Tema 9: FUNDAMENTOS DE LOS SISTEMAS GLOBALES DE POSICIONAMIENTO Y

NAVEGACIÓN POR SATÉLITE (GNSS: GPS, GALILEO,…)

Referencias de ampliación: -Núñez, Valbuena, Velasco (1992) “GPS, la nueva era de la Topografía”. Ed. Ciencias Sociales, Madrid -Leick, A. (1995) “GPS Satellite Surveying” J. Wiley & Sons. Nueva York. -Logsdon T. (1992) “The NAVSTAR Global Positioning System” Ed. Van Nostrand, Reinhold. -Herring T.A. (1996) “El sistema global de posicionamiento” Investigación y Ciencia, Abril -Ashkenazi, V. (1994) “El GPS y los mapas”, XX Congreso Int. De la F.I.G., Melbourne -Tutorial: www.colorado.Edu/geography/gcraft/notes/gps/gps.html -Tutorials: www.topconps.com/gpstutorial, www.trimble.com/gps www.leica-geosystems.com/gps -Revista: www.gpsworld.com (con links a las principales casas fabricantes de receptores GPS). -Sitios con información de servicios DGPS: www.icc.es (Rasant) y www.geo.ign.es (Record)

INDICE I. INTRODUCCION II. FUNDAMENTOS DEL SISTEMA

1. SECTORES o SEGMENTOS 2. MEDIDAS BASICAS QUE HACEN LOS RECEPTORES y tipos de posicionamiento

III. PROCEDIMIENTO (METODOS DE OPERACION)

Clasificación de los métodos de operación Planificación Post-proceso:

IV. TIPOS DE RECEPTORES V. PRECISIONES VI. APLICACIONES

I. INTRODUCCION Sistema de radionavegación y posicionamiento con aplicaciones muy variadas, desde expeditas hasta medida de bases y puntos geodésicos y topográficos. Permite obtener la posición de puntos (Long. /Latitud/Cota ó coordenadas UTM p.e.) a partir de registros de ondas electromagnéticas emitidas por varios satélites orbitando. Precedentes: sistemas de navegación LORAN y TRANSIT DOPPLER A partir de 1973 se concibió el sistema GPS. La puesta en órbita de los satélites y fase de pruebas se extendió desde 1978 hasta 1994. El sistema GPS de los EUA está en condiciones de plena operatividad desde 1995. El uso no militar está tolerado. En la última década se ha aplicado a Geodesia y Topografía, compitiendo y complementado con los métodos de levantamiento convencionales. Sistemas “paralelos”: • GLONASS, iniciado con pocos años de diferencia por la extinta URSS, nunca ha llegado a estar plenamente operativo

debido a problemas económicos y políticos. Actualmente tiene menos de la mitad de la constelación “arriba”. Existen algunos receptores “duales”: pueden usar la señal GLONASS además de la señal GPS. Son más caros.

• GALILEO: Será (?) el sistema Europeo de navegación por satélite, de origen y control civil, con garantías de servicio, precisión e integridad. Sin embargo está sólo en fase inicial de implementación. Si todo fuera bien, estaría operativo en el 2008-2010.

• CHINA ha lanzado 2 satélites geoestacionarios GNSS a partir de Octubre 2000 (enfoque militar) Existen hoy en día (2001) unos 4 millones de receptores del sistema GPS, unos pocos millares de unidades del sistema GLONASS (no tienen cobertura global las 24 h), y unos pocos receptores que combinan gps+glonass. ⇒ las explicaciones que siguen están basadas en el sistema GPS (el fundamento del resto de sistemas es similar)

II. FUNDAMENTOS DEL SISTEMA 1. SECTORES o SEGMENTOS

A) Sector Espacial: Constelación NAVSTAR, + 24 satélites a 20200Km

Satélite de la Ondas electromagnéticas enviadas por los satélites Constelación NAVSTAR GPS: Portadoras (L1 ó L2), moduladas según dos códigos pseudoaleatorios (C/A, “Coarse Acquisition”, y P, “Precise code”):

B) Sector de Control: 5 estaciones de seguimiento. Controlan posición y funcionamiento. Calculan las “Efemérides”, que son enviadas a los satélites, y las correcciones.

C) Sector Usuario: Antena+Receptor+accesorios.

De diversos tipos y precisiones. (realmente lo único propiedad del usuario civil)

2. MEDIDAS BASICAS QUE HACEN LOS RECEPTORES y tipos de POSICIONAMIENTO Son los denominados “observables”, fundamentalmente de 2 tipos: Fase de la portadora y Códigos.

a) Posicionamiento por medida de Pseudodistancias a partir del código. Multilateración tridimensional. Basada en los códigos. Rápido, pero no máxima precisión.

Las “distancias” se obtienen gracias a la correlación emisión/recepción basada en los códigos

b) Por medida de Fase de las portadoras (L1 y L2)

Algoritmos algo más complejos. Observaciones más lentas. Máxima precisión. Se mide durante cierto tiempo los desfases ∆φ. Siguiendo a varios satélites. Se ha de determinar el entero N (“resolver la ambigüedad”).

c) Combinaciones de ambos tipos de observables. III. PROCEDIMIENTO (METODOS DE OPERACION) a) Según el nº de equipos: 1 receptor: posicionamiento absoluto (poco preciso) 2 ó más receptores: posicionamiento relativo (o diferencial) b) Según movimiento de equipos: Estático Cinemático Variantes y Combinaciones: Estático-rápido, pseudo-cinemático, Stop & Go... c) Según cuando obtiene solución: Tiempo real Postproceso

Un sistema de GPS diferencial (DGPS) interesante (operativo en muchos puntos de Europa y del mundo):

RASANT = Radio Aided SAtellite Navigation Technique MÉTODOS GPS MÁS USADOS EN GEODESIA, CARTOGRAFÍA Y TOPOGRAFÍA (relativo, fase): • METODO “FAST-STATIC” o ESTÁTICO RÁPIDO (postproceso) (≥4 sv’s, 8 A 20 minutos). • METODO “REAL TIME KINEMATIC” O CINEMÁTICO EN TIEMPO REAL (≥4 sv’s, ≥5 sv’s para inicializar)

Planificación de las observaciones: importante para seleccionar las “ventanas” con nº y disposición de satélites más idóneos (sólo necesario en aplicaciones de precisión). Factores D.O.P. (Dilution Of Precision): PDOP, GDOP...

Post-proceso: sólo necesario para alguno de los procedimientos más precisos (p.e. estático). Transmisión de las observaciones a un PC y procesado con un software especial (algoritmos específicos, promediados y filtrados espacio-temporales, ajuste de redes...) IV. TIPOS DE RECEPTORES Posible clasificación simplificada: ver tabla V. PRECISIONES Problemas groseros: Pérdida de señal por obstáculos (edificios o bosque p.e.) Rebotes (multipath) Otros factores que influyen en la precisión: Retardos sistemáticos debidos a la ionosfera y a la troposfera o a meteorología Precisión de las órbitas calculadas (Efemérides). Selective Availability (S/A) Nº y disposición de satélites y receptores (DOP) Calidad de los equipos Tipo de observación y duración Considerar la ondulación del geoide-elipsoide

Precisiones típicas: ver tabla

TIPO Miden por Precisión típica Precio aprox ‘96 Geodésicos Fase(2 ó más equipos) 5mm+1ppm +-10Mpts(2eq.2frec.)

Topográficos >> 10mm+2ppm 3 a 6 Mpts(2eq.1frec.) Topografía expedita o

peq.escala,ó navega. precis. Pseudodist. (2 ó más eq.) 0.8 a 5 m 1 a 2 Mpts(2eq.1frec.)

Navegación Pseudodist. (1 equipo.) C/A: sin S/A: 10-40m con S/A: 50 - 100m

(P code (militar): 1 a 10m)

0.05 a 0.5 Mpts(1eq.1frec.)

La S/A ha sido “discontinuada” a partir del 2 Mayo 2000 VI. APLICACIONES (cualquier actividad que precise determinar la posición de puntos) Geodesia y Topografía: Establecimiento y densificación de redes geodésicas. Ventajas respecto métodos clásicos Estudios geodinámicos, geofísicos y sísmicos. Control de movimientos de laderas y estructuras. Determinación del Geoide Puntos de apoyo para fotogrametría, y posicionado del avión durante el vuelo de toma. Puntos de apoyo para imagen satélite. Ingeniería, Obra Civil y Topografía: Inventario de carreteras (u otras redes de servicios, teléfonos, gas...) para Sist. Información Geográfica Establecer linderos municipales, catastrales, recursos naturales (zonas forestales, cultivos...) Localización de sondeos, afloramientos, yacimientos… Establecer bases de replanteo en obras lineales largo recorrido Establecer bases de replanteo en obras especiales (p.e. accesos túneles) Realización de batimetrías con la ayuda de una sonda para la profundidad. Ubicación de plataformas petrolíferas en el mar. Navegación: Por Tierra/mar/aire. Pesca Control de redes o flotas de vehículos: camiones, buses, trenes, barcos, bomberos y ambulancias... Guiado de vehículos sobre cartografía en C-map (“navegadores”) Militares etc.

Tipos típicos de receptores:

Aplicación para batimetrías: • el GPS da la posición del barco (X,Y, opcionalmente Z), • la profundidad o “sonda” antiguamente se obtenía manualmente (“escandallo”) y actualmente con una sonda digital o

“ecosonda”.