencial

•Geodesia
•Topografía
•SIG/GIS
•Navegación Profesional
•Navegación Personal
•Sincronización
Clasificación según la Aplicación
Aplicaciones del Sistema GPS

•Receptores de doble frecuencia.
•9 o 12 Canales
•Robustos.
•Más Precisos.
•Miden Código y Fase Portadora.
•Medición de distancias largas (500 Km.. por ejemplo).
•Costo $ 48,000 Dls US
Precisión de la línea base:
3mm + 0.5 ppm Método Estático
5mm + 0.5 ppm Método Estático Rápido
10 a 20 mm + 1 ppm Método Cinemático
5mm + 0.5 ppm en Tiempo Real.
Receptores Geodésicos.
Geodesia

•Receptores de una frecuencia.
•9 o 12 Canales
•Más ligeros que los geodésicos.
•Menor precisión.
•Medición poco frecuente de distancias largas (hasta 100km).
Precisión de la línea base:
10mm + 2 ppm, Método Eestático
15 a 30 mm + 2 ppm. método dinámico
Topografía
Receptores Topográficos

•De mano.
•Menor precisión.
•Miden Codigo y solo algunos modelos miden Fase Portadora.
•Medición poco frecuente de distancias largas (hasta 20km).
Precisión de la línea base con mediciones de pseudo rango
(código):
0.30 a 0.50 metros, Método Estático
0.50 a 1.0 metros, Método Cinemático.
Sistemas de Información Geográfica
Receptores GPS/SIG

•De mano.
•Baja precisión.
•Miden Código Únicamente.
•Equipos para proveer ubicación a vehículos terrestres, aéreos y
marítimos.
• Costo $ 500 a 2,000 Dls US
Precisión de la ubicación:
10 a 20 metros.
Receptores para la Navegación Aérea o Marítima.
Navegación Profesional

•De mano.
•Baja precisión.
•Miden Código Únicamente.
•Equipos para proveer ubicación a Personas.
•Costo $ 199 a 545 Dls US
Precisión de la ubicación:
10 a 20 metros.
Receptores para la Navegadores Personales.
Navegación Personal

•Receptores robustos y/o para montaje en gabinetes de control
•Base de tiempo de mayor exactitud.
•Precisión Autónoma ( Promedia Posición de 24 a 72 Hrs.)
•Múltiples salidas para sincronía y control de otros dispositivos.
•Opción de trabajar con bases de tiempo: Atómica, Rubidio,
Cesio y Cuarzo.
Precisión del Tiempo:
10 milisegundos
o nona segundos con relojes de Rubidio.
Receptores para la Sincronización.
Sincronización

•No es necesaria la visibilidad entre estaciones.
•Selección de sitio independiente de la red.
•Reducción del número de sitios.
•Beneficios ambientales.
•Independiente del clima.
•Operación diurna y nocturna.
•Operación sencilla.
•Amplia gama de aplicaciones.
•Precisión Geodésica.
•Significativamente más rápido.
•Ventajas económicas.
Ventajas del Sistema GPS
Ventajas vs Equipo convencional

•Mediciones a cielo abierto.
•Obstrucciones:
· Interferencia Electromagnética.
· Edificios y construcciones.
· Cerros y montañas.
· Follaje.
Limitaciones del Sistema GPS
Limitaciones vs Equipo convencional

Limitaciones del Sistema GPS
Interferencia Electromagnetica.

Gracias por su atención a esta presentación.
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